Organische Chemie

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Organische Chemie

Thieme

Organische Chemie Grundlagen, Stoffklassen, Reaktionen, Konzepte, Molekülstruktur Eberhard Breitmaier und Günther Jung 5. überarbeitete Auflage

286 Abbildungen und zahlreiche Formeln 129 Tabellen

Georg Thieme Verlag Stuttgart · New York

Anschriften: Dr. Eberhard Breitmaier Professor für Organische Chemie und Instrumentelle Analytik, Universität Bonn Privatanschrift: Engelfriedshalde 46 72076 Tübingen Dr. Günther Jung Professor für Organische Chemie und Biochemie, Universität Tübingen Privatanschrift: Ob der Grafenhalde 5 72076 Tübingen

Die Deutsche Bibliothek – CIP-Einheitsaufnahme Ein Titelsatz für diese Publikation ist bei der Deutschen Bibliothek erhältlich

Umschlag: Chemilumineszenz bei der Oxidation des 3-Aminophthalsäurehydrazid (Abschn. 29.7). Die von den Autoren durchgeführte Reaktion „zündet“ unmittelbar nach Zugabe des Eisen(III)-Komplexes (Hämin) als Katalysator im Becherglas innerhalb des vom Magnetrührer erzeugten Rührwirbels Kugel-Stab-Molekülmodell des Tetrapeptids Ala-Gly-Ala-Gly als a-Helix (Abschn. 37.3.2)

Geschützte Warennamen (Warenzeichen) werden nicht besonders kenntlich gemacht. Aus dem Fehlen eines solchen Hinweises kann also nicht geschlossen werden, dass es sich um einen freien Warennamen handelt. Das Werk, einschließlich aller seiner Teile, ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlages unzulässig und strafbar. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. © 1978, 2005 Georg Thieme Verlag, Rüdigerstraße 14, 70469 Stuttgart Printed in Germany Druck: Konrad Triltsch, Print und digitale Medien GmbH, 97199 Ochsenfurt-Hohestadt ISBN 3-13-541505-8

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Vorwort Das Studium der Naturwissenschaften gliedert sich meist in das Grundstudium bis zum Vordiplom und das Hauptstudium bis zum Diplom. Dementsprechend widmet sich der erste Teil dieses Buches (Kapitel 1 - 27) dem Stoff des Grundstudiums mit Haupt- und Nebenfach Chemie. Der zweite Teil (Kapitel 28 - 42) behandelt speziellere Themen des Hauptstudiums. Das vorliegende, aufgrund seiner Inhalte und Konzeption auch für Studierende anderer Naturwissenschaften (Biochemie, Lebensmittelchemie, Pharmazie, Biologie) an Hochschulen und Fachhochschulen geeignete Lehrbuch erscheint nun in der fünften Auflage. Einer Einführung in die Grundlagen der chemischen Bindung und in die KohlenwasserstoffGrundskelette (Alkane, Alkene, Diene, Alkine, Cycloalkane, Aromaten) folgt die Besprechung der elementaren Stoffklassen mit den typischen funktionellen Gruppen. Dazu gehören die Halogenalkane, die Organosauerstoff-Verbindungen wie Alkohole, Ether, Carbonsäuren, Aldehyde, Ketone, Phenole, Chinone, Amine und andere Organostickstoff-Verbindungen sowie Organoschwefel-Verbindungen und Kohlensäure-Derivate. An passenden Stellen eingefügte Kapitel über radikalische, nucleophile und elektrophile Substitutionen, Additionen und Eliminierungen sowie Umlagerungen skizzieren die elementaren organisch-chemischen Reaktionen. Themen wie Aromatizität, Chiralität und Orbitalsymmetrie vermitteln einen das Grundstudium abrundenden Einblick in einige Grundkonzepte der organischen Chemie. Der zweite, für das Hauptstudium vorgesehene Teil beginnt mit den spektroskopischen Methoden zur Strukturaufklärung sowie den durch Elektronenanregung oft induzierten Photoreaktionen und ihren präparativen Anwendungen. Es folgen nicht benzoide Aromaten, OrganometallVerbindungen, Heteroalicyclen, Heteroaromaten, Farbstoffe und synthetische Polymere als spezielle Stoffklassen. Den Abschluß bilden die aus biologischer und pharmakologischer Sicht bedeutenden Naturstoffklassen. Das sind die Aminosäuren, Peptide und Proteine, Alkaloide, Kohlenhydrate, Nucleoside und Nucleotide, Lipide, Terpene und Steroide. Dabei werden auch einige didaktisch sinnvolle, teilweise industriell durchgeführte Synthesen skizziert. Bei der Bearbeitung der fünften Auflage wurden zahlreiche Ergänzungen eingestreut, zur Kenntnis gekommene Fehler korrigiert und einige Kapitel durch Aufnahme weiterer, präparativ bedeutender Reaktionen aktualisiert. Zusätzliche Molekülmodelle, z B. konfigurationsisomerer Alkene, Konformerer des 1,3-Butadiens, von Carbonyl-Verbindungen und Aminen, der c-Helix und d-Faltblatt-Konformation von Proteinsequenzen sowie der DNA-Doppelhelix und ihrer Basenpaare veranschaulichen grundlegende Molekül- und Raumstrukturen. Eingearbeitet wurden u. a. Abschnitte über aktuelle Methoden der heteronuclearen 2D-NMR-Spektroskopie (Kap. 28), Chemi- und Biolumineszenz (Kap. 29), Azacyclobutadien und Diazepine (Kap. 32, 33), Peptidwirkstoffe und Proteinsynthesen (Kap. 37), Lipopolysaccharide und Lipoproteine (Kap. 41). Abbildungen, größere Formelschemata und Tabellen dieses Buches, Molekülmodelle sowie Übungsaufgaben zu den einzelnen Kapiteln werden wie bisher im Internet nach Erteilung eines Passworts durch den Verlag kostenlos zugänglich sein. Unser Dank gilt einigen Studenten, Kollegen und Rezensenten für nützliche Korrekturhinweise und gute Verbesserungsvorschläge, die wir weiterhin gerne entgegennehmen, um sie bei der Vorbereitung einer Neuauflage verarbeiten zu können. Tübingen, im Februar 2005

E. Breitmaier und G. Jung

s

Inhaltsverzeichnis 1 1.1 1.2 1.3 1.3.1 1.3.2 1.3.3 1.3.4 1.4 1.4.1 1.4.2 1.4.3 1.5 1.6 1.7

1.11.3 1.11.4 1.12 1.12.1 1.12.2 1.12.3

Chemische Bindung in organischen Molekülen ..... 1 Einführung..................................................................... 1 Energie .......................................................................... 1 Atomorbitale .................................................................. 1 s-Orbitale....................................................................... 2 p-Orbitale....................................................................... 3 Elektronenspin und PAULI-Prinzip ................................. 4 Elektronenkonfiguration leichter Atome ........................ 4 Molekülorbitale und kovalente Bindung........................ 5 Arten der chemischen Bindung..................................... 5 Überlappung von Atomorbitlen ..................................... 5 u- und r-Molekülorbitale ............................................... 7 Bindungsdaten .............................................................. 8 Hybridisierung der Atomorbitale des Kohlenstoffs........ 8 Kovalente Bindung in einfachen organischen Molekülen.................................................................... 11 CH-Bindungen des Methans....................................... 11 CC-Einfachbindung..................................................... 12 CC-Doppelbindung ..................................................... 12 CC-Dreifachbindung ................................................... 14 Reaktive Zwischenstufen ............................................ 15 Methyl-Radikal ............................................................ 15 Methyl-Ionen ............................................................... 16 Carbene....................................................................... 17 Bindung in Ammoniak und Wasser............................. 18 Polarität kovalenter Bindungen................................... 18 Elektronegativität......................................................... 18 Dipolmomente von Molekülen .................................... 18 Polarität von Verbindungen......................................... 19 Interionische und intermolekulare Wechselwirkungen.................................................................... 20 Interionische Wechselwirkung .................................... 20 Dipol-Dipol-Wechselwirkung und Wasserstoffbrükken............................................................................... 20 Ionen-Dipol-Wechselwirkung ...................................... 21 VAN-DER-WAALS-Wechselwirkung............................... 21 Physikalische Eigenschaften, Acidität und Basizität .. 22 Kristallgitter.................................................................. 22 Schmelzpunkt, Siedepunkt, Löslichkeit ...................... 22 Säuren und Basen, Elektrophile und Nucleophile ...... 23

2 2.1 2.1.1 2.1.2 2.1.3 2.2 2.3 2.4 2.5 2.5.1 2.5.2 2.6

Alkane......................................................................... 24 Homologe Reihe, Konstitution, Nomenklatur.............. 24 Homologe Reihe und Molekülmodelle der Alkane ..... 24 Konstitutionsisomerie.................................................. 26 Nomenklatur................................................................ 27 Physikalische Eigenschaften ...................................... 29 Molekülbau.................................................................. 30 Konformation............................................................... 30 Industrielle Gewinnung der Alkane ............................. 32 Alkane aus Erdgas, Erdöl und Kohle .......................... 32 Treibstoffherstellung.................................................... 33 Darstellung von Alkanen ............................................. 34

1.7.1 1.7.2 1.7.3 1.7.4 1.8 1.8.1 1.8.2 1.8.3 1.9 1.10 1.10.1 1.10.2 1.10.3 1.11 1.11.1 1.11.2

2.6.1 2.6.2 2.6.3 2.6.4 2.7 2.7.1 2.7.2 2.7.3 2.7.4 2.7.5 2.7.6

Katalytische Hydrierung der Alkene ............................34 Reduktion von Halogenalkanen ..................................34 Alkylierung metallorganischer Verbindungen..............35 KOLBE-Elektrolyse........................................................36 Reaktionen...................................................................36 Vollständige Oxidation (Verbrennung) ........................37 Partielle Oxidation........................................................38 Autoxidation .................................................................38 Photohalogenierung.....................................................39 Photosulfochlorierung ..................................................40 Nitrierung von Alkanen ................................................40

3 3.1 3.2

Radikalische Substitution.........................................41 Mechanismus der Chlorierung des Methans...............41 Energetische Betrachtung der Photohalogenierung ..............................................................43 Aktivierungsenergie und Reaktionswärme..................43 Startreaktion.................................................................43 Übergangszustände der Kettenreaktionsschritte ........44 Reaktionsgeschwindigkeit ...........................................46 Äußere Einflüsse .........................................................46 Geschwindigkeitsbestimmender Schritt der Photohalogenierung ..............................................................47 Relative Reaktionsgeschwindigkeiten der Photohalogenierung ..............................................................48 Regioselektivität der Monohalogenierung ...................48 Relative Stabilität von Alkyl-Radikalen ........................49 Relative Stabilität und Energiegehalt...........................49 Modelle zur Erklärung..................................................50 Mechanismen weiterer radikalischer Substitutionen.....................................................................51

3.2.1 3.2.2 3.2.3 3.3 3.3.1 3.3.2 3.3.3 3.4 3.5 3.5.1 3.5.2 3.6

4 4.1 4.2 4.3 4.3.1 4.3.2 4.4 4.4.1 4.4.2 4.4.3 4.4.4 4.4.5 4.4.6 4.5 4.5.1 4.5.2 4.5.3

Alkene .........................................................................53 Nomenklatur und Konstitutionsisomerie der Alkene ...53 Geometrie und Molekül-Orbital-Modell........................54 Relative Konfiguration, Konfigurationsisomerie...........55 (Z,E)-Isomere Alkene...................................................55 Physikalische Eigenschaften von (Z,E)-Isomeren.......56 Darstellung...................................................................57 Pyrolytische Dehydrierung und Spaltung von Alkanen (Cracking) ......................................................57 Partielle Hydrierung von Alkinen .................................57 Alkenbildende d-Eliminierungen..................................58 Dehalogenierung von 1,2-Dihalogenalkanen ..............59 Reduktive Kupplung von Carbonyl-Verbindungen: MCMURRY-Reaktion .....................................................60 Carbonyl-Alkenylierungen ...........................................60 Reaktionen...................................................................61 Addition von Wasserstoff (Katalytische Hydrierung).........................................................................61 Addition von Boran (Hydroborierung)..........................63 Addition von Halogen (Halogenierung) .......................63

Aus E. Breitmaier, G. Jung: Organische Chemie (ISBN 3-13-541505-8) © Georg Thieme Verlag Stuttgart 2005 Dieses Dokument ist nur für den persönlichen Gebrauch bestimmt und darf in keiner Form an Dritte weitergegeben werden!

Inhaltsverzeichnis

4.5.4 4.5.5 4.5.6 4.5.7 4.5.8 4.5.9 4.5.10 4.5.11 4.5.12 4.5.13 4.5.14 4.5.15 5 5.1 5.2 5.2.1 5.2.2 5.2.3 5.3 5.3.1 5.3.2 5.4 5.4.1 5.4.2 5.4.3 5.4.4 5.4.5 6 6.1

Elektrophile Addition von Halogenwasserstoff (Hydrohalogenierung) ................................................. 64 Elektrophile Addition von Wasser (Hydratisierung) .... 64 Elektrophile Addition von Formaldehyd (PRINSReaktion) ..................................................................... 65 cis -Dihydroxylierung mit Osmiumtetroxid und Permanganat............................................................... 65 trans -Dihydroxylierung über Oxirane ......................... 65 1,3-dipolare Cycloaddition von Ozon (Ozonolyse) ..... 66 Radikalische Addition und Substitution....................... 66 HECK-Reaktion ............................................................ 68 En-Reaktion................................................................. 68 [2+2]-Cycloaddition ..................................................... 69 Metathese.................................................................... 69 Dimerisierung, Polymerisation .................................... 69 Eliminierung und Addition ....................................... 71 Eliminierende Verbindungen, Abgangsgruppen ......... 71 Mechanismen Alken-bildender Eliminierungen .......... 71 Dehydratisierung von Alkoholen als monomolekulare d-Eliminierung .......................................... 71 Umlagerungen bei Dehydratisierungen ...................... 74 Bimolekulare d-Eliminierung (E2-Mechanismus) ....... 76 Stereoselektivität Alken-bildender dEliminierungen............................................................. 77 E1-Eliminierungen....................................................... 77 E2-Eliminierungen....................................................... 77 Elektrophile Addition ................................................... 78 Mechanismus .............................................................. 78 Reaktivität der Alkene ................................................. 79 Regioselektivität der Addition...................................... 79 Umlagerungen bei Additionen..................................... 80 Stereoselektivität von Additionen................................ 81

6.3 6.4 6.4.1 6.4.2 6.5 6.5.1 6.5.2 6.5.3 6.5.4 6.5.5

Diene........................................................................... 82 Kumulation und Konjugation von Doppelbindungen.................................................................... 82 Struktur des 1,3-Butadiens ......................................... 82 Strukturdaten............................................................... 82 Molekülorbital-Modell, Mesomerie und thermodynamische Stabilität .................................................. 82 Konformation des 1,3-Butadiens................................. 84 Darstellung .................................................................. 85 Synthese konjugierter Diene....................................... 85 Synthese kumulierter Diene........................................ 86 Reaktionen konjugierter Diene.................................... 87 Elektrophile 1,2- und 1,4-Addition............................... 87 Radikalische Addition.................................................. 87 1,3-Dien-Polymerisation.............................................. 88 [4+2]-Cycloaddition (DIELS-ALDER-Reaktion).............. 88 [4+1]-Cycloaddition ..................................................... 88

7 7.1 7.2 7.3 7.4 7.4.1

Alkine.......................................................................... 89 Nomenklatur, Konstitutionsisomerie ........................... 89 Molekülgeometrie........................................................ 89 Eigenschaften ............................................................. 89 Darstellung .................................................................. 90 Ethin-Synthesen.......................................................... 90

6.2 6.2.1 6.2.2

VII

7.4.2

Doppelte Dehydrohalogenierung von Dihalogenalkanen........................................................................ 90 7.4.3 Doppelte Dehalogenierung von Tetrahalogenalkanen........................................................................ 91 7.4.4 Alkinylierung von Halogenalkanen ............................. 91 7.5 Reaktionen.................................................................. 91 7.5.1 CH-Acidität, Bildung von Alkinyliden .......................... 91 7.5.2 Hydrierung .................................................................. 92 7.5.3 Elektrophile Addition ................................................... 92 7.5.4 REPPE-Synthesen ....................................................... 94 7.5.5 Dimerisierung von Ethin.............................................. 94 7.5.6 Cyclooligomerisierungen ............................................ 95 7.5.7 BERGMAN-Cyclisierung von Endiinen.......................... 95 7.5.8 [2+2+1]-Cycloaddition (PAUSON-KHAND-Reaktion)..... 95 7.5.9 Isomerisierungen ........................................................ 96 7.5.10 Alkenylierung und Arylierung terminaler Alkine.......... 96 7.5.11 Oxidative Kupplung terminalerAlkine (GLASERKupplung).................................................................... 97 7.5.12 Oxidative Spaltungen.................................................. 97 7.6 Natürliche Alkine ......................................................... 97 8 8.1 8.2 8.3 8.3.1 8.3.2 8.3.3 8.3.4 8.3.5 8.4 8.4.1 8.4.2 8.4.3 8.5 8.6 8.6.1 8.6.2 8.6.3 8.6.4 8.6.5 8.6.6 8.7 8.7.1 8.7.2 8.7.3 8.7.4 8.8

Cycloalkane ............................................................... 98 Klassifizierung und Nomenklatur der Cycloalkane..... 98 Physikalische Eigenschaften ...................................... 99 Konformation und Stabilität......................................... 99 Cyclopropan................................................................ 99 Cyclobutan ................................................................ 100 Cyclopentan .............................................................. 102 Cyclohexan ............................................................... 102 Mittlere und große Ringe .......................................... 105 Konfigurationsisomerie der Cycloalkane .................. 105 Cyclopropan, Cyclobutan, Cyclopentan ................... 105 Cyclohexan ............................................................... 106 cis- und trans-Decalin .............................................. 107 Verbrennungswärmen .............................................. 108 Cycloalkan-Synthesen .............................................. 108 Dreiring-Synthesen ................................................... 108 Vierring-Synthesen ................................................... 110 Fünfring-Synthesen .................................................. 111 Sechsring-Synthesen................................................ 111 Siebenring-Synthesen .............................................. 113 Synthese mittlerer und großer Ringe........................ 113 Reaktionen................................................................ 115 Ringöffnungen........................................................... 116 Ringerweiterungen.................................................... 116 Transannulare Reaktionen mittlerer Ringe............... 117 Valenzisomerisierungen, Valenztautomere.............. 117 Reizvolle Ringe ......................................................... 118

9 9.1 9.2

Benzen und Aromatizität........................................ 119 Die Struktur des Benzens ......................................... 119 Hydrierwärme und Mesomerieenergie des Benzens........................................................................... 121 Valenzstrich-Formeln des Benzens.......................... 122 Molekülorbital-Modell des Benzens.......................... 123 Benzen-Formel ......................................................... 124 Die HÜCKEL-Regel..................................................... 124 Aromatische Verbindungen, Überblick ..................... 126

9.3 9.4 9.5 9.6 9.7

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VIII

10 10.1 10.1.1 10.1.2 10.2 10.2.1 10.2.2 10.3 10.4 10.4.1 10.4.2 10.4.3 10.4.4 10.5 10.6 10.6.1 10.6.2 10.6.3 10.6.4 10.6.5 10.6.6 10.6.7 10.6.8 10.7 10.7.1 10.7.2 10.7.3 10.7.4 10.8 10.8.1 10.8.2 10.8.3 10.9 10.9.1 10.9.2 10.9.3 10.10 10.11 10.11.1 10.11.2 10.11.3

Inhaltsverzeichnis

Benzoide Aromaten ................................................ 128 Nomenklatur benzoider Aromaten ............................ 128 Monosubstituierte Benzene ...................................... 128 Mehrfach substituierte Benzene ............................... 128 Gewinnung aromatischer Kohlenwasserstoffe ......... 129 Aus Steinkohle .......................................................... 129 Aus Erdöl................................................................... 129 Eigenschaften ........................................................... 130 Benzen-Derivate durch elektrophile Substitution...... 130 Elektrophile aromatische Monosubstitution .............. 131 Dipolmomente, Basizität und Reaktivität substituierter Benzene .................................................... 131 Induktive Effekte von Substituenten am BenzenKern........................................................................... 133 Mesomere Effekte von Substituenten am BenzenKern........................................................................... 134 Regioselektivität elektrophiler Zweitsubstitutionen ... 136 Darstellung von Alkylbenzenen ................................ 138 Alkylierung nach FRIEDEL-CRAFTS ............................ 138 Transalkylierung und thermodynamische Kontrolle von Alkylierungen...................................................... 139 FRIEDEL-CRAFTS-Acylierung...................................... 141 Reduktion von Alkenylbenzenen .............................. 142 Cyclotrimerisierung von Alkinen ............................... 142 Cyclokondensation von Ketonen .............................. 142 Alkylbenzen-Synthese nach WURTZ und FITTIG ....... 142 Alkylierung über Arylmagnesiumhalogenide ............ 143 Reaktionen der Alkylbenzene ................................... 143 Halogenierung am Kern und in der Seitenkette........ 143 Seitenketten-Halogenierung und Benzyl-Radikal..... 143 Triphenylmethyl-Radikal ........................................... 144 Hydrierung und Oxidation ......................................... 145 Darstellung der Alkenylbenzene ............................... 146 Styren-Synthese........................................................ 146 Alkenylbenzene durch Eliminierung aus Phenylhalogenalkanen und Phenylalkanolen...................... 146 Alkenylbenzene durch Alkylierung mit 1,3-Dienen ... 147 Reaktionen der Alkenylbenzene ............................... 147 Elektrophile Addition an konjugierte Alkenylbenzene .................................................................... 147 Radikalische Additionen an Alkenylbenzenen.......... 148 Darstellung ringsubstituierter Alkenylbenzene ......... 148 Darstellung der Alkinylbenzene ................................ 148 Eigenschaften und Darstellung der Arylhalogenide................................................................. 149 Physikalische Eigenschaften .................................... 149 Herstellung der Halogenaromaten............................ 150 Chemische Eigenschaften von Halogenaromaten (Alkylhalogeniden)..................................................... 152

11.1.7 11.1.8 11.1.9 11.2 11.2.1 11.2.2 11.2.3 11.3 11.3.1 11.3.2

12 12.1 12.2 12.3 12.4 12.4.1 12.4.2 12.4.3 12.4.4 12.5 12.5.1 12.5.2 12.5.3 12.5.4 12.6 13 13.1 13.2 13.3 13.3.1 13.3.2 13.3.3 13.3.4 13.3.5 13.3.6 13.3.7 13.3.7 13.3.8 13.3.9 13.3.11 13.3.12

11 11.1 11.1.1 11.1.2 11.1.3 11.1.4 11.1.5 11.1.6

Substitutionen an Aromaten.................................. 154 Mechanismus elektrophiler Substitutionen an Aromaten................................................................... 154 r-Komplex, Benzenium-Ion und Energieprofil.......... 154 Nitrierung des Benzens............................................. 155 Sulfonierung des Benzens........................................ 156 Halogenierung des Benzens..................................... 157 Alkylierung nach FRIEDEL-CRAFTS ............................ 158 Acylierung nach FRIEDEL-CRAFTS ............................. 159

13.4 13.4.1 13.4.2 13.4.3 13.4.4

Aktivierende und desaktivierende Substituenten ..... 160 Orientierende Effekte................................................ 161 Darstellung mehrfach substituierter Benzene .......... 167 Mechanismen nucleophiler Substitutionen am Aromaten .................................................................. 167 Nucleophile Substitutionen an Arylhalogeniden....... 167 Mechanismus der bimolekularen nucleophilen Substitution am Aromaten ........................................ 169 Monomolekulare nucleophile Substitution am Aromaten .................................................................. 171 Eliminierungs-Additions-Mechanismus .................... 172 Mechanismus der Aminierung des Brombenzens.... 172 Weitere nucelophile Substitutionen an nicht aktivierten Aromaten................................................. 174 Kondensierte Aromaten......................................... 175 Klassifizierung und Nomenklatur.............................. 175 Bindungszustand und Mesomerie ............................ 176 Gewinnung polycyclischer Aromaten ....................... 178 Typische Reaktionen kondensierter Aromaten ........ 178 Elektrophile aromatische Substitutionen des Naphthalens.............................................................. 178 Oxidation des Naphthalens ...................................... 180 Reduktion des Naphthalens ..................................... 180 Reaktionen des Anthracens und Phenanthrens....... 180 Ring-Synthesen kondensierter Aromaten ................ 182 HAWORTH-Synthesen von Phenanthren-Derivaten .. 182 Anthrachinon-Synthese ............................................ 182 ELBS-Reaktion........................................................... 183 DÖTZ-Reaktion .......................................................... 183 Graphit und Fullerene ............................................... 184 Halogenalkane (Alkylhalogenide) ......................... 185 Klassifizierung........................................................... 185 Eigenschaften ........................................................... 185 Darstellung ............................................................... 186 Radikalische Halogenierung von Alkanen................ 186 Addition von Halogenwasserstoff an Alkene............ 187 Addition von Halogen an Alkene .............................. 187 Additionen an Diene ................................................. 188 Addition von HX und X2 an Alkine ............................ 188 Halogenalkene durch Dehydrohalogenierung.......... 188 Radikalische Bromierung in Allyl-Stellung durch NBromsuccinimid ........................................................ 189 Darstellung von Fluoralkanen................................... 190 Darstellung von Iodalkanen ...................................... 191 Halogenalkane aus Alkoholen.................................. 191 Bromalkane durch HUNSDIECKERDecarboxylierung...................................................... 193 Darstellung und Eigenschaften von Oligohalogenmethanen .................................................................. 193 Reaktionen................................................................ 194 Nucleophile Substitution und Eliminierung in Konkurrenz................................................................ 194 Nucleophile Substitutionen ....................................... 196 GRIGNARD-Reaktion .................................................. 196 CC-Verknüpfungen mit OrganohalogenVerbindungen ......................................................... 196

Aus E. Breitmaier, G. Jung: Organische Chemie (ISBN 3-13-541505-8) © Georg Thieme Verlag Stuttgart 2005 Dieses Dokument ist nur für den persönlichen Gebrauch bestimmt und darf in keiner Form an Dritte weitergegeben werden!

Inhaltsverzeichnis

14 14.1 14.2 14.2.1 14.2.2 14.3 14.3.1 14.3.2 14.3.3 14.3.4 14.3.5 14.4 14.4.1 14.4.2 14.4.3

Nucleophile Substitution an Aliphaten................. 198 Übersicht nucleophiler Substitutionen an Aliphaten . 198 Mechanismen............................................................ 199 Bimolekularer Mechanismus SN2.............................. 199 Monomolekularer Mechanismus SN1........................ 201 Struktur und Reaktivität............................................. 203 Effekte der Alkyl-Gruppen......................................... 203 Effekte der austretenden Gruppe.............................. 204 Nucleophilie............................................................... 205 Lösemittelabhängigkeit ............................................. 206 SN1- und SN2-Reaktionen in Konkurrenz .................. 207 Spezielle Substitutionsmechanismen ....................... 208 Substitutionen an Allyl-Verbindungen....................... 208 SNi-Mechanismus ...................................................... 209 Reaktivität von Vinyl- und Alkinyl-Verbindungen ...... 209

15 15.1 15.2 15.3 15.4 15.4.1 15.4.2 15.4.3 15.4.4 15.4.5 15.4.6

Alkohole und Glykole ............................................. 210 Klassifizierung der Alkohole...................................... 210 Nomenklatur.............................................................. 210 Struktur und thermodynamische Eigenschaften....... 211 Darstellung von Alkoholen ........................................ 214 Technische Synthesen von Methanol und Ethanol .. 214 Ethanol durch alkoholische Gärung.......................... 214 Hydratisierung von Alkenen ...................................... 214 Hydroborierung und Oxidation .................................. 215 Reduktion von Carbonyl-Verbindungen.................... 216 Alkohole aus Carbonyl-Verbindungen und Alkylmagnesiumhalogeniden (GRIGNARDVerbindungen)........................................................... 217 Alkohole aus Epoxiden und Alkylmagnesiumhalogeniden............................................................... 218 Hydrolyse von Halogenalkanen ................................ 218 Darstellung von 1,2-Diolen........................................ 219 Dihydroxylierung von Alkenen .................................. 219 Hydrolyse von Halohydrinen ..................................... 219 Bimolekulare Reduktion von Aldehyden und Ketonen ..................................................................... 220 Reaktionen der Alkohole........................................... 220 Alkohole als LEWIS-Basen......................................... 220 Alkohole als Säuren .................................................. 221 Oxidation von Alkoholen ........................................... 221 Veresterung von Alkoholen....................................... 222 Nucleophile Substitution der Hydroxy-Gruppe durch Halogen........................................................... 223 Dehydratisierung von Alkoholen ............................... 225 Glykolspezifische Reaktionen................................... 227 Glykolspaltung........................................................... 227 Pinakol-Dehydratisierung und Umlagerung.............. 228

15.4.7 15.4.8 15.5 15.5.1 15.5.2 15.5.3 15.6 15.6.1 15.6.2 15.6.3 15.6.4 15.6.5 15.6.6 15.7 15.7.1 15.7.2 16 16.1 16.2 16.3 16.3.1 16.3.2

Ether ......................................................................... 229 Nomenklatur.............................................................. 229 Struktur und physikalische Eigenschaften................ 230 Darstellung ................................................................ 231 Bimolekulare Dehydratisierung von Alkoholen ......... 231 Nucleophile Substitution von Halogenalkanen durch Alkoholate und Phenolate (WILLIAMSONSynthese) .................................................................. 232 16.3.3 Veretherung von Halogenalkanen mit Silbercarbonat .................................................................... 233

IX

16.3.4 O-Methylierung von Alkoholen und Phenolen durch Diazomethan................................................... 233 16.3.5 Synthesen von Ethern mit GRIGNARDVerbindungen............................................................ 234 16.3.6 Alkenylether durch Addition von Alkoholen an Alkine ........................................................................ 234 16.3.7 Enolether durch Eliminierung von Alkohol aus Acetalen .................................................................... 234 16.4 Darstellung von Epoxiden (Oxiranen)....................... 235 16.4.1 Katalytische Oxidation von Alkenen ......................... 235 16.4.2 Eliminierung von Halogenwasserstoff aus Halohydrinen .................................................................... 235 16.4.3 Oxidation von Alkenen mit Peroxysäuren ................ 235 16.5 Reaktionen................................................................ 235 16.5.1 Bildung von Oxonium-Verbindungen........................ 235 16.5.2 Autoxidation .............................................................. 236 16.5.3 Ether-Spaltung .......................................................... 236 16.5.4 Ether-Umlagerungen ................................................ 237 16.6 Ether als Schutzgruppen .......................................... 238 16.7 Methylvinylether und Ethylenoxid als Schlüsseledukte der organischen Synthese ............................ 239 16.7.1 Synthesen mit Methylvinylether................................ 239 16.7.2 Synthesen mit Oxiran (Ethylenoxid) ......................... 239 17 17.1 17.2 17.3 17.3.1 17.3.2 17.3.3 17.3.4 17.4 17.5 17.5.1 17.5.2 17.5.3 17.6 17.6.1 17.6.2 17.6.3 17.7 17.7.1 17.7.2 17.7.3 17.7.4 17.8 17.8.1 17.8.2 17.9 17.9.1 17.9.2 17.9.3

Chiralität................................................................... 240 Asymmetrische C-Atome und Chiralität.................... 240 Optische Aktivität und spezifische Drehung ............. 240 Bezeichnung der absoluten Konfiguration................ 241 CAHN-INGOLD-PRELOG-Konvention ("CIP", R und S) ........................................................ 241 FISCHER-Konvention (D und L) ................................. 242 Übersetzung der D,L- in die R,S –Bezeichnung....... 244 Racemate.................................................................. 242 Bestimmung der absoluten Konfiguration ................ 244 Verbindungen mit mehreren Asymmetriezentren..... 245 Zwei verschiedene asymmetrische C-Atome ........... 245 Zwei gleiche asymmetrische C-Atome ..................... 246 Enantiomere Cycloalkane......................................... 247 Enantiomere ohne asymmetrische C-Atome............ 248 Asymmetrische Heteroatome ................................... 248 Axiale Chiralität ......................................................... 249 Planare Chiralität und Helicität ................................. 249 Racemat-Trennungen............................................... 250 Die klassische Methode von PASTEUR ..................... 250 Trennung nach Bildung von Diastereomeren .......... 250 Enzymatische Racemat-Trennungen ....................... 252 Chromatographische Racemat-Trennungen ............ 253 Prochiralität, Enantiotopie und Diastereotopie ......... 253 Prochiralität am tetraedrischen C ............................. 253 Prochiralität am trigonalen C .................................... 254 Stereo- und Enantioselektivität von Reaktionen....... 255 Inversion, Retention und Racemisierung ................. 255 Stereoselektivität, Stereospezifität ........................... 257 Asymmetrische (enantioselektive) Synthesen.......... 257

18 18.1 18.2 18.3 18.4

Carbonsäuren und ihre Derivate........................... 260 Nomenklatur der Carbonsäuren ............................... 260 Wasserstoffbrücken-Bindung von Carbonsäuren .... 263 Struktur der Carboxy-Gruppe ................................... 263 Carbonsäure-Derivate .............................................. 264

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X

18.5 Synthese von Carbonsäuren .................................... 264 18.5.1 Einführung der Carboxy-Gruppe durch Kohlenmonoxid (Carbonylierung)......................................... 264 18.5.2 Einführung der Carboxy-Gruppe durch Kohlendioxid (Carboxylierung) ............................................. 266 18.5.3 Acylierung von Aromaten mit Säureanhydriden ....... 266 18.5.4 Carbonsäuren durch Oxidation................................. 267 18.5.5 Hydrolyse von Carbonsäure-Derivaten .................... 268 18.5.6 Homologisierung (Kettenverlängerung) von Carbonsäuren ........................................................... 268 18.5.7 Alkylierung von Malonsäureestern............................ 269 18.5.8 c,d-Ungesättigte Carbonsäuren durch KNOEVENAGEL-Kondensation von Malondäureestern........ 270 18.5.9 c,d-Ungesättigte Carbonsäuren durch PERKINReaktion .................................................................... 270 18.5.10 i,f-Ungesättigte Carbonsäuren durch IRELANDCLAISEN-Umlagerung ................................................ 271 18.6 Acidität von Carbonsäuren........................................ 271 18.6.1 Dissoziationsgleichgewicht in wäßrigen Lösungen .. 271 18.6.2 Salze der Carbonsäuren ........................................... 272 18.6.3 Struktur und Modell des Carboxylat-Anions ............. 272 18.6.4 Einflüsse von Substituenten auf die Acidität............. 273 18.6.5 Acidität von Dicarbonsäuren..................................... 274 18.7 Reaktionen der Carboxy-Gruppe.............................. 274 18.7.1 Veresterung, Ester, Lactone ..................................... 274 18.7.2 Reduktion zu primären Alkoholen............................. 275 18.7.3 Carbonsäurehalogenierung ...................................... 276 18.7.4 Bildung von Säureanhydriden................................... 276 18.7.5 Bildung von Säureamiden......................................... 277 18.7.6 Decarboxylierung ...................................................... 278 18.8 Nucleophile Substitution von Carbonsäurehalogeniden............................................................... 278 18.8.1 Hydrolyse und Perhydrolyse..................................... 278 18.8.2 Alkoholyse................................................................. 279 18.8.3 Ammonolyse und Aminolyse .................................... 279 18.8.4 Hydrazinolyse............................................................ 280 18.8.5 Reaktion mit Hydroxylamin ....................................... 280 18.8.6 Reaktion mit Alkaliaziden.......................................... 280 18.8.7 Katalytische Hydrierung (ROSENMUND Reduktion) ... 280 18.8.8 Carbonsäurehalogenide als Reagenzien zur CAcylierung ................................................................. 281 18.9 Nucleophile Substitution von Carbonsäureestern .... 281 18.9.1 Esterverseifung ......................................................... 281 18.9.2 Ammonolyse (Aminolyse) von Estern....................... 282 18.9.3 Umesterung............................................................... 282 18.9.4 Reduktion zu primären Alkoholen............................. 283 18.9.5 Reaktion mit GRIGNARD-Verbindungen..................... 283 18.10 CH-Acidität von Carbonsäureestern, Folgereaktionen ................................................................. 284 18.10.1 C-Alkylierung von Malonestern................................. 284 18.10.2 KNOEVENAGEL-Alkenylierung..................................... 284 18.10.3 MICHAEL-Addition ...................................................... 285 18.10.4 CLAISEN-Esterkondensation ...................................... 285 18.10.5 Intramolekulare Kondensation von Diestern (DIECKMANN-Kondensation) ...................................... 286 18.11 Spezielle Reaktionen von Dicarbonsäuren und Derivaten................................................................... 287 18.11.1 Thermische Decarboxylierung und Cyclokondensation............................................................. 287 18.11.2 Bildung cyclischer Dicarbonsäureimide.................... 287

Inhaltsverzeichnis

18.11.3 Reaktionen cyclischer Dicarbonsäureimide ............. 287 18.11.4 Maleinsäureanhydrid als elektronenarmes Dienophil ........................................................................ 289 18.11.5 Maleinsäureanhydrid als elektronenarmes Enophil bei En-Reaktionen .................................................... 289 19 19.1 19.2 19.3 19.3.1 19.3.2 19.4 19.4.1 19.4.2 19.5 19.5.1 19.5.2 19.5.3

Substituierte Carbonsäuren .................................. 290 Nomenklatur substituierter Carbonsäuren................ 290 Physikalische Eigenschaften und Acidität................ 290 Halogencarbonsäuren .............................................. 292 Synthesen ................................................................. 292 Reaktionen................................................................ 294 Hydroxycarbonsäuren .............................................. 295 Synthesen ................................................................. 295 Reaktionen................................................................ 296 Oxocarbonsäuren und ihre Ester.............................. 299 Synthesen ................................................................. 299 Reaktionen der Oxocarbonsäuren ........................... 300 Oxo-Enol-Tautomerie des Acetessigesters.............. 303

20 20.1 20.2 20.2.1 20.2.2 20.3 20.4 20.5 20.5.1

Aldehyde und Ketone............................................. 305 Übersicht................................................................... 305 Nomenklatur.............................................................. 305 IUPAC-Bezeichnungen............................................. 305 Trivialnamen ............................................................. 306 Molekülorbital-Modell der Carbonyl-Gruppe............. 306 Physikalische Eigenschaften .................................... 308 Darstellung von Aldehyden....................................... 309 Oxidation von Methyl- und HydroxymethylGruppen .................................................................... 309 Überführung der Halomethyl- in die FormylGruppe ...................................................................... 310 NEF-Reaktion ............................................................ 311 Reduktion von Carbonsäure-Derivaten und Nitrilen. 311 Spaltung von Glykolen und Ozoniden ...................... 312 Hydrolyse von Sauerstoff-Heterocyclen ................... 312 Formylierung von Alkenen mit Kohlenmonoxid und Wasserstoff ............................................................... 313 Formylierung mit Orthoameisensäureestern ............ 313 Formylierung von Aromaten durch Formanilide (VILSMEIER-Formylierung) ......................................... 313 Formylierung von Aromaten durch Formylhalogenide ................................................................ 314 Formylierung von Aromaten durch Cyanid und Chlorwasserstoff ....................................................... 314 Formylierung von Aromaten durch Chloroform ........ 315 Industrielle Verfahren zur Herstellung von Acetund Benzaldehyd ...................................................... 315 Darstellung von Ketonen .......................................... 316 Oxidation sekundärer Alkohole................................. 316 Oxidation aktivierter Methylen-Gruppen................... 316 Bimolekulare Decarboxylierung und Dehydratisierung von Carbonsäuren ....................................... 316 Addition von GRIGNARD-Verbindungen an Nitrile ..... 317 Acylierung von Dialkylcadmium................................ 317 Spaltung der Ozonide von Tetraalkylethenen .......... 318 Acylierung von Alkenen ............................................ 318 Acylierung von Aromaten mit Carbonsäurehalogeniden ......................................................................... 318 Acylierung von Aromaten durch Nitrile ..................... 318

20.5.2 20.5.3 20.5.4 20.5.5 20.5.6 20.5.7 20.5.8 20.5.9 20.5.10 20.5.11 20.5.12 20.5.13 20.6 20.6.1 20.6.2 20.6.3 20.6.4 20.6.5 20.6.6 20.6.7 20.6.8 20.6.9

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Inhaltsverzeichnis

20.7 20.8

Reaktivität der Carbonyl-Gruppe .............................. 319 Reaktionen von Aldehyden und Ketonen mit Basen ........................................................................ 319 20.8.1 Bildung von Hydraten................................................ 320 20.8.2 Bildung von Acetalen und Ketalen............................ 320 20.8.3 Addition von Hydrogensulfit ...................................... 322 20.8.4 Bildung von Iminen mit Ammoniak und primären Aminen ...................................................................... 322 20.8.5 Bildung von Hydrazonen, Azinen, Oximen und Semicarbazonen ....................................................... 323 20.8.6 Bildung von Enaminen mit sekundären Aminen....... 324 20.8.7 Bildung von Silylenolethern mit Trialkylchlorsilanen. 325 20.9 Reaktionen mit Hydrid-Anionen ................................ 325 20.9.1 Reduktion mit komplexen Metallhydriden ................. 325 20.9.2 MEERWEIN-PONNDORF-VERLEY-Reduktion von Ketonen ..................................................................... 326 20.9.3 CANNIZZARO-Disproportionierung aromatischer Aldehyde ................................................................... 326 20.10 Reaktionen mit Carbanionen und CH-Säuren .......... 327 20.10.1 1,2-Addition von GRIGNARD-Verbindungen............... 327 20.10.2 Carbonyl-Alkenylierungen......................................... 327 20.10.3 Aldol-Reaktion........................................................... 329 20.10.4 Cyanhydrin-Reaktion................................................. 330 20.10.5 Benzoin- und STETTER-Reaktion der Arenaldehyde.................................................................... 331 20.10.6 Alkinylierung von Carbonyl-Verbindungen................ 332 20.10.7 Homologisierung von Aldehyden und Ketonen mit Diazomethan ............................................................. 333 20.10.8 KNOEVENAGEL-Alkenylierung..................................... 333 20.10.9 PERKIN-Reaktion........................................................ 334 20.10.10MANNICH-Reaktion..................................................... 334 20.10.11BAYLIS-HILLMAN-Hydroxyalkylierung ......................... 335 20.10.11ROBINSON-Anellierung von Cycloalkanonen ............. 335 20.11 Oxidation und Reduktion der Carbonyl-Gruppe ....... 336 20.11.1 Oxidation von Aldehyden .......................................... 336 20.11.2 BAEYER-VILLIGER-Oxidation von Ketonen ................. 336 20.11.3 WILLGERODT- UND WILLGERODT-KINDLER-Reaktion von Alkylarylketonen ................................................. 337 20.11.4 CLEMMENSEN-Reduktion............................................ 337 20.11.5 MCMURRY-Reaktion .................................................. 338 20.11.6 WOLFF-KISHNER-Reduktion ....................................... 338 20.11.7 BAMFORD-STEVENS- und SHAPIRO-Reaktion ............. 338 20.12 CH-Acidität und Keto-Enol-Tautomerie der 1,3Diketone .................................................................... 339 21 21.1 21.2 21.3 21.4 21.4.1 21.4.2 21.4.3 21.4.4 21.4.5 21.4.6 21.5 21.5.1 21.5.2 21.5.3

Phenole und Chinone ............................................. 341 Klassifizierung der Phenole ...................................... 341 Nomenklatur der Phenole ......................................... 341 Physikalische Eigenschaften der Phenole................ 342 Darstellung von Phenolen......................................... 344 Technische Phenol-Synthese (HOCK-Prozeß).......... 344 Hydrolyse von Chlorbenzen-Derivaten ..................... 345 Katalytische Oxidation methylierter Aromaten.......... 346 Alkali-Schmelze von Arensulfonaten ........................ 346 Phenole aus Arenaminen.......................................... 347 Dienon-Phenol-Umlagerung ..................................... 347 Mesomerie und Acidität der Phenole........................ 347 Mesomerie................................................................. 347 Acidität....................................................................... 348 Substituenteneinflüsse auf die Acidität ..................... 349

XI

21.6 21.6.1 21.6.2 21.6.3 21.6.4 21.6.5 21.6.6 21.6.7 21.7 21.8 21.8.1 21.8.2 21.8.3 21.9 21.9.1 21.9.2 21.9.3 21.9.4 22 22.1 22.2 22.3 22.3.1 22.3.2 22.3.3 22.3.4 22.4 22.4.1 22.4.2 22.4.3 22.4.4 22.4.5 22.4.6 22.4.7 22.4.8 22.4.9 22.4.10 22.5 22.5.1 22.5.2 22.5.3 22.5.4 22.6 22.6.1 22.6.2 22.6.3 22.6.4 22.6.5 22.6.6

Reaktionen der Phenole ........................................... 350 Veretherung .............................................................. 350 Veresterung .............................................................. 350 Phenole als Enole..................................................... 351 Oxidation zu Chinonen ............................................. 351 Oxidation zu Aroxyl-Radikalen und Peroxiden ......... 352 Elektrophile Substitutionen ....................................... 353 BUCHERER-Reaktion der Naphthole.......................... 353 Nomenklatur und einige Eigenschaften der Chinone ............................................................. 355 Darstellung von Chinonen ........................................ 356 Oxidation von Phenolen und primären aromatischen Aminen .................................................... 356 Oxidation von Arenen ............................................... 357 FRIEDEL-CRAFTS-Acylierung von Arenen durch Phthalsäureanhydrid................................................. 358 Reaktionen der Chinone ........................................... 358 Redoxgleichgewicht Chinon-Hydrochinon................ 358 Additionen ................................................................. 359 Carbonyl-Reaktionen ................................................ 359 HOOKER-Oxidation .................................................... 360 Amine ....................................................................... 361 Amine als Derivate des Ammoniaks......................... 361 Nomenklatur.............................................................. 361 Struktur und physikalische Eigenschaften................ 363 Geometrie und Molekülorbital-Modell....................... 363 Inversion von Aminen ............................................... 364 Enantiomere Ammonium-Salze und Amin-N-oxide.. 364 Thermodynamische Eigenschaften .......................... 365 Darstellung................................................................ 367 Alkylierung von Ammoniak ....................................... 367 Alkylierung von Kalium-Phthalimid (GABRIELSynthese).................................................................. 368 Addition von Ammoniak und Aminen an Doppelbindungen ................................................................. 368 Addition von Ammoniak und Aminen an Oxiran....... 369 Reduktion von Nitro-Verbindungen .......................... 370 Reduktion von Oximen, Nitrilen und Carbonsäureamiden ...................................................................... 371 Reduktive Aminierung von CarbonylVerbindungen............................................................ 372 Reduktive Alkylierung von Aminen (LEUCKARDTWALLACH-Reaktion.................................................... 372 Synthese primärer Amine durch Umlagerungen ...... 373 Synthese von Benzidin-Derivaten durch BenzidinUmlagerung .............................................................. 376 Basizität..................................................................... 377 Basizitätskonstante................................................... 377 Basizität aliphatischer Amine.................................... 378 Basizität aromatischer Amine ................................... 378 Substituenteneinflüsse auf die Basizität aromatischer Amine ....................................................... 379 Reaktionen................................................................ 380 Bildung N-substituierter Ammonium-Salze............... 380 Reaktion mit salpetriger Säure ................................. 380 N-Oxidation ............................................................... 381 N-Halogenierung....................................................... 382 N-Acylierung ............................................................. 383 N-Alkylierung............................................................. 384

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XII

Inhaltsverzeichnis

22.6.7 HOFMANN-Eliminierung von Tetraalkylammoniumhydroxiden................................................................. 385 22.6.8 COPE-Eliminierung tertiärer Amin-N-oxide................ 386 22.6.9 Elektrophile Substitution aromatischer Amine .......... 387 23 23.1 23.1.1 23.1.2 23.1.3 23.2 23.2.1 23.2.2 23.3 23.3.1 23.3.2 23.4 23.4.1 23.4.2 23.5 23.6 23.6.1 23.6.2 23.6.3 23.7 23.7.1 23.7.2 23.7.3 23.7.4 23.8 23.8.1 23.8.2 23.8.3 23.9 24 24.1 24.2 24.2.1 24.2.2 24.2.3 24.3 24.3.1 24.3.2 24.4 24.4.1 24.4.2 24.5 24.5.1 24.5.2 24.6

Organostickstoff-Verbindungen............................ 388 Diazoalkane .............................................................. 388 Konstitution und Eigenschaften ................................ 388 Darstellung ................................................................ 388 Reaktionen der Diazoalkane..................................... 389 Diazocarbonsäureester............................................. 392 Bildung ...................................................................... 392 Reaktivität.................................................................. 393 Diazoketone .............................................................. 394 Bildung ...................................................................... 394 Reaktivität.................................................................. 394 Azoalkan-Derivate..................................................... 395 Klassifizierung und Bildung....................................... 395 Reaktionen ................................................................ 395 Aryldiazonium-Salze ................................................. 397 Radikalische Spaltung von Aryldiazonium-Ionen ..... 397 Darstellung von Halogenaromaten aus Aryldiazonium-Salzen (SANDMEYER-Reaktion) ............... 397 Mercurierung über Aryldiazonium-Salze (NESMEJANOW-Reaktion) ....................................................... 398 Arylierung von Aromaten durch AryldiazoniumSalze (GOMBERG-BACHMANN-Reaktion).................... 398 Ionische Spaltung von Aryldiazonium-Ionen ............ 399 Bildung von Phenolen über Aryldiazonium-Salze .... 399 Bildung von Fluorbenzen aus Aryldiazoniumtetrafluoroboraten (BALZ-SCHIEMANN-Reaktion)........ 400 Bildung von Arylaziden über Aryldiazonium-Salze... 400 Reduktion von Aryldiazonium-Salzen....................... 400 Azo-Aromaten, Azo-Kupplung .................................. 401 Struktur der Azo-Arene ............................................. 401 Darstellung von Azo-Arenen durch Azo-Kupplung... 401 Andere Methoden zur Darstellung aromatischer Azo-Verbindungen .................................................... 405 Organostickstoff-Verbindungen, Übersicht............... 405

Organoschwefel-Verbindungen ............................ 407 Übersicht, Nomenklatur und Vorkommen................. 407 Thiole......................................................................... 407 Darstellung ................................................................ 407 Thermodynamische Eigenschaften .......................... 409 Reaktionen ................................................................ 410 Thiophenole .............................................................. 411 Darstellung ................................................................ 411 Reaktionen ................................................................ 411 Thioether (Dialkylsulfide) .......................................... 412 Darstellung ................................................................ 412 Reaktionen ................................................................ 413 Disulfide..................................................................... 414 Darstellung ................................................................ 414 Reaktionen ................................................................ 415 Thioaldehyde, Thioketone, Thioacetale, Thioketale......................................................................... 415 24.7 Dithiocarbonsäuren, Thiol- und Thionsäuren ........... 416 24.8 Sulfoxide (S-Oxide)................................................... 417 24.8.1 Darstellung ................................................................ 417

24.8.2 24.8.3 24.9 24.9.1 24.9.2 24.10 24.10.1 24.10.2 24.11 24.11.1 24.11.2 24.11.3 24.12 24.12.1 24.12.2 24.12.3

Physikalische Eigenschaften .................................... 417 Reaktionen................................................................ 417 Sulfone (S-Dioxide)................................................... 420 Darstellung................................................................ 420 Reaktionen................................................................ 421 Sulfensäure-Derivate ................................................ 421 Bildung ...................................................................... 421 Reaktionen................................................................ 422 Sulfinsäuren .............................................................. 422 Bildung ...................................................................... 422 Stabilität, Acidität, optische Aktivität ......................... 423 Reaktionen................................................................ 423 Sulfonsäuren............................................................. 423 Darstellung der Säuren und ihrer Chloride............... 423 Acidität und Wasserlöslichkeit von Sulfonsäuren..... 425 Reaktionen der Sulfonsäuren und Sulfochloride...... 426

25 25.1 25.2 25.2.1 25.2.2 25.3 25.4 25.5 25.6 25.6.1 25.6.2 25.6.3 25.7 25.7.1 25.7.2 25.7.3 25.8 25.8.1 25.8.2 25.8.3 25.9 25.10 25.11 25.12 25.13

Kohlensäure-Derivate............................................. 428 Kohlensäure.............................................................. 428 Kohlensäurehalogenide............................................ 428 Phosgen.................................................................... 428 Reaktionen von Phosgen ......................................... 429 Kohlensäureesterchloride......................................... 430 Kohlensäureester...................................................... 430 Carbamidsäure, Urethane ........................................ 431 Harnstoffe ................................................................. 432 Bildung von Harnstoff ............................................... 432 Reaktionen von Harnstoff ......................................... 433 Alkylharnstoffe .......................................................... 434 Guanidin.................................................................... 435 Basizität und Bindungszustand ................................ 435 Darstellung................................................................ 435 Reaktionen................................................................ 436 Kohlensäurehydrazide.............................................. 436 Semicarbazid ............................................................ 437 Carbazide.................................................................. 437 Esterhydrazide der Kohlensäure .............................. 437 Azidokohlensäureester ............................................. 437 Thiokohlensäure-Derivate ........................................ 438 Dithiokohlensäure-Derivate ...................................... 439 Trithiokohlensäure .................................................... 439 Carbodiimide............................................................. 440

26 Umlagerungen......................................................... 441 26.1 Anionotrope 1,2-Verschiebungen............................. 441 26.1.1 Allgemeine Mechanismen anionotroper 1,2Verschiebungen (Sextett-Umlagerungen)................ 441 26.1.2 1,2-Verschiebungen von C zu C............................... 442 26.1.3 1,2-Verschiebungen von C zu N über Nitrene und Nitrenium-Ionen ................................................. 445 26.1.4 Verschiebungen von C zu O..................................... 446 26.2 Kationotrope 1,2-Verschiebungen über Carbanionen ..................................................................... 447 26.2.1 FAVORSKII-Umlagerung (von C nach C) ................... 447 26.2.2 STEVENS-Umlagerung (von N nach C) ..................... 448 26.2.3 WITTIG-Umlagerung (von O nach C) ........................ 448 26.3 Radikalische 1,2-Verschiebungen............................ 448 26.4 Umlagerungen an benzoiden Ringen....................... 449 26.4.1 Umlagerungen vom SE-Typ ...................................... 449 26.4.2 Umlagerungen vom SN-Typ ...................................... 450

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26.5 Sigmatrope Umlagerungen ....................................... 451 26.5.1 [1,5]-sigmatrope Verschiebung ................................. 451 26.5.2 COPE-Umlagerung als [3,3]-sigmatrope Verschiebung .................................................................. 451 26.5.3 Hetero-COPE-Umlagerungen .................................... 452 27 27.1 27.2 27.2.1 27.2.2 27.3 27.3.1 27.3.2 27.3.3 27.4 27.4.1 27.4.2 27.4.3 27.4.4 27.4.5 28 28.1 28.2 28.2.1 28.2.2 28.2.3 28.2.4 28.2.5 28.2.6 28.3 28.3.1 28.3.2 28.3.3 28.3.4 28.3.5 28.4 28.4.1 28.4.2 28.4.3 28.5 28.5.1 28.5.2 28.5.3 28.5.4 28.5.5 28.5.6 28.5.7 28.5.8 28.5.9 28.5.10 28.5.11 28.6

Orbitalsymmetrie bei konzertierten Reaktionen.. 453 Phasenbeziehung von p-Orbitalen ........................... 453 Elektrocyclische Reaktionen ..................................... 455 Definitionen ............................................................... 455 WOODWARD-HOFFMANN-Regeln für elektrocylische Reaktionen ................................................................ 457 Cycloadditionen......................................................... 460 Definitionen ............................................................... 460 WOODWARD-HOFFMANN-Regeln für konzertierte Cycloadditionen......................................................... 461 Cycloreversionen ...................................................... 464 Sigmatrope Reaktionen............................................. 465 Definitionen ............................................................... 465 WOODWARD-HOFFMANN-Regeln für sigmatrope Reaktionen ................................................................ 466 Ausgewählte Beispiele zu den Auswahlregeln ......... 469 Inversion und Retention bei sigmatropen Verschiebungen.............................................................. 469 En-Reaktion............................................................... 471 Molekülspektroskopie zur Strukturaufklärung .... 473 Überblick ................................................................... 473 UV- und Lichtabsorptions-Spektrometrie.................. 474 Spektralbereich ......................................................... 474 Meßmethodik............................................................. 475 Elektronenübergänge in organischen Molekülen ..... 476 Chromophore, Auxochrome...................................... 477 Lichtabsorption und Farbe ........................................ 479 Anwendungsbereiche ............................................... 480 Infrarotspektroskopie................................................. 482 Spektralbereich ......................................................... 482 Meßmethodik............................................................. 482 Gruppenschwingungen in organischen Molekülen... 483 Fingerabdruck-Bereich des Infrarotspektrums ......... 485 Anwendungsbereiche ............................................... 487 RAMAN-Spektroskopie ............................................... 492 RAMAN-Streuung ....................................................... 492 RAMAN-Spektrum....................................................... 492 Anwendung von RAMAN-Spektren ............................ 492 Kernmagnetische Resonanz..................................... 494 Kernpräzession und Kernspin-Zustände .................. 494 NMR-Spektrometer und NMR-Spektrum .................. 495 Chemische Verschiebungen ..................................... 496 Messung chemischer Verschiebungen..................... 496 Integration der Signale und quantitative Analyse ..... 498 Konstitutionsmerkmale und ProtonenVerschiebung ............................................................ 499 Kopplungskonstanten ............................................... 508 Strukturmerkmale und Kopplungskonstanten........... 512 Beispiel zur Herleitung der Konstitution aus dem 1H-NMR-Spektrum .................................................... 519 Chemische Methoden der Signalzuordnung ............ 521 Besondere Meßtechniken ......................................... 522 Kohlenstoff-13-Resonanz ......................................... 526

XIII

28.6.1 Wichtigste Meßmethoden ......................................... 526 28.6.2 13C-Verschiebungen.................................................. 531 28.6.3 CH-Kopplungskonstanten......................................... 533 28.6.4 Beispiel zur Konstitutionsermittlung durch Kohlenstoff-13-Resonanz..................................................... 534 28.7 Massenspektrometrie ............................................... 536 28.7.1 Meßmethodik ............................................................ 536 28.7.2 Isotopenpeaks........................................................... 538 28.7.3 Molekül-Peak, Molekül-Ion ....................................... 538 28.7.4 Fragment- und metastabile Ionen............................. 539 28.7.5 Fragmentierungen organischer Molekül-Ionen......... 540 28.7.6 Erkennung funktioneller Gruppen............................. 546 28.7.7 Herleitung der Konstitution aus dem Massenspektrum ................................................................... 546 29 29.1 29.1.1 29.1.2 29.2 29.3 29.4 29.5 29.5.1 29.5.2 29.5.3 29.5.4 29.5.5 29.5.6 29.5.7

Photoreaktionen...................................................... 550 Grundbegriffe ............................................................ 550 Energiebedarf von Photoreaktionen......................... 550 Verhalten angeregter Moleküle ................................ 550 Photosensibilisierung................................................ 553 Quantenausbeute ..................................................... 554 Blitzlicht-Photolyse.................................................... 555 Präparative Photochemie ......................................... 555 Photoinduzierte Einführung funktioneller Gruppen... 555 Photofragmentierungen ............................................ 557 Photoisomerisierungen ............................................. 558 Photodehydrocyclisierungen .................................... 559 Photoadditionen........................................................ 560 Photocycloadditionen................................................ 561 Photooxidation mit und Photoaddition von Sauerstoff ........................................................................... 564 29.5.8 Photoreduktionen...................................................... 566 29.6 Biologische Photoreaktionen .................................... 567 29.6.1 Sehvorgang............................................................... 567 29.6.2 Photosynthese .......................................................... 567 29.7 Chemilumineszenz ................................................... 568 30 30.1 30.2 30.2.1 30.2.2 30.2.3 30.3 30.3.1 30.3.2 30.3.3 30.4 30.4.1 30.4.2 30.4.3 30.5 30.5.1 30.5.2 30.5.3 30.6 30.6.1 30.6.2 30.6.3 30.7

Nichtbenzoide Aromaten ....................................... 570 Übersicht................................................................... 570 Cyclopropenium-Kationen ........................................ 570 Synthese ................................................................... 570 Molekülorbital-Modell und Strukturmerkmale ........... 571 Reaktivität ................................................................. 572 Cyclopentadienid ...................................................... 572 Herstellung................................................................ 572 Strukturmerkmale...................................................... 572 Reaktivität ................................................................. 573 Cyloheptatrienium-Kationen ..................................... 575 Strukturmerkmale und Formulierung ........................ 575 Herstellungsmethoden.............................................. 575 Reaktivität ................................................................. 576 Cyclooctatetraendiid ................................................. 577 Bildung ...................................................................... 577 NMR-Daten ............................................................... 578 Reaktionen................................................................ 578 Cyclononatetraenid................................................... 578 Bildung ...................................................................... 578 NMR-Daten ............................................................... 579 Reaktionen................................................................ 579 Vergleich der chemischen Verschiebungen ............. 579

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XIV

Inhaltsverzeichnis

30.8 30.8.1 30.8.2 30.8.3 30.9 30.10 30.10.1 30.10.2 30.10.3 30.11 30.11.1 30.11.2 30.11.3 30.11.4 30.12 30.12.1 30.12.2 30.12.3 30.12.4

Azulen ....................................................................... 580 Formulierung und physikalische Eigenschaften ....... 580 Azulen-Synthese....................................................... 581 Reaktionen ................................................................ 582 Definition aromatischer Annulene............................. 582 [10]-Annulen.............................................................. 583 Stabilität..................................................................... 583 Synthese überbrückter [10]-Annulene ...................... 583 Aromatizität des 1,6-Methano-[10]-annulens............ 584 [14]-Annulene............................................................ 584 Sterische Spannung von [14]-Annulenen ................. 584 Synthese des [14]-Annulens vom Pyren-Typ ........... 584 Synthese überbrückter [14]-Annulene ...................... 585 Aromatizität der [14]-Annulene ................................. 585 [18]-Annulen.............................................................. 586 Konformationen......................................................... 586 Synthese ................................................................... 586 Aromatizitätskriterien................................................. 587 Heteroüberbrückte [18]-Annulene und höhere Annulene ................................................................... 587 30.13 Natürliche nichtbenzoide Aromaten.......................... 588 30.13.1 Natürliche Tropolone................................................. 588 30.13.2 Azulene natürlicher Herkunft..................................... 588 30.14 Antiaromatizität ......................................................... 588

31 31.1 31.2 31.2.1 31.2.2 31.3 31.3.1 31.3.2 31.3.3 31.4 31.4.1 31.4.2 31.4.3 31.4.4 31.4.5 31.4.6 31.4.7 31.5 31.5.1 31.5.2 31.5.3 31.5.4 31.5.5 31.5.6 31.5.7 31.5.8 31.5.9 31.5.10 31.5.11 31.6 31.6.1 31.6.2

Organometall-Verbindungen ................................. 590 Definition und Nomenklatur....................................... 590 Bindungszustand ...................................................... 590 Übersicht ................................................................... 590 Molekülorbital-Modelle .............................................. 591 Eigenschaften metallorganischer Verbindungen...... 592 Alkylmetalle ............................................................... 592 Metallorganische Elektronenmangel-Verbindungen. 592 GRIGNARD-Verbindungen .......................................... 593 Allgemeine Methoden zur Herstellung...................... 593 Reaktion von Kohlenwasserstoff und Metall............. 593 Reaktion von Halogenalkan und Metall .................... 594 Reaktion von Organometall-Verbindung und Metallhalogenid ......................................................... 594 Metall-Metall-Austausch............................................ 595 Halogen-Metall-Austausch........................................ 595 Wasserstoff-Metall-Austausch .................................. 596 Addition von Metallhydriden an Alkene..................... 596 Reaktionen von Alkyl- und ArylmetallVerbindungen............................................................ 596 Reaktion mit Sauerstoff............................................. 596 Reaktion mit Halogen................................................ 596 Hydrolyse und Alkoholyse......................................... 597 Reaktion mit CH-Säuren ........................................... 598 Reaktionen zwischen Organometall-Verbindungen . 598 Reaktion mit Carbonsäurehalogeniden .................... 599 Addition an CC-Doppelbindungen ............................ 599 Addition an CX-Doppelbindungen ............................ 599 Addition an CX-Dreifachbindungen .......................... 601 Nucleophile Öffnung von Oxiran- und OxetanRingen....................................................................... 602 Nucleophile Substitution ........................................... 602 Organosilicium-Verbindungen .................................. 603 Vergleichender Überblick.......................................... 603 Herstellung der Halogensilane.................................. 605

31.6.3 Reaktion der Halogensilane ..................................... 605 31.6.4 Präparative Bedeutung einiger OrganosiliciumVerbindungen ........................................................... 607 31.6.5 Silicone ..................................................................... 609 31.7 Metall-r-Komplexe.................................................... 610 31.7.1 Bindungszustand und Struktur von SandwichKomplexen ................................................................ 610 31.7.2 Herstellung und Eigenschaften einiger Übergangsmetall-r-Komplexe.......................................... 610 31.7.3 Präparative Bedeutung von Übergangsmetallr-Komplexen ............................................................ 613 31.8 Metallchelate............................................................. 615 31.8.1 Bauprinzip ................................................................. 615 31.8.2 Metallchelat-Effekt .................................................... 616 31.8.3 Metalltemplate-Effekt ................................................ 617 31.8.4 Metallchelate makrocyclischer N4-Liganden ............ 618 31.8.5 Bedeutung von Metallchelaten ................................. 618 32 32.1 32.2 32.3 32.3.1 32.3.2 32.3.3 32.3.4 32.3.5 32.4 32.4.1 32.4.2 32.5 32.6 32.7 32.8 32.9 33 33.1 33.1.1 33.1.2 33.1.3 33.2 33.2.1 33.2.2 33.3 33.3.1 33.3.2 33.3.3 33.4 33.4.1 33.4.2 33.4.3

Heteroalicyclen ....................................................... 620 Übersicht und Ring-Nomenklatur ............................. 620 Molekülgeometrie ..................................................... 620 Allgemeine Syntheseprinzipien ................................ 622 Intramolekulare Cyclisierungen ................................ 622 Cycloadditionen ........................................................ 624 Ringerweiterung von Carbocyclen durch Stickstoff.. 625 Katalytische Hydrierung von Heteroaromaten ......... 626 Carbonyl-Derivatisierung .......................................... 626 Funktionelle Reaktionen ........................................... 627 Heteroatom als Nucleophil ....................................... 627 Carbonyl-Umpolung durch 1,3-DithianDerivatisierung.......................................................... 627 Ringöffnungen .......................................................... 628 Ringöffnende Ringerweiterungen............................. 629 Additionen an ungesättigte Heteroalicyclen ............. 629 Komplexierung durch Kronenether und Cryptanden ....................................................................... 630 Mesomerieeffekte und Aromatizität.......................... 631 Heteroaromaten ...................................................... 632 Definition, Nomenklatur, Übersicht ........................... 632 Monocyclische Heteroaromaten............................... 632 Benzokondensierte Heteroaromaten........................ 632 Heterokondensierte Heteroaromaten ....................... 635 Tautomerie der Heteroaromaten .............................. 638 Tautomerie ohne Beteiligung von Substituenten ..... 638 Tautomerie unter Beteiligung von Substituenten ..... 638 Aromatizität und Struktur von FünfringHeteroaromaten........................................................ 642 r-Elektronendichte-Verteilung.................................. 642 Molekülorbital-Modelle.............................................. 643 Bindungsausgleich und Mesomerieenergie ............. 644 Aromatizität und Struktur von SechsringHeteroaromaten........................................................ 644 r-Elektronendichte-Verteilung, Mesomerie und Bindungsausgleich.................................................... 644 Molekülorbital-Modell des Pyridins........................... 645 Sechsring-Heterocyclen mit zweibindigen Heteroatomen ...................................................................... 645

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33.5 33.5.1 33.5.2 33.6 33.6.1 33.6.2 33.6.3 33.6.4 33.6.5 33.6.6 33.6.7 33.7 33.7.1 33.7.2 33.7.3 33.7.4 33.7.5 33.7.6 33.7.7 33.7.8 33.8 33.8.1 33.8.2 33.8.3 33.8.4 33.8.5 33.9 33.9.1 33.9.2 33.9.3 33.10 33.10.1 33.10.2 33.10.3 33.10.4 33.10.5 33.10.6 33.11 33.11.1 33.11.2 33.11.3 33.11.4 33.11.5 33.11.6 33.11.7 33.11.8 33.12 33.12.1 33.12.2 33.12.3

Synthese monocyclischer FünfringHeteroaromaten ........................................................ 646 Allgemeine Methoden ............................................... 646 Spezielle Methoden................................................... 650 Synthese benzo-kondensierter FünfringHeteroaromaten ........................................................ 652 Benzo[b]furan (Cumaron).......................................... 652 Benzo[b]thiophen (Thionaphthen) ............................ 653 Benzo[b]pyrrol (Indol)................................................ 653 Benzo-1,2-azole (Indazol, Benzoisoxazol, Benzoisothiazol)........................................................ 654 Benzo-1,3-azole (Benzimidazol, Benzoxazol, Benzothiazol)............................................................. 655 Benzotriazol............................................................... 655 Carbazol .................................................................... 655 Reaktionen monocyclischer FünfringHeteroaromaten ........................................................ 656 Basizität und Reaktionen am nichtbindenden Elektronenpaar.......................................................... 656 Acidität....................................................................... 657 Dien-Reaktionen ....................................................... 658 Elektrophile Substitution............................................ 659 Nucleophile Substitutionen ....................................... 663 Carben-Cycloadditionen ........................................... 663 Ringöffnungen........................................................... 664 Besondere Reaktionen von Substituenten ............... 665 Reaktionen benzologer Fünfring-Heteroaromaten ... 666 Prognose ................................................................... 666 Heteroatom-spezifische Reaktionen......................... 667 Elektrophile Substitutionen ....................................... 667 Cycloadditionen......................................................... 668 Reaktionen der 2- und 3-Hydroxy-Derivate .............. 669 Mesoionische Fünfring-Heteroaromaten .................. 670 Mesoionische 1,2,3-Oxadiazol-Derivate ................... 670 Mesoionische Triazol-Derivate.................................. 671 Mesoionische Oxazol- und Thiazol-Derivate ............ 671 Synthese monocyclischer SechsringHeteroaromaten ........................................................ 672 Pyridin ....................................................................... 672 Phosphor-, Sauerstoff- und Schwefel-Analoge des Pyridins...................................................................... 674 Diazine ...................................................................... 676 Oxazine und Thiazine ............................................... 677 Triazine...................................................................... 678 Tetrazine ................................................................... 679 Synthese benzo-kondensierter Pyridine und Azine.. 679 Chinoline (Benzo[b]pyridine ...................................... 679 Isochinoline (Benzo[c]pyridine) ................................. 680 Benzochinoline.......................................................... 681 Benzopyridazine........................................................ 682 Chinazoline................................................................ 682 Chinoxaline und Phenazine ...................................... 683 Benzopyrone und Benzopyrylium-Salze................... 683 Phenoxazine und Phenothiazine .............................. 685 Reaktionen monocyclischer SechsringHeteroaromaten ........................................................ 685 Reaktionen am Imino-Stickstoff ................................ 685 Cycloadditionen......................................................... 687 Nucleophile Additionen, Ringöffnungen, Umheterocyclisierungen ................................................. 688

XV

33.12.4 33.12.5 33.12.6 33.13 33.13.1 33.13.2 33.13.3 33.13.4 33.13.5 33.13.6 33.14 33.14.1 33.14.2 33.14.3 33.15 33.15.1 33.15.2 33.15.3 33.15.4 33.15.5 33.15.6 33.16 33.16.1 33.16.2 34 34.1 34.1.1 34.1.2 34.2 34.3 34.3.1 34.3.2 34.3.3 34.4 34.4.1 34.4.2 34.4.3 34.4.4 34.5 34.5.1 34.5.2 34.5.3 34.5.4 34.6 34.6.1 34.6.2 34.6.3 34.6.4 34.6.5 34.6.6 34.6.7 34.7 34.7.1 34.7.2

Nucleophile Substitutionen ....................................... 689 Elektrophile Substitutionen ....................................... 690 Besondere Reaktionen von Substituenten ............... 692 Reaktionen benzologer SechsringHeteroaromaten ........................................................ 694 Reaktionen am Ring-Stickstoff ................................. 694 Katalytische Hydrierung und oxidative Ringöffnung. 694 Nucleophile Additionen ............................................. 694 Nucleophile Substitutionen ....................................... 695 Elektrophile Substitutionen ....................................... 696 CH-Acidität und andere Reaktionen von MethylGruppen .................................................................... 697 Heterokondensierte Heteroaromaten ....................... 698 Heterobicyclen mit Stickstoff als Brückenkopf.......... 698 Purine........................................................................ 699 Pteridine .................................................................... 701 Reaktionen heterokondensierter Heteroaromaten ... 702 Basizität und Acidität................................................. 702 Ringspaltungen ......................................................... 702 Nucleophile Additionen ............................................. 703 Nucleophile Substitutionen ....................................... 704 Elektrophile Substitutionen ....................................... 704 CH-Acidität von Methyl-Gruppen.............................. 704 Höhergliedrige Heterocyclen und Heteroaromaten.. 704 Ringvinyloge der Fünfring-Heteroaromaten ............. 704 Ringvinyloge des Pyridins......................................... 707 Organische Farbstoffe ........................................... 709 Farbigkeit von Verbindungen.................................... 709 Absorbiertes Licht und Farbe.................................... 709 Farbstoffe und Pigmente .......................................... 709 Bauprinzip von Farbstoffen....................................... 709 Azofarbstoffe............................................................. 711 Tautomerie................................................................ 711 Herstellung................................................................ 711 Methoden der Textilfärbung mit Azofarbstoffen ....... 712 Polymethin-Farbstoffe............................................... 717 Bauprinzip ................................................................. 717 Ausgewählte Methoden zur Herstellung................... 718 Anwendung von Polymethin-Farbstoffen ................. 719 Natürliche Polymethin-Farbstoffe ............................. 721 Phenyloge Methin- und Azamethin-Farbstoffe ......... 722 Übersicht................................................................... 722 Allgemeine Methoden zur Herstellung...................... 722 Anwendung phenyloger Methin- und AzamethinFarbstoffe.................................................................. 726 Natürliche Phenoxazin-Farbstoffe ............................ 727 Carbonyl-Farbstoffe .................................................. 728 Übersicht................................................................... 728 Lichtabsorption der Carbonyl-Farbstoffe .................. 728 Synthese von Anthrachinon-Farbstoffen .................. 730 Indigo-Synthesen...................................................... 732 Textilfärbung mit Indigo- und AnthrachinonDerivaten................................................................... 733 Höher anellierte Carbonyl-Farbstoffe ....................... 734 Natürliche Carbonyl-Farbstoffe................................. 735 Polyaza[18]annulen-Farbstoffe................................. 736 Bauprinzip ................................................................ 736 Mesomerie der Porphyrine und ihrer Metallchelate............................................................. 736

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XVI

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34.7.3 34.7.4 34.7.5 34.7.6

Porphyrin-Synthesen ................................................ 737 Phthalocyanin-Synthesen ......................................... 738 Färbung mit Phthalocyanin-Derivaten ...................... 739 Natürliche Porphyrinoide........................................... 740

35 35.1 35.2 35.2.1 35.2.2 35.2.3 35.2.4 35.2.5 35.2.6 35.2.7 35.2.8 35.3 35.3.1 35.3.2 35.4 35.4.1 35.4.2 35.4.3 35.4.4 35.4.5 35.5 35.5.1 35.5.2 35.5.3 35.5.4 35.5.5 35.5.6 35.6 35.6.1 35.6.2 35.6.3 35.6.4 35.7 35.7.1 35.7.2 35.8 35.8.1 35.8.2 35.8.3 35.8.4 35.9

Synthetische Polymere .......................................... 741 Monomere, Oligomere, Polymere............................. 741 Polymerisationen....................................................... 741 Übersicht ................................................................... 741 Radikalische Polymerisation..................................... 742 Ionische Polymerisation ............................................ 744 Koordinative Polymerisation ..................................... 745 Polymerisation durch Alken-Metathese .................... 747 Epoxid-Polymerisation .............................................. 747 Hetero- und Homopolymere...................................... 747 Uni- und Multipolymere ............................................. 748 Polyadditionen........................................................... 749 Polyurethane ............................................................. 749 Polyharnstoffe ........................................................... 750 Polykondensationen.................................................. 750 Polyester ................................................................... 750 Polyamide ................................................................. 751 Phenoplaste .............................................................. 752 Aminoplaste .............................................................. 753 Epoxidharze .............................................................. 754 Molekülstruktur von Polymeren ................................ 755 Mittlere Molekülmasse .............................................. 755 Stellungsisomerie...................................................... 755 Verzweigungsgrad .................................................... 756 Relative Konfigurationsisomerie von Polyalkenen ... 756 Taktizität von Polyalkanen ........................................ 756 Rotationsisomerie ..................................................... 758 Anwendungstechnisch relevante Eigenschaften...... 759 Kristallinität................................................................ 759 Plastizität................................................................... 760 Elastizität................................................................... 760 Löslichkeit und Quellbarkeit...................................... 761 Reaktionen von Polymeren....................................... 761 Depolymerisationen .................................................. 761 Reaktionen unter Erhaltung der Polymerkette.......... 761 Funktionelle Polymere .............................................. 762 Ionenaustauscher ..................................................... 762 Elektronenaustauscher ............................................. 763 Polymere Träger ....................................................... 763 Makromolekulare Chelatbildner ................................ 765 Anwendungsformen der Polymeren ......................... 765

36 36.1 36.2 36.3 36.4 36.4.1 36.4.2 36.5 36.5.1

Aminosäuren ........................................................... 768 Proteinaminosäuren.................................................. 768 Physiologische Bedeutung ....................................... 770 Absolute Konfiguration.............................................. 770 Physikalische Eigenschaften .................................... 771 Dissoziationsgleichgewichte ..................................... 771 Schmelzpunkt und Löslichkeit .................................. 773 Chromatographische Trennung ................................ 773 Ionenaustausch-Chromatographie im Aminosäuren-Analysator..................................................... 773 36.5.2 Kapillarzonen-Elektrophorese................................... 775 36.5.3 Gaschromatographie ................................................ 776

36.6 36.6.1 36.6.2 36.6.4 36.6.3 36.6.5 36.6.6 36.6.7 36.7 36.7.1 36.7.2 36.7.3 36.7.4 36.8 36.8.1 36.8.2 36.8.3 36.8.4 36.8.5 36.8.6 36.8.7 37 37.1 37.2 37.3 37.3.1 37.3.2 37.3.3 37.3.4 37.3.5 37.4 37.4.1 37.4.2 37.4.3 37.4.4 37.5 37.5.1 37.5.2 37.5.3 37.5.4 37.6 37.7 37.7.1 37.7.2 37.7.3 37.8 37.8.1 37.8.2 38 38.1 38.2 38.2.1 38.2.2 38.2.3

Synthesen ................................................................. 776 STRECKER-Synthese ................................................. 776 BUCHERER-Synthese................................................. 777 ERLENMEYER-Synthese ............................................. 777 Aminierung von c-Halogencarbonsäuren ................ 778 Reduktive Aminierung von c-Oxodicarbonsäuren ... 779 c-Aminosäuren aus NAcylaminomalonsäurediestern ................................. 779 Enantioselektive Synthese von Aminosäuren .......... 780 Racemattrennung ..................................................... 781 Selektive Kristallisation ............................................. 781 Trennung von Diastereomeren................................. 781 Enzymatische Methoden .......................................... 781 Chromatographische Methoden ............................... 783 Reaktionen................................................................ 783 Bildung von Salzen und Komplexen......................... 783 Veresterung .............................................................. 784 Bildung von Lactamen .............................................. 785 N-Alkylierung und N-Arylierung ................................ 785 N-Acylierung ............................................................. 786 Abbau-Reaktionen und Umfunktionierungen ........... 787 Aminosäure-Derivate als chirale Auxiliare................ 788 Peptide und Proteine.............................................. 789 Klassifizierung und Nomenklatur.............................. 789 Struktur der Peptidbindung....................................... 790 Konformation (Sekundärstruktur) von PolypeptidKetten........................................................................ 790 RAMACHANDRAN-Diagramme .................................... 790 c-Helix ...................................................................... 792 c-Keratin-Struktur ..................................................... 793 d-Faltblatt.................................................................. 795 Physikalische Methoden zur Strukturbestimmung ... 796 Methoden der Peptidsynthese.................................. 797 Knüpfung der Peptidbindung .................................... 797 Schutzgruppen.......................................................... 799 Strategie und Taktik der Peptidsynthese.................. 804 Kombinatorische Synthese....................................... 806 Methoden der Peptid-Sequenzierung....................... 807 Reinigung von Peptiden ........................................... 807 Selektive Spaltungen von Peptidketten.................... 807 Endgruppenanalyse.................................................. 809 Schrittweiser Abbau nach EDMAN ............................. 809 Modifizierung von Seitenkettenfunktionen................ 810 Ausgewählte Peptidwirkstoffe................................... 812 Peptidhormone ......................................................... 812 Peptidantibiotika ....................................................... 816 Peptidtoxine .............................................................. 818 Proteine..................................................................... 819 Klassifizierung von Proteinen ................................... 819 Struktur der Proteine Myoglobin und Lysozym ........ 820 Alkaloide .................................................................. 826 Herkunft und Gewinnung der Alkaloide.................... 826 Übersicht heterocyclischer Alkaloide........................ 827 Pyrrolidin-, Piperidin- und Pyridin-Alkaloide ............. 827 Tropan-Alkaloide....................................................... 827 Pyrrolizidin-, Indolizidin- und ChinolizidinAlkaloide ................................................................... 828

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Inhaltsverzeichnis

38.2.4 38.2.5 38.2.6 38.3 38.3.1 38.3.2 38.3.3 38.4 38.4.1 38.4.2 38.5 38.5.1 38.5.2 38.5.3 38.5.4 39 39.1 39.1.1 39.1.2 39.2 39.3 39.3.1 39.3.2 39.3.3 39.3.4. 39.3.5 39.4 39.4.1 39.4.2 39.4.3 39.4.4 39.4.5 39.5 39.5.1 39.5.2 39.5.3 39.5.4 39.6 39.6.1 39.6.2 39.6.3 39.7 39.8 39.8.1 39.8.2 39.9 39.9.1 39.9.2 39.9.3 39.9.4 39.9.5 39.9.6

Indol-Alkaloide........................................................... 829 Isochinolin-Alkaloide ................................................. 831 Chinolin-Alkaloide ..................................................... 834 Übersicht nicht heterocyclischer Alkaloide ............... 835 Phenylethylamine...................................................... 835 Amide und Lactame biogener Amine........................ 836 Cyclopeptid-Alkaloide................................................ 836 Zur Biogenese der Alkaloide in Pflanzen.................. 837 Aminosäuren als biogenetische Vorstufen der Alkaloide.................................................................... 837 Biogenese der Isochinolin-Alkaloide im Schlafmohn ......................................................................... 837 Exemplarische Alkaloid-Synthesen .......................... 839 Nicotin und Coniin ..................................................... 839 Tropan ....................................................................... 840 Tryptamine ................................................................ 840 Benzyltetrahydroisochinoline .................................... 841 Kohlenhydrate ......................................................... 842 Bedeutung, Klassifizierung und Nomenklatur der Zucker ....................................................................... 842 Bedeutung................................................................. 842 Klassifizierung und Nomenklatur .............................. 842 Konstitution, relative und absolute Konfiguration ..... 844 Cyclohalbacetal-Formen und Konformation ............. 847 Halbacetal-Bildung .................................................... 847 Gleichgewichte der Pyranosen und Furanosen........ 850 Mutarotation .............................................................. 851 Konformation der Pyranosen und anomerer Effekt ......................................................................... 852 NMR-Spektroskopie .................................................. 853 Carbonyl-Reaktionen der Kohlenhydrate.................. 854 Kettenverlängerung................................................... 855 Reduktion zu Polyolen .............................................. 856 Oxidation endständiger Gruppen.............................. 857 Glycosidierungen ...................................................... 859 Reaktionen mit Thiolen und StickstoffNucleophilen.............................................................. 861 Polyol-Reaktionen ..................................................... 863 Schutzgruppen für die Hydroxy-Funktionen ............. 863 Oxidation von Hydroxy-Gruppen............................... 865 Nucleophile Substitutionen ....................................... 866 Glykolspaltung und andere Abbaureaktionen........... 867 Deoxy-, Amino-, ungesättigte und verzweigte Zucker ....................................................................... 868 Deoxyzucker ............................................................. 868 Aminozucker.............................................................. 868 Verzweigte und ungesättigte Zucker ........................ 869 Trennmethoden......................................................... 870 Oligosaccharide ........................................................ 871 Disaccharide.............................................................. 871 Trisaccharide, Cyclodextrine..................................... 873 Polysaccharide.......................................................... 873 Struktur der Cellulose................................................ 874 Technische Gewinnung und chemische Modifikation der Cellulose......................................... 874 Stärke, Amylose und Amylopektin ............................ 875 Glycogen ................................................................... 876 Chitin ......................................................................... 877 Heparin, Hyaluronsäure, Chondroitinsulfate............. 877

XVII

39.9.7 Inulin und Pektine ..................................................... 878 40 40.1 40.2 40.2.1 40.2.2 40.3 40.3.1 40.3.2 40.3.3 40.3.4 40.3.5 40.3.6 40.3.7 40.3.8 40.4 40.5 40.6 40.6.1 40.6.2 40.6.3 40.6.4 40.6.5

Nucleoside, Nucleotide, Nucleinsäuren ............... 879 Bauprinzip der Nucleinsäuren .................................. 879 Abbau der Nucleinsäuren ......................................... 882 Bedingungen der Hydrolyse von Nucleosiden und Nucleotiden........................................................ 882 Enzymatische Spaltung von Polynucleotiden........... 883 Eigenschaften von Nucleosiden und Nucleotiden.... 883 Eigenschaften der Phosphat-Gruppe ....................... 883 Löslichkeit ................................................................. 884 Tautomerie-Gleichgewichte ...................................... 884 Dissoziationsverhalten von Nucleotiden................... 885 Bildung von Basenpaaren und Komplementärprinzip........................................................................ 885 Die Doppelhelix der DNA.......................................... 886 Detektion der DNA-Denaturierung durch UVSpektroskopie ........................................................... 889 Seltene Basen und RNA-Konformation.................... 890 Replikation der DNA ................................................. 891 DNA, RNA und die Biosynthese der Proteine .......... 892 Nucleosid- und Nucleotid-Synthesen ....................... 893 Phosphorylierungen.................................................. 893 Synthese von Nucleosiden ....................................... 895 Synthese von Nucleotiden........................................ 896 Synthese von Oligonucleotiden ................................ 897 Phosphorsäuretriester-Methode zur Synthese von Gen-Fragmenten....................................................... 897

41 41.1 41.2 41.2.1 41.2.2 41.3 41.4 41.4.1 41.4.2 41.4.3 41.4.4 41.5 41.6 41.6.1 41.6.2 41.6.3 41.7 41.7.1 41.7.2 41.8 41.8.1 41.8.2

Lipide........................................................................ 899 Klassifizierung der Lipide.......................................... 899 Vorkommen und Isolierung....................................... 900 Vorkommen............................................................... 900 Isolierung und Identifizierung.................................... 900 Wechselwirkungen von Lipiden mit Wasser............. 901 Fettsäuren................................................................. 902 Vorkommen und Struktur wichtiger Fettsäuren ........ 902 Physikalische Eigenschaften .................................... 904 Chemische Eigenschaften........................................ 905 Analytik der Fettsäuren............................................. 907 Wachse ..................................................................... 910 Phosphatide, Glycolipide, Aminolipide ..................... 911 Phosphatide .............................................................. 911 Sphingolipide und Glycolipide .................................. 911 Lipopolysaccharide und Lipoproteine....................... 913 Lipid-Membranen...................................................... 914 Lipid-Doppelschichten .............................................. 915 Aufbau biologischer Lipid-Membranen..................... 917 Industrielle Synthese von Detergentien.................... 918 Alkylbenzensulfonate................................................ 918 Langkettige Alkylsulfate und andere Tenside........... 920

42 42.1 42.1.1 42.1.2 42.1.3 42.2 42.2.1 42.2.2 42.2.3

Terpene und Steroide............................................. 922 Herkunft, Bauprinzip und Biogenese der Terpene ... 922 Begriff, Bauprinzip, Klassifizierung ........................... 922 Vorkommen, Bedeutung ........................................... 923 Biogenese ................................................................. 924 Übersicht der Terpene .............................................. 926 Hemi- und Monoterpene ........................................... 926 Sesquiterpene........................................................... 928 Diterpene................................................................... 930

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XVIII

42.2.4 42.2.5 42.2.6 42.2.7 42.3 42.3.1 42.3.2 42.3.3 42.4 42.5 42.5.1 42.5.2 42.5.3 42.5.4 42.5.5 42.5.6 42.6

Inhaltsverzeichnis

Triterpene.................................................................. 932 Tetraterpene (Carotenoide) ...................................... 935 Prenylchinone ........................................................... 937 Polyterpene ............................................................... 938 Ausgewählte Terpen-Synthesen............................... 938 Acylische Mono- und Sesquiterpene ........................ 938 Cyclische Monoterpene ............................................ 940 Industrielle Synthese des Diterpens Vitamin A......... 941 Stammgerüste und Nomenklatur der Steroide ......... 944 Übersicht der Steroidwirkstoffe ................................. 945 Sterole ....................................................................... 945 Gallensäuren............................................................. 947 Steroidhormone......................................................... 948 Herzglycoside............................................................ 950 Steroidsaponine ........................................................ 951 Steroidalkaloide......................................................... 951 Exemplarische Steroidsynthese ............................... 952

Kurzbibliographie ................................................... 953 Sachregister ............................................................ 957 Verzeichnis der Namen-Reaktionen ..................... 998

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1 Chemische Bindung in organischen Molekülen 1.1 Einführung Die organische Chemie behandelt Struktur, Synthese und Reaktionen organischer Verbindungen. Organische Verbindungen enthalten hauptsächlich Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff, Schwefel und Phosphor (C,H,O,N,S,P). Sie entstehen häufig beim Zerfall pflanzlicher und tierischer Organismen und sind somit auch Bestandteile des Erdöls und der Steinkohle. Derzeit sind mehr als fünfzehn Millionen organische Verbindungen dokumentiert, die man in bestimmte Stoffklassen unterteilt. Eine Stoffklasse wird entweder nach dem Vorliegen bestimmter Atomsorten oder nach funktionellen Gruppen bezeichnet, Atomgruppen also, die charakteristische physikalische Eigenschaften und chemische Reaktionen eines Moleküls hervorrufen können. Verbindungen, die nur Kohlenstoff und Wasserstoff enthalten, werden z. B. Kohlenwasserstoffe genannt, und solche mit Amino-Gruppen (/NH2) nennt man Amine. In Molekülen werden die Atome durch Bindungselektronen miteinander verknüpft. Die Art dieser Verknüpfung ist Gegenstand der Theorie der chemischen Bindung. Diese führt zu Molekülmodellen, welche die physikalischen Eigenschaften und die chemischen Reaktionen der Verbindungen erklären.

1.2 Energie Jede chemische Reaktion erfordert oder erzeugt einen bestimmten Betrag an Energie, meist in Form von Wärme. Dieser Energiebetrag wird als Reaktionswärme bezeichnet, in Joule (J) oder Kilojoule (kJ) gemessen und auf ein Mol einer Verbindung (kJ/mol) bezogen. Es ist daher zweckmäßig, Stabilität und Reaktivität einer Verbindung mit Hilfe ihres Inhalts an potentieller Energie zu beschreiben. Je ärmer an potentieller Energie, desto stabiler ist eine Verbindung. Eine Substanz, die aufgrund ihrer Struktur oder ihrer Zusammensetzung einen Zustand geringer Stabilität, d. h. hoher potentieller Energie besitzt, wird durch Strukturänderung oder chemische Reaktion einen Zustand größerer Stabilität und damit geringerer potentieller Energie anstreben. Potentielle Energien können nicht als Absolutwerte gemessen werden. Differenzen an potentieller Energie sind jedoch meßbar. Geht z. B. Verbindung 1 mit der höheren potentiellen Energie E1 durch chemische Reaktion in Verbindung 2 mit der geringeren potentiellen Energie E2 über, so ist die Differenz FE = E1/"E2 unter bestimmten experimentellen Voraussetzungen als Reaktionswärme meßbar.

1.3 Atomorbitale Da die Atome im Molekülverband durch Elektronen verknüpft sind, beginnt die Diskussion der chemischen Bindung mit der Beschreibung der Elektronenzustände im Atom. Elektronenstrahlen wie Kathoden- und c-Strahlen verhalten sich unter bestimmten Versuchsbedingungen wie Wellen.

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2

1 Chemische Bindung in organischen Molekülen

Man kann dies durch Elektronenbeugung und Interferenz nachweisen. Es liegt daher nahe, zu postulieren, daß auch die Elektronen eines Atoms Wellennatur zeigen. Auf diesem Postulat beruht die wellenmechanische Atomtheorie. Ihr fundamentaler mathematischer Ausdruck ist die SCHRÖDINGER-Gleichung. Sie beschreibt die Beziehung der Wellenfunktion { eines Elektrons mit seiner Energie. Wendet man diese Gleichung auf die Elektronen eines Atoms an, so ist sie nur für diskrete Energiewerte E1 , E2 , E3 , usw. lösbar. Diese Energieeigenwerte entsprechen den durch die Hauptquantenzahlen n = 1, 2, 3, usw. gekennzeichneten Energiezuständen der Elektronen in einem Atom. Die Anregung eines Elektrons vom energieärmeren Zustand E1 zum energiereicheren Zustand "E2 erfordert somit ein durch die Energiedifferenz FE = E2 /"E1 definiertes Energiequantum, das z. B. durch Strahlungsenergie aufgebracht werden kann. Bei atomaren Vorgängen wie der Elektronenanregung ist die Energie also gequantelt. Löst man die SCHRÖDINGER-Gleichung für ein Elektron und einen bestimmten Energiezustand E1, so erhält man eine Wellenfunktion { oder einen aus mehreren Gleichungen für {"bestehenden Satz von Wellenfunktionen. Die Funktion { selbst hat keine anschauliche Bedeutung. Ihr Quadrat {2 ist jedoch für einen bestimmten Energiezustand ein Maß für die Aufenthaltswahrscheinlichkeit eines Elektrons im Atomverband. Für ein Atom und eines seiner Elektronen begrenzt {2 einen bestimmten Raum um den Atomkern, in welchem man das Elektron mit größter Wahrscheinlichkeit findet. Diese durch {2 beschriebene Ladungsdichteverteilung eines Elektrons um den Atomkern wird als Atomorbital oder Elektronenwolke bezeichnet. Wo die Elektronenwolke am dichtesten ist, hält sich das Elektron am wahrscheinlichsten auf.

1.3.1

s-Orbitale

Umriß und Ausdehnung eines Atomorbitals hängen von der Energie des Elektrons ab und werden durch die {2-Funktion beschrieben. Kugelsymmetrische Orbitale mit dem Atomkern als Zentrum werden als s-Orbitale bezeichnet (Abb. 1.1). Man findet das Elektron mit größter Wahrscheinlichkeit in einer Kugel, die den Atomkern eng umhüllt. Die Wahrscheinlichkeit, das Elektron im Kern oder weit entfernt von ihm anzutreffen, ist dagegen sehr gering. Auf dem tiefsten Energiezustand E1 (Hauptquantenzahl n = 1) eines Atoms besetzt ein Elektron das 1s-Orbital. Das 2s-Orbital folgt auf dem zweiten, durch den Energieeigenwert E2 gekennzeichneten Niveau (Abb. 1.2); es umschließt das 1s-Orbital konzentrisch, hat also eine größere räumliche Reichweite.

(a)

(b)

Abb. 1.1. 1s-Orbital, (a) Umriß, (b) Querschnitt

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1.3 Atomorbitale

1.3.2

3

p-Orbitale

Für den Energiezustand E2 (n = 2) gibt es insgesamt vier Atomorbitale. Neben dem kugelsymmetrischen 2s-Orbital erstrecken sich drei Orbitale mit hantelförmigem Umriß entlang den Achsen x,y,z eines rechtwinkligen Koordinatensystems mit dem Atomkern als Ursprung (Abb. 1.2 a-c). Die {-Funktionen der p-Orbitale haben demnach je einen positiven und negativen Bereich. Wie der Querschnitt veranschaulicht, findet man das Elektron auf einem px-Orbital mit größter Wahrscheinlichkeit in einem Raum entlang der x-Achse nahe dem Kern. Die Aufenthaltswahrscheinlichkeit am Kern selbst oder weit von ihm entfernt ist sehr klein. Am Kern hat das Orbital einen Knoten.

(a)

(b)

(d)

(c)

(e)

Abb. 1.2. (a-c) Umrisse der p-Orbitale, (a) px-, (b) py-, (c) pz-Orbital; (d) Querschnitt durch das pz-Orbital; (e) relative Ausdehnung von 2s und 2p-Orbitalen

Die 2p-Orbitale reichen um den Faktor 31/2 weiter als die 2s-Orbitale (Abb. 1.2 e). Untereinander sind die drei p-Orbitale energetisch gleichwertig (Abb. 1.3), d. h. "entartet". Elektronen auf 2pOrbitalen sind etwas energiereicher als solche auf 2s-Orbitalen. Jedoch ist der Energieunterschied zwischen 2s- und 2p-Orbitalen sehr klein im Vergleich zur Differenz zwischen den Energiezuständen E1 und E2 (Abb. 1.3).

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4

1 Chemische Bindung in organischen Molekülen

Neben s- und p-Orbitalen gibt es auf den höheren Niveaus E3, E4, usw. noch fünf d- bzw. sieben fOrbitale. Da die meisten organischen Verbindungen nur Elemente der ersten und zweiten Periode (C,H,N,O) enthalten, werden d- und f-Orbitale hier nicht näher besprochen. 2px

E

2py

2pz

E2 2s

1s

E1

Abb. 1.3. Energiezustände E1 und E2, mit 1s-, 2s- und 2p-Orbitalen

1.3.3

Elektronenspin und PAULI-Prinzip

Elektronen besitzen neben ihrer negativen Ladung und ihrem Bahndrehimpuls einen Eigendrehimpuls (Elektronenspin). Ist die Eigenrotation zweier Elektronen gleichsinnig, so sagt man, die Elektronen haben parallelen Spin und symbolisiert diesen Zustand durch zwei gleichgerichtete Pfeile (‹‹). Ist umgekehrt die Eigenrotation zweier Elektronen gegensinnig, so haben diese Elektronen antiparallelen Spin (‹ﬁ). Höchstens zwei Elektronen mit antiparallelem Spin können dasselbe Orbital besetzen (PAULI-Prinzip). Solche Elektronen nennt man gepaart.

1.3.4

Elektronenkonfiguration leichter Atome

Die Verteilung der Elektronen auf den Orbitalen eines Atoms nennt man Elektronenkonfiguration. Diese bezieht sich auf den stabilsten (energieärmsten) Zustand des Atoms, den Grundzustand. Die häufigsten Elemente in organischen Molekülen, nämlich C,H,O,N gehören zu den ersten beiden Perioden. Elektronen dieser Atome besetzen im Grundzustand nur s- und p-Orbitale. Allgemein gelten für die Reihenfolge der Orbital-Besetzung folgende drei Regeln: ̈ ̈ ̈

Zuerst werden die energieärmsten Orbitale besetzt. Die Reihenfolge ist demnach 1s,2s,2p,3s,3p. Nur bis zu zwei Elektronen können ein Orbital besetzen (PAULI-Prinzip). Im Falle der Doppelbesetzung müssen die Spins antiparallel sein. Ist ein Satz entarteter Orbitale verfügbar (z. B. die drei 2p-Zustände, Abb. 1.3), so werden alle Orbitale einzeln belegt, bevor eines doppelt besetzt wird (HUND-Regel, vgl. die Elektronenkonfiguration der Elemente C,H,O in Tab. 1.1).

Die Elektronenkonfiguration eines Atoms (Tab. 1.1) wird durch Angabe der besetzten Orbitale in der Reihenfolge zunehmender Energie dargestellt. Die Besetzungszahl eines jeden Orbitals, 1 oder 2, wird hochgestellt, dabei die 1 meist weggelassen. Bor besitzt z. B. die Elektronenkonfiguration 1s2 2s2 2p, d. h. 1s- und 2s-Orbital sind je doppelt, ein 2p-Orbital ist einfach besetzt.

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1.4 Molekülorbitale und kovalente Bindung

5

Tab. 1.1. Elektronenkonfiguration leichter Atome im Grundzustand Atom 1s

B e s e t z u n g 2s 2px

Symbol 2py

2pz

H

1s

He

1s2

Li

1s2 2s

Be

1s2 2s2

B

1s2 2s2 2p

C

1s2 2s2 2p2

N

1s2 2s2 2p3

O

1s2 2s2 2p4

F

1s2 2s2 2p5 1s2 2s2 2p6

Ne

(1s2 2s2 2px2 2py2 2pz2 )

1.4 Molekülorbitale und kovalente Bindung 1.4.1

Arten der chemischen Bindung

Ionen- und kovalente Bindung sind die Grundtypen der chemischen Bindung. In anorganischen Salzen liegen keine Moleküle, sondern Ionen vor, welche im Kristallgitter durch elektrostatische Kräfte entgegengesetzt geladener Ionen zusammengehalten werden. Natriumchlorid besteht also nicht aus diskreten NaCl-Molekülen, sondern bildet im festen Zustand ein Kristallgitter aus Na+und Cl/-Ionen. Organische Verbindungen existieren dagegen meist als Moleküle, in denen Elektronenpaare zwischen den Atomkernen die chemische Bindung bewirken wie im Wasserstoff-Molekül, in dem ein Elektronenpaar die Wasserstoff-Atome zusammenhält: Elektronenpaar- oder kovalente Bindung H H zwei H-Atome

1.4.2

H H H:H ein H2-Molekül

Überlappung von Atomorbitalen

Unter Zuhilfenahme der Orbitalmodelle entsteht eine kovalente Bindung durch Überlappung von Atomorbitalen. Kommen z. B. zwei Wasserstoff-Atome zusammen, so überlappen sich ihre einfach besetzten 1s-Atomorbitale zu einem doppelt besetzten u-Molekülorbital, welches im H2Molekül beide H-Kerne umschließt (Abb. 1.4). Die Überlappung zweier s-Atomorbitale zu einem

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1 Chemische Bindung in organischen Molekülen

u-Molekülorbital führt zu einem Energiegewinn. Das H2-Molekül hat eine kleinere potentielle Energie als zwei Wasserstoff-Atome, es ist stabiler.

(a)

H

(b)

H

74 pm

Abb. 1.4. Molekülorbital des Wasserstoff-Moleküls H2 , (a) Umriß, (b) Querschnitt

Mathematisch ist die Orbital-Überlappung eine Addition und Subtraktion (Linearkombination) der den überlappenden Atomorbitalen zugehörigen Wellenfunktionen {1 und {2: { = N ({1 + {2)

{* = N ({1 / {2) .

N ist ein Normierungsfaktor. Als Lösung erhält man zwei Molekülorbitale, das bindende energieärmere u-Orbital und das antibindende energiereichere u*-Orbital (Abb 1.5). Epot

Eu*

H

H

1s

1s Eu

H

H

u* : antibindend

H

H

u : bindend

Abb. 1.5. Überlappung der 1s-Orbitale des Wasserstoff-Atoms

Da {2 ein Maß für die Elektronendichte-Verteilung um den Atomkern ist, gilt für das bindende Molekülorbital mit der Wellenfunktion {" {2 = [N ({1 + {2)] 2 = N2 ({12 + {22 + 2{1{2)

und für das antibindende {*2 = [N ({1 / {2)] 2 = N2 ({12 - {2 2 / 2{1{2) . Die Elektronendichte im bindenden Molekülorbital ist demnach um 2{1{2 größer als die Summen der atomaren Dichteverteilungen, {12 + {22. Dieser Zusatzterm 2{1{2 ist maximal, wo {1 und {2 selbst am größten sind, d. h. wo die Atomorbitale überlappen, nämlich zwischen den Kernen im Zentrum der Bindung. Dort ist die Elektronenwolke am dichtetsten und überkompensiert die elektrostatische Abstoßung der Kerne. Insgesamt führt die Elektronendichte-Verteilung im u-Molekülorbital zu dem Energiegwinn, auf der die Stabilität des H2-Moleküls relativ zum H-Atom beruht. Im Grundzustand des H2-Moleküls besetzen die beiden Bindungselektronen das bindende u-Molekülorbital. Eine Hebung dieser Elektronen auf das antibindende u*-Molekülorbital ist nur durch

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1.4 Molekülorbitale und kovalente Bindung

7

Zufuhr eines entsprechend großen Energiequantums (Eu,"/"Eu), z. B. in Form von RÖNTGENStrahlen möglich. Man spricht dann von einer uu*-Anregung, die eine Spaltung des H2-Moleküls in Atome (H . ) oder Ionen (H+ , H/) auslösen kann.

1.4.3

- und -Molekülorbitale

Bei den Atomen der ersten beiden Perioden (1H bis 19F) können sich nur 1s-, 2s- und 2pAtomorbitale zu Molekülorbitalen überlappen. Je nach Art der Überlappung und der Ausgangsorbitale unterscheidet man zweierlei Molekülorbitale, nämlich u- und r-Orbitale. u-Molekülorbitale entstehen nicht nur durch Überlappung von s-, sondern auch durch Endüberlappung von p-Orbitalen. Überlappen z. B. zwei s-Orbitale, so entsteht eine u-Bindung, wie sie für das H2-Molekül beschrieben wurde (Abb. 1.4). Beim Fluor stehen 2s- und 2p-Orbitale zur Verfügung. Die s-Orbitale sind aber im Grundzustand doppelt besetzt, und die p-Orbitale haben infolge ihrer größerer Reichweiten (Abb. 1.2 e) bessere Überlappungschancen als die s-Orbitale. Infolgedessen entsteht die u-Bindung im Fluor durch Endüberlappung der 2p-Orbitale (Abb.1.6 a, pp-Endüberlappung), und im Fluorwasserstoff durch Endüberlappung des 2p-Orbitals von F mit dem 1s-Orbital von H (Abb. 1.6 b, ps-Überlappung). r-Molekülorbitale resultieren aus der seitlichen Überlappung koaxialer p-Orbitale (Abb 1.7). Doppel- und Dreifachbindungen werden durch die Bildung von r- zusätzlich zu u-Orbitalen erklärt; sie enthalten außer einer u-Bindung noch eine bzw. zwei r-Bindungen. Elektronen, die rOrbitale besetzen, nennt man r-Elektronen.

(a) F

F

F

F (b)

F

H

F

H

Abb. 1.6. Überlappung von Atomorbitalen zu u-Molekülorbitalen in (a) Fluor F2 (pp-Überlappung) und (b) Fluorwasserstoff HF (ps-Überlappung)

z

y

z

x

y

z

x

y

x

Abb. 1.7. Entstehung eines r-Molekülorbitals durch seitliche Überlappung koaxialer p-Orbitale

Allgemein können nur einfach besetzte Atomorbitale zu Bindungsorbitalen überlappen. Doppelt besetzte Atomorbitale sind nicht bindend (n-Orbitale).

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1 Chemische Bindung in organischen Molekülen

1.5 Bindungsdaten Die Theorie der chemischen Bindung, wie sie vorstehend und im folgenden skizziert wird, ist eine Modellvorstellung zur Erklärung experimenteller Tatbestände. Jede kovalente Bindung zwischen Atomen in einem Molekül ist z. B. durch eine Bindungslänge (Atomabstand), eine Bindungsenergie und einen bestimmten Bindungswinkel relativ zu einer anderen Bindung gekennzeichnet. Diese Bindungsdaten sind meßbare Größen, welche der Entwicklung von Bindungsmodellen zugrunde liegen. Die Bindungslänge ist der Abstand zwischen zwei gebundenen Atomkernen. Sie wird durch Elektronen- und Neutronenbeugung sowie andere physikalische Meßmethoden bestimmt und in Nanometer nm (1nm = 10/9 m) oder Picometer pm (1pm = 10/12 m) gemessen. Im H2-Molekül ist der HH-Kernabstand z. B. 0.074 nm oder 74 pm. Da eine Verbindung meist energieärmer, also stabiler ist als ihre atomaren Komponenten, erfordert die Spaltung einer Bindung meist einen bestimmten Betrag an Energie. Dieser Energiebetrag wird als Bindungs- oder Dissoziationsenergie des Moleküls bezeichnet und in kJ/mol gemessen. Bindungsenergien werden mit Hilfe spektroskopischer Verfahren oder aus thermodynamischen Daten (Verbrennungs- oder andere Reaktionswärmen) bestimmt. Sie sind Maßzahlen für die Stärke einer Bindung. So erfordert die Spaltung des H2-Moleküls mehr Energie (436 kJ/mol) als die F2-Dissoziation (155 kJ/mol). Man schließt daraus, daß die HH-Bindung stärker ist. Enthält ein Molekül drei oder mehr Atome, so werden zwei oder mehr Einfach- bzw. Mehrfachbindungen zwischen diesen Atomen notwendig. Zwei Bindungen, die in diesem Fall von einem Atom ausgehen, bilden einen bestimmten Bindungswinkel (0 – 180°). Bindungswinkel können aus Mikrowellenspektren bestimmt werden. Im H2O-Molekül bilden die beiden OH-Bindungen z. B. einen Bindungswinkel von 105°. Daraus folgt u. a., daß die OH-Bindungen nicht durch Überlappung zweier p-Orbitale des Sauerstoff- mit den s-Orbitalen des Wasserstoff-Atoms entstehen, da dies zu einem Bindungswinkel von 90° führen würde (Abschn. 1.9).

1.6 Hybridisierung der Atomorbitale des Kohlenstoffs Im Grundzustand ist die Elektronenkonfiguration des C-Atoms 1s2 2s2 2p2 (Tab. 1.1). Demnach könnten nur die beiden einfach besetzten 2p-Orbitale des Kohlenstoffs mit den Atomorbitalen zweier anderer Atome überlappen. Kohlenstoff wäre zweibindig; der einfachste Kohlenwasserstoff hätte die Summenformel CH2. Dabei würden die beiden CH-Bindungen einen Winkel von 90° einschließen, da die Achsen der p-Orbitale senkrecht aufeinander stehen (Abb. 1.2). Kohlenstoff ist jedoch vierbindig, und der einfachste stabile Kohlenwasserstoff, das Methan, hat die Summenformel CH4. Spektroskopische Messungen zeigen, daß die vier CH-Bindungen des Methans äquivalent sind und sich nach den Ecken eines regelmäßigen Tetraeders ausrichten (Abb. 1.8); alle CH-Atomabstände sind gleich (109 pm); alle CH-Bindungen schließen paarweise einen Winkel von 109°28' ein. Die CH-Bindungen des Methans entstehen daher nicht durch Überlappung der Atomorbitale. Vielmehr muß der Kohlenstoff nicht zwei, sondern vier Überlappungs-, d. h. bindungsfähige Orbitale bereitstellen. Man könnte daher zunächst annehmen, daß im Bindungszustand des C-Atoms ein 2s-Elektron in einen 2p-Zustand gehoben ("promoviert") wird (Abb. 1.9 a).

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1.6 Hybridisierung der Atomorbitale des Kohlenstoffs

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Abb. 1.8. Tetraedrische Geometrie des Methan-Moleküls (Stab-, Kugel-Stab- und Kalottenmodell)

Epot sp3-Hybridisierung

Promotion

a 2s2

2px1

2py1

2pz0

b 2s1

2px1

2py1

2pz1

sp3

sp3

sp3

sp3

3

Abb. 1.9. Promotion eines 2s-Elektrons in ein 2p-Orbital (a) und sp -Hybridisierung (b)

Nun könnte das C-Atom zwar vier u-Bindungen bilden, aber diese Bindungen wären nicht gleichwertig, denn drei davon würden einen Winkel von 90° einschließen, was wiederum den experimentellen Tatsachen (Abb. 1.8) widerspricht: Der HCH-Bindungswinkel ist 109°28'. Um diese Unstimmigkeit zwischen Orbitaltheorie und experimentellen Daten zu beseitigen, wurde die Orbitalhybridisierung (PAULING, SLATER) als weiterführende Modellvorstellung entwickelt. Unter Orbitalhybridisierung versteht man die Linearkombination von Wellenfunktionen verschiedener Form, z. B. von s- und p-Funktionen. Anschaulich ist die Hybridisierung eine Kreuzung der Atomorbitale mit symmetrischer Ladungsverteilung zu Hybridorbitalen. Diese Hybridorbitale haben andere Umrisse als die ursprünglichen Atomorbitale. Bei der Hybridisierung von s- und pOrbitalen können sp-, sp2- und sp3-Hybridorbitale entstehen, je nachdem, ob sich ein p-Orbital, zwei oder alle drei p-Orbitale an der Hybridisierung beteiligen. Zwei sp-Hybridorbitale (Abb. 1.10) entstehen durch Kreuzung eines s- und eines p-Orbitals. Die beiden Hybridorbitale haben aufgrund ihrer Herkunft 50 % s- und 50 % p-Charakter; sie erstrekken sich / wie die ursprünglichen p-Orbitale / entlang einer Achse. Senkrecht auf dieser Achse stehen nach wie vor die beiden nicht an der Hybridisierung beteiligten p-Orbitale.

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1 Chemische Bindung in organischen Molekülen

(a)

(b)

(c)

Abb. 1.10. sp-Hybridorbitale, (a) hybridisierende s- und p-Atomorbitale, (b) Umrisse der beiden entstehenden sp-Hybridorbitale entlang der x-Achse, (c) verbleibende unhybridisierte p-Orbitale, py und pz

Die Kombination eines s-Orbitals mit zwei p-Orbitalen führt zu drei sp2-Hybridorbitalen (Abb. 1.11). Ein sp2-Hybridorbital hat aufgrund seiner Herkunft 33.3 % s- und 66.7 % p-Charakter. Die drei sp2-Hybridorbitale liegen auf einer Ebene (Koplanarität); ihre Achsen schließen Winkel von 120° ein und bilden die Höhen eines gleichseitigen Dreiecks (Abb. 1.11). Senkrecht auf dessen Ebene steht das an der Hybridisierung unbeteiligte p-Orbital (Abb 1.11).

(a) 2

(b)

(c) 2

Abb. 1.11. sp -Hybridorbitale, (a) hybridisierende Atomorbitale, s, px, py , (b) Umrisse der entstehenden sp 2 Hybridorbitale auf der xy-Ebene, (c) verbleibendes unhybridisiertes pz-Orbital senkrecht zur Ebene der sp Hybridorbitale

Beteiligen sich alle drei p-Orbitale an der Hybridisierung, so entstehen vier energiegleiche sp3Hybridorbitale (Abb. 1.9 b) mit jeweils 25 % s- und 75 % p-Charakter. Die vier sp3-Hybridorbitale erstrecken sich zu den Ecken eines regelmäßigen Tetraeders, wobei sie paarweise einen Winkel von 109°28' einschließen (Abb. 1.12). Tab. 1.2 vergleicht die Eigenschaften der sp-, sp2- und sp3-Hybridorbitale. Man sieht, daß die Hybridorbitale eine größere räumliche Reichweite haben als die s- und p-Atomorbitale, und daß die Reichweite mit zunehmendem p-Charakter wächst. Insofern bieten spx-Hybridorbitale (x = 1,2,3) bessere Überlappungsmöglichkeiten als s- und p-Atomorbitale.

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1.7 Kovalente Bindung in einfachen organischen Molekülen

11

(a)

(b)

3

3

Abb. 1.12. sp -Hybridorbitale, (a) Darstellung im x,y,z-Koordinatensystem, (b) Umriß eines sp -Hybridorbitals

x

Tab. 1.2. Eigenschaften von sp -Hybridorbitalen hybridisierende Orbitale

Hybridorbitale

Geometrie

Interorbitalwinkel

Charakter %s %p 50

1s

1p

2 sp

linear

180°

50

1s

2p

3 sp2

eben, trigonal

120°

33.3 66.7

1s

3p

4 sp3

tetraedrisch

109.5°

25

75

restliche p-Orbitale

relativer Radius (Bezug: s = 1, p = 1.732)

2

1.93

1

1.99

0

2.00

1.7 Kovalente Bindung in einfachen organischen Molekülen Postuliert man, daß das Kohlenstoff-Atom Hybridorbitale zur Bildung von u-Bindungen bereitstellt, so wird die experimentell gefundene Geometrie einfacher organischer Moleküle zwanglos erklärt. Dies soll im folgenden an den Kohlenwasserstoffen Methan, Ethan, Ethen und Ethin gezeigt werden.

1.7.1

CH-Bindungen des Methans

Die tetraedrische Geometrie des Methans (CH4, Abb. 1.8) wird erklärt, indem die vier sp3-Hybridorbitale des Kohlenstoff-Atoms mit vier 1s-Orbitalen des Wasserstoff-Atoms überlappen (Abb. 1.13). Diese Überlappung führt zu vier tetraedrisch angeordneten u-Molekülorbitalen (u-MO's).

Abb. 1.13. Entstehung der u-Bindungen (u-Molekülorbitale) des Methans

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1.7.2

1 Chemische Bindung in organischen Molekülen

CC-Einfachbindung

Zu den Besonderheiten des Kohlenstoff-Atoms gehört seine Fähigkeit, auch seinesgleichen zu binden, d. h. CC-Bindungen zu knüpfen. Ethan (H3C/CH3) ist der einfachste Kohlenwasserstoff mit einer CC-Einfachbindung. Auch in diesem Molekül sind alle von den C-Atomen ausgehenden Bindungen tetraedrisch, wie die Molekülmodelle zeigen (Abb. 1.14). Das ergibt sich aus gleichen HCH- und HCC-Bindungswinkeln von 109.5° (Abb. 1.15). Die CH-Bindungen resultieren dann wie beim Methan aus der sp3-s-Überlappung der beteiligten Kohlenstoff- und Wasserstoff-Atome. Die CC-u-Bindung entsteht dagegen durch Überlappung zweier, den bindenden C-Atomen zugehörigen sp3-Hybridorbitale, d. h. es bildet sich ein sp3-sp3u-Molekülorbital. Da die sp3-Hybridorbitale des Kohlenstoffs weiter reichen als die 1s-Orbitale des Wasserstoffs, sind CC-u-Bindungen länger (154 pm) als CH-u-Bindungen (109 nm, Abb 1.15).

Abb. 1.14. Stab-, Kugel-Stab- und Kalotten-Modell des Ethans

H

H 109.5° C

154 pm

H

H

109.5°

C

H

109 pm

H H Bindungslängen, Bindungswinkel

H

H H sp3 sp3 C C sp3 u u s H H

überlappende Orbitale, u-Bindungen

Abb. 1.15. Bindungslängen (Atomabstände), Bindungswinkel und u-Bindungen des Ethans

1.7.3

CC-Doppelbindung

Ethen (Ethylen, H2C=CH2 ) ist der einfachste Kohlenwasserstoff mit einer CC-Doppelbindung, ein ebenes Molekül mit HCH- und HCC-Bindungswinkeln von rund 120°, wie die Molekülmodelle in Abb. 1.16 zeigen.

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1.7 Kovalente Bindung in einfachen organischen Molekülen

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Abb. 1.16. Stab-, Kugel-Stab- und Kalotten-Modell des Ethens

Die Kohlenstoff-Hybridorbitale, welche die Geometrie des Ethens erklären, müssen demnach koplanar sein und einen Interorbitalwinkel von 120° einschließen. Die sp2-Hybridorbitale des Kohlenstoffs erfüllen diese Voraussetzungen. Sie bilden die fünf u-Bindungen des Ethens (Abb. 1.17): Zwei von den bindenden C-Atomen ausgehende sp2-Hybridorbitale überlappen zur CC-uBindung des Ethens und bilden ein sp2-sp2-u-Molekülorbital. Die vier an beiden C-Atomen verbleibenden sp2- Hybridorbitale überlappen mit den 1s-Orbitalen von vier Wasserstoff-Atomen zu den vier CH-u-Bindungen. Liegen alle fünf u-Bindungen auf einer Ebene (Abb. 1.17 a), so ist zusätzlich eine optimale seitliche Überlappung der nicht hybridisierten 2p-Orbitale beider CAtome möglich (Abb. 1.17 b). Diese Überlappung führt zu einer r-Bindung (Abb. 1.17 c), wobei sich die r-Elektronenwolke über und unter der Molekülebene verteilt. r

H

134 pm

(a) 117.5° C

H

121°

C

H

109 pm H

(b)

H H

C

C

H H

H

(c)

C

u

H

C

H H

r

Abb. 1.17. Ethen-Molekül (a) Geometrie, u-Bindungsebene (b) überlappende p-Orbitale senkrecht zur Ebene der u-Bindungen (c) resultierendes r-Molekülorbital

Die CC-Doppelbindung besteht demnach aus einer CC-u-Bindung (sp2/sp2-Überlappung, sp2/sp2u-MO) und einer CC-r-Bindung (seitliche p/p-Überlappung, p/p-r-MO). Sie ist kürzer (134 pm) als die CC-Einfachbindung (154 pm). Auch dies leuchtet ein, da sp2-Orbitale nicht ganz so weit wie sp3-Orbitale reichen (Tab. 1.2), und die zur r-Bindung notwendige seitliche Überlappung von p-Orbitalen nur möglich ist, wenn die bindenden C-Atome genügend dicht zusammenrücken.

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1 Chemische Bindung in organischen Molekülen

Durch die hohe Elektronendichte zwischen den beiden C-Atomen werden die CH-u-Molekülorbitale etwas abgestoßen, was den HCH-Bindungswinkel geringfügig komprimiert.

1.7.4

CC-Dreifachbindung

Ethin (Acetylen, H/C»C/H), der einfachste Kohlenwasserstoff mit einer CC-Dreifachbindung, ist ein stabförmiges (lineares) Molekül mit dem HCC-Bindungswinkel 180° (Abb 1.18).

Abb. 1.18. Stab-, Kugel-Stab- und Kalotten-Modell des Ethins

Die lineare Molekülgeometrie wird erklärt, indem die bindenden C-Atome sp-Hybridorbitale bereitstellen, deren Endüberlappung zu einem u-Molekülorbital (sp-sp-u-MO) und damit zur CC-sBindung des Ethins führt. An jedem C-Atom bleibt dann noch ein sp-Orbital, welches mit dem Wasserstoff-1s-Orbital zum CH-u-Orbital (sp-sp-u-MO) überlappt. Die seitliche Überlappung der beiden an jedem C-Atom noch verfügbaren 2p-Orbitale (Abb. 1.19) erzeugt zwei r-Molekülorbitale (p-p-r-MO), deren r-Elektronenwolken die CC-u-Bindung oben und unten sowie vorn und hinten umschließen (Abb. 1.19). (a)

(b)

120 pm

H

C

106 pm

C

H

H

C

C

H

H

C

C

H

H

C

C

H

106 pm

erste r-Bindung

zweite r-Bindung

beide r-Bindungen

Abb. 1.19. Ethin-Molekül, (a) lineare Geometrie und Atomabstände, (b) Überlappung der p-Orbitale zu zwei rMolekülorbitalen

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1.8 Reaktive Zwischenstufen

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Eine CC-Dreifachbindung besteht also aus einer CC-u-Bindung und zwei CC-r-Bindungen, welche aus der Überlappung von zwei Paaren senkrecht aufeinander stehender 2p-Orbitale resultieren. Da die Ausdehnung von spx-Hybridorbitalen mit wachsendem s-Charakter abnimmt (sp3 > sp2 > sp), werden die CC-Atomabstände mit zunehmender Bindungsordnung (Einfach-, Doppel-, Dreifachbindung) kürzer: C/C : 154 pm 3 3 sp -sp

C»C : 120 pm sp-sp

C=C : 134 pm 2 2 sp -sp

1.8 Reaktive Zwischenstufen Organische Reaktionen werden über reaktive Zwischenstufen wie Radikale, Ionen und Carbene formuliert. Diese Zwischenstufen können meist nicht isoliert, jedoch oft mit physikalischen Methoden nachgewiesen werden.

1.8.1

Methyl-Radikal

Wird eine u-Bindung so gespalten, daß beiden Bindungspartnern je ein ungepaartes Elektron zukommt (Homolyse), so entstehen zwei Radikale als Molekülfragmente mit ungepaarten Elektronen. Die Homolyse einer CH-Bindung des Methan-Moleküls liefert z. B. ein Methyl-Radikal (.CH3) und ein Wasserstoff-Radikal (.H, H-Atom): Homolyse

H3C H

H3C

+

H

Methyl-Radikal

Der vom ungepaarten Elektron herrührende Paramagnetismus des Methyl-Radikals läßt sich nachweisen, z. B. durch Elektronenspinresonanz. Spektroskopische Messungen zeigen, daß das Methyl-Radikal eben gebaut ist, wobei die HCH-Bindungswinkel 120° betragen (Abb. 1.20 a). Diese Geometrie paßt zu einem sp2-hybridisierten C-Atom.

50%

H H

H

C

H

120°

H

C 50%

(a )

H

(b)

Abb. 1.20. Methyl-Radikal, (a) Skelett, (b) Verteilung des ungepaarten Elektrons

Die CH-Bindungen entstehen durch Überlappung der Kohlenstoff-sp2-Hybridorbitale mit je einem 1s-Orbital der drei H-Atome. Das ungepaarte Elektron besetzt dann das nicht hybridisierte 2pOrbital senkrecht zur CH3-Ebene (Abb. 1.20 b). Diese exponierte Elektronenwolke erklärt die Kurzlebigkeit (ca. 10/8s), mithin die Reaktivität des Methyl-Radikals.

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1.8.2

1 Chemische Bindung in organischen Molekülen

Methyl-Ionen

Die Heterolyse des Ethan-Moleküls führt formal zum Methyl-Kation und Methyl-Anion: Heterolyse

+

H3C CH3

H3C

Ethan

Methyl-Kation (ein Carbenium-Ion)

ICH 3 Methyl-Anion (ein Carbanion)

Abb. 1.21 skizziert zusammenfassend die Bildung radikalischer und ionischer Zwischenstufen durch formale homolytische und heterolytische Spaltungen des Methan- und Ethan-Moleküls. Das Methyl-Kation, der einfachste Vertreter der Carbenium-Ionen, ist aufgrund spektroskopischer Messungen eben. Die Molekülorbitale sind also denen des Methyl-Radikals analog (Abb. 1.20 b); jedoch bleiben die p-Orbital-Hälften über und unter der CH3-Ebene unbesetzt. Daher sind Carbenium-Ionen ausgeprägte Elektronen-Akzeptoren (Elektrophile). Nach OLAH unterscheidet man zwei Klassen von Carbokationen: In den ("klassischen") Carbenium-Ionen hat das positiv geladene C-Atom die Koordinationszahl 3 (R3C+); davon unterscheidet man "nichtklassische" Carbokationen mit fünf- oder vierfach koordiniertem positiv geladenem C (R5C+) und bezeichnet diese als Carbonium-Ionen. Methan

CH4 sp3 H /H

H

CH 3

/

/""e0

CH 3

sp2

H

sp2

p

H H

C

H

CH 3

Homolyse

+

Heterolyse

/

sp2

H

sp2

p

H H

C

/

:CH 3 Methyl-Anion (Carbanion)

Ionisierung (Reduktion)

Methyl-Radikal

sp2

/H -""e0

CH 3

Ionisierung (Oxidation)

Methyl-Kation (Carbenium-Ion)

sp2

/H

Heterolyse

CH 3

sp3

sp3

sp3

C

H

sp3

H

H Kation trigonal LEWIS-Säure (Elektrophil)

Radikal trigonal

Heterolyse

H 3C

CH 3

Anion pyramidal LEWIS-Base (Nucleophil)

Homolyse

H3C

CH3

Heterolyse

H3C

CH3

Ethan

Abb. 1.21. Formale Bildung reaktiver Zwischenstufen aus Methan und Ethan

Im Methyl-Anion, dem einfachsten Vertreter der Carbanionen, nimmt man an, daß das C-Atom zur Bindung mit den drei H-Atomen drei sp3-Hybridorbitale bereitstellt. Ein Elektronenpaar besetzt dann das vierte sp3-Hybridorbital (Abb. 1.22). Dieses nichtbindende Elektronenpaar macht das Carbanion zum Elektronendonor (Nucleophil).

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1.8 Reaktive Zwischenstufen

17

C H

H H

Abb. 1.22. Bindungsmodell des Methyl-Anions

1.8.3

Carbene

Erhitzt oder bestrahlt man Diazomethan, so entsteht als reaktive Zwischenstufe Carben, das auch als Methylen bezeichnet wird: _ H2C N NI

H 2C:

Diazomethan

Carben (Methylen)

+

N2

Dabei lassen sich zwei Arten (Abb. 1.23) nachweisen, ein energieärmeres Carben mit HCHWinkel von 136° und ungepaarten Elektronen (Triplett-Carben) sowie ein energiereicheres, reaktiveres Carben mit einem HCH-Bindungswinkel von 130° und gepaarten Elektronen (SingulettCarben). E Singulett-Carben (doppelt angeregter Zustand)

S1

Singulett-Carben (angeregter Zustand)

S0

H

p

C

H

H 130°

u

p

C

H

u

ca. 35 kJ / mol

Triplett-Carben (Grundzustand)

T1

H 136°

p

C

H

u

Abb. 1.23. Elektronenzustände des Carbens

Substituierte Carbene R2C: sind hochreaktive Zwischenstufen vieler organischer Synthesen. Aufgrund ihres Elektronensextetts am C-Atom haben sie, wie die Nitrene RN:, ein Elektronendefizit am Zentralatom. Deshalb sind sie starke Elektrophile.

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18

1 Chemische Bindung in organischen Molekülen

1.9 Bindung in Ammoniak und Wasser Auch für Stickstoff mit der Elektronenkonfiguration 1s22s22p3 und Sauerstoff (1s22s22p4) kann sp3-Hybridisierung der Atomorbitale den Bindungszustand von N und O erklären. So liegen die Bindungswinkel des Ammoniaks (107°) und Wassers (105°) (Abb. 1.24) in der Nähe der tetraedrischen sp3-Interorbitalwinkel (109°28'). NH- und OH-Bindungen in NH3 (pyramidal) und H2O (gewinkelt) resultieren demnach aus sp3-s-Überlappungen. Nichtbindende Elektronenpaare besetzen die restlichen sp3-Hybridorbitale (Abb. 1.24); in Strukturformeln werden sie als Striche oder Doppelpunkte gezeichnet.

O

96 pm

H

101 pm

N

O

105°

H

107°

H

N H

H

H

H H

(a)

H

H

(b)

Abb. 1.24. Molekülgeometrie (Atomabstände, Bindungswinkel) von Wasser (a) und Ammoniak (b)

1.10 Polarität kovalenter Bindungen 1.10.1

Elektronegativität

Sind zwei gleiche Atome durch eine kovalente Bindung verknüpft ( H/H, Cl/Cl, H3C/CH3 ), so konzentriert sich das Bindungselektronenpaar im Zentrum der Bindung beider Atome. Sind die verknüpften Atome verschieden (H/Cl, H3C/Cl), so wird die Elektronenwolke unsymmetrisch, da eines der Atome (Cl) die Bindungselektronen stärker anzieht als das andere. Man nennt das Bestreben eines Atoms, Bindungselektronen anzuziehen, Elektronegativität. Im Periodensystem nimmt die Elektronegativität von "links nach rechts" und von "unten nach oben" zu (Tab. 1.3). Die in der organischen Chemie gebräuchlichen PAULING-Elektronegativitäten (Tab. 1.3) beziehen sich auf das elektronegativste Atom Fluor, dem willkürlich der Wert 4 zugeordnet wird. Tab. 1.3. PAULING-Elektronegativitäten einiger Elemente H

2.2

Li

0.97

Na 1.0

1.10.2

C

2.5

N

3.0

O

3.5

F

4.0

Si

1.8

P

2.5

S

2.5

Cl

3.0

Br I

2.8 2.6

Dipolmomente von Molekülen

Sind zwei Atome unterschiedlicher Elektronegativität gebunden, so wird das elektronegativere die Bindungselektronen an sich ziehen. Das Chlor in Chlorwasserstoff verhält sich z. B. so. Die u-

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1.10 Polarität kovalenter Bindungen

19

Bindung in H/Cl wird dabei polar. Man formuliert dies durch eine negative Polarisierung (f/ oder f/) an Chlor und eine entsprechend positive (f+ oder f+) an Wasserstoff. f- f/ H Cl

Der Schwerpunkt der negativen Ladung liegt also nicht mehr im Zentrum der Bindung wie bei einer HH- oder CC-Verknüpfung, sondern näher beim elektronegativeren Atom. Moleküle, welche diese Eigenschaft mit HCl teilen, sind Dipole. Da sie einen negativeren und einen positiveren "Teil" haben, erfahren sie im elektrischen Feld ein als Dipolmoment bezeichnetes Drehmoment o: f- f/ H Cl

o""""= e . d [Cm]

e : Elementarladung (in elektrostatischen Einheiten, 1.6 x 10/19 C ; C: Coulomb) d : Abstand zwischen den Atomen unterschiedlicher Elektronegativität (in m)

Dieses bei kleineren Molekülen mit Hilfe der Mikrowellenspektroskopie meßbare und meist in Debye-Einheiten (1D = 3.33x10/30 Cm) angegebene Dipolmoment o ist ein vom positiven zum negativen Bindungsende gerichteter Vektor. Dipole von Molekülen richten sich im elektrischen Feld von Kondensatoren aus. Somit können Dipolmomente auch größerer organischer Moleküle über Kapazitätsänderungen eines Kondensators gemessen werden. Enthält ein Molekül drei oder mehr Atome unterschiedlicher Elektronegativität, so ist das resultierende Dipolmoment die Vektorsumme aller Bindungsmomente, wie Abb. 1.25 am Beispiel des Wassers zeigt. o4 o o3 H

f+

O

o3 o4

f/"/ H f+

Abb. 1.25. Dipolmoment-Komponenten und resultierendes Dipolmoment des Wassers (o = 1.86 Debye)

1.10.3

Polarität von Verbindungen

Mit dem Elektronegativitätsunterschied zwischen zwei gebundenen Atomen wächst die Polarität der Bindung. Im Wasserstoff-Molekül (H2) und den Halogen-Molekülen (X2) verdichten sich die Bindungselektronen im Zentrum der Bindung; solche Verbindungen sind unpolar. Die Halogenwasserstoffe (HX) sind dagegen aufgrund des Elektronegativitätsunterschieds von H und X und des daraus resultierenden Dipolmoments polare Moleküle. Unterscheiden sich die Elektronegativitäten zu stark, so bilden sich keine kovalenten Bindungen mehr, sondern Ionen mit EdelgasElektronenkonfiguration, z. B. im Natriumchlorid (Na+Cl/). Die Elementargasmoleküle Wasserstoff (H2) und Chlor (Cl2), die Halogenwasserstoffe (HX) sowie die Alkalimetallhalogenide (Na+X/) sind also typische Vertreter unpolarer, polarer und ionischer Verbindungen. H H Cl Cl kovalent, unpolar

f- f/ H Cl kovalent, polar

+

/

Na Cl ionisch

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20

1 Chemische Bindung in organischen Molekülen

1.11 Interionische und intermolekulare Wechselwirkungen Je nach Temperatur und Druck kann jede Verbindung fest, flüssig oder gasförmig vorkommen. In allen drei Aggregatzuständen hängt die Art der Wechselwirkung zwischen den Teilchen von der Natur der chemischen Bindung ab.

1.11.1

Interionische Wechselwirkung

In ionischen Verbindungen ziehen sich entgegengesetzte geladene Ionen an, und gleich geladene Ionen stoßen sich ab. Diese auf der COULOMB-Kraft K zwischen den Ionenladungen e1 und e2 im Abstand r K =

1 . e1 e2

g

r2

beruhende elektrostatische Anziehung und Abstoßung nennt man interionische Wechselwirkung. Die Stärke der interionischen Wechselwirkung hängt, wie die Gleichung zeigt, von der Dielektrizitätskonstanten (DK) g des Mediums ab, in dem sich die Ionen befinden. Eine hohe DK schwächt die interionische Wechselwirkung.

1.11.2

Dipol-Dipol-Wechselwirkung und Wasserstoffbrücken

Bei polaren Molekülen beruht die Wechselwirkung hauptsächlich auf der elektrostatischen Anziehung und Abstoßung entgegengesetzt bzw. gleich geladener Molekülteile. Stäbchenförmige Dipolmoleküle werden sich z. B. bevorzugt so anordnen, daß positive und negative Molekülenden abwechseln (Abb. 1.26). Dies ist ein einfacher Fall der Dipol-Dipol-Wechselwirkung. f/

f-

f-

f/

f/

f-

f-

f/

Abb. 1.26. Wechselwirkung stabförmiger Dipol-Moleküle

O

H

O H

H

H _ O _ f+ H H f/ H O H

Abb. 1.27. Wasserstoffbrücken-Assoziation des Wassers

Viele Dipolmoleküle wie Fluorwasserstoff, Wasser und Ammoniak (HF, H2O, H3N) enthalten ein Wasserstoff-Atom, das an ein elektronegatives Atom (F, O, N) mit nichtbindenden Elektronenpaaren gebunden ist. Das dadurch positiv polarisierte Wasserstoff-Atom kann dann mit den nichtbindenden Elektronenpaaren benachbarter Moleküle wechselwirken, wie Abb. 1.27 am Beispiel des

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1.11 Interionische und intermolekulare Wechselwirkungen

21

Wassers skizziert. Man nennt diese starke Dipol-Dipol-Wechselwirkung WasserstoffbrückenBindung oder Wasserstoffbrücken-Assoziation, da viele Moleküle auf diese Weise zu "Molekülklumpen" assoziieren können. Diese sog. Cluster weisen aufgrund der räumlich gerichteten HBrücken-Bindungen einen hohen Ordnungsgrad in größeren Bezirken auf.

1.11.3

Ionen-Dipol-Wechselwirkung

Löst man eine ionische Verbindung in einem Lösemittel, dessen Moleküle Dipole sind, z. B. in Wasser, so bilden sich durch Wechselwirkung zwischen Ion und Lösemittel-Dipolen hydratisierte Ionen. So umhüllen in wäßriger Lösung von Natrium-Salzen sechs Wasser-Moleküle das NatriumKation oktaedrisch (Koordinationszahl 6) durch Ionen-Dipol-Wechselwirkung (Abb. 1.28). H H

O

H H O f+ H H f/

O Na

H H O H H

O

O H H

Abb. 1.28. Solvatation: Hydratation eines Natrium-Ions durch Ionen-Dipol-Wechselwirkung

Diese Hydratation durch Wasser, allgemein die Solvatation durch Lösemittel, beruht auf der Schwächung der interionischen Wechselwirkung durch die hohe Dielektrizitätskonstante polarer Lösemittel. Bei gelösten ionischen Verbindungen ist also neben der interionischen Wechselwirkung auch die Solvatation im Spiel. Die Lösemittelmoleküle werden dabei umso stärker gebunden, je kleiner das Ion und je höher dessen Ladung ist.

1.11.4

VAN-DER-WAALS-Wechselwirkung

Die mit der Molekülgröße zunehmende Anziehung und Abstoßung zwischen unpolaren Molekülen wird als VAN-DER-WAALS-Wechselwirkung bezeichnet. Diese rein zwischenmolekularen Kräfte rühren daher, daß ein unpolares Molekül ein momentaner Dipol ist, da die Elektronen des Moleküls ständig in Bewegung sind, so daß innerhalb eines Augenblicks die Elektronenverteilung unsymmetrisch sein kann. Der resultierende kurzlebige Dipol induziert in einem Nachbarmolekül für einen Augenblick ein Dipolmoment. Beide Dipole können dann wechselwirken wie es Abb. 1.26 skizziert. Die Reichweite der Wechselwirkung liegt bei r = 0.3 - 0.6 nm; ihre Stärke nimmt proportional zu r/6 ab. Die Stärke der Wechselwirkung nimmt mit wachsender Polarität der Verbindungen zu, ist daher für ionische Verbindungen am größten. Unter den zwischenmolekularen Kräften sind Wasserstoffbrücken dabei stärker als Dipol-Dipol-, aber schwächer als Ionen-Dipol-Wechselwirkungen. VAN-DER-WAALS-Wechselwirkungen sind am schwächsten.

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22

1 Chemische Bindung in organischen Molekülen

1.12 Physikalische Eigenschaften, Acidität und Basizität 1.12.1

Kristallgitter

Man unterscheidet amorphe von kristallinen Verbindungen. Amorph nennt man eine Verbindung, wenn ihre Teilchen im festen Zustand ohne erkennbare Regelmäßigkeit angeordnet sind. In einer kristallinen Verbindung ordnen sich die Ionen oder Moleküle dagegen regelmäßig zu einem Ionen- bzw. Molekülgitter an. Während Ionengitter durch starke COULOMB-Kräfte zusammengehalten werden, wirken in Molekülgittern die weitaus schwächeren Dipol-Dipol- und VAN-DERWAALS-Kräfte. Auf diesen Unterschieden beruhen z. B. die sehr viel höheren Schmelzpunkte ionischer im Vergleich zu kovalenten Verbindungen.

1.12.2

Schmelzpunkt, Siedepunkt, Löslichkeit

Die am einfachsten meßbaren thermodynamischen Eigenschaften einer Verbindung sind Schmelzpunkt, Siedepunkt und Löslichkeit. Der Schmelzpunkt ist die für jede Verbindung charakteristische Temperatur, bei welcher sich feste und flüssige Phase im Gleichgewicht befinden. Bei dieser Temperatur kompensiert die thermische Energie der Teilchen die vom Bindungstyp abhängigen Gitterkräfte. Je größer diese Kräfte sind, desto mehr Energie wird zu ihrer Überwindung notwendig sein. Insofern reflektiert die Höhe des Schmelzpunkts die Stärke der Gitterkräfte. Ionische Verbindungen werden daher sehr hohe Schmelzpunkte aufweisen (Kochsalz, Na+Cl/ : 801 °C), polare kovalente erheblich tiefere (Wasser, H2O : 0 °C), und wenn im festen Zustand einer unpolaren Verbindung nur noch VAN-DERWAALS-Kräfte das Gitter zusammenhalten, so wird man einen sehr tiefen Schmelzpunkt messen (Methan, CH4 : /183 °C). Auch der Siedepunkt charakterisiert jede Verbindung. Er ist die Temperatur, bei welcher flüssige und gasförmige Phase im Gleichgewicht sind. Dabei werden die im flüssigen Zustand noch wirkenden Kohäsivkräfte (Wasserstoffbrücken, Dipol-Dipol- und VAN-DER-WAALS-, bei ionischen Verbindungen COULOMB-Kräfte) von der thermischen Energie kompensiert. Deshalb hängt auch der Siedepunkt von der Stärke der Wechselwirkung ab. Ionische Verbindungen haben wieder die mit Abstand höchsten Siedepunkte (Kochsalz: 1465 °C). Polare kovalente Verbindungen zeigen deutlich tiefere Siedpunkte, wobei Wasserstoffbrücken-Bildner wiederum höher sieden (Wasser: 100 °C) als Verbindungen, deren Moleküle nur Dipol-Dipol-Wechselwirkungen eingehen können (Diethylether: 36.5 °C). Am tiefsten sieden unpolare Verbindungen (Methan: /161.5 °C). Da die Siedepunkte exponentiell mit sinkendem Druck fallen, sollten sie nur unter Nennung des herrschenden Drucks angegeben werden. Die erwähnten Siedepunkte wurden z. B. bei Normaldruck (760 Torr = 1.013 bar) gemessen. Während Schmelz- und Siedepunkte Gitter- und Kohäsivkräfte reflektieren, hat die Angabe der Löslichkeit einer Verbindung in einem bestimmten Lösemittel auch praktische Bedeutung, spielen sich doch die meisten Reaktionen der organischen Chemie in Lösung ab. Man muß also vor Ansetzen einer Reaktion wissen, in welchem Lösemittel sich eine Ausgangsverbindung löst und wie gut. Die Löslichkeit einer Verbindung in einem Lösemittel (Wasser, Ethanol) wird in g/100 mL angegeben. Da die Löslichkeit meist stark temperatur-, aber auch leicht druckabhängig ist, muß man die Löslichkeitsangabe auf eine bestimmte Temperatur und einen bestimmten Druck beziehen (meist 20 °C und Normaldruck, 1.013 Bar). Eine Verbindung löst sich in einer anderen umso besser, je ähnlicher die Wechselwirkung in beiden Verbindungen ist. So wird sich ein unpolarer

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1.12 Physikalische Eigenschaften, Acidität und Basizität

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Kohlenwasserstoff gut in Tetrachlormethan oder Benzin lösen, aber nicht in Wasser. Dagegen ist Wasser ein gutes Lösemittel für organische Verbindungen, die selbst auch Wasserstoffbrücken bilden können wie z. B. Alkohole. Und für ionische Verbindungen ist Wasser das beste Lösemittel, da es interionische Wechselwirkungen schwächt und die Ionen hydratisiert (Abschn. 1.11.3).

1.12.3

Säuren und Basen, Elektrophile und Nucleophile

Sowohl in der anorganischen als auch in der organischen Chemie gibt es chemische Vorgänge, die man als Säure-Base-Reaktionen einstufen kann. Bekanntlich erzeugen Säuren H3O+-Ionen und Basen OH/-Ionen, wenn man sie in Wasser löst: Säure : Base :

+

H2O

H 3O

+

Cl

NH3 +

H 2O

H 4N

+

OH

HCl

Säure-Base-Reaktionen verlaufen aber auch in nicht wäßrigen Medien. LOVRY und BRÖNSTEDT definierten daher eine Säure als Protonendonor und eine Base als Protonenakzeptor. Chlorwasserstoff ist als Protonendonor an sich schon eine Säure, und Ammoniak ist als Protonenakzeptor an sich schon eine Base. Beide reagieren bekanntlich auch ohne Wasser zu Ammoniumchlorid: HCl

+

Protonen-Donor Säure

NH3 Protonenakzeptor Base

H 4N

+

Cl

Ammoniumchlorid Salz

Die umfassendste Definition stammt von LEWIS. Demnach ist jede Verbindung, die ein vakantes Orbital hat und daher ein Elektronenpaar akzeptieren kann, eine Säure (LEWIS-Säure). Jede Verbindung, die indessen über doppelt besetzte Orbitale verfügt und insofern ein Elektronenpaardonor ist, wird als Base (LEWIS-Base) definiert. Protonen und Carbenium-Ionen sind also LEWISSäuren; Wasser, Ammoniak und Carbanionen sind dagegen LEWIS-Basen und reagieren dementsprechend mit LEWIS-Säuren. H

+

_ 2 IOH

_ H 3O

H

+

INH3

H 4N

+

ICH3 LEWIS-Base Nucleophil

H3C LEWIS-Säure Elektrophil

H3C CH3

Einige Moleküle können sich je nach Reaktionspartner als LEWIS-Säure und als LEWIS-Base verhalten. Wasser ist ein Beispiel: + H2S

H2O

+ NH3

H 3O

+

SH

(H2O als LEWIS-Base)

H 4N

+

OH

(H2O als LEWIS-Säure)

Aufgrund ihrer vakanten Orbitale greifen LEWIS-Säuren an den Elektronenpaaren von LEWISBasen an. Man bezeichnet LEWIS-Säuren daher auch als elektrophil (Elektrophile), während LEWIS-Basen Reaktionspartner mit vakanten Orbitalen suchen und daher nucleophil (Nucleophile) sind. Demnach sind Carbenium-Ionen und Protonen elektrophile, Carbanionen, Wasser und Ammoniak dagegen nucleophile Reagenzien bzw. Zwischenstufen.

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2 Alkane

2 Alkane 2.1 Homologe Reihe, Konstitution, Nomenklatur 2.1.1

Homologe Reihe und Molekülmodelle der Alkane

Kohlenwasserstoffe enthalten nur die Elemente Kohlenstoff und Wasserstoff. Alkane sind gesättigte Kohlenwasserstoffe, in denen nur Einfachbindungen von den C-Atomen ausgehen. Aus Methan als einfachstem Vertreter leitet sich formal durch Einschub weiterer CH2-Gruppen die homologe Reihe der Alkane mit der gemeinsamen Summenformel CnH2n+2 ab (Tab. 2.1). Tab. 2.1. Homologe Reihe der Alkane CnH2n+2 , Bezeichnungen, Schmelz- und Siedepunkte (bei Normaldruck) n

CnH2n+2

Kurzschreibweise

Bezeichnung

Schmp. °C

Sdp.°C

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 20 30 40 50 60

CH4 C2H6 C3H8 C4H10 C5H12 C6H14 C7H16 C8H18 C9H20 C10H22 C11H24 C12H26 C13H28 C14H30 C15H32 C20H42 C30H62 C40H82 C50H102 C60H122

H3C/H H3C/CH3 H3C/CH2/CH3 H3C/(CH2)2/CH3 H3C/(CH2)3/CH3 H3C/(CH2)4/CH3 H3C/(CH2)5/CH3 H3C/(CH2)6/CH3 H3C/(CH2)7/CH3 H3C/(CH2)8/CH3 H3C/(CH2)9/CH3 H3C/(CH2)10/CH3 H3C/(CH2)11/CH3 H3C/(CH2)12/CH3 H3C/(CH2)13/CH3 H3C/(CH2)18/CH3 H3C/(CH2)28/CH3 H3C/(CH2)38/CH3 H3C/(CH2)48/CH3 H3C/(CH2)58/CH3

Methan Ethan Propan Butan Pentan Hexan Heptan Octan Nonan Decan Undecan Dodecan Tridecan Tetradecan Pentadecan Eicosan Triacontan Tetracontan Pentacontan Hexacontan

/183 /183 /190 /138 "/130 /95 /90 /59 /54 /30 /26 /10 /6 6 10 36 66 81

/164 /89 /42 0 36 69 98 126 151 174 196 216 230 251 268

Elementarer Baustein der Alkane ist der durch sp3-Hybridisierung des Kohlenstoff-Atoms erklärbare Bindungs-Tetraeder (Abschn. 1.7). Methan als einfachstes Alkan ist z. B. ein regelmäßiger Tetraeder mit dem C-Atom im Zentrum und den vier H-Atomen an den Ecken (Abb. 1.8). Zur Formulierung eignen sich verschiedene Darstellungen (Tab. 2.2), je nachdem, ob man auf Kürze, Übersichtlichkeit, Molekülorbitale und Elektronenkonfiguration oder auf den räumlichen Bau Wert legt.

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2.1 Homologe Reihe, Konstitution, Nomenklatur

25

Tab. 2.2. Formelschreibweisen einfacher Alkane Summenformel

komprimierte Strukturformel

Valenzstrichformel

H Methan

CH 4

H3C H

Elektronenpaarformel

H

H .. H : .. C:H H

H C H H

KeilstrichProjektion *

H H

C H H

H H Ethan

C2H 6

H3C CH3

H H .. .. H : .. C:C .. : H H H

H C C H H H

C 3H8

H3C CH2 CH3

C C

H H

H CH 3

H H H Propan

H H

H C C C H H H H

H H .. H .. .. H : .. C:C C:H .. : .. H H H

H H

C C

H H

H *

: in ,

: vor ,

: hinter der Zeichenebene

Abb. 2.1. Stab-Modell (links), Kalotten-Modell (Mitte) und Kugel-Stab-Modell (rechts) des Propans, jeweils im gleichen Maßstab

Zur Formulierung von Reaktionsgleichungen genügt meist die komprimierte Schreibweise (Tab. 2.2). Die Keilstrich-Projektion stellt die zur Formulierung einer Reaktion oft wesentliche tetraedrische Bindungsgeometrie des C-Atoms am besten dar. STUART-BRIEGLEB-Kalottenmodelle (Abb. 2.1 Mitte) machen den Umriß des Moleküls, seine räumliche Ausdehnung besonders anschaulich. Zum Studium von Atomabständen und Bindungswinkeln eignen sich zusammenensteckbare DREIDING-Tetraeder-, Stab- oder Kugel-Stab-Modelle (Abb. 2.1). Diese Modelle lassen sich mit PC-Programmen durch „molecular modelling“ konstruieren (Abb. 1.8, 1.14, 2.1 und 2.2).

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2.1.2

2 Alkane

Konstitutionsisomerie

Kohlenstoff-Ketten bauen das Gerüst der Alkane auf; diese Ketten können verzweigt oder unverzweigt sein. Bereits am Alkan der Summenformel C4H10 läßt sich dies zeigen: Butan besitzt eine unverzweigte Kohlenstoff-Kette und gehört zur homologen Reihe der n-Alkane (Tab. 2.1, Abb. 2.2). Isobutan (oder Methylpropan) mit derselben Summenformel hat eine verzweigte Kohlenstoff-Kette und gehört zu den verzweigten Alkanen (Abb. 2.2). n-Butan und Methylpropan (Isobutan) sind Konstitutionsisomere; Konstitutionsisomere besitzen dieselbe Summenformel, unterscheiden sich jedoch durch ihre Atomverknüpfung (verzweigt oder unverzweigt), die Konstitution. n-Butan ist ein langgestrecktes, Methylpropan ein kompaktes Molekül (Abb. 2.2). CH3

H H H H n-Butan

H C C C C H

H 3C CH2 CH 2 CH3

H H H H

C4H10

H H

C C

CH3

H Methylpropan (Isobutan)

H C H H H

CH3

H C C C H

H3C CH CH 3

H H H

H H

CH 3 H3C H

C CH3

Abb. 2.2. Stab-, Kugel-Stab- und Kalotten-Modell (von links nach rechts) des Butans (oben) und seines verzweigten Konstitutionsisomers Methylpropan (unten)

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2.1 Homologe Reihe, Konstitution, Nomenklatur

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Für die Summenformel C5H12 lassen sich bereits drei Konstitutionsisomere formulieren, n-Pentan, Methylbutan (Isopentan) und Dimethylpropan (Neopentan). CH 3

C5H12

CH 3

H3C CH 2 CH2 CH2 CH 3

H 3C CH CH2 CH 3

n-Pentan

Methylbutan (Isopentan)

H 3C C CH 3 CH3 Dimethylpropan (Neopentan)

Die Anzahl möglicher Konstitutionsisomerer steigt also mit der Zahl der C-Atome. Für C10H22 gibt es 75, für C30H62 schon über vier Millionen Konstitutionsisomere. Konstitutionsisomere zeigen verschiedene physikalische Eigenschaften (Brechungsindizes, Schmelzpunkte, Siedepunkte); man kann sie aufgrund ihrer individuellen Siedepunkte durch Destillation trennen.

2.1.3

Nomenklatur

Die Nomenklatur organischer Verbindungen erfolgt nach den durch IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) festgesetzten Regeln. Tab. 2.1 enthält z. B. die IUPAC-Bezeichnungen der Alkane; ab Pentan gibt der erste Teil des Namens mit lateinischen oder griechischen Silben die Zahl der C-Atome, und die Endung "an" kennzeichnet die Zugehörigkeit zur Familie der Alkane. Zur Benennung isomerer Alkane sind oft die Präfixe n-, iso- und neo- im Gebrauch: ̈" n-Alkane besitzen eine unverzweigte (zick-zack-förmige) Anordnung ihrer C-Atome, z. B.: H 3C (CH 2)9 CH 3 n-Undecan

H3C (CH2)4 CH3 n-Hexan

̈

iso-Alkane enthalten eine Methyl-Verzweigung am Kettenende: CH3

̈"

CH 3

H3C CH CH3

H 3C CH CH2 CH 2 CH3

Isobutan

Isohexan

neo-Alkane enthalten eine doppelte Methyl-Verzweigung am Kettenende: CH 3

CH 3

H 3C C CH3

H 3C C CH2 CH2 CH 3 CH3 Neoheptan

CH3 Neopentan

Je nach Verzweigungsgrad unterscheidet man primäre (1°), sekundäre (2°) und tertiäre AlkylGruppen (3°) bzw. Kohlenstoff-Atome: CH3 H 3C CH 2

R CH2

H3C CH CH3

primäre (1°)

R CH R

sekundäre (2°) Alkyl-Gruppen

H3C C

R R C

CH 3

R

tertiäre (3°)

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2 Alkane

Formale Entfernung eines H-Atoms aus einem Alkan R/H führt zu einer Alkyl-Gruppe R/. Die Bezeichnung ergibt sich aus der des Alkans, in dem die Endung "an" durch "yl" ersetzt wird (Methyl aus Methan, Propyl aus Propan, Neopentyl aus Neopentan, Tab. 2.3). Tab. 2.3. Bezeichnung häufig auftretender Alkyl-Gruppen H3C Methyl-

H 3C CH 2 Ethyl-

H3C CH2 CH 2 Propyl-

H 3C CH 2 CH2 CH2 Butyl-

CH 3

H3C CH2 CH 2 CH 2 CH2 Pentyl-

CH3

H 3C CH Isopropyl-

CH 3

H3C CH CH 2 Isobutyl

H 3C CH CH2 CH 2 Isopentyl

H 3C CH 2 CH CH3

H3C C CH2 CH3 Neopentyl-

CH3

sec-Butyl

CH 3

CH3

H 3C CH 2 C CH 3 t-Pentyl-

H 3C C CH3 t-Butyl-

Zur Benennung substituierter Alkane nach IUPAC empfiehlt sich folgende Vorgehensweise: " ̈

Man suche die längste Kohlenstoff-Kette mit der höchsten Zahl von Substituenten. CH2 CH3 H3C CH2 CH2 CH2 CH

Die längste C-Kette hat acht C-Atome: Octan ist das Grundskelett

H3C C Br CH2 CH3

" ̈

Man beziffere die C-Atome so, daß die Substituenten kleinstmögliche Positionsziffern erhalten. 8

7

6

5

CH2 CH3

4

Das Kohlenstoff-Atom mit höchster Substituentenzahl ist C-3 (nicht C-6).

H3C CH2 CH2 CH2 CH H3C 3C Br CH2 CH3

" ̈

2

1

Man benenne die Substituenten und gebe ihre Position in der Kette durch die entsprechende Ziffer an. 8

7

6

5

CH2 CH3

4

H3C CH2 CH2 CH2 CH

3-Methyl-

3-Brom-

4-Ethyl-

H3C 3C Br CH2 CH3

" ̈"

2

1

Man bezeichne die Verbindung so, daß die Substituenten in alphabetischer Folge erscheinen. 3-Brom-4-ethyl-3-methyloctan

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2.2 Physikalische Eigenschaften

̈"

29

Zwei, drei, vier, fünf, sechs, ... identische Substituenten an der Kette werden durch die Präfixe di-, tri-, tetra-, penta-, hexa-,... gekennzeichnet. H3C Br H3C CH C CH CH(CH3) 2 Br

2,4-Dibrom-3,3,5-trimethylhexan

CH3

2.2 Physikalische Eigenschaften Alkane sind unpolare Moleküle. Ihr Zusammenhalt in der flüssigen oder festen Phase wird daher nur durch die schwachen VAN-DER-WAALS-Kräfte bewirkt. Da diese mit zunehmender Oberfläche der Moleküle ansteigen, findet man einen stetigen Anstieg der Siedepunkte um 20 - 30 °C bei Verlängerung um eine CH2-Gruppe (Tab. 2.1, Abb. 2.3). Aus demselben Grund zeigt sich ab Butan auch eine stetige Zunahme der Dichte (Abb. 2.3). Dagegen steigen die Schmelzpunkte stufenweise an (Abb. 2.3), wobei n-Alkane mit gerader Anzahl von C-Atomen jeweils höher als erwartet schmelzen. Offensichtlich bilden die "geradzahligen" n-Alkane ein dichter gepacktes Gitter mit stärkeren Gitterkräften.

[°C] 300

0.8 [g/ml]

250

Dichte ̈

200

̈

̈

Æ Æ

0.7

0.6

Æ

̈

100

Æ Æ

50

0.5 Siedepunkt

Æ

̈

0

0.4

Æ Æ

/ 50 Æ

/ 100

/ 200

̈ Æ

Æ Æ

̈

̈

Æ

̈ ̈

̈

̈

Æ

̈

150

/ 150

̈

̈

Schmelzpunkt Æ

1

2

3

4

5

6

7

8

9 10 11 12 13 14 15 Anzahl der C-Atome

Abb. 2.3. Beziehung zwischen Kettenlänge, Siedepunkt, Schmelzpunkt und Dichte der n-Alkane

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30

2 Alkane

Verzweigte Alkane bieten aufgrund ihrer im Vergleich zu n-Alkanen kompakteren Konstitution eine kleinere Oberfläche und somit schwächere VAN-DER-WAALS-Wechselwirkungen. Daher sieden verzweigte Alkane tiefer als ihre unverzweigten Isomere. Die Schmelzpunkte verhalten sich uneinheitlich. Grundsätzlich zeigen kugelförmige organische Moleküle wie Methan, Neopentan und Tetramethylbutan neben ihrer im Verhältnis zur Molmasse großen Flüchtigkeit auch sehr dicht beim Siedepunkt liegende Schmelzpunkte. Im Labor lassen sich langkettige n-Alkane (>C7) von ihren verzweigten Isomeren durch Behandeln mit Harnstoff abtrennen. Harnstoff bildet nur mit n-Alkanen kristalline Einschlußverbindungen. Dabei kristallisieren die Harnstoff-Moleküle spiralförmig um das n-Alkan, so daß die Kohlenwasserstoff-Moleküle im Kristallgitter in Röhren liegen. Aufgrund ihrer geringen Polarität lösen sich die Alkane gut in allen nicht oder schwach polaren Lösemitteln (Ether, chlorierte Kohlenwasserstoffe wie Chloroform, Benzen). In stark polaren Lösemitteln wie Wasser oder Dimethylsulfoxid sind Alkane kaum löslich, weil sich keine Solvathülle bilden kann. Da Pentan und Hexan nicht mit Wasser mischbar sind und eine wesentlich geringere Dichte besitzen, werden diese Alkane oft zur Extraktion wenig polarer Verbindungen aus wäßrigen Lösungen benutzt.

2.3 Molekülbau Im Molekülorbital-Modell entstehen die CH-Bindungen der Alkane durch Überlappung der sp3Hybrid-Orbitale des C-Atoms mit den s-Orbitalen des H-Atoms (s-sp3-u-Orbital, Abschn. 1.7.1); die CC-Einfachbindungen bilden sich durch Endüberlappung zweier von beiden Bindungspartnern ausgehenden sp3-Hybrid-Orbitale (sp3-sp3-u-Molekül-Orbital). Der sp3-Interorbitalwinkel von 109°28' erklärt die tetraedrische Bindungsgeometrie des C-Atoms in den Alkanen. Da Alkane nur CC- und CH-Bindungen enthalten, sind die Bindungswinkel und Atomabstände aller Alkane nahezu identisch. Der CH-Atomabstand ist im Methan 109 pm, in allen anderen Alkanen meist 110 pm. Die CC-Bindungslänge aller Alkane beträgt 154 pm und gleicht damit dem Abstand der C-Atome im Kristallgitter des Diamants. Die HCH-, CCH- und CCC-Bindungswinkel zeigen nur geringe Abweichungen vom Tetraederwinkel 109°28', wenn VAN-DER-WAALSAbstoßungen zwischen benachbarten Atomen wirken. So ist im Propan der CCC-Bindungswinkel auf 112° gespreizt und der HCH-Bindungswinkel am mittleren C-Atom auf 106° komprimiert.

2.4 Konformation Die "freie Drehbarkeit" von CC-Einfachbindungen läßt zunächst beliebig viele räumliche Anordnungen der Atome oder Alkyl-Gruppen eines Alkans zu. Physikalische Messungen zeigen jedoch, daß es energieärmere und energiereichere Atomanordnungen gibt. Der Begriff Konformation faßt alle durch Drehung (Rotation, Torsion) um Einfachbindungen realisierbaren Atomanordnungen einer Verbindung zusammen. Eine diskrete Atomanordnung wird als Konformer oder Rotamer bezeichnet. Zum Zeichnen von Konformeren eignen sich die Keilstrich-, die Sägebock- (seitlicher Anblick) und am besten die NEWMAN-Projektion (frontaler Anblick).

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2.4 Konformation

31

CH3

CH 3 H H

H CH 3

H H

C C

H H

H

H

H

H

H

H

H

H Keilstrich-

Sägebock-

NEWMANProjektion

Ethan kann zwei Konformere bilden, in denen die CH-Bindungen der beiden Methyl-Gruppen verdeckt (ekliptisch) bzw. gestaffelt (auf Lücke stehend) vorliegen. Die NEWMAN-Projektionen zeigen deutlich, daß der Interplanarwinkel, den die CH-Bindungen an benachbarten C-Atomen einschließen, bei gestaffelter Anordnung 60°, bei ekliptischer dagegen 0° beträgt. HH

H

H

H

HH

ekliptisch, vedeckt (eclipsed) mit viel Torsionsspannung labil

H

H

H

H

H gestaffelt, auf Lücke (staggered) ohne Torsionsspannung stabil

Das ekliptische Konformer „leidet“ wegen der VAN-DER-WAALS-Wechselwirkung der H-Atome unter einer hohen Torsionsspannung, ist energiereicher und damit labiler als das gestaffelte Konformer ohne diese Torsionsspannung. So gesehen sind Konformere die Rotations-Energiezustände der Alkane. Rotieren die Methyl-Gruppen um die mittlere CC-Bindung aus der energieärmeren spannungsfreien, gestaffelten über eine teilweise verdeckte in die energiereichere ekliptische Anordnung, so muß ein bestimmter Energiebetrag / die Rotationsbarriere / aufgewendet werden, z. B. durch Übertragung kinetischer Energie beim Zusammenstoß mit anderen Molekülen. Die innere Beweglichkeit eines Moleküls infolge der Rotation um Einfachbindungen hängt von der Temperatur, also von der äußeren Moleküldynamik ab. Bei sehr tiefer Temperatur werden die meisten Ethan-Moleküle im Zeitmittel gestaffelt vorliegen. Steigt die Temperatur, so wird die Zahl der Zusammenstöße mit Molekülen genügend hoher kinetischer Energie zunehmen, und die Methyl-Gruppen des Ethans werden durch gestaffelte, windschiefe und ekliptische Konformere rotieren. Wegen der relativ kleinen Rotationsbarrieren (12 kJ/mol) herrscht um die CC-Bindung des Ethans bei Raumtemperatur praktisch freie Drehbarkeit. Stehen größere Gruppen anstelle der H-Atome des Ethans, so erhöht sich die Rotationsbarriere. So bevorzugen 60 % der Butan-Moleküle bei Raumtemperatur das gestaffelte Konformer, in dem die beiden Methyl-Gruppen anti zueinander stehen (Abb. 2.4). Die restlichen Moleküle konzentrieren sich auf teilweise verdeckte und gestaffelte Konformationen, die vor allem aufgrund von VANDER-WAALS-Abstoßungen (sterische Wechselwirkung) eine höhere potentielle Energie besitzen. Abb. 2.4 illustriert dies und erläutert die Bezeichnung der Butan-Konformeren nach der KLYNEPRELOG-Konvention. Die Population der Konformeren hängt im übrigen von der Temperatur ab und folgt einer MAXWELL-BOLTZMANN-Verteilung.

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32

2 Alkane

Die Rotationsbarrieren der n-Alkane (Abb. 2.4) liegen weit unter den für eine Konformerentrennung erforderlichen 85-125 kJ/mol. Im Gegensatz zu Konstitutionsisomeren (z. B. n-Butan und Methylpropan) sind die Konformeren der Alkane (anti- und syn-Butan) nicht isolierbar, sondern nur bei tieferen Temperaturen spektroskopisch nachweisbar. R

RR H

RH

R

R

H

RH

R

H

R

RR H

Konformer H

HH

H

H

H

H

RH

H

Interplanarwinkel

Epot [kJ/mol]

l"?"2ﬂ

60°

H

H

H

R

HH

H

R

120°

H

H

H

HH

H

H

180°

240°

300°

360°

14.3

27.7

3.8

deutsche Bezeichnung

ekliptisch

gestaffelt

teilweise ekliptisch

gestaffelt (anti)

teilweise ekliptisch

gestaffelt

ekliptisch

englische Bezeichnung

fully eclipsed

gauche (skew)

partially eclipsed

fully staggered

partially eclipsed

partially eclipsed

fully eclipsed

+ / synperiplanar + / sp

+ synclinal + sc

+ / antiperiplanar + / ap

/ anticlinal / ac

/ synclinal / sc

KLYNEPRELOGAbkürzung

+ anticlinal + ac

+ / synperiplanar + / sp

Abb. 2.4. Potentielle Energie und Bezeichnung der Konformeren des n-Butans (R = CH3), die bei Drehung um die C-2/C-3-Bindung entstehen

Längerkettige n-Alkane und ihre Derivate, z. B. die Fettsäuren, sind wegen der Ausbildung geordneter Strukturen im flüssigen und festen Zustand weniger beweglich. Stärkere VAN-DERWAALS-Kräfte führen hier zur Bildung quasi-kristalliner Bezirke, was nicht nur für die Eigenschaften von Schmierölen und Fetten, sondern auch bei der Bildung von Zellmembranen von Bedeutung ist Abschn. 41).

2.5 Industrielle Gewinnung der Alkane 2.5.1

Alkane aus Erdgas, Erdöl und Kohle

Erdgas, Erdöl und Kohle sind neben ihrer Funktion als fossile Energieträger auch die wichtigsten Rohstoffe der industriellen organischen Chemie. Die riesigen Vorkommen entstanden durch anaerobe Zersetzung von Mikroorganismen (Plankton), Pflanzen und Tieren in Seen und Meeren vor über 100 Millionen Jahren. Auf Kohlebasis können Alkane durch katalytische Hochdruck-Hydrierung von Braunkohle ("Kohleverflüssigung", BERGIUS-Verfahren) sowie durch katalytische Niederdruck-Hydrierung von Kohlenmonoxid (FISCHER-TROPSCH-Verfahren) hergestellt werden. Weiterentwicklungen beider Prozesse sind bei Verteuerung und Verknappung des Rohöls von Bedeutung.

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2.5 Industrielle Gewinnung der Alkane

33

Erdgas und Rohöl besitzen je nach Entstehungsweise der verschiedenen Lagerstätten auch eine verschiedene prozentuale Kohlenwasserstoff-Zusammensetzung. Erdgas enthält vorwiegend die tief siedenden Alkane Methan bis Butan. Petroleum enthält neben den höheren Alkanen auch andere flüssige Kohlenwasserstoffe und wird durch Destillation in mehrere Fraktionen nach Siedebereichen getrennt (Tab. 2.4). Tab. 2.4. Erdöl-Fraktionen (Fraktionen nach Siedebereichen) Fraktion

Siedebereich °C

Kohlenwasserstoffe C n

Verwendung

Gasfraktion

< 40

C1 - C6

Treibstoff, Heizgas

Petrolether

30 - 60

C5 - C6

Lösemittel, Benzin

Ligroin

60 - 100

C6 - C7

Kfz-Benzin

Gasolin

40 - 200

C5 - C10

Kfz-Benzin

Kerosin

180 - 230

C11 - C12

Düsentreibstoff

Gasöl (Heizöl)

230 - 300

C13 - C17

Dieselmotoren, Ölbrenner

Schmieröle

300 - 400

C20 - C30

Paraffinwachs

400 - 500

C20 - C30

Schmierstoffe

Asphalt

Destillations-

Polycyclen

Teer zum Straßenbau

Petrolkoks

rückstände

Kohlenstoff

Brennstoff, Elektroden

Vaseline

Eine weitere Trennung der Erdöl-Fraktionen gelingt durch Feindestillation (engere Siedebereiche) oder andere Trennverfahren (Extraktion, Gas-Chromatographie). Da höhere Alkane zahlreiche Isomere mit sehr ähnlichen Siedepunkten bilden, ist eine isomerenfreie Gewinnung nur bei kurzkettigen Alkanen (C1 - C5) möglich. Langkettige Alkane definierter Konstitution müssen daher mit chemischen Verfahren hergestellt werden.

2.5.2

Treibstoffherstellung

Jede Motorart erfordert zum optimalen Betrieb eine ihren Verbrennungeigenschaften angepaßte Treibstoffsorte. Ein Benzin mit einem hohen Prozentsatz an n-Alkanen kann z. B. nicht in hochverdichtenden Motoren verbrannt werden, da es ein verschleißendes "Klopfen" verursacht. Hochverzweigte niedermolekulare Alkane haben wesentlich günstigere Brenneigenschaften. Die Qualität eines Kraftstoffs wird durch seine Octanzahl charakterisiert. Normsubstanz ist 2,2,4Trimethylpentan ("Isooctan") mit der Octanzahl 100, demgegenüber n-Heptan die Octanzahl 0 aufweist. Die Qualität des Kraftstoffs läßt sich durch Zusatz von Isooctan oder Benzen verbessern (Octanzahlen über 90). „Verbleites Benzin“ mit dem giftigen und umweltbelastenden Bleitetraethyl als Antiklopfmittel-Zusatz ist nicht mehr im Handel. Motoren mit Abgas-Entgiftung durch Edelmetall-Katalysatoren (Platin auf Keramik) können nur mit "bleifreiem" Benzin betrieben werden, da Blei-Verbindungen als Katalysatorengifte wirken. Durch fraktionierte Destillation des Rohöls kann nur ein Teil der benötigten Treibstoffe bereitgestellt werden. Daher müssen auch höhersiedende Fraktionen des Erdöls mit langkettigen Kohlenwasserstoffen durch verschiedene Crackverfahren in die als Treibstoffe geeigneteren kürzerkettigen Alkan-Gemische übergeführt werden.

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34

2 Alkane

Beim thermischen Cracken werden die Erdölfraktionen bei 470 - 510 °C und Drücken von 20 - 50 bar erhitzt. Dabei entstehen über freie Radikale als Zwischenstufen aus langkettigen Alkanen kürzerkettige Alkane und Alkene. Bei den katalytischen Crack- und Isomerisierungsverfahren werden die Erdölfraktionen bei Temperaturen zwischen 430 und 500 °C und geringem Druck über Silicat-Aluminiumoxid-Katalysatoren geleitet. Dabei entstehen Benzine mit einem hohen Anteil an verzweigten Alkanen. Das katalytische Cracken verläuft im Gegensatz zum thermischen über Umlagerungen mit Carbenium-Ionen als reaktiven Zwischenstufen.

2.6 Darstellung von Alkanen 2.6.1

Katalytische Hydrierung der Alkene

Alkene addieren in Gegenwart von Metallkatalysatoren (Ni, Pd, Pt) quantitativ Wasserstoff an ihre CC-Doppelbindung. Dabei addiert das H2-Molekül an eine Seite der CC-Doppelbindung. R

Alken

R

katalytische Hydrierung

R

R

H

H

R

R C C R H H

C C

R

Alkan

Katalysator-Oberfläche (Katalysator = Ni , Pd oder Pt)

Beispiel: H 3C

CH 3

H 3C

CH3

Ni, Pd oder Pt + H2

C C

H 3C CH CH CH 2 CH2 CH2 CH 2 CH 3

CH 2 CH2 CH2 CH 2 CH 3

CH 3

2,3-Dimethyl-2-octen

2,3-Dimethyloctan

Da es viele Verfahren zur Synthese von Alkenen gibt (Abschn. 4.4), ist die katalytische Hydrierung von Alkenen eine präparative Methode zur Darstellung von Alkanen.

2.6.2

Reduktion von Halogenalkanen

Die durch Additions- und Substitutions-Reaktionen gut zugänglichen Halogenalkane können unter Ersatz des Halogens durch Wasserstoff zu Alkanen umgesetzt werden. ̈"""Hydrolyse von GRIGNARD-Verbindungen Halogenalkane R/X (X = Cl, Br, I) reagieren mit Magnesium zu Alkylmagnesiumhalogeniden. Die Kohlenstoff-Magnesium-Bindung dieser GRIGNARD-Verbindungen wird durch Wasser gespalten, wobei das Proton des Wassers an das negativ polarisierte Kohlenstoff-Atom und das Hydroxid-Anion an das positiv polarisierte Magnesium anlagert. wasserfreier Ether

R X

+

f/

f/

f++

R Mg X

R Mg X

Mg +

H2O

R H

+

Mg(OH)X

GRIGNARD-Reagenz Hydrolyse

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2.6 Darstellung von Alkanen

35

Beispiel: siedender Ether

CH3 H 5C2 CH CH2 CH 2 Br

+

CH3

H 5C2 CH CH2 CH 3

/ Mg ++ / /"OH / /"Br

3-Methylpentylmagnesiumbromid

1-Brom-3-methylpentan

CH 3

+ H 2O

H5C2 CH CH2 CH2 Mg Br

Mg

3-Methylpentan

̈"""Reduktion von Halogenalkanen durch Zink und Säure Metallisches Zink (Zinkstaub) und Mineralsäuren reduzieren Halogenalkane zu Alkanen: 2R X

+

2 Zn

+

2 HY

2R H

+

ZnX 2

+

ZnY 2

Beispiel: CH 3

CH3

0 °C

2 H 3C CH CH CH2 CH 3

+ 2 Zn +

2 HI

2 H3C CH CH 2 CH2 CH3

Br 3-Brom-2-methylpentan

+

ZnBr2

+

ZnI2

2-Methylpentan

̈"""Reduktion

von Halogenalkanen durch Metallhydride Komplexe Metallhydride wie Lithiumaluminiumhydrid (LiAlH4) oder Natriumborhydrid (NaBH4) reduzieren Halogenalkane in Ether als Lösemittel zu Alkanen. Ether

4R X

+

LiAlH4

4R H

+

LiX

+

AlX 3

4R X

+

NaBH 4

4R H

+

NaX

+

BX 3

( X = Cl, Br, I )

Beispiel: CH 3 4 H 3C

(CH2)7

CH CH2 Br

+ LiAlH4

wasserfreier Ether

CH3 4 H 3C (CH2)7 CH CH 3

1-Brom-2-methyldecan

2.6.3

+

LiBr

+

AlBr3

2-Methyldecan

Alkylierung metallorganischer Verbindungen

Metallorganische Verbindungen mit Kohlenstoff-Metall-Bindungen können durch Halogenalkane zu Alkanen alkyliert werden. ̈"""WURTZ-Synthese

Natrium reagiert mit Halogenalkan R/X zunächst zu Alkylnatrium R/Na als Organometallverbindung, die mit einem weiteren Äquivalent Halogenalkan zum symmetrischen Alkan R/R alkyliert wird. R X R Na

+

2 Na + R X

R Na

+

NaX

R R

+

NaX

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36

2 Alkane

Beispiel: H3C CH 2 CH2 CH 2 CH 2 Br

+

H 3C (CH 2)8 CH 3

2 Na

1-Brompentan

+

2 NaBr

n-Decan

̈"""Alkylierung

von GRIGNARD-Verbindungen durch Halogenalkane Halogenalkane R/X alkylieren Alkylmagnesiumhalogenide R´/MgX (GRIGNARD-Verbindungen) mit anderem Alkyl-Rest R´ zu unsymmetrischen Alkanen R/R´. wasserfreier Ether

R X

+

R´ Mg X

R R´

+

MgX2

Beispiel: CH3 + (H3C)2CH Mg Br

1-Brom-2-methyldecan

2.6.4

CH3

wasserfreier Ether

H3C (CH2)7 CH CH 2 Br

H3C (CH2)7 CH CH2 CH(CH 3)2

Isopropylmagnesiumbromid

+

MgBr2

2,4-Dimethyldodecan

KOLBE-Elektrolyse

Schwieriger zugängliche symmetrische Alkane R/R können durch KOLBE-Elektrolyse der Natrium-, Kalium- oder Calcium-Salze von Carbonsäuren mit dem entsprechenden Rest R dargestellt werden. Dabei wird das Carboxylat-Anion zunächst anodisch oxidiert; das entstandene CarboxyRadikal geht unter Kohlendioxid-Abspaltung (Decarboxylierung) in ein Alkyl-Radikal R. über, das zum Alkan R/R dimerisiert. O 2 R C .. O .. : CarboxylatAnion

Anode (Oxidation) /"e0

/

O 2 R C .. O .. CarboxyRadikal

.

Decarboxylierung / 2 CO2

2R

.

AlkylRadikal

Dimerisierung

R R symmetrisches Alkan

2.7 Reaktionen Die "gesättigten" Alkane reagieren selbst bei höheren Temperaturen im Gegensatz zu den "ungesättigten" Alkenen und Alkinen nicht mit konzentrierten Mineralsäuren, Basen, Oxidations- oder Reduktionsmitteln. Die früher wegen ihrer gleichartigen Reaktivität als Paraffine (par affinis = gleich benachbart) bezeichneten Alkane sind wenig reaktive, unpolare, inerte Verbindungen: Typische Alkan-Reaktionen wie die Oxidation und Halogenierung verlaufen bei hohen Temperaturen.

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2.7 Reaktionen

2.7.1

37

Vollständige Oxidation (Verbrennung)

Technisch von Bedeutung ist die Verbrennung der Alkane zur Energiegewinnung. In der Flamme verbrennen Alkane mit Luftsauerstoff zu Kohlendioxid und Wasser. CH4 2 H 3C CH 3

+ 2 O2 +

7 O2

CO2

+

2 H2O

F H = /""883 kJ/mol

4 CO2

+

6 H2O

F H = /""1542 kJ/mol

Die exotherme Reaktion liefert eine hohe Reaktionsenthalpie FH (Verbrennungswärme). Da das System Energie an die Umgebung abgibt, hat der Betrag von FH negatives Vorzeichen. Bei einer endothermen Reaktion nimmt das reagierende System dagegen Energie von der Umgebung auf, so daß FH positiv ist. Verbrennungswärmen lassen sich im Kalorimeter messen. Interessant ist ein Vergleich zwischen den Verbrennungswärmen bezogen auf ein Mol, ein Gramm, einen Milliliter und den prozentualen Wasserstoffgehalt der n-Alkane nach Tab. 2.5. Tab. 2.5. Vergleich der Verbrennungswärmen ausgewählter n-Alkane Alkan

Formel

kJ / mol

kJ / g

kJ / mL

%H

Methan Ethan Propan Pentan Heptan n-Alkan

CH4 C2H6 C3H8 C5H12 C7H16 H3C/(CH2)n/CH3

883 1542 2204 3510 4814 ---

55 51 50 49 48 47

23 28 29 30 33 35

25.1 20.1 18.3 16.8 16.1 15.6

Die Verbrennungwärme beträgt für Wasserstoff 142 kJ/Mol, für Kohlenstoff 34 kJ/Mol und 653 kJ/Mol pro CH2-Gruppe. Da die Verbrennungswärme vorwiegend aus dem Unterschied der Summe der Bindungsenergien der Edukte und der Produkte herrührt, kann sie aus den bekannten Bindungsenergien der C/H-, O/O-, C=O- und OH-Bindung berechnet werden, wie das Beispiel des Methans zeigt: Reaktionsgleichung Stöchiometrie Energiebilanzen

CH 4 16 g

+ 2 O2 64 g

CO2 44 g

+

2 H 2O 36 g

Energiezufuhr durch Edukte (Dissoziation von Bindungen)

Energiefreisetzung durch Produkte (Bildung von Bindungen)

F H positiv 4 x 413 (C/H) = + 1652 kJ/mol 2 x 498 (O/O) = + 996 kJ/mol

F H negativ 2 x 803 (C=O) = / 1606 kJ/mol 4 x 463 (O/H) = / 1852 kJ/mol

Somit ergibt sich für die aus den Bindungsenergien berechnete Verbrennungswärme zu FHber. = 1652 + 996 / 1606 / 1852 = /"810 kJ / Mol Methan im Vergeich zum kalorimetrisch bestimmten Wert FHexp. = /"883 kJ / Mol. Der Mechanismus einer Verbrennung, ihr molekularer Ablauf, ist nicht genau geklärt. Bekannt ist, daß die Verbrennung der Alkane gezündet werden muß, z. B. durch eine Flamme oder einen Funken; bei Raumtemperatur und Normaldruck reagiert eine an sich verbrennungsfähige Mischung aus Alkan und Sauerstoff nicht.

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38

2 Alkane

Bei der Zündung einer Verbrennung wird Energie zugeführt, welche kovalente Bindungen der Edukte spaltet und so reaktive Partikel erzeugt, die mit den Alkanen Folgereaktionen eingehen. Die Zündungsenergie kann in Form von Hitze zugeführt werden. Bei der Zündungstemperatur (Flammpunkt) ist die kinetische Energie der Reaktanten so hoch, daß manche Zusammenstöße zur Bindungsspaltung und Erzeugung reaktiver ungesättigter Partikel führen. Im Falle der Verbrennung handelt es sich dabei um Radikale (Alkyl-Radikale R. , Alkoxy-Radikale R/O . u. a.). Diese Radikale können bei Zusammenstößen mit Alkan- und Sauerstoff-Molekülen neue Bindungen knüpfen und gleichzeitig neue Radikale erzeugen. Jede Neuknüpfung von Bindungen führt zur Energieabgabe in Form von kinetischer Energie oder Licht. Bei der insgesamt exotherm verlaufenden Verbrennung wird mehr Energie abgegeben als verbraucht. Die Hitzeentwicklung führt zu Zusammenstößen genügend hoher Energie, so daß weitere Reaktionen ausgelöst werden. Nach der Zündung und einer kurzen Induktionsperiode laufen die Reaktionen also autokatalytisch ab. Man spricht von einer Kettenreaktion. Kettenreaktionen sind typisch für Alkane.

2.7.2

Partielle Oxidation

Durch unvollständige Oxidation des Methans (Erdgas) mit Luft werden unter kontrollierten Reaktionsbedingungen Ethin, Wasserstoff und Kohlenmonoxid hergestellt. Diese drei Gase werden industriell in großen Mengen verarbeitet. Wasserstoff und Kohlenmonoxid bilden sich auch durch katalytische Oxidation des Methans durch Wasser. 1500 °C

6 CH 4

2H C C H

+ O2

+

10 H 2

+

2 CO

850 °C, Ni-Katalyse

CH4

2.7.3

3 H2

+ H 2O

+

CO

Autoxidation

Verzweigte Alkane mit tertiären C-Atomen (R3CH) reagieren in Gegenwart von Schwermetallspuren, Bromwassertoff oder bei leicht erhöhter Temperatur mit Luftsauerstoff, der als Biradikal (Triplett-Sauerstoff) vorliegt und sich zwischen die CH-Bindung schiebt. Bei dieser Autoxidation entstehen hochreaktive, teils explosive Alkylhydroperoxide. CH3 H3C C H CH3

140 °C

+

O2 (Luf t)

CH 3

O H H 3C C O CH 3 t-Butylhydroperoxid

n-Alkane neigen kaum zur Autoxidation. Bei verzweigten Alkanen kann die Autoxidation durch Zusatz von Antioxidantien (Inhibitoren) verhindert werden. Antioxidantien fangen die intermediär bei der Autoxidation entstehenden reaktiven Radikale ab. Bekannte Antioxidantien sind z. B. Iodwassertoff, Phenole, aromatische Amine und Organoschwefel-Verbindungen.

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2.7 Reaktionen

2.7.4

39

Photohalogenierung

Selbst gegenüber den reaktiven Halogenen Cl2 und Br2 sind die Alkane im Dunkeln und bei Raumtemperatur inert. Sobald jedoch eine Alkan-Halogen-Mischung entweder ̈ mit Licht bestrahlt oder ̈" über 300 °C erhitzt oder ̈" mit Peroxiden versetzt wird, setzt eine vielfach heftige Reaktion ein, wobei ein H (oder mehrere H) des Alkans durch Halogen substituiert wird (Substitution). Dabei entsteht ein Halogenalkan (Alkylhalogenid)) und Halogenwasserstoff, z. B. Brommethan (Methylbromid) aus Methan und Brom: Licht, Hitze oder Peroxide

H H C H

+

Br

H

Br

H C Br

+

H

Br

H Brommethan

H

Bei genügend großem Überschuß an Halogen führt die Reaktion nicht nur zur Monosubstitution; durch Polyhalogenierung können im Prinzip alle H-Atome eines Alkans durch Halogen ersetzt werden. So liefert die Photochlorierung des Methans ein Gemisch aus Monochlormethan (CH3Cl, Methylchlorid), Dichlormethan (CH2Cl2, Methylenchlorid), Trichlormethan (CHCl3, Chloroform) und Tetrachlormethan (CCl4, Tetrachlorkohlenstoff). Diese zu den Chloralkanen oder Chlorkohlenwasserstoffen (CKWs) gehörenden Verbindungen werden als vorzügliche / leider auch biologisch schlecht abbaubare und daher vorschriftsmäßig zu entsorgende / Lösemittel verwendet. CH4

+

Cl2

CH3Cl Chlormethan

+

HCl

CH3Cl

+

Cl2

CH2Cl2 + Dichlormethan

HCl

CH 2Cl2

+

Cl2

CHCl3 + Trichlormethan

HCl

CHCl3

+

Cl2

CCl4 + Tetrachlormethan

HCl

Die Zusammensetzung des Produktgemisches kann durch das Verhältnis der Edukte (Halogen : Alkan) und die Reaktionsdauer gesteuert werden. Überschüssiges Halogen begünstigt die Bildung von Polyhalogenalkanen; kurze Reaktionszeiten favorisieren dagegen die Monosubstitution, da sich zu Beginn der Reaktion viele Alkan- und wenige Halogenalkan-Moleküle im Reaktionsraum befinden. Die Reaktivität der vier Halogene nimmt vom Fluor zum Iod deutlich ab: F2 >> heftige Reaktion

Cl2

> Br2

steuerbare Reaktion

>>

I2 keine Reaktion

Elementares Fluor reagiert mit Alkanen extrem heftig unter Perfluorierung und unkontrollierbarer Bildung von Molekülfragmenten. Verdünnung des Alkan-Fluor-Gemisches mit Stickstoff, niedere Fluorkonzentrationen, niedere Drücke und tiefere Temperaturen bewirken eine bessere Kontrolle der Reaktion. Die Chlorierung eines Alkans verläuft meist unproblematisch; Bromierungen erfordern drastischere Bedingungen. Iod reagiert nicht direkt mit Alkanen; Iodalkane sind nur durch Umwandlung der funktionellen Gruppen anderer Alkan-Derivate zugänglich.

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40

2 Alkane

Der Mechanismus einer Photohalogenierung ist eine typische Kettenreaktion (Abschn. 3). Die Photodissoziation eines Halogen-Moleküls in zwei Halogen-Atome (Halogen-Radikale) löst eine Folge von Reaktionen aus, bei denen die reaktionsträgen Alkane über Alkyl-Radikale (R. , daher radikalische Substitution) zu den Produkten Chlorwasserstoff und Halogenalkan abreagieren. Die Chlorierung empfindlicherer Alkane gelingt mit Hilfe von Sulfurylchlorid, SO2Cl2. Auch diese bei moderaten Temperaturen ablaufende Reaktion ist eine radikalische Substitution, welche durch Licht oder Peroxide gestartet wird (Abschn. 3.6). O

R

hp oder R O 40 - 80 °C

R H

2.7.5

+

SO2Cl2

R Cl

+

SO2

+

HCl

Photosulfochlorierung

In Gegenwart von Basen reagieren Alkane mit Sulfurylchlorid oder einer Mischung aus Schwefeldioxid und Chlor zu Alkansulfonsäurechloriden (Alkylsulfonylchloriden). Die Hydrolyse von Alkylsulfonylchloriden führt zu Alkansulfonsäuren. Langkettige Alkansulfonsäuren sind bedeutende Detergentien. R H

+

SO2

+

Cl2

hp / Base

O R S Cl

+

HCl

O Alkansulfonsäurechlorid

2.7.6

Nitrierung von Alkanen

Die Nitrierung von Alkanen bei höheren Temperaturen mit Salpetersäure oder Distickstofftetroxid führt zu Nitroalkanen (z. B. CH3/NO2, Nitromethan), die als Lösemittel, Zwischenprodukte und Sprengstoffe Verwendung finden. > 400 °C

R H

+

HNO3

R NO2

+

H 2O

Nitroalkan

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3.1 Mechanismus der Chlorierung des Methans

41

3 Radikalische Substitution Eine Reaktionsgleichung beschreibt, welche Produkte (rechts vom Pfeil) aus welchen Edukten (Reaktanden, links vom Pfeil) in welchen stöchiometrischen Verhältnissen entstehen. Diese "Bruttogleichung" gibt keinerlei Aufschluß über den Reaktionsmechanismus. Der Reaktionsmechanismus ist der tatsächliche molekulare Ablauf einer Reaktion von den Edukten über reaktive Zwischenstufen zu den Produkten. Die grundlegenden Reaktionen der organischen Chemie verlaufen nach relativ wenigen, für bestimmte Stoffklassen typischen Mechanismen. Für Alkane typisch ist z. B. die radikalische Substitution, deren Mechanismus und Merkmale anhand der Halogenierung des Methans und anderer Alkane im folgenden behandelt werden.

3.1 Mechanismus der Chlorierung des Methans Die in der Gasphase durchgeführte Chlorierung des Methans verläuft über kurzlebige Radikale als reaktive Zwischenstufen. Radikale sind Atome oder Gruppen mit ungepaarten Elektronen, die durch ihren Paramagnetismus nachweisbar sind. Die Bruttogleichung der Chlorierung des Methans beschreibt zunächst nur, daß aus Methan und Chlor (1 : 1) Chlormethan und Chlorwasserstoff (1 : 1) entstehen. CH 4

+

hp

Cl2

CH3Cl + Chlormethan

HCl

Tatsächlich ist die Chlorierung des Methans ein Zusammenwirken dreier Teilreaktionen, der Startreaktion, den Kettenreaktionen und den Abbruchreaktionen. ̈" Startreaktion: Ein Chlor-Molekül spaltet photolytisch oder thermisch in zwei Chlor-Radikale (= Chlor-Atome, Homolyse der Chlor-Chlor-Bindung, Photodissoziation). hp oder hohe Temperatur

Cl2

2 Cl

Die hochreaktiven Cl-Atome (Cl-Radikale, Cl.) lösen eine Folge von zwei Kettenreaktionen aus. ̈" Kettenreaktionsschritt 1: Ein Chlor-Atom und ein Methan-Molekül reagieren zu einem Chlorwasserstoff-Molekül und einem Methyl-Radikal. Cl

̈

+

CH4

HCl

+

CH3

Kettenreaktionsschritt 2: Das Methyl-Radikal reagiert mit einem Chlor-Molekül; es entstehen Chlormethan und ein neues Chlor-Atom (Radikal). CH 3

+

Cl2

CH3Cl

+

Cl

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42

3 Radikalische Substitution

Das in Schritt 2 erzeugte Chlor-Atom reagiert mit einem neuen Methan-Molekül nach Schritt 1 zu Chlorwasserstoff und einem weiteren Methyl-Radikal, das in Schritt 2 erneut Chlormethan und ein Chlor-Atom erzeugt und so die Reaktionskette fortsetzt. Die Spaltung eines einzigen ChlorMoleküls durch ein Lichtquant löst demnach eine Folge von Reaktionen aus (Kettenreaktion). Jeder Kettenreaktionsschritt erzeugt außer einem Produkt (HCl, CH3Cl) ein neues reaktives Radikal (. Cl, . CH3). Unter günstigen Bedingungen kann ein Lichtquant einige tausend Reaktionsfolgen 1 und 2 auslösen. Die Photochlorierung verläuft dann mit einer hohen Quantenausbeute, da ein Lichtquant die Bildung von sehr vielen Chlormethan-Molekülen einleiten kann. Bei kontinuierlicher Prozeßführung (Durchflußreaktoren) und genügend großen Mengen an Edukten kann die Reaktion beliebig lange in Gang gehalten werden. Start und Kette werden besonders prägnant durch das folgende Schema zusammengefaßt: Edukte

Cl2

CH 4

intermediäre Radikale

Cl2

Cl

CH4

CH 3

Produkte

Cl2

Cl

HCl

CH3

CH 3Cl

Cl

HCl

CH3Cl

Jede Reaktionskette endet jedoch irgendwann infolge einer radikalvernichtenden Ketten-Abbruchreaktion, z. B. durch Rekombination, Adsorption, Disproportionierung von Radikalen oder durch Bildung weniger reaktiver Radikale. ̈"

Rekombination von Radikalen Cl

̈

+

Cl

Cl2

H 3C

+

CH 3

H 3C CH 3

H3C

+

Cl

H3C Cl

Adsorption von Radikalen an der Gefäßwand R

̈

Radsorbiert

Disproportionierung höherer Alkyl-Radikale C2H 5

+

C 2H5

H3C CH 3

Ethyl-Radikale

̈

+

H2C=CH2

Ethan

Ethen

Reaktionen mit S-Verbindungen (Radikalfänger) unter Bildung wenig reaktiver Radikale R

+

R*SH

RH

+

R*S

Auch nicht produktive Zusammenstöße, bei denen lediglich kinetische in Schwingungs- und Rotationsenergie umgesetzt wird, bremsen die Reaktionsfolge. Nicht produktiv sind ferner Austauschreaktionen, bei denen sich die Edukte zurückbilden: Cl*

+

Cl2

Cl*Cl

+

Cl

CH3*

+

CH4

CH4*

+

CH 3

Zwar sind alle Einzelschritte exotherm, so daß Wärme frei wird; jedoch müssen die Ansätze der Photochlorierung und Photobromierung ständig belichtet oder erhitzt werden, um gute Ausbeuten

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3.2 Energetische Betrachtung der Photohalogenierung

43

nach kurzen Reaktionszeiten zu erzielen. Photohalogenierungen können durch Strahlungsintensität und Temperatur sowie durch Inhibitoren geregelt werden. Inhibitoren wie SchwefelVerbindungen, Stickstoffmonoxid, Iod oder der als Biradikal vorliegende Sauerstoff reagieren mit Alkyl-Radikalen zu weniger reaktionsfähigen Radikalen (im Fall von O2 zu AlkylperoxyRadikalen). Auch sie führen zum Kettenabbruch und leiten kurz nach ihrem Zusatz eine Inhibierungsperiode ein, die mit fortschreitendem Abreagieren des Inhibitors abklingt (Abb. 3.1). CH 3

+

O CH3 O Methylperoxy-Radikal

_ _ O _ O _

O2 - Zusatz

% Ausbeute an Chlormethan

Inhibierungsperiode

Zeit

Abb. 3.1. Inhibierung bei Radikal-Reaktionen

3.2 Energetische Betrachtung der Photohalogenierung 3.2.1

Aktivierungsenergie und Reaktionswärme

Bei energetischen Betrachtungen chemischer Reaktionen ist stets von Reaktionswärme und Aktivierungsenergie die Rede. Die Reaktionswärme FH ist der Energieunterschied in kJ/mol zwischen den Energieinhalten der Edukte (Reaktanten) und der Produkte; im Energiediagramm entspricht FH dem Unterschied zwischen zwei Energieminima. Die Aktivierungsenergie FGC ist der Energieunterschied in kJ/mol zwischen den Energieinhalten der Edukte (Minimum an potentieller Energie) und einem nach Zusammenstoß der Reaktanten gebildeten Übergangszustand (Maximum an potentieller Energie). FGC ist temperaturabhängig. Bei einer exothermen Reaktion gilt: Epot (Edukte)

> Epot (Produkte) , FH negativ

Bei einer endothermen Reaktion gilt umgekehrt: Epot (Edukte)

3.2.2

< Epot (Produkte) , FH" positiv und FH" < FEA

Startreaktion

Die homolytische Spaltung eines Halogen-Moleküls in zwei Halogen-Atome erfordert die Dissoziationsenergie FJ" der Halogen-Halogen-Bindung. Die Startreaktion ist also endotherm, und die zur Homolyse erforderliche Energie wird durch Bestrahlung (Energie der Photonen) oder Erhitzen (thermische Energie) aufgebracht. FJ" aller Halogen-Bindungen liegt über 125 kJ/mol (Abb. 3.2).

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44

3 Radikalische Substitution

Daher können bei Temperaturen unter 100 °C infolge unzureichender kinetischer Energie keine Halogen-Radikale erzeugt werden. Eine Kettenstart-Reaktion ist im Dunkeln und bei Raumtemperatur nur über spezielle Ketten-Initiatoren erreichbar. Im Falle einer Homolyse ist die endotherme (positive) Reaktionswärme FJC identisch mit der Bindungsdissoziationsenergie FJ und zugleich Aktivierungsenergie FGC. Die Rekombination 2X. zu X2 erfordert keine Aktivierungsenergie und verläuft exotherm (FJ negativ, FGC = 0, Abb. 3.2). Die individuellen Bindungsdissoziationsenergien FJ der Halogene erklären keineswegs die sehr unterschiedlichen Reaktivitäten (F2 >> Cl2 > Br2 >> I2). Trotz relativ ähnlicher FJ-Werte ist Fluor extrem reaktiver als Iod. Epot

FH F/F FH Cl/Cl FH Br/Br FH I/I

2X

= 155 kJ / mol = 243 kJ / mol = 193 kJ / mol

X2

FH = FEA

2X

= 151 kJ / mol

X X Reaktionskoordinate

Abb. 3.2. Radikalische Halogenierung des Methans: Energiediagramm der Startreaktion

3.2.3

Übergangszustände der Kettenreaktionsschritte

Im Kettenreaktionsschritt 1 der Photochlorierung des Methans Cl

+

CH4

HCl

+

CH3

müssen die beiden Reaktanten Methan und Chlor-Atom mit genügend großer kinetischer Energie zusammenstoßen, um die VAN-DER-WAALS-Abstoßungskräfte zwischen ihren Elektronenhüllen zu überwinden. Es liegt also eine Energiebarriere zwischen den Edukten und Produkten dieser Teilreaktion. Diese Aktivierungsenergie FGC ist für Schritt 1 mit 17 kJ/mol relativ klein (Abb. 3.3 a). Die Kollision führt zu einem instabilen, nicht isolierbaren Übergangszustand (Übergangskomplex), in dem eine CH-Bindung des Methans gerade gespalten, während eine H/Cl-Bindung gerade geknüpft wird. Der Übergangszustand ist labil, erscheint daher im Energiediagramm (Abb 3.3 a) auf einem Maximum. H H

H C

H

H Methan mit sp3-hybridisiertem C-Atom

+

Cl

H

H

H

C H Cl

C

H

H

sp2-Übergangszustand mit nicht lokalisiertem ungepaartem Elektron

+

HCl

Methyl-Radikal mit sp2-hybridisiertem C-Atom und einfach besetztem p-Orbital

Zerfällt der Übergangszustand in die Produkte Methyl-Radikal und Chlorwasserstoff, so war der Zusammenstoß produktiv; zerfällt er vor Erreichen des Maximums wieder in die Edukte, so war die kinetische Energie der Kollision nicht ausreichend, der Stoß war unproduktiv.

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3.2 Energetische Betrachtung der Photohalogenierung

45

Abb. 3.3 a zeigt, daß Kettenreaktionsschritt 1 mit FJ = / 4 kJ/mol exotherm ist, d. h. die Produkte energieärmer (thermodynamisch stabiler) sind als die Edukte. Daraus folgt auch, daß die Rückreaktion eine größere Aktivierungsenergie (21 kJ/mol) erfordert als die Hinreaktion (17 kJ/mol). Ferner ist die Rückreaktion mit FJ = + 4 kJ/mol endotherm. Das Reaktionsgleichgewicht des Schrittes 1 liegt also auf der Produkt-Seite. Für Kettenreaktionsschritt 2 ergibt sich das Energiediagramm (Abb. 3.3 b) aus dem Energiebedarf für die Cl2-Dissoziation, der Energiefreisetzung durch die Bildung des Chlormethans und einer Aktivierungsenergie von FGC4 = 4.2 kJ/mol. H

H

H +

C

Cl

Cl

H

H H C

C Cl Cl H

H sp2, planar

sp2 / sp3 -Übergangszustand mit nicht lokalisiertem ungepaartem Elektron

H3C

+

Cl2

Cl

+

Cl

H sp3, tetraedrisch

CH3Cl

+

Cl

Energieverbrauch: FH = 243 kJ/mol Energiefreisetzung: FH = / 339 kJ/mol Reaktionswärme: FH = / 96 kJ/mol

Epot

[ H 3C Cl

Cl ] Übergangszustand

FEA2

Epot [ H 3C H Cl ]

Übergangszustand

H3C + Cl2 Edukte

FEA1 = 17 kJ / mol

~ ~

FH2 = / 96 kJ / mol

CH4 + Cl Edukte

FH1 = / 4 kJ / mol

CH3 + HCl Produkte Reaktionskoordinate

(a) Kettenreaktionsschritt 1

H 3C Cl + Cl Produkte Reaktionskoordinate

(b) Kettenreaktionsschritt 2

Abb. 3.3. Radikalische Chlorierung des Methans: Energiediagramme der Kettenreaktionsschritte 1 und 2 (a) und (b)

Nach Kenntnis aller Teilschritte (Startreaktion und Kettenreaktionen 1 und 2) läßt sich in Abb. 3.4 (S. 46) das Energiediagramm der Gesamtreaktion zusammenfassend darstellen. Man sieht, daß die Startreaktion einen hohen Energiebetrag erfordert, während die Folgeraktionen 1 und 2 in der Kette nur einer geringen Aktivierung bedürfen. Rückreaktionen sind unwahrscheinlich angesichts ungünstig hoher Aktivierungenergien. Die meisten Kettenabbruch-Reaktionen verlaufen indessen sehr leicht, da Kombinationen von Radikalen zu Molekülen nahezu keine Aktivierungsenergie erfordern.

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3 Radikalische Substitution

Epot

+ CH4

Cl2

Cl

/ HCl

+ Cl2

CH3

/ CH3Cl

Cl

FEA1

FEA2

FH1

~ ~

FH = FEA

Startreaktion

Kettenreaktion 1

FH2

~ ~

Kettenreaktion 2 Reaktionskoordinate

Abb. 3.4. Radikalische Chlorierung des Methans: Energiediagramm der Gesamtreaktion

3.3 Reaktionsgeschwindigkeit 3.3.1

Äußere Einflüsse

Makroskopisch und praktisch ist die Reaktionsgeschwindigkeit die pro Zeiteinheit erzeugte Produktmenge (mol/s). In der Stoßtheorie wird die Reaktionsgeschwindigkeit als die Anzahl produktiver Zusammenstöße pro Zeiteinheit definiert. Sie ist das Produkt dreier Faktoren, deren Größe von den Reaktionsbedingungen, dem Reaktionstyp und der Konstitution der Edukte abhängt: Reaktionsgeschwindigkeit = Energiefaktor x Stoßhäufigkeit x Orientierungsfaktor

Der Energiefaktor wird durch die Reaktionstemperatur sowie die Aktivierungsenergie beeinflußt; er gibt den Bruchteil der Stöße mit genügend hoher Energie. Im Reaktionsgefäß bewegen sich Atome und Moleküle mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten. Bei jeder Temperatur T1 stellt sich eine mittlere Verteilung der Teilchengeschwindigkeiten ein (MAXWELL-Geschwindigkeitsverteilung, Abb. 3.5). Bei höherer Temperatur T2 findet man eine breitere Streuung der Geschwindigkeiten. Da nur solche Teilchen reagieren, die mindestens eine Energie der Größenordnung von FGC besitzen, erhöht sich die Anzahl produktiver Stöße und damit die Reaktionsgeschwindigkeit mit der Temperatur. Die Reaktionsgeschwindigkeitskonstante k ist nach der ARRHENIUS-Gleichung (lg k = A / B/T) eine Funktion des Druckes und der Temperatur. Eine Zunahme der Temperatur um 10 °C steigert

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3.3 Reaktionsgeschwindigkeit

47

die Geschwindigkeitskonstante um Faktor 1.3 bis 5. Wegen des exponentiellen Zusammenhangs zwischen der Temperatur, FGC und der Geschwindigkeitskonstanten k = k0 . e/"FGC / kT genügen geringe Temperaturänderungen, um die Zahl produktiver Stöße stark an- oder abschwellen zu lassen. FNE

T1

Temperatur T2 > T1

N Anzahl der Moleküle mit einer bestimmten kinetischen Energie

T2

FEkin < FEA

EA

FEkin > FEA

Ekin

Abb. 3.5. MAXWELL-Geschwindigkeitsverteilung

Die Stoßhäufigkeit hängt von der Edukt-Konzentration, der Geschwindigkeit und Größe der Moleküle ab. Große Moleküle stoßen häufiger zusammen als kleine. Nicht jeder Stoß mit genügend großer Energie (Ekin > FGC) führt zur Reaktion. Bei der Methan-Chlorierung muß z. B. das ChlorAtom direkt auf ein H-Atom des Methans treffen, um ein Eintauchen der Orbitale ineinander und damit eine Reaktion zu ermöglichen. H

H H C

H

Cl

H produktiver Stoß - günstig zur gerichteten Bildung einer Bindung

H C H

Cl

H unproduktiver (elastischer) Stoß ungünstige Orientierung

Diese Zusatzbedingung wird als Orientierungs- oder sterischer Faktor bezeichnet. Im Falle höherer Alkane tragen auch zusätzliche Freiheitsgrade der Molekülbewegung (z. B. Rotation um oder Schwingungen von CC-Bindungen) zum sterischen Faktor bei.

3.3.2

Geschwindigkeitsbestimmender Schritt der Photohalogenierung

Im Falle der Photochlorierung des kleinen kugelförmigen Moleküls Methan fallen Stoßzahl und Orientierungsfaktor weniger ins Gewicht als der Energiefaktor. Daraus ergibt sich, daß der geschwindigkeitsbestimmende Schritt (der langsamste) in der Kettenreaktion derjenige mit der höchsten Aktivierungsenergie FGC ist. Obwohl die Startreaktion den höchsten FGC-Wert erfordert, ist sie nicht geschwindigkeitsbestimmend, da in einer Kette von mehreren hundert Folgereaktionen dieser erste Schritt an Bedeutung verliert. Vielmehr ist bei der Photohalogenierung des Methans die Bildung der Methyl-Radikale, also Schritt 1 geschwindigkeitsbestimmend. Schritt 2 verläuft wieder rasch, da die reaktiven Methyl-Radikale mit allen Halogen-Molekülen ohne größere Aktivierungsenergie zu Halogenmethan und Halogen-Atom abreagieren.

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48

3.3.3

3 Radikalische Substitution

Relative Reaktionsgeschwindigkeiten der Photohalogenierung

Die unter identischen Reaktionsbedingungen (Temperatur, Druck, molares Verhältnis der Edukte) ermittelten Energiewerte aller Teilreaktionen der Photohalogenierung des Methans sind in Tab. 3.1 zusammengestellt. Die Aktivierungsenergien der Startreaktionen (FGC3) und die Reaktionswärmen FJ3.4 zeigen, daß die Reaktivität in der Folge F2 >> Cl2 > Br2 >> I2 abnimmt. Ein Anstieg von FGC3 verzögert ja zusätzlich den geschwindigkeitsbestimmenden Kettenreaktionsschritt 1. Tab. 3.1. Energiebilanzen der Halogenierung von Methan (FJ" und FGC in kJ/mol) Startreaktion X2

2X

FEA = FH Fluorierung Chlorierung Bromierung Iodierung

+ 155 + 243 + 193 + 151

Kettenreaktionsschritt 1 X

+

FHCH3-H + 427 + 427 + 427 + 427

CH4

FHH/X - 566 - 432 - 365 - 297

CH3

FEA1 + 4.2 + 16.8 + 75.4 + 129.9

Kettenreaktionsschritt 2 +

HX

CH 3

FH1

FHX/X FHCH3-X

- 138.3 - 4.2 + 62.9 + 129.9

+ 155 + 243 + 193 + 151

+

X2

- 453 - 339 - 281 - 222

CH3X

FEA2 + + + +

4.2 4.2 4.2 4.2

+

FH2 - 297 - 96 - 88 - 71

X

Reaktionswärme von 1+2

Reaktionsverlauf

FH1,2 - 436 - 101 - 25 - 59

heftig stark mäßig keine R.

Tatsächlich verläuft die Fluorierung äußerst heftig und stark exotherm. Eine hohe Dissoziationsenergie erschwert zwar den Start der Chlorierung, aber die Kettenlänge ist dafür relativ groß. Bromierungen lassen sich leichter starten, verlaufen aber über kürzere Reaktionsketten. IodAtome lassen sich am leichtesten erzeugen, aber eine Kettenreaktion kommt nicht in Gang.

3.4 Regioselektivität der Monohalogenierung Die Halogenierung höherer unverzweigter oder verzweigter Alkane führt meist zu einem Gemisch isomerer Monohalogenalkane neben Polyhalogenalkanen. Eine quantitative Analyse der Reaktionsprodukte (Tab. 3.2) zeigt, daß die relativen Ausbeuten der isomeren Produkte nicht der statistisch erwarteten Verteilung entspricht, die von einer gleichen Reaktivität aller H-Atome des Alkans gegenüber Halogen ausgehen würde. Bevorzugt sind vielmehr Substitutionen an tertiären und sekundären C-Atomen zu Lasten der Substitution an Methyl-Gruppen. Demnach kann zwar ein Chlor-Atom alle H-Atome eines Alkans mit gleicher Wahrscheinlichkeit treffen; jedoch sind Zusammenstöße mit H am tertiären C produktiver als mit H am sekundären oder primären C. Zusätzlich zum Energiefaktor spielt hier der Orientierungsfaktor eine wesentliche Rolle. Wird bei einer Reaktion wie der Photochlorierung des Butans (Tab. 3.2) von mehreren möglichen konstitutionsisomeren Produkten (1-Chlorbutan und 2-Chlorbutan) ein Isomer begünstigt (2Chlorbutan, Tab. 3.2), so spricht man von Regioselektivität (bevorzugte Orientierung einer Reaktion). Die Regioselektivität kann in Grenzen durch Wahl der Reaktionsbedingungen gesteuert werden. So bewirkt eine durch Erhöhung der Temperatur erzwungene höhere kinetische Energie der Moleküle im Falle der Chlorierung des Butans auch eine größere Zahl produktiver Zusammenstöße mit den Methyl-H-Atomen, so daß mehr 1-Chlorbutan entstehen wird. Grenzen setzt die Reaktivität des Halogens, wie das Beispiel der Halogenierung des Propans klar macht. So verläuft die Fluorierung auch bei tiefen Temperaturen heftig und unselektiv; die Chlorierung ist bei Raumtemperatur schwach selektiv, die Bromierung auch bei höherer Temperatur hochselektiv zugunsten des 2-Halogenpropans. Iod reagiert überhaupt nicht. Daraus ergibt sich die Vorhersage, daß

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3.5 Relative Stabilität von Alkyl-Radikalen

49

große Reaktivität (FGC klein) zu geringer, schwache Reaktivität (FGC groß) zu großer Selektivität führt. Tab. 3.2. Orientierung der Monosubstitution höherer Alkane und relative Ausbeuten der Isomeren Cl

+ Cl2

H 3C CH2 CH3

/"HCl

gefunden: erwartet :

H3C CH 2 CH 2 Cl 45 % 75 %

+

H3C CH 2 CH 2 CH2 Cl

+

CH 3

/"HCl

gefunden: erwartet :

H 3C CH CH2 CH 3

25 % 60 %

75 % 40 %

gefunden: erwartet :

1° : 2° ~ 6 : 15 1° : 2° ~ 6 : 4

+ H3C C CH3

H 3C CH CH2 Cl

/"HCl

oder

CH 3

CH3

+ Cl2

H3C CH CH 3

1° : 2° ~ 6 : 7 1° : 2° ~ 6 : 2

Cl

+ Cl2

H 3C CH2 CH2 CH 3

H 3C CH CH3 55 % oder 25 %

Cl 36 % 10 %

64 % 90 %

oder

1° : 3° ~ 9 : 5 1° : 3° ~ 9 : 1

3.5 Relative Stabilität von Alkyl-Radikalen 3.5.1

Relative Stabilität und Energiegehalt

Ein Vergleich der Bindungs-Dissoziationsenergien FJ" zeigt, daß der Energiebedarf zur Homolyse einer CH-Bindung mit zunehmender Alkylierung am C abnimmt: CH3/H 427

>

RCH2/H 406

>

R2CH/H 394

>

R3C/H 381

C/H-Bindung FH" [kJ/mol]

Folglich bilden sich tertiäre Alkyl-Radikale viel leichter (FGC kleiner) als Methyl-Radikale (FGC größer). Tertiäre Alkyl-Radikale sind energieärmer und damit stabiler als Methyl-Radikale. Die energiereichen und damit labilen Methyl-Radikale zeigen aber die größte Reaktivität. Insgesamt nimmt mit abnehmender Alkylierung der Radikale die Stabilität ab und die Reaktivität zu. . CH3

<

. CH2/R

<

. CHR2

. CR3

<

Im Vergleich zum Methyl-Radikal sind Ethyl- und Propyl-Radikal um 21, Isopropyl- und t-ButylRadikal um 34 bzw. 46 kJ/mol stabiler. Eines der stabilsten bekannten Alkyl-Radikale ist Triisopropylmethyl, in dem die c-ständigen H-Atome senkrecht zur Achse des einfach besetzten pOrbitals stehen, was eine Disproportionierung erschwert. Zusätzlich wird die Dimerenbildung sterisch behindert. TriisopropylmethylRadikal

H 3C H 3C H

C

C

CH(CH 3)2 CH(CH 3)2

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50

3.5.2

3 Radikalische Substitution

Modelle zur Erklärung

Zur Erklärung der Stabilitätsunterschiede freier Radikale gibt es drei Modelle, welche für sich allein die Eigenschaften eines Alkyl-Radikals nur unzureichend beschreiben. ̈" Hyperkonjugation Im Alkyl-Radikal ist das C-Atom mit dem ungepaarten Elektron sp2-hybridisiert (Abb. 3.6). Das p-Orbital begrenzt jedoch nicht den Aufenthalt des ungepaarten Elektrons. Vielmehr ist das Elektron delokalisiert. Die Delokalisierung wird durch seitliche Überlappung des p-Orbitals mit den sOrbitalen der benachbarten Einfachbindungen ermöglicht (Hyperkonjugation). Jede Art der Delokalisierung (Verteilung) von Elektronen stabilisiert den Grundzustand eines Radikals oder Moleküls.

H

C

H

H

C

H

H

H

C H

H sp3

sp2

sp2

Ethyl-Radikal: seitliche sp 3-p-Überlappung

Methyl-Radikal

Abb. 3.6. Hyperkonjugation im Ethyl-Radikal: durch seitliche Überlappung von p-Orbital am radikalischen C3 Atom und sp -Hybridorbital am benachbarten C-Atom entsteht zusätzlicher Aufenthaltsraum für das ungepaarte Elektron

Je mehr Alkyl-Gruppen das C-Atom mit dem ungepaarten Elektron bindet, desto mehr Überlappungsmöglichkeiten bestehen, umso stabiler ist das betreffende Alkyl-Radikal. Hybridisierungswechsel Zunehmender s-Charakter komprimiert die Hybrid-Orbitale (Abschn. 1.6), so daß die Elektronen den Atomkern dichter umhüllen. Ein sp2-hybridisiertes C zieht daher seine Elektronenhülle stärker an als ein sp3-hydrisiertes C. Daraus resultiert eine Zunahme der Stärke aller von diesem C ausgehenden Bindungen, was CC- mehr als CH-Bindungen betrifft. Auch dies erklärt die Zunahme der Stabilität von Alkyl-Radikalen mit zunehmender Alkylierung. ( )- I -Effekt von Alkyl-Gruppen Die Ionisierung der Alkyl-Radikale zu Carbokationen erfordert den Energiebetrag des Ionsisationspotentials:

̈"

R

R + e0

Ein Vergleich der Ionisierung verschiedener Alkyl-Radikale zeigt, daß das ungepaarte Elektron umso leichter entfernt wird, je höher alkyliert das radikalische C ist. Dies läßt sich durch die ge-

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3.6 Mechanismen weiterer radikalischer Substitutionen

51

genüber Wasserstoff größere Polarisierbarkeit der Methyl-Gruppen erklären. Alkyl-Gruppen vermindern also den Elektronenmangel am C. Allgemein ordnet man Gruppen am C-Atom, die Elektronen stärker als Wasserstoff anziehen, einen negativen induktiven Effekt [(/)-I-Effekt] zu. Umgekehrt wird Resten, die Elektronen weniger anziehen als Wasserstoff, z. B. Alkyl-Gruppen, ein positiver induktiver Effekt zugeschrieben [(-)-I-Effekt]. Der stabilisierende (-)-I-Effekt von Alkyl-Gruppen nimmt mit dem Verzweigungsgrad zu: . CH3

. CH2/R

<

. CHR2

<

. CR3

<

3.6 Mechanismen weiterer radikalischer Substitutionen Alle Radikal-Reaktionen folgen im wesentlichen den hier diskutierten Mechanismen. So wird die schonende Chlorierung der Alkane mit Sulfurylchlorid in Gegenwart von Diacylperoxiden ebenfalls durch Chlor-Radikale gestartet, die in mehreren Schritten entstehen. O Diacylperoxid

R

C

O O

O

C

R

2R C

O Sulfurylchlorid

SO2Cl2

+

2R

+ 2 CO2

O

R

SO2Cl

R Cl

+

SO2Cl

SO2

+

Cl

Die anschließende Kettenreaktion folgt dem Schema der Chlorierung des Methans: Edukte

RH

intermediäre Radikale

Cl

Produkte

SO2Cl2 R

RH

SO2Cl2

Cl

HCl

RCl

R HCl

Cl RCl

Analog verlaufen die Sulfochlorierung der Alkane zu Alkansulfonylchloriden und die GasphasenNitrierung der Alkane zu Nitroalkanen (Abschn. 2.7.5 und 2.7.6). Die Homologisierung von Alkanen durch Carbene verläuft ebenfalls radikalisch. Carben selbst, entsteht durch Photolyse des Ketens unter Abspaltung von Kohlenmonoxid oder durch thermischen Zerfall des Diazomethans unter Abspaltung von Stickstoff. hp CH 2 C O Keten

/ CO

Hitze

[ :CH2 ] Carben

/ N2

CH2N 2 Diazomethan

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3 Radikalische Substitution

Je nach Bindungszustand des Carbens erfolgt die Reaktion mit Alkanen nach zwei Mechanismen. Triplett-Carben, das weniger reaktive aber selektive Biradikal reagiert nach einem AbstraktionsKombinations-Mechanismus in der Gasphase: H C H

+

H C sp3

sp

H3C

+

C sp2

sp2

H3C C sp3

Singulett-Carben reagiert aufgrund seiner höheren Reaktivität in Lösung direkt über ein cyclisches Intermediat: H2C

H C H sp2

+

H C

H

C

H CH 2 C

Carben mit gepaarten Elektronen

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4.1 Nomenklatur und Konstitutionsisomerie der Alkene

53

4 Alkene 4.1 Nomenklatur und Konstitutionsisomerie der Alkene Alkene sind Kohlenwasserstoffe mit CC-Doppelbindungen. Man bezeichnet sie auch als ungesättigt, da sie durch Aufnahme von Wasserstoff in die gesättigten Alkane übergehen. Einfachster Vertreter ist das Ethen, aus dem man durch sukzessiven Einschub von CH2-Gruppen formal die homologe Reihe der Alkene mit der allgemeinen Summenformel CnH2n ableiten kann (Tab. 4.1).

Tab. 4.1. Nomenklatur ausgewählter Alkene und Konstitutionsisomerer mit unterschiedlicher Position der Doppelbindung Summenformel

1-Alken

Konstitutionsisomer(e)

C 2H 4

H 2C=CH2 Ethen

C 3H 6

H 2C=CH/CH 3 Propen

C 4H 8

H 2C=CH/CH 2/CH 3 1-Buten

H 3C/CH=CH/CH3 2-Buten

C 5H 10

H 2C=CH/CH 2/CH 2/CH 3 1-Penten

H 3C/CH=CH/CH2/CH3 2-Penten

C 6H 12

H 2C=CH/CH 2/CH 2/CH 2/CH 3 1-Hexen

H 3C/CH=CH/CH2/CH2/CH3 2-Hexen

H 3C/CH 2/CH=CH/CH 2/CH 3 3-Hexen

Tab. 4.1 zeigt, daß längerkettige Alkene (ab Buten) Konstitutionsisomere bilden, die sich durch die Position ihrer CC-Doppelbindung unterscheiden. So gibt es für die Summenformel C6H12 neben kürzerkettigen verzweigten Isomeren drei Konstitutionsisomere identischer Kettenlänge, nämlich 1-, 2- und 3-Hexen. Die Beispiele (Tab. 4.1) demonstrieren auch die Regeln zur IUPACBezeichnung der Alkene: ̈" ̈" ̈" ̈"

Die Bezeichnung richtet sich nach der längstmöglichen C-Kette, die beide C-Atome der Doppelbindung enthält. Die Positionsbezifferung beginnt an dem der Doppelbindung nächstliegenden C-Atom. Die Ziffer des dem Kettenende nächstliegenden C-Atoms der Doppelbindung gibt deren Position an. Die Endung "an" der gleich großen Alkan-Kette wird durch "en" ersetzt.

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4 Alkene

Positionsbezifferung, Bezeichnung und alphabetische Folge der Substituenten richten sich nach den für die Alkane beschriebenen Regeln (Abschn. 2.1.3), wie das Beispiel zeigt: 3

CH 3

2

1

CH CH CH2 Cl

H3C CH CH2 CH CH 2 CH3 7

6

5

1-Chlor-4-ethyl-6-methyl-2-hepten

4

Von den (Mono-)Alkenen mit einer CC-Doppelbindung unterscheidet man die in Abschn. 6 behandelten Diene mit zwei, Triene mit drei und Polyene mit mehreren Doppelbindungen. Frühere, teilweise immer noch verwendete Bezeichnungen für Ethen, Propen und 2-Methyl-1propen sind Ethylen, Propylen und Isobuten. Als Substituenten häufig auftretende AlkenylGruppen sind Vinyl- (H2C=CH/), Allyl- (H2C=CH/CH2/) und Propenyl- (H3C/CH=CH/). Entsprechend wird Chlorethen meist als Vinylchlorid und 3-Brom-1-propen als Allylbromid bezeichnet.

4.2 Geometrie und Molekül-Orbital-Modell Alkene sind an der Doppelbindung eben. Alle von den doppelt gebundenen C-Atomen ausgehenden Bindungen schließen Bindungswinkel von etwa 120° ein (Abb. 4.1 a). Die CC-Doppelbindung der Alkene ist mit 134 pm deutlich kürzer als die CC-Einfachbindung der Alkane (154 pm), während die CH-Atomabstände in Alkanen und Alkenen gleich sind (109 pm). Die Bindungsenergie einer CC-Doppelbindung beträgt 595 kJ/mol und ist damit weniger als doppelt so groß im Vergleich zur CC-Einfachbindung (335 kJ/mol). Offensichtlich ist die zweite (r-) Bindung schwächer. r

H

H 122 °

(a)

117 °

C

108 pm

C

134 pm

H

H

(b)

C

u

C

H

H H

H r

Abb. 4.1. Ethen, (a) Molekülgeometrie, (b) r-Molekülorbital

Im Molekül-Orbital-Modell kommt die CC-Doppelbindung durch eine u- und eine r-Bindung zustande (Abschn. 1.7.3, Abb. 4.1 b). Die u-Bindung resultiert aus der Endüberlappung zweier sp2-Hybrid-Orbitale der Bindungspartner, die r-Bindung durch seitliche Überlappung zweier auf der sp2-Ebene senkrecht stehender, koaxialer p-Orbitale. Der im Vergleich zur CC-Einfachbindung kürzere Atomabstand wird durch die geringere Radialausdehnung der überlappenden sp2Hybridorbitale erklärt; dies ermöglicht erst eine seitliche Überlappung der p-Orbitale, die allerdings weniger effektiv ist als eine Endüberlappung, was wiederum die geringere Stärke der rBindung verständlich macht.

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4.3 Relative Konfiguration, Konfigurationsisomerie

55

4.3 Relative Konfiguration, Konfigurationsisomerie 4.3.1

(Z,E)-Isomere Alkene

Die r-Bindung verhindert unter normalen Bedingungen eine Rotation um die CC-Doppelbindung. Dementsprechend gibt es bei mehrfach substituierten Ethenen Konfigurationsisomere, die sich durch ihre relative Konfiguration bezüglich der CC-Doppelbindung unterscheiden. Die Stellung zweier Substituenten auf der gleichen Seite der Doppelbindung wird als Z (von zusammen) oder cis-, auf entgegengesetzten Seiten dagegen als E (von entgegen) oder trans- bezeichnet. H

H C

C

X X Substituenten zusammen: (Z)- oder cis-

X

H C

C

H X Substituenten entgegen: (E)- oder trans-

Molekülmodelle in Abb. 4.2 zeigen die gestreckte Molekülform des (E)-2-Butens und die kompaktere des (Z)-Isomers, in dem sich die H-Atome der Methyl-Gruppen sehr nahe kommen.

Abb. 4.2. Konfigurationsisomerie: Stab-, Kugel-Stab- und Kalotten-Modelle (von links nach rechts) des (Z)-2Butens (oben) und des (E)-Isomers (unten)

Abb. 4.3 vergleicht die Energiebarriere der Konformeren des Butans (14 kJ/mol) mit dem Energieunterschied von (E)- und (Z)-2-Buten (150 kJ/mol). Während die Rotationsbarriere der Kon-

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56

4 Alkene

formeren des Butans bei Raumtemperatur bereits durch die kinetische Energie der Moleküle aufgebracht wird, so daß keine Trennung gelingt, können konfigurationsisomere Alkene z. B. durch Destillation getrennt werden. Epot

Epot FEA ~ 150 kJ / mol FEA ~ 14 kJ / mol

CH3 H3C

H3C

H C

C

H

CH3 C

H

H

H

C

H

H H cis- (Z)Sdp.: + 4 °C

H CH3 trans- (E)Sdp.: + 1 °C

CH3 H

CH3

H

CH3 anti

H

syn

Reaktionskoordinate

Reaktionskoordinate

(a)

(b)

Abb. 4.3. Energiebarrieren (a) der Konfigurationsisomeren des 2-Butens, (b) der Konformeren des Butans

Durch homolytische oder heterolytische Öffnung der r-Bindung, nachfolgende Drehung um die verbleibende CC-u-Bindung der radikalischen oder ionischen Intermediate und Rückbildung der r-Bindung isomerisiert das Alken. Starkes Erhitzen (thermische Reaktion) oder Bestrahlung mit UV-Licht (Photoreaktion) führt die erforderliche Energie (< 150 kJ/mol) zu.

4.3.2

Physikalische Eigenschaften von (Z,E)-Isomeren

Ob ein Alken als (Z)- oder (E)-Isomer vorliegt, kann spektroskopisch oder durch Messung physikalischer Eigenschaften, z. B. des Dipolmoments o entschieden werden. Die Dipolmomente der Isomeren des 1,2-Dichlorethens und 2-Butens ergeben sich z. B. durch vektorielle Addition der Dipolmoment-Inkremente o1 und o2 beider CCl- bzw. CCH3-Bindungen. 1,2-Dichlorethen (Z)(E)Cl

o1 o2

C H

Cl

C

o2

H C

H

o = 1.85

Cl o 1

2-Buten

(Z)Cl

H3C

C

o1 o2

C H

(E)CH 3

C

H

o =0 o >0 (Dipolmomente in Debye-Einheiten [D])

o2

H C

H

CH3

C

H 3C o 1

H

o =0

Aus den Dipolmomenten läßt sich vorhersagen, daß die polareren (Z)-Alkene höher sieden als ihre (E)-Isomeren (Tab. 4.2). Aufgrund unterschiedlicher Siedepunkte gelingt die Trennung von (Z,E)-

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4.4 Darstellung

57

Isomeren durch fraktionierte Destillation. Dagegen schmelzen die (Z)-Isomeren tiefer, weil ihre Molekülgeometrie im Kristallgitter eine weniger dichte Packung und damit geringere Gitterkräfte zuläßt. Zusätzliche einfach meßbare Unterscheidungsmerkmale von (Z,E)-Isomeren sind die Dichten und Brechungsindizes (Tab. 4.2). Tab. 4.2. Schmelz- und Siedepunkte sowie Dichten und Brechungsindizes nD ausgewählter konfigurationsisomerer Alkene Konfigurationsisomer (Z)- = cis-2-Buten (E)- = trans-2-Buten (Z)- = cis-1,2-Dichlorethen (E)- = trans-1,2-Dichlorethen

Schmp. °C

Sdp. °C

Dichte g/L

nD

/139 /106 /80 /50

3.7 1.0 60 48

0.6213 0.6042 1.2837 1.2565

1.3931 1.3848 1.4490 1.4454

4.4 Darstellung 4.4.1

Pyrolytische Dehydrierung und Spaltung von Alkanen (Cracking)

Kurzkettige Alkene werden industriell durch „Cracking“ hergestellt: Bei Temperaturen von 450 500 °C und in Gegenwart von Mischoxid-Katalysatoren (Al2O3/SiO2/Cr2O3) spalten die Alkane in Alkene und Wasserstoff über freie Radikale als Zwischenstufen. Ethan wird auf diese Weise zu Ethen dehydriert; Spaltprodukte des Propans sind Propen, Ethen, Methan und Wasserstoff. H3C CH 3

H2C=CH 2 H3C

2 H3C CH 2 CH3

4.4.2

+

CH=CH 2

H2 +

H 2C=CH 2

+

CH4

+

H2

Partielle Hydrierung von Alkinen

Die cis-Hydrierung von Alkinen mit LINDLAR-Katalysatoren macht cis-Alkene zugänglich. LINDsind durch leichte Vergiftung (z. B. mit BaSO4) gebremste Platinmetalle (Pd, Pt), so daß die zunächst gebildeten Alkene nicht zu den Alkanen durchhydriert werden. Da das an der Metalloberfläche chemisorbierte H2-Molekül sich der Dreifachbindung nur von einer Seite nähern kann, entsteht ein (Z)-Alken. LAR-Katalysatoren

(LINDLAR-Kat.)

Alkin

R C C R + H H

R

R (Z)-Alken

C C H

H

Katalysator-Oberfläche

Die cis-Hydrierung von Alkinen ist ein Beispiel stereoselektiver Reaktionen, bei denen von mehreren möglichen Stereoisomeren nur eines gebildet wird. Auch (E)-Alkene entstehen stereoselektiv durch Reduktion von Alkinen mit Natrium in flüssigem Ammoniak. Im ersten Schritt des vierstufigen Mechanismus reduziert Natrium das Alkin zum Radikal-Anion, dessen (E)-Konfiguration

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58

4 Alkene

wegen der im Vergleich zum (Z)-Isomer viel schwächeren elektrostatischen Wechselwirkung der Elektronen (Elektronenpaar und ungepaartes Elektron) bevorzugt wird. R

+ Na

R C C R

/"Na+

Alkin

4.4.3

+ NH3

C C

/"NH2

R

R

/

Radikal-Anion

+ Na

C C H

R

/"Na+

Radikal

R

+ NH3

C C H

/"NH2

R

R

/

Anion

H C C

H

R

(E)-Alken

Alken-bildende -Eliminierungen

Jede Verbindung mit der Verknüpfung CH/CX kann im Prinzip durch Abspaltung von HX ein Alken C=C bilden. Viele Alken-Synthesen folgen diesem Schema der d-Eliminierung von HX; d bedeutet hier, daß H und X d-ständig, d. h. nicht am selben C, sondern an benachbarten C-Atomen gebunden sind. H

/ HX

C C

C C

X

Dehydratisierung von Alkoholen Alkohole (X=OH) spalten unter Säurekatalyse (Schwefelsäure, Phosphorsäure) Wasser ab und bilden so Alkene. Dabei nimmt die Tendenz zur Dehydratisierung mit zunehmender Alkylierung des die OH-Gruppe tragenden C-Atoms zu; tertiäre Alkohole wie t-Butylalkohol eliminieren viel leichter Wasser als primäre wie Ethanol: ̈

Alkohol

1°

2°

3°

Ethanol

2-Propanol (Isopropylalkohol)

2-Methyl-2-propanol (t-Butylalkohol) CH 3

H3C CH 2 OH

H 3C CH CH 3

H3C C CH 3

OH 170 °C 75% H2SO4 /"H2O

Reaktionsbedingungen

OH 85 °C 60% H2SO4 /"H2O

100 °C 60% H2SO4 /"H2O H 3C

H 2C=CH 2

H3C CH=CH2

Ethen

Propen

Alken

C CH 2 H 3C Methylpropen (Isobuten)

Erster Schritt der Dehydratisierung ist die Protonierung des Alkohols zum Oxonium-Ion; dieses dehydratisiert zum Carbenium-Ion, aus dem nach Abspaltung eines Protons am d-C-Atom das Alken hervorgeht: OH

OH2

+ H+

/ H+

/"H2O

C C

C C

C C

H

H

H

Oxonium-Ion

C C

Carbenium-Ion

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4.4 Darstellung

59

Viele Alkohole lassen sich thermisch über ihre Ester und andere Derivate dehydratisieren. Beim Erhitzen des Essigsäure-t-butylesters (t-Butylacetat) entsteht z. B. 2-Methylpropen (Isobuten). CH3

O

CH3 t-Butylacetat

O

CH 2

100 °C

H3C C O C

+

H 3C C CH3

H 3C C OH

CH 3 Methylpropen

Essigsäure

Dehydrohalogenierung von Halogenalkanen Unter Basenkatalyse eliminieren die Halogenalkane (meist X = Cl, Br) Halogenwasserstoff (HCl, HBr); dabei bildet sich ein Alken. In Analogie zu den Alkoholen ist die Tendenz zur Dehydrohalogenierung für tertiäre Halogenalkane stärker als für sekundäre und primäre, wie die Beispiele zeigen. ̈

Halogenalkan

1°

2°

3°

1-Chlorpropan (n-Propylchlorid)

2-Chlorpropan (Isopropylchlorid)

2-Chlor-2-methylpropan (t-Butylchlorid)

H3C CH 2 CH2 Cl

H3C CH CH3

H 3C C CH3

Cl

Cl

CH3

trocken erhitzen über KOH, CaO

Reaktionsbedingungen

erhitzen in Pyridin

KOH in Ethanol H3C H 3C CH=CH 2

H3C CH=CH2 Alken

Propen

C CH2 H3C Methylpropen (Isobuten)

Propen

Basenkatalysierte Dehydrohalogenierungen sind ebenfalls d-Eliminierungen. Dabei greift die Base (OH/) an einem zum Halogen d-ständigen H-Atom an. Aus dem Übergangszustand entsteht das Alken durch synchrone Abspaltung von Wasser und Halogenid-Anion: H

4.4.4

+ OH

/

HO H

/

/"X , / H2O

C C

C C

X

X

C C

Dehalogenierung von 1,2-Dihalogenalkanen

Mit Zinkstaub als Reduktionsmittel gelingt die Dehalogenierung von 1,2-Dihalogenalkanen zu Alkenen. Br

+ Zn in Ethanol, / ZnBr 2

R

R CH CH R Br c,d -Dibromalkan

H

+ Br 2

H

R sowie

C C R

R C C H H

trans- und cis-Alken

Die Reaktion eignet sich zur Reinigung von Alkenen; Bromaddition an die Alkene gibt die 1,2Dibromalkane, aus denen die Alkene durch Dehalogenierung mit Zink regeneriert werden können.

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60

4 Alkene

4.4.5

Reduktive Kupplung von Carbonyl-Verbindungen: MCMURRY-Reaktion

Die reduktive Kupplung von Carbonyl-Verbindungen (Ketone, Aldehyde) mit niedervalentem Titan (MCMURRY-Reaktion) bewährt sich vor allem zur Synthese symmetrisch und sperrig substituierter Alkene. Aus Di-i-propylketon entsteht z. B. Tetra-i-propylethen [R = /CH(CH3)2]. R C O

R O C R

+

R

R

+ 2 Ti (0) [TiCl3, LiAlH4] / 2 TiO

R

Carbonyl-Verbindung (Keton oder Aldehyd)

4.4.6

R C C R Alken

Carbonyl-Alkenylierungen

Einige für Aldehyde und Ketone typische und dort näher erläuterte Reaktionen (Abschn. 20) wie KNOEVENAGEL-, WITTIG- und PETERSON-Alkenylierung sind sehr vielseitig anwendbare AlkenSynthesen. KNOEVENAGEL-Alkenylierung Aldehyde und Ketone (Carbonyl-Verbindungen) reagieren mit aciden Methylen-Verbindungen (z. B. Malonsäurdiethylester, E = COOR´ oder Malonsäuredinitril, E = CN) in Gegenwart von Basen zu Alkenen. ̈

R

E +

C O

(Base)

H 2C

R

/"H2O

E

Carbonyl-Verbindung

acide Methylen-Verbindung

R

E E = /COOR´, /CN

C C R

E Alken

WITTIG-Alkenylierung Aldehyde und Ketone bilden mit Alkylidenphosphoranen Triphenylphosphanoxid und Alkene in guten Ausbeuten. ̈

R´ (C6H 5)3P C R´

R +

C O R Carbonyl-Verbindung

R

/ (C6H5) 3P=O

R´ C C

R

Alkylidenphosphoran

R´ Alken

̈ PETERSON-Alkenylierung Tetraalkylsilane mit c-ständigem H (z. B. Isopropyltrimethylsilan, R = CH3) addieren in Gegenwart starker Basen an Aldehyde oder Ketone; die entstehenden d-Hydroxyalkylsilan-Anionen reagieren nach Säurezusatz unter d-Eliminierung von Trialkylsilanol zu Alkenen. R´

R C R

R

+

Si(CH 3)3 H

Tetraalkylsilan

/ H (Base)

+ O

R C Si(CH 3)3 c-Trimethylsilyl-Carbanion

C R´

R R (CH 3)3Si

R´ R´ O

c-Trimethylsilylalkoholat

+ H+

/"(CH3) 3SiOH

R

R´ C C

R

R´ Alken

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4.5 Reaktionen

61

4.5 Reaktionen Alkene sind wesentlich reaktiver als Alkane aus folgenden Gründen: ̈" r-Molekülorbitale sind energiereicher als u-MOs; r-Bindungen sind daher weniger stabil. ̈" Die exponierte Lage der r-Bindungen ober- und unterhalb der CC-Bindungsebene des Alkens (Abb. 4.1) begünstigt Reaktionen (keine sterische Behinderung). ̈" Die hohe r-Elektronendichte ober- und unterhalb der CC-Doppelbindung ist für Elektrophile (elektronensuchende Reagenzien) besonders attraktiv. Typisch für Alkene sind daher Additionen von Elektrophilen an die CC-Doppelbindungen (elektrophile Additionen). Dabei wird die r-Bindung gelöst; aus den "ungesättigten" Alkenen entstehen dabei "gesättigte" Alkan-Derivate.

4.5.1

Addition von Wasserstoff (Katalytische Hydrierung)

Die Addition von Wasserstoff an Alkene in Gegenwart von Metallkatalysatoren (katalytische Hydrierung) wurde bereits als Methode zur Darstellung der Alkane besprochen (Abschn. 2.6.1). Metallkatalyse

C C

+

C C

H2

H H

Katalytische Hydrierungen verlaufen quantitativ; durch volumetrische Messung des zur Hydrierung verbrauchten Wasserstoffs läßt sich die Anzahl der CC-Doppelbindungen in einer Verbindung quantitativ bestimmen. Besonders wirksame Katalysatoren sind neben Cu, Fe und Co vor allem die Platinmetalle; Pt und Pd werden feinverteilt auf Aktivkohle eingesetzt; RANEY-Nickel wird aus einer NickelAluminium-Legierung durch Abreaktion des Aluminiums mit Natronlauge hergestellt. Das an der Metalloberfläche aktivierte H2-Molekül addiert von einer Seite an die CC-Doppelbindung. Die heterogene katalytische Hydrierung ist daher eine cis-Addition. Diese Stereoselektivität macht sich bei Alkanen wegen der freien Drehbarkeit um die CC-Einfachbindungen meist nicht bemerkbar, wird jedoch bei der Hydrierung von Alkinen zu cis-Alkenen genutzt (Abschn. 4.4.2). C H

C

C H

H

C

H

H

H

Ni, Pd oder Pt H H H2 auf Metalloberfläche adsorbiert und aktiviert

cyclischer Übergangszustand einer Vierzentren-Reaktion

H H H-Atome im Alkan stehen syn

Ohne Katalysator erfolgt wegen einer zu hohen Aktivierungsenergie FEA1 praktisch keine Hydrierung; der Katalysator senkt die Aktivierungsenergie auf FEA2 (Abb. 4.4). Insgesamt sind Hydrierungen exotherm. Die Spaltung einer r-Bindung erfordert 251 kJ/mol; zur Lösung der HH-

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62

4 Alkene

Bindung des H2-Moleküls werden 436 kJ/mol benötigt; die Bildung jeder neuen CH-Bindung setzt dagegen 406 kJ/mol frei. Dementsprechend erhält man als Bilanz die Hydrierwärme FJ pro Doppelbindung FH = + 251 + 436 / 2 x 406 = / 125 kJ / mol . Epot

ohne Kat.

FEA1 mit Kat.

FEA2

FH

C C

+ H2

C C H H Reaktionskoordinate

Abb. 4.4. Energieprofil der katalytischen Hydrierung eines Alkens

Konstitution und relative Konfiguration des Alkens beeinflussen seine Hydrierwärme FJ. Da FJ den Energieinhalt eines Alkens in Bezug auf das entsprechende Alkan widerspiegelt, kann man die relative Stabilität von Alkenen aufgrund ihrer Hydrierwärmen reihen: H3C

CH3 C C CH3 H3C

FH =

H 3C

CH 3

H3C

C C H 3C

/ 111

H

H

C C H

/ 113

H3C

H

H

C C H 3C

H

/ 119

H C C

H

/ 126

H

/ 137

H kJ / mol

An den Hydrierwärmen erkennt man auch, daß (E)-Alkene thermodynamisch stabiler sind als die (Z)-Isomeren: H3C

H C C H CH3

(E)-2-Buten

FH =

/ 116

H 3C

CH 3

(Z)-2-Buten

C C H

H

/ 120

kJ / mol

Eine Hydrierung von Alkenen in homogener Phase gelingt mit dem WILKINSON-Katalysator, Tris(triphenylphosphan)-rhodium(I)chlorid, RhCl[P(C6H5)3], oder mit Diazen (Diimid, HN=NH), das durch Oxidation von Hydrazin mit H2O2 in Gegenwart von Kupfer(II)-Ionen in situ erzeugt wird: H2N NH2 + H2O2

HN NH + 2 H 2O

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4.5 Reaktionen

63

Über einen cylischen Übergangszustand erfolgt cis-Addition des Wasserstoffs. R R

4.5.2

CH CH

H + H

R

N N

R

H C C H

H H

R N

CH 2

N

CH 2

R

+

N N

Addition von Boran (Hydroborierung)

Borhydride und Diboran addieren an Alkene unter Bildung von Trialkylboranen (Hydroborierung nach H.C. BROWN). / 3 NaCl, / AlH3

9 R CH=CH2

+

3 NaBH4

6 R CH=CH2

+

B2H6

+

3 (R CH 2 CH 2)3B

AlCl3

2 (R CH 2 CH 2)3B Trialkylboran

Die Hydroborierung mit Natriumborhydrid und Aluminiumchlorid in hochsiedenden Ethern verläuft über das reaktive Intermediat B2H7/. Trialkylborane werden durch Wasserstoffperoxid zu Alkoholen oxidiert. + 3 H2O2 , / 3 H2 O

+ 3 H2 O

(R CH2 CH2)3B

3 R CH2 CH2 OH

(R CH2 CH2 O)3B Borsäuretrialkylester

4.5.3

+

B(OH)3

primärer Alkohol

Addition von Halogen (Halogenierung)

In inerten Lösemitteln addieren Chlor und Brom spontan an Alkene unter Bildung von 1,2-Dihalogenalkanen. Die Addition von Brom an ein Alken erkennt man deutlich an der Entfärbung des braunroten Broms (Nachweis von CC-Doppelbindungen). X +

C C

C C

X2

X c,d -Dihalogenalkan

Chlor reagiert rascher als Brom, Iod nur als IBr oder ICl. Während die Addition von Fluor unkontrolliert über freie Radikale abläuft, erfolgt die Bromierung elektrophil. Dabei wird Brom durch die r-Bindung des Alkens zunächst polarisiert, dann heterolytisch zum Bromonium-Bromid gespalten. Schließlich addiert das Bromid-Anion aus sterischen Gründen an die Rückseite des Bromonium-Ions (trans-Addition). Br C C + Br

C C

Br

Br f

f Br /

+ Br Bromonium-Ion

Br

C C Br c,d-Dibromalkan

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64

4 Alkene

Die Halogenonium-Ionen als reaktive Zwischenstufen können auch mit Wasser oder Methanol anstelle von Halogenid-Ionen weiterreagieren. Daher ergibt die Reaktion von Brom oder Chlor in Gegenwart von Wasser sowie Methanol Chlorhydrine bzw. Bromhydrine sowie deren Methylether: CH 3 H2C C CH 3

+ Br 2 , + H2O

H 2C CH 2

HO CH 2 CH2 Br

/"HBr

/"HBr

Ethylenbromhydrin (2-Bromethanol)

4.5.4

CH 3

+ Br 2 , + CH3 OH

Br CH 2 C CH 3 OCH3 1-Brom-2-methoxy2-methylpropan

Elektrophile Addition von Halogenwasserstoff (Hydrohalogenierung)

Die Addition von Halogenwasserstoff an Alkene liefert Halogenalkane. Bromethan (Ethylbromid) entsteht z. B. aus Ethen und Brom: H2C CH2

+

H 3C CH 2 Br

HBr

Bromethan (Ethylbromid)

Bei dieser in Abschn. 5 näher besprochenen Reaktion addiert ein Proton (LEWIS-Säure) als Elektrophil an die CC-Doppelbindung (LEWIS-Base). Es entsteht ein Carbenium-Ion, das mit einem Bromid-Anion als Nucleophil zum Bromalkan abreagiert. H

+ [H+]

+ Br

C C

4.5.5

H

/

C C

C C

Carbenium-Ion

Br Bromalkan

Elektrophile Addition von Wasser (Hydratisierung)

Der Hydrohalogenierung analog verläuft die Addition von Wasser an Alkene unter Säurekatalyse. t-Butylalkohol wird auf diese Weise industriell aus 2-Methylpropen hergestellt. CH3 H2C C CH3

[H+]

+

H 2O

CH 3

2-Methyl-2-propanol (t-Butylalkohol)

H 3C C OH CH 3

Entsprechendes gilt für die Umsetzung von Alkenen mit konzentrierter Schwefelsäure zu Alkylhydrogensulfaten, die durch Wasser zu Alkoholen und Schwefelsäure hydrolysiert werden. 0 °C

H3C CH CH 2

+ H2SO4

+ H2O , Hitze

H3C CH CH 3

H 3C CH CH3

+

H 2SO4

OH 2-Propanol (Isopropylalkohol)

OSO3H Isopropylhydrogensulfat

Mit den gebildeten Alkoholen können die Alkylhydrogensulfate auch zu Ethern weiterreagieren. R O SO3H Alkylhydrogensulfat

+

HO R

R O R

+

HO SO3H

Dialkylether

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4.5 Reaktionen

4.5.6

65

Elektrophile Addition von Formaldehyd (PRINS-Reaktion)

Formaldehyd wird in wäßriger Säure protoniert; er ist in diesem Zustand ein KohlenstoffElektrophil, das bei der PRINS-Reaktion an die CC-Doppelbindung eines Alkens unter Bildung eines Carbenium-Ions addiert. Dessen Hydrolyse führt zu einem 1,3-Diol; aus Propen (R = CH3) wird auf diesem Weg 1,3-Butandiol hergestellt. + H3O+

O H

C

/ H2O

H

Formaldehyd

4.5.7

OH H

C

+

R

R

H

H

protonierter Formaldehyd

OH

+ 2 H2O

C CH2 CH2OH

R C CH 2 CH2OH

/ H3O+

H

Carbenium-Ion

1,3-Diol

cis -Dihydroxylierung mit Osmiumtetroxid und Permanganat

Osmiumtetroxid in Ether-Lösung und Kaliumpermanganat in Wasser cycloaddieren an Alkene zu cyclischen Estern, die zu 1,2-Diolen hydrolysieren. O

C

+

C

0 °C

O

C C

O

O

C

O

0 °C

O

C

O

C

O

/ H2OsO4

C

C

O

O

OH OH

1,2-Diol (cis-Orientierung)

O

+ 2 H2O

C

O

/ HMnO3 /"OH/

C

Mn

Mn O

+ 2 H2O ( Na2SO3 )

cyclischer Osmiumsäureester

Osmiumtetroxid

+

O Os

Os O

C

O

Permanganat

OH OH

1,2-Diol (cis-Orientierung)

Die einseitige Knüpfung zweier CO-Bindungen bewirkt cis-Stereoselektivität (beide OH auf derselben Seite des Alkens). Bei offenkettigen Alkenen macht sich diese Selektivität wegen der freien Drehbarkeit um CC-Einfachbindungen nicht bemerkbar; aus Cycloalkenen entstehen jedoch cis1,2-Cycloalkandiole.

4.5.8

trans -Dihydroxylierung über Oxirane

Oxirane bilden sich durch Cycloaddition von Sauerstoff (meist aus Peroxycarbonsäuren) an Alkene (PRILEZHAEV-Epoxidation, Abschn. 16.4.3). Saure Hydrolyse der Oxirane führt ebenfalls zu 1,2-Diolen. Da hierbei das Wasser von der Rückseite des Oxiran-O-Atoms angreift, entstehen aus Cycloalkenen stereoselektiv trans-1,2-Diole (Abschn. 15.5.1). C C Alken

O

+ O H

R C O

Peroxycarbonsäure

/ RCO2H

C C

+ H3 O+

O

Oxiran

C C

C

O H + H2O

protoniertes Oxiran

H2O

OH

C

trans-Orientierung

/ [H+]

C HO

OH

C

1,2-Diol

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66

4 Alkene

4.5.9

1,3-dipolare Cycloaddition von Ozon (Ozonolyse)

Ozon addiert als 1,3-Dipol an CC-Doppelbindungen unter Bildung eines Fünfrings. Das durch diese 1,3-dipolare Cycloaddition zunächst entstandene Primärozonid lagert sich unter Ringöffnung und erneuter Cyclisierung der intermediären 1,2- und 1,3-Dipole in das isomere Ozonid um. Ozon (1,3-Dipol) O R

O +

O

O O

R

C C R

R

C

O

O O R2C

C

R R R Primärozonid

R Alken

O

+ H2O

O O

CR 2

R 2C

O

R

+

(Zn, H3O )

CR 2

2

/ H2O2

C O R

Carbonyl-Verbindung ( R = H : Aldehyd R = Alkyl : Keton)

Ozonid

Die explosiven Ozonide zerfallen mit Wasser unter reduzierenden Bedingungen (Zink und Säure) zu Carbonyl-Verbindungen (Aldehyde, Ketone). Aus dem Ozonid des 2-Methyl-2-hexens entsteht auf diese Weise Aceton (ein Keton) und Butanal (ein Aldehyd). Verknüpft man beide CarbonylC-Atome durch eine Doppelbindung, so ergibt sich rekonstruktiv das Ausgangs-Alken. Hierauf beruht die Anwendung der Ozonolyse (Ozonidspaltung) zur Konstitutionsaufklärung von Alkenen. H 3C

H C C H 3C CH 2 CH2 CH3

O3 / Zn / H3O+

+

C O H 3C

2-Methyl-2-hexen

4.5.10

H 3C

Aceton (ein Keton)

H O C CH 2 CH2 CH3 Butanal (ein Aldehyd)

Radikalische Addition und Substitution

Radikalische Addition von Halogenwasserstoff Bei der ionischen elektrophilen Addition von Halogenwasserstoff an Alkene addiert zunächst ein Proton an die CC-Doppelbindung. Intermediär entsteht das stabilere Carbenium-Ion. So bildet sich bevorzugt 2-Brompropan aus Propen, weil das 2-Propyl-Kation stabiler ist als das 1-PropylKation. ̈

H H3C CH CH 2 Propen

+

+

-

H Br

H3C

C

CH 3

2-Propyl-Kation

+

Br

H 3C CH CH3 Br 2-Brompropan

Die lichtinduzierte Addition von Bromwasserstoff an ein Alken ergibt zunächst ein Brom-Radikal, das an die CC-Doppelbindung des Alkens addiert; dabei bildet sich das stabilere, höher alkylierte Radikal (Kettenreaktionsschritt 1). Dieses Bromalkyl-Radikal reagiert mit HBr zum Bromalkan unter Freisetzung eines neuen Brom-Radikals (Kettenreaktionsschritt 2). Die radikalische Addition von HBr an Propen liefert also 1-Brompropan.

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4.5 Reaktionen

67

Propen H 3C CH CH 2

H Br hp

Start

2 H 3C CH CH 2 Br

Br H

H Br

H 3C CH CH 2

H Br

1

1

2

Br

H 3C CH CH 2 Br

Br

H 3C CH2 CH 2 Br 1-Brompropan

H 3C CH 2 CH2 Br

Gestartet wird die radikalische Addition von Bromwasserstoff durch Bestrahlung (a) oder durch Zugabe von Peroxiden (b): (a)

Photolyse des Bromwasserstoffs

(b)

Zerfall von Peroxiden

hp

H Br R O O

H

+

Br

R , R O ,

O R O

R R

+

H Br

R H

+

Br

Die in Kettenreaktionsschritt 1 gebildeten Alkyl-Radikale können wie das Brom-Atom auch an CC-Doppelbindungen addieren, so daß die Polymerisation des Alkens (Abschn. 4.5.12) konkurriert. + C C C C

+

C C C C

C C

C C C CnC C

n

dimeres Radikal

polymeres Radikal

Radikalische Substitution (Allyl-Halogenierung) Halogene (Cl2 oder Br2) addieren an Alkene im Dunkeln bei tiefer Temperatur und in Lösung über Halogenonium-Ionen zu 1,2-Dihalogenalkanen (Abschn. 4.5.3). Läßt man Chlor oder Brom im Überschuß in der Gasphase bei hoher Temperatur (500 - 600 °C) oder in Gegenwart von Licht mit Alkenen reagieren, so findet man Allylhalogenide als Substitutionsprodukte anstelle der 1,2-Dihalogenalkane als Additionsprodukte. ̈

ionische Addition

radikalische Substitution

H 3C CH CH2

H3C CH CH 2 Br Br

+

Br2

Br CH2 CH CH2 1-Brom-2-propen (Allylbromid)

1,2-Dibrompropan

Die Allylhalogenierung startet durch Homolyse eines Halogen-Moleküls. Die gebildeten Chloroder Brom-Atome (Radikale) können mit Alkenen entweder zu sekundären Halogenalkyl-Radikalen (radikalische Addition) oder zu Allyl-Radikalen abreagieren (radikalische Substitution). + Cl2

Cl

+

H 3C CH CH2 /""HCl

Cl

H 3C CH CH 2 Cl

H 3C CH CH2 Cl

sekundäres Alkyl-Radikal

Additionsprodukt

+

Cl

+ Cl2

H 2C CH CH2 Allyl-Radikal

Cl

CH 2 CH CH 2

+

Cl

Substitutionsprodukt

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68

4 Alkene

Da das Allyl-Radikal stabiler ist, und bei hoher Temperatur die Aktivierungsenergie zur Rückbildung des Propens aus dem sekundären Halogenalkyl-Radikal aufgebracht wird, verläuft die Reaktion regioselektiv unter Bildung des Allylhalogenids als Substitutionsprodukt.

4.5.11

HECK-Reaktion

Die Palladium-katalysierte Verknüpfung eines Halogenalkans, Halogenalkens oder Halogenaromaten mit einem Alken zu einem entsprechend substituierten Alken ist als HECK-Reaktion bekannt. H R X

+

[ Pd ]

C C

/ HX

R C C

R = Alkyl ohne d-H, Alkenyl, Alkyl; X = Br, I

Zum Start reagiert ein Palladium-Salz [PdY2, meist Palladium(II)acetat, Y = CH3CO2/] mit dem Liganden L [meist Triphenylphosphan, L = (C6H5)3P] und dem Alken zum Palladium(0)-Ligandenkomplex PdL2. Dieser komplexiert im Katalysecyclus die Halogen-Verbindung zum Alkylpalladium(0)-Halogenid RPdL2X, in welches sich das Alken einschiebt (Alken-Insertion). Das Insertionsaddukt setzt das substituierte Alken durch d-Eliminierung von HPdL2X frei. Eine Base (meist Triethylamin) regeneriert den Palladium(0)-Komplex PdL2, der erneut in den Katalysecyclus eintritt. H

+ R X

RPdL2X Y / HY , / C C

H PdY2 +

2L +

H R C C PdL2X

PdL2

C C

C C

R

(Base)

HPdL2X

/ HX

4.5.12

C C

En-Reaktion

Die thermische Addition eines Alkens als Enophil an ein anderes Alken mit einem allyl-ständigem H-Atom unter H-Verschiebung und Knüpfung einer neuen u-Bindung wird als En-Reaktion bezeichnet. Im einfachsten Fall addiert Ethen als Enophil an Propen unter Bildung von 1-Penten. Der Mechanismus ist dem der DIELS-ALDER-Reaktion (Abschn. 6.5.4) formal analog, indem sich die Elektronen der beiden r-Bindungen sowie der CH-u-Bindung im Übergangszustand gleichmäßig auf alle Atome verteilen: H

H

H

Übergangszustand

1-Penten

+ Propen (En)

Ethen (Enophil)

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4.5 Reaktionen

4.5.13

69

[2+2]-Cycloaddition

Bei Bestrahlung mit Licht können zwei Moleküle vieler substituierter Alkene einen CyclobutanRing schließen. Der Genese des Vierrings (C2 + C2 = C4-Ring in Gegenwart von Licht) folgend wird diese Art der Dimerisierung von Alkenen als [2+2]-Cycloaddition, noch präziser als [2+2]Photocycloaddition bezeichnet. Der Vierring bildet sich „konzertiert“, also in einem Schritt unter gleichzeitiger Knüpfung beider neuer Bindungen. hp

+

4.5.14

Metathese

Metathesen sind katalysierte Gleichgewichtsreaktionen der Alkene, bei denen sich Doppelbindungen ohne wesentliche Wärmetönung intermolekular umgruppieren. Als Katalysatoren wirken Komplexe einiger Übergangsmetalle (Mo, W, Re, Ru). Die Metathese linearer Alkene führt zu Umalkylidenierungen über Spaltung und Neuknüpfung von Doppelbindungen: R1 R1

C C

R3

R2

R1

+ R4

R3

C C

R1 C

R2

Kat.

R2 R3

R4

C

C

PR3 R2 R3

+

Cl

z. B. Kat. =

Cl

PR3

C

R4

Ru R'

R4

Gelindes Erhitzen des 2-Methyl-1-butens bei Gegenwart von Wolframhexachlorid und Ethylaluminiumchlorid als Katalysator in Ethanol ergibt z. B. Ethen, das dem Gleichgewichtsgemisch als Gas entweicht und flüssiges 3,4-Dimethyl-3-hexen [(E)- und (Z)-] in guter Ausbeute hinterläßt. Kat.

+

+ 3,4-Dimethyl-3-hexen

2-Methyl-1-buten

Im Reaktionscyclus bildet der Katalysator mit dem Alken einen intermediären Metall-CarbenKomplex, welcher mit weiterem Alken unter [2+2]-Cycloaddition zum MetallacyclobutanKomplex als Vierring-Cycloaddukt weiterreagiert. Durch Ringöffnung (Cycloreversion) entstehen das neue Alken und der in den Reaktionscyclus wieder eintretende Metall-Carben-Komplex. R1

M R1

R3

C C

/

R2

R3 +

R4

2 M(Kat.)

C

+ R4

R1

C

R2

R3

M Metall-Carben-Komplex

4.5.15

C C

R2

M

/

R1 R1 R4

R2 R3

R2 M

R3

C

R4

R1

R1 C

R2

C R2

R4 Metallacyclobutan

Dimerisierung, Polymerisation

In Gegenwart von Säure reagieren Alkene bei höherer Temperatur mit sich selbst und geben Alkene der doppelten molaren Masse. Aus 2-Methylpropen (Isobuten) entsteht z. B. 2,4,4-Trimethyl-

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70

4 Alkene

2-penten als Hauptprodukt. Diese Dimerisierung verläuft über Carbenium-Ionen, die sich bei der elektrophilen Addition von Protonen an die CC-Doppelbindungen bilden. 2,4,4-Trimethyl-2-penten (Hauptprodukt) CH3

CH3

H 3C C CH

+ H 2C C CH 3 H 2C C CH 3

+

+ [H ] 1

CH3 H 3C C CH3

CH3 2

CH3 CH 3 H3C C CH 2 C CH 3 CH3

+

/"[H ]

CH3

CH 3 C CH 3

CH3 CH3 H 3C C CH2 C CH2 CH3 2,4,4-Trimethyl-1-penten (Nebenprodukt)

Durch katalytische Hydrierung des 2,4,4-Trimethyl-2-pentens entsteht der klopffeste Normtreibstoff Isooctan (2,2,4-Trimethylpentan), der technisch ebenfalls durch säurekatalysierte (HF, H2SO4) Dimerisierung des Isobutens hergestellt wird. Zugesetztes Isobutan bewirkt im dritten Schritt eine Hydrid-Übertragung; das verbleibende t-Butyl-Kation reagiert nach Schritt 2 erneut mit Isobuten. CH 3 CH 3 H 3C C CH 2 C CH 3 CH 3

CH 3 +

3

CH 3

CH 3

H3C

H 3C C CH 2 CH CH3

H C CH 3 Isobutan

C CH3 H3C

CH 3

CH 3

+

Isooctan (2,2,4-Trimethylpentan)

Technisch relevant ist schließlich die Polymerisation der Alkene (Abschn. 35). Dabei polymerisieren die Alkene (Monomere) über dimere, trimere, tetramere, oligomere Zwischenstufen (Radikale, Carbenium-Ionen, Carbanionen) zu den makromolekularen Polymeren. Es entstehen PolyalkanKohlenstoff-Ketten, die einige tausend Einheiten des Monomers enthalten. Unter den Bezeichnungen Polyethen (Polyethylen), Polypropen (Polypropylen), Teflon und Polyvinylchlorid (PVC) bekannte Polymere aus den Monomeren Ethen, Propen, Tetrafluorethen und Chlorethen spielen als vielseitig anwendbare Werkstoffe eine bedeutende Rolle. Monomer

Polymer

Polymerisation

Ethen (Ethylen)

n H 2C CH2

CH 2 CH2

n

Polyethen (Polyethylen, PE)

Propen (Propylen)

n H 2C CH CH 3

CH 2 CH

n

Polypropen (Polypropylen, PP)

CH3 Tetrafluorethen (Tetrafluorethylen)

n F 2C CF 2

CF 2 CF 2 n

Polytetrafluorethen (Teflon, PTFE)

Chlorethen (Vinylchlorid)

n H 2C CH Cl

CH 2 CH

Polychlorethen (Polyvinylchlorid, PVC)

n

Cl

Polymerisationen sind Kettenreaktionen, die abhängig von den Reaktionsbedingungen über Radikale, Anionen, Kationen oder Metallkomplexe verlaufen können (Abschn. 35).

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5.1 Eliminierende Verbindungen, Abgangsgruppen

71

5 Eliminierung und Addition 5.1 Eliminierende Verbindungen, Abgangsgruppen Alle Verbindungen mit einer Abgangsgruppe X am c-C-Atom und einem H-Atom in d-Stellung können durch 1,2- oder d-Eliminierungen von HX Alkene bilden. H

c C C d X

C C

+

HX

Die Abgangsgruppe X kann in Form der Halogene (Dehydrohalogenierung), von Onium-Ionen (Dehydratisierung) oder Estern vorliegen. X =

I, Br, Cl + + + SR2, OH2, NR3, PR3 OOC/R, OSO2/R

+

: Halogene : Onium-Ionen : Ester

" d-Eliminierungen können nicht nur zu CC-Doppelbindungen, sondern auch zu anderen Mehrfachbindungen (C=X, C=N, C»N) führen. Die verschiedenen Einflüsse (Säurekatalyse, Basenkatalyse, Lösemittel) auf d-Eliminierungen sowie die Reaktionsmechanismen wurden für Dehydratisierungen und Dehydrohalogenierungen gut untersucht. Allgemein ist die Tendenz zur d-Eliminierung

umso größer, je leichter die Abgangsgruppe X mit ihrem bindenden Elektronenpaar austritt, je geringer die Bindungsenergie der CX-Bindung ist. Das Hydroxid-Anion OH/ ist z. B. eine schlechte Abgangsgruppe; eine Dehydratisierung von Alkoholen gelingt nicht in alkalischem, sondern nur in saurem Medium, wobei die protonierte Hydroxy-Gruppe OH2+ als Abgangsgruppe agiert. Ebenso steigt die Tendenz zur Dehydrohalogenierung der Halogenalkane mit zunehmender Elektronenanziehung des Halogens in c- und mit zunehmender Acidität des H-Atoms (Lockerung der CH-Bindung) in d-Stellung.

5.2 Mechanismen Alken-bildender Eliminierungen 5.2.1

Dehydratisierung von Alkoholen als monomolekulare -Eliminierung

E1-Mechanismus Säurekatalysierte Dehydratisierungen sind typische Beispiele für mono- oder unimolekulare 1,2oder d-Eliminierungen. Im ersten Schritt protoniert eine Säure die OH-Gruppe des Alkohols (1).

̈"

(1)

H H H 3C C O H

+ [H+]

H H H3C C O H H

protoniertes Ethanol (Oxonium-Ion)

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72

5 Eliminierung und Addition

Da diese reversible Protonierung nur eine geringe Aktivierungsenergie erfordert, vollzieht sich der Protonenaustausch zwischen Säure und Alkohol-Molekülen rasch. Der erste Schritt ist daher nicht geschwindigkeitsbestimmend. Die CO-Bindung im Oxonium-Ion ist schwächer als im Alkohol; durch heterolytische Spaltung der CO-Bindung bilden sich Wasser und ein Alkyl-carbenium-Ion (2). Diese Heterolyse erfordert eine hohe Aktivierungsenergie, erfolgt daher langsam und ist geschwindigkeitsbestimmend. H f- H

H H H3C C O H H

(2)

H

H 3C C O

+

H 3C C

f-

OH 2

H

H H Übergangszustand

Ethylium-Ion

Da Wasser als LEWIS-Base mit dem Carbenium-Ion als LEWIS-Säure zum Oxonium-Ion rekombinieren kann, ist auch Schritt (2) reversibel. Der durch die positive Ladung des Carbenium-Ions ausgelöste Elektronensog schwächt jedoch die d-ständige CH-Bindung. Der Zusammenstoß eines Carbenium-Ions mit einem Alkohol-Molekül kann dann in Schritt (3) zu einem cyclischen Übergangszustand führen, aus dem das d-Proton unter Bildung des Alkens die Alkohol-OH-Gruppe protoniert. H (3)

H +

H C C H

H H fH C C H fH O CH 2 CH 3

H O CH 2 CH 3

H

H

H C C

H

+

H2O CH 2 CH 3

H

H

Schritt (3) erfordert eine geringere Aktivierungsenergie FEA als (2), ist daher ebensowenig geschwindigkeitsbestimmend wie Schritt (1). Schritt (2) bestimmt somit die Geschwindigkeit der Gesamtreaktion, die demzufolge nur von der Konzentration des Alkohols abhängt und daher unioder monomolekular ist (E1): E1-Mechanismus:

Reaktionsgeschwindigkeit = k x cAlkohol k : Geschwindigkeitskonstante c : Konzentration in Mol / L

Experimentell findet man eine Beschleunigung der Alken-Bildung von primären über sekundäre zu tertiären Alkoholen, weil offensichtlich die Aktivierungsenergie zur Bildung der CarbeniumIonen mit zunehmender Alkylierung abnimmt. Tertiäre Carbenium-Ionen sind demnach stabiler als sekundäre und primäre. Das Molekül-Orbital-Modell der Carbenium-Ionen ist dem der Alkyl-Radikale analog (Abb. 1.20, S. 15) mit dem Unterschied, daß das p-Orbital des sp2-hybridisierten C-Atoms nicht einfach besetzt, sondern vakant ist. Die relativen Stabilitäten von Carbenium-Ionen lassen sich daher in Analogie zu den Radikalen durch Hyperkonjugation oder (-)-I-Effekte der Alkyl-Gruppen erklären (Abschn. 3.6.2). Mit zunehmender Alkylierung (Methylierung), z. B. in der Reihe Methylium-, Ethylium-, Isopropylium-, t-Butylium-Ion nehmen die Möglichkeiten zur Verteilung der positiven Ladung durch den (-)-I-Effekt der Methyl-Gruppen (Hyperkonjugation) zu. Im t-Butylium-Ion verteilt sich die positive Ladung praktisch über alle C-Atome. f-CH 3

H H

C

H

<

H

C

H

H <

f- C fCH3 H 3C

<

f- CH3 f- C fH 3C CH 3

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5.2 Mechanismen Alken-bildender Eliminierungen

73

Regioselektivität (Orientierung) der Dehydratisierung Die Dehydratisierung von Ethanol, 2-Propanol und t-Butylalkohol führt jeweils zu einem einzigen Produkt, nämlich Ethen, Propen und Methylpropen (Isobuten). Alkohole, die H-Atome in nicht äquivalenten d-Positionen enthalten, können dementsprechend zu isomeren Alkenen dehydratisieren. So liefert die Dehydratisierung von 2-Butanol bei 250 °C in Gegenwart von H3PO4 und Al2O3 eine Mischung aus (E)- und (Z)-2-Buten sowie 1-Buten. ̈"

O

H

(1)

H 3C CH2 CH CH 3

H

O

H (2)

4

3

2

1

H 3C CH2 CH CH 3

H 3C CH 2 CH CH 3

H

+ O R Angriff an 1-H

/ R OH 2

H 3C H 2C

H C C H H

/ R OH 2 H 3C

Angriff an 3-H

H C C CH 3

H

1-Buten (Nebenprodukt)

H 3C

CH 3 C C H H

(E)-

(Z)2-Buten (Hauptprodukte)

Epot

FEA1 FEA2

H3C CH2 CH CH3 FEA

H3C CH2 CH CH2 1-Buten

H3C CH CH CH3 2-Buten (E+Z)

H 3C CH 2 CH CH 3 OH2 Reaktionskoordinate

Abb. 5.1. Energiediagramm der Bildung von 1- und 2-Buten durch Dehydratisierung

Aus dem Verhältnis (3:2) der eliminierbaren d-H-Atome an C-1 und C-3 des 2-Butanols sollten 1Buten und 2-Buten im Verhältnis 3:2 entstehen, sofern alle d-H-Atome gleich gut abspaltbar sind. Tatsächlich findet man eine deutliche Regioselektivität zugunsten des 2-Butens (1-Buten : 2-Buten ~ 1 : 3). Von den nicht äquivalenten d-H-Atomen sind die am höher alkylierten C-Atom offensichtlich leichter abspaltbar, so daß die Bildung von 2-Buten die geringere Aktivierungsenergie erfordert (Abb. 5.1). Ferner zeigt die Messung der Hydrierwärmen, daß die Stabilität eines Alkens mit steigender Zahl von Alkyl-Gruppen an der CC-Doppelbindung zunimmt (Abschn. 4.5.1). Das

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74

5 Eliminierung und Addition

an der Doppelbindung höher alkylierte 2-Buten ist demnach stabiler (energieärmer) als 1-Buten (Abb. 5.1). Diese Überlegungen begründen die SAYTZEFF-Regel zur Vorhersage der Regioselektivität von d-Eliminierungen: d-Eliminierungen liefern bevorzugt das stabilere Alken, wobei das d-H vom höher alkylierten d-C-Atom abgespalten wird.

Bei bicyclischen Ringsystemen gilt zusätzlich die BREDTsche Regel, nach der von BrückenkopfC-Atomen keine Doppelbindungen ausgehen. So gelingt es nicht, aus Norbornyltosylat das 1Norbornen darzustellen. Der Grund liegt hauptsächlich darin, daß nach Abspaltung einer Abgangsgruppe am Brückenkopf eines Bicyclus kein koplanares Carbenium-Ion entstehen kann. O SO2

Brückenkopf-C

CH 3

X Norbornyltosylat

5.2.2

1-Norbornen, hypothetisch (Bicyclo[2.2.1]-1-hepten)

Umlagerungen bei Dehydratisierungen

Weniger stabile Carbenium-Ionen als Intermediate bei d-Eliminierungen können sich in stabilere umlagern, wenn dies durch intramolekulare Hydrid- oder Alkyl-Verschiebungen (H/- und R/Wanderungen, Anionotropie) möglich ist. Hydrid-Verschiebungen Die säurekatalysierte Dehydratisierung des 1-Butanols liefert außer dem erwarteten 1-Buten auch 2-Buten (E und Z). Protonierung und Wasserabspaltung führen intermediär zum 1-Butylium-Ion.

̈

H 3C CH2 CH 2 CH 2 OH

+

[H ]

H3C CH2 CH2 CH 2 OH 2

H 3C CH2 CH 2 CH 2 1-Butylium-Ion

+

H2O

Anschließende Abspaltung des d-Protons ergibt 1-Buten, jedoch nur als Nebenprodukt. Durch Hydrid-Verschiebung von C-2 nach C-1 bildet sich das stabilere 2- oder sec-Butylium-Ion, das durch Deprotonierung an C-3 zum 2-Buten abreagiert. /"] H+] von C-2

H3C CH2 CH 2 CH2 4 3 2 1

H3C CH2 CH CH2

1-Butylium-Ion

1-Buten (Nebenprodukt)

Stabilisierung durch Hydrid-Wanderung von C-2 nach C-1

4

3

/"] H+] von C-1

2

1

H3C CH2 CH CH3 2-Butylium-Ion

/"] H+] von C-3

H 3C CH 3 H C C C C H H H CH3 (E)(Z)2-Buten (Hauptprodukte)

H3C

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5.2 Mechanismen Alken-bildender Eliminierungen

75

Bei einer Hydrid-Verschiebung wandert ein H-Atom mit seinem bindenden Elektronenpaar im 1Butylium-Ion z. B. von C-2 nach C-1, wobei sich die positive Ladung von C-1 nach C-2 verschiebt. Im cyclischen Übergangszustand hängt das Hydrid an beiden C-Atomen. 1

2

C C

C

H

1

C

C C

2

H

H cyclischer Übergangszustand

Hydrid-Verschiebungen sind u. a. durch Deuterium-Markierung nachweisbar. Die säurekatalysierte Dehydratisierung des 1,1-Dideuterio-1-butanols würde z. B. 1,2-Dideuterio-2-buten ergeben.

Alkyl-Verschiebungen (WAGNER-MEERWEIN-Umlagerungen) Die Dehydratisierung von 3,3-Dimethyl-2-butanol liefert nur sehr wenig des erwarteten 3,3Dimethyl-1-butens. Als Hauptprodukt wird 2,3-Dimethyl-2-buten isoliert. Das Kohlenstoff-Skelett hat sich also verändert. Nach Protonierung und Wasserabspaltung bildet sich wie erwartet ein sekundäres Carbenium-Ion. Dieses lagert sich durch Verschiebung einer Methyl-Gruppe mit ihrem Elektronenpaar von C-3 nach C-2 zum tertiären Carbenium-Ion um (WAGNER-MEERWEINUmlagerung). Deprotonierung unter SAYTZEFF-Orientierung führt zum 2,3-Dimethyl-2-buten. ̈

H3C H

H 3C H H3C C C CH3

H 3C H

/"H2 O

2 1

+

/"]H ] von C-1

CH3

H 3C C C CH3

H3C C C CH3

H3C C CH CH2

H 3C OH2

CH3

CH3 3,3-Dimethyl-1-buten

H3C OH

4

3

Stabilisierung durch Alkyl-Verschiebung von C-3 nach C-2 /"]H+] von C-4 (4')

H C C CH 3

4'

H2C CH3 2,3-Dimethyl-1-buten

H 3C H 3

H3C

2 1

H3C C C CH3 4 CH3

H3C +

/"]H ] von C-2

CH 3 C C H3C CH 3 2,3-Dimethyl-2-buten (Hauptprodukt)

WAGNER-MEERWEIN-Umlagerungen sind häufige Folgen der Protonierung von Alkoholen. Sie gehören zu den anionotropen 1,2-Verschiebungen, bei denen eine Alkyl-Gruppe über einen cyclischen Zwischenzustand als Anion vom einen C-Atom (C-1) zum benachbarten (C-2) wandert. 1

C C R

2

C

C R

1

C C

2

R

cyclischer Übergangszustand

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76

5 Eliminierung und Addition

5.2.3

Bimolekulare -Eliminierung (E2-Mechanismus)

̈" Basenkatalysierte Dehydrohalogenierung von Halogenalkanen Bei der Eliminierung von Halogenwasserstoff aus Halogenalkanen greift zunächst das HydroxidAnion als Base am d-H-Atom des Halogens an; aus dem gebildeten Übergangszustand spalten sich Wasser und Halogenid-Anion gleichzeitig (synchron, konzertiert) ab. H C C

H +

OH

X

H OH

OH

C C

C C

X

X

C C

+

X " + H2O

Die Dehydrohalogenierung ist somit eine Einschritt-Reaktion (konzertierte d-Eliminierung). Reaktive Zwischenstufen wie Carbenium-Ionen oder Radikale werden nicht nachgewiesen. An der geschwindigkeitsbestimmenden Bildung des Übergangszustands beteiligen sich beide Reaktanten, Halogenalkan und OH/-Ion. Daher hängt die Reaktionsgeschwindigkeit von der Konzentration beider Edukte ab. Die basenkatalysierte Eliminierung ist also bimolekular (bimolekulare Eliminierung, E2) . E2-Mechanismus:

Reaktionsgeschwindigkeit = k x cHalogenalkan x cBase k : Geschwindigkeitskonstante c : Konzentration in Mol / L

Bei der Reaktion werden zwei neue Bindungen geknüpft, die r- und die OH-Bindung in H2O. Die Bildung von H2O ist treibende Kraft. Außerdem wird ein beträchtlicher Teil der Reaktionsenthalpie FH bei der Solvatation (Ionen-Dipol-Wechselwirkung) des Halogenid-Anions X/ im Lösemittel (Alkohol) frei. ̈ Reaktivität und Regioselektivität Die Tendenz zur Dehydrohalogenierung nimmt von primären über sekundäre zu tertiären Halogenalkanen zu. Wie die Dehydratisierung der Alkohole kann auch die Dehydrohalogenierung höherer Halogenalkane zu isomeren Alkenen führen. Dabei gilt die SAYTZEFF-Regel sowie die BREDTsche Regel für Bicyclen. Dementsprechend entstehen als Hauptprodukte der basenkatalysierten Dehydrohalogenierung 2-Penten aus 2-Brompentan und 2-Methyl-2-buten aus 2-Brom-2-methylbutan. KOH in CH3OH

H5C 2 CH2 CH CH 3 Br

H5C 2 CH CH CH 3

/ HBr

CH3

H5C 2 CH2 CH CH 2

sowie

H 2C C CH 2 CH3

CH 3

KOH in CH3OH

H3C C CH2 CH 3 Br

sowie

Hauptprodukt

CH 3

H 3C C CH CH3

/ HBr

Hauptprodukt

̈" Einfluß der Base Die Entfernung des d-H-Atoms bei Dehydrohalogenierungen erfordert starke Protonenakzeptoren. Daher nimmt die Reaktionsgeschwindigkeit mit der Basenstärke zu: NH2 Amid

>

OC(CH3)3 t-Butanolat

>

OC 2H5 Ethanolat

>

OH Hydroxid

>

OCOCH3 Acetat

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5.3 Stereoselektivität Alken-bildender

-Eliminierungen

77

Auch Amine, GRIGNARD-Verbindungen, Carbonat und Cyanid sind wirksame Basen bei E2-Eliminierungen. Ein großer Überschuß an sehr starker Base begünstigt den E2-Mechanismus, während eine E1-Reaktion (über Carbenium-Ionen) von Art und Konzentration der Base weitgehend unbeeinflußt bliebe.

5.3 Stereoselektivität Alken-bildender -Eliminierungen 5.3.1

E1-Eliminierungen

E1-Eliminierungen verlaufen über Carbenium-Ionen, in denen weitgehend freie Drehbarkeit um die CC-Bindungen herrscht; sie sind daher nicht stereoselektiv. Bei der Dehydratisierung von Alkoholen oder Alkohol-Derivaten wird demzufolge ein Gemisch aus (E)- und (Z)-Isomer isoliert. So entsteht bei der E1-Eliminierung des 1,2-Diphenyl-1-tosyloxypropans (E)- und (Z)-1,2Diphenylpropen. 1,2-Diphenyl-1-tosyloxypropan ist der p-Toluensulfonsäureester (Tosylester) des Alkohols 1,2-Diphenyl-1-hydroxypropan. CH 3 H 5C6 H 5C6

CH3

H

E1

H

/ TsO

H5C 6 H5C 6

CH 3

H

H 5C6

H

H

H C 6H5

OTs 1,2-Diphenyl-1-tosyloxypropan

Tosyl- = Ts- =

SO2

/ [H+]

H 5C6

CH3

H 5C6

H

/ [H+]

H5C 6

p-Toluensulfonyl-Rest

H

cis- oder (Z)-

5.3.2

CH 3

CH3

C6H 5

trans- oder (E)-

E2-Eliminierungen

Grundsätzlich könnten bei einer E2-Eliminierung die von C-c und C-d ausgehenden Bindungen im Übergangszustand beliebige Torsionswinkel einschließen. Im Einklang mit dem Prinzip der maximalen Orbitalüberlappung im Übergangszustand kommen jedoch hauptsächlich die anti- und syn-koplanare Anordnung in Betracht: HO anti-koplanar

H syn-koplanar

X

HO

H

X

Infolge sterischer und elektrostatischer Wechselwirkungen zwischen X und OH/ ist die antikoplanare Anordnung energieärmer. Tatsächlich überwiegen im Produktverhältnis der bimoleku-

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78

5 Eliminierung und Addition

laren Dehydrobromierung des in 3-Stellung deuterierten 2-Brombutans (R = CH3) in Ethanol die Stereoisomeren, welche sich aus der anti-koplanaren Anordnung bilden: D R

H

H

H

D

R

R

R

R

H

R

H X

X

H

R

R

H

trans- (E)gefunden

H R

H

R

D X

H

X

D

R

R

H

R

D

R

H

R

H

R

H

trans- (E)-

D

cis (Z)benachteiligt

cis (Z)gefunden

Bimolekulare Dehydrohalogenierungen verlaufen daher stereoselektiv als trans-d-Eliminierungen, wobei die angreifende Base OH/ und die austretende Gruppe X/ bevorzugt anti zueinander stehen: X

f/ X

f/

bzw.

f/

HO H

HO H f/

Die an Kohlenstoff gebundenen, nicht austretenden Gruppen ändern ihre relative Konfiguration während der Reaktion nicht. Aus einem Paar von Spiegelbildisomeren (Enantiomeren, Abschn. 17) des 1-Brom-1,2-diphenylpropans mit anti-ständigen Phenyl-Gruppen entsteht ausschließlich das (E)-Alken, aus dem Isomer mit syn-ständigen Phenyl-Gruppen dagegen das (Z)-Alken. H H5C 6 H3C

H H

Br

H und

C6H 5

H5C 6

H H H3C

E2 , + OH

CH 3

/ H2O , / Br

/

H

C 6H5

/

H5C 6

CH3

(E)-1,2-Diphenyl-1-propen

H C6H 5

Br

Br

C6H 5

C6H 5

und

H5C 6 H5C 6

H Br

CH 3

E2 , + OH / H2O , / Br

/

H5C 6

H

H5C 6

CH3

/

(Z)-1,2-Diphenyl-1-propen

Für Halogenalkane typisch sind auch nucleophile Substitutionen (Abschn. 13 und 14), die oft mit Dehydrohalogenierungen konkurrieren. In Gegenwart starker Basen und in polaren Lösemitteln (Ethanol) dominieren jedoch die Eliminierungen.

5.4 Elektrophile Addition 5.4.1

Mechanismus

Die Addition von HX (Halogenwasserstoff, H2SO4 und H2O) verläuft nach einem ionischen Mechanismus. Im geschwindigkeitsbestimmenden Schritt addiert ein Proton H+ als Elektrophil an die

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5.4 Elektrophile Addition

79

CC-Doppelbindung (als Nucleophil). Das gebildete Carbenium-Ion reagiert mit dem nucleophilen Ion X/ (Br/, Cl/, HSO4/, OH/). Diese Folgereaktion verläuft als typische Ionenreaktion sehr rasch. /

H

+ [H+]

C C

H

+X

C C

C C

X

Die intermediär auftretenden Carbenium-Ionen beeinflussen nicht nur die Reaktivität der Alkene; sie bewirken auch bestimmte Orientierungen (Regioselektivität) und Umlagerungen.

5.4.2

Reaktivität der Alkene

Je leichter die Alkene Carbenium-Ionen bilden, desto reaktiver sind sie bei der elektrophilen Addition von HX. Aus der relativen Stabilität der Carbenium-Ionen (Abschn. 5.2.1) ergibt sich, daß höher alkylierte Alkene reaktiver sind als Ethen, und daß die Addition an Halogenalkene (Vinylchlorid) wegen des induktiven Effekts der Halogene erschwert sind. (CH 3)2C CH2 > H 3C CH CH CH 3 > H 3C CH2 CH CH 2 > H 3C CH CH2 > H2C CH2 > H 2C CH Cl

5.4.3

Regioselektivität der Addition

Die Hydrobromierung von Propen kann unter Bildung eines 1- und 2-Propylium-Ions ablaufen. Aufgrund der größeren Stabilität des sekundären 2-Propylium-Ions erfordert die Reaktion zum 2Brompropan die geringere Aktivierungsenergie FEA (Abb. 5.2). Daher entsteht 2-Brompropan als Hauptprodukt: H3C CH CH 2

+

HBr

H3C CH CH 3 Br

sowie

H 3C CH 2 CH2 Br

Hauptprodukt

Epot

H3C

H

H

C

C H f+

H f+

H H3C

H

C C H f+ H f+

FEA

H3C CH2

CH2

FEA H3C CH CH3 H3C CH CH2 + [H+] Reaktionskoordinate

Abb. 5.2. Energieprofil zum Mechanismus der Hydrobromierung von Propen

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5 Eliminierung und Addition

Die Regioselektivität der elektrophilen Addition wird durch die MARKOWNIKOFF-Regel vorhergesagt (Abb. 5.2): ̈" Das Wasserstoff-Atom von HX addiert an das mit den meisten H-Atomen verknüpfte CAtom ("Wer da hat, dem wird gegeben"). Eine exaktere Formulierung ergibt sich aus dem Mechanismus (Abb. 5.2): ̈" Bei der elektrophilen Addition von HX an Alkene addiert das Proton unter Bildung des stabileren Carbenium-Ions an die CC-Doppelbindung. Die bessere Ladungsverteilung im stabileren Carbenium-Ion erniedrigt die Aktivierungsenergie der Addition (Abb. 5.2). Entsprechend führt die Hydrochlorierung des 1-Butens überwiegend zu 2-Chlorbutan, und 2-Iod2-methylpropan (t-Butyliodid) ist das Hauptprodukt der Addition von Iodwasserstoff an 2-Methylpropen. Cl H5C 2 CH CH 2

+

HCl

H 5C2 CH CH3

sowie

H5C 2 CH 2 CH2 Cl

Hauptprodukt

CH3

H 3C C CH 2

+

HI

CH 3

H3C C CH3 I

H 3C

sowie

H 3C CH CH2

I

Hauptprodukt

5.4.4

Umlagerungen bei Additionen

Auch bei Additionen sind Umlagerungen möglich, wenn sich das zunächst gebildete CarbeniumIon unter 1,2-Hydrid- oder anionotroper 1,2-Alkyl-Verschiebung stabilisieren kann. Die Vorhersage der Regioselektivität gelingt auch hier anhand der relativen Stabilitäten der CarbeniumIonen. So entsteht das Hauptprodukt der Hydrobromierung von 3,3-Dimethyl-1-buten über das stabilste tertiäre Carbenium-Ion, welches durch anionotrope 1,2-Methyl-Verschiebung aus dem zunächst gebildeten sekundären Carbenium-Ion hervorgeht. CH 3

CH3

H 3C C CH2 CH2

CH3 H3C C CH CH 2 + H Br CH3

+

Br

CH 3 primäres Carbenium-Ion (weniger stabil)

H3C C CH2 CH2 Br CH3 nicht gefunden

1,2-Hydrid-Verschiebung (Anionotropie)

CH 3 H 3C C CH CH 3

CH3 +

Br

H3C sekundäres Carbenium-Ion (stabiler)

H3C C CH CH3 H3C Br Nebenprodukt

1,2-Methyl-Verschiebung (Anionotropie)

CH 3 H 3C C CH CH 3 CH3 tertiäres Carbenium-Ion (am stabilsten)

CH3 +

Br

H3C C CH CH3 Br CH3 Hauptprodukt

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5.4 Elektrophile Addition

5.4.5

81

Stereoselektivität von Additionen

Elektrophile Additionen von Halogenwasserstoffen an Alkene sind nicht stereoselektiv, da intermediär Carbenium-Ionen mit frei drehbaren CC-Bindungen auftreten. Dagegen führt die elektrophile (nicht die radikalische) Addition von Halogenen an Alkene stereoselektiv zu trans-1,2Dihalogenalkanen, da diese Reaktion über konformativ fixierte Halogenonium-Ionen verläuft: Br C C

f/ + Br Br f-

Br + Br Br

Bromonium-Ion

trans- (anti-) Addukt

Wegen der möglichen Rotation um CC-Bindungen nicht cyclischer Alkan-Derivate läßt sich die Stereoselektivität nur bei der Halogenierung von Cycloalkenen am ausschließlichen Auftreten der trans-1,2-Dihalogencycloalkane nachweisen (Abschn. 8.7). Katalytische Hydrierungen von CC-Doppelbindungen (Abschn. 4.5.1) sowie Reduktionen von CC-Doppelbindungen mit Diazen (Abschn. 4.5.1) ) sind cis-Additionen und damit stereoselektiv; beide Reaktionen verlaufen über cyclische Übergangszustände. Hydroborierungen (Abschn. 4.5.2) als "Vierzentren-Reaktionen" mit cyclischen Übergangszuständen sind ebenfalls stereoselektiv: H

H

R C CH 2 H B H H

R C CH2 H BH2 Alkylboran

Entsprechendes gilt für die über cyclische Mangansäure- und Osmiumsäureester verlaufenden Dihydroxylierungen von Alkenen mit Kaliumpermanganat bzw. Osmiumtetroxid. Stereoselektiv bilden sich die cis-1,2-Diole (Abschn. 4.5.6), während die Epoxidation der Alkene mit Peroxycarbonsäuren nach der Hydrolyse die trans-1,2-Diole ergibt (Abschn. 4.5.7).

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6 Diene

6 Diene 6.1 Kumulation und Konjugation von Doppelbindungen Verbindungen mit mehreren CC-Doppelbindungen werden allgemein als Polyene bezeichnet. Je nach Anzahl der CC-Doppelbindungen in einer unverzweigten oder verzweigten KohlenstoffKette oder innerhalb eines Kohlenstoff-Ringes spricht man von Dienen, Trienen, Tetraenen, Pentaenen, Polyenen. Wie die drei konstitutionsisomeren Pentadiene zeigen, können sich mehrere Doppelbindungen kumuliert, konjugiert oder isoliert anordnen: ̈ ̈ ̈"

Kumulierte oder 1,2-Diene enthalten benachbarte Doppelbindungen: In konjugierten oder 1,3-Dienen alternieren Doppel- und Einfachbindungen: In isolierten Dienen (z. B. 1,4-Dienen) werden die Doppelbindungen durch zwei oder mehr Einfachbindungen getrennt:

1,2-Pentadien

H2C=C=CH/CH2/CH3

1,3-Pentadien

H2C=CH/CH?CH/CH3

1,4-Pentadien

H2C=CH/CH2/CH?CH2

1,3-Butadien, H2C=CH/CH=CH2 , und seine substituierten Derivate sind wegen ihrer technischen Bedeutung die wichtigsten Vertreter.

6.2 Struktur des 1,3-Butadiens 6.2.1

Strukturdaten

Die mittlere CC-Einfachbindung des 1,3-Butadiens ist kürzer (148 pm) als die CC-Einfachbindung des Ethans (154 pm, S. 12); andererseits sind die CC-Doppelbindungen länger (137 pm) als die des Ethens (134 pm, S. 13): H 1,3-Butadien

H

137 pm

C C

C

H

C

148 pm

H

137 pm

H

H

Die Verkürzung der mittleren CC-Einfachbindung ist eine Folge der im Vergleich zu sp3- kompakteren sp2-Hybridorbitale (Tab. 1.2, S. 11), wodurch sich die mittleren p-Orbitale zur Überlappung näher kommen, so daß eine partielle Doppelbindung entsteht.

6.2.2

Molekülorbital-Modell, Mesomerie und thermodynamische Stabilität

Geht man davon aus, daß alle C-Atome des 1,3-Butadiens sp2-hybridisiert sind, so können die koaxialen, mit je einem Elektron besetzten pz-Orbitale (Abb. 6.1 a) günstig im Sinne der Valenz-

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6.2 Struktur des 1,3-Butadiens

83

strichformeln b (zentrale r-Bindung) und c (terminale r-Bindungen, Abb. 6.1) überlappen. Die Formeln b und c können für sich allein den tatsächlichen Bindungszustand des 1,3-Butadiens nicht erklären, sondern nur eingrenzen. Man nennt dies Mesomerie und sagt, 1,3-Butadien ist ein "Resonanzhybrid" der beiden mesomeren Grenzformeln b und c. Im Molekül-Orbital-Modell beteiligen sich demnach alle vier pz-Orbitale gleichermaßen am Entstehen der r-Bindungen (Abb. 6.1 d); dies kommt auch im Umriß eines der beiden berechneten rMolekülorbitale des 1,3-Butadiens (Abb. 6.2 a) zum Ausdruck. Epot koaxiale p-Orbitale ohne Bindung : a

C C b

C C

c

C C

r-Bindung zwischen den zentralen C-Atomen : b

C C

zwei"r-Bindungen unter Beteiligung der endständigen C-Atome : c

delokalisierte"r-Bindung unter Beteiligung aller C-Atome : d

Abb. 6.1. Überlappung von pz-Orbitalen in 1,3-Butadien

(a)

(b)

Abb. 6.2. Besetzte r-Molekülorbitale des 1,3-Butadiens (s-trans-Konformation, räumliche Darstellung), (a) delokalisiertes r-Molekülorbital nach Grenzformel d in Abb. 6.1, (b) lokalisierte r-Molekülorbitale nach Grenzformel c

Die Grenzformeln b und c sind im Vergleich zum Realmolekül 1,3-Butadien energiereicher. Formel c beteiligt sich gewichtiger (etwa 80 %) am Grundzustand als Formel b, die dem nur sehr geringen Doppelbindungscharakter der mittleren Bindung Rechnung trägt. Formel c steht dem Realmolekül auch energetisch näher (Abb. 6.3), ist also energieärmer als b. Die Energiedifferenz

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6 Diene

FE zwischen Realmolekül und dem Grenzzustand mit dem geringsten Energieinhalt bezeichnet

man als Resonanz- oder Mesomerieenergie. 1,3-Butadien ist im Vergleich zu seinen mesomeren Grenzformeln b und c mesomeriestabilisiert (Abb. 6.3). Die Mesomerieenergie konjugierter Diene ist mit 8 - 17 kJ / mol allerdings viel kleiner als die für Aromaten bestimmten Werte (Abschn. 9). Epot b H2C CH CH CH2

H2C CH CH CH2 c FE = 14.7 kJ / mol (Mesomerieenergie des 1,3-Butadiens)

1,3-Butadien

Abb. 6.3. Grenzformeln des 1,3-Butadiens und deren potentielle Energien zur Erklärung der Mesomerieenergie

Ein relatives Maß für die Stabilität der Polyene (isoliert, konjugiert, kumuliert) ist die Hydrierwärme. Konjugierte Polyene setzen bei der katalytischen Hydrierung weniger Wärme frei als nicht konjugierte Polyene mit gleicher Anzahl von Doppelbindungen. Daraus folgt, daß die konjugierten Polyene / aufgrund ihrer Mesomerie / thermodynamisch stabiler sind.

6.3 Konformation des 1,3-Butadiens Der geringe partielle r-Charakter der mittleren CC-Einfachbindung des 1,3-Butadiens behindert die Rotation um diese Bindung. Die Aktivierungsenergie für diese Rotation liegt daher zumindest in der Größenordnung der Mesomerieenergie des 1,3-Butadiens. Immerhin muß während der Rotation die koplanare Anordnung der C-Atome und damit die Delokalisierung der r-Bindungen aufgegeben werden. Doch diese Aktivierungsbarriere (15 kJ/mol, Abb 6.4) ist zu niedrig, so daß die Konformeren bei Raumtemperatur nicht trennbar sind. Epot

FEA = 15 kJ/mol

s-cis

s-trans

0°

90°

180°

Interplanarwinkel

Abb. 6.4. Relative Energieinhalte der Konformeren des 1,3-Butadiens (idealisiert)

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6.4 Darstellung

85

Konformere der 1,3-Diene werden als s-cis- und s-trans- bezeichnet; s steht für "single bond"; scis bedeutet eine cisoide, s-trans eine transoide Anordnung der CC-Doppelbindungen bezüglich der mittleren Einfachbindung. Spektroskopische Untersuchungen belegen, daß das s-trans- und das s-cis-Konformer des 1,3-Butadiens annähernd aber nicht vollkommen eben sind. Abb. 6.5 zeigt die Molekülmodelle beider Konformerer.

Abb. 6.5. Stab-, Kugel-Stab- und Kalotten-Modelle (von links nach rechts) der Konformeren s-cis- (oben) und s-trans- (unten) des 1,3-Butadiens

6.4 Darstellung Fast alle besprochenen Alken-Synthesen wie z. B. die WITTIG-Alkenylierung (Abschn. 4.4.6), lassen sich auch zur Darstellung nicht konjugierter Diene anwenden. Spezieller sind die Methoden zur Synthese konjugierter und kumulierter Diene.

6.4.1

Synthese konjugierter Diene

Crackung von Alkanen 1,3-Butadien wird durch katalytische Dehydrierung des Butans hergestellt. Nebenprodukte sind 1und 2-Buten sowie Propen und Methan. (Kat., Hitze) / H2

H3C CH2 CH 2 CH 3

H 2C CH CH 2 CH 3 und H 3C CH 3 H 3C H und C C C C CH3 H H H

(Kat., Hitze) / H2

H2C CH CH CH2

Die bei diesen katalytischen Crackprozessen eintretenden Spaltungen der Alkane folgen der SCHMIDT-STAUDINGER-Regel:

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86

6 Diene

Die neben der Doppelbindung liegende Bindung wird durch u/r-Kopplung stabilisiert; eine sich anschließende Bindung ist dagegen geschwächt. Spaltprodukte des 1-Butens sind dementsprechend Propen und Methan. 2 H 2C CH CH2 CH 3 stabil

H 2C CH CH CH 2

+

H 2C CH CH3

+

CH4

labil

Dehydratisierung von Diolen Konjugierte Diene sind durch säurekatalysierte thermische Dehydratisierung von 1,2-, 1,3- und 1,4-Diolen zugänglich. Das zur Kautschuk-Synthese benötigte 2-Methyl-1,3-butadien (Isopren) bildet sich aus 2-Methyl-1,3-butandiol; (E)-(Z)-Isomere des 2,4-Hexadiens enstehen aus 2,5Hexandiol: CH3

H3C

+

, [H ]

H3C C CH 2 CH 2 OH

H2C C

/ 2 H2O

OH

CH CH 2

2-Methyl-1,3-butadien (Isopren)

2-Methyl-1,3-butandiol +

, [H ]

H3C CH CH 2 CH 2 CH CH 3 OH OH

/ 2 H2O

H3C CH CH CH CH CH 3 2,4-Hexadien

2,5-Hexandiol

Katalytische Dimerisierung des Ethins Ethin (Acetylen) dimerisiert in Gegenwart von Ammoniumchlorid und Kupfer(I)chlorid (NIEWLAND-Katalysator) zu 1-Butin-3-en (Vinylacetylen), dessen Hydrierung mit gebremsten Katalysatoren zu 1,3-Butadien führt: (NH4Cl / CuCl)

2H C C H

6.4.2

+ H2 (Kat.)

H C C CH CH2 1-Butin-3-en

H 2C CH CH CH 2

Synthese kumulierter Diene

1,2-Diene durch Eliminierung Allen (Propadien) wird aus Glycerol durch aufeinanderfolgende Substitution (OH durch Br) und Eliminierungen (Br2, HBr) dargestellt. + 3 HBr

HO H 2C CH CH2 OH

/"3 H2O

OH

Zn in Ethanol

Br

H2C CH CH 2 Br Br

/"Br 2 ,"/ HBr

H2C C CH2

1,2,3-Triene durch Reduktion von 2-Alkin-1,4-diolen Die Reduktion von 2-Alkin-1,4-diolen mit Iodwasserstoff führt zu Trienen mit drei kumulierten Doppelbindungen. 2-Alkin-1,4-diole entstehen aus Ethin und Carbonyl-Verbindungen. R

R

R C C C C R OH

OH

in CH3CO2H

+

2 HI

R

R C C C C R R

+ I2

+ H2O

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6.5 Reaktionen konjugierter Diene

87

6.5 Reaktionen konjugierter Diene 6.5.1

Elektrophile 1,2- und 1,4-Addition

Die elektrophile Addition an 1,3-Diene führt zu einer Mischung von 1,2- und 1,4-Addukten, wie die Bromierung des 1,3-Butadiens zeigt: 1

H2C CH CH CH2

+

Br2

H2C CH CH CH2

+

HBr

Br

2

3

4

CH2 CH CH CH2 Br 1

2

3

4

1

sowie

Br

1

sowie

H3C CH CH CH2

2

3

4

CH 2 CH CH CH 2 Br (E + Z) 2

3

4

H 3C CH CH CH 2 Br (E + Z)

Br 1,2-Addition

1,4-Addition

Die elektrophile Addition an konjugierte Doppelbindungen verläuft unter Bildung mesomeriestabilisierter Carbenium-Ionen. Bei der Hydrobromierung des 1,3-Butadiens (Abb. 6.6) tritt z. B. ein (Methyl-substituiertes) Allyl-Kation auf, das durch zwei mesomere Valenzstrichformeln beschrieben wird: H2C CH CH CH2 + H Br

/ Br

/

H3C CH CH CH2

H 3C CH CH CH 2 oder

H 3C CH

CH

CH2

Dieses Carbenium-Ion ist besonders energiearm, da seine positive Ladung nicht lokalisiert, sondern auf zwei C-Atome verteilt wird (Mesomeriestabilisierung). Daraus ergibt sich eine tertiären Carbenium-Ionen ähnliche Stabilität. Da sich C-2 und C-4 die positive Ladung teilen, kann das Bromid-Ion an beide C-Atome addieren. Tiefe Temperaturen begünstigen die 1,2-, höhere die 1,4-Addition (Abb. 6.6). Epot

FEA FEA

CH 2

CH

H

CH 2

CH CH

H

CH

CH2

+ Br CH2

CH CH

H

Br

CH 2

CH2 Br

1,4-Addition begünstigt bei hoher Temperatur

1,2-Addition begünstigt bei tiefer Temperatur

Abb. 6.6. Konkurrenz zwischen 1,2- und 1,4-Addition an 1,3-Diene (Hydrobromierung des 1,3-Butadiens)

6.5.2

Radikalische Addition

Konjugierte Diene reagieren leichter mit Radikalen als isolierte, weil sie, z. B. mit photolytisch erzeugten Halogen-Atomen (Abschn. 3.1), mesomeriestabilisierte Allyl-Radikale bilden können.

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88

6 Diene

Die C-Atome C-2 und C-4 teilen sich das ungepaarte Elektron, so daß in der Reaktionskette sowohl 1,2- als auch 1,4-Addition möglich ist: 1

2

3

4

Cl

H2C CH CH CH2 + Cl

CH 2 CH CH CH2

Cl CH2 CH CH CH 2 oder

Cl

CH 2 CH

CH

CH2

1,2-Dichlor-3-buten und 1,4-Dichlor-2-buten (E und Z) sind daher die Reaktionsprodukte: / Cl

Cl

CH2 CH

CH

CH2

+ Cl2

Cl

CH2 CH CH CH2

sowie

Cl CH 2 CH CH CH 2 Cl

Cl

6.5.3

1,3-Dien-Polymerisation

Radikalische und kationische 1,4-Additionen sind an der Polymerisation von 1,3-Dienen zu Kautschuk-Ersatzstoffen beteiligt (Abschn. 35.9, Tab. 35.2). Die entstehenden Dien-Polymere enthalten noch der Addition zugängliche CC-Doppelbindungen, so daß sie durch Vulkanisation und andere Reaktionen (Abschn. 35.2.8) vernetzt werden können. Polymerisation

n R CH CH CH CH R 1,3-Dien-Monomer

6.5.4

R

R

CH CH CH CH n 1,3-Dien-Polymer

[4+2]-Cycloaddition (DIELS-ALDER-Reaktion)

Ein 1,3-Dien (C4-Edukt) reagiert mit einem Alken (C2-Edukt, Dienophil) unter Bildung eines Cyclohexens ([4+2]-Cycloaddition, DIELS-ALDER-Reaktion). Die DIELS-ALDER-Reaktion ist eine elegante Methode zur Synthese von Sechsringen. Im Übergangszustand verteilen sich alle sechs insgesamt vorhandenen r-Elektronen gleichmäßig über die sechs beteiligten C-Atome. Die relative Konfiguration der Substituenten (z. B. X und Y cis im Dienophil) bleibt im Addukt erhalten (X und Y ebenfalls cis im Cyclohexen). X

X

1,3-Dien

6.5.5

X

6r

+

Y

Y Dienophil

X oder

Übergangszustand

Y Y Addukt : X,Y-substituiertes Cyclohexen

[4+1]-Cycloaddition

1,3-Butadien und andere 1,3-Diene cycloaddieren Schwefeldioxid. Dabei entstehen Sulfolane (2,5-Dihydrothiophen-1,1-dioxide). Diese zu den cheletropen Reaktionen gehörende [4+1]-Cycloaddition ist reversibel, so daß sich die Sulfolane als flüssige Lagerformen der 1,3-Diene eignen, z. B. bei der Durchführung von DIELS-ALDER-Reaktionen. O +

S O

1,3-Dien

O S O Sulfolan

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7.1 Nomenklatur, Konstitutionsisomerie

89

7 Alkine 7.1 Nomenklatur, Konstitutionsisomerie Alkine sind Kohlenwasserstoffe mit CC-Dreifachbindungen. Die Monoalkine bilden eine homologe Reihe der allgemeinen Summenformel CnH2n/2. Die Bezeichnung schließt mit der Endsilbe "in" (Tab. 7.1). Die Position der Dreifachbindung wird durch die geringstmögliche Ziffer angegeben; 1-, 2- und 3-Hexin sind Konstitutionsisomere, die sich durch die Stellung der Dreifachbindung unterscheiden (Tab. 7.1). Tab. 7.1. Nomenklatur ausgewählter Alkine und Konstitutionsisomerer mit unterschiedlicher Position der Dreifachbindung Summenformel

1-Alkin

C 2H 2

H C C H Ethin

Konstitutionsisomer(e)

C 3H 4

H C C CH 3 Propin

C 4H 6

H C C CH 2 CH 3 1-Butin

H 3C C C CH 3 2-Butin

C 5H 8

H C C CH 2 CH 2 CH 3 1-Pentin

H 3C C C CH 2 CH 3 2-Pentin

C 6H 10

H C C CH 2 CH 2 CH 2 CH 3 1-Hexin

H 3C C C CH 2 CH 2 CH 3 2-Hexin

H 3C CH 2 C C CH 2 CH 3 3-Hexin

7.2 Molekülgeometrie Die lineare Geometrie der CC-Dreifachbindung (Abb. 1.18, S. 14) in Alkinen wird durch sphybridisiertes C erklärt (Interorbitalwinkel 180°, Abb. 1.10, S. 10). Die CC-u-Bindung kommt durch Endüberlappung zweier sp-Hybridorbitale der bindenden C-Atome zustande; die Überlappung der kompakten sp-Orbitale erklärt den kleinen Atomabstand (121 pm); zwei zusätzliche rBindungen entstehen durch seitliche Überlappung der beiden nicht hybridisierten p-Orbitalpaare der Bindungspartner (Abb. 1.19, S. 14). Insgesamt resultiert eine nahezu zylindrische rElektronenverteilung um die CC-Bindungsachse.

7.3 Eigenschaften Da Alkine unpolare Verbindungen sind, unterscheiden sich ihre Löslichkeiten, Siedepunkte, Schmelzpunkte und Dichten nicht signifikant von den Daten der Alkane und Alkene mit der glei-

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90

7 Alkine

chen Anzahl von C-Atomen. Die zweite r-Bindung sollte zu einer erhöhten Reaktivität der Alkine gegenüber Elektrophilen führen; tatsächlich ist die CC-Dreifachbindung aber weniger reaktiv gegenüber elektrophilen und reaktiver gegenüber nucleophilen Reagenzien. Eine Besonderheit des Ethins und aller terminaler Alkine (R/C»C/H) ist ihre CH-Acidität; terminale Alkine sind CH-Säuren und können Metallsalze bilden (Abschn. 7.5.6). Die CH-Acidität versteht sich als eine Folge der kompakten sp-Hybridorbitale: Innerhalb der CH-Bindung des Alkins befindet sich das bindende Elektronenpaar näher am C-Atom (als in den längeren CHBindungen der Alkene oder Alkane), so daß diese Bindung schwach ionisch wird.

7.4 Darstellung 7.4.1

Ethin-Synthesen

Ethin (frühere Bezeichnung: Acetylen) wird industriell durch partielle Oxidation des Methans (aus Erdgas) gewonnen. 6 CH 4

+ O2

1500 °C

2H C C H

+

10 H 2

+

2 CO

Die Darstellung des Ethins durch Hydrolyse von Calciumcarbid (CaC2) hat keine industrielle Bedeutung mehr. Koks, gebrannter Kalk 2000-3000 °C

7.4.2

CaO

+

C

CaC 2

CaC2

+

2 H2O

2H C C H

(Calciumcarbid) +

Ca(OH)2

Doppelte Dehydrohalogenierung von Dihalogenalkanen

Die doppelte Dehydrohalogenierung von 1,1- oder 1,2-Dihalogenalkanen in Gegenwart starker Basen wie Natriumamid führt zu terminalen Alkinen; als Zwischenstufen werden Halogenalkene (Vinylhalogenide) nachgewiesen. (NaNH2)

H2C CH R Br Br

oder

Br CH CH 2 R Br

/"HBr

(NaNH2)

HC CH R Br

/"HBr

H C C R

Schwächere Basen wie Kaliumhydroxid in Ethanol und höhere Temperaturen führen zu einer Verschiebung der Dreifachbindung zur Molekülmitte. (KOH / C2H5OH)

H2C CH CH 2 R X X

/""2 HX

H 3C C C R

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7.5 Reaktionen

7.4.3

91

Doppelte Dehalogenierung von Tetrahalogenalkanen

1,1,2,2-Tetrahalogenalkane werden durch Zinkstaub in Ethanol unter Rückfluß zu Alkinen dehalogeniert. Br Br R C C R

+

2 Zn

R C C R

+

2 ZnBr2

Br Br

7.4.4

Alkinylierung von Halogenalkanen

Aufgrund ihrer CH-Acidität werden terminale Alkine durch Natriumamid in flüssigem Ammoniak (Sdp. – 33 °C bei 1011 mbar) zu Natriumalkinyliden deprotoniert. (flüssiges NH3)

R C C H

+

Na

NH 2

R C CI Na + Natriumalkinylid (Kohlenstoff-Nucleophil)

NH3

Das Alkinylid-Anion reagiert als starkes Nucleophil mit primären Halogenalkanen (nucleophile Substitution), so daß ein beidseitig substituiertes Alkin entsteht. R' CH 2 CH2

X

+

R'

IC C R

CH 2 CH 2 C C R

+

X

Mit sekundären oder tertiären Halogenalkanen greift das Alkinylid-Anion dagegen als Base am dH-Atom an, so daß die Dehydrohalogenierung zum Alken überwiegt. H H R1

R1

C C R2 H

+

IC C R

H +

C C H

X

H C C R

+

X

R2

7.5 Reaktionen 7.5.1

CH-Acidität, Bildung von Alkinyliden

Terminale Alkine sind CH-Säuren (Abschn. 7.3); daher bilden sich Alkalialkinylide beim Einleiten eines Alkins in eine Lösung von Alkalimetall in flüssigem Ammoniak. Leitet man Ethin oder ein terminales Alkin in wäßrige Lösungen von Silber(I)- und Kupfer(I)-Salzen, so werden die schwer löslichen Schwermetallalkinylide ausgefällt. R C C H

+

[Ag(NH3)2]

NO3

R C CI """Ag

+

NH 4

+

NO3

+ NH3

R C C H

+

[Cu(NH 3)2]

Cl

R C CI """Cu

+

NH 4

+

Cl

+ NH3

Schwermetallalkinylide sind in getrocknetem Zustand explosiv; Zusatz von Mineralsäuren regeneriert die Alkine.

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92

7.5.2

7 Alkine

Hydrierung

Katalytische Hydrierung zu (Z)-Alkenen (Z)-Alkene bilden sich stereoselektiv bei der katalytischen Hydrierung von Alkinen mit gebremstem Katalysator (LINDLAR-Katalysator, Pd/BaSO4) oder Nickelborid (BROWN-Katalysator P2). Dabei reagiert das Alken mit dem an der Metalloberfläche chemisorbierten Wasserstoff-Molekül in einer Vierzentren-Reaktion, so daß H2 nur von einer Seite an die Dreifachbindung herankommt (Z-Hydrierung, Abschn. 4.4.2). R

(LINDLAR-Kat.)

R C C

R C C R + H H

H

H

(Z)-Alken

Katalysator-Oberfläche

Hydroborierung Auch die Addition von Natriumborhydrid NaBH4 an Alkine ist eine cis-Addition und führt daher zu (Z)-Alkenylboranen, aus denen durch saure Hydrolyse die (Z)-Alkene entstehen. 3 R C C R

+

/

R

NaBH4 , BF3

BH 4

"/ H

/

R C C

R

+ 3 H2O (H3O+)

B

3 - B(OH) 3

3 H (Z)-Trialkenylboran

R C C

H H (Z)-Alken

Die oxidative Zersetzung der Alkenylborane führt über die instabilen "Vinylalkohole" (Enole) zu Ketonen: R

/

R C C

R

+ 3 H2O2 (OH ")

B

3 H (Z)-Trialkenylboran

/ B(OH) 3

3

R

R 3 R CH 2

C C

C O

H OH (Z)-Enol

Keton

Reduktion zu (E)-Alkenen Die Reduktion der Alkine mit Alkalimetallen (Na, Li) in flüssigem Ammoniak führt stereoselektiv zu (E)-Alkenen (Abschn. 4.4.2).

̈

R

+ 2 Na

R C C R

7.5.3

/"2"Na+ NH2

/

H C C

H R (E)-Alken

Elektrophile Additionen

Halogenierung (Addition von Halogen) CC-Dreifach- sind weniger nucleophil als CC-Doppelbindungen. Daher addieren Halogene nicht spontan an CC-Dreifachbindungen. Erst nach Aufpolarisation der Halogen-Halogen-Bindung

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7.5 Reaktionen

93

durch eine LEWIS-Säure (FeCl3, AlCl3) addiert Halogen als elektrophiles Halogenonium-Ion. Dabei bildet sich stereoselektiv das (E)-1,2-Dihalogenalken. FeCl3

+

Cl2

+

[FeCl4]

Cl3Fe

f/ fCl Cl

R R C C H

Cl

[FeCl4]

Cl

Cl +

C C Cl

oder

FeCl3

H

Ohne Zusatz von LEWIS-Säuren läßt sich die CC-Doppelbindung eines Enins selektiv, d. h. unter Erhaltung der CC-Dreifachbindung halogenieren. Br

20 °C

H C C CH 2 CH CH R

+

H C C CH 2 CH CH R Br

Br2

Hydrohalogenierung (Addition von Halogenwasserstoff) Bei der elektrophilen Addition von Halogenwasserstoff an Alkine entstehen über AlkenylKationen die wenig reaktiven Halogenalkene. Nur drastischere Bedingungen führen zur weiteren Hydrohalogenierung. Unter MARKOWNIKOW-Orientierung erhält man 1,1-Dihalogenalkane. R R C C R'

+

H X

X

R +

C C H

X

R'

R'

H

+ HX , Hitze

H X R C C R'

C C

H X

Technisch von Bedeutung ist die Hydrochlorierung des Ethins zu Chlorethen (Vinylchlorid, R = R´ = H) als Monomer zur Synthese des Polymer-Werkstoffs Polyvinylchlorid (PVC, Abschn. 4.5.15).

Hydratisierung (Addition von Wasser) Wasser addiert bei Gegenwart von Quecksilber(II)-sulfat in saurem Medium an Ethin. Der als Zwischenstufe diskutierte Vinylalkohol ist das instabile Tautomere des stabilen Acetaldehyds. H

OH C C H H

HgSO4 / H 2SO4

H C C H

+

H 2O

Enol

H

O H C C H H

Enolat Vinylalkohol (Ethenol)

O H3C C H Acetaldehyd

Vinylalkohol (ein Enol) und Acetaldehyd (eine Oxo-Verbindung) sind Tautomere (Oxo-EnolTautomerie, Keto-Enol-Tautomerie). Tautomere sind Isomere, die durch 1,3-Wasserstoff-Verschiebung (von O- zum d-C-Atom) unter Lösung und Neuknüpfung kovalenter Bindungen ineinander übergehen. Die Hydratisierung terminaler Alkine führt zu Methylketonen. O R C C H

+

H2O

R C CH 3 Methylketon

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7 Alkine

Hydrocyanierung (Addition von Cyanwasserstoff) Blausäure addiert in Gegenwart von Kupfer(I)-Salz als Katalysator an CC-Dreifachbindungen. Es bildet sich Acrylnitril (Vinylcyanid, Cyanoethen), das Monomer des Werkstoffs Polyacrylnitril. N H H C C H

7.5.4

+

H C N

C

C C H H Acrylnitril

REPPE-Synthesen

Die von REPPE ausgearbeiteten technischen Synthesen zur Herstellung zahlreicher VinylMonomerer auf Acetylen-Basis sind meist elektrophile Additionen an Ethin. Vinylierungen von Alkoholen und Carbonsäuren OH-acide organische Verbindungen wie Alkohole und Carbonsäuren addieren an Ethin unter Bildung von Vinylethern und Vinylestern, die als Monomere der entsprechenden PolyvinylPolymeren in der Werkstoff-Industrie von Bedeutung sind. Hitze, Druck basischer Kat.

R OH

+

R R O

H C C H

O

H R C

C C H

+

H C C H

C O

HgSO4, 80 °C

OH

H

H C C

O H

H

Vinylester

Vinylether

Carboxylierungen mit Kohlenmonoxid und Alkoholen Die Carboxylierung des Ethins durch Nickeltetracarbonyl in Ethanol-Lösung liefert Acrylsäureethylester. Acrylsäureester sind bedeutende Monomere zur Herstellung polymerer Werkstoffe. O

+ Ni(CO4), + 2 HCl

4 H C C H

+

4 HO CH2 CH 3

4 H2C CH C

/ NiCl2, /"H2

O CH 2 Acrylsäureethylester

CH3

Addition an Carbonyl-Verbindungen (Ethinylierungen) Die Ethinylierung von Aldehyden und Ketonen führt zu Alkinolen und Alkindiolen, die als Zwischenprodukte für organische Synthesen attraktiv sind (Abschn. 6.4.2). O + R

O R C H (R')

(Base)

+

H C C H

Aldehyd (Keton)

7.5.5

OH R C C C H H (R') Alkinol

C

H (R') (Base)

OH

OH

R C C C C R H (R') H (R') Alkindiol

Dimerisierung von Ethin

Ethin dimerisiert beim Einleiten in eine wäßrige Lösung von Kupfer(I)-chlorid und Ammoniumchlorid (NIEWLAND-Katalysator) zu 1-Butin-3-en (Vinylacetylen), eine Vorstufe des 1,3-Buta-

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7.5 Reaktionen

95

diens (Abschn. 6.4.1); die weitere katalytische Addition von Chlorwasserstoff liefert 2-Chlor-1,3butadien (Chloropren) als Monomer des Kautschuk-Ersatzstoffs Polychloropren (Neopren).

2 H C C H

7.5.6

H

+ HCl (CuCl, NH4Cl)

(CuCl, NH4Cl)

C CH2 H2C C Cl 2-Chlor-1,3-butadien (Chloropren)

H C C CH CH2 1-Butin-3-en (Vinylacetylen)

Cyclooligomerisierungen

Benzen sowie symmetrisch Alkyl-substituierte Derivate entstehen durch Cyclotrimerisierung ([2+2+2]-Cycloaddition) von Alkinen in hochtemperierten, mit Nickel- und Kobalt-Katalysatoren ausgekleideten Röhrenreaktoren. R' +

R

R + R' R

+

R' (Ni oder CoKomplexe)

R R'

R'

H + H

R

H + H Ni(CN) 2

R'

H + H

R

H + H

Hexaalkylbenzen

Cyclooctatetraen

In Gegenwart von Nickel(II)-cyanid cyclotetramerisieren ([2+2+2+2]-Cycloaddition) Ethin und andere Alkine zu Cyclooctatetraen.

7.5.7

BERGMAN-Cyclisierung von Endiinen

Endiine cycloaromatisieren in Gegenwart eines Wasserstoff-Donors (meist 1,4-Cyclohexadien) zu Benzen-Derivaten. Diese als BERGMAN-Cyclisierung bekannte Reaktion verläuft über ein intermediäres 1,4-Diradikal des Benzens, das sich durch Aufnahme zweier H-Atome aus dem Wasserstoff-Donor zum Benzen mit dem durch das Endiin gegebenen Substitutionsmuster stabilisiert. R

R

+

R

R

R

/

R

3-En-1,5-diin

7.5.8

subst. Benzen

[2+2+1]-Cycloaddition (PAUSON-KHAND-Reaktion)

Alkine [2], Alkene [+2] und Kohlenmonoxid [+1], letzteres aus Dicobaltoctacarbonyl, cycloaddieren zu 2-Cyclopentenonen (PAUSON-KHAND-Reaktion). O / Co2(CO) 6 , / CO

+ Co2(CO)8 + 2-Cyclopentenon

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96

7 Alkine

Unter Abspaltung zweier Äquivalente Kohlenmonoxid bildet sich zunächst der Dicobalthexacarbonyl-Komplex 1. In das nach Addition des Alkens entstehende Addukt 2 zwängt sich wahrscheinlich ein Äquivalent Kohlenmonoxid. Der hierbei entstandene DicobalthexacarbonylKomplex 3 zerfällt in Dicobalthexacarbonyl und Cyclopentenon mit dem durch Alkin und Alken gegebenen Substitutionsmuster. O + Co2(CO)8

/"2" CO

/""Co2(CO) 6

O +

Co(CO)3

Co(CO)3 Co(CO)3

Co(CO)3

1

7.5.9

-"" CO

(CO)6Co2

2

3

Isomerisierungen

Die weniger stabilen terminalen Alkine lagern sich in der Hitze in Gegenwart von Basen unter Protonenübertragung in die stabileren 2-Alkine um. Ist die Bildung von 2-Alkinen erschwert, so entstehen Allene mit kumulierten CC-Doppelbindungen. Hitze, KOH, C2H5OH

1-Alkin

R CH 2 C C H

Hitze, NaNH2

R C C CH 3

2-Alkin

H C C CH2 R Allen (Kumulen)

"Contrathermodynamische" Isomerisierungen durch Verschiebung der Dreifachbindung aus der Mitte von Alkinen in terminale Positionen gelingen in Gegenwart von "Superbasen" wie Kalium3-aminopropylamid ("KAPA"): KAPA, 0 °C

H 3C (CH2)5 C C (CH2)5 CH3

H3C (CH 2)11 C C H

7-Tetradecin

7.5.10

1-Tetradecin

Alkenylierung und Arylierung terminaler Alkine

Einem der HECK-Reaktion (Abschn. 4.5.11) folgenden Mechanismus kuppeln terminale Alkine an Halogenalkene und Halogenarene in Gegenwart von Palladium(0)-Komplexen und Kupfer(II)iodid als Cokatalysator (SONOGASHIRA-Reaktion). Pd(0), CuI , Base

R C C H

+

X

/ HX

Halogenaren (oder Halogenalken)

R C C Alkinylbenzen (oder Enin)

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7.6

Natürliche Alkine

7.5.11

97

Oxidative Kupplung terminaler Alkine (GLASER-Kupplung)

Terminale Alkine kuppeln oxidativ in Gegenwart von Kupfer(II)-Salzen und einer Base zu symmetrischen c,i-Diinen. Dabei deprotoniert die Base zu einem Alkinylid-Anion, das Kupfer(II) im Komplex durch Übertragung eines Elektrons zu Kupfer(I) reduziert; die resultierenden AlkinylRadikale dimerisieren. (Cu2+, Base)

2 R C C H

R C C C C R c,i-Diin

+ 1/2 O2

+

H2O

Die Cyclisierung von c,y-Diinen nach dem Prinzip der GLASER-Kupplung ist ein allgemeines Prinzip zur Synthese größerer Kohlenstoff-Ringe (Abschn. 8.6.6).

7.5.12

Oxidative Spaltungen

Starke Oxidationsmittel wie Kaliumpermanganat oder Ozon spalten die CC-Dreifachbindung so, daß aus den Spaltprodukten die Konstitution des Alkins rekonstruiert werden kann, wie die Beispiele zeigen. R terminales Alkin Dialkylethin

R R

C C H

KMnO4

C C H C C R'

O3 O3

R CO2H

+

CO2

R CO2H

+

HCO2H

Carbonsäure + Ameisensäure

R CO2H

+

HO2C R'

Carbonsäuren

7.6 Natürliche Alkine Alkine sind nicht nur Produkte der organischen Synthese. Polyine lassen sich als toxische Inhaltsstoffe (Carbonsäure-Derivate, Alkohole) aus Pflanzen, Pilzen sowie Viren isolieren. Einige wirken antibiotisch, finden jedoch wegen ihrer Toxizität und begrenzten Stabilität keine dementsprechende Verwendung. Dehydromatricariasäuremethylester aus Matricaria inodorata (Pflanze)

H H3C C

C

C

C

C

C

C C

CO2CH3

H

Erythrogensäure (Isomsäure) aus Oncogea klainea (Virus)

H2C

CH

(CH2) 4

C

C

C

C

H

Mycomycin aus Norcardia acidophilus (Pilz)

C

C

C

C

CH

C

CO2H

H C

H

(CH2) 7

H

C C

C H

H

C CH2

CO2H

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98

8 Cycloalkane

8 Cycloalkane 8.1 Klassifizierung und Nomenklatur der Cycloalkane Kohlenstoff-Atome können sich offenkettig und ringförmig verknüpfen. Die Ringverbindungen werden zweckmäßig klassifiziert als Cycloaliphaten (cyclische Aliphaten, Alicyclen) und Aromaten (mit Benzen als Stammverbindung). Cycloaliphaten werden unterteilt in Cycloalkane, Cycloalkene (Cyclene) und Cycloalkine. Von offenkettigen Alkanen, Alkenen und Alkinen werden die Ringe durch das "Präfix" "Cyclo" unterschieden, wie einige Beispiele zeigen.

Cyclopropan

Cyclobutan

Cyclopentan

Cyclohexan

Cycloheptan

Cyclooctin

Cycloocten

(kleinstes stabiles Cycloalkin)

Polycyclische Kohlenwasserstoffe (Bicylen, Tricylen) werden je nach Verknüpfungsart als verbundene, verbrückte oder spirocyclische Ringe bezeichnet.

verbunden

verbrückt

spirocyclisch

Die Bezeichnung von Polycyclen richtet sich nach ̈ der Anzahl der Ringe (Präfixe Bicyclo-, Tricyclo-, usw.), ̈ der Gesamtzahl der Ring-C-Atome (Stamm-Alkan) und ̈" der Anzahl der Atome zwischen den Brückenkopf-C-Atomen (abnehmend in eckigen Klammern [ ] ), wie die folgenden Beispiele klar machen:

Bicyclo[4.4.0]decan (Decahydronaphthalen, Decalin)

Bicyclo[4.1.0]heptan (Norcaran)

Bicyclo[2.2.1]heptan (Norbornan)

Tricyclen (z. B. Tricyclo[4.2.0.02,5]octan) leitet man vom Bicyclus ab (Bicyclo[4.2.0]octan) und ergänzt die zusätzliche Brücke (z. B. 0 C-Atome) durch hochgestellte Positionsziffern der zusätzlichen Brückenkopf-C-Atome ([...02,5]). Spirocyclen werden durch das Präfix "Spiro" gekennzeichnet. 2 5

1

6

Bicyclo[4.2.0]octan

2

1

5

6

Tricyclo[4.2.0.02,5 ]octan

Spiro[2.2]pentan

Spiro[4.5]decan

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8.2 Physikalische Eigenschaften

99

Schließlich klassifiziert man die Cycloalkane noch aufgrund ihrer Ringgröße (Anzahl der Ring-CAtome). Kleine Ringe enthalten 3-4, normale 5-7, mittlere 8-11 und große 12 und mehr C-Atome im Ring.

8.2 Physikalische Eigenschaften Die Siedepunkte von Cycloalkanen liegen 10 - 20 °C höher als die der entsprechenden n-Alkane. Auch die Schmelzpunkte sind höher, da Cycloalkane energetisch günstigere Kristallgitter bilden. Die im Vergleich zu den Alkanen ebenfalls höheren Dichten schwanken mit der Ringgröße. Die Verbrennungswärmen pro Methylen-Gruppe sind für Cyclopropan und Cyclobutan erheblich größer als für Propan und Butan. Mit zunehmender Ringgröße nähern sich die Verbrennungswärmen den Werten der n-Alkane. Wie alle wenig polaren Verbindungen sind die Cycloalkane in stark polaren Lösemitteln wie Wasser nahezu unlöslich; sie lösen sich gut in allen weniger polaren organischen Lösemitteln.

8.3 Konformation und Stabilität Offenkettige Alkane bevorzugen gestaffelte Konformationen (Abschn. 2.4); die Bindungswinkel weichen nicht vom Tetraederwinkel 109.5° ab. Dies gilt nicht für kleinere Cycloalkane, deren Konformation von mehreren Einflüssen, vor allem von der Ringspannung abhängt: ̈ Die Winkelspannung (BAEYER-Spannung) ist die Abweichung vom Tetraederwinkel. ̈ Die Torsionsspannung (Drehspannung, PITZER-Spannung) ist der Sammelbegriff für Abweichungen von der gestaffelten Konformation. ̈ Die VAN-DER-WAALS-Spannung (sterische Spannung) ist die Folge von VAN-DER-WAALSAbstoßungen. ̈ Dipol-Dipol-Wechselwirkungen, Anziehungen oder Abstoßungen durch Dipol-Kräfte beeinflussen die Konformation. Aufgrund dieser Einflüsse sind Cycloalkane mit Ausnahme des Cyclopropans nicht eben.

8.3.1

Cyclopropan

Dreiringe sind eben. Im Cyclopropan bilden die C-Atome ein gleichseitiges Dreieck mit internem CCC-Bindungswinkel von 60° (Abb. 8.1). Demgegenüber beträgt der Tetraederwinkel 109.5°. Der große Unterschied (49.5°) ist die hohe Winkelspannung des Cyclopropans. Wie die Molekül-Modelle (Abb. 8.1) zeigen, befinden sich die H-Atome des Cyclopropans in einer ungünstigen, annähernd ekliptischen Anordnung mit hoher Torsionsspannung. Da der Tetraeder- und sp3-Interorbitalwinkel 109.5° beträgt, überlappen im Cyclopropan die sp3Hybridorbitale nicht im Zentrum wie bei den Alkanen (Abb. 8.2 a), sondern neben den CCBindungen (Abb. 8.2 b). Die Ähnlichkeit zur r-Bindung (Abb. 4.1, S. 54) fällt auf. Anschaulich

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100

8 Cycloalkane

wird das gebogene Molekülorbital der CC-Bindung des Cyclopropans (Abb. 8.2 b) als "Bananen"Bindung bezeichnet. Diskutiert wird auch das WALSH-Modell des Cyclopropans mit sp2-hybridisierten Ring-C-Atomen (Abb. 8.2 c), mit CH-Bindungen, die aus der Überlappung von sp2Hybridorbitalen der C-Atome mit den s-Orbitalen der H-Atome hervorgehen, sowie mit zentrosymmetrisch überlappenden sp2-Hybrid- und peripher überlappenden p-Orbitalen der drei Ring-CAtome. Das WALSH-Modell erklärt einige spektroskopische Eigenschaften und manche Reaktionen besser.

Abb. 8.1. Cyclopropan: Stab-, Kugel-Stab- und Kalotten-Modell, CC-Atomabstände: 154 pm; CH-Atomabstände: 108 pm; HCH-Bindungswinkel: 118.2°; HCC-Bindungswinkel: 116.4°

C

C

C

C

C

C

C

sp3-Hybridorbitale sp3-Hybridorbitale

(a)

C

C

sp2-Hybridorbitale p-Orbitale

(c)

( b) 3

Abb. 8.2.(a) Alkane: Überlappung der sp -Hybridorbitale im Zentrum der CC-Bindung; 3 (b) Cyclopropan: Überlappung von sp -Hybridorbitalen zu CC-u-Bindungen („Bananen“-Bindungen); 2 (c) Cycopropan: WALSH-Modell mit sp -hybridisierten Ring-C-Atomen

8.3.2

Cyclobutan

Cyclobutan ist kein Quadrat mit ekliptischen H-Atomen; die Torsionsspannung wäre zu groß. Entspannung schafft eine leichte Faltung, wie die Molekülmodelle (Abb. 8.3) zeigen; dabei wech-

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8.3 Konformation und Stabilität

101

selt das Molekül rasch zwischen äquivalenten Konformeren; allerdings erhöht sich dabei die Winkelspannung geringfügig. Die Abweichung von der Planarität beträgt etwa 25-30°.

Konf ormere des Cy clobutans

Abb. 8.3. Cyclobutan: Stab-, Kugel-Stab- und Kalotten-Modell, CC-Bindungslängen: 156 pm; CH-Atomabstände: 109 pm; HCH-Bindungswinkel 114°

Da die Abweichung vom Tetraederwinkel geringer ist als im Cyclopropan, überlappen im Cyclobutan die sp3-Hybridorbitale etwas näher an der CC-Bindungsachse (Abb. 8.4 a). Auch für Cyclobutan wird ein WALSH-Modell mit zentrosymmetrisch überlappenden sp2-Hybridorbitalen diskutiert (Abb. 8.4 b).

p-Orbitale sp2-Hybridorbitale C

C

C

C

C

C

C

C

sp3-Hybridorbitale

(a )

(b)

Abb. 8.4. Cyclobutan: (a) Überlappung von sp -Hybridorbitalen zu CC-u-Bindungen („Bananen“-Bindungen); 2 (b) WALSH-Modell mit sp -hybridisierten Ring-C-Atomen 3

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102

8.3.3

8 Cycloalkane

Cyclopentan

Ein planares Cyclopentan hätte fast keine Winkelspannung, da der interne Pentagonwinkel 108° beträgt; jedoch wäre wegen der annähernd ekliptischen Anordnung der äußeren Bindungen die Torsionsspannung zu groß. Daher entspannt sich das Molekül in einer "Briefumschlag" oder "Envelope"-Konformation mit geringfügig erhöhter Winkelspannung, in der ein Ring-C-Atom etwas aus der Ebene herausragt (Abb. 8.5). Dabei wechselt das Molekül rasch zwischen fünf gleichwertigen Konformeren (Pseudorotation): 1

2

5

4 3

Abb. 8.5. Cyclopentan: Stab-, Kugel-Stab- und Kalotten-Modell eines Briefumschlag-Konformers

8.3.4

Cyclohexan

Die Sesselform ("chair") ist das stabilste Konformer des Cyclohexans; sie ist praktisch frei von Winkelspannung, und alle Bindungen sind gestaffelt, wie es die Molekülmodelle (Abb. 8.6) zeigen. 1

1

Sessel-Konformer 4

4

Vorderansicht NEWMAN-Projektion gestaffelte Bindungen, keine Winkelspannung, stabil

Die Boot- oder Wannenform ("boat") des Cyclohexans ist zwar frei von Winkelspannung, steht jedoch infolge ekliptischer Bindungen unter beträchtlicher Torsionsspannung und wegen sterischer

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8.3 Konformation und Stabilität

103

Abstoßung der 1,4-H-Atome auch etwas unter VAN-DER-WAALS-Spannung. Sie ist daher energiereicher als die Sesselform und entspricht einer Übergangsform auf einem Energiemaximum (Abb. 8.7, S. 104). H 183 pm H 4

Boot- oder WannenKonformer

H

1

H

4 1

Vorderansicht NEWMAN-Projektion keine Winkel- aber hohe Torsionsspannung infolge ekliptischer Bindungen, labil

Abb. 8.6. Cyclohexan: Stab-, Kugel-Stab- und Kalotten-Modell eines Sessel-Konformers, CC-Atomabstände: 154 pm; CH-Atomabstände 109 pm; CCC-Bindungswinkel: 111.5°

Twist-Boot-Formen ("skew boat") als dritte Konformere des Cyclohexans sind labiler als der Sessel aber stabiler als die Wanne. Twist-Boot-Konformere haben weder Winkel- noch VAN-DERWAALS- jedoch etwas Torsionsspannung.

Twist-Boot-Konformere

Halbsessel-Konformer

Die Halbsessel-Form des Cyclohexans ist das labilste Konformer mit Winkel- und Torsionsspannung. Sie liegt / wie das Boot-Konformer / auf einem Maximum im Energieprofil der Konformationsumwandlungen des Cyclohexans, die man als Ringinversion (Abb. 8.7) bezeichnet. Die stabilen Cyclohexan-Konformeren (Sessel, Twist-Boot) sind nicht isolierbar, sondern nur nach "Einfrieren" der Ringinversion (Abb. 8.7) bei tiefen Temperaturen spektroskopisch nach-

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104

8 Cycloalkane

weisbar. Bei Raumtemperatur liegt Cyclohexan zu 99 % in der spannungsfreien Sesselkonformation vor. Epot kJ / mol

Wanne Halbsessel

21 5-6

Twist-Boot

21 - 25

Sessel

Ringinversion

Abb. 8.7. Energieprofil der Ringinversion des Cyclohexans

Durch Ringinversion monosubstituierter Cyclohexane wie Methylcyclohexan wechselt der Substituent ständig zwischen axialen und äquatorialen Positionen. Bei Raumtemperatur ist dieser Wechsel so rasch, daß es nicht gelingt, ein Konformer mit axialem oder äquatorialem Substituenten zu isolieren. H 5

H

CH3

H

labil

5

H

3

H

H

1

a-Konformer

1

3

CH3

CH 3

e-Konformer

CH3

H

stabil

Allerdings wird ein axialer Substituent infolge der VAN-DER-WAALS-Wechselwirkung mit den axialen H-Atomen an C-3 und C-5 abgestoßen (VAN-DER-WAALS-Spannung), so daß bei Raumtemperatur das Konformer mit äquatorialem Substituenten (e-Konformer) dominiert. Monochlorcyclohexan liegt sogar im Kristall als e-Konformer vor. Löst man bei –150 °C in Chlorethen, so läßt sich dieses Konformer bei dieser tiefen Temperatur spektroskopisch über mehrere Stunden beobachten. Die 1,3-diaxiale Wechselwirkung ist bei 1,3-di- und 1,3,5-trisubstituierten Cyclohexanen besonders wirkungsvoll. Diese Moleküle bevorzugen fast ausschließlich die stabileren e-Konformeren besonders, wenn die Substituenten so voluminös sind wie t-Butyl- oder i-Propyl-Gruppen. Bei raumfüllenden Substituenten können mitunter Twist-Boot- und Boot-Konformere sterisch günstiger sein. Andererseits kann sich das Konformeren-Gleichgewicht auch infolge anziehender Gruppen in 1,4-Stellung zugunsten der Boot-Form verschieben.

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8.4 Konfigurationsisomerie der Cycloalkane

105

Trans-1,2-Dihalogencyclohexane bevorzugen ihre e-Konformeren weniger, weil die elektrostatische Abstoßung der Brom-Atome in den e-Konformeren zu intensiv ist; Lösemittel mit hoher Dielektriziätskonstante (DK) schwächen jedoch solche Wechselwirkungen. Das Konformerengleichgewicht des trans-1,2-Dibromcyclohexans hängt daher vom Solvens ab. Br Br Br Br 1,2-diäquatorial (ee) dominiert in Lösemitteln großer DK

8.3.5

1,2-diaxial (aa) dominiert in Lösemitteln kleiner DK

Mittlere und große Ringe

Beim Übergang vom spannungsfreien Sechsring zu mittleren Ringen mit relativ kleinen Wechselwirkungen über den Ring (transannulare W.W.) steigt die Gesamt-Ringspannung zunächst bis zum Zehnring an. Der Spannungsanstieg und damit die Abnahme der thermodynamischen Stabilität ist die Folge der teilweise ekliptischen, einander störenden intraannularen (im Ring befindlichen) H-Atome (Intraannular-Spannung). Mittlere Ringe (Cyclooctan) bevorzugen daher gebogene flexible Konformationen (Kronenform), die wie Cyclohexan fast frei von Winkelspannung sind. Cyclodecan weist zusätzlich zu den Wechselwirkungen einiger H-Atome innerhalb des Ringes auch etwas verdrehte Bindungswinkel auf. Sehr große Cycloalkane mit mehr als 14 Ring-CAtomen sind praktisch spannungsfrei. HH

Cyclodecan sechs intraannulare H-Atome destabilisieren die bevorzugte Konformation

Cyclooctan (deformierte Kronenform)

H

H

HH

8.4 Konfigurationsisomerie der Cycloalkane 8.4.1

Cyclopropan, Cyclobutan, Cyclopentan

Cis-(Z)- und trans-(E)-Isomere 1,2-disubstituierter Cyclopropane, Cyclobutane und Cyclopentane sind wie (E)- und (Z)-2-Buten trennbare Konfigurationsisomere. Sie lassen sich nur durch Bruch einer kovalenten Bindung ineinander überführen, wie z. B. cis- und trans-1,2-Dimethylcyclopropan zeigen. Trans-1,2-disubstituierte Cycloalkane (mit gleichen Substituenten) bilden / im Gegensatz zu trans-2-Buten / zusätzlich Spiegelbildisomere (Enantiomere, Abschn. 17). H3C

H CH3

H

H CH3

H 3C H

H

H

H

1,2-Dimethylcyclopropan H

H H

cisSymmetrieebene: meso-Form

H 3C

H

H

CH 3

transtransSpiegelbilder : Enantiomere

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106

8.4.2

8 Cycloalkane

Cyclohexan

In cis-1,2-disubstituierten Cyclohexanen stehen die Substituenten äquatorial-axial (ea oder ae), wie die Keilstrich-Projektionsformeln und die Sessel-Konformeren in Tab. 8.1 zeigen. In den Konformeren der trans-1,2-disubstituierten Cyclohexane stehen die Substituenten entweder diäquatorial oder diaxial (ee oder aa Tab. 8.1). Dabei werden die Konformeren mit diäquatorialen Substituenten wegen geringerer VAN-DER-WAALS-Spannung meist bevorzugt. Die cis-trans-Isomerie 1,4-disubstituierter Cyclohexane folgt dem Muster der 1,2-disubstituierten Derivate (cis: ea oder ae; trans: ee oder aa, Tab. 8.1). In 1,3-disubstituierten Cyclohexanen kehren sich diese Relationen um, wie Tab. 8.1 klar macht (cis-1,3-: ee oder aa; trans-1,3-: ae oder ea).

Tab. 8.1. Keilstrich-Projektionen und Konformere disubstituierter Cyclohexane relative Konfiguration

Keilstrich-Projektion

Sessel-Konformere

1 1

cis-1,2-

R

2

2 1

2

R

R äquatorial-axial (ea)

axial-äquatorial (ae)

R

1 1

trans-1,2-

R

2

2

R

R 1

2

R

diäquatorial (ee)

diaxial (aa)

1

cis-1,3-

R

3

1 3

3

R

R

diäquatorial (ee)

R trans-1,3-

1

R

diaxial (aa)

1

R

1

3

R

3

1

3

R äquatorial-axial (ea)

axial-äquatorial (ae)

1

cis-1,4-

4

R

1

R 1

4

4

R

R äquatorial-axial (ea)

axial-äquatorial (ae)

R 1

trans-1,4-

1 4

R

R

4 1

4

diäquatorial (ee)

R

diaxial (aa)

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8.4 Konfigurationsisomerie der Cycloalkane

8.4.3

107

cis- und trans-Decalin

Bicyclo[4.4.0]decan entsteht durch katalytische Hydrierung des Naphthalens und wird deswegen meist als Decalin (von Decahydronaphthalen) bezeichnet. Die Trennung durch Destillation ergibt zwei Konfigurationsisomere, cis- und trans-Decalin. Im Sessel-Konformer des cis-Decalins stehen die H-Atome an den Brückenköpfen zusammen (äquatorial-axial), im trans-Isomer stehen sie entgegengesetzt (diaxial), wie die Projektions- und Stereoformeln darstellen. Cis- und trans-Decalin sind Modellverbindungen für Terpene, Steroide und einige Alkaloide. Die Molekül-Modelle (Abb. 8.8) veranschaulichen die unterschiedlichen Umrisse der beiden Konfigurationsisomeren. H H 1

cis-Decalin (Sdp. 194 °C)

10

H

5

H H

H 1

trans-Decalin (Sdp. 185 °C)

10 5

H

H

Abb. 8.8. Stab-, Kugel-Stab- und Kalotten-Modell des cis-Decalins (oben) und des trans-Isomers (unten); zur besseren Übersicht wurden die Kugel-Stab-Modelle (Mitte) ohne H-Atome ausgedruckt

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108

8 Cycloalkane

8.5 Verbrennungswärmen Die Verbrennungswärmen pro Methylen-Gruppe der Cycloalkane nehmen von den hochgespannten kleinen Ringen (Cyclopopan: 698; Cyclobutan: 687; Cyclopentan: 665 kJ/mol) zum Cyclohexan (660 kJ/mol) deutlich ab, steigen für mittlere Ringe wieder etwas an (Cyclononan: 665 kJ/mol) und erreichen für große Ringe die für n-Alkane und Cyclohexan üblichen Werte (660 kJ/mol). Sie reflektieren somit sehr klar die Ringspannung.

8.6 Cycloalkan-Synthesen Ein allgemeines Prinzip der Synthese von Kohlenstoff-Ringen ist die Kopf-Schwanz-Verknüpfung einer bifunktionellen Verbindung. Betrachtet man diese intramolekulare Reaktion kinetisch, so hängt ihr Erfolg von der Aktivierungsenergie ab, hier der Energiedifferenz zwischen offenkettigem Edukt und bereits cyclischem Übergangszustand. Dabei spielen die Wahrscheinlichkeit zur Bildung des Übergangszustands und die Ringspannung eine wesentliche Rolle (Tab. 8.2). Die Wahrscheinlichkeit, daß sich die beiden Enden einer offenkettigen Verbindung in reaktionsgünstiger Nähe befinden, sinkt stetig vom Dreiring zu den größeren Ringen. Zusätzlich beeinflußt die Spannung den Energieinhalt des Übergangszustands beim Ringschluß. Winkel- und Torsionsspannung behindern bei kleinen, VAN-DER-WAALS- und andere nichtbindende Wechselwirkungen bei mittleren Ringen; die Synthese gewöhnlicher und großer Ringe wird dagegen von der Ringspannung kaum betroffen. Tab. 8.2. Bildungstendenzen der Cycloalkane Ringgröße

C-Atome

Wahrscheinlichkeit

Spannung

Synthesechance

3 4 5 6 7 8 9 - 12 >12

sehr günstig weniger günstig weniger günstig ungünstig ungünstig ungünstig ungünstig sehr ungünstig

sehr hoch hoch sehr gering sehr gering gering gering hoch gering

mäßig gut gut gut mäßig gering sehr gering gering

klein gewöhnlich

mittel groß

8.6.1

Dreiring-Synthesen

[2+1]-Cycloaddition Die [2+1]-Cycloaddition von in situ erzeugtem Singulett-Carben (Abschn. 1.8.3) an eine CCDoppelbindung bewährt sich zur Synthese vieler Cyclopropan-Derivate. Carben-Vorstufen sind Diazomethan (für Carben, :CH2 oder ICH2), Diazoessigester (für :CH/COOR, Alkoxycarbonylcarben) und Chloroform (für :CCl2, Dichlorcarben). Die relative Konfiguration des Alkens (cis-

̈"

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8.6

Cycloalkan-Synthesen

109

bzw. trans-) bleibt im Cyclopropan erhalten; aus (Z)- bzw. (E)-Alkenen entstehen cis- bzw. transdisubstituierte Cyclopropane. Die somit stereospezifisch verlaufenden [2+1]-Cycloadditionen mit Carbenen (Abschn. 1.8.3) gehören zu den cheletropen Reaktionen, bei denen von einem Atom aus zwei u-Bindungen zu den Enden einer Doppelbindung oder eines Diens geknüpft (oder gelöst) werden. R

R C C

H

R +

H

R

[ ICH2 ] Carben

cis-Alken

cis-1,2-Dialkylcyclopropan / N2

ICH 2 N NI Diazomethan

Bicyclo[4.1.0]heptan (Norcaran) läßt sich nach diesem Prinzip aus Cyclohexen und Diiodmethan in Gegenwart von Zink-Kupfer-Pulver aufbauen (SIMMONS-SMITH-Reaktion). Hierbei entsteht die Carben-Zwischenstufe über Iodmethylzinkiodid. Zn / Cu

+

CH 2I 2

CH2I 2 + Zn

I CH2 Zn I

[ ICH2 ]

+ ZnI 2

Iodmethylzinkiodid Cyclohexen

Bicyclo[4.1.0]heptan

Das stark gespannte Cyclopropen läßt sich durch [2+1]-Cycloaddition von Carben an Alkine darstellen. R R C C R

+

R

[ ICH2R'2 ] R' R' subst. Cyclopropen

subst. Alkin

Cyclisierung 1,3-bifunktioneller Verbindungen Die reduktive Cyclisierung von 1,3-Dihalogenalkanen mit Zinkstaub führt zu CyclopropanDerivaten (GUSTAFSON-Synthese). Das enstehende Zinksalz läßt sich als Ethylendiamintetraessigsäure-Zink-Chelat (EDTA-Zn) abfangen. Die Synthese des Spiro[2.2]pentans gelingt durch doppelte GUSTAFSON-Synthese. ̈"

+ HBr

H 2C CH CH2Cl

H2C

Allylchlorid

HOH 2C HOH 2C

C

CH2OH CH2OH

Pentaerythrit

CH2Br

CH2Cl 1-Brom-3-chlorpropan

PBr 3

BrH 2C BrH 2C

C

Cyclopropan

CH 2Br

+ 2 Zn (EDTA)

CH 2Br

/ 2 ZnBr 2

Tetrabromneopentan

Spiro[2.2]pentan

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110

8 Cycloalkane

Dreiringe bilden sich auch durch doppelte C-Alkylierung von Malonsäurediethylestern mit 1,2Dihalogenalkanen. Dieses Prinzip ist im Gegensatz zur GUSTAFSON-Synthese auf die Darstellung von Vier-, Fünf- und Sechsringen (aus 1,3-, 1,4- und 1,5-Dihalogenalkanen) übertragbar.

Br CH 2 CH 2 Br

+

Na

COOC 2H5 IC H COOC 2H5

/ NaBr

COOC2H 5 H 2C C H Br CH COOC2H 5

- C2H5ONa

Na _ H 2C C

/ C2H 5OH

COOC 2H 5

Br CH2 COOC2H 5

2

/ NaBr Decarboxylierung / CO2

CO2H

CO2H CO2H

Verseifung / + 2 H2O (OH )

CO2C 2H5

/"2 C2H 5OH

CO2C 2H5 Cyclopropan-1,1-dicarbonsäurediethylester

Cyclopropancarbonsäure

8.6.2

Vierring-Synthesen

[2+2]-Cycloaddition Vierringe bilden sich allgemein durch [2+2]-Photocycloaddition von Alkenen (Abschn. 4.5.13). Sind die Alkene durch elektronegative Reste (F, CN) substituiert, so gelingt die [2+2]-Cycloaddition auch ohne UV-Bestrahlung in der Hitze.

̈"

1,3-Butadien H C CH2 H 2C C H + F 2C CF 2 Tetrafluorethen

Acrylnitril CH CH 2 H F

F F F

1,1,2,2-Tetrafluor3-vinylcyclobutan

CN H2C C H + CN H2C C H

CN

CN H H

H

sowie

CN

CN trans-

H cis-

1,2-Dicyanocyclobutan

Alkylketene dimerisieren spontan durch [2+2]-Cycloaddition zu Cyclobutan-Derivaten. Unsubstituiertes Keten (R = H) cyclodimerisiert unter Beteiligung einer Carbonyl-Gruppe (=C=O) zu dem als Diketen bekannten Oxacyclobutan, einem Konstitutionsisomer des Cyclobutan-1,3-dions. R C C O

R + R O C C R Dialkylketen

R

O

R

C

R O

H 2C

R

Tetraalkylcyclobutan1,3-dion

H2C +

O

CH 2 C

Keten

O

O

O Diketen

Weitere allgemeine Methoden der Cyclobutan-Synthese sind ̈" die doppelte Alkylierung von Malonsäurediestern mit 1,3-Dihalogenalkanen in Analogie zur Cyclopropan-Synthese sowie ̈" die Ringerweiterung geeignet substituierter Cyclopropane (Abschn. 8.7.2).

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8.6

Cycloalkan-Synthesen

8.6.3

111

Fünfring-Synthesen

Cyclisierung bifunktioneller Verbindungen Die DIECKMANN-Esterkondensation (Abschn. 18.10.5) von Hexan-1,6-disäurediester (Adipinsäurediester) in Gegenwart einer starken Base (z. B. Natriumalkoholat) führt zu 2-Alkoxycarbonylcyclopentanon, aus dem viele weitere substituierte Cyclopentan-Derivate dargestellt werden können.

̈"

CO2C2H 5 CH2 C OC H 2 5 O Adipinsäurediethylester

H NaOC2H5

CO2C 2H5

/ C2H5OH

O 2-Ethoxycarbonylcyclopentanon

Von mehreren weiteren Cyclopentan-Synthesen durch Ringschluß bifunktioneller Verbindungen ist die doppelte Alkylierung von Malonsäurediestern mit 1,4-Dihalogenalkanen in Analogie zur Cyclopropan-Synthese (Abschn. 8.6.1) von Bedeutung.

Ringerweiterungen, Ringverengungen Cyclopenten-Ringe bilden sich durch thermische Expansion von Vinylcyclopropanen; die Reaktionsbedingungen hängen von den Substituenten ab:

̈"

LiO 400 °C

Vinylcyclopropan

25 °C

Cyclopenten

2-Vinylcyclopropanolat

LiO

Cyclopenten4-olat

Treibende Kraft ist die Ringspannung des Cyclopropans, wobei sich die u- und r-Bindungen des Moleküls zum weniger gespannten Fünfring reorganisieren (sigmatrope Reaktion). Ringerweiterungen von Cyclobutan-Derivaten (Abschn. 8.7.2), Ringverengungen von Cyclohexan-Derivaten (FAVORSKII-Umlagerung, Abschn. 26.2.1) sowie die [2+2+1]-Cycloaddition (Abschn. 7.5.8) sind weitere Möglichkeiten zur Synthese von Fünfringen.

8.6.4

Sechsring-Synthesen

[4+2]-Cycloaddition Von allen Sechsring-Synthesen ist die [4+2]-Cycloaddition (DIELS-ALDER-Reaktion, Abschn. 6.5.4) am vielseitigsten anwendbar. Dabei cycloaddiert ein Alken als Dienophil an ein 1,3-Dien unter Bildung eines Cyclohexens (Addukt). ̈"

X + 1,3-Dien

X

X oder

Y Dienophil

Y Y Addukt : X,Y-substituiertes Cyclohexen (relative Konfiguration des Dienophils bleibt erhalten)

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112

8 Cycloalkane

Besonders leicht und ergiebig verläuft die [4+2]-Cycloaddition mit Donor-substituierten (elektronenreichen) 1,3-Dienen wie 1-Methoxy-1,3-butadien und Akzeptor-substituierten (elektronenarmen) Dienophilen wie Tetracyanoethen. Andere hochreaktive Dienophile sind Maleinsäureanhydrid, p-Benzochinon, Acetylendicarbonsäurediester und Tetrachlorcyclopropen. O

O H

NC O

H

NC O

C C

CO2CH 3

CN

p-Benzochinon

Cl

C CN

Tetracyanoethen

Cl

Cl

CO2CH 3

O

Maleinsäureanhydrid

Cl

C

Acetylendicarbonsäuredimethylester

Tetrachlorcyclopropen

Alternativ gibt es auch DIELS-ALDER Reaktionen mit inversem Elektronenbedarf, bei denen das 1,3-Dien elektronenarm und das Dienophil elektronenreich ist. [4+2]-Cycloadditionen verlaufen nur mit 1,3-Dienen in der s-cis-Konformation. Als wahrscheinlich gilt ein Vierzentren-Mechanismus, bei dem sich die sechs beteiligten r-Elektronen im cyclischen Übergangszustand gleichmäßig verteilen (Abschn. 6.5.4). Dabei arrangieren sich 1,3-Dien und Dienophil so, daß die r-Elektronensysteme beider Partner optimal überlappen. Dies erklärt die Stereoselektivität, d. h. die bevorzugte Bildung des endo-Addukts unter milden Bedingungen (kinetische Kontrolle), z. B. bei der [4+2]-Cycloaddition von Maleinsäureanhydrid an Cyclopentadien zu endo-Bicyclo[2.2.1]hept-5-en-2,3-dicarbonsäureanhydrid. O +

O

O

O

oder

O 1,3-Cyclopentadien

O Maleinsäureanhydrid

O

O

O

O O O

endo- (nach innen)

O exo- (nach außen)

O

O Bicyclo[2.2.1]hept-5-en-2,3-dicarbonsäureanhydrid

Reduktion von Benzen-Derivaten Viele substituierte Cyclohexane werden durch katalytische Hydrierung entsprechend substituierter Benzene hergestellt. Präparative Bedeutung hat die Reduktion von Benzen-Derivaten zu 1,4Cyclohexadienen mit Natrium in flüssigem Ammoniak (BIRCH-Reduktion).

̈"

C(CH3)3

+ 3 H2 (Pd)

+ 2 Na, + 2 NH3

C(CH3)3

/"2 NaNH2

t-Butylbenzen

t-Butylcyclohexan

Benzen

1,4-Cyclohexadien

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8.6

Cycloalkan-Synthesen

8.6.5

113

Siebenring-Synthesen

COPE-Umlagerung Ein gutes Konzept zur Synthese von Siebenringen ist die COPE-Umlagerung ([3,3]sigmatrope Verschiebung, Abschn. 26.4) von Divinylcyclopropan zu 1,4-Cycloheptadien; die analoge Reaktionsfolge führt vom Benzen zum 1,3,5-Cycloheptatrien: COPE-Umlagerung

+

[ ICH2 ] Carben aus Diazomethan

1,3,5-Hexadien

1,4Cycloheptadien

Divinylcyclopropan

COPE-Umlagerung

+

[ ICH2 ]

Benzen

Bicyclo[4.1.0]heptadien

1,3,5Cycloheptatrien

[5+2]-Cycloaddition Die Ringspannung des Cyclopropans treibt auch die durch Rhodium(I)-Komplexe katalysierte [5+2]-Cycloaddition von Vinylcyclopropan (C5) und Alkenen (C2) zu Cyclohepten: +

Rh2Cl2(CO)4, F

Vinylcyclopropan + Ethen

Cyclohepten

Eine intramolekulare Variante der Reaktion bewährt sich zur Synthese des Bicyclo[5.3.0]decans (Guajan), Grundskelett der Inhaltsstoffe einiger Pflanzenfamilien: Rh2Cl2(CO)4, F

1-Cyclopropyl-1,6-heptadien

Bicyclo[5.3.0]2-decen

Ring-Homologisierung Die Homologisierung von Cyclohexanon mit Diazomethan (Methylen-Einschiebung) führt zu Cycloheptanon, aus dem mehrere weitere Cycloheptan-Derivate zugänglich sind. O

Cyclohexanon

8.6.6

O

/ N2

+

CH 2N2

O Cycloheptanon

Cyclooctanon als Nebenprodukt

Synthese mittlerer und großer Ringe

Cyclooligomerisierungen Alkine cyclotrimerisieren zu Benzen-Derivaten und cyclotetramerisieren zu Cyclooctatetraenen (Abschn. 7.5.6). 1,5-Cyclooctadien bildet sich durch Cyclodimerisierung des 1,3-Butadiens in

̈"

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114

8 Cycloalkane

Gegenwart von Cobalt-r-Komplexen als Katalysatoren. In Gegenwart von Nickeltetracarbonyl cyclotrimerisiert 1,3-Butadien auch zu trans,trans,trans-Cyclododecatrien (als Nickel-r-Komplex). Co-r-Komplex

Ni(CO4)

Ni 1,5,9-Cyclododecatrien (als Nickel- r-Komplex)

1,5-Cyclooctadien

̈ Ringschluß-Metathese Die intramolekulare Metathese (Abschn. 4.5.14) terminaler Diene eignet sich zur Synthese mittlerer und großer Ringe. Das als Nebenprodukt entstehende Ethen entzieht sich dem Gleichgewicht als Gas und hinterläßt das schwerer flüchtige Cycloalken: PR3

Kat.

+

Kat. =

Cl Cl

Ru PR3

R'

Cyclononen

1,10-Undecadien

Cyclisierung bifunktioneller Verbindungen Bei der Synthese mittlerer und vor allem großer Ringe durch Cyclisierung bifunktioneller Verbindungen wird meist das Verdünnungsprinzip nach RUGGLI und ZIEGLER angewendet: Die Verwendung hochverdünnter Reaktionslösungen unterdrückt dabei die intermolekulare Polymerisation zugunsten der erwünschten intramolekularen Cyclisierung. Von den vielen Möglichkeiten zur Synthese mittlerer und großer Ringe durch Cyclisierung bifunktioneller Verbindungen wird eine kleine Auswahl skizziert. ̈

" Cyclisierung langkettiger Diine (GLASER-Kupplung) Makrocyclische 1,3-Diine bilden sich durch intramolekulare oxidative Kupplung terminaler Diine. Cyclotetradeca-1,3-diin entsteht auf diese Weise aus Tetradeca-1,13-diin. H

Cu2+, Pyridin / 2 H+ , / 2 e0

H Tetradeca-1,13-diin

/

Cyclotetradeca-1,3-diin

Cyclisierung langkettiger Dinitrile (THORPE-ZIEGLER) c,y-Dinitrile cyclisieren in Gegenwart starker Basen (Lithiumamide) zu cyclischen Iminonitrilen, die zu Cyclanon-2-carbonsäuren hydrolysiert werden. Letztere decarboxylieren in der Hitze zu den Cyclanonen.

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8.7

Reaktionen

CH 2 C N

115

starke Base in Ether

CH C N

(CH 2) n

(CH 2) n C NH

/ NH 3

CH 2

cyclisches Iminonitril

c-Cyanocyclanon

CH CO2H

+ 2 H2O (H 3O+)

(CH 2) n C O

CH 2

CH 2 C N c.y-Dinitril

CH C N

+ H 2O (H3O+)

(CH 2) n C O

/"4 NH3

CH 2 Cyclanon-2-carbonsäure /"CO2 (Hitze)

CH 2 (CH 2) n C O CH 2 Cyclanon (Cycloalkanon)

Acyloin-Kondensation langkettiger Dicarbonsäurediester (PRELOG-STOLL) Natrium in siedendem Xylen (Xylol) reduziert c,y-Dimethylester zu cyclischen Endiolaten, deren Hydrolyse cyclische Acyloine (c-Hydroxyketone) ergibt. CO2CH 3 (CH2) n CO2CH 3

C

+ 4 Na

O Na

/ 2 NaOCH3

CH

+

+ 2 H2O (H3O )

(CH2) n

/4 NaOH

C

C

O cyclisches Acyloin (c-Hydroxyketon)

O Na cyclisches Endiolat

c.y-Dimethylester

OH

(CH 2) n

8.7 Reaktionen Abgesehen von den Drei- und Vierringen verhalten sich die Cycloalkane und Cycloalkene wie Alkane und Alkene. Radikalische Substitutionen der Cycloalkane und Additionen an Cycloalkene sind möglich. So ergibt die radikalische Bromierung (Photohalogenierung, Abschn. 3) des Cyclohexans Bromcyclohexan, +

Br2

hp Br Bromcyclohexan

und die Addition von Brom an Cyclohexen führt über ein bicyclisches Bromonium-Ion stereospezifisch zum trans-1,2-Dibromcyclohexan (trans-Addition, Abschn. 4.5.3): Br +

Br2

+ Br

1

Br Cyclohexen

2

Br

1 2

Br Br trans-1,2-Dibromcyclohexan

Die Reaktivität kleiner Ringe, vor allem des Cyclopropans, wird von der Ringspannung geprägt; Belege hierzu sind einige typische Reaktionen (Öffnungen, Erweiterungen, Isomerisierungen).

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116

8 Cycloalkane

8.7.1

Ringöffnungen

Die präparativ bedeutungslose katalytische Hydrierung kleiner Cycloalkane zu den offenkettigen Alkanen spiegelt klar die Ringspannung wider: Während sich Cyclopropan bei moderaten Temperaturen zu Propan hydrieren läßt (Alken-Analogie), erfordern die Hydrierungen der größeren Ringe deutlich höhere Temperaturen. Im Gegensatz zu Alkenen ist Cyclopropan gegenüber Oxidationsmitteln wie KMnO4 stabil.

H2 / Ni , 80 °C

H2 / Ni , 180 °C

H 3C CH 2 CH3

H2 / Ni , 300 °C

H3C CH 2 CH 2 CH3

H 3C CH 2 CH 2 CH2 CH 3

Ringöffnungen (1,3-Additionen) des Cyclopropans gelingen auch mit typischen Elektrophilen wie Brom, Bromwasserstoff und Schwefelsäure. + Br 2

Br

+ H2SO4

CH 2 CH 2 CH2 Br

H 3C CH 2 CH 2 OSO3H

1,3-Dibrompropan

1-Propylhydrogensulfat Br

+ HBr

H 3C

H 3C CH CH 2 CH3

Methylcyclopropan

2-Brombutan (MARKOWNIKOW-Produkt)

Cyclopropyl-Kationen, die bei Reaktionen substituierter Cyclopropane entstehen können, öffnen sich zu mesomeriestabilisierten Allyl-Kationen (Cyclopropyl-Allyl-Umlagerung). So führt die Diazotierung (Abschn. 22.6.2) des Aminocyclopropans mit Natriumnitrit in wäßriger Salzsäure zum Allylalkohol. NH 2 H Cyclopropylamin

8.7.2

+ HNO2 /"N2 / 2 H2O

+ 2 H2O

H2C CH CH 2

H Cyclopropyl-Kation

/ H3O+

Allyl-Kation

H2C CH CH 2 OH Allylalkohol

Ringerweiterungen

Bei der Reaktion von Aminomethylcyclopropan mit salpetriger Säure (Diazotierung mit Natriumnitrit in saurer Lösung, Abschn. 22.6.2) entsteht über das Diazonium-Ion das CyclopropylmethylKation, welches sich unter 1,2-Verschiebung einer Ring-Bindung teilweise zum CyclobutylKation aufweitet (DEMJANOW-Umlagerung). Die nucleophile Addition von Wasser führt dann zu Cyclobutanol neben Hydroxymethylcyclopropan. NH 2 CH 2 NH2

oder

H

+ HNO2

CH 2

/"N2 / 2 H2O

+ 2 H2O / H3O+

H CH2 OH

sowie

Hydroxymethylcyclopropan

OH Cyclobutanol

sowie

H2C CH CH 2 CH2 OH 1-Buten-4-ol

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8.7

Reaktionen

117

Ringerweiterungen unter Nutzung der DEMJANOW-Umlagerung von Aminomethyl- und Hydroxymethylcycloalkanen eignen sich zur Synthese von Sieben- und Achtringen. Aus Aminomethylcyclohexan entstehen z. B. Cyclohepten und Cycloheptanol. Cyclohepten /"[ H+]

CH2 NH 2

H + HNO2

CH2 CH2

/"N2 / 2 H2O

+ 2 H2O

H

/ H3O+

CH 2 OH H Cycloheptanol

Die analoge Reaktion cyclischer d-Aminoalkohole zu Cycloalkanonen ist als DEMJANOW-TIFFEbekannt. Aus 1-Aminomethylcycloheptanol wird z. B. Cyclooctanon.

NEAU-Umlagerung

CH2 NH 2

+ HNO2

CH 2

OH

/"N2 / 2 H2O

OH

+

/"[ H ]

CH 2 OH

O

1-Aminomethylcycloheptanol

8.7.3

Cyclooctanon

Transannulare Reaktionen mittlerer Ringe

Aufgrund ihrer Konstitution und Konformation können mittlere Cycloalkan-Ringe diagonal durch den Ring (transannular) reagieren. Ein Beispiel ist die transannulare Hydrid-Verschiebung im protonierten Cyclooctenoxid. Infolgedessen entsteht nicht nur das erwartete trans-1,2-Cyclooctandiol, sondern auch das cis-1,4-Diol. trans-1,2-Cyclooctandiol

H O H

+ H3O+

H

H 6 5

1 4

2 3

OH

/ [ H+ ]

+ H2O

O H

H OH

H Hydrid-Verschiebung von C-4 oder C-6 nach C-2

H OH CH2

/ [ H+ ]

HO

H

H OH

+ H2O cis-1,4-Cyclooctandiol

8.7.4

Valenzisomerisierungen, Valenztautomere

Kleine Cycloalkane mit Vinyl- oder Allyl-Gruppen lagern sich thermisch zu stabileren Ringen um. Treibende Kraft ist die Ringspannung, wobei sich die Ring-u- und die Vinyl-r-Bindungen simultan verschieben. Diese als COPE-Umlagerung bekannte [3,3]-sigmatrope Verschiebung wurde bereits als Methode zur Synthese von Siebenringen (Abschn. 8.6.5) aus Divinylcyclopropan erwähnt. Entsprechend läßt sich 1,4-Cyclooctadien durch Erhitzen des 1,2-Divinylcyclobutans darstellen. Daneben gibt es in dynamischen Gleichgewichten balancierende COPE-Systeme, zwischen

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118

8 Cycloalkane

denen nur kleine Energiebarrieren liegen. COPE-Systeme mit derart fluktuierenden r- und uBindungen bezeichnet man als Valenztautomere. Prominentester Vertreter ist das Bullvalen mit über 106 identischen Valenztautomeren.

1,3,5-Cyclooctatrien

Bicyclo[4.2.0]octa-2,4-dien

schnell

Homotropiliden, ein fluktuierender Kohlenwasserstoff

schnell

Bullvalen, ein fluktuierender Kohlenwasserstoff mit etwa 1.2 x 10 6 identischen Valenzisomeren

8.8 Reizvolle Ringe Reizvolle polycyclische Ringe, von denen abschließend eine Auswahl geboten wird, sind nicht nur für theoretische und physikalisch-chemische Untersuchungen interessant, sondern auch ständige Herausforderungen für organisch-chemische Synthesen. Von vielen Grundskeletten sind Analoga mit Heteroatomen und verknüpften Aromaten bekannt. Andere existieren nur mit stabilisierenden Substituenten. C(CH3) 3

C(CH3) 3

(H3C) 3C

(H3C) 3C Tetra-t-butyltetrahedran

Prisman

Cuban

Basketan

Asteran

Barellen

Radialen

Hausan

Vogelkäfig

Twistan

Congressan

Propellan

Dodecahedran

Adamantan (Tricyclo[3.3.3.1.13,7]decan) als einfacheres Beispiel ist ein sehr stabiles Molekül mit starrer Konformation, das sich durch Hydrierung und anschließende Isomerisierung des DIELSALDER-Addukts von Cyclopentadien darstellen läßt. AlCl3 (Isomerisierung)

+ 2 H2 (Kat.)

1 9

7

3

5

Dicyclopentadien

Tetrahydrodicyclopentadien

Adamantan

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9.1 Die Struktur des Benzens

119

9 Benzen und Aromatizität Der Kohlenwasserstoff Benzen (ältere Bezeichnung "Benzol") mit der Summenformel C6H6 unterscheidet sich von den bisher besprochenen ungesättigten Verbindungen durch außergewöhnliche, im folgenden behandelte physikalische und chemische Eigenschaften. Man bezeichnet die Summe dieser Eigenschaften als Aromatizität und nennt organische Verbindungen mit Benzenanalogem Verhalten aromatisch.

9.1 Die Struktur des Benzens Röntgenbeugung und spektroskopische Messungen zeigen, daß die sechs Kohlenstoff-Atome des Benzen-Moleküls ein ebenes regelmäßiges Sechseck bilden. Dabei ist der Abstand zwischen benachbarten Kohlenstoff-Kernen 139 pm, während die CH-Bindungen die von den Alkanen und Alkenen bekannte Länge von 109 pm aufweisen. Alle Bindungswinkel sind 120°. Abb. 9.1 zeigt die Molekülmodelle und skizziert diese Molekülgeometrie.

H

H

120°

H

120°

H

139 pm

109 pm

H

H

Abb. 9.1. Stab-, Kugel-Stab- und Kalotten-Modell sowie Bindungslängen und Bindungswinkel des Benzens

Zur Erklärung dieser Geometrie geht man davon aus, daß Kohlenstoff zur Bildung der uBindungen des Benzens sp2-Hybridorbitale betätigt. Das u-Bindungs-Gerüst des Moleküls mit C/C/C- und C/C/H-Bindungswinkeln von 120° entsteht dann, indem jedes der sechs C-Atome zwei seiner sp2-Hybridorbitale mit denen zweier benachbarter C-Atome überlappt, so daß sich ein ebenes Sechseck von sechs CC-u-Bindungen ergibt (Abb. 9.2). Das an jedem Ring-C-Atom

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120

9

Benzen und Aromatizität

verbleibende sp2-Hybridorbital überlappt mit je einem 1s-Orbital eines Wasserstoff-Atoms, so daß sich insgesamt sechs mit den CC-Bindungen koplanare CH-Bindungen bilden. An jedem C-Atom steht zusätzlich ein nicht hybridisiertes, einfach besetztes 2p-Orbital zur Verfügung, das senkrecht auf der Ebene der u-Bindungen steht. p H

H

H

u

H

u

H

H

Abb. 9.2. Benzen-Modell, u-Bindungen und nicht hybridisierte, koaxiale 2p-Orbitale

Da alle u-Bindungen des Benzens auf einer Ebene liegen, sind die Achsen aller sechs 2p-Orbitale parallel. Dies schafft die Voraussetzung für eine optimale seitliche Überlappung der 2p-Orbitale zu r-Molekülorbitalen. Nimmt man an, daß die sechs 2p-Orbitale paarweise zu drei r-Bindungen überlappen, so wäre Benzen ein Molekül mit alternierenden CC-Einfach- und Doppelbindungen im Sinne eines 1,3,5-Cyclohexatriens. Längere CC-Einfachbindungen mit dem Abstand 154 pm und kürzere CC-Doppelbindungen mit 134 pm würden sich im Ring abwechseln:

H

C

H C C

154 pm

H

H

134 pm

C

C C

H

H

Alle CC-Bindungslängen des Benzens sind jedoch gleich (Abb. 9.1), nämlich 139 pm. Benzen ist demnach kein 1,3,5-Cyclohexatrien; alle Versuche, 1,3,5-Cyclohexatrien herzustellen, führten bisher zum Benzen. Man kann in Benzen somit nicht zwischen CC-Einfach- und Doppelbindungen unterscheiden. Das Modell lokalisierter r-Bindungen, wie es für Alkene beschrieben wurde, läßt sich nicht auf Benzen übertragen. Vielmehr muß man sich vorstellen, daß die sechs 2p-Orbitale senkrecht zur Ebene des Kohlenstoffsechsecks gleichmäßig und fortlaufend überlappen. Die drei resultierenden rBindungen sind nicht an bestimmten Kohlenstoffpaaren lokalisiert, sondern die r-Elektronen verteilen sich gleichmäßig über und unter dem Kohlenstoff-Sechseck, wie es Abb. 9.3 skizziert.

r

H

H C H

C C

C C

H C H

H

(a)

(b)

H

H C H

C u C r

C C

H C H

H

Abb. 9.3. a) ringförmig überlappende p-Orbitale, b) Bereiche der u- und r-Bindungen im Benzen

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9.2 Hydrierwärme und Mesomerieenergie des Benzens

121

9.2 Hydrierwärme und Mesomerieenergie des Benzens Benzen ist eine überaus stabile, im Vergleich zu Alkenen und Polyenen sogar reaktionsträge Verbindung. Bekanntlich drückt man die Stabilität einer Verbindung durch ihre Energiedifferenz relativ zu einer sinnvollen Bezugssubstanz aus. Sinnvolle Bezugsverbindungen für Benzen sind Cyclohexen, 1,3-Cyclohexadien und das bislang hypothetische 1,3,5-Cyclohexatrien. Um zu den Energiebeziehungen zwischen Benzen und diesen Verbindungen zu kommen, kann man von den für Cyclohexen, 1,3-Cyclohexadien und Benzen meßbaren Hydrierwärmen ausgehen. Hydriert man Cyclohexen, so wird eine Hydrierwärme von 120 kJ / mol frei. Die Hydrierung ist also exotherm. Für 1,3-Cyclohexadien erwartet man dann die doppelte Hydrierwärme. Experimentell findet man dagegen einen um 8 kJ / mol geringeren Betrag. + H2 (Kat.)

Cyclohexen

+ 2 H2 (Kat.)

Cyclohexan

1,3-Cyclohexadien

FH = / 120 kJ / mol

Cyclohexan

erwartet FH = / 240 kJ / mol gefunden FH = / 232 kJ / mol Differenz FH = / 8 kJ / mol

Wie bereits gezeigt wurde (Abschn. 6.2.2), ist ein konjugiertes Dien (z. B. 1,3-Hexadien) stabiler als das vergleichbare mit isolierten CC-Doppelbindungen (z. B. 1,4- oder 1,5-Hexadien). 1,3Cyclohexadien ist ein weiteres Beispiel eines konjugierten Diens. Seine Hydrierwärme ist kleiner als der erwartete Betrag. Den Unterschied von FHres = / 8 kJ / mol führt man auf die Konjugation der CC-Doppelbindungen zurück. Offenbar ist 1,3-Cyclohexadien um 8 kJ / mol stabiler als ein Dien mit zwei isolierten CC-Doppelbindungen. Der Fehlbetrag von 8 kJ / mol kann daher als ein Maß für die Mesomerie- oder Resonanzenergie des Moleküls genommen werden (Abb. 9.4 a). Wäre Benzen "1,3,5-Cyclohexatrien", so müßte man die dreifache Hydrierwärme des Cyclohexens messen (360 kJ / mol). Der gefundene Betrag (209 kJ / mol) ist dagegen um 151 kJ / mol kleiner (Abb. 9.4 b). "1,3,5-Cyclohexatrien"

Epot

FHres = /"151 kJ / mol

1,3-Cyclohexadien FHres = /"8 kJ / mol erwartet : FH = /"360 kJ / mol erwartet : FH = /"240 kJ/mol

Benzen gefunden : FH = /"209 kJ / mol

gefunden : FH = /"232 kJ / mol

(a)

Cyclohexan

( b)

Abb. 9.4. Hydrierwärme und Mesomeriestabilisierung (a) des 1,3-Cyclohexadiens (b) des Benzens

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122

9

Benzen und Aromatizität

Demnach ist Benzen um 151 kJ / mol stabiler, d. h. energieärmer als das hypothetische 1,3,5Cyclohexatrien. Diesen Energieunterschied deutet man als die Mesomerieenergie FHres des Benzens (Abb. 9.4 b). Die im Vergleich zu 1,3-Cyclohexadien extrem große Mesomeriestabilisierung des Benzens wird auf die cyclisch delokalisierten r-Bindungen in diesem Molekül zurückgeführt. Dieser die Aromatizität einer Verbindung offenbar kennzeichnende Bindungszustand wird durch mesomere Valenzstrich-Formeln oder mit Hilfe des Molekülorbital-Modells beschrieben.

9.3 Valenzstrich-Formeln des Benzens Der Zustand eines Moleküls mit lokalisierter Doppelbindung läßt sich durch eine einzige Valenzstrichformel wiedergeben; Ethen ist das einfachste Beispiel, 1,5-Hexadien ein weiteres mit zwei isolierten Doppelbindungen. Ethen

H2C CH CH 2 CH2 CH CH 2

H 2C CH 2

1,5-Hexadien

Für Verbindungen mit konjugierten oder cyclisch konjugierten r-Bindungen wie 1,3-Butadien oder Benzen ist diese Wiedergabe unzulänglich. Benzen hat zwar nur eine Struktur (Abb. 9.1) und einen Bindungszustand, aber dieser kann nicht durch eine Valenzstrichformel, wie z. B. die des 1,3,5-Cyclohexatriens dargestellt werden. Im Valenzstrich-Formalismus (engl.: valence bond, abgek.: VB) beschreibt man Benzen als ein Hybrid mehrerer energetisch gleichwertiger oder wenig verschiedener mesomerer Grenzformeln, den KEKULÉ- und DEWAR-Formeln (Abb. 9.5), und verbindet diese durch das Mesomeriezeichen "(kein Gleichgewichts-Doppelpfeil). Keine dieser hypothetischen Strichformeln beschreibt für sich allein den Zustand des Benzens, sondern jede trägt zu einem bestimmten Prozentsatz zum Grundzustand des Moleküls bei, die beiden KEKULÉFormeln (Abb. 9.5) beispielsweise zu 70 %. Epot

KEKULÉ-Formeln

DEWAR-Formeln

FHres = /"151 kJ / mol

Benzen

Abb. 9.5. Energiebeziehung zwischen Benzen und seinen mesomeren Grenzformeln

Jede mesomere Grenzformel des Benzens ist energiereicher als das Benzen-Molekül. Die Kombination aller mesomerer Grenzformeln ergibt indessen den energieärmeren Zustand des realen Moleküls. Der Energieunterschied zwischen Realmolekül und den mesomeren Grenzformeln, die Mesomerieenergie, ist umso größer, je mehr energetisch gleiche oder ähnliche Grenzformeln beteiligt sind. Im Falle des Benzens beträgt der Energieunterschied zwischen Grenzformeln und Realmolekül 151 kJ / mol (Abb. 9.5). Die DEWAR-Formeln sind etwas energiereicher als die KE-

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9.4

Molekülorbital-Modell des Benzens

123

KULÉ-Formeln;

untereinander sind KEKULÉ- und DEWAR-Formeln dagegen energetisch gleich, d. h. entartet (Abb. 9.5). Bemerkenswerterweise lassen sich Valenzisomere des Benzens darstellen. Substituiertes Bicyclo[2.2.0]hexadien (DEWAR-Benzen) und ein Isomer entsteht z. B. durch Cyclotrimerisierung des 3,3-Dimethyl-1-fluor-1-butins bei tiefen Temperaturen. Beim Erhitzen isomerisieren die Primäraddukte jedoch zu den stabileren Benzen-Derivaten. C(CH3)3 3

C

0 °C

(H3C)3C

C F

5

C(CH 3)3 3 C(CH 3)3

C(CH 3)3 (H3C)3C

100 °C

C(CH 3)3

1

F F F F 1,2,6-Trifluor-3,4,5-tri -t-butylbicyclo[2.2.0]hexa-2,5-dien (ein substituiertes DEWAR-Benzen)

F F

1,2,3-Trifluor-4,5,6-tri- t-butylbenzen

9.4 Molekülorbital-Modell des Benzens Die Anwendung des Molekülorbital-Modells auf das Benzen-Molekül führt zu r-Bindungsorbitalen, welche sich über mehr als zwei C-Atome erstrecken. So ergibt die Linearkombination der {Funktionen aller sechs koaxialen, in Abb. 9.2 skizzierten 2p-Orbitale des Benzens sechs Molekülorbitale: Drei bindende energieärmere r-Orbitale und drei antibindende energiereichere r*-Orbitale (Abb. 9.6). Die drei bindenden Molekülorbitale sind in Abb. 9.6 b dargestellt. Das energieärmste

(a)

(b)

Abb. 9.6. r- und r*-Molekülorbitale des Benzens: (a) Energiebeziehung und Besetzung im Grundzustand, (b) räumliche Darstellung der besetzten r-Orbitale

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124

9

Benzen und Aromatizität

dieser r-Molekülorbitale erstreckt sich ringartig über und unter der Ebene des Benzen-Skeletts, wobei es das ganze Molekül umfaßt (Abb. 9.6 b). Im Grundzustand des Benzens besetzen die sechs r-Elektronen die drei bindenden r-Orbitale und führen so zu einer r-Elektronenverteilung über das Molekül, wie sie Abb. 9.7 andeutet.

Abb. 9.7. r-Elektronenverteilung im Benzen

9.5 Benzen-Formel Faßt man die Valenzstrich-Formulierung und das Molekülorbital-Modell zusammen, so kann man den Bindungszustand des Benzens sowohl als Hybrid mesomerer Grenzformeln als auch mit Hilfe delokalisierter r-Molekülorbitale beschreiben. Um beide Modellvorstellungen in einer Formel darzustellen, wird als Benzen-Formel ein regelmäßiges Sechseck mit einem einbeschriebenen Kreis gezeichnet; dieser Kreis soll das delokalisierte r-Elektronensextett symbolisieren. Üblich ist gleichwohl die nicht der Molekülgeometrie entsprechende 1,3,5-Cyclohexatrien-Schreibweise als eine der beiden KEKULÉ-Formeln, weil sich diese am besten zur Formulierung von Reaktionsmechanismen eignen. 6r

oder

üblich:

9.6 Die HÜCKEL-Regel Mit Hilfe quantentheoretischer Rechnungen läßt sich zeigen, daß ein monocyclisches konjugiertes Polyen besonders stabil ist, wenn es (4N + 2) r-Elektronen enthält. Dabei ist N ganzzahlig, also 0, 1, 2, 3, usw. . Diese HÜCKEL-Regel ist als eine Art HUND-Regel (Abschn. 1.3.4) zu verstehen: In einem cyclisch konjugierten m-Ring (Benzen: m = 6) stehen m r-Orbitale zur Verfügung, einschließlich der antibindenden. Von diesen sind die mittleren entartet, nicht dagegen das tiefste und / bei geradzahligem m / das höchste, wie Abb. 9.8 für m = 3 bis m = 8 zeigt. Stehen nun r-Orbitale verschiedener Energie zur Verfügung, so wird das energieärmste zuerst doppelt besetzt. Sind zwei weitere, entartete r-Orbitale verfügbar, so werden zunächst beide einfach, dann doppelt besetzt. Besonders stabil sind jedoch nur solche cyclisch konjugierten Polyene, bei denen alle bindenden r-Orbitale

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9.6

Die Hückel-Regel

125

doppelt belegt sind, auch die entarteten (Abb. 9.6a und Abb. 9.8). Das führt zu den r-Elektronenzahlen: 2; 2 + 4 = 6; 2 + 4x2 = 10; 2 + 4x3 = 14, usw., oder allgemein (2 + 4N) für N = 0, 1, 2, 3, usw. . Die relativen Energiedifferenzen zwischen den r-Orbitalen der cyclisch konjugierten Polyene lassen sich geometrisch konstruieren: Man zeichnet die regelmäßigen m-Ecke mit einer Spitze nach unten in einen Kreis ein, wie Abb. 9.8 für den Drei-, Vier-, Fünf-, Sechs-, Sieben- und Achtring zeigt. Die Positionen der Ecken ergeben dann für jeden Ring die relativen Energieniveaus ("FROST-MUSULIN-Diagramme").

CyclopropeniumKation m-Eck, m = N (HÜCKEL) r-Elektronen

Cyclobutadien 4 / 4

3 0 2

CyclopentadienidAnion 5 1 6

Benzen

CycloheptatrieniumKation

Cyclooctatetraen

6 1 6

7 1 6

8 / 8

m-Eck, m = N (HÜCKEL) r-Elektronen

Abb. 9.8. Relative r-Orbital-Energieniveaus und ihre Besetzung mit r-Elektronen bei cyclisch konjugierten Polyenen und Polyen-Ionen

Verteilt man die r-Elektronen für jeden Ring nach der HÜCKEL-Regel, so ergibt sich, daß das Cyclopropenium-Kation (N=0), das Cyclopentadienid-Anion (N=1), Benzen (N=1), das Cycloheptatrienium-Kation (N=1) und das Cyclooctatetraen-Dianion (N=2) besonders stabil sind, Cyclobutadien und Cyclooctatetraen dagegen nicht (Abb. 9.8). Cyclooctatetraen ist, im Gegensatz zu Benzen, kein ebenes Molekül und kann schon deshalb kein Aromat sein.

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126

9

Benzen und Aromatizität

9.7 Aromatische Verbindungen, Überblick Vier herausragende Merkmale kennzeichnen das Benzen: ̈ Es ist ein ebenes Molekül. ̈ Seine r-Bindungen sind konjugiert und cyclisch delokalisiert. ̈ Seine Mesomerieenergie ist außergewöhnlich groß (151 kJ/mol). ̈ Die Anzahl seiner r-Elektronen folgt der HÜCKEL-Regel [6 = (2+4N) für N=1]. Verbindungen, welche mindestens die ersten drei dieser Eigenschaften mit Benzen teilen, werden als aromatisch definiert. Man unterscheidet dabei vier Klassen: Benzoide, monocyclische nichtbenzoide und polycyclische Aromaten sowie Heteroaromaten, wobei die HÜCKEL-Regel streng genommen nur für benzoide und monocyclische nicht benzoide Aromaten gilt. Benzoide Aromaten enthalten den Benzen-Ring als wesentlichen Baustein. Toluen, Brombenzen oder Benzoesäure gehören zu dieser Stoffklasse. CH 3

Toluen

Br

OH

Brombenzen

NO2

Phenol

NH 2

Nitrobenzen

Anilin

CO2H

Benzoesäure

SO3H

Benzensulfonsäure

Nichtbenzoide monocyclische Aromaten sind ebene, konjugierte Cyclopolyene, deren rElektronenzahl der HÜCKEL-Regel folgt. Vertreter dieser Klasse sind das Cyclopropenium-Kation, das Cyclopentadienid-Anion, das Cycloheptatrienium-Kation (Abb. 9.8) und das Cyclooctatetraen-Dianion, sowie die Makrocyclen [14]- und [18]-Annulen. Allerdings behindern im [14]Annulen sterische Wechselwirkungen der vier inneren H-Atome Koplanarität und Aromatizität. H

H H H

HH

[14]-Annulen

HH

H H

H

H

H H

H

H

H

H H H

H H

[18]-Annulen

H

H

H

H H

H

H

H

H

H

In kondensierten oder polycyclischen Aromaten (Abschn. 12) sind mehrere Benzen-Ringe linear oder gewinkelt ("angular") aneinander kondensiert ("anneliert"). Der einfachste polycyclische Aromat ist das Naphthalen, in dem zwei Benzen-Ringe kondensiert sind.

Naphthalen

Die lineare Kondensation von drei Benzen-Ringen führt formal zum Anthracen, die gewinkelte zum Phenanthren. Ähnlich wie Benzen können polycyclische Aromaten als Hybride mesomerer Grenzformeln geschrieben werden. Dabei kann allerdings nicht mehr jedem Benzen-Ring ein vollständiges r-Elektronensextett zugeordnet werden, und das Ringsystem ist umso energieärmer,

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9.7

Aromatische Verbindungen, Überblick

127

je mehr autonome r-Elektronensextetts formuliert werden können (CLAR-Regel). Phenanthren ist demnach stabiler als Anthracen, wie die etwas größere Mesomerieenergie bestätigt.

Anthracen (3 mesomere Grenzformeln mit je einem autonomen r-Elektronensextett)

Phenanthren (4 mesomere Grenzformeln mit je zwei autonomen r-Elektronensextetts)

Aromatische Heterocyclen oder Heteroaromaten, z. B. Furan, Pyrrol, Thiophen und Pyridin (Abschn. 33), sind ebene Moleküle mit cyclisch konjugierten r-Bindungen und einem Heteroatom mit nichtbindenden (n-) Elektronenpaaren als Ringglied. Sie zeigen physikalische und chemische Eigenschaften, die denen des Benzens sehr ähnlich sind. Sie können ebenso als Hybride mesomerer Grenzformeln geschrieben werden. Dabei muß man berücksichtigen, daß sich die nElektronenpaare des Heteroatoms an der Mesomerie beteiligen können wie z. B. im Pyrrol, daß ein Heteroatom aber auch r-Elektronenpaare formal übernehmen kann wie z. B. der PyridinStickstoff. Je nach Bindigkeit sind die Heteroatome dann positiv oder negativ geladen. H

H

H

H

H

N _

N

N

N

N

\

/

\

_ S _

Furan

Thiophen

/ mesomere Grenzformeln des Pyrrols

_ N

_ O _

_ N

_ N _

_ N _

_ N _

mit analogen mesomeren Grenzformeln

mesomere Grenzformeln des Pyridins

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10 Benzoide Aromaten

10 Benzoide Aromaten 10.1 Nomenklatur benzoider Aromaten 10.1.1

Monosubstituierte Benzene

Benzoide Aromaten sind substituierte und kondensierte Benzen-Derivate. Zur Nomenklatur monosubstituierter Derivate setzt man die Namen der Substituenten vor die StammgerüstBezeichnung "-benzen". Für "Aminobenzen" und "Hydroxybenzen" werden die Bezeichnungen Anilin bzw. Phenol bevorzugt (Abschn. 9.7), weil sich von beiden Verbindungen Stoffklassen mit typischen Eigenschaften ableiten lassen (Aniline und Phenole). Der Phenyl-Rest in monosubstituierten Derivaten wird oft durch /C6H5 , /Ph oder /H abgekürzt.

10.1.2

Mehrfach substituierte Benzene

Die relative Stellung zweier gleicher oder verschiedener Substituenten am Benzen-Kern wird durch Positionsziffern oder Präfixe wie ortho (o-) für 1,2-, meta (m-) für 1,3- und para (p-) für 1,4-disubstituierte Benzene angegeben. 1,2-, 1,3- und 1,4-disubstituierte Benzene mit jeweils gleichen Substituenten sind Konstitutionsisomere. Substituenten werden in alphabetischer Folge ihrer Anfangsbuchstaben aufgezählt. Für bekanntere Verbindungen sind Trivialbezeichnungen in Gebrauch, z. B. m-Toluidin anstelle von 3-Aminotoluen. CH3

Br CH3

CH 3

NO2

CH3 1,2-Dimethylbenzen o-Xylen

CH3

NH 2

CH3 1,4-Dimethylbenzen p-Xylen

NH 2 1,4-Diaminobenzen p-Phenylendiamin

Br

1,2-Dibrombenzen o-Dibrombenzen

1,3-Dimethylbenzen m-Xylen

NO2 1,3-Dinitrobenzen m-Dinitrobenzen

Bei höher substituierten Benzenen ist zur Positionsangabe die kleinstmögliche Zahlenkombination zu wählen. Der Substituent höchster Priorität erhält die Position 1. NH 2

F

CO2H

CH 3 CN

NO2

O2N

CH 2Br

NO2 F

Stammverbindung

NO2

C 2H 5

2,4-Dinitrofluorbenzen Fluorbenzen

2-Cyano-4-ethylanilin Anilin

NO2 2,4,6-Trinitrotoluen Toluen

F

2-Brommethyl3,5-difluorbenzoesäure Benzoesäure

Aliphatisch aromatische Kohlenwasserstoffe , bei denen Alkyl-, Alkenyl- oder Alkinyl-Substituenten an Benzen-Ringe gebunden sind, nennt man Arene; Cumen, m-Ethyltoluen, Mesitylen und Pseudocumen sind z. B. konstitutionsisomere Arene.

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10.2 Gewinnung aromatischer Kohlenwasserstoffe

CH(CH 3)2

129

CH3

C 2H5

CH3 CH 3

H 3C

CH3

CH 3

H3C

CH3

H3C

CH3

CH3 m-Ethyltoluen 3-Ethyl-1-methyl-

Cumen Isopropyl-

Mesitylen 1,3,5-Trimethylbenzen

Pseudocumen 1,2,4-Trimethyl-

Duren 1,2,4,5-Tetramethyl-

Aliphatisch-aromatische Verbindungen mit längerer Aliphatenkette oder mehr als einem PhenylRest können nach IUPAC als Aliphaten-Derivate bezeichnet werden (Phenylalkane, Phenylalkene, Diphenylalkane, Diphenylalkene, Diphenylethin). Gängiger sind Trivialbezeichnungen wie Styren (früher Styrol) für Phenylethen, Stilben für Diphenylethen und Tolan für Diphenylethin. CH CH CH2

CH CH 2

H

H C

C

C

C

H

3-Phenylpropen Allylbenzen

Phenylethen Styren (Styrol)

Biphenyl

(E)-Diphenylethen trans-Stilben

Terphenyl

C C

C C H

H

(Z)-Diphenylethen cis-Stilben

Phenylethin Ethinylbenzen

Diphenylethin Tolan

CH2

CH2 CH2

Diphenylmethan

1,2-Diphenylethan

10.2 Gewinnung aromatischer Kohlenwasserstoffe 10.2.1

Aus Steinkohle

Die Verkokung der Steinkohle bei Temperaturen von 1000 - 1300 °C liefert je nach Lagerstätte und Art der Prozeßführung unterschiedliche Mengen an gasförmigen, flüssigen, teerigen und festen Produkten. Die fraktionierte Destillation und Extraktion des flüssigen Rohteers stellt viele wertvolle aromatische Verbindungen bereit. Große Mengen an Benzen, Toluen, Xylenen und kondensierten Aromaten wie Naphthalen werden auf diese Weise gewonnen. Durch saure Extraktion können Heterocyclen wie Pyridin, durch basische Extraktion Phenole isoliert werden.

10.2.2

Aus Erdöl

Das für die chemische Industrie wertvolle, leider überwiegend zur Energiegewinnung verbrannte Rohöl enthält je nach Herkunft zahlreiche aromatische Verbindungen. Doch kann der Bedarf an aromatischen Grundstoffen nur durch zusätzliche Cyclisierungen und Dehydrierungen bestimmter Alkan-Fraktionen des Erdöls gedeckt werden. Benzen läßt sich kontinuierlich durch Überleiten

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130

10 Benzoide Aromaten

von n-Hexan über Chrom-Aluminium-Oxide unter Druck und bei hoher Temperatur gewinnen. Mit Hilfe von Platin-Katalysatoren kann Toluen aus n-Heptan durch Cyclisierung und Dehydrierung (Aromatisierung, Dehydrocyclisierung, Platforming-Prozeß) hergestellt werden. CH3 CH3

Cr 2O3 / Al2O3 , 500 °C

CH3

CH 3 Pt , 500 °C

CH3

n-Hexan

n-Heptan

Benzen

Toluen

10.3 Eigenschaften Benzen ist eine farblose, stark lichtbrechende Flüssigkeit mit einem Schmelzpunkt von + 5.5 °C und einem Siedepunkt von 80.1 °C. Diese Daten des Benzens stimmen fast genau mit denen des Cyclohexans als vergleichbarem Cycloalkan (Schmp. 6.4 °C, Sdp. 80.8 °C) überein. Polare Moleküle können mit der r-Elektronenwolke des Benzens in Wechselwirkung treten. Dies zeigt sich daran, daß Benzen und seine Derivate ein wesentlich breiteres Lösungsvermögen als Alkane haben; so ist Benzen mit allen üblichen organischen Lösemitteln vollständig mischbar. Wasser löst sich in Benzen nur zu 1 %. Benzen oder Toluen können u. a. als Schlepper für Wasser bei Azeotropdestillationen dienen. Technisch "reines" Benzen enthält bis zu 0.5 % Thiophen, das sich nur durch chemische Reaktion entfernen läßt. Benzen ist, über längere Zeiträume eingeatmet, sehr toxisch, da es rote Blutkörperchen schädigt. Im Organismus bilden sich ferner Epoxide des Benzens (Arenoxide), die nicht weiter metabolisiert werden und Krebs erzeugen können.

10.4 Benzen-Derivate durch elektrophile Substitution Im Vergleich zu den Alkenen ist das cyclisch konjugierte Ringsystem des Benzens wesentlich stabiler gegenüber chemischen Reagenzien (Tab. 10.1). Die für Alkene typischen Additionen beobachtet man beim Benzen nur vereinzelt. Sehr wenige Alken-Reaktionen, z. B. die Ozonolyse, weisen die Gegenwart dreier Doppelbindungen entsprechend der KEKULÉ-Formel (Abschn. 9.3) nach. Tab. 10.1. Reaktivitäten der Alkene und des Benzens Reagenzien Br2 in CCl4, 20 °C HI heiße KMnO4-Lösung H+ oder freie Radikale O3 (Ozon) / Zn, H+ H2 / Pt oder H2 / Ni

Alken-Reaktion

Benzen-Reaktion

1,2-Addition keine 1,2-Addition keine Oxidation keine Polymerisation keine Bildung von Aldehyden oder Ketonen Bildung von Glyoxal Hydrierung bei tiefer Temp. Hydrierung nur bei hoher Temp. und geringem Druck und hohem Druck

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10.4 Benzen-Derivate durch elektrophile Substitution

131

Der aromatische Charakter prägt die Reaktivität des Benzens. Substitutionsreaktionen dominieren. Dieses Verhalten läßt sich mit der starken Neigung des Benzens erklären, sein stabiles rElektronensextett zu bewahren oder nach Störung zu regenerieren (regenerative Reaktivität).

10.4.1

Elektrophile aromatische Monosubstitution

Kraft seines r-Elektronensextetts ist das Benzen-Molekül nucleophil und reagiert deshalb vorwiegend mit Elektrophilen Y+ (Reagenzien mit Elektronen-Defizit, z. B. Kationen). Dabei wird ein H-Atom am Benzen-Ring durch Y ersetzt. Diese elektrophile aromatische Substitution ist die bedeutendste und typischste Reaktion der Aromaten (Abschn. 11). Sie beginnt mit einer lockeren Anlagerung des Elektrophils Y+ an die r-Elektronenwolke des Benzens (FEA klein); aus dem gebildeten r-Komplex entwickelt sich nach Störung des r-Elektronensextetts ein Phenonium-Ion ("u-Komplex", FEA groß); das mesomeriestabilisierte Phenonium-Ion rearomatisiert unter Deprotonierung über einen r-Komplex zum monosubstituierten Benzen. Y

Y H

Y

r-Komplex

Y H

Y

H

u-Komplex: mesomeriestabilisiertes Phenonium-Ion

H

r-Komplex

Y + Y

+ H

Tab. 10.2 (S. 132) orientiert über Möglichkeiten zur Darstellung substituierter Benzene mit Hilfe der elektrophilen aromatischen Substitution. Die in Tab. 10.2 aufgeführten Katalysatoren sind meist starke LEWIS-Säuren. Manche elektrophile Substitutionen laufen nur mit Aromaten Ar* ab, welche reaktiver (nucleophiler) sind als unsubstituiertes Benzen, weil sie durch elektronenabgebende Gruppen (Elektronenpaar-Donoren wie OH oder NH2) substituiert sind.

10.4.2

Dipolmomente, Basizität und Reaktivität substituierter Benzene

Unsubstituiertes Benzen besitzt aufgrund seiner hexagonalen Symmetrie kein Dipolmoment. Elektronenschub oder -zug der Substituenten induziert jedoch bei monosubstituierten Benzenen unsymmetrische Elektronendichte-Verteilungen und daher Dipolmomente (Tab. 10.3, S. 133). ̈ Elektronenabgebende Gruppen [Elektronenpaar-Donoren D, (-)-M-Substituenten] erhöhen die Elektronendichte des Benzen-Rings und damit dessen Nucleophilie gegenüber Elektrophilen. Dies führt zu einer erhöhten Reaktivität bei der Zweitsubstitution (aktivierende Substituenten). ̈" Elektronenanziehende Gruppen [Elektronenpaar-Akzeptoren A, (/)-M-Substituenten] vermindern die Elektronendichte des Benzen-Rings und damit dessen Nucleophilie gegenüber Elektrophilen. Bei Zweitsubstitutionen an diesen Aromaten wird die Reaktivität erniedrigt (desaktivierende Substituenten). Betrag und Richtung der Dipolmomente (Tab. 10.3, S. 133) resultieren aus den positiven und negativen induktiven und mesomeren Effekten der Substituenten.

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132

10 Benzoide Aromaten

Tab. 10.2. Darstellung substituierter Arene durch elektrophile aromatische Substitution (Ar = Phenyl und Aryl, A* = Phenyl und Aryl mit aktivierenden Substituenten Reaktion

Reagenz , Katalysator

Elektrophil Y

Produkt

Wasserstoff-Deuterium Austausch

D2 SO4

D

Ar D Deuterioaren

FRIEDEL-CRAFTSAlkylierung

R X / Al C l 3

FRIEDEL-CRAFTSAcylierung

R

HOUBEN-HOESCHAcylierung

GATTERMANNFormylierung

O

O

O / Al C l 3

C

Ar R Alkylaren

R Alkyl-Kation

R

X

Ar

C

R Alkylarylketon (Phenon)

Acyl-Kation

O

NH R

R C N / H C l / Al C l3

Ar*

C

Ar*

C

H

H

O Ar*

C

C

H Arenaldehyd O

Cl

O R2 N C / P O C l 3 H

C

Arenaldehyd

O C O / Al C l 3 / Cu C l / H C l

Formyl-Kation VILSMEIERFormylierung

NH über Ar*

C H

Immonium-Ion GATTERMANN-KOCHFormylierung

C

O

NH H

NH über Ar*

C

R R Alkylarylketon (Phenon)

Alkylimmonium-Ion

H C N / H C l / Al C l 3

C

Ar*

R2N C

C

H Arenaldehyd

H

O REIMER-TIEMANNFormylierung

C H C l3 / KOH

KOLBE-SCHMITTCarboxylierung

C O2 / KOH

BLANCChlormethylierung Hydroxymethylierung MANNICHAminomethylierung Halogenierung

: C C l2

Ar*

H Arenaldehyd

Dichlorcarben

O

O

CH2

O O C O Kohlendioxid

Sulfonierung

H 2 SO4 / SO3 rauchende Schwefelsäure

OH Arencarbonsäure

Ar* C H 2 OH subst. Benzylalkohol

CH2 NR2 Dialkylaminomethyl-Kation

Ar* C H 2 N R 2 subst. Benzyldialkylamin

X Halogenonium-Ion

Ar X Halogenaren

X = C l, B r C l SO3 H

C

C H 2 OH Hydroxymethyl-Kation

X2 / Al X 3 oder Fe X 3

Chlorsulfonierung

Ar*

Ar* C H 2 C l subst. Benzylchlorid

CH2 O / HX O / HNR2

C

CH2 Cl Chlormethyl-Kation

O / H C l / Zn C l2

CH2

C

Ar SO2 C l Arensulfonsäurechlorid

SO2 C l Chlorsulfonium-Ion O O

S

O O

O

Nitrierung

H N O3 / H 2 SO4 Nitriersäure

O N O Nitronium-Ion

Nitrosierung

Na N O2 / H2 SO4

N O Nitrosyl-Kation

Azo-Kupplung

Ar N 2 X Diazonium-Salz

Mercurierung

Hg X 2

S

O

Ar N O 2 Nitroaren Ar* N O Nitrosoaren N

Ar

N N Ar N Diazonium-Kation Hg X

Ar SO3 H Arensulfonsäure

Ar N N Ar* Azoaren (Azo-Farbstoff) Ar H g X , Ar X Halogenaren über Halogenquecksilberaren

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10.4 Benzen-Derivate durch elektrophile Substitution

133

Tab. 10.3. Dipolmomente monosubstituierter Benzene (gemessen in Benzen bei 20 - 25 °C)

Substituent

(-)-M- , (/)-I(-)-M- , (/)-I(-)-M- , (/)-I(-)-M- , (/)-I(-)-I-

D = OH N(CH3)2 NH2 OCH 3 CH3

1.6 1.6 1.5 1.2 0.4

H

0.0

(/)-M- , (/)-I(-)-M- , (/)-I(-)-M- , (/)-I(-)-M- , (/)-I(/)-M- , (/)-I(/)-M- , (/)-I(/)-M- , (/)-I(/)-M- , (/)-I(/)-M- , (/)-I-

10.4.3

Dipolmoment

SubstituentenTyp

"""""[Debye]

A = CO2H I Br Cl CO2C 2H5 CHO COCH3 CN NO2

Nucleophilie des Benzen-Kerns

Richtung des Dipolmoments

_ D

1.0 1.3 1.5 1.6 1.9 2.8 2.9 3.9 4.0

A

Induktive Effekte von Substituenten am Benzen-Kern

Die auf unterschiedlichen Elektronegativitäten von Atomen oder Gruppen beruhende Polarisierung von u-Bindungen wird als induktiver Effekt bezeichnet. Dabei vermindert der stärker elektronegative Substituent die u-Elektronendichte am weniger elektronegativen Bindungspartner. Der induktive Effekt eines Substituenten wirkt hauptsächlich am Bindungspartner; er klingt mit zunehmender Entfernung rasch ab. Je nachdem, ob der Substituent die u-Elektronen anzieht oder abstößt, spricht man von Substituenten mit (/)-I-bzw. (-)-I-Effekt (Tab. 10.4). Tab. 10.4. Induktive Effekte von Substituenten am Benzen-Ring ff/ C Y (/) - I -Effekt

C H I -Effekt ~ 0

Substituenten, die u-Bindungselektronen stärker anziehen als Wasserstoff, sind stärker elektronegativ als H

/ NR 3 > /OR 2 > "/F > /OR > "/NR 2 Halogene Alkinyl- , Aryl- , Alkenyl-Gruppen Nitro- und Sulfonyl-Gruppen

CarbonylGruppen

"/F > /Cl > "/Br > /I

O

O C > OH

O C > OR

Substituenten, die u-Bindungselektronen an die RingC-Atome schieben, sind weniger elektronegativ als H

_ N _ R >

_ OI _

Alkyl-Gruppen

C C R > /C 6H 5 > /CR CR 2 O > N O

f/ fC Y (-) - I -Effekt

"/C(CH 3)3 > /CH(CH 3)2 > "/CH 2CH 3 > /CH 3

S O OH O C > H

O C R

Halogenalkyl"/CCl3 > /CHCl2 > "/CH 2Cl >> /CH 2CH 2Cl Gruppen

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134

10 Benzoide Aromaten

(-)-I- und (/)-I-Effekte erhöhen bzw. erniedrigen die Basizität (Nucleophilie) des Benzen-Kerns und aktivieren bzw. desaktivieren diesen somit gegenüber Elektrophilen, was zunächst noch keine Vorhersage der Orientierung einer Zweitsubstitution ist.

10.4.4

Mesomere Effekte von Substituenten am Benzen-Kern

Das Dipolmoment einer funktionellen Gruppe hängt davon ab, ob der Substituent an einen Alkyloder Aryl-Rest gebunden ist (Tab. 10.5). Tab. 10.5. Dipolmomente (o [Debye]) von Substituenten an Ethan und Benzen (Gasphasen-Messungen) Substituent X

C2H 5

X

C 6H5 X

Vergleich

/OH /Cl /Br

1.69 2.05 2.01

1.4 1.7 1.73

oAryl < oAlkyl

/NH2 /OCH 3 /COCH3 /NO2 /CN

1.2 1.22 2.78 3.68 4.0

1.48 1.35 3.0 4.21 4.39

oAryl > oAlkyl

Diese Unterschiede erklärt der mesomere Effekt (konjugativer Effekt, engl. resonance effect) . Darunter versteht man die Polarisierung von r-Bindungen durch Fähigkeit eines Substituenten, Elektronenpaare mit der Doppelbindung eines Alkens bzw. mit dem r-Elektronensextett des Benzens auszutauschen. Eine derartige Wechselwirkung ist möglich, wenn die p-Orbitale der Ring-CAtome mit den Orbitalen der Substituenten überlappen können. Günstige Überlappungsbedingungen sind gegeben, wenn der Substituent ebenfalls p-Orbitale bereitstellt. Mesomere Effekte haben eine größere Reichweite als induktive Effekte.

̈ Mesomerie der Halogenbenzene Die verschiedenen Reaktivitäten und physikalischen Eigenschaften aromatischer und aliphatischer Halogen-Verbindungen lassen sich nur teilweise durch Beteiligung mesomerer Grenzformeln (c), (d) und (e) am Grundzustand des Brombenzens erklären. Diese Grenzformeln berücksichtigen eine Wechselwirkung eines der drei nichtbindenden 3p-Elektronenpaare des Brom-Atoms mit den r-Elektronen des Benzen-Kerns (2p-Elektronen). Allerdings ist der daraus resultierende Doppelbindungsanteil der Kohlenstoff-Brom-Bindung gering. _ IBrI

_ IBrI

_ IBr

_ IBr

_ IBr

_ I BrI

(a )

(b )

(c )

(d )

(e)

Brombenzen

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10.4 Benzen-Derivate durch elektrophile Substitution

135

Infolge dieser Wechselwirkung werden dem Benzen-Kern Elektronen durch Mesomerie zugeführt (-); daher spricht man vom (-)-M-Effekt. Die CCl-Bindungslänge des Chlorbenzens entspricht mit 169 pm der des Chlorethens (169 pm) und ist deutlich kürzer als in Chlorethan (176 pm). Dies ist hauptsächlich die Folge der unterschiedlichen C-Hybridisierung in Vinyl- und Arylhalogeniden einerseits (kompakte sp2-Hybridorbitale) und in Halogenalkanen andererseits (weiter reichende sp3-Hybridorbitale). Der (-)-M-Effekt der Halogene nimmt von Fluor zum Iod ab entsprechend einer zunehmend schlechter werdenden Überlappung der 2p-, 3p-, 4p- und 5p- Halogenorbitale mit den Ring-CAtomen. In der gleichen Folge sinkt der (/)-I-Effekt der Halogene infolge abnehmender Elektronegativitäten. Wegen großer Elektronegativitäten dominiert der (/)-I-Effekt der Halogene über ihrem (-)-M-Effekt [(-)-M < (/)-I]. Daher wirken Halogene insgesamt elektronenanziehend.

̈ Mesomerie aromatischer Amine Die Dipolmomente aromatischer Amine wie Anilin (o = 1.6 D) sind größer als die aliphatischer Amine (o = 1.0 – 1.4 D). Wie beim Brom- oder Chlorbenzen kann im Anilin das nichtbindende ("freie") Elektronenpaar auf dem Stickstoff-2p-Orbital mit dem r-Elektronensextett des PhenylRestes wechselwirken: INH2

INH 2

NH2

NH2

INH 2

NH 2 Anilin

Der (-)-M-Effekt der Amino-Gruppe dominiert [(-)-M > (/)-I]. Somit wirkt die Amino-Gruppe trotz höherer Elektronegativität des Stickstoffs aktivierend, da durch die Elektronenzufuhr die Basizität (Nucleophilie) des Phenyl-Restes erhöht wird. Entsprechend kehrt sich die Richtung des Dipolmomentes gegenüber Chlorbenzen um.

̈ Mesomerie des Nitrobenzens Das Dipolmoment des Nitrobenzens ist beträchlich höher als das eines Nitroalkans. Nitro-Gruppen haben einen sehr großen (/)-I-Effekt, da der Stickstoff aufgrund der semipolaren N/O-Bindung partiell positiv geladen ist. Der große (/)-I-Effekt einer Nitro-Gruppe kooperiert mit einem starken (/)-M-Effekt, da das 2pOrbital des Stickstoffs bei Koplanarität günstig mit dem Phenyl-Kohlenstoff überlappen kann. Die Nitro-Gruppe ist daher stark elektronenziehend [(/)-M und (/)-I], was die Basizität (Nucleophilie) des Phenyl-Restes stark erniedrigt. Im Vergleich zu Anilin kehrt sich die Richtung des hohen Dipolmoments daher um (Tab. 10.5). O

N

O

O

N

O

O

N

O

O

N

O

O

N

O

NO2 Nitrobenzen

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136

10 Benzoide Aromaten

Tab. 10.6 gibt eine Übersicht der positiven und negativen mesomeren Effekte häufiger Substituenten. Mesomere Substituenteneffekte bestimmen hauptsächlich den Grundzustand des Moleküls. Das chemische Verhalten substituierter Benzene wird durch mesomere, induktive und auch sterische Effekte geprägt.

Tab. 10.6. Substituenten mit (-)-M - und (/)-M- Effekt (-) - M - Substituenten (Elektronenpaar-Donoren)

(/) - M - Substituenten (Elektronenpaar-Akzeptoren) O

/NR 2 > /OR > /F

>

NR' C > R

CR'2 C R

> H

O C Cl

O C OR

O

O

C R O

/O

/F

> /OR

> /OR2

> /Cl > /Br > /I

C

N

> O

>

>

O C NR2

O >

O O

O

S OH >

S R

O

O

C

>

C N

>

S NR 2 O

10.5 Regioselektivität elektrophiler Zweitsubstitutionen Der Substituent eines monosubstituierten Benzens prägt einerseits dessen Reaktivität gegenüber einem Elektrophil. Je nach Wirkung der Substituenteneffekte auf die Nucleophilie des BenzenRings unterscheidet man zwischen aktivierenden und desaktivierenden Substituenten. Andererseits steuert der Erstsubstituent auch die Regioselektivität der Zweitsubstitution, indem er das Elektrophil in bestimmte Positionen dirigiert; es gibt ortho (o)- und para (p)- sowie meta (m)dirigierende Erstsubstituenten. Experimentelle Resultate vieler elektrophiler Zweitsubstitutionen am Benzen-Kern ordnen die Erstsubstituenten drei Klassen zu: ̈ ̈ ̈

Substituenten, die aktivieren und ortho und para dirigieren (Beispiel: /OH); Substituenten, die desaktivieren und meta dirigieren (Beispiel: /NO2); Substituenten, die desaktivieren und ortho und para dirigieren (Beispiel: /Cl).

Tab. 10.7 gibt eine Übersicht der Klassenzugehörigkeit häufiger Erstsubstituenten in Bezug auf die elektrophile aromatische Zweitsubstitution. Eine Methyl-Gruppe dirigiert demnach den Zweitsubstituenten in o- und p-Stellung, eine NitroGruppe dagegen in m-Stellung, wie die Nitrierungsprodukte des Toluens und Nitrobenzens zeigen (vgl. auch Abb. 10.1):

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10.5 Regioselektivität elektrophiler Zweitsubstitutionen

NO2

konz. HNO3 , H2SO4 , 60 °C

CH3

137

CH3

konz. HNO3 , H2SO4 , 30 °C

CH3

CH3

NO2

O2N NO2

gefunden (statistisch erwartet)

NO2

52 % (40 %)

4 % (40 %)

NO2

konz. HNO3 , H2SO4 , 10 °C

44 % (20 %)

NO2

NO2

NO2

O2N NO2

gefunden (statistisch erwartet)

6 % (40 %)

93 % (40 %)

1 % (20 %)

Tab. 10.7. Mesomere und induktive Effekte von Erstsubstituenten am Benzen-Ring sehr stark

O

(/) - I , (-) - M

NR2 ElektronenpaarDonoren

NHR stark

NH2 OH

= (-) - M - Substituenten

OR = aktivierende Substituenten:

mäßig stark

(/) - I < (-) - M

OCOR NHCOR

Kern wird stärker nucleophil

NHCHO schwach

C 6H5 CH3

(-) - I

CR3

F (~H) Cl, Br, I

(/) - I > (-) - M

CH CH CO2H ElektronenpaarAkzeptoren

schwach

CH CH NO2 COR CHO

= (/) - M - Substituenten

CO2R

= desaktivierende Substituenten:

CO2H

(/) - I , (/) - M

SO3H

Kern wird weniger nucleophil

stark

CN NO2 NH3

sehr stark

(/) - I

NR3

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138

10 Benzoide Aromaten

Abb. 10.1 illustriert den dirigierenden Einfluß einer größeren Anzahl von Erstsubstituenten auf die Nitrierung. Dabei sollen unterschiedliche Pfeillängen die relative Verteilung der regioisomeren Produkte andeuten.

OH CH(CH 3)2 CH 2CH 3 NHCOCH 3 CH 3 CH 2CH2NO2 CH2Cl

aktivierend

CH 2NO2

ortho- und para- dirigierend

CHCl2

F Cl Br I

meta- dirigierend COCH 3

desaktivierend CCl3 SO3H CN NO2 N(CH3)3

Abb. 10.1. Dirigierender Einfluß von Erstsubstituenten bei der Nitrierung (Regioselektivität der Nitrierung monosubstituierter Benzene)

10.6 Darstellung von Alkylbenzenen 10.6.1

Alkylierung nach FRIEDEL-CRAFTS

Neben der Isolierung aus Steinkohle und Petroleum oder der katalytischen Aromatisierung von Alkanen ist besonders die Alkylierung von Aromaten mit Halogenalkanen, Alkoholen oder Alkenen zur Gewinnung alkylsubstituierter Benzene von Bedeutung. Über die Möglichkeiten zur Darstellung monoalkylsubstituierter Benzene orientiert Tab. 10.8. LEWIS-Säuren als Katalysatoren führen zur Bildung des Elektrophils. Da ein bereits am Benzen-

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10.6 Darstellung von Alkylbenzenen

139

Ring vorhandener Alkyl-Rest den Kern gegenüber einer weiteren Substitution aktiviert, isoliert man bei FRIEDEL-CRAFTS-Alkylierungen oft Mischungen polysubstituierter Produkte. Um die Reaktion bei der Monosubstitution anzuhalten, setzt man einen Überschuß an Benzen ein. Tab. 10.8. FRIEDEL-CRAFTS-Alkylierungen des Benzens

Edukte C6H6 3 C6H6 3 C6H6 C6H6 C6H6 C6H6 C6H6 2 C6H6 C6H6

Katalysator(en)

H5C6/CH2/Cl CHCl3 CHCl4 H2C=CH2 H2C=CH2/CH3 H2C=C(CH3)2 C6H12 (Cyclohexen) ClCH2/CH2Cl C6H5/CH=CH2

+ + + + + + + + +

AlCl3 AlCl3 AlCl3 AlCl3, HCl H3PO4 oder HF H2SO4 HF oder H2SO4 AlCl3 AlCl3, HCl

Produkte H5C6/CH2/C6H5 (C6H5)3CH (C6H5)3CCl C6H5/CH2/CH3 C6H5/CH(CH3)2 C6H5/C(CH3)3 C6H5/C6H11 C6H5/CH2/CH2/C6H5 (C6H5)4CH/CH3

Diphenylmethan Triphenylmethan Triphenylchlormethan Ethylbenzen Cumen (Cumol) t-Butylbenzen Cyclohexylbenzen Dibenzyl 1,1-Diphenylethan

Wie einige Methylierungen zeigen, lassen sich Polyalkylbenzene einfach durch einen Überschuß an Elektrophil erhalten. Es ist sogar möglich, in das durch den (-)-I-Effekt stark aktivierte Hexamethylbenzen (hohe Elektronendichte) eine siebte Methyl-Gruppe einzuführen. Man isoliert ein relativ stabiles Phenonium-Salz.

AlCl3

+

CH 3 CH 3

CH 3 CH 3

H3C Cl

AlCl4

Hexamethylbenzen

10.6.2

CH3 CH3

Heptamethylphenonium-Salz

Transalkylierung und thermodynamische Kontrolle von Alkylierungen

FRIEDEL-CRAFTS-Alkylierungen sind reversibel. Daher lassen sich Alkyl-Reste von Alkylbenzenen durch Erhitzen in Gegenwart von AlCl3 auf andere Benzen-Kerne übertragen. Erhitzen von Toluen mit AlCl3 führt z. B. zu einer Mischung aus Benzen, Toluen, Xylenen und geringen Mengen höher methylierter Benzene. Unter relativ milden Reaktionsbedingungen sind Alkyl-Gruppen ortho- und para-dirigierend. Bei höherer Temperatur oder in Gegenwart starker LEWIS-Säuren entstehen dagegen bevorzugt die thermodynamisch stabileren meta-substituierten Alkylbenzene: AlCl3 , 0 °C , kinetisch kontrolliert / 3 HCl

+

3 H 3C Cl AlCl3 , 100 °C , thermodynamisch kontrolliert / 3 HCl

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140

10 Benzoide Aromaten

Bei der Ethylierung des Benzens nach FRIEDEL-CRAFTS findet man bei tiefer Temperatur das thermodynamisch stabilere meta-Triethylbenzen. AlCl3 , 0 °C, 24 h

+

3 H 3C CH 2 Br

Thermodynamisch kontrolliert ist auch die Umwandlung der drei Xylene in Gegenwart von Fluorwasserstoff-Bortrifluorid. Diese katalytische Isomerisierung läßt sich durch 1,2-Methid(Methylcarbanion-) Verschiebungen erklären. CH 3 HF / BF3

HF / BF3

H CH 3

BF 4

H intermediäres Phenonium-Salz bei der 2,3-Methyl-Verschiebung des o-Xylens

Da bei FRIEDEL-CRAFTS-Alkylierungen intermediär Carbokationen auftreten, sind neben den bereits diskutierten Umlagerungen am Ring auch solche in der Seitenkette möglich (Tab. 10.9). Die stabileren tertiären Carbokationen zeigen eine geringere Reaktivität; die primären reagieren rascher mit dem Ring und neigen daher weniger zu Umlagerungen. Umlagerungen sind jedoch auch nach der Kernsubstitution möglich, da diese Alkylierungen reversibel sind. Allgemein treten Disproportionierungen und Umlagerungen am Kern und im Alkyl-Rest in geringerem Umfang ein, wenn nur schwache LEWIS-Säuren als Katalysatoren eingesetzt werden. Dabei gilt folgende Reihung der LEWIS-Säurestärke: AlCl3 > SbCl3 > FeCl3 > SnCl4 > BF3 > ZnCl2 > HF > H2SO4 (wasserfrei) > P2O5 > H3PO4

Tab. 10.9. Umlagerungen der Seitenkette bei FRIEDEL-CRAFTS-Alkylierungen AlCl3

C 6H6

+

H5C 6 CH 2 CH2 CH3

Cl CH 2 CH2 CH3 CH3

C 6H6

+

Cl CH 2 CH CH3

C 6H6

+

HO CH2 C CH3 CH 3

C 6H6

+

Cl C CH 2 CH 3

CH 3

CH 3

AlCl3

+

H5C 6 CH(CH 3)2

CH3 H5C 6 C CH3 CH3

BF3 / 60 °C

CH3 H5C 6 C CH2 CH3 CH3

FeCl3

CH3 H5C 6 C CH2 CH3 CH3

CH 3 AlCl3

H5C 6 CH CH(CH3)2 CH3 C6H 6

+

Cl CH2 CH 2 CH 2 CH3

AlCl3 / 0 °C

H 5C6 CH2 CH 2 CH 2 CH3

CH3 +

H 5C6 CH CH 2 CH3

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10.6 Darstellung von Alkylbenzenen

141

Probleme stellen sich oft bei der Darstellung vicinal alkylierter Benzene aufgrund sterischer Hinderung. Eine t-Butyl-Gruppe am Benzen-Ring schirmt beide ortho-Stellungen sterisch vor elektrophilen Substitutionen ab. Die raumerfüllende t-Butyl-Gruppe läßt sich gut einführen und durch Umalkylierung leicht entfernen. Auf diesem „Umweg“ können auch die sonst schwer zugänglichen 1,2,3-Trialkylbenzene hergestellt werden. C 2H 5

C 2H5 H 3C

CH 3

H3C

(CH 3) 3CCl / AlCl 3

CH3

C2H5Cl / AlCl3

t-Butylierung

H 3C

CH 3

Alkylierung

m-Xylen

m-Xylen / AlCl3

H3C

CH3

Umalkylierung

H3C C CH 3

1,2,3-Trialkylbenzen

H 3C C CH3

CH 3

CH3

Zur Synthese des ebenfalls vicinal substituierten 1,2,3,4-Tetramethylbenzens ("Prehnitol") aus dem 1,2,4,5-Tetramethylbenzen ("Durol") nützt man die Reversibilität der Sulfonierung aus. Die Isomerisierung ist als JACOBSEN-Umlagerung bekannt. SO3H H 3C

CH 3

H 3C

CH 3

Sulfonierung

SO3H

H 3C

CH 3

H 3C

CH 3

CH 3

Isomerisierung

H 3C

CH 3

Desulfonierung

H 3C

CH 3

CH 3

CH 3 1,2,3,4-Tetramethylbenzen

CH 3 1,2,4,5-Tetramethylbenzen

Technisch bedeutsam war die Acylierung und Alkylierung zweier Äquivalente des Chlorbenzens mit Trichloracetaldehyd und Schwefelsäure zu 1,1,1-Trichlor-2,2-bis(4-chlorphenyl)ethan, das als hochwirksames aber biologisch schwer abbaubares Insektizid DDT (Abkürzung für "Dichlordiphenyl-d,d,d-trichlorethan") Verwendung fand. O 2

Cl

+

(H 2SO4) , / H2O

Cl3C C

H Cl

H

10.6.3

C

Cl

CCl3 DDT

FRIEDEL-CRAFTS-Acylierung

Im Gegensatz zur Alkylierung können bei Acylierungen des Benzen-Kerns unter LEWIS-SäureKatalyse (Tab. 10.2, S. 132) keine Umlagerungen eintreten. Deshalb bevorzugt man zur Synthese von Benzenen mit längerem Aliphaten-Rest (Phenylalkane) die Acylierung durch ein Carbonsäurechlorid und anschließende Reduktion des Phenylalkylketons nach WOLFF-KISHNER oder nach CLEMMENSEN (Abschn. 20.11). 1. Acylierung

+

Cl

O C CH2 CH 2 CH3

O

AlCl3 /"HCl

Butansäurechlorid (Butyrylchlorid)

C CH2 CH2 CH 3 Phenylpropylketon (Butyrophenon)

/

+ H2 N/NH2 , OH , 200 °C, / H2O, /"N2

O 2. Reduktion

C

WOLF-KISHNER-Reduktion /

CH 2 CH2 CH3

+ 2 H + , + 2 e0 ". Zn(Hg) / HCl, / H2O

CLEMMENSEN-Reduktion

CH 2 CH 2 CH2 CH 3 Butylbenzen

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142

10.6.4

10 Benzoide Aromaten

Reduktion von Alkenylbenzenen

Da der Benzen-Ring gegenüber der katalytischen Hydrierung stabiler ist als ein Alken, lassen sich Alkenylbenzene selektiv in der ungesättigten Seitenkette zu Alkylbenzenen hydrieren. Bei erhöhten Drucken und Temperaturen wird auch der Ring hydriert, und man erhält Alkylcycloalkane. CH2 CH CH2

+ H2 (Ni), 20 °C, 3 bar

Allylbenzen

10.6.5

CH2 CH2 CH3

CH 2 CH2 CH3

+ 3 H2 (Ni), 130 °C, 120 bar

Propylbenzen

Propylcyclohexan

Cyclotrimerisierung von Alkinen

In Gegenwart spezieller Katalysatoren lassen sich Alkine zu alkylsubstituierten Benzenen cyclotrimerisieren (Abschn. 7.5.6). Aus Pentin entsteht auf diese Weise 1,2,4-Tripropylbenzen. Ni(CO) 4

3 HC C CH2 CH2 CH 3 1-Pentin 1,2,4-Tripropylbenzen

10.6.6

Cyclokondensation von Ketonen

Symmetrische Trialkylbenzene wie Mesitylen, entstehen in geringen Ausbeuten durch säurekatalysierte Cyclokondensation von Ketonen. Aus Aceton bildet sich auf diese Weise Mesitylen. CH3 O CH3 H3C

CH 3

CH3 O

O H 3C

konz. H2SO4 , 5 °C

CH 3

Propanon (Aceton)

10.6.7

H3C

CH3

1,3,5-Trimethylbenzen (Mesitylen)

Alkylbenzen-Synthese nach WURTZ und FITTIG

In einer WURTZ-analogen Synthese lassen sich Alkyl- und Arylhalogenide mit Natrium zu alkylierten Aromaten umsetzen. Aus Brombenzen und 1-Brompropan entsteht u. a. Propylbenzen. Na in Ether

Br + Br

CH 2 CH 2 CH 3

CH 2 CH 2 CH3 , Propylbenzen

, H 3C Biphenyl

(CH 2)4 CH3 n-Hexan

Im Gegensatz zur WURTZ-Synthese erhält man jedoch bei dieser WURTZ-FITTIG-Synthese vorwiegend das Alkylbenzen; Biphenyl und Alkan sind nur Nebenprodukte. Intermediär tritt ein Phenyl-

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10.7

Reaktionen der Alkylbenzene

143

carbanion auf, welches in einer nucleophilen Substitution mit dem Halogenalkan reagiert. Primäre Alkyl-Gruppen gehen dabei keine Umlagerung ein. / NaBr

+ Br

Br + 2 Na

CH2

Na

CH2

CH3

CH2 CH2 CH 3

/ NaBr

Phenylnatrium

10.6.8

Alkylierung über Arylmagnesiumhalogenide

Reaktive Halogenalkane wie Benzylbromid alkylieren Arylmagnesiumhalogenide (aromatische GRIGNARD-Reagenzien). Aus Phenylmagnesiumbromid und Benzylbromid entsteht z. B. Diphenylmethan. Ether

MgBr

+

Br

Phenylmagnesiumbromid

CH 2

CH2 Benzylbromid

+

MgBr2

Diphenylmethan

10.7 Reaktionen der Alkylbenzene 10.7.1

Halogenierung am Kern und in der Seitenkette

Alkylbenzene lassen sich / je nach Reaktionsbedingungen / am Kern elektrophil (Katalysator, Kälte, Kern: KKK) und in der Seitenkette radikalisch substituieren (Siedehitze, Sonnenlicht, Seitenkette: SSS), wie die Chlorierung des Toluens zeigt: CH 2 Cl

CH 3

CH 3

+ Cl2 , Hitze , UV-Licht , /"HCl

+ Cl2 , Kälte , AlCl3 als Kat. , /"HCl

radikalische Substitution in der Seitenkette

elektrophile Substitution am Ring

c-Chlortoluen (Benzylchlorid)

10.7.2

CH 3 Cl und

o-

Chlortoluen

Cl p-

Seitenketten-Halogenierung und Benzyl-Radikal

Bei der radikalischen Bromierung des Ethylbenzens bildet sich ausschließlich 1-Brom-1-phenylethan. Die Chlorierung liefert zusätzlich etwas 2-Chlor-1-phenylethan, da Chlor-Radikale im Vergleich zu Brom-Radikalen reaktiver und weniger selektiv sind (Abschn. 3.4). + Br 2 , hp """/"HBr

CH2 CH 3

CH CH 3 Br 100 %

+ Cl2 , hp """/"HCl

CH CH3

sowie

CH 2 CH 2 Cl

Cl 92 %

8%

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144

10 Benzoide Aromaten

Die Beispiele zeigen, daß die c-H-Atome (in Benzyl-Stellung) besonders leicht substituierbar sind. Ein Grund ist die besondere Stabilität des Benzyl-Radikals, wie die Reihung klar macht: C6H 5 CH CH 3 > C 6H5

CH2 > R CH CH CH 2 >> (H 3C)3C > (H 3C)2CH > H 3C CH 2 > H3C > R CH CH

Die mit dem Allyl-Radikal vergleichbare Stabilität des Benzyl-Radikals ist eine Folge seiner Mesomeriestabilisierung: Alle (sp2-hybridisierten) C-Atome des Benzyl-Radikals liegen auf einer Ebene; senkrecht auf dieser Ebene stehen die Achsen der p-Orbitale, so daß im MO-Modell die insgesamt sieben koaxialen p-Orbitale besonders günstig überlappen können. Entsprechend kann man den Zustand des Benzyl-Radikals durch fünf mesomere Valenzstrichformeln beschreiben.

seitiche Überlappung der p-Orbitale des Benzyl-Radikals

mesomere Grenzformeln des Benzyl-Radikals

Da sich diese Elektronendelokalisation bereits im Übergangszustand der Radikalbildung bemerkbar macht, ist die Bindungsdissoziationsenergie für benzyl- und allyl-ständige CH-Bindungen sehr viel kleiner als für primäre Alkyl/CH-Verknüpfungen: CH4 H2C CH CH 3 CH3

10.7.3

/"H /"H /"H

CH3

FH = 427 kJ / mol

H2C CH CH 2

FH = 323 kJ / mol

CH2

FH = 314 kJ / mol

Triphenylmethyl-Radikal

Die Stabilität des Benzyl-Radikals läßt sich erheblich steigern, wenn sich weitere Möglichkeiten zur Delokalisation des ungepaarten Elektrons bieten. Solche bestehen z. B. im TriphenylmethylRadikal, welches von GOMBERG beim erfolglosen Versuch einer WURTZ-Synthese des Hexaphenylethans entdeckt wurde. Dabei löste er Chlortriphenylmethan in Benzen und schüttelte mit Zinkstaub unter Luftausschluß, worauf sich die Lösung gelb färbte. Die Gelbfärbung geht auf die Bildung freier Triphenylmethyl-Radikale zurück: 2 (H 5C6)3CCl + Zn

2 (H5C 6)3C

+ ZnCl2

Das gelbe Triphenylmethyl-Radikal ist nicht nur aufgrund der gegenüber dem Benzyl-Radikal erweiterten Mesomerie besonders stabil, sondern auch wegen der sterischen Abschirmung des zentralen C-Atoms durch die propellerartige Anordnung der Aryl-Reste. Diese PropellerKonformation ist eine Folge der sterischen Wechselwirkung der ortho-H-Atome und verhindert die für eine perfekte Mesomeriestabilisierung erforderliche vollkommene Koplanarität.

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10.7

Reaktionen der Alkylbenzene

145

Unter Luftausschluß und in Benzen-Lösung existiert das Triphenylmethyl-Radikal im Gleichgewicht mit seinem Dimer. Schüttelt man die gelbe Lösung mit Luft, so wird sie farblos, weil sich farblose, stabile Peroxide bilden. Verhindert man weitere Zufuhr von Luft, so färbt sich die Lösung wieder gelb, wenn überschüssiges Dimer erneut zu Triphenylmethyl-Radikalen dissoziiert.

+ O2

2

C O O C

Peroxid

C

C

Triphenylmethyl-Radikal

C H

Dimer

Auch andere Arylmethyl-Radikale zeichnen sich durch eine besondere Stabilität und damit Langlebigkeit in Lösung aus, wie eine kleine Auswahl zeigen soll. CH 3 H3C CH

H3C

C

CH 3

C

CH 3 H3C

2,4,6,2',4',6'-Hexamethyldiphenylmethyl-

10.7.4

Tribiphenylmethyl-

Difluorenylphenylmethyl-

PentaphenylcyclopentadienylRadikal

Hydrierung und Oxidation

Die metallkatalysierte Hydrierung von Alkylbenzenen ist eine Methode zur Darstellung vieler alkylsubstituierter Cyclohexane. Pt , Pd oder Ni

H 3C

CH 3

+

3 H2

CH3

H3C

CH 3

sowie

CH3 trans- und cis-1,4-Dimethylcyclohexan

p-Xylen

Die Oxidation der Seitenkette von Alkylbenzenen führt zu aromatischen Carbonsäuren. Die dazu verwendeten heißen Lösungen von Kaliumpermanganat oder Natriumdichromat in Schwefelsäure (CrO3) oxidieren Benzen-Ringe bei Einhaltung bestimmter Reaktionsbedingungen nicht. CH3

+ 2 CrO3

CO2H +

Cr2O3

+ H2O

Benzoesäure

CH2 CH 2 R +

2 CrO3

CO2H +

HO2C R + Cr2O3 + H 2O

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146

10 Benzoide Aromaten

Bei dieser Oxidation werden bevorzugt benzylische C-Atome unter intermediärer Bildung von Alkoholen, Ketonen und Enolen angegriffen. + [O]

+ [O]

H 5C 6 CH 2 CH 2 CH 3

H5C 6 CH CH2 CH 3 OH

H 5C 6 C CH CH 3

H 5C6 C CH 2 CH3

/ H2 O

OH

O

1-Phenylpropanol

Keto-Form Enol-Form Propiophenon (Ethylphenylketon)

+ 3 [O]

H5C 6 CO2H

+

HO2C CH 3

Benzoesäure

+

H2O

Essigsäure

Die besonders aktivierte benzylische CH-Bindung im Triphenylmethan wird bereits durch Luftsauerstoff in CS2-Lösung zum Alkohol oxidiert. Triphenylmethan

O2 in CS2

(H5C 6C)3C H

(H5C 6)3C OH

Triphenylcarbinol

10.8 Darstellung der Alkenylbenzene 10.8.1

Styren-Synthese

In der Industrie wird das einfachste und wichtigste Alkenylbenzen Styren (Vinylbenzen, "Styrol") durch FRIEDEL-CRAFTS-Alkylierung von Benzen mit Ethen über Ethylbenzen produziert. Ethylbenzen läßt sich bei 600 °C an der Oberfläche eines Chrom(III)-/Aluminiumoxid-Katalysators zu Styren dehydrieren. H3PO4

FRIEDEL-CRAFTSAlkylierung

10.8.2

Cr 2O3 / Al2O3 , 600 °C

CH2 CH 3

+ H2C CH2

CH CH2

/ H2 Dehydrierung

Ethylbenzen

Styren

Alkenylbenzene durch Eliminierung aus Phenylhalogenalkanen und Phenylalkanolen

Die Dehydrohalogenierung von 1-Phenyl-1-halogenalkanen oder die Dehydratisierung entsprechender Alkohole führt zu 1-Phenyl-1-alkenen. Dabei bilden sich bevorzugt (E)-Alkenylbenzene, deren Doppelbindung in Konjugation zum Ring steht. KOH / C2H5OH / Hitze

H5C 6 CH CH2 CH 3 Br

CH 3

/"HBr

ZnCl2 / Hitze

H5C 6 CH CH CH 3 OH

/"H2O

H 5C6

H5C 6

H

H CH 3 (E)-1-Phenyl-1-propen (viel) H 5C6

H

H5C 6 sowie

CH 3

(E)-2-Phenyl-2-buten

C C H

(Z)-1-Phenyl-1-propen (wenig)

H C C

H 3C

CH 3

sowie

C C

CH 3 C C

H 3C H (Z)-2-Phenyl-2-buten

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10.9 Reaktionen der Alkenylbenzene

10.8.3

147

Alkenylbenzene durch Alkylierung mit 1,3-Dienen

Alkenylbenzene mit alkylischen (isolierten) Doppelbindungen können durch FRIEDEL-CRAFTSAlkylierung von Benzen mit 1,3-Butadien und anderen 1,3-Dienen dargestellt werden. CH 3

H +

C C

HF

CH2

H2C CH CH CH2

H

(E)-1-Phenyl-2-buten (Hauptprodukt)

10.9 Reaktionen der Alkenylbenzene Alkenylbenzene zeigen sowohl typische Benzen-Reaktionen, wie die elektrophile aromatische Substitution, als auch Alken-Reaktionen, wie die elektrophile Addition. Wie bei der katalytischen Hydrierung von Alkenylbenzenen (Abschn. 10.6.4) reagiert dabei die Alkenyl-Gruppe immer leichter als der Benzen-Ring. Besonders reaktiv sind konjugierte Alkenyl-Gruppen, wobei sich eine Regioselektion (bevorzugte Orientierung) der Addition ausprägt. mit Peroxiden:

CH2 CH R Br d-Bromalkylbenzen

10.9.1

ohne Peroxide:

CH CH2 R

CH CH R + HBr radikalische Addition

elektrophile Addition

Alkenylbenzen (Z oder E)

Br c-Bromalkylbenzen

Elektrophile Addition an konjugierte Alkenylbenzene

Die elektrophile Addition an die CC-Doppelbindung verläuft in zwei Stufen unter intermediärer Bildung eines Carbenium-Ions. Br H5C 6 CH CH R + HBr Alkenylbenzen

H5C 6 CH CH 2 R + Br Benzyl-Kation

H 5C6 CH CH2 R c-Bromalkylbenzen

Die leichte Bildung von Carbenium-Ionen aus konjugierten Dienen ist eine Folge der Mesomeriestabilisierung des Übergangszustandes und damit einer geringen Aktivierungsenergie. Das aus Alkenylbenzenen entstehende Benzylcarbenium-Ion ist besonders stabil, da seine positive Ladung im Grundzustand auf fünf mesomere Grenzformeln verteilt werden kann:

mesomere Grenzformeln des Benzyl-Kations

Bevorzugte Produkte dieser Reaktion sind daher c-Halogenalkylbenzene. Mit diesen c-Halogenalkylbenzenen (z. B. Benzylchlorid) lassen sich andererseits unter sehr milden Bedingungen nuc-

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148

10 Benzoide Aromaten

leophile aliphatische Substitutionen vom SN1-Typ (Abschn. 14.2.2) durchführen, bei denen die mesomeriestabilisierten Benzylcarbenium-Ionen als Zwischenstufen auftreten.

10.9.2

Radikalische Additionen an Alkenylbenzenen

Bei Additionen an Alkenylbenzenen über freie Radikale tritt bevorzugt das Benzyl-Radikal als mesomeriestabilisierte Zwischenstufe auf (Abschn. 10.7.2). Daher findet man als Reaktionsprodukt vorwiegend d-halogensubstituierte Alkylbenzene. Br

+ Br

Ar

CH CH R

Ar

Benzyl-Radikal

10.9.3

Br

+ HBr

CH CH R

/ Br

Ar

CH2 CH R

d -Halogenalkylbenzen

Darstellung ringsubstituierter Alkenylbenzene

Da unter den zu Ringsubstitutionen erforderlichen scharfen Reaktionsbedingungen auch die Alkenyl-Gruppe angegriffen würde, kann die Doppelbindung im Alkyl-Substituenten erst nach einer Ring-Substitution ("KKK"-Reaktion) eingeführt werden (durch "SSS"-Reaktion und nachfolgende d-Eliminierung). Dies wird am Beispiel der 4-Chlorstyren-Synthese aus Ethylbenzen deutlich. Cl CH2 CH3

FeCl3 / Cl2 Kälte "KKK"

CH2 CH3

Cl2 / hp" ""Hitze "SSS"

Cl

CH CH3

KOH / C 2H 5OH Hitze Eliminierung

Cl c,4-Dichlor-ethylbenzen

4-Chlor-ethylbenzen

CH CH2 Cl 4-Chlorstyren

10.10 Darstellung der Alkinylbenzene Alkinyl-substituierte Benzene bilden sich durch aufeinanderfolgende Bromierungen und Dehydrobromierungen, wie die Darstellung von Phenylethin aus Styren zeigt. + Br 2

CH CH2 Ethenylbenzen (Phenylethen, Styren)

Br

KOH

CH CH 2 Br

/ HBr

Br C CH2

NaNH2 / Hitze / HBr

C C H Ethinylbenzen (Phenylethin)

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10.11 Eigenschaften und Darstellung der Arylhalogenide

149

Die oxidative Dimerisierung terminaler Alkine in Gegenwart von Kupfer(II)-Ionen führt zu Diinen. (GLASER-Kupplung). Aus Phenylethin entsteht auf diese Weise Diphenylbutadiin. /

/ 2 H+ , / 2 e0 (Cu 2+)

2

C C H

C C C C

/ H2O

Diphenylbutadiin

10.11 Eigenschaften und Darstellung der Arylhalogenide 10.11.1 Physikalische Eigenschaften Monohalogenbenzene (Arylhalogenide) sind aromatisch riechende, ölige, farblose Flüssigkeiten. Die vom Fluor- über Chlor- und Brom- zum Iodbenzen ansteigenden Siedepunkte liegen in der Nähe der entsprechenden Hexyl- und Cyclohexylhalogenide. Eine destillative Trennung isomerer o-, m- und p-Dihalogenbenzene ist wegen zu ähnlicher Siedepunkte nicht möglich. Durch fraktionierte Kristallisation gelingt jedoch eine Trennung. Die p-Halogenbenzene schmelzen aufgrund besserer Packungsmöglichkeit im Kristallgitter 70 - 100 °C höher als die o- und m-Isomeren. Während sich Monohalogenbenzene in allen üblichen organischen Lösemitteln gut lösen, können die p-Dihalogenbenzene von den besser löslichen o-Isomeren durch fraktionierte Kristallisation getrennt werden. Aufgrund ihres wenig polaren Charakters sind Arylhalogenide wasserunlöslich, und besitzen eine höhere Dichte als Wasser. Die Monohalogenbenzene haben erheblich kleinere Dipolmomente als die Alkylhalogenide; ihre CX-Bindungslängen gleichen denen der Halogenethene (Tab. 10.10). Tab. 10.10. Bindungslängen und Dipolmomente ausgewählter Chlor-Verbindungen

Chlor-Verbindung

C-Hybridisierung

Chlorethan Chlorethen Chlorethin Chlorbenzen

sp3 sp2 sp sp2

Bindungslänge [pm] 176 169 163 169

Dipolmoment

[Debye]

2.05 1.44 0.44 1.70

Dies läßt sich durch den (-)-M-Effekt der Halogene und vor allem durch den Hybridisierungswechsel des Kohlenstoff-Atoms erklären. Der tatsächliche Doppelbindungsanteil an den CClBindungen des Chlorbenzens bzw. des Vinylchlorids beträgt nur ungefähr 5 - 6 %. Dipolare Grenzformeln mit C=X-Bindungen tragen wenig zum Grundzustand dieser Halogenide bei. Stets dominiert der (/)-I-Effekt der Halogen-Atome am Benzen über den (-)-M-Effekt. Daraus resultiert ein Dipolmoment-Vektor vom Kohlenstoff zum Halogen.

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150

10 Benzoide Aromaten

Die elektronischen Effekte der Halogene in der Reihe der Monohalogenbenzene lassen sich wie folgt zusammenfassen: C6H5/F (/)-I-Effekt (-)-M-Effekt C/X-Bindungslänge C=X-Anteil

C6H5/Cl

C6H5/Br

C6H5/I

abnehmend, da abnehmende Elektronegativität abnehmend, da ungünstigere r-Orbitalüberlappung zunehmend, da Volumen des Halogens zunimmt Bindungsenergie nimmt schneller ab als das Ionisationspotential zunimmt Immer gilt: (/)-I > (-)-M

10.11.2 Herstellung der Halogenaromaten Substituierte Chlor- und Bromaromaten lassen sich durch elektrophile Substitution herstellen, wie folgende Beispiele zeigen. a) 1,2- und 1,4-Dihalogenbenzene Br

Br

Br

Cl2 , FeCl3

und Cl

Cl

b) 1,2- und 1,4-Alkylhalogenbenzene CH3

CH3

Cl2 , FeCl3

CH3 und

Cl

Cl

c) 1,2-, 1,4- und 1,3-Alkylhalogenbenzene CH3

CH 3 HNO3 , H2SO4

CH 3 Fe , HCl

CH3 (CH3 CO) 2 O

CH 3

CH3

Br 2

H2O

Br

Br NO2 Br 2 , FeBr 3

CH 3

NH 2

O

C

N

CH 3 CH3

H

O

C

N

NH2

H

CH 3

HNO2

CH3

CH 3

Br

H3 PO2 (Cu+)

sowie

Br

Br o-Bromtoluen

Br p-Bromtoluen

m-Bromtoluen

N Cl N

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10.11 Eigenschaften und Darstellung der Arylhalogenide

151

d) 1,3,5-Tribrombenzen NI NH2

NH2 + 3 Br 2

Br

N Br

+ HNO2 , + HCl

Cl Br

Br

+ 2 H+ , + 2 e0

/"2 H2O

/ 3 HBr

/

Br

Br

"""/"N2 ,"/"HCl

Br

Br

Br

e) 2,4,6-Tribromphenol OH

OH Br

+ 3 Br 2

Br

/ 3 HBr

Br

f) 1,3-Dichlorbenzen NO2

NH2

Cl 1.) NaNO2 , HCl 2.) CuCl

Fe , HCl

HNO3 , H 2SO4

NO2

NH 2

Cl

g) Halogennitrobenzene Br

Br

Br

NO2

NO2

NO2

HNO3 , H 2SO4

Br 2 , AlCl3 , Hitze

und

Br NO2 60 %

40 %

NO2

NO2 Br 2 , Ag 2SO4 , H 2SO4

NO2

Br

NO2

Die Synthesebeispiele c, d und f zeigen Darstellungen von Halogenaromaten mit Hilfe der Desaminierung von Anilinen über Diazonium-Salze; Diazonium-Salze entstehen durch Diazotierung von Anilinen mit salpetriger Säure (Abschn. 22.6.2). + 6 H+ , + 6 e0

NO2

""""""/"2 H2O

/

+ HNO2 , + HCl

NH2

( C6H 5 N2 Cl "+ Phenyldiazonium-chlorid

N NI Cl /"2 H2O

Da die Reaktivität der Halogene in der Reihenfolge F2 >> Cl2 > Br2 >> I2 abnimmt, erfordert die Darstellung von Fluor- und Iodaromaten spezielle Methoden. Iodbenzen kann z. B. durch SAND-

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152

10 Benzoide Aromaten

MEYER-Reaktion des Phenyldiazonium-hydrogensulfats mit Kaliumiodid, BALZ-SCHIEMANN-Reaktion von Phenyldiazonium-tetrafluoroborat hergestellt + KI

N NI HSO4

I

/"KHSO4 ,"/"N2

Phenyldiazonium-hydrogensulfat

Iodbenzen + HF , + BF3

N NI Cl

Fluorbenzen durch werden.

Hitze

N NI BF 4

/"HCl

F

/"N2 , "/ BF3

Phenyldiazonium-tetrafluoroborat

Fluorbenzen

Beide Reaktionen werden als nucleophile Substitutionen der Diazonium-Gruppe am Aromaten formuliert (Abschn. 23.7). Die Darstellung der Diazonium-Salze und ihre anschließende "Verkochung" zu Halogenaromaten wird meist als "Eintopfreaktion" durchgeführt.

10.11.3 Chemische Eigenschaften von Halogenaromaten (Arylhalogeniden) elektrophile Zweitsubstitution In Halogenaromaten desaktiviert das Halogen [(/)-I, (-)-M-Substituent] den Benzen-Ring gegenüber dem elektrophilen Angriff und dirigiert in o- und p-Stellung. Halogenaromaten lassen sich durch elektrophile aromatische Substitution halogenieren, nitrieren, sulfonieren und alkylieren. Die Nitrierung des Chlorbenzens gibt z. B. o- und p-Nitrochlorbenzen. Cl

Cl

HNO3 / H2SO4

+

[ NO2 ]

Cl und

/ [H+]

o-

NO2

O2N

p-

Nitrochlorbenzen

Metallierung Viele Halogenaromaten lassen sich zu Arylmagnesiumhalogeniden (GRIGNARD-Verbindungen) umsetzen. Ihre Reaktionen mit Magnesium erfolgen rasch mit den Iodiden, gut mit den Bromiden und schwer mit den Chloriden; Fluoride reagieren überhaupt nicht [(F) < Cl < Br < I]. ̈"

Cl

Br

+

Mg

f--

in Tetrahydrofuran

Cl

f/

MgBr

f/

p-Chlorphenylmagnesiumbromid

Die Bildung von Phenyllithium aus Brom- oder Chlorbenzen gelingt in wasserfreiem Ether unter Stickstoff. + H2O

in Ether

Br (Cl)

+

2 Li

/ LiBr(Cl)

H

Li / LiOH

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10.11 Eigenschaften und Darstellung der Arylhalogenide

153

Arylmagnesiumhalogenide / die GRIGNARD-Verbindungen aus Halogenaromaten / und Aryllithium-Verbindungen sind vielseitige Reagenzien zur Einführung von Aryl-Resten, u. a. bei der Herstellung von Alkoholen aus Aldehyden und Ketonen (Abschn. 15.4.6). Die Reaktion von Halogenalkanen (z. B. 1-Bromhexan) mit Phenylmagnesiumbromid oder Phenyllithium gibt alkylierte Aromaten (z. B. 1-Hexylbenzen) in Analogie zur WURTZ-Synthese der Alkane. Entsprechend lassen sich durch WURTZ-FITTIG-Synthese Aryl- und Alkyl-Gruppen verknüpfen, indem man Halogenaromaten mit Halogenalkan (z. B. R/Br) und Natrium (Metall) umsetzt. Br

+

2 Na

+

Br

R

R

+

2 NaBr

Alkylbenzen

Durch ULLMANN-Reaktion können substituierte Biphenyle aus Aryliodiden und metallischem Kupfer dargestellt werden. NO2

NO2 2

I

+

2 Cu

+

2 CuI

O2N 2,2'-Dinitrobiphenyl

Neuere Methoden der CC-Verknüpfung mit Aromaten sind die HECK-Reaktion (Abschn. 4.5.10) sowie die STILLE- und SUZUKI-Kupplung (Abschn. 13.4.4).

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154

11

Substitutionen an Aromaten

11 Substitutionen an Aromaten 11.1 Mechanismus elektrophiler Substitutionen an Aromaten 11.1.1

-Komplex, Benzenium-Ion und Energieprofil

Aromatische Verbindungen gehen wegen der Mesomerie und besonderen Stabilität des aromatischen Systems eher elektrophile Substitutionen ein als Additionen, obgleich in beiden Fällen elektrophile Reagenzien angreifen. Beim Zusammenstoß eines Elektrophils Y+ mit dem nucleophilen, elektronenreichen rElektronensextett des Benzens bildet sich zunächst reversibel ein relativ labiler r-Komplex. Dieser gehört zum Typ der Charge-Transfer-Komplexe (charge-transfer = Ladungsübertragung). Nach neueren Erkenntnissen kann das Elektrophil auch mit zwei benachbarten C-Atomen des BenzenRings eine Dreizentren-Zweielektronen-Bindung knüpfen. Y

Y + Nucleophil

[Y ]

Y H H r"- K o m p l e x

Elektrophil

Das im r-Komplex schwach gebundene Elektrophil Y+ bindet sich in einem zweiten Schritt an ein einzelnes Ring-C-Atom, wobei dieses eine Umhybridisierung von sp2 nach sp3 erfährt. Die vom Elektrophil Y+ in den Kern gebrachte positive Ladung verteilt sich über die verbleibenden fünf sp2-hybridisierten C-Atome. Sämtliche C-Atome bleiben wie im Benzen auf einer Ebene; damit sind die fünf p-Orbitale koaxial und können seitlich überlappen. Es bildet sich ein mesomeriestabilisiertes Phenonium-Kation (Benzenonium-Ion), das weniger treffend auch als u-Komplex bezeichnet wird. Die Elektronenverteilung im Phenonium-Ion läßt sich durch drei mesomere Valenzstrichformeln beschreiben, nach denen sich die positive Ladung hauptsächlich auf die o- und p-C-Atome verteilt, während die Elektronendichte in m-Stellung zum sp3-Kohlenstoff etwas größer ist. Y

H Y H

r-Komplex

Y

Y H

H

H H u-Komplex : mesomeriestabilisiertes Phenonium-Ion

Die sp3-Hybridisierung des Y-substituierten Ring-C-Atoms im Phenonium-Ion unterbricht die ursprüngliche cyclische Elektronendelokalisation des Benzen-Kerns. Daher erfordert die Ausbildung des Phenonium-Ions eine sehr hohe Aktivierungsenergie FEA2 (Abb. 11.1). Dieser Schritt ist der langsamste und damit geschwindigkeitsbestimmend.

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11.1

Mechanismus elektrophiler Substitutionen an Aromaten

155

Im dritten Schritt deprotoniert eine Base das Phenonium-Ion; die Deprotonierung regeneriert das r-Elektronensextett. Diese wahrscheinlich über einen r-Komplex aus substituiertem Benzen und Proton als Abgangsgruppe verlaufende Rearomatisierung erfordert nur eine geringe Aktivierungsenergie FEA3 und verläuft schnell. Gegenüber einer ebenfalls denkbaren Addition der Base ist die Rearomatisierung energetisch bevorzugt und exotherm. Abb. 11.1 skizziert das Energieprofil aller Schritte einer elektrophilen Substitution am Benzen-Ring. H

Y

Y H B

+B

H

X

Y

Y

H

H

H B

H H u-Komplex : mesomeriestabilisertes Phenonium-Ion

H keine Addition

Y

+B

Substitution

Epot

FEA3 FEA1

<<

FEA2

Y

H

FEA2

FEA1 FEA4

Y

Y

H Y

Benzen

+Y

r-Komplex

(a)

(b)

PhenoniumIon

r-Komplex (c)

/ [H ] (d)

substituiertes Benzen

Abb. 11.1. Energieprofil und reaktive Zwischenstufen der elektrophilen Substitution des Benzens

11.1.2

Nitrierung des Benzens

Eine Nitrierung des Benzens gelingt mit "Nitriersäure", einer Mischung aus konzentrierter Salpetersäure und Schwefelsäure. In dieser Säuremischung bildet sich das intermediäre Nitronium-Ion (+NO2) als Elektrophil, welches mit dem nucleophilen Benzen reagiert. Die Nitrierung gliedert sich demnach in folgende Teilreaktionen: Bildung des Nitronium-Ions Nitronium-Ionen entstehen in der Nitriersäure durch Protonierung der Salpetersäure:

̈

H2SO4 +

HONO2

H2O NO2 + HSO4

[ O=N=O ] + Nitronium-Ion

HSO4

+

H 3O

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156

11

Substitutionen an Aromaten

Anstelle der Nitriersäure können bei empfindlichen Aromaten stabile Nitronium-Salze, wie Nitroniumperchlorat (NO2+ ClO4/) oder Nitroniumtetrafluoroborat (NO2+ BF4/) verwendet werden. Aktivierte, d. h. elektronenreiche Aromaten lassen sich oft mit reiner Salpetersäure nitrieren. 2 HONO2

[ O=N=O ]

+

NO3

+

H 3O

"

Bildung des mesomeriestabilisierten Phenonium-Ions Über den r-Komplex bildet sich im geschwindigkeitsbestimmenden Schritt das Phenonium-Ion.

̈"

H NO2

NO2 H

langsam

schnell

+ [ O=N=O ]

NO2 H

NO2 H

H H u-Komplex : mesomeriestabilisertes Nitrophenonium Ion

r-Komplex

Dabei ist auch die Nitro-Gruppe selbst mesomeriestabilisiert. O N O

O N O

Das sp3-hybridisierte, substituierte C-Atom blockiert jedoch einen Ladungsaustausch zwischen Phenonium-Ion und Nitro-Gruppe. Bildung des Produkts Der letzte Schritt der Nitrierung ist eine rasche irreversible Loslösung des Protons durch das Hydrogensulfat-Anion als Base (Rearomatisierung).

̈"

H NO2 H H

11.1.3

NO2 H

NO2 H

NO2

schnell

+

+

HSO4

H

H 2SO4

Nitrobenzen

Sulfonierung des Benzens

Konzentrierte oder rauchende Schwefelsäure sulfoniert Benzen. Als elektrophiles Reagenz wirkt dabei Schwefeltrioxid SO3 oder das Addukt SO3 x H2SO4 (H2S2O7). Schwefeltrioxid als Elektrophil: Der Elektronegativitätsunterschied zwischen Sauerstoff und Schwefel polarisiert die SO-Doppelbindung, wie die mesomeren Grenzformeln zeigen. Das S-Atom ist deshalb elektrophil. ̈

O O S

O O S

O

O O S

O

O O S

O

O

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11.1

Mechanismus elektrophiler Substitutionen an Aromaten

157

Bildung des Phenonium-Ions und des Produkts: Die Ausbildung des intermediären, nicht faßbaren r-Komplexes und des Phenonium-Ions muß im Falle der Sulfonierung als Folge relativ rasch verlaufender Teilreaktionen angesehen werden. Ferner ist bekannt, daß die Sulfonierung am Benzen-Gerüst reversibel ist. Aufgrund kinetischer Messungen ist die Spaltung der Ring CH-Bindung am sp3-C-Atom in Benzensulfonat-Anion und Proton geschwindigkeitsbestimmend. Insgesamt ergibt sich daher gegenüber der Nitrierung ein etwas anderer Mechanismus: ̈"

O O S O H

SO3

SO3

H

O

langsam

S O

reversibel

H

+

[H ]

O Benzensulfonat

schnell

schnell

O + SO3

S OH O Benzensulfonsäure

11.1.4

Halogenierung des Benzens

Während eine Chlorierung oder Bromierung des Benzens mit Hilfe von LEWIS-Säuren gut durchführbar ist, erfordern Fluorierung und Iodierung besondere Reaktionsbedingungen. Chlorierung und Bromierung Zur Bildung des den Benzen-Kern angreifenden Elektrophils kann die kovalente HalogenHalogen-Bindung in Brom- und Chlor-Molekülen (LEWIS-Basen) durch LEWIS-Säuren wie Aluminiumchlorid oder Zinkchlorid aufpolarisiert werden, z. B.: ̈"

f/ f-

X X + AlCl3 Br Cl

X X : AlCl3

[X ]

f/ f-

Br + ZnCl2

Br Br : ZnCl2 f/ f-

Cl + AgClO4

Cl Cl : AgClO4

+ [XAlCl3]

[Br ]

+ [BrZnCl2]

[Cl ]

+ [ClAgClO4]

Die Industrie verwendet als Katalysator oft Eisen(III)-chlorid; Kernhalogenierungen im Labormaßstab können unter Silberchlorat-Katalyse durchgeführt werden. Zur Bildung des r-Komplexes ist eine Heterolyse der Halogen-Bindung noch nicht erforderlich. Die Heterolyse erfolgt vermutlich erst bei der Bildung des Phenonium-Ions. Bei diesem geschwindigkeitsbestimmenden Schritt wird X/X-Bindung durch zusätzliche Überlappung mit einem Kohlenstoff-p-Orbital und den gleichzeitigen Zug der elektronenarmen LEWIS-Säure heterolytisch gespalten. schnell

Cl Cl

+ Cl2 + AlCl3 r-Komplex

AlCl3

langsam

Cl H

"/"HCl /"AlCl3

Cl

[ClAlCl3]

H Chlorphenonium-Ion drei mesomere Grenzformeln

Chlorbenzen

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158

11

Substitutionen an Aromaten

Iodierung Zur Iodierung des Benzens muß das voluminöse Iod-Molekül aktiviert werden, z. B. mit Quecksilberoxid oder Salpetersäure. Iodbenzen entsteht auch durch Iodierung des den GRIGNARDVerbindungen analogen Phenylquecksilberchlorids.

̈"

langsam

+ I2

I

I

H

+ HgO

[ I /Hg/O]

+ Hg(OH) I

H 3 mesomere Grenzformeln

langsam

+ I2

+ HNO3

I

O H

I

I /N/OH

H

+ HNO3 +

HI

O 2 HNO3 + 4 H I

2 I 2 + N2O3 + 3 H2O

HgCl + I 2

Phenylquecksilberchlorid

I

+ HgCl I

Iodbenzen

Da die üblichen Übergangsmetallhalogenid-Katalysatoren schlecht mit dem Iod-Molekül koordinieren, arbeitet man oft mit Iodmonochlorid. Mit Silberperchlorat als LEWIS-Säure-Katalysator kann auch Iod polarisiert werden, da Silber-Ionen gegenüber Iodid stark elektrophil wirken. Fluorierung Elementares Fluor addiert relativ heftig an Aromaten; über freie Radikale bilden sich dabei mehrfach fluorierte Cyclohexane. Untersuchungen der Fluorierung von Benzen und monosubstituierten Benzenen bei tiefer Temperatur und extrem hoher Verdünnung machen jedoch einen elektrophilen Angriff eines polarisierten F2-Moleküls wahrscheinlich. Fluorbenzen läßt sich durch thermisch induzierte nucleophile Substitution aus dem Phenyldiazonium-tetrafluoroborat darstellen (BALZSCHIEMANN-Reaktion, Abschn. 10.11.2, 23.7.2).

11.1.5

Alkylierung nach FRIEDEL-CRAFTS

Als FRIEDEL-CRAFTS-Reaktionen bezeichnet man Alkylierungen und Acylierungen von Aromaten mit Hilfe von LEWIS-Säure-Katalysatoren wie AlCl3, FeCl3, BF3, SnCl4, GaCl3, HF. Alkylierungsmittel sind neben Halogenalkanen auch Alkene und Alkohole in Gegenwart von Säuren. Halogenaromaten reagieren nicht. In Reaktionsmischungen aus Bromethan und Aluminiumbromid wurden Zwischenstufen nachgewiesen, welche als Elektrophile für Benzen in Frage kommen: f-

f/

H3C CH2 Br AlBr3 polarer Komplex

[H 3C CH2] [AlBr4] Ionenpaar

[H3C CH2]

+ [AlBr4]

dissoziierte Ionen

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11.1

Mechanismus elektrophiler Substitutionen an Aromaten

159

Freie Ethyl-Kationen treten selten auf. Kinetische Untersuchungen üblicher FRIEDEL-CRAFTSAlkylierungen in schwach polaren Lösemitteln ergeben ein Geschwindigkeitsgesetz zweiter Ordnung. r = k x c(C6H6) x c(C2H5Br) r : Reaktionsrate; k : Geschwindigkeitskonstante; c : Konzentration

Die geschwindigkeitsbestimmende Bildung des Phenonium-Ions erfolgt meist durch Reaktion des Ionenpaars mit dem Aromaten. +

CH 2 CH3 H

[H3C CH2] [AlBr4]

+ [AlBr4]

3 mesomere Grenzformeln

Das Phenonium-Ion rearomatisiert unter Deprotonierung. CH 2 CH 3

+

H

_ IBrI _ AlBr3

CH 2 CH 3 + AlCl3 + HBr Ethylbenzen

3 mesomere Grenzformeln

Wie bei der Sulfonierung verlaufen auch sämtliche Teilschritte der Alkylierung reversibel. Intermediär auftretende Carbenium-Ionen können sich durch Hydrid- und Alkyl-Verschiebungen im Alkyl-Rest stabilisieren (Tab. 10.9). Alkyl-Verschiebungen am Kern sind aufgrund der Reversibilität ebenfalls möglich. Die Reaktivität der Carbenium-Ionen nimmt auch unter den Bedingungen der FRIEDEL-CRAFTS-Alkylierung von primären über sekundäre zu tertiären ab, die Stabilität dagegen zu. Mehrfachalkylierungen sind die Regel.

11.1.6

Acylierung nach FRIEDEL-CRAFTS

Bei FRIEDEL-CRAFTS-Acylierungen wird mit Hilfe von LEWIS-Säuren und Acylhalogeniden, Säureanhydriden, Estern oder Säuren ein H-Atom am Aromaten durch den Acyl-Rest substituiert; dabei entstehen gemischt aliphatisch-aromatische Ketone (Phenone). Als Elektrophil greift ein Acylium-Ion an, das sich je nach Edukt auf verschiedene Weise bildet: O H3C

C

O O

C

O CH 3

+

2 H 2SO4

O H 3C

C

Cl

+

Ag ClO4

Cl

+

AlCl3

H3C C OI + Acetyl-Kation (ein Acylium-Ion) H3C C OI

+

H 3C C

+ AgCl

2 HSO4

OH 2

+

ClO4

O H3C

C

[H3C C OI] [AlCl4]

Das Acylierungsprodukt, z. B. Acetophenon, kann als Keton seinerseits mit dem Acylierungskatalysator koordinieren. Daher erfordert die FRIEDEL-CRAFTS-Acylierung immer einen größeren

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160

11

Substitutionen an Aromaten

Überschuß an AlCl3 als die Alkylierung, zumal das Keton das Acylium-Ion abfangen und damit desaktivieren kann, wenn die Keto-Gruppe nicht koordinativ blockiert ist. O H3C C Cl

H 3C C OI

H 3C C

[AlCl4] OI _

AlCl3

O + C 6H6 """/"HCl

+ H 5C6 C CH 3

+

(H3O ) / AlCl3

H 3C H 5C6 Acetophenon

AlCl3

H3C

_ C OI

C O _ H 5C6

O H 3C C CH 3 [AlCl4] C O _ H5C 6 bei AlCl3-Unterschuß

Ähnliche Mechanismen gelten für die in Tab. 10.2 (S. 132) zusammengestellten Acylierungen und Formylierungen.

11.1.7

Aktivierende und desaktivierende Substituenten

Auch die Einführung eines zweiten Substituenten in einen Benzen-Ring hängt von der Bildungsgeschwindigkeit des Phenonium-Ions ab. Bereits am Ring vorhandene Substituenten (Erstsubstituenten), welche das intermediär auftretende Carbenium-Ion stabilisieren, werden auch die zur Bildung erforderliche Aktivierungsenergie FEA vermindern. Somit stabilisieren elektronenschiebende Substituenten, indem sie die positive Ladung des Phenonium-Ions verteilen. Die in Tab. 10.7 (S. 137) aufgeführten "aktivierenden" Substituenten geben Elektronen in das rElektronensystem ab [(-)-M-Substituenten, Donoren D]; dadurch erhöht sich die Basizität des Benzen-Kerns und somit seine Nucleophilie gegenüber Elektrophilen. Alle "desaktivierenden" Substituenten [(/)-M und (/)-I-Substituenten, Akzeptoren A] vermindern die Basizität des Benzen-Kerns und damit seine Nucleophilie gegenüber Elektrophilen. Diese Substituenten destabilisieren auch das intermediär auftretende Phenonium-Ion und erhöhen die Aktivierungsenergie FEA für dessen Bildung (Abb. 11.2). Epot

[ H 5C6AY ]

[ H 5C6HY ] FEA

_ H 5C6 D + Y

[ H 5C6DY ]

FEA

C 6H6 + Y

FEA

H5C 6 A + Y

Abb. 11.2. Vergleich der Bildung der Phenonium-Ionen des Benzens und monosubstituierter Benzene mit aktivierenden Elektronen-Donoren D und desaktivierenden Elektronen-Akzeptoren A als Substituenten

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11.1

Mechanismus elektrophiler Substitutionen an Aromaten

161

Die Zu- oder Abnahme der Reaktivität des Benzen-Kerns bei einer Zweitsubstitution durch Erstsubstituenten ist keine Vorhersage zu deren dirigierendem Effekt, denn die geringen Unterschiede der Elektronendichte im Grundzustand bewirken noch keine bevorzugten Orientierungen; die zwitterionischen Grenzformeln c, d und e des Brombenzens (Abschn. 10.4.4) erhöhen die Mesomerieenergie z. B. nur unwesentlich.

11.1.8

Orientierende Effekte

Statistisch betrachtet könnte ein Zweitsubstituent mit gleicher Wahrscheinlichkeit in eine o-, moder p-Stellung eintreten. Tatsächlich dirigiert jedoch der Erstsubstituent den Zweitsubstituenten in bevorzugte Stellungen (Abb. 10.2). Diese Regioselektivität wird anhand der Valenzstrichformeln und Molekülorbital-Modelle der Phenonium-Ionen verständlich. Nitrierung von Anilin Die Amino-Gruppe im Anilin ist ein Substituent mit relativ kleinem (/)-I-, aber großem (-)-MEffekt in nicht protoniertem Zustand. Daraus ergibt sich insgesamt eine Aktivierung, da die Elektronendichte im Anilin höher als im unsubstituierten Benzen ist. Der somit stärker nucleophile Ring wird daher vom elektrophilen Nitronium-Ion leichter angegriffen als Benzen. Aus dem primär entstehenden r-Komplex resultieren im geschwindigkeitsbestimmenden Teilschritt die o-, mund p-Phenonium-Ionen (Abb. 11.3). Zwar kann das Elektrophil a priori alle Stellungen angreifen; die Reaktion verläuft jedoch an den besonders bevorzugten Stellungen rascher.

̈

INH2

ortho-Angriff

NO2 H

INH2

NO2 H

INH2

NO2 H

NH2

NO2 H

INH2

INH2

INH2

NH 2

H NO2

H NO2

H NO2

H NO2

INH2

INH2

INH2

para-Angriff

meta-Angriff

H NO2

H NO2

H NO2

Abb. 11.3. Valenzstrichformeln (Elektronendichte-Verteilung) der positionsisomeren Phenonium-Ionen bei der Nitrierung des Anilins

Eine Abschätzung der Energie dieser Phenonium-Ionen zeigt, daß die bei der Nitrierung des Anilins resultierenden o- und p-Nitroanilinium-Ionen stabiler sind. Sie können ihre positive Ladung besser verteilen (vier Valenzstrichformeln); ihre Bildung erfordert somit eine geringere Aktivie-

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162

11

Substitutionen an Aromaten

rungsenergie (Abb. 11.4) als die Bildung des stellungsisomeren m-Phenonium-Ions (nur drei Valenzstrichformeln, Abb. 11.3). Epot NH 2 (+ 2 mesomere Grenzformeln)

NO2 H FEA m

NH 2

NH2 H NO2

FEA o,p

NH2

oder

H NO2 (+ jeweils 3 mesomere Grenzformeln)

NO2

Reaktionskoordinate

Abb. 11.4. Aktivierungsenergien bei o-, m- bzw. p-Nitrierung des Anilins

Im letzten Schritt der Nitrierung rearomatisieren die bevorzugt gebildeten Phenonium-Ionen durch Deprotonierung zu den den Hauptprodukten 4- und 2-Nitroanilin. NH2

NH 2

NO2 schnell

NH2

+ [ O=N=O ]

r-Komplex

langsam

NO2 H

NH2 NO2

+ BI , / H B

2-Nitroanilin

und

NH2

NH 2 + BI , / H B

H NO2 je 4 mesomere Grenzformeln

NO2 4-Nitroanilin

In stark saurer Lösung wird die Amino- zur Ammonium-Gruppe protoniert. Eine AmmoniumGruppe wirkt desaktivierend und dirigiert das Elektrophil in die m-Stellung.

̈ Nitrierung von Halogenaromaten (Arylhalogeniden) In Halogenaromaten desaktiviert das Halogen [(/)-I, (-)-M-Substituent] den Benzen-Ring gegenüber dem elektrophilen Angriff und dirigiert in o- und p-Stellung. Halogenaromaten lassen sich durch elektrophile aromatische Substitution halogenieren, nitrieren, sulfonieren und alkylieren. Exemplarisch ist die Nitrierung des Chlorbenzens. Der geschwindigkeitsbestimmende Schritt der Nitrierung ist die Bildung des mesomeriestabilisierten Phenonium-Ions durch Angriff des Nitronium-Ions am Chlorbenzen. Chlor zieht Elektronen vom Benzen-Kern ab [(/)-I > (-)-M]. Dies hat eine höhere Aktivierungsenergie als bei der Nitrierung des Benzens zur Folge.

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11.1

Mechanismus elektrophiler Substitutionen an Aromaten

163

Abb. 11.5 zeigt Valenzstrichformeln und Elektronendichte-Verteilungen dieser Phenonium-Ionen. Zwei dieser Grenzformeln sind ziemlich labil und wären vernachlässigbar, wenn Chlor nur den durch den Pfeil angedeuteten elektronenziehenden (/)-I-Effekt bewirkte. Chlor kann jedoch auch Elektronen an das r-Elektronensystem des Rings abgeben [(-)-M-Effekt] und seinerseits die positive Ladung aufnehmen. Solche Phenonium-Ionen mit zusätzlicher (-)-M-Stabilisierung können nur im Falle eines o- und p-Angriffs formuliert werden. Diese o- und p-Phenonium-Ionen lassen sich mit vier, die instabileren m-Isomeren nur mit drei Valenzstrich-Formeln beschreiben. Somit wirkt das Halogen in Halogenaromaten insgesamt zwar desaktivierend [(/)-I : Kontrolle der Geschwindigkeit] im Vergleich zu Benzen, aber der (-)-M-Effekt (Kontrolle der Orientierung, Regioselektivität) erniedrigt die Aktivierungsschwelle für einen o- und p-Angriff. Dieses Konzept läßt sich auf alle elektrophilen aromatischen Substitutionen übertragen.

NO2 H

NO2 H

ortho-Angriff

_ I Cl I

Cl

Cl

Cl

_ Cl I NO2 H

_ I Cl I

Cl

NO2 H

_ Cl I

para-Angriff H NO2

Cl

meta-Angriff

H NO2

Cl

H NO2

H NO2

H NO2

Cl

H NO2

H NO2

Abb. 11.5. Valenzstrichformeln und Elektronendichte-Verteilung der Chlornitrophenonium-Ionen

Nitrierung von Nitrobenzen Die Nitro-Gruppe in Nitrobenzen wirkt als starker (/)-I- und (/)-M-Substituent elektronenziehend. Somit ist bereits die Bildung eines r-Komplexes erschwert, und der ohnehin schwach nucleophile Ring wird durch das Elektrophil nur unter drastischen Reaktionsbedingungen angegriffen. Auch hier werden Reaktionsgeschwindigkeit und Orientierung der Zweitsubstitution von der Bildung des Phenonium-Ions bestimmt. Von den in Abb. 11.6 skizzierten Phenonium-Ionen tragen zwei (o-, p-Isomere) Ladungen mit gleichem Vorzeichen an benachbarten C-Atomen. Wegen dieser energetisch ungünstigen Ladungsverteilung sind diese Formeln praktisch vernachlässigbar. Im m-Isomer verteilt sich die positive Ladung günstiger, was eine gegenüber dem o- und p-Isomer größere Stabilität bedeutet. Da damit auch die Aktivierungsenergie zur Bildung des m-Phenonium-Ions geringer ist, wird dieses bevorzugt gebildet (Abb. 11.7). ̈

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164

11

Substitutionen an Aromaten

Dennoch erfordert die Nitrierung des Nitrobenzens schärfere Bedingungen (rauchende Salpetersäure) als die des unsubstituierten Benzens (Nitriersäure, Kühlung). O

N

O

O

N

NO2 H

ortho-Angriff O

N

O

O

N

NO2 H

O

O

N

O NO2 H

O

O

N

O

para-Angriff H NO2 O

N

O

meta-Angriff

H NO2

H NO2 O

H NO2

N

O

O

H NO2

N

O

H NO2

Abb. 11.6. Valenzstrichformeln (Elektronendichte-Verteilung) der positionsisomeren Phenonium-Ionen bei der Nitrierung des Nitrobenzens

Epot NO2 H

NO2 NO2

oder

H NO2 (+ jeweils 2 mesomere Grenzformeln)

FEA o,p

NO2 FEA m

(+ 2 mesomere Grenzformeln)

NO2

NO2

H NO2 Reaktionskoordinate

Abb. 11.7. Energieinhalte regioisomerer Phenonium-Ionen bei der Nitrierung von Nitrobenzen

Der letzte Teilschritt der Nitrierung des Nitrobenzens besteht in der Deprotonierung und Rearomatisierung zum Hauptprodukt 1,3-Dinitrobenzen. O NO2

NO2 schnell

NO2

+ [ O=N=O ] r-Komplex

N

O

NO2 + BI , / H B

langsam

H NO2 3 mesomere Grenzformeln

NO2 1,3-Dinitrobenzen

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11.1

Mechanismus elektrophiler Substitutionen an Aromaten

165

Sonstige Effekte bei Zweitsubstitutionen Auch die orientierende Wirkung anderer Substituenten läßt sich erklären, indem man die stabilisierenden bzw. destabilisierenden Effekte auf die intermediären Phenonium-Ionen vergleicht. Tab. 11.1 gibt eine Übersicht der Erstsubstituenten-Effekte auf die Bildung der Phenonium-Ionen bei der Zweitsubstitution. ̈

Tab. 11.1. Erstsubstituenten-Effekte auf die Ausbildung von Phenonium-Ionen bei der elektrophilen Zweitsubstitution

Erstsubstituent (-)-I , (-)-M (/)-I , (/)-M (/)-I , (-)-M

Aktivierungsenergie zur Bildung des Phenonium-Ions FEA ortho , para < FEA meta FEA meta < FEA ortho , para immer (-)-M > (/)-I : FEA ortho , para < FEA meta Halogene im Grundzustand : (-)-M < (/)-I im Phenonium-Ion : (-)-M > (/)-I

Diese Regeln können durchbrochen werden wie im Falle der reversiblen FRIEDEL-CRAFTSAlkylierung und bei Sulfonierungen, wenn man von kinetisch zu thermodynamisch kontrollierten Reaktionen überwechselt. Beispielsweise können unter drastischen Reaktionsbedingungen (höhere Temperaturen) Isomerisierungen eintreten. Ferner wird die Zweitsubstitution monosubstituierter Benzene mit o- und p-dirigierenden Gruppen nie zum statistisch erwarteten o : p-Verhältnis 2 : 1 führen. Abweichungen von diesem Verhältnis können insbesondere sterische Einflüsse und elektrostatische Anziehung oder Abstoßung zwischen Erstsubstituenten auslösen. So nimmt bei der Zweitsubstitution des Brombenzens das o : p-Verhältnis mit zunehmendem Volumen der eintretenden Gruppe ab, z. B. in der Folge Chlorierung, Nitrierung, Bromierung, Sulfonierung. % oChlorierung Nitrierung

Br

Bromierung

% p-

% m-

42

51

7

41 13

59 85

0.2 2

Sulfonierung FRIEDEL-CRAFTSAcylierung und Alkylierung

fast ausschließlich p-Produkt

Ebenso nimmt das o : p-Verhältnis mit zunehmender Größe des Erstsubstituenten ab, z. B. bei der Nitrierung von Alkylbenzenen: CH3 1.57

Erstsubstituent o : p-Verhältnis bei der Nitrierung

CH 2 CH 3 0.93

CH(CH3)2 0.48

C(CH 3)3 0.22

Induktive und sterische Effekte sind die Ursache für die Abnahme des o : p-Verhältnisses und den gleichzeitigen Ausbeutezuwachs an m-Produkt aufgrund des zunehmenden (/)-I-Effekts der Erstsubstituenten: Erstsubstituent o : p-Verhältnis bei der Nitrierung m-Produktausbeute

CH 3 1.57 4

CH2Cl 0.75 12

CHCl2 0.53 34

CCl3 0.23 64

CF 3 0 100 %

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166

11

Substitutionen an Aromaten

Mit steigender Anzahl von Methylen-Brücken zwischen funktioneller Gruppe und Benzen-Kern schwindet der Einfluß dieser Gruppe, und die Produktverhältnisse nivellieren sich in Richtung Alkyl-Substituent. Dies wird durch das Produktverhältnis [%] bei der Nitrierung monosubstituierter Benzene deutlich (Tab. 11.2). Tab. 11.2. Regioselektivität der Nitrierung monosubstituierter Benzene (Produktausbeuten in %)

opm-

/NO2

/CH2/NO2

/CH2/CH2/NO2

5 2 93

36 14 50

35 52 13

/COOC2H5 /CH2/COOC2H5

24 4 72

42 47 11

Auch ein Wechsel des Katalysators kann das Isomerenverhältnis erheblich beeinflussen, wie die Darstellung der Dibrombenzene mit AlCl3 und FeCl3 als Katalysator zeigt: Br

% o-

% p-

% m-

8

62

30

13

85

2

Br 2 , AlCl3 Br 2 , FeCl3

Dibrombenzen

Ferner kann eine Temperaturänderung das Isomerenverhältnis verschieben, wie es z. B. bei der Nitrierung der Benzoesäure oder bei der Sulfonierung des Toluens beobachtet wird (Tab. 11.3). Tab. 11.3. Einfluß der Reaktionstemperatur auf die Regioselektivität elektrophiler Substitutionen (Nitrierung der Benzoesäure, Sulfonierung des Toluens)

Reaktion

Temperatur [°C]

Nitrierung von C6H5/COOH

30 /30

Sulfonierung von C6H5/CH3

100 0

o-

Produktausbeute [%] p-

m-

22 14 13 53

2 1 79 43

76 85 8 4

Normalerweise findet man nur bei der reversiblen Sulfonierung und der FRIEDEL-CRAFTS-Alkylierung starke Temperatur- sowie sterische Einflüsse. Das Lösemittel beeinflußt die Reaktionsgeschwindigkeit mehr als das Isomerenverhältnis. Dies zeigt sich u. a. an der konstanten Produktverteilung bei der Nitrierung von Benzoesäure in unterschiedlichen Nitriermedien:

CO2H

HNO3 / H2SO4 HNO3

% o-

% p-

% m-

20

5

75

22

1

77

Nitrobenzoesäure

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11.2

Mechanismen nucleophiler Substitutionen am Aromaten

11.1.9

167

Darstellung mehrfach substituierter Benzene

Der Eintritt einer weiteren Gruppe in ein disubstituiertes Benzen unterliegt dem Einfluß beider Erstsubstituenten. Für derart komplexe Fälle gelten keine allgemeinen Gesetzmäßigkeiten. Bei der Syntheseplanung kann man sich jedoch an zwei Faustregeln orientieren: ̈ Substituenten mit stark aktivierenden Effekten dominieren über solche mit desaktivierenden oder nur schwach aktivierenden Einflüssen. ̈ Ein dritter Substituent geht nicht in die 2-Stellung 1,3-disubstituierter Benzene. Abb. 11.8 gibt einige Beispiele zur Regioselektivität der elektrophilen Substitution (Nitrierung) unter Einfluß mehrerer Erstsubstituenten; der längste Pfeil markiert die bevorzugte Eintrittsstelle.

CH 3

NO2

CH 3

CH 3

CH 3

Cl

NH2

NH 2

NH 2

NO2

CH 3

OH

Cl

CH 3

CHO

CH 3

NO2

NHCOCH3

CH 3

NO2

Cl

CN Cl

Br

OH CH 3

OCH 3

NO2

OH

SO3H

OH

NO2

NHCOCH 3

Abb. 11.8. Regioselektivität der elektrophilen aromatischen Substitution unter Einfluß mehrerer Erstsubstituenten; der längste Pfeil markiert die bevorzugte Eintrittsstelle

11.2 Mechanismen nucleophiler Substitutionen am Aromaten Wie bei Aliphaten (Abschn. 14) findet man bei Benzen-Derivaten nucleophile Substitutionen mit bimolekularen und solche mit monomolekularen Mechanismen. Außerdem kann der Substituentenaustausch auch über eine Folge von Eliminierung und Addition mit Arin-Zwischenstufe ablaufen. Alle drei Mechanismen sind eng mit den chemischen und physikalischen Eigenschaften sowie der Darstellung der vier Halogenbenzene verknüpft.

11.2.1

Nucleophile Substitutionen an Arylhalogeniden

In substituierten Phenyl- und Vinylhalogeniden kann das Halogen durch nucleophile Reagenzien, die unter den Bedingungen einer Alkylhalogenid-Substitution noch gut reagieren, nicht ersetzt werden. Während Chlorbenzen mit Hydroxid als Nucleophil zu Benzylalkohol umgesetzt wird, widersteht Chlorbenzen unter moderaten Bedingungen der analogen Reaktion zum Phenol. CH2 Cl + OH

"c-Chlortoluen (Benzylchlorid)

CH 2 OH + Cl

Benzylalkohol

Cl

Chlorbenzen

+

OH

OH

+

Cl

Phenol

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168

11

Substitutionen an Aromaten

Andererseits reagieren Arylhalogenide mit elektronenziehenden und m-dirigierenden Substituenten in o- und p-Stellung zum Halogen unter milden Bedingungen mit Nucleophilen, da solche Gruppen die o- und p-Stellung des aromatischen Ringes positivieren. o- und p-Nitrochlorbenzen werden bereits bei Raumtemperatur (RT) durch Hydroxid als Nucleophil zu den entsprechend substituierten Phenolen umgesetzt: Cl + OH

OH + Cl

RT

NO2

OH + Cl

RT

O2N

NO2

o-Nitrochlorbenzen

Cl + OH

o-Nitrophenol

O2N

p-Nitrochlorbenzen

p-Nitrophenol

Weitere typische nucleophile Substitutionen nitroaktivierter Halogenaromaten machen nicht nur Nitrophenole, sondern auch Thiophenole, Anilin-Derivate und Hydrazine zugänglich: NO2 O2N

OH

NO2

NaOH in H 2O, 80 °C

H2N

2,4-Dinitrophenol O2N

SH

O2N NaSH in H 2O

NH2

O2N

Cl

NO2 2,4-Dinitrochlorbenzen

NH NH 2

2,4-Dinitrophenylhydrazin (H 3C) 2NH in Ethanol, 25 °C

NO2 2,4-Dinitrothiophenol

NH(CH 3)2 Cl

O2N

NO2 N,N-Dimethyl-2,4-dinitrophenylammoniumchlorid

Gegenüber diesen Reaktionen erfordert die nucleophile aromatische Substitution des Halogens in Chlorbenzen oder m-Nitrochlorbenzen vergleichsweise drastische Reaktionsbedingungen. Cl

+

OH

NaOH, H2O, 350 °C, hoher Druck

Cl

m-Nitrochlorbenzen

+

Cl

OH

+

Cl

Phenol

Chlorbenzen O2N

OH

+

OH

NaOH, H2O, >300 °C, hoher Druck

O2N

m-Nitrophenol

Aufgrund der erforderlichen hohen Temperaturen und Drucke sind solche Reaktionen im Labor nur schwierig realisierbar. Sie werden jedoch bei vielen technischen Synthesen in großen Ansätzen durchgeführt. Die ungewöhnlich geringe Reaktivität nicht aktivierter Halogenaromaten läßt sich erklären: ̈" Aryl- und Vinylhalogenide enthalten sp2-hybridisierte C-Atome, was ebenso wie der (-)M-Effekt zu einer stärkeren und kürzeren Bindung des Chlors beiträgt. Vinyl- und Arylhalogenide sind daher wesentlich stabiler als Halogenalkane, bei denen das Halogen weniger stark an ein sp3-C-Atom gebunden ist.

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11.2

Mechanismen nucleophiler Substitutionen am Aromaten

̈"

̈

169

Halogenaromaten können nicht wie Halogenalkane die für SN2-Reaktionen (Abschn. 14.2.1) erforderlichen Übergangszustände ausbilden, da kein nucleophiler Angriff von einer Rückseite her möglich ist. Auch SN1-Reaktionen (Abschn. 14.2.2) sind unwahrscheinlich, da die Mesomerie der Halogenaromaten eine heterolytische Spaltung in ArylKationen und Halogenid-Anionen erschwert. Ein nucleophiler Angriff am halogenierten C-Atom würde zu einer Aufhebung der Aromatizität im Übergangszustand führen und eine entsprechend hohe Aktivierungsenergie zur Umhybridisierung dieses C-Atoms von sp2 nach sp3 erfordern.

11.2.2

Mechanismus der bimolekularen nucleophilen Substitution am Aromaten

Die Beispiele (Abschn. 11.2.1) zeigen, daß Halogenaromaten mit Nucleophilen unter milden Bedingungen reagieren, wenn stark elektronenziehende Substituenten wie die Nitro-Gruppe in o- und p-Stellung zum Halogen stehen. Eine Nitro-Gruppe in m-Stellung zum Halogen aktiviert dagegen nicht. Die Darstellung isomerer Phenole aus o-, p- und m-Nitrochlorbenzenen demonstriert den Mechanismus und den aktivierenden Effekt der Nitro-Gruppe. Diese Reaktion verläuft über zwei Stufen nach einer Kinetik 2. Ordnung. Somit wird sie abgekürzt als SNAr2 klassifiziert. Zunächst bildet sich durch den nucleophilen Angriff des Hydroxid-Ions am chlortragenden CAtom des Nitrochlorbenzens ein mesomeriestabilisiertes Carbanion. O

NO2 Cl

+

OH

N

O

O

N

Cl OH

langsam

O

O

N

Cl OH

O Cl OH

O

N

O Cl OH

mesomeriestablisiertes Carbanion

Da dieser Schritt den aromatischen Zustand aufhebt, erfordert er eine hohe Aktivierungsenergie und bestimmt die Geschwindigkeit. In einem schnellen Folgeschritt spaltet das Carbanion ein Chlorid-Ion ab und rearomatisiert auf diese Weise zum Nitrophenol. O

N

O Cl OH

vier mesomere Grenzformeln

NO2 schnell

OH

+

Cl

o-Nitrophenol

Die aus o- und p-Nitrochlorbenzen resultierenden Carbanionen sind stärker stabilisiert, da sie ihre negative Ladung durch Mesomerie über mehr Atome delokalisieren und damit besser verteilen

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170

11

Substitutionen an Aromaten

können (vier Valenzstrichformeln) als das Carbanion des m-Nitrochlorbenzens (drei Grenzformeln) oder des unsubstituierten Chlorbenzens (ebenfalls drei Grenzformeln). Cl

+

OH

Cl OH

langsam

Cl OH

Cl OH

drei mesomere Grenzformeln Cl

+

OH

Cl OH

langsam

NO2

NO2

Cl OH

Cl OH

NO2

NO2

(/)-M-Substituenten in o- und p-Stellung zum Halogen senken die Aktivierungsenergie zur Bildung des Übergangszustands, da sie die Elektronendichte am halogenierten C-Atom erniedrigen. Indem der elektronenanziehende Substituent die negative Ladung des Carbanions teilweise übernimmt, wird diese besser verteilt, was den Übergangszustand stabilisiert. (/)-M-Substituenten erhöhen andererseits die Aktivierungsenergie zur Bildung der Carbanionen und bremsen somit die Reaktion. Sie konzentrieren die negative Ladung im Kern, erschweren einen nucleophilen Angriff am halogenierten C-Atom und destabilisieren den Übergangszustand. Die bei der nucleophilen Substitution (SNAr2) aktivierenden Gruppen desaktivieren bei der elektrophilen aromatischen Substitution. Entsprechend kehren sich bei SNAr2-Reaktionen die in Tab. 10.7 (S. 137) skizzierten Substituenteneffekte auf die Reaktivität um. Von allen SNAr2-aktivierenden Resten hat die Nitro-Gruppe den stärksten Einfluß. Gewichtige mesomere Grenzformeln einiger Carbanionen zeigen, daß der aktivierende Substituent im Übergangszustand stets die negative Ladung des Nucleophils übernimmt (Nu = Nucleophil, X = austretende Gruppe): Nu X

O C

Nu X

O C

O

Nu X

Nu X

CH 3

N

O

C NI _

Zusätzliche Nitro-Gruppen in o- und p-Stellung begünstigen SNAr2-Reaktionen vehement. So kann das 2,4,6-Trinitrochlorbenzen bereits durch Wasser hydrolysiert werden, und das als Reagenz auf Amino-Gruppen benutzte 2,4-Dinitrofluorbenzen (SANGER-Reagenz) reagiert mit primären Aminen rasch unter milden Bedingungen. O O2N

F

+

H2N CH2 C NH 2

NO2 2,4-Dinitrofluorbenzen

Glycinamid

/"HF

O O2N

NH CH2 C

NH 2 NO2 N-(2,4-Dinitrophenyl)glycinamid

Im Gegensatz zu SN1-Reaktionen der Halogenalkane hat bei SNAr2-Reaktionen die Art des Halogens kaum einen Einfluß auf die Geschwindigkeit. Nur die Fluoraromaten reagieren etwas rascher

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11.2

Mechanismen nucleophiler Substitutionen am Aromaten

171

aufgrund des starken (/)-I-Effekts von Fluor, der die Elektrophilie des verknüpften C-Atoms erhöht. Eine Gegenüberstellung der drei Typen nucleophiler Substitutionen, SN1 und SN2 (Substrate: Halogenalkane R/X) und SNAr2 (Substrate: Halogenaromaten, Ar/X) faßt die Kennzeichen dieser Reaktionen zusammen (Abb. 11.9). Epot

Epot X

+ [R ]

HO

Epot

X

X Ar

+ OH

OH

C

R

C

X + OH

X + OH

Ar

HO

R OH + X

SN1 : Halogenalkan (Alkylhalogenid) unimolekulare Reaktion Carbenium-Ion als Zwischenstufe

C

X + OH

+ X

SN2 : Halogenalkan (Alkylhalogenid) bimolekulare, konzertierte Reaktion instabiler Übergangszustand

Ar

OH + X

SNAr2 : Halogenaren (Arylhalogenid) bimolekulare Reaktion Carbanion als Zwischenstufe

Abb. 11.9. Vergleich der Aktivierungsenergien nucleophiler Substitutionen an Halogenalkanen und Halogenaromaten

Das Lösemittel kann andererseits die Reaktionsgeschwindigkeit entscheidend beeinflussen. So reagieren in Dimethylsulfoxid (DMSO) auch nicht aktivierte Halogenaromaten mit tertiären Alkoxiden. in (CH3) 2SO

Cl

+

O C(CH 3)3

/ Cl

/

t-Butanolat-Anion

11.2.3

C(CH3)3 O

t-Butylphenylether

Monomolekulare nucleophile Substitutionen am Aromaten

Die aus Aminobenzenen zugänglichen Phenyldiazonium-Salze können mit Nucleophilen unter Stickstoff-Abspaltung reagieren (SANDMEYER-Reaktion), wie einige Beispiele zeigen (Abschn. 10.11.2) . NH2 Anilin

HNO2

N2 Phenyldiazonium-Ion

/ N2

+ Cl

Phenyl-Kation

/

Cl Chlorbenzen

In unpolaren oder basischen Lösungen kann diese Reaktion auch radikalisch ablaufen. In sauren, polaren Lösungen dominiert jedoch der beschriebene ionische Mechanismus. Dieser gehört zum

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172

11

Substitutionen an Aromaten

Typ einer monomolekularen aromatischen Substitution, da die nach erster Ordnung verlaufende Zersetzung des Phenyldiazonium-Salzes geschwindigkeitsbestimmend ist. Das entstehende ArylKation reagiert demnach in einem schnellen Schritt mit Nucleophilen wie Halogenid-, Hydroxidoder Alkoxid-Ionen. Heterolytische Spaltungen der CN-Bindung im Diazonium-Salz werden durch elektronenabgebende Gruppen im Phenyl-Rest erleichtert und durch elektronenanziehende erschwert. Die Reaktivität m-substituierter Phenyldiazonium-Salze (Y = meta-Substituent) nimmt in der Folge OH > CH3 > H > Cl > NO2 ab. Y

Y

X

N NI X

+

N2

Die Substituenten OH oder OCH3 wirken in p-Stellung jedoch desaktivierend, da ihr (-)-M-Effekt über den Benzen-Kern eine partielle CN-Doppelbindung zur Diazonium-Gruppe mit (/)-M-Effekt bildet. Diese Mesomerie stabilisiert die Bindung der Diazonium-Gruppe am Benzen-Ring. H3C _ O _

H 3C N NI

O _

N NI _

p-Methoxyphenyldiazonium-Ion

11.3 Eliminierungs-Additions-Mechanismus 11.3.1

Mechanismus der Aminierung des Brombenzens

Die Aminierung des Brombenzens durch Natriumamid in flüssigem Ammoniak als Lösemittel folgt einem Eliminierungs-Additions-Mechanismus. Im ersten und geschwindigkeitsbestimmenden Schritt bildet sich durch Eliminierung ein Arin (Dehydrobenzen); dabei entzieht das Amid-Ion als starke Base dem Benzen-Ring ein Proton in o-Stellung zum Halogen. H Br

/"NH3

+

Br

/"Br

/

INH 2

H Brombenzen

Carbanion

Dehydrobenzen (Arin)

Im zweiten schnellen Reaktionsschritt addiert das Amid-Ion an das Arin unter Bildung von Anilin (Addition). NH 2 +

INH 2

NH2

+ NH3

/"""INH2

Carbanion

Anilin

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11.3

Eliminierungs-Additions-Mechanismus

173

Das kleinste noch stabile Cycloalkin ist Cyclooctin. Das Dehydrobenzen-Intermediat ist somit eine hochreaktive, gespannte Zwischenstufe, deren Dreifachbindung von der in Alkinen üblichen linearen Geometrie abweicht: Die dritte Bindung resultiert aus der seitlichen Überlappung von sp2Hybridorbitalen zweier benachbarter benzoider C-Atome.

:

oder

oder

Im Gegensatz zur rotationssymmetrischen Elektronendichteverteilung in den Molekülorbitalen von Ethin ist beim Dehydrobenzen die seitliche Überlappung der beiden sp2-Orbitale entlang einer der sechs Seiten des Rings und senkrecht zur r-Elektronenwolke gering. Arine lassen sich als starke Dienophile u. a. durch DIELS-ALDER-Reaktion abfangen. Einen weiteren experimentellen Hinweis für den Arin-Mechanismus liefert die Aminierung von 14C-ringmarkiertem Chlorbenzen mit Kaliumamid in Ammoniak. * Cl

* NH2

+ 2 KNH2 in NH3, / 33 °C

*

+ / 2 KCl

* : 14C markiertes Ring-C-Atom

48 %

52 %

NH2

*

Würde die Reaktion den Mechanismen der nucleophilen Substitution (Abschn. 11.2) folgen, so entstünde nur ein Reaktionsprodukt, nämlich Anilin mit 14C-markiertem C-1. Die gefundene geringfügige Abweichung vom theoretisch zu erwartenden 50 : 50 Verhältnis für die C-1- und C-2Markierung ist eine Folge des kinetischen Isotopie-Effekts. Solche Isotopie-Effekte treten auf, weil wegen der größeren Masse die Reaktionsgeschwindigkeit an 14C-Atomen etwas geringer ist. Im Falle substituierter Halogenaromaten verlaufen die Eliminierungs- und Additions-Teilschritte immer über das stabilere Carbanion. Abb. 11.10 skizziert die Aminierung von o- und m-Chloranisol, die nur zu einem Reaktionsprodukt führt. In diesem Fall sind die CarbanionenZwischenstufen durch den (/)-I-Effekt der Methoxy-Gruppe stabilisiert. Da dieser induktive Effekt nur über wenige Atome hinweg wirkt, sind Carbanionen mit negativer Ladung nahe der Methoxy-Gruppe etwas stabiler als andere. OCH3 - NH2

Cl

OCH3

OCH 3

/

Cl

/"NH 3

/ Cl

/

OCH3 / Cl

/

- NH2

Cl

/"NH 3

OCH3

/

Cl

o-Chloranisol

m-Chloranisol - NH2

OCH3 H2N

/

OCH 3 + NH 3 /"NH 2

/

H 2N

OCH 3

H 2N

m-Methoxyanilin (m-Anisidin) einziges Produkt

OCH3 Cl weniger stabil

Abb. 11.10. Aminierung von o- und m-Chloranisol

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174

11

11.3.2

Substitutionen an Aromaten

Weitere nucelophile Substitutionen an nicht aktivierten Aromaten

Durch Wahl der Reaktionsbedingungen kann man oft denselben Halogenaromaten sowohl nach einem SNAr2 als auch nach dem Arin-Mechanismus zur Reaktion bringen. Viele Phenole und aromatische Amine können auf diese Weise hergestellt werden. Der Arin-Mechanismus erklärt die dabei beobachteten Umlagerungen; deshalb werden diese Reaktionen auch als cine-Substitutionen bezeichnet (griechisch mkpgkp = bewegen). OH + 2 NaOH (H2O, 340 °C, Druck)

2 H 3C

Cl

/ 2 NaCl

H 3C

p-Chlortoluen

OH

+

p-Kresol (50 %) + 2 KNH2 (NH3, / 33 °C)

2 H 3C

/ 2 KCl

Cl

m-Kresol (50 %)

+

H 3C H 2N o-Toluidin (50 %)

o-Chlortoluen

H3C

H3C NH2 m-Toluidin (50 %)

+ 2 NaNH2 (NH3, / 33 °C)

H 3CO

H 3CO

/ 2 NaI

I

NH2 m-Aminoanisol (m-Anisidin)

o-Iodanisol

N(C 2H5)2

Cl + Li

+/

2

N(C2H 5)2

N(C2H5) 2 in Ether

+

/ LiCl

1-Chlornaphthalen

1-(N,N-Diethylamino)naphthalen (40 %)

2-(N,N-Diethylamino)naphthalen (60 %)

Phenyllithium kann auch an nicht substituiertem Fluorbenzen Reaktionen vom Arin-Typ auslösen, wie am Beispiel einer Synthese der Biphenyl-o-carbonsäure klar wird. Im allgemeinen reagieren Arylfluoride jedoch bevorzugt nach dem SNAr2-Mechanismus. CO2H

Li F

F

+ C6H5Li in Ether /"C6H6

/"LiF

+

+ CO2, + [H ]

+ C6H5Li

/"Li

Li

+

Biphenylo-carbonsäure

Polychlorphenole ("PCP", z. B. 2,4,5-Trichlorphenol) können bei hohen Temperaturen nach SNAr2- oder Eliminierungs-Additions-Mechanismen cyclisieren. Dabei bilden sich u. a. die hochtoxischen, teratogenen, mehrfach chlorierten Dibenzodioxine, darunter das Seveso-Dioxin TCDD. Chlorierte Dibenzodioxine können wie viele andere biologisch schwer abbaubare Halogenalkane und Halogenaromaten nur in besonderen Verbrennungsanlagen entsorgt werden. Cl

Cl

HO

Cl

Cl

Cl

+ Cl

OH

2,4,5-Trichlorphenol

> 300 °C, / 2 HCl

Cl

O

Cl

Cl

O

Cl

2,3,7,8-Tetrachlordibenzo[b,e]-[1,4]dioxin (TCDD)

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12.1 Klassifizierung und Nomenklatur

175

12 Kondensierte Aromaten 12.1 Klassifizierung und Nomenklatur In kondensierten, auch als mehrkernig oder polycyclisch bezeichneten aromatischen Kohlenwasserstoffen sind mehrere Benzen-Ringe aneinander geknüpft. Einfachster Vertreter ist Naphthalen (Tab. 12.1). Es besteht aus zwei Benzen-Ringen, die über eine gemeinsame Bindung (zwei gemeinsame C-Atome) miteinander verknüpft sind. Drei Benzen-Ringe lassen sich linear oder gewinkelt ("angular") kondensieren ("anellieren"), wie die Beispiele Anthracen und Phenanthren (Tab. 12.1) zeigen. Alle kondensierten Aromaten erfüllen wegen des gemeinsamen Strukturelements Benzen die Aromatizitätskriterien. Ihre typische Reaktion ist daher die elektrophile aromatische Substitution. Im Vergleich zu Benzen sind sie jedoch reaktiver und neigen mehr zu Additionen. Für die wichtigsten mehrkernigen Aromaten gelten individuelle Bezeichnungen und eine festgelegte Ring-Bezifferung (Tab. 12.1). Größere Ringsysteme werden als Benzenhomologe angesehen. Positionsziffern oder Buchstaben kennzeichnen verknüpfende C-Atome am Grundskelett, wobei [a] eine 1,2-Fusion (Verknüpfung) und [b] eine 2,3-Fusion bedeuten. Tab. 12.1. Nomenklatur und Ringbezifferung ausgewählter kondensierter Aromaten (Für jeden Aromaten steht nur eine Valenzstrichformel, die den tatsächlichen Bindungszustand des Moleküls nicht wiedergibt) 8a

7a 6 5

7

8

1 2

3

4

5

3a

Inden dinuclear

9

9a 8

1

8a

8a

5

8

9

1

4

5

10

4

4a

Naphthalen dinuclear

Fluoren trinuclear

10 7

6a

11

11a

12a 12

6

5a

5

4a

1 4

1

8a 5

4b 4a 4

Phenanthren trinuclear gewinkelt kondensiert

8a

4b 5

12

4c 4a

5 4a

1,2-Benzophenanthren Benzo[a]phenanthren

4a

9 10 10a 1

9 10 10a

8

1 12b 4

7 6b 6a 6

Naphthacen (Tetracen) Benzo[b]anthracen

12b

11 12 12a

10a 10

10a

Anthracen trinuclear linear kondensiert 8a

10a

9a

1

8

4b 4a 4

8

10 10a 1

12a

4

1

Chrysen Benzo[c]phenanthren

5a 5

3a

Pyren Benzo[d,e,f]phenanthren

12

4

10 10a

4a

12a 4b 12 5 8b 8a 8 9

Triphenylen Benzo[ l ]phenanthren

7 6a 6

12 12a 1 12b 11b

1

11a

5a 5

2b

2a

3a

Benzopyren Benzo[a]pyren

Coronen Hexabenzobenzen

Hexahelicen Phenanthro[a]phenanthren

Die positionsisomeren, an C-1 bzw. C-2 monosubstituierten Naphthalene werden auch als c- und d-Isomere bezeichnet. Naphthalene mit identischen Substituenten in den 1,8- oder 2,6-Stellungen können durch die Präfixe peri- bzw. amphi- gekennzeichnet werden.

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176

12 Kondensierte Aromaten

12.2 Bindungszustand und Mesomerie Naphthalen als einfachster kondensierter Aromat ist ein ebenes Molekül, wie die Modelle zeigen (Abb. 12.1). Seine u-Bindungen kommen durch Überlappung der sp2-Hybridorbitale von zehn trigonalen C-Atomen zustande. Durch seitliche Überlappung der senkrecht zur Molekülebene stehenden zehn p-Orbitale resultiert oberhalb und unterhalb der Ebene der C-Atome eine delokalisierte r-Elektronenwolke, die zehn Elektronen enthält (Abb. 12.2). Im Valenzstrich-Formalismus kann Naphthalen als Hybrid dreier mesomerer Grenzformeln a, b und c betrachtet werden.

Abb. 12.1. Stab-, Kugel-Stab- und Kalottenmodell des Naphthalens r

u

r (a)

(b)

(c)

(d)

Abb. 12.2. Mesomere Grenzformeln (a - c) und Entstehung des r-Elektronensystems von Naphthalen durch Überlappung koaxialer p-Orbitale (d)

Eine häufig verwendete, die benzoide Struktur des Naphthalens andeutende Formel mit zwei einbeschriebenen Kreisen ist nicht korrekt: Naphthalen hat nur ein vollständiges r-Elektronensextett.

oder

nicht korrekt:

Die durch Messung der Verbrennungswärme bestimmte Mesomerieenergie des Naphthalens beträgt 255.6 kJ/mol. Das bedeutet eine Mesomeriestabilisierung von 127.8 kJ/mol pro Ring verglichen mit 150.8 kJ/mol für Benzen. Naphthalen und besonders die höheren Acene sind daher weniger stabil und weniger aromatisch als Benzen. Die geringere Stabilisierung pro Ringeinheit bedeutet andererseits eine Erhöhung der Reaktivität.

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12.2

Bindungszustand und Mesomerie

177

Relative Stabilitäten kondensierter Aromaten lassen sich mit Hilfe der CLAR-Regel vorhersagen, nach der die Polycyclen umso stabiler (energieärmer) sind, je mehr autonome r-Elektronensextetts sie enthalten, wie die Beispiele des Anthracens und Phenanthrens zeigen (Tab. 12.2).

Anthracen (linear anelliert) ein autonomes r-Elektronensextett

Phenanthren (angular anelliert) zwei autonome r-Elektronensextetts

Tab. 12.2. Mesomerieenergien einiger mehrkerniger Aromaten M e s o m e r i e e n e r g i e insgesamt

pro

Benzen-

Ring kcal / mol 36.0 61.0 85.9 99.2 130.0 134.4

Benzen Naphthalen Anthracen Phenanthren Tetracen Chrysen

kJ / mol 150.8 : 255.6 : 360.0 : 415.6 : 544.7 : 563.1 :

1 2 3 3 4 4

kJ / mol 150.8 127.8 120.0 138.5 136.2 140.8

= = = = = =

Isomere meso-substituierte Pentacene sind weitere Beispiele: stabiler sind die Tautomeren (Isomeren) mit der größeren Anzahl autonomer r-Elektronensextetts. In den Formeln kennzeichnet "b" einen benzoiden Ring mit r-Elektronensextetts, "q" einen chinoiden mit nur zwei konjugierten Doppelbindungen ("q" von englisch "quinone" für Chinon). CH3 q

q

b

CH2 q

q

q

b

OH q

b H H stabil

labil

q

q

b

O q

unbekannt

q

q

b

b

q

H H stabil

Die gegenüber Benzen verkürzten Bindungslängen des Naphthalens und Anthracens spiegeln den höheren Alken-Charakter der C-1/C-2-Bindung in mehrkernigen Aromaten wider. 136 142

136

137 143

140 134

139

Naphthalen

140

142

144

139

Anthracen Benzen Bindungslängen in pm

H2C CH2 Ethen

Dieser Tatsache trägt die Beschreibung des Naphthalens durch die drei Formeln a, b und c (Abb. 12.2) Rechnung, in denen die 1,2-Doppelbindung zweimal und die 1,2-Einfachbindung nur einmal auftritt. Analoge Betrachtungen lassen sich für andere polynucleare Aromaten anstellen. So findet man einen besonders ausgeprägten olefinischen Charakter für die 9,10-Bindung des Phenanthrens.

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178

12 Kondensierte Aromaten

12.3 Gewinnung polycyclischer Aromaten Einige kondensierte Aromaten kommen im Steinkohlenteer und in den Rückständen der ErdölDestillation vor. Naphthalen, Anthracen, Phenanthren und ihre Alkyl-Derivate werden durch "Teerverwertung" in technischem Maßstab gewonnen. Teere (auch die des Tabakrauches) enthalten u. a. mehrere stark carcinogene polynucleare Kohlenwasserstoffe, z. B. Benzo[a]pyren (Tab. 12.1). Aus Cycloalkanen oder hydroaromatischen Kohlenwasserstoffen wie Tetralin lassen sich vollaromatische Ringsysteme durch katalytische Dehydrierungen in Gegenwart von Pt-, Pd- oder NiKatalysatoren herstellen. Alternativ kann man auch in der Hitze oder in Gegenwart von Selen, Schwefel oder Disulfiden dehydrieren. Umgekehrt sind viele Hydroaromaten durch Hydrierung mehrkerniger Aromaten zugänglich. Hydrierung

Hydrierung

Dehydrierung Hydrierung

Decalin (cis- + trans-)

Tetralin

1,4-Dihydronaphthalen

Naphthalen

12.4 Typische Reaktionen kondensierter Aromaten 12.4.1

Elektrophile aromatische Substitutionen des Naphthalens

Naphthalen ist aufgrund seiner geringeren Mesomeriestabilisierung leichter substituierbar als Benzen. Dementsprechend läßt sich Naphthalen unter moderaten Bedingungen nitrieren, bromieren, sulfonieren und acetylieren (Abb. 12.3). Die Produkte sind attraktive Edukte industrieller organischer Synthesen. Die Substitution durch ein Elektrophil Y+ ist in c-Stellung energetisch etwas günstiger als in dStellung, wie die mesomeren Valenzstrich-Formeln der intermediären Naphthonium-Ionen zeigen: Y H

Y H

Y H

H

H

c-Substitution H Aromatizität eines Ringes unversehrt : stabiler

H

d -Substitution

Aromatizität beider Ringe gestört : weniger stabil

Y

Y H

Y H H

H H

Die positive Ladung der Naphthonium-Ionen verteilt sich demnach bei c-Substitution günstiger (zwei benzoide Grenzformeln) als bei d-Substitution (eine benzoide Grenzformel). Trotz dieses elektronisch günstigeren c-Angriffs wird oft die Bildung des d-Produkts bevorzugt, besonders

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12.4 Typische Reaktionen kondensierter Aromaten

179

wenn raumfüllende Substituenten eingeführt werden, oder wenn bei höherer Reaktionstemperatur substituiert wird. Einige Beispiele zur Herstellung industriell wichtiger Naphthalen-Derivate machen dies deutlich. NH2

NO2 HNO3 / H2SO4 50 - 60 °C

Diazoniumsalze Azofarbstoffe c-Naphthole Nitrile Naphthylhalogenide

Fe / HCl (Reduktion)

c-Nitronaphthalen

c-Naphthylamin

Br

Br 2 / CCl4 Rückfluß ohne Kat.

Alkohole CarbonylVerbindungen

über GRIGNARD-Verbindungen

c-Bromnaphthalen

SO3H Naphthalen

SO3H

konz. H2SO4

c-Naphthol d-Naphthylamin

sowie

reversibel

c-Naphthalensulfonsäure 96 % 15 % O

C

d-Naphthalensulfonsäure bei 80 °C 4% bei 160 °C 85 %

CH 3

O C

CH3COCl / AlCl3

sowie 1-Acetylnaphthalen

CH 3

2-Acetylnaphthalen bei /15 °C in CS2 25 % Hauptprodukt bei 25 °C in C6H5NO2

75 % Nebenprodukt

Abb. 12.3. Ausgewählte elektrophile Monosubstitutionen des Naphthalens

Zur Vorhersage der Orientierung einer Zweitsubstitution gelten im wesentlichen die Regeln der Zweitsubstitution von Benzen-Derivaten (Abschn. 11.1.8), wie drei Beispiele zeigen; dabei deuten Pfeile die bevorzugten Positionen für Zweitsubstitutionen an. D

A D

(A)

Ein aktivierender Donor-Erstsubstituent D mit (-)-M- und/oder (-)-I-Effekt wird eine elektrophile aromatische Substitution vorwiegend in dem gleichen Ring dirigieren. Ein desaktivierender Akzeptor-Erstsubstituent A mit (/)-M- und/oder (/)-I-Effekt wird eine elektrophile aromatische Substitution überwiegend in den zweiten Ring lenken.

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180

12.4.2

12 Kondensierte Aromaten

Oxidation des Naphthalens

Durch katalytische Luftoxidation bei hoher Temperatur läßt sich aus Naphthalen das u. a. zur Herstellung von Polymeren und Chinon-Farbstoffen benötigte Phthalsäureanhydrid gewinnen. O V2O5, 470 °C

+

O

9/2 O2

+

2 CO2

+

2 H2O

O Phthalsäureanhydrid

Chromsäure oxidiert d-alkylsubstituierte Naphthalene zu 1,4-Naphthochinonen. Unter ähnlichen Oxidationsbedingungen wird Toluen zu Benzoesäure oxidiert. Eine weitere Oxidation des 1,4Naphthochinons führt auch hier unter Ringspaltung zu Phthalsäure. O CH 3 +

2 CrO3

starke Oxidationsmittel hohe Temperaturen

CO2H

/ Cr 2O3

CO2H O 2-Methyl-1,4-naphthochinon

2-Methylnaphthalen

12.4.3

CH 3

CH3CO2H, 25 °C

Phthalsäure

Reduktion des Naphthalens

Aufgrund der geringeren Mesomerieenergie pro Ring kann ein Ring des Naphthalens chemisch reduziert werden. Die BIRCH-Reduktion mit Natrium in flüssigem Ammoniak führt z. B. zum Isotetralin. Eine vollständige Reduktion beider Ringe erfordert jedoch wie beim Benzen eine metallkatalysierte Hydrierung unter drastischen Bedingungen. Na , (H3C)2CHOH , Rückfluß , 132 °C

1,4-Dihydronaphthalen H2, Ni H2 / Pt oder Ni

Na , C2H5OH , Rückfluß, 78 °C

und Hitze , Druck

Tetralin

Naphthalen

cis- und trans-Decalin

Na , flüss. NH3 , / 78 °C

Isotetralin

12.4.4

Reaktionen des Anthracens und Phenanthrens

Sowohl beim Anthracen als auch beim Phenanthren sind die meso-Positionen C-9 und C-10 bevorzugte Reaktionszentren, weil dabei zwei Benzen-Ringsysteme erhalten bleiben. Die Oxidation

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12.4 Typische Reaktionen kondensierter Aromaten

181

liefert daher 9,10-Chinone, und beide tricyclische Aromaten neigen zu Additionen an den 9,10Stellungen, wie Bromierungen und katalytische Hydrierungen zeigen. Dabei genügen im Vergleich zu analogen Reaktionen des Naphthalens wesentlich mildere Reaktionsbedingungen. O

H H + 2 Na , + 2 C2H5OH

+ 3/2 O2 (Dampfphase)

/ 2 C2H5ONa

/" H2O

H H 9,10-Dihydroanthracen H H

O 9,10-Anthrachinon

H

O

O

H + H2 , Cu , Cr 2O3

+ 2 CrO3 /""Cr 2O3

9,10-Dihydrophenanthren

9,10-Phenanthrenchinon

Durch Addition von Brom und nachfolgende Dehydrobromierung lassen sich 9-Bromanthracen und 9-Bromphenanthren herstellen. 9-Bromphenanthren entsteht auch unter den Bedingungen einer elektrophilen aromatischen Halogenierung. Br

Br

H KOH, 100 °C

+ Br 2

/"HBr

Br H 9,10-Dibrom-9,10-dihydroanthracen H Br

9-Bromanthracen Br

Br H KOH, 100 °C

+ Br 2

/"HBr

9,10-Dibrom-9,10-dihydrophenanthren

9-Bromphenanthren

+ Br 2 (FeBr 3) , / HBr (Substitution)

Durch [2+4]-Cycloaddition von Dehydrobenzen an die 9,10-Stellung des Anthracens entsteht das pentacyclische Triptycen, wenn man die hochreaktive Dehydrobenzen-Zwischenstufe aus 2Bromfluorbenzen in einer Anthracen-Lösung erzeugt. Br F

+ Mg

MgBr F / MgBrF

H

Cl

H Triptycen

H Triptycylchlorid

+

Dehydrobenzen

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182

12 Kondensierte Aromaten

Am Brückenkopf-C halogenierte Triptycen-Derivate / wie das durch Addition von Dehydrobenzen an 9-Chloranthracen zugängliche Triptycylchlorid / sind viel weniger reaktiv als andere Halogenalkane: Sterische Effekte behindern hier die Bildung des planaren Carbenium-Ions einer SN1-Zwischenstufe und des Übergangszustands einer SN2-Reaktion. Auch andere Dienophile wie Maleinsäureanhydrid oder p-Benzochinon cycloaddieren an die 9,10Stellung des Anthracens. Entsprechende DIELS-ALDER-Cycloadditionen werden weder bei Benzen noch bei Naphthalen beobachtet. H H

O H +

O O O

O H

O Maleinsäureanhydrid

2,3:5,6-Dibenzobicyclo[2.2.2]octan7,8-dicarbonsäureanhydrid

12.5 Ring-Synthesen kondensierter Aromaten 12.5.1

HAWORTH-Synthesen von Phenanthren-Derivaten

Zur Synthese von Phenanthren nach HAWORTH wird Naphthalen nach FRIEDEL-CRAFTS in c- oder d-Stellung des Naphthalens durch Bernsteinsäureanhydrid acyliert; CLEMMENSEN-Reduktion der Ketosäure mit Zinkamalgam und Salzsäure, anschließende elektrophile Cyclisierung mit Schwefelsäure, erneute CLEMMENSEN-Reduktion und Dehydrierung mit Selen liefert Phenanthren. Über analoge Reaktionsfolgen lassen sich auch substituierte Naphthalene aus Benzen herstellen. O O +

O

AlCl3 Acylierung

CO2H

CO2H

Zn x Hg , HCl CLEMMENSENReduktion

O Acylierung

12.5.2

Se

Zn x Hg , HCl

Dehydrierung

CLEMMENSENReduktion

H2SO4

O

Anthrachinon-Synthese

Die in der Farbstoffindustrie benötigten größeren Mengen von Anthrachinon-Abkömmlingen sind durch Oxidation von Anthracen (Abschn. 12.4.4) und durch FRIEDEL-CRAFTS-Acylierung des Benzens mit Phthalsäureanhydrid über o-Benzoylbenzoesäure zugänglich.

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12.5

Ring-Synthesen kondensierter Aromaten

183

O

O

H2SO4 oder HF

AlCl3

+

O

O

Acylierung

/"H2O

CO2H

O

O 9,10-Anthrachinon

o-Benzoylbenzoesäure

12.5.3

ELBS-Reaktion

Methylsubstituierte Aromaten wie m-Xylen reagieren nach FRIEDEL-CRAFTS mit Benzoylchlorid in Gegenwart von Aluminiumchlorid zu einer Mischung von Ketonen. Deren Pyrolyse bei 400 °C ergibt durch intramolekulare Redox-Reaktionen und Dehydratisierung mehrkernige Aromaten (ELBS-Reaktion). H3C C

Cl

CH 3

+

H 3C

AlCl3

+ Cl

O

CH3

/ 2 HCl

C O

O

O

/"4 H2O

400 °C

Cu, 380 °C / H2

Pentacen

12.5.4

6,13-Dihydropentacen

DÖTZ-Reaktion

Eine neuere Methode der Anellierung von Aromaten ist die DÖTZ-Reaktion. Edukte sind die aus Chromhexacarbonyl und Aryllithium entstehenden Chrom-Carben-Komplexe. Diese cycloaddieren nach Decarbonylierung Alkine. Die Primär-Cycloaddukte lagern sich über Vinylketen und Dienon-Komplexe zu den 1,4-Dihydroxyaren-Komplexen um. Demetallierung setzt das polycyclische Aren frei. O Li

Ether

Cr(CO)6 + LiC6H 5

H5C 6

C

+ (H3C) 3O+ BF4

Cr(CO)5

/

/ LiF , / BF3 , / (H3C) 2O

OCH3 Cr(CO)5 Chrom-Carben-Komplex + R C C R / CO

OCH 3

OCH3

R

R Cr(CO) 3

Cr(CO) 3

HO R 1-Methoxy-4-hydroxynaphthalen-Komplex

O

R

Dienon-Komplex

OCH3 R (OC) 3Cr

O

C

H3CO

R R Cr (CO)4

R

Vinylketen-Komplex

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184

12 Kondensierte Aromaten

12.6 Graphit und Fullerene Die Kohlenstoff-Modifikation Graphit kann man als die am höchsten kondensierte aromatische Verbindung ansehen. Graphit bildet ein Schichtgitter (Abb. 12.4 a) und zeigt eine mit den Metallen vergleichbare elektrische Leitfähigkeit, die jedoch wegen der nur innerhalb der Schichten beweglichen r-Elektronen anisotrop ist. Senkrecht zu den Schichten ist diese Leitfähigkeit um den Faktor 104 geringer. Auch in Benzen und allen mehrkernigen Aromaten läßt sich mit physikalischen Methoden ein anisotroper r-Elektronenstrom nachweisen. Dieser auch ohne angelegte Spannung vorhandene paramagnetische Ringstrom des Benzens ist ein Charakteristikum der Aromaten.

(a)

(b)

Abb. 12.4. (a) Kristallgitter (Schichtgitter) des Graphits; (b) Kohlenstoff-Skelett des C60-Fullerens (benzoide CCDoppelbindungen sind nicht eingezeichnet)

Als vierte Kohlenstoff-Allotrope (Modifikationen neben Ruß, Diamant und Graphit) erscheinen die in Benzen-Lösung weinroten bis braunen, im festen Zustand schwarzen Fullerene mit interessanten Eigenschaften (elektrische Leiter und Supraleiter). Fullerene (C60, C70 und C80) bilden sich bei der Verdampfung von Graphit durch Laserbestrahlung. Die Strukturanalyse ergibt Fußballähnliche Moleküle mit Untereinheiten, in denen fünf benzoide Sechsringe um einen Fünfring kondensiert sind, wie Abb. 12.4 b am Beispiel des C60-Fullerens zeigt. Das kleinste, bisher bekannte Fulleren (C20) enthält nur kondensierte Fünfringe; es bildet sich bei der Debromierung von partiell bromiertem Dodecahedran in einer Gasentladung. Fullerene lassen sich vielfältig abwandeln und mit funktionellen Gruppen versehen; sie reagieren mit Nucleophilen, Elektrophilen, Radikalen, Oxidations- und Reduktionsmitteln; auch Cycloadditionen gehen sie ein.

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13.1 Klassifizierung

185

13 Halogenalkane (Alkylhalogenide) 13.1 Klassifizierung Verbindungen R/X, bei denen ein Halogen-Atom (X = F, Cl, Br, I) an einen Alkyl-Rest gebunden ist, nennt man Halogenalkane, Halogencycloalkane, Halogenalkene sowie Halogenalkine (Alkyl-, Cycloalkyl-, Alkenyl- und Alkinylhalogenide). Die Nomenklatur der Halogenalkane folgt den besprochenen IUPAC-Regeln (Abschn. 2.1.3). Je nach Alkylierungsgrad des halogenierten CAtoms unterscheidet man primäre, sekundäre und tertiäre Halogenalkane: RCH2/X primär

R2 CH X sekundär

R3 C X tertiär

Alkyl- und Arylhalogenide zeigen sehr unterschiedliche physikalische und chemische Eigenschaften. So neigen Halogenalkane zu Eliminierungen und nucleophilen Substitutionen, während Halogenaromaten unter gleichen Reaktionsbedingungen ziemlich stabil sind.

13.2 Eigenschaften Halogenalkane sieden deutlich höher als Alkane mit demselben Kohlenstoff-Gerüst jedoch tiefer als die entsprechenden Alkohole. Die Siedepunkte von Halogenalkanen und Alkanen mit ähnlicher molarer Masse unterscheiden sich dagegen kaum. Ausnahmen sind niedermolekulare Vertreter; niedermolekulare Perfluoralkane sieden trotz ihrer höheren molaren Massen tiefer als Alkane mit gleicher Anzahl von C-Atomen. Die Monohalogenalkane CH3/X (X = F, Cl, Br) sowie C2H5/X (X = F, Cl) sind bei Raumtemperatur gasförmig. Alle anderen Halogenalkane bis C18 sind Flüssigkeiten. Innerhalb homologer Serien steigt die Flüchtigkeit ̈ mit abnehmender molarer Masse des Halogenalkans, ̈ mit abnehmender Größe bzw. molarer Masse des Halogens und ̈ mit zunehmender Verzweigung der Alkyl-Gruppe. Halogenalkane sind polare Moleküle mit Dipolmomenten von o » 2 Debye. Von Fluoralkanen zu Iodalkanen nehmen die Dichten zu. Monochlor- und Monofluoralkane sind leichter, Brom- und Iodalkane sowie Polyhalogenalkane dagegen schwerer als Wasser. Halogenalkane lösen sich praktisch nicht in Wasser und sind ausgezeichnete Lösemittel für die meisten organischen Verbindungen. Zur Extraktion und zum Umkristallisieren werden insbesondere Dichlormethan (Methylenchlorid), Trichlormethan (Chloroform) und Tetrachlormethan (Tetrachlorkohlenstoff) benutzt. Tetrachlormethan und Trichlorethen werden zur Textilreinigung verwendet. 2-Brom-2-chlor-1,1,1-trifluorethan (Halothan, CF3CHBrCl) dient als Inhalationsnarcoticum.

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186

13 Halogenalkane (Alkylhalogenide)

In Fluor-, Chlor-, Brom- und Iodalkanen, -alkenen sowie -alkinen nehmen die Kohlenstoff-Halogen-Bindungslängen mit wachsender Ausdehnung der Halogen-Atomradien zu (Tab. 13.1) . Tab. 13.1. C-Halogen-Atomabstände in Halogenalkanen, -alkenen und -alkinen (in pm)

Halogen-

-alkan

-alken

-alkin

C/F C/Cl C/Br C/I

136 179 195 214

133 172 188 209

130 164 180 199

Die Bindungswinkel (Interorbitalwinkel) an halogensubstituierten sp3-hybridisierten C-Atomen weichen bereits bei Fluoralkanen wie Fluormethan oder Difluormethan vom Tetraederwinkel 109°28' ab. 108.5°

Fluormethan

108.3°

H H C F

F H C F Difluormethan

110.5°

111.9°

H

H

Zeichnet man Energiediagramme für die Rotation der 1,2-Dihalogenethane um deren CC-Bindung (vgl. Butan, Abb. 2.4, S. 32), so findet man je nach Größe und Elektronegativität der beiden Halogene sowie ihrer Stellung relativ zueinander Dipol-Dipol-Wechselwirkungen, VAN-DERWAALSAbstoßung oder -Anziehung zwischen den Halogen-Atomen. Daher ist beim 1,2-Dichlorethan die windschiefe, beim 1,2-Dibromethan dagegen die anti-Konformation begünstigt. Beim Tetrabrom- und Tetrachlorethan ist das gauche-Konformer um ca. 4 kJ / mol stabiler als die anti-Form. Auch (Z)-1,2-Dichlorethen ist um 2 kJ / mol stabiler als das (E)-Isomer; nur beim 1,2Diiodethen ist das (E)-Alken stabiler. Diese Abweichungen vom "Normalverhalten" der unsubstituierten Alkane sind eine Folge der erwähnten, zur Anziehung führenden Wechselwirkungen zwischen den Halogen-Atomen.

13.3 Darstellung 13.3.1

Radikalische Halogenierung von Alkanen

Tiefsiedende Chloralkane und einige Bromalkane werden industriell überwiegend durch Halogenierung von Alkanen in der Gasphase hergestellt (Photochlorierung oder thermische Chlorierung; Abschn. 3.1). Beispiele sind Synthesen der t-Butyl-, Neopentyl-, Allyl- und Benzylhalogenide: Br 2 , hp", 120 °C

(H 3C)3CH

(H3C)3C Br Cl2 , 300 °C

(H 3C)4C H2C=CH/CH 3

(H3C)3C CH 2 Cl Cl2 (oder Br 2) , 400 °C

H2C=CH /CH2/Cl (oder Br)

Cl2 (oder Br 2) , hp", Rückfluß

H5C 6 CH3

H5C6 CH 2 Cl (oder Br)

Zur Herstellung von Fluor- und Iodalkanen eignen sich andere Verfahren (Abschn. 13.3.8, 13.3.9).

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13.3 Darstellung

13.3.2

187

Addition von Halogenwasserstoff an Alkene

Alkene addieren HX unter Bildung von Halogenalkanen. Die dabei möglichen Mechanismen / elektrophile Addition oder Addition über freie Radikale / wurden in Abschn. 4.5.4, 4.5.10 und 5.4 besprochen. Elektrophile Addition Die in zwei Schritten ablaufende elektrophile Addition an Alkene findet unter Lichtausschluß, bei tiefer Temperatur und in Lösung statt. Dabei addiert das Halogen so an die Doppelbindung, daß als Zwischenstufe das stabilste Carbenium-Ion auftritt (MARKOWNIKOFF-Regel).

̈

X

/

+ [H+]

+ X

R CH CH2

R CH CH 3

R CH CH 3

( X = Cl , Br , I )

̈ Addition über freie Radikale In Gegenwart von Licht, von Peroxiden oder bei höherer Temperatur in der Gasphase addiert das Halogen an das mit mehr H-Atomen verknüpfte C-Atom der Doppelbindung ("anti-MARKOWNIKOW-Produkte"), weil unter diesen Bedingungen das stabilste Radikal als Intermediat auftritt. +X

R CH CH2

13.3.3

+ HX

R CH CH 2

X

R CH 2 CH2

X

+

X

( X = Cl, Br )

Addition von Halogen an Alkene

Elektrophile Addition Über einen ionischen Mechanismus, der unter Ausschluß von Licht, bei tiefen Temperaturen und in Lösung abläuft, addieren Br2 oder Cl2 an Alkene. Dabei bilden sich 1,2-Dihalogenalkane.

̈

X C C

+

X2

C C

( X = Cl, Br )

X

Addition von X2 über freie Radikale Bei hohen Temperaturen in der Gasphase konkurrieren radikalische Substitutionen in AllylStellung mit radikalischen 1,2-Additionen.

̈

Substitution

C C C

+

X2

C C

HX

X

X

Addition

und

C C C

C H

+

+

X2

C C C X

H

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188

13 Halogenalkane (Alkylhalogenide)

13.3.4

Additionen von HX und X2 an Diene

Eine allgemein anwendbare Methode zur Darstellung von Halogenalkanen ist die elektrophile Addition von HX (X = Cl, Br, I) oder X2 (X = Cl, Br) an 1,3-Diene (Abschn. 6.5.1). Bei tiefer Temperatur bilden sich dabei vorzugsweise 1,2-, bei höherer dagegen 1,4-Additionsprodukte. X

+ HX

X

H3C CH CH CH2 H2C CH CH CH2

+

H3C CH CH CH2

1,2-Addukt

1,4-Addukt

+ X2

H2C CH CH CH2

+

X X

H2C CH CH CH2 X

X

Dieselben Produkte sind auch durch radikalische Addition von HX oder X2 an konjugierte Diene zugänglich (Abschn. 6.5.2).

13.3.5

Additionen von HX und X2 an Alkine

Zur Darstellung von Vinylhalogeniden und 1,1-Dihalogeniden eignen sich elektrophile Additionen von HX an Alkine (Abschn. 7.5.3). R

+ HX (HgX 2)

R C C R

X

+ HX , Hitze

RCH C

R CH2 C R X

X

Die Addition von Halogenen X2 (X = Cl, Br) an Alkine öffnet den Zugang zu 1,2-Dihalogenalkenen und 1,1,2,2-Tetrahalogenalkanen. + X2 (FeX 3)

X

R C C R

R

+ X2 (FeX 3)

C C R

X R C

X

X

X C R X

Chlorethen (Vinylchlorid) und Tetrachlorethan werden durch Hydrohalogenierung bzw. Halogenierung des Ethins technisch hergestellt: H C C H + HCl

13.3.6

H2C CH Cl Chlorethen (Vinylchlorid)

H C C H + 2 Cl2

Cl2CH CHCl2 1,1,2,2-Tetrachlorethan

Halogenalkene durch Dehydrohalogenierung

Vinylchlorid und -bromid sowie andere Halogenethene sind durch partielle Dehydrohalogenierung von 1,1- oder 1,2-Dihalogenalkanen zugänglich. Vinylchlorid ist das Monomer des synthetischen Polymers Polyvinylchlorid (PVC). Trichlorethen (Trichlorethylen) wird zur Textilreinigung als Lösemittel technisch hergestellt.

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13.3 Darstellung

189

KOH

H3C CHCl2 oder ClCH2 CH 2Cl

/ HCl

H 2C CH Cl

Chlorethen (Vinylchlorid)

H 2C CH Br

Bromethen (Vinylbromid)

ClCH CCl2

Trichlorethen (Trichlorethylen)

KOH in Ethanol

BrCH 2 CH 2Br

/ HBr

Ca(OH) 2

Cl2CH CHCl2

13.3.7

/ HCl

Radikalische Bromierung in Allyl-Stellung durch N-Bromsuccinimid

Allylständige CH2-Gruppen können bei mäßigen Temperaturen mit Hilfe von N-Bromsuccinimid (NBS) unter Bestrahlung mit Licht oder in Gegenwart von Peroxiden bromiert werden. 3-Bromcyclohexen und c-Bromtoluen (Benzylbromid) sind so zugänglich: O +

N Br

O CCl4 , Rückfluß

Br

+

H 3-Bromcyclohexen

O

O

O CH3

+

N Br

N H

O CCl4 , Rückfluß

CH2 Br

+

c-Bromtoluen (Benzylbromid)

O

N H O

Diese als WOHL-ZIEGLER-Reaktion bekannte, schonende Allyl-Bromierung mit NBS ist ein Analogon der radikalischen Substitution von Propen durch Cl2 oder Br2 bei hoher Temperatur (Abschn. 4.5.10). Peroxide starten dabei eine Kettenreaktion über intermediäre Radikale. Die homolytische Spaltung der N/Br-Bindung des N-Bromsuccinimids führt zum Brom-Radikal; dieses bildet im ersten Schritt der Kettenreaktion mit dem Alken ein Allyl-Radikal, das im zweiten Schritt mit Brom zu Allylbromid und Brom-Radikal abreagiert. (1) (2)

Br

+

R CH2 CH CH R

R CH CH CH R

+ Br2

R CH CH CH R R CH CH CH R

R CH CH CH R +

+ HBr

Br

Br

Infolge der Bildung mesomeriestabilisierter Allyl-Radikale können aus unsymmetrisch substituierten Alkenen isomere Allylbromide entstehen. 1-Buten ergibt z. B. 1-Brom-2-buten als Hauptprodukt neben 3-Brom-1-buten: H3C CH2 CH CH 2

NBS , CCl4 , Peroxide

H3C CH CH CH2 Br 3-Brom-1-buten

sowie

H 3C CH CH CH 2 Br 1-Brom-2-buten (Hauptprodukt) (E + Z)

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190

13.3.8

13 Halogenalkane (Alkylhalogenide)

Darstellung von Fluoralkanen

Die direkte Fluorierung von Alkanen verläuft stark exotherm und führt zu perfluorierten Verbindungen sowie CC-Spaltungen. Die heftige Reaktion läßt sich durch Tiefkühlung und durch Verdünnung des Fluors mit Helium steuern. Nur wenige einfache Fluoralkane sind durch Addition von Fluorwasserstoff an Alkene zugänglich. Alle anderen Fluoralkane müssen durch spezielle Methoden dargestellt werden. Fluorierung durch anorganische Fluoride Als Fluorierungsmittel eignen sich einige anorganische Fluoride wie Kobalt(III)-fluorid. Strömt ein Alkan über CoF3, so wird dieses vom Alkan unter Bildung von Fluoralkanen und Flußsäure zu CoF2 reduziert. Das Kobalt(II)-fluorid kann anschließend mit elementarem Fluor zum CoF3 regeneriert werden. ̈

CnH2n+2

+

2 (2n+2) CoF3 2 CoF 2

+

CnF2n+2 + (2n+2) HF + 2 (2n+2) CoF 2

F2

2 CoF3

Fluorierung durch Halogenaustausch in Halogenalkanen Durch Halogen-Austausch können Chlor- oder Bromalkane bei Einwirkung starker LEWIS-Säuren wie HgF2 oder SbF3 in Fluoralkane übergeführt werden. ̈

2 CH 3Br

+

0 °C

HgF 2

3 CCl4

+

2 SbF 3

3 CCl4

+

SbF 3

SbCl3

+

3 HF

SbCl5 SbCl5

2 CH3F

+

HgBr2

3 CCl2F 2

+

2 SbCl3

3 CFCl3

+

SbCl3

SbF 3

+

3 HCl

Das als Freon-12 bekannte Dichlordifluormethan wurde wegen seiner hohen Verdampfungswärme als Kühlflüssigkeit für Kühlaggregate eingesetzt. Auch als Treib- und Lösemittel in Spraydosen fand es Verwendung, bevor man erkannte, daß alle in die Atmosphäre entweichenden "Fluorchlorkohlenwasserstoffe" ("FCKWs") in einer Photoreaktion Halogen-Radikale freisetzen, die das UV-absorbierende Ozon spalten und so die Ozon-Konzentration in der Stratosphäre vermindern ("Ozonloch"). CCl2F 2 Cl ClO

hp

+ O3 +

O

CClF2

+

Cl

ClO

+

O2

O2 +

Cl

Der chemisch inerte Polymer-Werkstoff Polytetrafluorethen (Teflon, [/CF2/]n), wird durch radikalische Polymerisation von Tetrafluorethen großtechnisch erzeugt. Tetrafluorethen entsteht aus Chloroform und Antimontrifluorid über Chlordifluormethan: 3 CHCl3

+

2 SbF 3

2 CHClF 2

SbCl5 700-800 °C

3 CHClF 2

+

2 SbCl3

F 2C CF 2

+

2 HCl

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13.3 Darstellung

191

Teflon wird als Werkstoff für Pumpen und Laborgeräte sowie zur Beschichtung von Töpfen und Pfannen verwendet. Höhere Perfluoralkane dienen als chemisch inerte Spezialschmieröle. Die geringe Reaktivität der Polyfluoralkane beruht auf der außerordentlich starken CF-Bindung, was sich in sehr kurzen C/F-Atomabständen (135 pm) äußert. Monofluoralkane zeigen dagegen weitgehend die chemischen Eigenschaften der anderen Halogenalkane und haben C/F-Bindungslängen von 142 pm.

13.3.9

Darstellung von Iodalkanen

Iodalkane sind durch Halogen-Austausch vom Typ der nucleophilen Substitution aus Brom- oder Chloralkanen zugänglich (FINKELSTEIN-Reaktion). NaI , Aceton

R X

+

I

R I

+

X"""""""

( X = Cl, Br )

Iodmethan (Methyliodid) als Methylierungsreagenz wird aus dem Carcinogen-verdächtigen Dimethylsulfat und Kaliumiodid hergestellt. (CH3O)2SO2

+ 2 KI

CaCO3 in H2O

2 CH 3 I

+

K2SO4

13.3.10 Halogenalkane aus Alkoholen Die Darstellung von Halogenalkanen aus Alkoholen ist eine allgemein anwendbare und die bedeutendste Darstellungsmethode. Dabei wird die Hydroxy-Gruppe des Alkohols nucleophil durch ein Halogenid-Anion ersetzt (nucleophile Substitution, SN, Abschn. 14). HX oder PX3

R OH

R X

( X = Cl, Br, I )

Halogenierung mit Phosphortribromid und -iodid Phosphortrihalogenide reagieren mit Alkoholen zu Halogenalkanen. ̈

Pyridin

3 R OH

+

PBr3 ( P + Br2 )

3 R Br

+

H 3PO3

3R I

+

H 3PO3

Pyridin

3 R OH

+

PI 3 ( P + I 2 )

Zu dieser Reaktion können primäre, sekundäre und tertiäre Alkohole einschließlich der Cycloalkanole sowie Benzyl- und Allylalkohol eingesetzt werden. Wegen der mäßigen Ausbeuten werden die Chloride nur selten mit PCl3 dargestellt.

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192

13 Halogenalkane (Alkylhalogenide)

Umsetzung mit Thionylchlorid Thionylchlorid (SOCl2) als Reagenz zur Chlorierung bietet gegenüber PCl3 den Vorteil, daß die Reaktionsmischung sich infolge gasfömiger Nebenprodukte einfacher aufarbeiten läßt. Pyridin (Kat.)

R OH

+

SOCl2

R Cl

+

SO2

+

HCl

Pyridin (C5H5N) beschleunigt die Halogenierung über intermediäre Chlorsulfinsäureester. R

R OH + SOCl2 + C5H5N

O

S

O

+

C5H5NH Cl

R Cl + SO2 + C5H5N

+ HCl

Cl Chlorsulfinsäureester

Halogenierung mit Halogenwasserstoffen Tertiäre Halogenalkane sind aus den entsprechenden Alkoholen durch Behandlung mit Halogenwasserstoff (HCl, HBr) zugänglich. Die Darstellung primärer Halogenalkane erfordert schärfere Reaktionsbedingungen und wird durch den Zusatz einer LEWIS-Säure wie ZnCl2 erleichtert. Die aus c,y-Diolen zugänglichen c,y-Dibromalkane sind wichtige Zwischenprodukte organischer Synthesen. CH 3

CH 3

0 °C

H3C CH2 C OH

+

HCl

H3C CH2 C Cl

CH 3

+

H 2O

+

H2O

CH 3 2-Chlor-2-methylbutan 80 °C

OH

+

HBr

Br Bromcyclohexan

HO (CH2)n OH

+ 2 HBr

135 °C

Br (CH 2)n Br c,y-Dibromalkan

+ 2 H 2O

Umlagerungen und Eliminierungen sind Nebenreaktionen. Die relativen Reaktivitäten der Alkohole sinken in der Folge Allyl, Benzyl > tertiär > sekundär > primär.

Die Reaktivitäten der Halogenwasserstoffe nehmen von HI über HBr zu HCl ab. Chlorierungen von Alkoholen durch HCl werden nach RYDON durch Triphenylphosphit katalysiert, das in situ aus Phenol und Phosphortrichlorid entsteht. 3 H5C 6 OH

+

PCl3

+

HCl

Phenol

(H 5C6O)3 P

+

R OH

(H 5C6O)3 P + Triphenylphosphit R Cl

+

3 HCl

(H 5C6O)3POH

+

H5C 6 OH

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13.3 Darstellung

193

Mit Trichloracetonitril können Alkohole sogar bei 0 °C zu Chloralkanen umgesetzt werden. R OH

+

NH Cl3C C OR

Cl3C C N Trichloracetonitril

NH 2 Cl Cl3C C O R

NH 2 + R Cl Cl3C C O Trichloracetamid Chloralkan

13.3.11 Bromalkane durch HUNSDIECKER-Decarboxylierung Silbersalze langkettiger Carbonsäuren decarboxylieren in der Hitze oder bei UV-Bestrahlung zu langkettigen Bromalkanen (HUNSDIECKER-Decarboxylierung). Als Katalysatoren eignen sich Quecksilberoxid und Blei(IV)-acetat. CCl4 , Hitze

R CH 2 CO2 Ag

+

Br2

R CH 2 Br

+

CO2

+

AgBr

Die Bildung des Silberbromids aus Silbercarboxylat und Brom startet eine Kettenreaktion über intermediäre Radikale: Start

R

CO2 Ag

+

Br2

R COOBr +

R COOBr

R COO

R COO Kette

R

+ R COOBr

AgBr

+

Br

R

+

CO2

R Br

+

R COO

13.3.12 Darstellung und Eigenschaften von Oligohalogenmethanen Oligochlormethane Di-, Tri- und Tetrachlormethan entstehen durch Photochlorierung von Methan. Tetrachlormethan wird industriell auch über Schwefelkohlenstoff erzeugt. Die Chlorierung des Schwefelkohlenstoffs kann durch SbCl5, AlCl3 oder FeCl3 katalysiert werden. AlCl3

C (Koks) +

2S

CS2

CS2

+

CCl4

3 Cl2

+

S2Cl2

Haloform-Reaktion Eine typische Reaktion von Methylketonen ist die Haloform-Reaktion, bei der durch Einwirkung von Halogenen Cl2, Br2 oder I2 in Natronlauge die farblosen und flüssigen Haloforme, Chloroform (Trichlormethan) und Bromoform (Tribrommethan), sowie das gelbe kristalline Iodoform (Triiodmethan) entstehen. O R C CH 3

/

O

+ 3 OH .""+ 3 Cl2 / 3 H2O , / 3 Cl

/

R C CCl3

+ NaOH

R CO2 Na Carboxylat

+

HCCl3 Chloroform

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194

13 Halogenalkane (Alkylhalogenide)

Der "Iodoform-Test" dient als chemischer Nachweis von Methylketonen. Da die Reaktion unter milden Bedingungen Carbonsäuren gibt, nutzt man sie zur Darstellung spezieller Carbonsäuren. Schlüsselschritt ist ein elektrophiler Angriff des Halogens X2 am Enolat-Anion (R = Alkyl). O R C CH3

/

+ OH , / H 2O

O R C CH2

O R C CH _ 2

Enolat-Anion

Carbanion

/

+ X2 , / X

O R C CH 2 X

O + NaOH R C CX3

O R C

+

HCX3

O Na

̈ Dihalogenmethane (Methylenhalogenide) Dibrom- und Diiodmethan lassen sich durch Reduktion (z. B. mit Natriumarsenit) des entsprechenden Haloforms darstellen. CHI 3 (CHBr3)

+

Na3 AsO3

+

CH 2I 2 (CH 2Br2)

NaOH

+

Na3 AsO4

+

NaI (NaBr)

Dihalogencarbene Chloroform oder Bromoform können bei Einwirkung von Alkalihydroxid durch c-Eliminierung (1,1-Eliminierung) in Dichlorcarben bzw. Dibromcarben übergehen.

CHCl3

+

/ H2O

HO

:CCl3

/ Cl

/

:CCl2 Dichlorcarben

Carben-typisch addiert Dichlorcarben an CC-Doppelbindungen unter Bildung von CyclopropanDerivaten ([2+1]-Cycloaddition, Cyclopropanierung, Abschn. 8.6.1): C C

+

:CCl2 Cl Cl 1,1-Dichlorcyclopropan

13.4 Reaktionen 13.4.1

Nucleophile Substitution und Eliminierung in Konkurrenz

Der induktive Effekt des Halogens polarisiert die CX-Bindung im Halogenalkan: Das gebundene C-Atom (C-c) wird elektrophil (f+), das Halogen (f/) kann als Halogenid-Anion X/ austreten und durch ein Nucleophil ersetzt werden. Kennzeichen eines Nucleophils ist mindestens ein nichtbindendes Elektronenpaar. Nucleophile können Anionen oder Neutralmoleküle sein, die als LEWISBasen dazu neigen, mit den elektrophilen C-c-Atomen der Halogenalkane Bindungen zu knüpfen.

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13.4

Reaktionen

195

Tab. 13.2. Nucleophile Substitution von Halogenalkanen R/X Nucleophil Sauerstoff

Schwefel

OH

Hydroxid

R OH

OH 2

Wasser

R OH

Alkohol

OR'

Alkoxid

R O R'

Ether

OOC R'

Carboxylat

R O CO R'

Ester

SH

Hydrogensulfid

R SH

Thiol

SR'

Thiolat

R S R'

Thioether (Dialkylsulfid)

Dialkylsulfid

R SR'2 X

Sulfoniumsalz

Thiocyanat (Rhodanid)

R SCN

Alkylthiocyanat

NH 2

Amid

R NH 2

primäres Amin

NH 3

Ammoniak

R NH 2

primäres Amin

H 2N R'

primäres Amin

R NH R'

sekundäres Amin

NHR'2

sekundäres Amin

R NR'2

tertiäres Amin

NR'3

tertiäres Amin

R NR'3 X

quartäres Ammoniumsalz

N3

Azid

R N3

Alkylazid

NO2

Nitrit

R NO2

Nitroalkan

C N

Cyanid

R C N

Nitril (Alkylcyanid)

C C H

Ethinylid

R C C H

1-Alkin

C C R'

Alkinylid

R C C R'

Alkin

R'

Carbanion

R R'

Alkan

CH(CO2R')2

Malonsäurediester-Anion

R CH(CO2R')2

R'

S R'

SCN

Stickstoff

Kohlenstoff

Reaktionsprodukt

CH(COCH 3)(CO2R') Acetessigester-Anion Ar

H (AlCl3)

R CH(COCH 3)(CO2R')

Alkohol

Alkylmalonsäurediester (Malonester-Synthese)

Alkylacetessigester (Acetessigester-Synthese)

Aren

R Ar

Alkylaren

Halogen

K

Iodid

R I

Iodalkan (Alkyliodid)

Phosphor

P(C 6H 5)3

Triphenylphosphan

R P(C 6H 5)3 X

Alkyltriphenylphosphoniumsalz

Andererseits zieht im Halogenalkan die durch den induktiven Effekt des Halogens an C-c induzierte, positive Partialladung Elektronen von C-d an. Dadurch können die CH-Bindungen an C-d so polarisiert werden, daß ein Proton von C-d unter Alken-Bildung abgespalten wird. H

+ harte Base B :

H B + X

+

C C

Eliminierung E

d

cC C

X

H

+ weiche Base B :

C C Substitution SN

+

X

B

Halogenalkan

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196

13 Halogenalkane (Alkylhalogenide)

Nucleophile Substitution und Eliminierung konkurrieren also, wenn Basen (Nucleophile) B/ auf ein Halogenalkan (als Elektrophil) einwirken. Welche Reaktion dominiert, folgt aus dem HSABPrinzip (hard soft acid base): Demnach reagieren Basen (Nucleophile) und Säuren (Elektrophile) bevorzugt nach der Regel "hart mit hart" und "weich mit weich". Hart sind kompakte Ionen mit hoher Ladungskonzentration wie Acyl-Kationen und Protonen als Elektrophile (Säuren) bzw. Hydroxid- und Alkoholat-Ionen als Nucleophile (Basen). Weich sind dagegen polarisierbare, voluminöse Spezies wie Halogenalkane, Carbene und Carbenium-Ionen als Elektrophile (Säuren) bzw. Alkene, Aromaten, Cyanid- und Carbanionen als typische Nucleophile (Basen). So wird ein Halogenalkan mit einer harten Base (B = OH/) bevorzugt zum Alken dehydrohalogenieren (Eliminierung), durch ein weiches Nucleophil (B = CN/) dagegen bevorzugt (zum Nitril) substituiert.

13.4.2

Nucleophile Substitutionen

Tab. 13.2 orientiert über die vielfältigen Möglichkeiten zur Einführung funktioneller Gruppen durch nucleophile Substitutionen von Halogenalkanen. Fast jedes der resultierenden Produkte ist seinerseits wieder in viele Derivate überführbar, welche die Alkyl-Gruppe des Halogenalkans tragen. Somit sind die aus Alkanen und Alkenen zugänglichen Halogenalkane als Alkylierungsmittel Schlüsseledukte organischer Synthesen.

13.4.3

GRIGNARD-Reaktion

Halogenalkane, Halogenalkene, Halogenalkine und Halogenarene (Arylhalogenide) reagieren mit Magnesium in Ether-Suspension zu Alkylmagnesiumhalogeniden (GRIGNARD-Verbindungen), die mit Dialkylmagnesium im SCHLENK-Gleichgewicht vorliegen: f+ f/

2 R X

f/ f++

Ether

+

2 Mg

f/

2 R Mg X

SCHLENKGleichgewicht

Alkylmagnesiumhalogenid ( X = Cl , Br , I )

f/ f++ f/

R Mg R

+

MgX2

Dialkylmagnesium

Diese Metallierung polt das c-C-Atom vom Elektrophil (f+) zum Nucleophil (f/) um. Auf dieser Umpolung beruhen vielseitige präparative Anwendungen der GRIGNARD-Verbindungen im Bereich der CC-Verknüpfungen, u. a. zur Synthese von Alkoholen (Abschn. 15.4.6).

13.4.4

CC-Verknüpfungen mit Organohalogen-Verbindungen

Das zum Nucleophil umgepolte C-Atom einer GRIGNARD-Verbindung reagiert mit dem elektrophilen C-Atom einer Organohalogen-Verbindung unter Knüpfung einer neuen CC-Einfachbindung: f+

R1

f/

X

Halogenalkan, Halogenaren, Halogenalkin, Halogenaren elektrophiles R1

+

f/

f++

f/

in Ether

R2 Mg X

R1 R2

+

MgX2

Alkyl-, Alkenyl-, Alkinyl-, Arylmagnesiumhalogenid ( X = Cl , Br , I ) nucleophiles R2

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13.4

Reaktionen

197

Demselben Prinzip folgt die WURTZ-Reaktion zur Synthese von Alkanen aus Halogenalkanen über Alkylnatrium (Abschn. 2.6.3). Phenylcyclopentan könnte z. B. entweder aus Bromcyclopentan und Phenylmagnesiumbromid (aus Brombenzen und Magnesium in Ether) oder aus Brombenzen und Cyclopentylmagnesiumbromid (aus Bromcyclopentan und Magnesium) dargestellt werden: Br

+

Bromcyclopentan

/ MgBr2

Br Mg

/ MgBr2

Phenylmagnesiumbromid

Phenylcyclopentan

Mg Br

+

Cyclopentylmagnesiumbromid

Br Brombenzen

Neuere Methoden Palladium(0)-katalysierter CC-Verknüpfungen mit Organohalogen-Verbindungen und Triflaten (Trifluormethansulfonaten) als Elektrophile sind die SUZUKI-Kupplung mit Boronsäuren Pd(0)-Komplex

R1

X

R 1 R2

R2 B(OH)2

+

+

XB(OH)2

Alkylboronsäure, Arenboronsäure

X = I, Br, OSO2CF3

sowie die STILLE-Kupplung mit Organozinn-Verbindungen (Stannane) über Katalysecyclen, die denen der HECK-Reaktion (Abschn. 4.5.11) sehr ähnlich sind. Pd(0)-Komplex

R1

X

X = I , Br , OSO2CF3

R1 R2

R2 SnR3

+

+

XSnR3

Stannan R2 = Alkyl-, Alkenyl-, Alkinyl-, Aryl-

3-Methoxybiphenyl kann z. B. aus m-Bromanisol nach STILLE mit Trimethylphenylstannan und nach SUZUKI mit Phenylboronsäure dargestellt werden in Gegenwart des Palladium(0)-Triphenylphosphan-Komplexes, der im Falle der STILLE-Kuppplung in situ durch Reduktion der Palladium(II)-Salze mit überschüssigem Stannan erzeugt wird. H 3CO

H 3CO

H 3CO Br +

m-Bromanisol

(H 3C)3Sn

Pd(0)

Pd(0)

STILLE

SUZUKI

Trimethylphenylstannan

Br + (HO)2B

3-Methoxybiphenyl

Phenylboronsäure

Die SUZUKI-Kupplung bewährt sich zur stereoselektiven Darstellung konjugierter Polyene unter Erhaltung der relativen Konfiguration beider Edukte (Retention). Die Synthese des Bombykols, Sexuallockstoff des Seidenspinner-Weibchens (Bombyx mori), gelingt z. B. durch SUZUKI-Kupplung des (E)-1-Iod-1-undecen-11-ols mit (Z)-1-Pentenyl-1-boronsäure: HO

I (E)-1-Iod-1-undecen-11-ol

Pd(0)

+

(HO)2B (Z)-1-Pentenyl1-boronsäure

HO

/ I B(OH) 2 Bombykol

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198

14 Nucleophile Substitution an Aliphaten

14 Nucleophile Substitution an Aliphaten

14.1 Übersicht nucleophiler Substitutionen an Aliphaten Bei der nucleophilen Substitution ersetzt das Nucleophil B in einem Substrat (Halogenalkan) einen Substituenten X (z. B. ein Halogen), der als Anion (Nucleofug, z. B. ein Halogenid-Anion) austritt. Je nach Art des Nucleophils (Anion, Neutralmolekül) gibt es drei Möglichkeiten: Substrat

Nucleophil

Produkt

Nucleofug

eintretende Gruppe künftiger Substituent

austretende Gruppe z. B. Halogenid-Anion

R X

+

IB

R B

+

X

R X

+

IB

R B

+

X

R X

+

IB H

R BH

+

X

Einfache Substitutionen ohne konkurrierende Eliminierungen, in denen man die drei NucleophilTypen erkennt, sind z. B. die Bildung des Methylcyanids (Acetonitril) aus Iodmethan, des Methylammonium-bromids aus Brommethan, des Chlormethans aus protoniertem Methanol und des Tetramethylammonium-Ions aus dem Trimethylsulfonium-Ion: H 3C

+

IC N

H 3C C N

+

I

H 3C Br

+

INH3

H 3C NH 3

+

Br

H3C OH 2

+

Cl

H 3C Cl

+

H2O

(H 3C)3S

+

(H3C)4N

+

(H3C)2S

I

IN(CH3)3

Nucleophile Substitutionen sind keineswegs auf Halogenalkane beschränkt; jede AlkylVerbindung mit einer geeigneten Abgangsgruppe X kann mit Nucleophilen reagieren (Tab. 14.1). Besonders gut austretende Gruppen sind Tosylat, Brosylat sowie Onium-Ionen (Tab. 14.1). Solvolysen sind nucleophile Substitutionen, bei denen Lösemittel als Nucleophile wirken. Man unterscheidet dabei je nach Art des Solvens die Hydrolyse (H2O), Methanolyse (Methanol, CH3/OH), Ethanolyse (Ethanol, C2H5/OH), Acetolyse (Essigsäure, CH3/COOH), Formolyse (Ameisensäure, H/COOH), Ammonolyse (NH3) oder Aminolyse (primäre Amine, R/NH2, als Lösemittel und Nucleophile). Wie bei anderen Reaktionstypen hängt die Reaktionsgeschwindigkeit einer nucleophilen Substitution von äußeren Einflüssen wie Temperatur, Konzentration und Lösemittel ab. Struktur und Nucleophilie des angreifenden Agens, Struktur des Substratmoleküls, Basizität der austretenden Gruppe sowie Salzeffekte spielen eine weitere entscheidende Rolle. Zusätzlich komplizieren konkurrierende Eliminierungen eine Analyse der Kinetik und Stereochemie nucleophiler Substitutionen. Dennoch bieten einige Regeln und Beziehungen Orientierungshilfe bei der Interpretation des Reaktionsverlaufs.

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14.2 Mechanismen

199

Tab. 14.1. Nucleophile Substitutionen verschiedener Alkyl-Verbindungen Alkyl-Verbindung

Nucleophil

Produkt

Nucleof ug

O

O Sulfat

R O S O R

CH3O

R OCH3

Methylether

O S O R

O

O O

O R O S

CH3

Tosylat

H2O

R OH

Alkohol

HO S

CH3

O

O O

O

R O S

Br

Brosylat

H2O

R OH

Alkohol

O

HO S

Br

O Alkohol

HCl (HBr, HI)

R Cl (Br, I)

Halogenalkan

O R O C R'

Ester

H2O

R OH

Alkohol

R O R'

Ether

HBr

R Br

Bromalkan

HO R'

Oxoniumsalz

H2O

R OH

Alkohol

R' O R'

Sulfoniumsalz

Br

R Br

Bromalkan

R OH

R' R O R'

H2O O HO C R'

R'

R' R S

S R'

R' R NR'3

Ammoniumsalz

OH

R OH

Alkohol

R N N

Diazoniumsalz

H2O

R OH

Alkohol

NR'3 N2 + [H ]

14.2 Mechanismen Für nucleophile Substitutionen (SN) gibt es zwei Grenz-Mechanismen. Einerseits können sie einstufig nach einem bimolekularen Mechanismus verlaufen, den man als SN2 bezeichnet; SN2 ist die Abkürzung für Substitution (S), nucleophil (N), bimolekular (2). Andererseits können sie auch zweistufig ablaufen; dabei ist der erste, geschwindigkeitsbestimmende Schritt monomolekular; daher spricht man vom SN1-Mechanismus (S für Substitution, N für nucleophil, 1 für monomolekular).

14.2.1

Bimolekularer Mechanismus SN2

Beim SN2-Mechanismus greift das in die Verbindung eintretende Nucleophil B/ direkt am positivierten C-Atom der polarisierten CX-Bindung an. Im Übergangszustand dieser Reaktion (Abb. 14.1) ist die neue Bindung BC fast geknüpft und die frühere Bindung CX nahezu gelöst. Während der Bildung von B/C unter gleichzeitiger Lösung von C/X liegen die drei an der Substitution unbeteiligten Substituenten auf einer Ebene.

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200

14 Nucleophile Substitution an Aliphaten

Epot B

C

X

Übergangszustand

FEA

C

X +B

FH

B

R X

B R

+ X

C

Reaktionskoordinate

Abb. 14.1. Energiediagramm der SN2-Reaktion

Aufgrund des synchronen Verlaufs der SN2 Reaktion hängt die Reaktionsgeschwindigkeit r von der Konzentration beider Reaktionspartner (Halogenalkan als Substrat und Nucleophil) ab; die bimolekulare Reaktion folgt einem Geschwindigkeitsgesetz zweiter Ordnung: rS 2 = N

dc(Substrat) /""""""""""""""" = k dt

x c(Substrat) x c(Nucleophil)

k ist die spezifische Reaktionsgeschwindigkeitskonstante und wird wie r selbst in mol / Liter x Sekunde angegeben.

Die Bildung jedes einzelnen Moleküls R/B erfordert den Zusammenstoß eines Nucleophils B/ mit einem Substrat-Molekül R/X. Verdopplung der Konzentration beider Edukte vervierfacht die Wahrscheinlichkeit für einen Zusammenstoß und damit auch die Reaktionsgeschwindigkeit. Befindet sich bei einer Solvolyse das Nucleophil in sehr hohem molarem Überschuß gegenüber dem Substrat, so geht nur die Konzentration des Substrats in die Geschwindigkeitsgleichung ein, d. h. die nach SN2 ablaufenden Reaktionen folgen einer Kinetik pseudo-erster Ordnung. dc(Substrat) /""""""""""""""" = k´ dt

rS 2 = N

x c (Substrat)

Stereochemischer Verlauf Betrachtet man den stereochemischen Verlauf der SN2-Reaktion (Abb. 14.2), so ist leicht einzusehen, daß aufgrund sterischer und elektrostatischer Einflüsse das Nucleophil B/ eher von der Rückseite als frontal zum Nucleofug angreifen wird. ̈

R

R BI

f+

+

C R' R"

Nucleophil

Substrat

f/

X

FEA groß

f/

B

C

R f/

X

B

C

+

X

R'

R'

R" R"

Produkt

Nucleofug

Übergangszustand mit elektronischem Ladungsausgleich

Abb. 14.2. Sterischer Verlauf einer SN2-Reaktion

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14.2 Mechanismen

201

Die kinetische Analyse der alkalischen Hydrolyse von Halogenalkanen zu Alkoholen ergab z. B., daß die Bildung von Methanol aus Brommethan nach 2. Ordnung verläuft (SN2-Mechanismus, Abb. 14.3). H H H HO

f+

+

C

f/

f/

Br

HO

H

f/

C

H Hydroxid

H

H Br

HO

C

+

Br

H

H

Brommethan

Methanol

Bromid

Übergangszustand

Abb. 14.3. Alkalische Hydrolyse von Brommethan

Ein Angriff des Nucleophils von der Seite der austretenden Gruppe X wäre wegen der elektrostatischen Abstoßung energetisch ungünstiger. Da somit im Übergangszustand die Konfiguration invertiert (Abb. 14.2), wird die SN2-Reaktion stereospezifisch unter Inversion der Konfiguration verlaufen (WALDEN-Inversion, Abschn. 17.10.1). Umlagerungen des Kohlenstoff-Skeletts werden bei den synchron verlaufenden SN2-Reaktionen nicht beobachtet.

14.2.2

Monomolekularer Mechanismus SN1

Die monomolekulare nucleophile Substitution (SN1) verläuft nach dem in Abb 14.4 gezeichneten Energiediagramm in zwei Schritten: Im ersten Reaktionsschritt bildet sich durch Austritt der Gruppe X unter Mitwirkung der Lösemittelmoleküle ein Carbenium-Ion; der zweite Schritt ist eine schnelle Ionen-Reaktion des elektronenreichen Nucleophils B/ mit dem elektronenarmen, planaren Carbenium-Ion zum Produkt R/B. Epot

R

X

Übergangszustand 1

R

B

Übergangszustand 2

FEA R

(solvatisiert)

+ X + B R

X

FH R

R

X

R Schritt 1

+ X

R

+ B

B R

B

Reaktionskoordinate

Schritt 2

Abb. 14.4. Energiediagramm der SN1-Reaktion

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202

14 Nucleophile Substitution an Aliphaten

Kinetik Der geschwindigkeitsbestimmende Schritt einer SN1-Reaktion ist die Bildung des CarbeniumIons. Somit hängt die Reaktionsgeschwindigkeit allein von der Substratkonzentration ab. ̈

dc(Substrat) /""""""""""""""" = k dt

r = SN1

x c(Substrat)

Dieser Substitutionstyp folgt demnach einer Kinetik erster Ordnung; die Änderung der Konzentration des Nucleophils hat keinen Einfluß auf die Geschwindigkeit. Die Bildung von t-Butylalkohol aus t-Butylbromid folgt z. B. einer Kinetik 1. Ordnung (SN1-Mechanismus, Abb. 14.5).

H 3C H 3C

2. Schritt schnelle Ionenreaktion

1. Schritt langsame Dissoziation

f+

C

/ Br

f/

/

- OH

/

(H 3C)3C OH

Br

H 3C 2-Methyl-2-propanol t-Butylalkohol

2-Brom-2-methylpropan t-Butylbromid C a r b e n i u m -I o n positive Ladung auf vakantem p-Orbital

Abb. 14.5. Alkalische Hydrolyse von t-Butylbromid

Eindeutige Ergebnisse sind bei kinetischen Analysen keineswegs die Regel, da bei einer Reaktion oft mehrere Mechanismen konkurrieren können. In solchen Fällen trägt die systematische Variation der Reaktionsbedingungen (Temperatur, Lösemittel, Konzentration der Edukte) zur Klärung der Reaktionsordnung bei. ̈ Stereochemischer Verlauf Geschwindigkeitsbestimmend bei SN1-Reaktionen ist die mit hoher Aktivierungsenergie FEA ablaufende Bildung des Carbenium-Ions (Abb. 14.4, 14.5). Wäre der nachfolgende Angriff des Nucleophils B/ an beiden freien Seiten des Carbenium-Ions gleich wahrscheinlich, so hätte die Substitution vollständige Racemisierung zur Folge (Inversion und Retention der Konfiguration, Abb. 14.6, Abschn. 17.10.1). Dies trifft im Experiment nicht immer zu.

2. Schritt schnelle Ionen-Reaktion von Nucleophil und Carbenium-Ion nicht geschwindigkeitsbestimmend

1. Schritt: Bildung des Carbenium-Ions geschwindigkeitsbestimmend R" R"

R" R'

R'

R"

R'

langsam

C R Substrat

schnell

+

X

R'

X

C

+ IB R Carbenium-Ion (solvatisiert)

Nucleofug

R"

R'

R

R Retention

B und / oder B

C R Inversion

Abb. 14.6. Sterischer Verlauf einer SN1-Reaktion

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14.3 Struktur und Reaktivität

203

Bei Substitutionen an Cycloalkanen ist der sterische Verlauf aufgrund der fixierten Geometrie dieser Verbindungen besonders leicht zu verfolgen, da Inversionen dort auch cis-trans-Konfigurationswechsel auslösen. So führt die nucleophile Substitution des cis-1-Chlor-3-ethylcyclopentans durch Hydroxid unter vollständiger Inversion der Konfiguration am substituierten CAtom zum trans-3-Ethylcyclopentanol. Demnach fand eine SN2-Reaktion statt; ein SN1Mechanismus hätte cis- und trans-3-Ethylcyclopentanol hervorgebracht. H HO

H

SN2 , vollständige Inversion

+ Cl C2H 5 cis-1-Chlor-3-ethylcyclopentan

HO

H

+ H C2H 5 trans-3-Ethylcyclopentanol

Cl

14.3 Struktur und Reaktivität 14.3.1

Effekte der Alkyl-Gruppen

Die Reaktivität von Alkyl-Verbindungen gegenüber einem bestimmten Nucleophil hängt stark von der Art der Alkyl-Gruppe ab. Bei den SN2-Reaktionen verläuft der rückwärtige Angriff des Nucleophils erwartungsgemäß am besten bei primären Halogenalkanen. Zunehmende Häufung von Alkyl-Gruppen an C-c hemmt die Neigung des Substrats zur SN2-Reaktion. Dagegen sinkt die Tendenz zur SN1-Substitution mit abnehmender Stabilität des intermediären Carbenium-Ions. Zunehmende sterische Behinderung und abnehmende Reaktivität bei SN2: Methyl > primär > sekundär > tertiär >> Vinyl, Aryl Abnehmende Stabilität des Carbenium-Ions und abnehmende Reaktivität bei SN1: tertiär > Benzyl, Allyl >> sekundär > primär > Methyl >> Vinyl, Aryl

Für tertiäre Halogenalkane findet man eine weitere Feinabstufung der Reaktivität in Abhängigkeit von der d-Substitution. Dabei zeigt es sich, daß bei starker Häufung der Alkyl-Substituenten die Bildung des Carbenium-Ions sterische Spannungen abbaut. H 3C CH 2 CH3 H 3C C C Cl

CH3

CH 3 >>

H 3C CH 2 CH 3

H3C CH2 C Cl

>

H3C C Cl CH3

CH 3

Halogen-Atome an Brückenkopfatomen, wie z. B. in Triptycylchlorid oder 1-Chloradamantan, widerstehen der nucleophilen Substitution: wegen der Starrheit dieser Polycyclen kann sich kein planarer Übergangszustand bilden. Cl

Cl Triptycylchlorid

1-Chloradamantan (Adamantylchlorid)

H

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204

14 Nucleophile Substitution an Aliphaten

Bei SN1-Reaktionen sind je nach Substrat alle bereits beschriebenen Umlagerungen durch Hydrid-, Alkyl- oder Allyl-Verschiebungen möglich. Zusätzlich eintretende partielle Inversionen bzw. Racemisierungen komplizieren das Bild.

14.3.2

Effekte der austretenden Gruppe

Beim Vergleich der SN1- und SN2-Reaktivitäten der Substrate R/X mit gleichem Alkyl-Rest und variablem X zeigt sich, daß X umso leichter austritt, je schwächer seine Bindung zum c-C-Atom ist. Das voluminöse Iodid-Ion ist z. B. eine gute Abgangsgruppe; Hydroxid- und Alkoxid-Ionen sind dagegen wegen ihrer starken Cc/O-Bindung schlechte Abgangsgruppen; ihr Austritt aus Alkoholen und Ethern wird durch Protonierung am Sauerstoff wesentlich erleichtert, weil dabei die viel leichter abgehenden Moleküle H2O und ROH vorgebildet werden. Besonders leicht können p-Toluensulfonat (Tosylat), p-Brombenzensulfonat (Brosylat) und Trifluormethylsulfonat (Triflat) ausgetauscht werden. Daher benützt man diese Gruppen häufig als Schutzgruppen sowie zu mechanistischen Untersuchungen. O

O

R S O

H3C

O R F 3C S O

R S O

Br

O Brosylat

O Tosylat

O Triflat

Auch d-Substituenten beeinflussen die Reaktivität erheblich. So nimmt die Reaktionsgeschwindigkeit primärer Halogenalkane mit zunehmender Anzahl d-ständiger Alkyl-Gruppen ab: CH 3

CH3 H 3C CH 2 Br

>

H2C CH2 Br

>

CH 3

HC CH 2

Br

>>

H 3C C CH2

CH 3

Br

CH 3

Der SN1-Mechanismus ist gegen elektronische Einflüsse viel sensibler als gegen sterische. Ionisierungen nach SN1 werden demnach überwiegend durch induktive und mesomere Effekte beeinflußt. Wenn diese Effekte die Elektronendichte am c-Kohlenstoff erhöhen, und so das intermediäre Carbenium-Ion stabilisieren, erleichtern sie die Abdissoziation der austretenden Gruppe. Mit abnehmender Basizität am Heteroatom der CX-Bildung beobachtet man eine zunehmende Reaktivität gegenüber Nucleophilen: O F 3C S O O

O > Br

O

S O

> H 3C

S O

O O H3C C O

> I

> Br

> Cl

> F

>

O >

R 3N

>

R O

>

H O

>

H 2N

In derselben Reihenfolge nimmt die Stärke der korrespondierenden Säuren ab: Trifluormethansulfonsäure > p-Toluensulfonsäure > HI > HBr > HCl > HF >CH3COOH > R/OH > R/NH2

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14.3 Struktur und Reaktivität

205

SN1-Reaktionen werden durch LEWIS-Säuren beschleunigt. Dabei erzeugt man durch Komplexbildung am austretenden Halogenid mit Ag+ oder Hg2+ bzw. SnCl4 einen zusätzlichen Elektronenzug. langsam

schnell

R Cl

14.3.3

+

Ag

[ R Cl

Ag ]

+ OH

/

[R ]

/ AgCl

R OH

Nucleophilie

Nucleophilie ist ein Ausdruck für die Fähigkeit eines Nucleophils zur Koordination mit einem elektronenarmen Atom. Dabei stellt das Nucleophil ein Elektronenpaar für die neue Bindung zur Verfügung. In Wasser, Ethanol und wäßrig-organischen Lösemitteln findet man folgende annähernde Reihung der Nucleophilie: SH .""CN > I

O > CO32 > N3 " > Br > Cl

NH 2 > OH >

> SCN >

>

SO3

I

Halogenide :

RSe

Chalcoxide :

>

Br

> RS

>

Cl

>

Br

> H3C/CO2 >

SO3

> H 2O > ClO4

O2N

NH2

F

> RO , HSe

> HS

> HO

R 2Se > R2S > R2O

Ether : Amine :

H 2N

NH2 ,

> H 3N >

N

>

Jedoch gilt diese Reihenfolge nicht allgemein. So kehrt sie sich für die Halogenide in Dimethylformamid als Lösemittel um: Cl/ > Br/ > I/ (Abschn. 14.3.4). Carbanionen mit ihrem nicht-bindenden Elektronenpaar am C-Atom sind ausgesprochen starke Nucleophile: IC NI

,

IC CH

,

IC C R

,

ICH2 CO2CH 3

Sie sind stärker nucleophil als Amid-, Alkoxid- oder Fluorid-Anionen: R3C/ > R2N/ > RO/ > F/. Auch das Hydrid-Anion H/, das z. B. durch LiAlH4 bereitgestellt wird, ist stark nucleophil. Dagegen hängt die Geschwindigkeit von SN2-Reaktionen sehr stark von der Art des eintretenden Substituenten ab. Ein Vergleich verschiedener Nucleophile gegenüber einem Halogenalkan zeigt, daß die Reaktivitäten nicht immer mit den Basizitäten gegenüber Protonen einhergehen. Sehr schwache Basen wie I/ sind nach dem HSAB-Prinzip (Abschn. 13.4.1) gegenüber schwachen Elektrophilen durchaus wirksame Nucleophile. Nucleophile gleicher Basenstärke reagieren im SN2-Mechanismus langsamer, wenn sie sterisch behindert sind. Infolge der Inversion am Stickstoff ist Triethylamin ein schwächeres Nucleophil als das starre Amin Chinuclidin. H 5C2

H NI

H5C 2

NI

H5C 2 Chinuclidin

C2H 5 IN

C 2H 5

C 2H5

Triethylamin : Inversion am N-Atom

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206

14.3.4

14 Nucleophile Substitution an Aliphaten

Lösemittelabhängigkeit

SN1- und SN2-Reaktionen hängen von der Lösemittelpolarität ab. SN1-Reaktionsgeschwindigkeiten spiegeln die Bildungstendenz des Carbokations wider. Die Ionisierung von R/X zu R+ + X/ hängt nicht nur von R/X selbst, sondern vor allem von der Fähigkeit des Lösemittels zur Solvatation der Ionen ab. Polare Lösemittel besitzen eine hohe Dielektrizitätskonstante g. Freie Elektronenpaare und protische Gruppen befähigen sie zur Solvatation. Polare Lösemittel erleichtern die SN1-Reaktion, weil sie die Trennung entgegengesetzter Ladungen durch Ausbildung von Solvathüllen um Carbenium- und Abgangs-Ion fördern. Die Geschwindigkeiten von SN1-Reaktionen nehmen demnach mit der Polarität des Lösemittels zu. Ausnahmen sind die SN1-Reaktionen von Onium-Ionen, z. B. Sulfonium-Ionen; sie verlaufen in polaren Lösemitteln langsamer: R3S

[R ]

+

R2S

Bei SN2-Reaktionen in ausgesprochenen polaren Lösemitteln sind Nucleophil und austretende Gruppe besonders stark solvatisiert und so voneinander abgeschirmt, also weniger reaktiv. Dadurch erhöht sich die Aktivierungsenergie. Zudem wird ein SN2-Übergangszustand aufgrund seiner verteilten Ladung in polaren Lösemitteln wenig stabilisiert. Die Geschwindigkeit typischer SN2-Reaktionen nimmt also mit steigender Lösemittelpolarität ab. Allgemein nimmt die Nucleophilie eines Nucleophils wie X/ oder OH/ mit abnehmender Solvatisierung zu. Kleinere nucleophile Ionen sind stärker solvatisiert als größere; die Zerstörung ihrer Solvathülle erfordert mehr Energie. Daher nimmt in protischen Lösemitteln (Wasser, Ethanol) die Nucleophilie vom Iodid zum Fluorid ab, weil das voluminöse Iodid die schwächste Hydrathülle besitzt. Umgkehrt ist in aprotischen Lösemitteln (Aceton, Dioxan, Dimethylformamid, abgek. DMF) Chlorid stärker nucleophil als Bromid und Iodid. Einige einfache Beispiele zeigen dies: in CH3OH : langsam

Cl

+

H 3C I

in DMF : sehr schnell

+

I

(H3C)3C OH +

X

H3C Cl

in H2O / C2H5OH : SN1

(H 3C)3C X

+

OH

+

OH

in CH3CO2CH3 : SN 2

in H2O / C2H5OH : SN2

H3C X

in HCO2H : SN 1

H 3C OH

+

X

Als Lösemittel für nucleophile Substitutionen bewähren sich a) protische Lösemittel mit hohem g: Ammoniak, Wasser, Alkohole, Carbonsäuren; b) aprotische Lösemittel mit hohem g: Schwefeldioxid, Dimethylsulfoxid, Dimethylformamid, Aceton, Acetonitril, Sulfolan, Nitrobenzen; c) Mischungen von Wasser mit Alkoholen, Aceton, Dioxan, Dimethylformamid.

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14.3 Struktur und Reaktivität

207

Aprotische Lösemittel mit niedrigem g wie Alkane, Benzen oder Tetrachlormethan eignen sich schlecht als Medien für Substitutionen. Jedoch laufen auch in Tetrachlormethan oder Benzen nucleophile Substitutionen erstaunlich rasch ab, wenn man als Nucleophil Fluorid-Ionen in Form von KF oder Hydroxid als KOH einsetzt, und diese normalerweise in organischen Lösemitteln unlöslichen Verbindungen durch Zusatz von Kalium-spezifischen Komplexbildnern wie Kronenethern in Lösung bringt. Die dadurch bedingte Schwächung der interionischen Kräfte erzeugt äusserst reaktive, nicht durch Solvathüllen behinderte ("nackte") Anionen. KF (unlöslich in Chlorof orm) + Kronenether

[Kronenether-K]

+

F

KMnO4 (unlöslich in Benzen) + Kronenether

[Kronenether-K]

+

MnO4 """"""(v iolette Lösung)

O O

O O

O

O K

O

(klare Lösung)

O

O

O [18]-Krone-6

X O

O [18]-Krone-6-Kalium-Komplex mit "nacktem" Anion X

Zur Durchführung nucleophiler Substitutionen mit wasserlöslichen Nucleophilen in ZweiphasenReaktionen eignen sich Tetraalkylammonium-Salze als Katalysatoren. Durch ihre positive Ladung und den langen, lipophilen Alkyl-Rest transportieren sie Anionen aus der wäßrigen in eine lipophile Phase, wo diese als Nucleophile mit Substraten reagieren können (PhasentransferKatalyse). Die Alkyl-Reste (>C4) am Ammonium-Stickstoff verhindern dabei störende KationenAnionen-Wechselwirkungen.

14.3.5

SN1- und SN2-Reaktionen in Konkurrenz

Primäre, sekundäre und tertiäre Halogenalkane zeigen gegensinnige SN1- und SN2-Reaktivitäten: primäre (1°)

sekundäre (2°)

tertiäre (3°) Halogenalkane

Zunahme der SN1-Tendenz Abnahme der SN2-Tendenz

Sekundäre Halogenalkane reagieren im allgemeinen nach beiden Mechanismen, tertiäre überwiegend nach SN1 und primäre bevorzugt nach SN2. Durch Auswahl geeigneter Reaktionsbedingungen läßt sich ein SN1- oder SN2-Mechanismus begünstigen. Dies kann bei einer Syntheseplanung nützen, wenn im speziellen Fall Umlagerungen, Inversionen, Retentionen, Racemisierungen oder Eliminierungen zu verhindern oder erwünscht sind. SN2-Reaktionen werden begünstigt durch hohe Konzentration des Nucleophils, starke Nucleophilie und Lösemittel geringer Polarität. SN1-Reaktionen werden dagegen begünstigt durch geringe Konzentration des Nucleophils, schwache Nucleophilie und hohe Lösemittelpolarität.

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208

14 Nucleophile Substitution an Aliphaten

Auch Salze wirken auf die Reaktionsgeschwindigkeit. Ein positiver Salzeffekt wird z. B. bei der Hydrolyse von t-Butylbromid in wäßrigem Aceton nach Zusatz von Natriumperchlorat beobachtet. In diesem Lösemittel hoher Dielektrizitätskonstante nimmt die Reaktionsgeschwindigkeit mit zunehmender Ionenstärke zu.

14.4 Spezielle Substitutionsmechanismen 14.4.1

Substitutionen an Allyl-Verbindungen

Sowohl bei SN1- als auch bei SN2-Reaktionen sind Allyl- und Propargyl- sowie Benzylhalogenide wesentlich reaktiver als gesättigte Halogenalkane. Ein Grund ist die Mesomerie dieser Verbindungen, welche die Aktivierungsenergie für Substitutionen nach SN1 und SN2 senkt. Wie die Hydrolyse des Allylchlorids als Beispiel zeigt, ist bei SN1 das intermediär entstehende Allyl-Kation mesomeriestabilisiert, und bei SN2 bewirkt der Übergangszustand eine energetisch günstige Ladungsverteilung. mesomeriestabilisiertes Allyl-Kation

H 2C CH CH 2

SN1 / Cl

/

H 2C CH CH 2 H2C CH CH 2 OH

H2C CH CH 2 Cl Allylchlorid (1-Chlor-2-propen)

- OH

Allylalkohol (2-Propen-1-ol)

f/Cl

/

H 2C CH CH 2

SN2

f/OH Übergangszustand mit verteilter Ladung

Wird der normale Ablauf einer Substitution durch sterische Hinderung am allylischen C-Atom gestört, so findet stattdessen oder konkurrierend eine "SN2'-Reaktion" am zugänglicheren terminalen C-Atom der Doppelbindung statt: SN2' : / Cl

SN2'

(H 5C2)2NI

+

1-(N,N-Diethylammonium)-2-buten

/

(H5C 2)2N CH2 CH CH CH 3 H

CH3

H 2C CH C Cl

H SN2

H SN2 : / Cl

(H5C 2)2N CH CH CH2

/

H CH3 3-(N,N-Diethylamino)-1-buten

Bei der Solvolyse von c,c-Dimethylallylchlorid beobachtet man keinen normalen SN1-Mechanismus, da neben Solvolyseprodukten auch i,i-Dimethylallylchlorid gefunden wird. Hier ereignet sich offensichtlich eine intramolekulare Allyl-Isomerisierung unter "innerer Rückkehr": Cl H 2C CH C CH3 i

d

c

CH3 3-Chlor-3-methyl-1-buten (c.c-Dimethylallylchlorid)

in H2O / C2H5OH oder CH3CO2H

H 2C

Cl "innere Rückkehr"

HC

C CH3

CH3 Übergangszustand mit verteilter Ladung zwischen Allyl-Kation und Chlorid-Anion

Cl

CH 3 CH 2 CH C i c d CH 3

1-Chlor-3-methyl-2-buten

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14.4

Spezielle Substitutionsmechanismen

14.4.2

209

SNi-Mechanismus

Bei der Darstellung von Chloralkanen durch nucleophile Substitution der Alkohole mit Thionylchlorid wird ein SNi-Mechanismus diskutiert. Diese Substitution führt im wenig polaren aprotischen Lösemittel 1,4-Dioxan unter Retention der Konfiguration zum Chloralkan. In Pyridin beobachtet man dagegen Inversion nach dem üblichen SN2-Mechanismus. R'

R"

O O

C

+

Cl

Cl

H

R

S

/ HCl

R ' R"

SNi , in Dioxan

R'

R" C R

Cl S O O

R' C

/"SO2 , Retention

R" Cl

14.4.3

R" C

Cl

R

R

SN2 , in Pyridin / SO2 , Inversion

Cl

R'

C R

Reaktivität von Vinyl- und Alkinyl-Verbindungen

Reaktionsträge zeigen sich Halogenalkene (R/CH=CH/X) und Halogenalkine (R/C»C/X) bei SN1- und SN2-Reaktionen. Aufgrund der elektronenanziehenden Wirkung sp2- und sp-hybridisierter C-Atome erhöht sich zwar die CH-Acidität; andererseits ist die Ausbildung von Übergangszuständen mit partieller positiver Ladung am Kohlenstoff sehr erschwert. Aus demselben Grund zeigen sich auch nicht weiter substituierte (aktivierte) Halogenaromaten gegenüber den meisten Nucleophilen wenig reaktiv. Metallorganische Nucleophile reagieren dagegen mit Halogenalkenen, Halogenalkinen und Halogenaromaten unter milden Bedingungen, teilweise in Gegenwart von Pd(0)-Katalysatoren (Abschn. 13.4.4).

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210

15 Alkohole und Glykole

15 Alkohole und Glykole 15.1 Klassifizierung der Alkohole Ersetzt man ein H-Atom eines Alkans durch eine Hydroxy-Gruppe, so entsteht formal ein Alkohol. Alkohole lassen sich also durch die allgemeine Formel R/OH beschreiben. Dabei ist R eine Alkyl- oder Cycloalkyl-Gruppe. Sitzt die Hydroxy-Gruppe am Benzen-Ring, so handelt es sich um ein Phenol; ist sie mit einem Alken-C-Atom verknüpft, so spricht man von einem Enol. Phenole und Enole zeigen andere Eigenschaften als Alkohole und werden daher getrennt besprochen. CH2 OH

H3C CH2 OH

H

H

H C C

OH H

H2C CH CH 2 OH

H

O

OH

Enol (-Form des Acetaldehyds)

Alkohole

OH

OH

H3C C

Phenole

Man unterscheidet primäre, sekundäre und tertiäre Alkohole, je nachdem, ob eine, zwei oder drei Alkyl-Gruppen mit dem C-Atom verknüpft sind, das die Hydroxy-Gruppe trägt: H 3C CH 2 CH2 CH2 OH

oder

R CH2 OH

H3C CH2 CH OH CH 3

oder

R CH OH

CH3

sekundärer Alkohol (2°)

R'

CH3 H3C C OH

primärer Alkohol (3°)

R" oder

R C OH

tertiärer Alkohol (3°)

R'

Alkohole mit zwei, drei oder mehr Hydroxy-Gruppen bezeichnet man als Di-, Tri- bzw. Polyole: HO CH 2 CH2 OH

H3C CH CH 2 OH

HO CH2 CH2 CH 2 OH

OH Diole

HO CH2 CH CH 2 OH OH T r i o l (Glycerol)

15.2 Nomenklatur Die IUPAC-Bezeichnung eines Alkohols folgt aus der längstmöglichen, die Hydroxy-Gruppe tragenden Kohlenwasserstoff-Kette. Dabei wird die Endung "ol" an die IUPAC-Bezeichnung des entsprechenden Alkans, Alkens oder Alkins gesetzt und die Stellung der OH-Gruppe in der Kette durch die kleinstmögliche arabische Ziffer gekennzeichnet, z. B.: OH H 3C CH 2 CH2 CH2 CH 3 Pentan

H 3C CH 2 CH2 CH 2 CH 2 OH 1-Pentanol

H3C CH2 CH2 CH CH3 2-Pentanol

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15.3 Struktur und thermodynamische Eigenschaften

211

Analog benennt man Cycloalkanole und Bicycloalkanole, z. B.: OH OH Cyclohexan

Cyclohexanol

Bicyclo[2.2.1]heptan

Bicyclo[2.2.1]heptan-2-ol

Bei verzweigten und ungesättigten Alkoholen sowie Cycloalkanolen hat die kleinstmögliche Bezifferung der Stellung einer OH-Gruppe Vorrang gegenüber Alkyl-Gruppen und Mehrfachbindungen, z. B.: 5

4

3

2

1

5

H3C CH CH 2 CH CH 3 CH3 OH 4-Methyl-2-pentanol (nicht 2-Methyl-4-pentanol)

4

3

2

1

H2C CH CH 2 CH CH 3 OH 4-Penten-2-ol (nicht 1-Penten-4-ol)

5

4

3

2

1

H3C C C CH CH3 OH 3-Pentin-2-ol

H3C

3

OH

1

cis-3-Methylcyclohexanol (nicht cis-1-Methylcyclohexan-3-ol)

(nicht 2-Pentin-4-ol)

Enthält ein Alkohol zwei oder drei OH-Gruppen, so wird die Nachsilbe -ol durch -diol bzw. -triol ersetzt, z. B.: HO CH 2 CH CH2 OH OH 1,2,3-Propantriol (Glycerol)

H 3C CH CH 2 CH 2 OH OH 1,3-Butandiol

H3C CH CH CH 2 OH OH OH 1,2,3-Butantriol

Anstelle der Alkanol-Bezeichnung nach IUPAC kann man auch von Alkylalkoholen sprechen. Man beginnt dabei mit der Bezeichnung der Alkyl-Gruppe, an welche die OH-Gruppe geknüpft ist, und fügt "...alkohol" hinzu:

CH3 H3C CH CH 3 OH

i-Propylalkohol

H3C C OH CH3

t-Butylalkohol

CH 3 H 3C C CH 2 OH

C OH

CH 2 OH

CH 3

neo-Pentylalkohol

Benzylalkohol

Triphenylcarbinol

Schließlich können Alkohole formal auch als Methanol- = Carbinol-Derivate betrachtet werden. Hierbei fängt die Bezeichnung mit Anzahl (Di-, Tri-) und Art der Alkyl-Gruppen an, welche die Wasserstoff-Atome des Methanols ersetzen, und endet mit dem Wort "...carbinol". Triphenylcarbinol ist demnach ein Synonym für Triphenylmethanol.

15.3 Struktur und thermodynamische Eigenschaften Der aus spektroskopischen Daten zugänglichen Geometrie des Methanol-Moleküls (Abb. 15.1) entnimmt man einen C/O/H-Bindungswinkel von 107°. Demnach wird der Bindungszustand des

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212

15 Alkohole und Glykole

Methanols am besten durch ein sp3-hybridisiertes Sauerstoff-Atom erklärt, um das sich H, CH3 und die n-Elektronenpaare tetraedrisch gruppieren (Abb. 1.24, Ersatz von einem H durch CH3). 143 pm 92 pm

O 107°

f/"/

CH 3

f-

O

CH 3

f- H

H

Abb. 15.1. Geometrie und Polarität des Methanol-Moleküls

Aufgrund der hohen Elektronegativität des Sauerstoffs und dessen kleinem Atomvolumen sind die CO- und besonders die OH-Bindungen von Alkoholen stark polarisiert [(/)-I-Effekt, Abb. 15.1] . Das Wasserstoff-Atom einer Hydroxy-Gruppe ist demnach positiviert, so daß es elektronisch durch das negativ polarisierte Sauerstoff-Atom eines benachbarten Alkohol-Moleküls angezogen wird: Es bilden sich Wasserstoffbrücken (Abb. 15.2) mit einer "Bindungsenergie" von etwa 21 kJ / mol. Alkohole liegen also assoziiert vor, zumindest im flüssigen Zustand. R

R H O

O H

H O

O H

R

R

Abb. 15.2. Wasserstoffbrücken-Bindung der Alkohole

Beim Übergang vom flüssigen in den Dampfzustand muß daher zusätzlich Energie aufgebracht werden, um die Wasserstoffbrücken zu brechen. Alkohole zeigen infolgedessen im Vergleich zu den Alkanen, Halogenalkanen und den Ethern sehr hohe Siedepunkte (Beispiele: Dimethylether, H3C/O/CH3: Sdp. /24 °C bei 1011 mbar; Ethanol, H3C/CH2/OH : Sdp. 78.2 °C bei 1011 mbar). Selbst im Dampfzustand können die Alkohol-Moleküle noch etwas assoziieren, so daß man erhebliche Abweichungen vom idealen Gasverhalten findet. Da geradkettige Moleküle eine größere Oberfläche haben und somit stärker wechselwirken können als kugelförmige, zeigen unverzweigte Alkohole etwas höhere Siedepunkte als ihre verzweigten Isomeren: 1-Butanol 2-Methyl-1-propanol

H3C CH2 CH 2 CH2 OH

Sdp. 118 °C (1011 mbar)

H 3C CH CH 2 OH

Sdp. 108 °C (1011 mbar)

CH3

Die gute Wasserlöslichkeit der kürzerkettigen Alkohole (bis Butanol, Tab. 15.1) beruht im wesentlichen darauf, daß die Wasser- und Alkohol-Moleküle auch untereinander Wasserstoffbrücken bilden können. Wird die Alkyl-Gruppe eines Alkohols zu voluminös, so kann sie die Wasserstoffbrücken-Bindung sterisch behindern. Der Siedepunkt dieses Alkohols liegt dann tiefer. Seine Löslichkeit in Wasser nimmt ab, abgesehen davon, daß höhere Alkohole mehr alkanartige Eigenschaften zeigen, also hydrophob sind.

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15.3 Struktur und thermodynamische Eigenschaften

213

Nomenklatur und Eigenschaften ausgewählter Alkohole sind in Tab. 15.1 zusammengestellt. Tab. 15.1. Nomenklatur und Eigenschaften einiger Alkohole Klasse

aliphatisch gesättigt

primär

Konstitutionsformel

IUPACBezeichnung

Trivialname -alkohol

H3C OH

Methanol

Methyl-

/ 97

64.5

unbegrenzt

H3C CH 2 OH H3C CH2 CH2 OH H3C [CH2] 2 CH 2 OH

Ethanol 1-Propanol

Ethyln-Propyl-

/ 115 / 126

78.2 97

unbegrenzt unbegrenzt

1-Butanol

n-Butyl-

/ 90

118

7.9

H3C

[CH2] 3 CH 2 OH

1-Pentanol

n-Amyl-

/ 78.5

138

2.3

H3C

[CH2] 4 CH 2 OH [CH2] 5 CH 2 OH

1-Hexanol

n-Hexyl-

/ 52

156

0.6

1-Heptanol

n-Heptyl-

/ 34

176

0.2

[CH2] 6 CH 2 OH [CH2] 8 CH 2 OH

1-Octanol

n-Octyl-

195

0.05

1-Decanol

n-Decyl-

/ 15 6

288

unlöslich

2-Propanol

i-Propyl

/" 86

82.5

2-Butanol

sec-Butyl-

/ 114

99.5

Cyclopentanol

Cyclopentyl-

/ 19

140

gut

Cyclohexanol

Cyclohexyl-

24

161

5.7

2-Methyl2-propanol

t-Butyl-

25.5

2-Methyl2-butanol

t-Pentyl-

/ 12

H2C CH CH 2 OH

2-Propen-1-ol

Allyl-

/ 129

H3C CH CH CH 2 OH

2-Buten-1-ol

Crotyl- (trans-)

CH2 OH

Phenylmethanol

Benzyl-

CH

Diphenylmethanol

Triphenylmethanol

H3C H3C H3C sekundär

H3C CH CH 3 OH H3C CH2 CH CH 3 OH H OH OH

Schmelzpunkt Siedepunkt °C °C (1011 mbar)

Löslichkeit g/100g H2O

unbegrenzt 12.5

H CH3 tertiär

H3C C OH CH3 CH3 H3C CH2 C OH

83

102

unbegrenzt

12.5

CH3 aliphatisch ungesättigt primär aliphatischaromatisch primär sekundär

97

unbegrenzt

118

16.6

/ 15

205

4

Benzhydrol (Diphenylcarbinol)

69

298

0.05

Triphenylcarbinol

162.5

OH

tertiär

C

unlöslich

OH 1,2-Diole

HO CH2 CH2 OH

1,2-Ethandiol

Ethylenglykol

/ 17

197

unbegrenzt

H3C CH CH 2 OH

1,2-Propandiol

Propylenglykol

/ 59

188

unbegrenzt

1,2,3-Propantriol

Glycerol

18

290

unbegrenzt

OH 1,2,3-Triole

HO CH2 CH CH 2 OH OH

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214

15 Alkohole und Glykole

15.4 Darstellung von Alkoholen 15.4.1

Technische Synthesen von Methanol und Ethanol

Methanol wird technisch aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff bei hohen Temperaturen und Drükken in Gegenwart von Übergangsmetalloxiden als Katalysatoren hergestellt: CO

+

2 H2

ZnO / Cr 2O3 , Hitze, Druck

H3C OH

Methanol ist ein wichtiges Lösemittel und Zwischenprodukt für organische Synthesen. Sein Genuß sowie das längere Einatmen seiner Dämpfe (Sdp. 64.5 °C bei 1011 mbar) kann zur Erblindung führen. Ethanol wird in großem Maßstab durch katalytische Hydratisierung von Ethin zu Acetaldehyd (Abschn. 7.5.3) und dessen katalytische Hydrierung hergestellt: O

HgSO4

H C C H

+

H2O

+ H2 / RANEY-Ni

H3C C

H 3C CH 2 OH

H Ethanal

Ethanol

Wie Methanol findet Ethanol als Lösemittel (Sdp. 78.2 °C bei 1011 mbar) und Ausgangsprodukt für organische Synthesen verbreitete Anwendung. Darüberhinaus ist Ethanol der berauschende Bestandteil alkoholischer Getränke.

15.4.2

Ethanol durch alkoholische Gärung

Bei der alkoholischen Gärung vergärbarer Zucker, z. B. der Glucose, in Gegenwart von Hefepilzen entsteht Ethanol, wie eine sehr vereinfachte Bruttogleichung zeigt: Hefe

C6H 12O6 Glucose

2 C 2H5OH Ethanol

+

2 CO2

Nicht nur Früchte können zu Weinen und Weinbrand-Rohprodukten vergoren werden. Auch die in Getreide und Kartoffeln gespeicherten Kohlenhydrate, z. B. die Stärke, lassen sich enzymatisch zu vergärbarer Glucose abbauen. Darauf beruht die Herstellung von Bieren aus Gerste und Hopfen, sowie die Vergärung von Getreide und Kartoffeln und die anschließende Destillation zu Gin, Whisky oder Wodka mit Ethanol-Gehalten zwischen 35 und 55 %. Übermäßiger Konsum alkoholischer Getränke führt zur lebensgefährlichen Alkoholintoxikation.

15.4.3

Hydratisierung von Alkenen

Bei der Hydratisierung von Alkenen durch wäßrige Säuren addiert Wasser an ein durch Protonierung entstandenes Carbenium-Ion. Deprotonierung des Oxonium-Ions führt zum Alkohol. + [H+]

C C

H Alken

/ [H+]

+ H2O

C C Carbenium-Ion

C C

C C

H2O H Oxonium-Ion

HO H Alkohol

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15.4

Darstellung von Alkoholen

215

Durch säurekatalysierte Hydratisierung des 2-Methylpropens kann sich z. B. 2-Methyl-2-propanol (Weg 1) oder 2-Methyl-1-propanol (Weg 2) bilden:

H 3C

Weg 1

OH 2

+ H2O

H 3C

H 3C C CH 2

+

/ [H+]

H 3C C CH 3

C CH 3

2-Methyl-2-propanol (t-Butylalkohol) OH H 3C C CH 3

CH 3

CH 3

[H ]

H 3C H 3C

H CH C H 3C H

Weg 2

2-Methylpropen (Isobutylen)

+ H2O

H 3C

/ [H+]

H 3C CH CH 2 OH

CH CH 2 OH 2 H 3C

H 3C 2-Methyl-1-propanol

Da Weg 1 über das stabilere t-Butyl-Kation verläuft (MARKOWNIKOFF-Regel), führt die Hydratisierung des 2-Methylpropens regioselektiv zu 2-Methyl-2-propanol (t-Butylalkohol). Die Hydratisierung von Alkenen läßt sich auch mit Schwefelsäure durchführen, wobei als Zwischenprodukte Alkylhydrogensulfate auftreten, deren Hydrolyse die Alkohole ergibt. Auf diese Weise kann Ethanol aus Ethen, 2-Propanol aus Propen hergestellt werden. Infolge der MARKOWNIKOFF-Regel führt die Hydratisierung des Propens mit Schwefelsäure bevorzugt zum 2-Propanol (Weg 1). Weg 1

+ H2O

H3C CH CH 3

H3C CH CH2 Propen

OSO3H i-Propylhydrogensulfat

+ H 2SO4

OH 2-Propanol

+ H2O

Weg 2

H 3C CH 2 CH2 OSO3H n-Propylhydrogensulfat

15.4.4

H3C CH CH 3

/ H2SO4

H3C CH2 CH 2 OH 1-Propanol

/ H2SO4

Hydroborierung und Oxidation

Alkylborane entstehen allgemein durch Addition von Diboran, B2H6, an Alkene, wobei Diboran als Boran (BH3) reagiert. Diese Hydroborierung verläuft wahrscheinlich über einen VierzentrenMechanismus, wobei elektrophile Addition des Bors und nucleophile Addition von Hydrid gleichzeitig erfolgen: R2C CR2 + H BH 2

+ R2C

R2CH CR 2 BH 2

CR2

+ R2C

(R 2CH CR2

Alkylboran

CR2

)2 BH

(R2CH CR 2

Dialkylboran

)3 B

Trialkylboran

Das zunächst entstandene Alkylboran reagiert mit weiterem Alken zum Trialkylboran. Wasserstoffperoxid oxidiert ein Mol Trialkylboran zu drei Mol Alkohol und einem Mol Borsäure: (R 2CH CR2

)3 B

+

3 H 2O2

3 R 2CH CR2 OH

+

B(OH)3

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216

15 Alkohole und Glykole

Die nucleophile Addition des Bors an Alkene wird durch Alkyl-Gruppen sterisch behindert. Daher führt die Hydroborierung der Alkene und die anschließende Oxidation mit H2O2 im Gegensatz zu der direkten unter MARKOWNIKOFF-Orientierung verlaufenden Hydratisierung von Alkanen regioselektiv zu primären oder sekundären Alkoholen. Während z. B. die direkte Hydratisierung des 2Methylpropens bevorzugt t-Butylalkohol ergibt, führt die Hydroborierung dieses Alkens und die anschließende Oxidation zu 2-Methyl-1-propanol: H 3C H

H 3C sterisch günstig

C CH2 H 3C + H BH2

+ 2 (CH3) 2C

CH2

[(H3C)2CH CH 2

H3C C C H

H 3C

15.4.5

/ B(OH) 3

+ 3 H2O

bevorzugt gegenüber sterisch ungünstig

] 3B

H BH2

3 (H3C)2CH CH 2 OH

C CH2 H 3C + H2B H

2-Methyl-1-propanol

Reduktion von Carbonyl-Verbindungen

Carbonyl-Verbindungen mit der CO-Doppelbindung als funktioneller Gruppe, z. B. Carbonsäureester, Ketone und Aldehyde, werden bei der Reaktion mit komplexen Metallhydriden wie Lithiumaluminiumhydrid (Li+[AlH4]/, meist als LiAlH4 formuliert) durch nucleophile Addition eines Hydrid-Anions an das Carbonyl-C-Atom zu Alkoxiden (Alkoholaten) reduziert. Dabei addiert das Hydrid-Anion nucleophil an die Carbonyl-Doppelbindung: _ C OI _

C O

+

_ C OI _

IH

H Alkoxid-Anion (Alkoholat-Anion)

Carbonyl-Mesomerie

Die Aufnahme eines Protons aus Wasser führt zum Alkohol. _ C OI _

+

H 2O

H

C OH

+

OH

H Alkohol

Primäre Alkohole bilden sich bei der Reduktion von Aldehyden sowie Carbonsäuren oder Carbonsäureestern mit Lithiumaluminiumhydrid in wasserfreiem Ether: O Aldehyd

+

4R C

Li AlH 4

wasserfreier Ether

H

(R CH2 O)4 Al Li + 4""H2O"""""""/ Al(OH) 3 , / LiOH

4 R CH2 OH

/"4 R'OH , / 2 Al(OH) 3 , / 2 LiOH

+ 8 H2O , + LiAlH4

O Carbonsäureester

4R C

+ OR´

Li AlH 4

wasserfreier Ether

primärer Alkohol

H (R C O)4 Al Li OR´

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15.4

Darstellung von Alkoholen

217

Analog entstehen sekundäre Alkohole durch Reduktion von Ketonen mit Lithiumaluminiumhydrid. O 4R C

H

wasserfreier Ether

+

Li AlH4

R´

H

+ 4""H2O

(R C O)4 Al Li

4 R C OH

/ Al(OH) 3 , / LiOH

R´

R´ sekundärer Alkohol

Keton

Der Rest R kann nicht nur eine Alkyl- sondern auch eine Aryl-Gruppe sein. So kann man mit Li+[AlH4]/ 4-Hydroxybenzaldehyd zu 4-Hydroxybenzylalkohol, 4-Hydroxyacetophenon zu 1-(4Hydroxyphenyl)ethanol reduzieren: O C H

HO

Li AlH4

HO

4-Hydroxybenzaldehyd

15.4.6

CH2 OH

O C CH3

HO

4-Hydroxybenzylalkohol

Li AlH4

4-Hydroxyacetophenon

OH HO

CH CH 3

1-(4-Hydroxyphenyl)ethanol

Alkohole aus Carbonyl-Verbindungen und Alkylmagnesiumhalogeniden (GRIGNARD-Verbindungen)

Die nucleophile Addition der carbanionisch polarisierten Alkyl-Gruppe eines Alkylmagnesiumhalogenids (GRIGNARD-Verbindung) führt zum Magnesiumhalogenidalkoholat, dessen Hydrolyse einen Alkohol ergibt: _ C OI _

C O

Carbonyl-Verbindung

+

f/ f--

f/

/

/"Mg 2+ , / X

_ C OI _

R Mg X

+ H2O

R Alkoholat

Alkylmagnesiumhalogenid

/ OH

C OH

/

R Alkohol

Dabei gelingt die gezielte Synthese primärer, sekundärer oder tertiärer Alkohole aus Formaldehyd, einem anderen Aldehyd oder einem Keton, jeweils über die entsprechende Magnesiumhalogenidalkoholat-Zwischenstufe. So führt die Reaktion von i-Propylmagnesiumbromid ̈"mit Formaldehyd zu 2-Methyl-1-propanol (primärer Alkohol), O H C

+ H2O

+ H

H 3C CH MgBr CH 3

CH2 OMgBr CH CH 3 CH3

̈

/ Mg 2+ / / OH / /""Br

CH2 OH CH CH 3 CH3

mit Benzaldehyd zu 2-Methyl-1-phenylpropanol (sekundärer Alkohol), O C H

+ H2O

+

H 3C CH MgBr CH 3

CH OMgBr CH CH 3 CH3

/ Mg 2+ / / OH / /""Br

CH OH CH CH3 CH 3

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218

̈

15 Alkohole und Glykole

und mit Acetophenon zu 3-Methyl-2-phenyl-2-butanol (tertiärer Alkohol). CH3

O C + H 3C CH MgBr CH3 CH 3

C OH

/ Mg 2+ / / OH / /""Br

CH CH 3 CH3

15.4.7

CH 3

+ H2O

C OMgBr

CH CH3 CH 3

Alkohole aus Epoxiden und Alkylmagnesiumhalogeniden

Die nucleophile, ringöffende Substitution des O-Atoms im Oxiran (Epoxid-Ring) durch die AlkylGruppe einer GRIGNARD-Verbindung führt über ein Magnesiumhalogenidalkoholat zum entsprechenden Alkohol: f/ f--

f/

R Mg X

R +

C

C O

R

+ H2O

C C

C C

/ Mg 2+ / / OH / /""X

OMgX

OH

Ethylenoxid verknüpft demnach die 2-Hydroxyethyl-Funktion (/CH2/CH2/OH) mit der AlkylGruppe einer GRIGNARD-Verbindung, z. B.: wasserfreier Ether

H3C CH MgBr

+

CH 3 i-Propylmagnesiumbromid

15.4.8

H2C CH 2 O

+ H2O

H3C CH CH 2 CH 2 OMgBr CH 3

H3C CH CH 2 CH 2 OH

/ Mg 2+ / / OH / /""Br

CH 3 3-Methyl-1-butanol

Hydrolyse von Halogenalkanen

Die nucleophile Substitution des Halogenid-Anions eines Halogenalkans durch Hydroxid kann zu einem Alkohol führen, insbesondere wenn keine Eliminierung zu Alkenen möglich ist, wie bei der einem SN1-Mechanismus folgenden Hydrolyse des Benzylbromids: CH2 Br

+

OH

SN1

CH2 OH

Benzylbromid

+

Br

Benzylalkohol

Dagegen führt die analoge Reaktion bei t-Butylhalogeniden unter Eliminierung zu 2-Methylpropen, CH3 H3C C Cl CH3

/"Cl

/

CH 3 H 3C C

CH 3

/"]H+]

H 2C C CH 3

CH 3 2-Methylpropen

und primäre Halogenalkane reagieren oft träge mit wäßrigen Alkalihydroxiden.

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15.5 Darstellung von 1,2-Diolen

219

15.5 Darstellung von 1,2-Diolen 15.5.1

Dihydroxylierung von Alkenen

Alkene können durch Permanganat (MnO4/) oder Osmiumtetroxid (OsO4) zu Glykolen dihydroxyliert werden. Die Addition von MnO4/ oder OsO4 verläuft von einer Seite über cyclische EsterZwischenstufen, die in wäßrigem Medium das 1,2-Diol ergeben. Infolgedessen führt die Hydroxylierung mit MnO4/ oder OsO4 bei Cycloalkenen zu den cis-1,2-Diolen (cis-Dihydroxylierung, Abschn. 4.5.7), z. B.:

+

OsO4

O O Os O O

OH

/ H2OsO4

cis-1,2-Cyclohexandiolosmiumsäureester

Cyclohexen

OH

+ 2 H2O

cis-1,2-Cyclohexandiol

Die Dihydroxylierung von Alkenen gelingt auch über die Oxirane (Epoxide) und deren säurekatalysierte Hydrolyse. Da die nucleophile Addition des Wassers an das protonierte Oxiran von der "Rückseite" erfolgt, führt diese Dihydroxylierung bei Cycloalkenen zum trans-1,2-Diol (transDihydroxylierung, Abschn. 4.5.8). So führt die Epoxidation (Abschn. 4.5.8, 16.4.3) des Cyclohexens mit einer Peroxycarbonsäure über Cyclohexenoxid (1-Oxabicyclo[4.1.0]heptan) zum trans-1,2-Cyclohexandiol: + H3O+

+ OH2 O Cyclohexenoxid + RCO3H

OH 2 OH

O H + H2O

/ RCO2H

/ H3O+

OH OH trans-1,2-Cyclohexandiol

Cyclohexen

15.5.2

Hydrolyse von Halohydrinen

Halohydrine, welche durch Addition von hypochloriger oder hypobromiger Säure an Alkene entstehen, können mit Hydroxid als Nucleophil in Glykole übergeführt werden: /

+ HOX

R CH CH R ( X = Cl , Br )

Alken (E- oder Z-)

+ HO

R CH CH R X OH Halohydrin

/

/X

R CH CH R OH OH 1,2-Diol

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220

15 Alkohole und Glykole

Die Synthese des Glycerols (Glycerin) aus Propen über Allylchlorid (radikalische Substitution), Allylalkohol (nucleophile Substitution), und Glycerolchlorhydrin (Addition) nutzt im letzten Schritt die Halohydrin-Hydrolyse im technischen Maßstab: Propen

H3C CH CH 2

Glycerol

CH2 CH CH2 OH

500 - 600 °C , + Cl2

"/ HCl

+ OH (NaOH) /

+ OH (NaOH)

CH2 CH CH 2

/ Cl

Cl Allylchlorid (1-Chlor-2-propen)

15.5.3

OH OH

/

/"Cl

/

+ HOCl

CH 2 CH CH 2

/

CH2 CH CH2

OH Allylalkohol (2-Propen-1-ol)

OH OH Cl Glycerolchlorhydrin (3-Chlor-1,2-propandiol)

Bimolekulare Reduktion von Aldehyden und Ketonen

Die Reduktion zweier Moleküle eines Aldehyds oder Ketons mit metallischem Magnesium in Benzen ergibt über ein cyclisches Magnesiumalkoholat symmetrische 1,2-Diole (Pinakole): R

C

R

R' + Mg +

O

C

in Benzen

R'

O

R'

R

R

C C O

R'

R R

+ 2 H2O / Mg(OH) 2

O

R' C C R' HO OH c,d-Diol

Mg

2,3-Dimethyl-2,3-butandiol (Pinakol) wird auf diese Weise aus Aceton dargestellt:

2 H 3C

C

1.) Mg in Benzen 2.) + 2 H2O , / Mg(OH) 2

CH3

H 3C CH 3 H3C

2,3-Dimethyl-2,3-butandiol

C C CH 3 HO OH

O

15.6 Reaktionen der Alkohole 15.6.1

Alkohole als LEWIS-Basen

Infolge der nichtbindenden Elektronenpaare am Sauerstoff-Atom sind Alkohole Protonenakzeptoren (LEWIS-Basen). Sie werden durch Mineralsäuren zu Alkyloxonium-Salzen protoniert: _H R O _

+

[H ]

_H R O

Alkyloxonium-Ion

H

Ethyloxonium-chlorid entsteht z. B. durch Einleiten von Chorwasserstoff-Gas in wasserfreies Ethanol: H3C CH2 OH

+

HCl

H3C CH2 OH 2 Cl

Ethyloxonium-chlorid

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15.6 Reaktionen der Alkohole

221

Die meisten Alkyloxonium-Salze sind nur in wasserfreier Lösung beständig und lassen sich nicht rein isolieren.

15.6.2

Alkohole als Säuren

Gegenüber Alkali- und Erdalkalimetallen reagieren Alkohole als Säuren, d. h. unter Bildung von Alkoxiden (Alkanolaten oder Alkoholaten), z. B.: H3C CH2 OH

+

Na

(H 3C)3C OH

+

K

_ H3C CH2 OI _ Na Natriumethanolat _ (H3C)3C OI _ Na Kalium- t-butylalkoholat

+

1/2 H 2

+

1/2 H 2

Alkohole sind jedoch weit schwächere Säuren als Wasser. Die Alkoxide werden daher leicht zu den Alkoholen und Hydroxid hydrolysiert. _ R OI _

+

R OH

H2O

+

OH

Die Acidität von Alkoholen gegenüber Alkali- und Erdalkalimetallen nimmt mit zunehmendem Alkylierungsgrad des Kohlenstoffs, der die Hydroxy-Gruppe trägt, ab, also in der Reihenfolge: H 3C OH

> R CH2 OH

> R 2CH OH

> R3C OH

Mit Methanol reagiert Kalium z. B. explosionsartig, mit t-Butylalkohol dagegen sehr träge. Ein Grund ist, daß der induktive Effekt der Alkyl-Gruppen die Elektronendichte am hydroxylierten CAtom erhöht. Hierdurch wird das Alkoxid-Anion destabilisiert. Darüberhinaus werden mit zunehmender Alkylierung des Hydroxy-substituierten C-Atoms die Reaktionen der OH-Gruppe sterisch erschwert.

15.6.3

Oxidation von Alkoholen

Primäre Alkohole werden durch Oxidationsmittel (Permanganat MnO4/ in alkalischer, Dichromat Cr2O72/ in saurer Lösung) über die Aldehyde zu den Carbonsäuren oxidiert: / 2 [H+] , / 2 e0

R CH 2 OH primärer Alkohol

/

O R C H Aldehyd

+ 1/2 O2

O R C OH Carbonsäure

Die Aldehyd-Zwischenstufe läßt sich oft durch kontinuierliches Abdestillieren aus der Reaktionslösung gewinnen. Selektive Oxidationen primärer Alkohole zu Aldehyden gelingen mit verschiedenen Reagenzien, z. B. mit Dimethylsulfoxid als Oxidationsmittel in Gegenwart von Oxalsäuredichlorid (SWERN-Oxidation, Abschn. 24.8.9).

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222

15 Alkohole und Glykole

Bei der Dehydrierung primärer Alkohole zu Aldehyden durch metallisches Kupfer bei höheren Temperaturen spielen beide Kupferoxide (Cu2O und CuO) die Rolle des Sauerstoff-Überträgers: 2 Cu

+

1/2 O2

Cu

+

1/2 O2

R CH 2 OH

+

Cu2O

300 - 500 °C

Cu2O

300 - 500 °C

CuO O

300 - 500 °C

R C

+

2 Cu

+

H2O

+

Cu

+

H2O

H O

300 - 500 °C

R CH 2 OH

+

R C

CuO

H

Sekundäre Alkohole werden zu Ketonen oxidiert: / 2 [H+] , / 2 e0

R CH OH

/

R C O R Keton

R sekundärer Alkohol

Die Oxidation primärer und sekundärer Alkohole ist eine allgemeine Methode zur Darstellung von Carbonyl-Verbindungen (Abschn. 20.5.1, 20.6.1).

15.6.4

Veresterung von Alkoholen

Alkohole und Mineral- oder Carbonsäuren reagieren zu Estern, z. B.: O

Veresterung

H3C CH2 OH

+

Ethanol

H3C CH2 OH

R OH

Alkohol

HO SO3H

Verseifung

Schwefelsäure

+

+

O HO C CH 3 Essigsäure

Veresterung

O HO C R'

Veresterung

Carbonsäure

Verseifung

Verseifung

H3C CH2 O S OH

+

H 2O

O Ethylhydrogensulfat (Schwefelsäuremonethylester) O H3C CH2 O C CH3 Ethylacetat (Essigsäureethylester)

+

H 2O

O R O C

+

H 2O

R' Alkylcarboxylat (Carbonsäureester)

Veresterungen sind reversibel; es stellt sich ein dynamisches Gleichgewicht zwischen den Estern und Wasser einerseits und den Alkoholen und Säuren andererseits ein. Dieses Gleichgewicht läßt sich durch kontinuierliches Abdestillieren des Reaktionswassers, zugunsten der Ester verschieben. Die Rückreaktion der Veresterung wird als Verseifung bezeichnet. Veresterung und Verseifung sind säurekatalysierte Reaktionen (Abschn. 18.7.1). Einige Carbonsäureester riechen angenehm fruchtartig. Bedeutende Ester anorganischer Säuren sind das cancerogene Methylierungsmittel Dimethylsulfat [(H3CO)2SO2, Schwefelsäuredimethyl-

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15.6 Reaktionen der Alkohole

223

ester], sowie das nicht korrekt als "Nitroglycerin" bezeichnete, hochexplosive, gefäßerweiternd wirkende Glyceroltrinitrat. Es bildet sich bei der Veresterung des Glycerols mit konzentrierter Salpetersäure und Schwefelsäure. Kieselgel saugt Glyceroltrinitrat auf; dabei entsteht der feste, kontrolliert zündbare Sprengstoff Dynamit (NOBEL, 1867). O CH2 HO

OH +

CH CH2

O 3 HO N

Glycerol

N

/ 3 H2O

O

OH

CH2

O

(H2SO4)

O

O

O N

CH2

CH2 O O

CH

O2NO

O N

ONO2

CH CH2

ONO2

O Glyceroltrinitrat ("Nitroglycerin", ein Ester der Salpetersäure, keine Nitroverbindung)

Salpetersäure

Auch mit Säurehalogeniden bilden Alkohole Ester. Die Charakterisierung von Alkoholen durch Reaktion mit 3,5-Dinitrobenzoylchlorid zu den kristallinen Alkyl-3,5-dinitrobenzoaten (Ester der 3,5-Dinitrobenzoesäure) ist ein Beispiel: NO2

NO2

Cl R OH

Base , / HCl

C

+

R O C

O

O

NO2 3,5-Dinitrobenzoylchlorid

15.6.5

NO2 Alkyl-3,5-dinitrobenzoat

Nucleophile Substitution der Hydroxy-Gruppe durch Halogen

Die Reaktion von Alkoholen mit Halogenwasserstoffen kann unter nucleophiler Substitution der Hydroxy-Gruppe durch Halogenid zu Halogenalkanen führen, z. B.: NaBr , H2SO4 Rückfluß

H3C CH2 CH 2 CH 2 CH2 OH 1-Pentanol

+

HBr

OH

+

HBr

H3C CH2 CH 2 CH 2 CH2 Br 1-Brompentan

+

H2O

HBr-Gas

Cyclohexanol

Br

+

H2O

Bromcyclohexan

Thionylchlorid (SOCl2) sowie Phosphortrihalogenide (PX3 , X = Cl, Br, I) eignen sich zur Überführung von Alkoholen in Halogenalkane, z. B.: 3 H3C CH2 OH

+

PI 3

3 H3C CH2

I

+

P(OH)3

Iodethan (Ethyliodid)

Die nucleophile Substitution der Hydroxy-Gruppe durch Halogenid X/ (X = Cl, Br, I) verläuft über ein Carbenium-Ion, von dessen Stabilität die Reaktivität der Alkohole abhängt. Während Allyl- und Benzyl-Kationen mesomeriestabilisiert sind, kommen für eine Stabilisierung der anderen Alkyl-Kationen nur die weit schwächeren induktiven und sterischen Einflüsse in Betracht, deren Wirksamkeit mit zunehmender Alkylierung wächst. Infolgedessen nimmt die Reaktivität von Alkoholen gegen Halogenwasserstoff nach folgender Reihung ab: Allyl-, Benzyl- > tertiär > sekundär > primär

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224

15 Alkohole und Glykole

Ist die Bildung des Carbenium-Ions infolge zu schwacher Stabilisierung erschwert, so erfolgt vorzugsweise SN2-Substitution von der Rückseite in Bezug auf die abgehende Gruppe (H2O). Nach diesem Mechanismus reagieren die meisten primären Alkohole einschließlich Methanol (nicht jedoch Allyl- und Benzylalkohol). H C O H

schnell

C OH

+

HX

X

+

f/

langsam

X

Alky loxoniumhalogenid

C

f+

OH 2

X C

+

H 2O

Übergangszustand

Ist das als Zwischenstufe auftretende Carbenium-Ion stabiler, wie es z. B. für Benzyl- und Allylalkohole sowie für tertiäre Alkohole zutrifft, so wird die Dissoziation zum geschwindigkeitsbestimmenden Schritt. Die Substitution verläuft dann nach einem SN1-Mechanismus. /

"/ H2O langsam

/X schnell

C OH

+

HX

/

-""X

C

C OH2 Oxonium-Ion

C X

Carbenium-Ion

Führt die Abspaltung von Wasser aus einem protonierten Alkohol zu einem weniger stabilen Carbenium-Ion, so kann dieses sich unter Verschiebung einer Alkyl-Gruppe stabilisieren. Entsteht z.B. ein sekundäres Carbenium-Ion in c-Stellung zu einem quartären C-Atom, so wird sich durch 1,2-Alkyl-Verschiebung ein tertiäres, d. h. stabileres Carbenium-Ion bilden: R

R

"/ H2O

R

R C CH R

R C CH R

R C CH R

R OH 2

R weniger stabil

R stabiler

Als Folge dieser WAGNER-MEERWEIN-Umlagerung haben die durch Reaktion von Halogenwasserstoffen mit Alkoholen dargestellten Halogenalkane nicht immer die dem Ausgangs-Alkohol entsprechende Konstitution. Die nucleophile Substitution des 2,2-Dimethyl-3-hexanols durch Chlorwasserstoff führt z. B. überwiegend zu 2-Chlor-2,3-dimethylhexan: /

/ Cl schnell

CH3 H3C C CH CH 2 CH2 CH3

+

HCl

H3C OH

CH 3 H 3C C CH CH2 CH2 CH 3 H 3C OH 2 langsam

WAGNER-MEERWEINUmlagerung

CH3 H3C C CH CH 2 CH2 CH3 CH3 -" Cl

CH 3 H 3C C CH CH2 CH2 CH 3 H 3C

/

CH3 H3C C CH CH 2 CH2 CH3 Cl CH3 2-Chlor-2,3-dimethylhexan

"/ H2O

-" Cl

/

CH 3 H 3C C CH CH2 CH2 CH 3 H 3C Cl 3-Chlor-2,2-dimethylhexan

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15.6 Reaktionen der Alkohole

15.6.6

225

Dehydratisierung von Alkoholen

Die Ablösung von Wasser aus einem protonierten Alkohol unter Bildung des Carbenium-Ions kann sowohl eine nucleophile Substitution als auch die Abspaltung eines d-Protons unter Bildung eines Alkens zur Folge haben. /

+ X , SN1

C C

"/ H2O langsam

+ [H+]

C C

C C

C C

H OH

H OH2

H

H X Halogenalkan / [H+] , E1

C C Alken

Dementsprechend ergibt 2-Methyl-2-propanol (t-Butylalkohol) bei der Reaktion mit Bromwasserstoff neben 2-Brom-2-methylpropan (t-Butylbromid) bevorzugt Methylpropen (Isobutylen), insbesondere bei höheren Temperaturen: /

+ X , SN1

H 3C H3C C OH H3C

+ [H+]

H 3C H3C C OH 2 H3C

"/ H2O langsam

H 3C CH 3

H3C H 3C C Br H 3C

C / [H+] , E1

CH3

H3C C CH2 H3C

Da die Bildung des Carbenium-Ions durch Ablösung von Wasser aus einem Molekül des protonierten Alkohols die Geschwindigkeit der Dehydratisierung bestimmt, zumindest bei tertiären und manchen sekundären Alkoholen, spricht man von einer monomolekularen d-Eliminierung (E1Reaktion). Tab. 15.2. Dehydratisierungstendenz von Alkoholen Alkohol

CH CH 3 OH CH 3 H 3C C OH CH 3

Carbenium-Ion CH 3 C H CH 3 H 3C C CH 3

relative Stabilität

Bildungstendenz

groß

groß

mittel

mittel

CH 3 H3C CH2 CH CH 3 OH H3C CH2 CH 2 CH2 OH

H3C CH2 C

CH CH 2

CH 3 H 2C C CH 3 H 3C

Dehydratisierungsbedingungen 90 °C 20 % H2SO4

90 °C 20 % H2SO4

geringer

klein

H C C CH3 H

100 °C 60 % H2SO4

sehr gering

sehr klein

H 3C CH 2 CH CH 2

170 °C 90 % H2SO4

H H H3C CH2 CH 2 C H

Alken

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226

15 Alkohole und Glykole

Die Dehydratisierungstendenz der Alkohole nimmt mit zunehmender Stabilität der nach Ablösung von H2O entstehenden Carbokationen zu (primär < sekundär < tertiär < Benzyl-, Allyl-), wie Tab. 15.2 zeigt. Kann die Eliminierung eines d-Protons aus einem Carbenium-Ion von zwei C-Atomen ausgehen, so wird die Orientierung bevorzugt, bei welcher das stabilere Alken entsteht. Stabiler sind höher alkylierte Alkene (SAYTZEFF-Regel, Abschn. 5.2.2) oder im Falle von Dienen und Phenylalkenen die konjugierten Verbindungen: +

/ [H ]

+

+ [H ]

H3C CH 2 CH CH 3 OH 2-Butanol

/ H2O

H3C CH2 CH CH 3

H3C CH CH CH 3 2-Buten ( E + Z ) höher alkyliert (Hauptprodukt)

+

CH2 CH CH3

/ H2O

OH

H3C CH 2 CH CH 2 1-Buten

/ [H ]

+ [H+]

CH2 CH CH3

+

CH CH CH3

+

CH2 CH CH2

1-Propenylbenzen ( E + Z ) konjugiert (Hauptprodukt)

1-Phenyl-2-propanol

2-Propenylbenzen (Allylbenzen)

Schließlich eliminiert das d-Proton bevorzugt aus dem stabilsten Carbenium-Ion. Führt die Dehydratisierung des protonierten Alkohols zunächst zu einem weniger stabilen Carbenium-Ion, so kann dieses sich unter 1,2-Verschiebung einer Alkyl-Gruppe stabilisieren:

R

+ [H+]

R C CH R R OH

/ H2O

1,2-Alkyl-Verschiebung (WAGNER-MEERWEINUmlagerung)

R

o

R C CH R

R

/ [H+]

R C CH R R stabiler

R weniger stabil

R

R C C R R

Diese als WAGNER-MEERWEIN-Umlagerung bekannte 1,2-Alkyl-Verschiebung bei der Dehydratisierung von Alkoholen spielt besonders bei Cycloalkanolen eine Rolle, z. B.:

OH

+ [H+]

CH 3 H

CH 3 2,2-Dimethylcyclohexanol

/ H2O

CH 3 H CH 3

1,2-Methyl-Verschiebung (WAGNER-MEERWEINUmlagerung)

/ [H+]

H

o

CH 3

CH 3 CH 3

CH 3 1,2-Dimethylcyclohexen

Auf die Bedeutung der Dehydratisierung von Alkoholen als Methode der Alken-Synthese wurde in Abschn. 4.4.3 hingewiesen.

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15.7 Glykolspezifische Reaktionen

227

15.7 Glykolspezifische Reaktionen 15.7.1

Glykol-Spaltung

Die Bindung zwischen den hydroxylierten C-Atomen eines 1,2-Diols kann oxidativ unter Bildung von zwei Carbonyl-Verbindungen gespalten werden, entweder mit Periodsäure, HIO4, (MALAPRADE-Spaltung) oder mit Bleitetraacetat (CRIEGEE-Spaltung): R' R"

R'

HI O4 oder (CH3CO2) 4Pb

R C C R*

C

R

HO OH 1,2-Diol

R" +

O

O

C

R*

Carbonyl-Verbindungen

Da cis-Glykole leichter gespalten werden als die trans-Isomeren, verläuft die Glykol-Spaltung wahrscheinlich über cyclische Zwischenstufen (cyclische Periodate und Blei(IV)-diolat-diacetat): O

O Pb 2

IO3H O

2 CH 3CO2

O

Die Spaltung eines Glykols mit Bleitetraacetat könnte demnach in drei Schritten ablaufen: C OH

+

C OH

2

Pb(O2C CH 3)4

C O

/"CH3CO2H

/ Pb (CH3CO2) 2

C O

/"CH3CO2H

C O Pb (O2C CH 3)3

C O

C OH

Pb (O2C CH3)2

Bekanntlich bilden sich Glykole durch Dihydroxylierung von Alkenen (Abschn. 4.5.6, 4.5.7), entweder mit Permanganat bzw. Osmiumtetroxid, oder über Oxirane. Daher ermöglichen die bei der Glykol-Spaltung entstehenden Carbonyl-Verbindungen nicht nur Rückschlüsse auf die Konstitution des gespaltenen Glykols, sondern auch des hydroxylierten Alkens, z. B.:

H 3C H 2C

CH 3 C C

H

CH 2 CH3

a

H CH3 H3C CH2 C C CH2 CH 3 HO OH

trans-3-Methyl-3-hexen a : Dihydroxylierung

b : Glykol-Spaltung

b

H

CH 3 C O

H3C CH2 Propanal (Propionaldehyd)

+

O C CH 2 CH3 2-Butanon (Ethylmethylketon)

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228

15 Alkohole und Glykole

15.7.2

Pinakol-Dehydratisierung und Umlagerung

Tertiäre 1,2-Diole, die Pinakole (Abschn. 15.5.3), werden in Gegenwart von Säuren unter 1,2Alkyl-Verschiebung zu Ketonen dehydratisiert: H3C CH 3

+ [H+]

H 3C C C CH 3 HO OH 2,3-Dimethyl-2,3-butandiol (Pinakol) CH3

/ H2O

C C CH 3 O CH 3 3,3-Dimethyl-2-butanon (Pinakolon, t-Butylmethylketon) O

+ [H+]

CH3 HOOH

CH 3

H 3C

CH 3

/ H2O

CH 3

1,2-Dimethyl1,2-cyclohexandiol

2,2-Dimethylcyclohexanon

Die Pinakol-Umlagerung beginnt mit der Protonierung einer Hydroxy-Gruppe. Das nach Abspaltung von Wasser erzeugte Carbenium-Ion lagert sich unter anionotroper 1,2-Alkyl-Verschiebung zu einem protonierten Keton um. Die 1,2-Alkyl-Verschiebung selbst verläuft nicht unter Bildung eines "freien" Alkyl-Anions, sondern über einen Zwischenzustand, bei dem sich die positive Ladung des Carbenium-Ions auf alle an der Umlagerung beteiligten Atome verteilt.

R OH R C C R HO R

+ [H+]

R OH2 R C C R HO R

/ H2O

R R C C R

o

HO R R R C C R HO R

R

/ [H+]

R

HO R

R C C R

R C C R O

R

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16.1 Nomenklatur

229

16 Ether 16.1 Nomenklatur Die allgemeine Formel der Ether ist R/O/R´. Dabei unterscheidet man zwischen aliphatischen Ethern (R = Alkyl) und den Phenolethern (R = Aryl, R´ = Alkyl oder R = R´ = Aryl). Nach IUPAC benennt man Ether als Alkoxy- oder Aryloxy-Derivate der Alkane, z. B.: H3C CH2 CH O CH 3 CH3

2-Methoxybutan

O CH CH2 CH 3 3-Phenoxypentan CH 2 CH3

Die Trivialnamen beginnen mit den Bezeichnungen der am Sauerstoff gebundenen Alkyl- oder Aryl-Gruppen in der Reihenfolge zunehmender Größe und schließen mit der Endung ..."ether". H3C CH O CH 3 CH3

Methyl-i-propylether (Methylisopropylether)

O CH 2 CH3

Ethylphenylether (Phenetol)

In cyclischen Ethern (Sauerstoff-Heteroalicyclen) schließen sich die Reste R zum Ring. Sie leiten sich formal von den Cycloalkanen ab und werden als Oxiran, Oxetan, Tetrahydrofuran, Tetrahydropyran, Oxepan oder Polymethylenoxide bezeichnet. Oxirane werden auch Epoxide genannt. 2H- und 4H- kennzeichnen im Pyran die Position der Ring-Methylen-Gruppe. 3,4-Dihydro-2Hpyran ist ein cyclischer Enolether, 5,6-Dihydro-2H-pyran ein cyclischer Allylether.

Oxiran (Ethylenoxid)

Oxetan (Trimethylenoxid)

O

Tetrahydrofuran (Tetramethylenoxid)

Tetrahydropyran (Pentamethylenoxid)

O

O 1 4

1

2 3

4

2H-Pyran

O

O

O

O

Oxepan (Hexamethylenoxid) O

O 1

2 3

4

4H-Pyran

1

2 3

3,4-Dihydro-2H-pyran

4

2 3

5,6-Dihydro-2H-pyran

Ersetzt man im Cyclohexan zwei Methylen-Gruppen durch Sauerstoff, so ergeben sich formal die drei isomeren Dioxane. Vom cyclischen Bis-enolether 1,4-Dioxin leitet sich Dibenzo[b,e]1,4-dioxin ab, Stammverbindung des Seveso-Gifts (Abschn. 11.3.2). O

O

O O

1,2-Dioxan

1,3-Dioxan

O

O

O

O 1,4-Dioxan

O 1,4-Dioxin

O Dibenzo[b,e]1,4-dioxin

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230

16 Ether

16.2 Struktur und physikalische Eigenschaften Wie Alkohole sind die Ether gewinkelte Moleküle und zeigen Dipolmomente (Abschn. 1.10.2) von 1.2 bis 1.3 Debye. Der C/O/C-Bindungswinkel in den Ethern ist 110° und damit gegenüber dem C/O/H-Winkel der Alkohole (107°, Abb. 15.1, Abschn. 15.3) etwas aufgespreizt. Abb. 16.1 zeigt Molekülmodelle des Dimethylethers im Vergleich zum konstitutions- und funktionsisomeren Ethanol.

Abb. 16.1. Stab- und Kalottenmodell des Dimethylethers (links) und des konstitutions- und funktionsisomeren Ethanols (Kohlenstoff : schwarz; Sauerstoff : grau; Wasserstoff : weiß)

Die niedermolekularen Ether sind sehr flüchtig (Siedepunkt des Dimethylethers: / 24 °C bei 1011 mbar) und sieden erheblich tiefer als Alkohole vergleichbarer molarer Massen (Siedepunkt des Ethanols: 78.2 °C bei 1011 mbar), da sie keine Wasserstoffbrücken bilden können. Infolge schwacher Dipol-Dipol-Wechselwirkung liegen die Siedepunkte der Ether jedoch geringfügig höher als jene vergleichbarer Alkane. Ether lösen sich kaum in Wasser, jedoch sehr gut in Alkoholen und unpolaren organischen Medien. Sie sind selbst vorzügliche Lösemittel und dienen daher oft zum Extrahieren organischer Verbindungen aus festen Substanzgemischen oder wäßrigen Lösungen (Ausethern). Untereinander können Ether gleicher Summenformel eine spezielle Art der Konstitutionsisomerie aufweisen. Diese sog. Metamerie rührt daher, daß bei gleicher Summenformel verschiedene Alkyl-Gruppen mit dem Ethersauerstoff verknüpft sein können. Für die Summenformel C4H10O können z. B. drei Metamere formuliert werden, nämlich Diethylether, Methyl-n-propylether und Methyl-i-propylether: CH 2 CH3 Diethylether O CH 2 CH3

CH 3 Methyl-n-propylether O CH 2 CH2 CH3

CH 3 Methyl-i-propylether O CH CH3 H 3C

Diese drei Metamere sind ihrerseits Konstitutionsisomere der vier Butanole (1-Butanol, 2-Methylpropanol, 2-Butanol, 2-Methyl-2-propanol).

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16.3 Darstellung

231

16.3 Darstellung 16.3.1

Bimolekulare Dehydratisierung von Alkoholen

Die säurekatalysierte, bimolekulare Dehydratisierung von Alkoholen ist eine auch industriell genutzte Methode zur Darstellung symmetrischer Ether. Als Dehydratisierungsmittel werden u. a. Schwefelsäure und Hydrogensulfate, Bor-, Phosphor- sowie Arsensäure eingesetzt. Bei der Darstellung von Diethylether und Divinylether über d,d'-Dichlordiethylether verwendet man z. B. Schwefelsäure. Diethylether und einige andere Ether werden in technischem Maßstab hergestellt, indem die Alkohol-Dämpfe über heiße Metalloxid-Katalysatoren (Aluminiumoxid, Titandioxid, 200 °C) geleitet werden. H2SO4 , 140 °C

2 H 3C CH 2 OH

H3C CH2 O CH 2 CH 3 Diethylether

/ H2O

(mit Ethen als Nebenprodukt)

H2SO4 , 140 °C

2 Cl

CH2 CH2 OH 2-Chlorethanol

KOH

Cl

/ H2O

CH2 CH2 O CH 2 CH 2 Cl d,d´-Dichlordiethylether

H2C CH O CH CH2 Divinylether

/ 2 HCl

Primärschritt der Dehydratisierung ist ein Protonierungsgleichgewicht: R OH

+

[H ]

R OH2

Bei primären Alkoholen greift dann ein zweites Alkohol-Molekül nucleophil nach einem SN2Mechanismus an: SN2

_ R O _

+

R R O H

R OH _ 2 / H2O

H

/""[H+]

R R O

Dagegen neigen protonierte sekundäre und tertiäre Alkohole eher zur Wasserabspaltung unter Bildung von Carbenium-Ionen. Diese deprotonieren dann zu einem Alken, oder ein zweites Alkohol-Molekül addiert nucleophil, aber nun nach einem SN1-Mechanismus: H R'

CH 2

R'

/ H2O

CH2

CH OH2

/ [H+]

R' C

C H

R

C R

R

Alken

H H

+ I OI R*

R'

CH2

H CH O R* R

/ [H+]

R'

CH 2 R

Ether CH O R*

Infolgedessen konkurrieren insbesondere bei der Dehydratisierung sekundärer Alkohole Alkenund Ether-Bildung; tertiäre Alkohole dehydratisieren überwiegend zu Alkenen.

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232

16 Ether

16.3.2

Nucleophile Substitution von Halogenalkanen durch Alkoholate und Phenolate (WILLIAMSON-Synthese)

Ein allgemeiner Weg zu aliphatischen, gemischt aliphatisch-aromatischen und aromatischen Ethern ist die als WILLIAMSON-Synthese bekannte nucleophile Substitution des Halogens in Halogenalkanen (oder Alkylhydrogensulfat in Dialkylsulfaten) durch Alkoholate und Phenolate: _ _ R OI

Na

f/ f-

+

X R'

R O R'

+

Na X

X = Cl , Br , I , /O/SO2/OR'

Diese nucleophile Substitution geht am besten mit den Alkoholaten aus sekundären sowie tertiären Alkoholen und mit primären Halogenalkanen (/CH2/X, H3C/X), wobei die Iod- und Bromalkane am reaktivsten sind (I > Br >> F). Beispiele sind die Darstellung des Methyl-i-propylethers aus Natrium-i-propanolat und Methyliodid sowie die technische Herstellung des 1,4-Dioxans aus Oxiran und 2-Chlorethanol (Ethylenchlorhydrin) über eine intramolekulare WILLIAMSONSynthese. _ Na (H 3C)2CH OI _ Natrium- i-propanolat

I CH 3

+

(CH3)2CH O CH3 Methyl-i-propylether O

O Oxiran

+

OH

O

+ NaOH

HO CH2 CH 2 Cl 2-Chlorethanol (Ethylenchlorhydrin)

NaI

+

Cl

/NaCl , / H2O

O 1,4-Dioxan

Sekundäre und tertiäre Halogenalkane eignen sich weniger zur Alkylierung der Alkoholate, da diese als Basen die Halogenalkane zu Alkenen dehydrohalogenieren: H3C CH CH 3

+

H3C CH CH 2

C 2H5O Na

+

C2H 5OH

+

Na X

Br

Die Synthese von Phenolethern aus Phenolen verläuft in alkalischen Lösungen sowohl mit primären Halogenalkanen als auch mit Dialkylsulfaten (Schwefelsäuredialkylestern): + NaOH , / H2O

O ""Na

OH Phenol

CH3

+ CH3 I , / Na I " oder

O

+ (H3CO) 2SO2 , / CH3OSO3 Na

Natriumphenolat

Methylphenylether (Anisol)

Die Darstellung von Diarylethern nach WILLIAMSON aus Arylhalogeniden und Phenolaten gelingt nur in mäßigen Ausbeuten unter schärferen Bedingungen und bei Gegenwart von Katalysatoren: O "K

+

Br

Cu , 220 °C , Druck

O

Diphenylether

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16.3 Darstellung

233

Die Reaktion unsymmetrisch substituierter Hydrochinone mit y,y'-Dibromalkanen [X/(CH2)n/X , n > 8] in alkalischer Lösung führt zu atropisomeren (Abschn. 17.7.2) Hydrochinonpolymethylenethern, sog. Ansa-Verbindungen (lat. ansa = Henkel):

CH 3

CH 3

HO

OH

+

Br

(CH 2)12 Br

CH3

Br O Na

+ 2 NaOH

O

/ NaBr

O

O

/ NaBr , / 2 H 2O

CH 2 CH3 2-Ethyl-6-methyl1,12-Dibromdodecan hydrochinon

CH 2 CH3

CH 2 CH 3 2-Ethyl-6-methylhydrochinondodecamethylenether

Der zweite Schritt dieser Reaktion ist eine intramolekulare WILLIAMSON-Synthese. Er muß in verdünnter Lösung durchgeführt werden, um intermolekulare Reaktionen möglichst weitgehend zu unterdrücken (RUGGLI-ZIEGLER-Verdünnungsprinzip).

16.3.3

Veretherung von Halogenalkanen mit Silbercarbonat

Die Veretherung von Halogenalkanen mit Silbercarbonat oder Silberoxid bewährt sich besonders zur Darstellung von Ethern mit sekundären und tertiären Alkyl-Gruppen, z. B.: CH3 2 H3C C Cl CH3

CH3 +

Ag2CO3

CH3

H3C C O C CH3 CH3 CH3

+

2 AgCl

+

CO2

Di-t-butylether

16.3.4

O-Methylierung von Alkoholen und Phenolen durch Diazomethan

Primäre und sekundäre Alkohole können durch Diazomethan in Gegenwart von Tetrafluorborsäure oder Bortrifluoridetherat O-methyliert werden, z. B.: /

HBF4 oder F3B "+O(C2H5) 2

OH

+

CH 2N2

O CH 3 Methoxycyclohexan

Cyclohexanol

+

N2

BF3-Katalysatoren acidifizieren dabei die OH-Gruppe der Alkohole. Dies erübrigt sich bei den im Vergleich zu Alkoholen stärker sauren Phenolen, die in etherischer Lösung spontan mit Diazomethan zu den Arylmethylethern reagieren: OH

Diethylether

+ Phenol

O

CH2N 2

CH3

+

N2

Anisol

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234

16 Ether

16.3.5

Synthesen von Ethern mit GRIGNARD-Verbindungen

c-Halogenether lassen sich mit Hilfe von Alkylmagnesiumhalogeniden homologisieren, z. B.: CH 2 Br H 3C CH2 CH 2 O Brommethyl-n-propylether

+

Br Mg CH2 CH 2 CH 3

/ MgBr 2

CH 2 CH 2 CH 2 CH 3 H 3C CH 2 CH 2 O n-Butyl-n-propylether

t-Butylperbenzoat reagiert mit Alkyl- oder Arylmagnesiumhalogeniden zu den entsprechenden t-Butylethern, z. B.: C(CH3)3 C

O

O

C(CH 3)3

C

O + Br Mg

O

+

O

OMgBr

t-Butylphenylether

+ H2O

CO2H

16.3.6

Mg2

+

+

OH

+

Br

Alkenylether durch Addition von Alkoholen an Alkine

Vinylether werden durch Addition von Alkoholen an Alkine unter Druck in Gegenwart von Alkoholaten als Katalysatoren dargestellt, z. B.: CH3O Na , Druck

H C C H

16.3.7

+

HOCH 3

CH 3 H2C CH O Methylvinylether , ein Enolether

Enolether durch Eliminierung von Alkohol aus Acetalen

Acetale gehen beim Erhitzen in Gegenwart von Katalysatoren (Phosphorsäure, Pt-Asbest) unter Abspaltung eines Äquivalents Alkohol in Enolether über, z. B.: O CH 2 CH 3

H3PO4 , Rückfluß , / C2H5OH

H 3C CH 2 CH 2 CH O CH 2 CH 3 Butanaldiethylacetal

CH2 CH 3 H3C CH2 CH CH O Ethyl-1-butenylether ( E + Z )

" d-Halogenacetale eliminieren zunächst ein Äquivalent Alkohol, dann in alkalischem Medium ein

Äquivalent Halogenwasserstoff. Dabei entstehen die reaktiven Ethinylether: H3PO4 , Rückfluß , / C2H5OH

Br

CH 2 CH(OC2H 5)2 Bromacetaldehyddiethylacetal

Br CH CH OC2H 5 2-Bromvinylethylether

KOH , / HBr

H C C OC2H 5 Ethinylethylether (Ethoxyethin)

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16.4 Darstellung von Epoxiden (Oxiranen)

235

16.4 Darstellung von Epoxiden (Oxiranen) 16.4.1

Katalytische Oxidation von Alkenen

Einige Alkene, z. B. Ethen, lassen sich durch Sauerstoff am Silberkontakt in Epoxide überführen: Ag , 260-290 °C

2 H2C CH2

16.4.2

+

2

O2

O Oxiran (Ethylenoxid)

Eliminierung von Halogenwasserstoff aus Halohydrinen

Halohydrine (Abschn. 15.5.2) spalten in wäßrig-alkalischer Lösung Halogenwasserstoff ab, so daß Oxirane entstehen: X OH Halohydrin ( X = Cl , Br )

16.4.3

R

+ NaOH

R CH CH R'

/ Na X , / H2O

R' O

substituiertes Oxiran

Oxidation von Alkenen mit Peroxysäuren

Die allgemeinste Methode zur Darstellung von Epoxiden ist die Reaktion von Alkenen mit Peroxysäuren, z. B. Peroxybenzoesäure oder m-Chlorperoxybenzoesäure (PRILEZHAEV-Epoxidation). Nach dem „Butterfly-Mechanismus“ addiert das elektrophile Peroxy-O-Atom der Persäure über einen spirocycischen Übergangszustand an die r-Bindung, während die Carbonyl-Gruppe das OHProton übernimmt. Die relative Konfiguration des Alkens bleibt im Oxiran erhalten. C

O +

C

O H

R C

C

O

C

O

R C

C

O H

C

O

O +

O

H

Alken Peroxycarbonsäure (E oder Z)

subst. Oxiran (trans- oder cis-)

C

R

O

Carbonsäure

16.5 Reaktionen 16.5.1

Bildung von Oxonium-Verbindungen

Infolge der Elektronenpaare am Ether-Sauerstoff sind die Ether Elektronenpaar-Donoren, d. h. LEWIS-Basen. Sie reagieren daher mit Protonen und LEWIS-Säuren wie BF3 zu Oxonium-Salzen: R

R O R

+

HCl

R

R O _ H

Cl

R Dialkyloxonium-chlorid

O R

+

BF 3

O _ BF 3 R Bortrifluorid-etherat

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236

16 Ether

Die Oxonium-Salze können ein Alkohol-Molekül (als Abgangsgruppe) abspalten und sind insofern Vorstufen von Alkyl-Kationen: R _ H O

R

O H

+ R

R

Die Donoreigenschaften des Ether-O-Atoms sind auch der Grund für die Bildung von Komplexen zwischen Ethern und GRIGNARD-Verbindungen, die sich ihrerseits sehr gut in Ethern lösen: R'

R O R

16.5.2

Mg X

R O R

Autoxidation

Unter Lichteinwirkung reagieren die Ether mit Luftsauerstoff, der als Biradikal („Triplett-Sauerstoff“) vorliegt, zu Etherhydroperoxiden: R O C H

_ _ _ O _ O

+

R O C O OH Etherhydroperoxid

Etherhydroperoxide sind entweder selbst explosiv, oder sie lagern sich zu hochexplosiven Produkten um. Die Peroxid-Bildung und damit die Explosionsgefahr läßt sich vermeiden, indem man die Ether über Reduktionsmitteln (Na-Amalgam, Zn, Fe2+) aufbewahrt.

16.5.3

Ether-Spaltung

Die Einwirkung starker Säuren führt zur Spaltung der Ether. Zur gezielten Spaltung von Ethern verwendet man meist HBr oder HI: R

+ HX

O R'

+ HX

R'

X

+

R OH

R'

X

+

R X

( X = Br , I )

+

H 2O

Auf dieser Ether-Spaltung beruhte die quantitative Bestimmung der Methoxy-Gruppen (z. B. in Naturstoffen) nach ZEISEL: Der Methylether wurde durch Iodwasserstoffsäure gespalten und die dabei entstehende Menge Iodmethan gemessen. R

Rückfluß

O CH3

+

HI

R OH

+

CH3

I

Erster Schritt der Ether-Spaltung ist die Bildung des Dialkyloxonium-Salzes: R

R O R

+

O _ H

HX

X

R

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16.5 Reaktionen

237

Dieses spaltet ein Äquivalent Alkohol ab und geht mit dem Halogenid-Anion unter nucleophiler Substitution in das Halogenalkan über, bei Ethern mit tertiären Alkyl-Gruppen vorwiegend nach einem SN1-, bei Ethern mit primären Alkyl-Gruppen vorwiegend nach einem SN2-Mechanismus: H

SN1 , / ROH O _ R

R

R

/

/

+X

H

+X

SN2 , / ROH O R

R X

X R

Der entstehende Alkohol wird meist ebenfalls in das Halogenalkan übergeführt. Eine weitere Folgereaktion der Ether-Spaltung ist die d-Eliminierung zum Alken, insbesondere bei Ethern mit tertiären Alkyl-Gruppen. 1,4-Dichlorbutan als Edukt der Nylon-Synthese wird in technischem Maßstab durch EtherSpaltung des Tetrahydrofurans mit Chlorwasserstoff hergestellt: O

+ HCl

HO

Cl

+ HCl

Cl Tetrahydrofuran

4-Chlorbutanol

CH2 CH2 CH 2 CH 2 Cl 1,4-Dichlorbutan

Außer den Halogenwasserstoffsäuren können auch LEWIS-Säuren (BF3, BCl3, BBr3, AlCl3) sowie Triphenyldibromphosphoran [(C6H5)3PBr2] und Pyridinium-chlorid als Reagenzien zur Etherspaltung verwendet werden. N H Cl

16.5.4

Pyridinium-chlorid

Ether-Umlagerungen

Allylalkenylether lagern sich beim Erhitzen in i,f-ungesättigte Aldehyde oder Ketone um. Diese zu den [3,3]-sigmatropen Verschiebungen (Abschn. 26.5.2) gehörende Oxa-COPE-Umlagerung vollzieht sich als CLAISEN-Umlagerung mit Allylphenylethern, wobei das zunächst durch konzertierte Verschiebung von u- und r-Bindungen entstehende Keton als Übergangszustand zum oAllylphenol rearomatisiert, so daß die Allyl-Gruppe vom Phenoxy-O- zum ortho-C-Atom wandert. R

O

R

i,f-ungesättigter Aldehyd (R = H) i,f-ungesättigtes Keton (R = Alkyl)

Allylalkenylether

CLAISEN Umlagerung

O

o

Oxa-COPE -

O

O

langsam

o

schnell

OH

H Allylphenylether

Übergangszustand

o-Allylphenol

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238

16 Ether

Phenolether mit gesättigten O-Alkyl-Gruppen lagern in Analogie zu den O-Acylphenolen (Abschn. 21.6.2) bei Gegenwart von LEWIS-Säuren wie AlCl3 zu den p-Alkylphenolen um: R O

AlCl3

R

OH

z. B. R =

CH 2 CH2 CH2 CH 3

p-Alkylphenol

Alkylphenylether

Die WITTIG-Umlagerung von Ethern in Gegenwart sehr starker Basen wie Alkyllithium führt unter 1,2-Verschiebung einer O-Alkyl-Gruppe (vom O- zum C-Atom) zu Alkoholaten: R CH 2 O R'

+

R' _ _ R CH OI

R*Li

Alkylether

Li

+

R* OH

Alkoholat

Mehrere Mechanismen werden diskutiert. So könnte sich das bei der Einwirkung starker Basen entstehende Carbanion durch nucleophilen Angriff an der O-Alkyl-Gruppe unter Bildung eines Alkoxid-Anions stabilisieren. Substituenten, welche wie die Phenyl-Gruppe (R = C6H5) die negative Ladung des intermediären Carbanions durch Mesomerie verteilen, erleichtern die Reaktion. / [H+]

R CH _ O R'

R CH O R' H

_ R CH OI _

o

R'

16.6 Ether als Schutzgruppen Bei der Synthese organischer Verbindungen ist häufig ein Schutz der alkoholischen OH-Gruppe notwendig. Hierzu kann man die Alkohole verethern; jedoch muß nach der Reaktion, für welche ein Schutz der OH-Gruppe erforderlich ist, der Ether auch möglichst leicht und ohne Nebenreaktionen spaltbar sein. Als Schutzgruppen für die OH-Funktion haben sich außer den bereits besprochenen Methylethern die Benzyl-, Trityl- und Trimethylsilylether bewährt, die meist durch Varianten der WILLIAMSON-Synthese dargestellt werden und durch Hydrierung oder Hydrolyse spaltbar sind. Bildung R O Na

+

Cl CH2 C 6H5

/ NaCl

Benzylchlorid

Spaltung + H2 / Pt

+

Cl C(C6H 5)3 Chlortriphenylmethan

/ HCl

R O C(C6H 5)3

+

Cl Si(CH3)3 Chlortrimethylsilan

/ HCl

R O Si(CH 3)3 Trimethylsilylether

H 3C C6H 5 Toluen

+ H2O

R OH

+

Tritylether

Triethylamin

R OH

+

Benzylether Pyridin

R OH

R OH

R O CH 2 C 6H5

HO C(C6H 5)3 Triphenylcarbinol

+ H2O

R OH

+

HO Si(CH3)3 Trimethylsilanol

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Methylvinylether und Ethylenoxid

239

16.7 Methylvinylether und Ethylenoxid als Schlüsseledukte der organischen Synthese Methoxyethen (Methylvinylether) und Oxiran (Ethylenoxid) sind Ausgangsprodukte zur Herstellung zahlreicher technisch bedeutender organischer Verbindungen. Viele wichtige Lösemittel sowie einige Monomere für Polymere sind aus diesen Schlüsselverbindungen zugänglich, wie die folgenden Beispiele (ohne stöchiometrisch korrekte Formulierung der Gleichungen) zeigen sollen.

16.7.1

Synthesen mit Methylvinylether OR

+ ROH

O H3C C H

+ H2O

H 3C O CH CH3

H3C OH

+

Acetaldehydalkylmethylacetal

Acetaldehyd

X H3C O CH CH 2

H3C O

+ X2

X

+ HX

H3C O CH2 CH 2

CH CH 2

c,d-Dihalogenether

O

(

H3C O CH2 CH 2 O C O-Acylglykolmethylether

16.7.2

OCH3

Polymerisation

+ R CO2 H

X

d-Halogenether

R

)n

CH CH2

Polymethoxyethen

Synthesen mit Oxiran (Ethylenoxid) + ROH

+ H 2O

RO CH 2 CH 2 OH

HO CH 2 CH 2 OH

Glykolmonoalkylether

Ethandiol (Glykol) + H2 S

+ HCl

+ HCl

HS CH2 CH2 OH

HO CH 2 CH 2 Cl

Mercaptoethanol

Ethylenchlorhydrin

O + NH 3

/ H2 O

Cl

CH 2 CH 2 Cl 1,2-Dichlorethan

/ H 2O

+ HCN

N C CH2 CH2 OH

H 2N CH2 CH2 OH

N C CH CH 2

Aminoethanol

Acrylnitril

+ HO CH 2 CH 2 O CH 2 CH 2 OH Diethylenglykol

O

+

[H ]

Polymerisation +

/

[H oder OH ]

HO (CH 2 CH 2 O )nCH2 CH2 OH Polyethylenglykol (mit terminalen OH-Gruppen)

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240

17 Chiralität

17 Chiralität 17.1 Asymmetrische C-Atome und Chiralität Ein tetraedrisches C-Atom mit vier verschiedenen Substituenten wird als asymmetrisch bezeichnet. Wie das Beispiel des 2-Butanols zeigt, gibt es dann zwei Isomere, die sich wie Bild und Spiegelbild voneinander unterscheiden und nicht zur Deckung gebracht werden können, wie die Molekülmodelle zeigen (Abb. 17.1). Diese Spiegelbildisomere werden als Enantiomere bezeichnet. Spiegelebene C2H 5 H3C

C 2H5

C

H OH Bild

2-Butanol

C H CH3 HO Spiegelbild

Abb. 17.1. Stab- und Kalottenmodelle der Enantiomeren des 2-Butanols (Kohlenstoff : schwarz; Sauerstoff : grau; Wasserstoff : weiß)

Ein asymmetrisches C-Atom ist eine, nicht die einzige Voraussetzung für Chiralität (vom griechischen Wort für Händigkeit, weil sich Enantiomere wie rechte und linke Hand unterscheiden). Jedes Molekül, das mit seinem Spiegelbild nicht deckungsgleich ist, wird als chiral bezeichnet. Die meisten physikalischen Eigenschaften (Siedepunkte, Schmelzpunkte, Brechungsindizes) von Enantiomeren sind gleich; Enantiomere unterscheiden sich jedoch durch ihre optische Aktivität.

17.2 Optische Aktivität und spezifische Drehung Unter optischer Aktivität versteht man die Fähigkeit einer Verbindung, die Ebene linear polarisierten Lichts um einen bestimmten Winkel c zu drehen, der in einem Polarimeter gemessen wird. Die spezifische Drehung [c] ist der auf eine bestimmte Konzentration und Schichtdicke bezogene

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17.3 Bezeichnung der absoluten Konfiguration

241

Drehwert. [c]D bedeutet, daß als monochromatische Lichtquelle die D-Spektrallinie des Natriums diente, [c]20, daß die spezifische Drehung bei 20 °C gemessen wurde. l : Schichtdicke in dm c : Konzentration in g / 100 mL

[c] = c"gemessen 100 [ ° ] lc

[c] 20 : spezifischer Drehwert , gemessen bei 20 °C, D Lichtquelle : D-Linie des Natrium-Spektrums ( n = 546.1 nm )

Enantiomere drehen die Ebene linear polarisierten Lichts um denselben Betrag, jedoch mit umgekehrten Vorzeichen, wie die enantiomeren 2-Butanole zeigen. C 2H5 2-Butanol

H 3C

C

C2H 5

H OH

H HO

C

CH 3

20

[c] D = / 15°

20

[c] D = + 15°

17.3 Bezeichnung der absoluten Konfiguration Enantiomere (Spiegelbildisomere) unterscheiden sich durch die absolute Konfiguration der Substituenten am asymmetrischen C-Atom. Zur Bezeichnung der absoluten Konfiguration asymmetrischer C-Atome gibt es die allgemein anwendbare CAHN-INGOLD-PRELOG Konvention sowie die traditionelle FISCHER-Konvention.

17.3.1

CAHN-INGOLD-PRELOG-Konvention ("CIP", R und S)

Nach der CAHN-INGOLD-PRELOG-Konvention ("CIP") zur Angabe der absoluten Konfiguration ordnet man den Substituenten am asymmetrischen C-Atom mit Hilfe dreier Regeln Prioritäten zu. (1)

Die Priorität der mit dem asymmetrischen C-Atom verknüpften Atome (erste Sphäre) sinkt mit abnehmender Ordnungszahl (Atommasse bei Isotopen) im Periodensystem, z. B.: H F C

I

Br I > Br > F > H

(2)

Cl

CH3

D

C H

F C H

I I > Cl > C > H

Br Br > F > D > H

Sind zwei oder mehr mit dem asymmetrischen C direkt verknüpfte Atome identisch, so sinkt die Priorität mit abnehmender An- und Ordnungszahl der benachbarten Atome (zweite Sphäre), z. B.: CH 3 CH 3 HO C H CH 2 CH3 OH > C2H 5 > CH 3 > H

CH 2Cl H 3C CH2 C CH3 H CH 2Cl > C 2H5 > CH 3 > H

H 3C C H H C Br CH 2 CH 3 Br > (CH3)2CH > C2H5 > H

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242

17 Chiralität

(3)

Doppelt und dreifach gebundene Zweitatome zählen je doppelt bzw. dreifach; eine Aldehyd-Gruppe (/CH=O) hat demnach eine höhere Priorität als eine Alkohol-Funktion (/CH2/OH): O Glyceraldehyd

C

H OH > CH=O > CH2/OH > H

HO C H CH2 OH

Nach Bestimmung der Prioritätenfolge um das asymmetrische C-Atom wird das Molekül so betrachtet bzw. gedreht, daß die Gruppe mit geringster Priorität (meist H) hinter der Zeichenebene steht. Sinkt dann die Priorität der Substituenten im Uhrzeigersinn (Gegenuhrzeigersinn), so liegt die R-Konfiguration (S-Konfiguration) vor; R folgt aus lat. rectus = rechts, S aus lat. sinister = links. Die Enantiomeren des 2-Butanols verdeutlichen dies und zeigen, daß die Rechts- bzw. Linksdrehung der Ebene linear polarisierten Lichts nicht mit der absoluten KonfigurationsBezeichnung zusammenhängt, R-Konfiguration also nicht rechtsdrehend (+) und S-Konfiguration nicht linksdrehend (/) bedeuten muß. So dreht (R)-2-Butanol nach links [(R)-(/)-2-Butanol], das (S)-Enantiomer dagegen nach rechts [ (S)-(+)-2-Butanol]: Abnahme der Priorität im Gegenuhrzeigersinn

C2H 5 C

C 2H5

H OH (S)-2-Butanol

C H CH3 HO (R)-2-Butanol

[c] 20 = + 15° D

[c] 20 D = / 15°

H3C

daher (S)-(+)-2-Butanol

Abnahme der Priorität im Uhrzeigersinn

( c = 10 g / 100 mL in Methanol )

daher (R)-(/)-2-Butanol

Im Falle des Glycerinaldehyds (Glyceraldehyds) dreht das (R)-Enantiomer nach rechts und das (S)-Enantiomer nach links: CH 2OH H C O

17.3.2

C

H OH

CH2OH H HO

C

H C

(R)-(+)-Glyceraldehyd

O (S)-(/)-Glyceraldehyd

[c] 25 = + 8.7° D

[c] 20 D = / 8.7°

( c = 2 g / 100 mL in Wasser )

FISCHER-Konvention (D und L)

Grundlage der FISCHER-Konvention ist die Projektion des Kohlenstoff-Tetraeders in die Ebene (FISCHER-Projektion). Dabei wird der Tetraeder so betrachtet, daß die längste Kohlenstoff-Kette vertikal und die schwerere Alkyl-Gruppe oben steht (Abb. 17.2 a, 2-Butanol, Ethyl oben, Methyl unten). Die horizontal geschriebenen Gruppen (H und OH in Abb. 17.2 a) stehen dann vorne, an der dem Beobachter zugewandten Tetraederkante. Die Keilstrich-Projektion bringt diesen Sachverhalt klarer zum Ausdruck (Abb. 17.2 b) und führt zur FISCHER-Projektion (Abb. 17.2 c), indem die Keilstriche durch einfache Valenzstriche ersetzt werden. Steht in der FISCHER-Projektion (Abb. 17.2 c) die funktionelle Gruppe nach rechts, so liegt das D-Enantiomer vor (D von dextro = rechts); steht die funktionelle Gruppe nach links, so spricht man vom L-Enantiomer (levo = links).

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17.3 Bezeichnung der absoluten Konfiguration

243

Die FISCHER-Projektionen (Abb. 17.2 c) können innerhalb der Papierebene verschoben werden, ohne daß sich die dargestellte absolute Konfiguration ändert; dagegen würde Herausnahme aus oder Drehung in der Papierebene die absolute Konfiguration ändern. Spiegelebene C 2H5

C2H 5 (a)

HO

H

C2H 5 HO C H CH 3

C 2H5 H C OH

Keilstrich-Projektion

CH3

C2H 5 (c)

Tetraeder (Außenansicht, Tetraederkanten)

OH CH3

CH 3

(b )

H

C 2H5

HO C H

H C OH

CH 3 L-2-Butanol

CH3 D-2-Butanol

FISCHER-Projektion

Abb. 17.2. Bezeichnung der absoluten Konfiguration nach der FISCHER-Konvention (D- und L-2-Butanol); die Verbindungslinien in (a) sind Tetraederkanten und keine Bindungen

17.3.3

Übersetzung der D,L- in die R,S -Bezeichnung

Abb. 17.3 illustriert am 2-Butanol, wie die D,L- Konfigurationsangabe nach FISCHER in die R,SBezeichnung nach CAHN-INGOLD-PRELOG übersetzt wird: Man schreibt die ebene FISCHERProjektion (Abb. 17.3 a) in die Keilstrich-Projektion um (Abb. 17.3 b) und dreht dann den Tetraeder so, daß der Substituent geringster Priorität (meist H) hinter der Zeichenebene steht (Abb. 17.3 c). Abb. 17.3 zeigt auf diese Weise für 2-Butanol, daß L- = (S)- und D- = (R)- ist. Dies gilt jedoch nicht allgemein; ersetzt man z. B. im 2-Butanol (Abb. 17.2) Methyl durch Brommethyl (/CH2/Br), so ist das resultierende L-1-Brom-2-butanol wegen Regel (2) der "CIP"-Konvention identisch mit (R)-1-Brom-2-butanol. L-2-Butanol C2H 5 (a)

HO C H CH 3

C2H 5 (b )

(c)

HO C H

D-2-Butanol C 2H5 H C OH CH3

CH3

C 2H5

C 2H5

C

Tetraeder (Außenansicht, Tetraederkanten)

C 2H5 H C OH

CH 3

H OH (S)-2-Butanol H 3C

Spiegelebene

C H CH3 HO (R)-2-Butanol

Keilstrich-Projektion

Keilstrich-Projektion (H hinter der Zeichenebene)

Abb. 17.3. Übersetzung der D,L- in die R,S-Bezeichnung der absoluten Konfiguration

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244

17 Chiralität

17.3.4

Racemate

Eine äquimolare Mischung von (R)- und (S)-Enantiomeren wird als racemische Mischung oder Racemat bezeichnet; so bedeutet die Angabe (RS)- oder (DL)- oder (±)-2-Butanol, daß eine racemische Mischung der Verbindung vorliegt. Ein Racemat ist, im Gegensatz zu den beiden Enantiomeren, aus denen es besteht, optisch inaktiv ([c] = 0) und besitzt andere physikalische Eigenschaften (Schmelzpunkt, Dichte, Löslichkeit, Tab. 17.1, S. 246).

17.4 Bestimmung der absoluten Konfiguration Die tatsächliche räumliche Anordnung der Atome eines Enantiomers läßt sich durch RÖNTGENBeugung (Kristallstrukturanalyse mit RÖNTGEN-Diffraktometer, RÖNTGEN-Diffraktometrie) bestimmen. Hierzu ist ein Einkristall erforderlich, der nur aus Molekülen eines Enantiomers besteht. J.M. BIJVOET führte erstmals 1951 am Natrium-Rubidium-Salz des rechtsdrehenden Enantiomers der Weinsäure eine solche Bestimmung durch. Die Kenntnis der absoluten Konfiguration dieser einen Verbindung ermöglichte dann die Zuordnung der absoluten Konfigurationen einer Vielzahl von Verbindungen durch Bestimmung ihrer relativen Konfiguration zur Weinsäure. COO Na H C OH HO C H COO Rb Natrium-Rubidium-(+)-tartrat

Eine Verbindung A hat dieselbe relative Konfiguration wie eine Verbindung B, wenn sich A ohne Inversion seiner Asymmetrie-Zentren in B umwandeln läßt. So gelingt die Umwandlung der (/)Weinsäure in (+)-Glyceraldehyd [(+)-Glycerinaldehyd] über eine Folge sterisch einheitlich verlaufender chemischer Reaktionen, bei denen keine der Bindungen am asymmetrischen C-Atom C-2 gebrochen und neu geknüpft wird. Somit besitzt (+)-Glyceraldehyd die gleiche relative Konfiguration wie (/)-Weinsäure an C-2. COOH H C OH HO C H COOH L-(+)-Weinsäure

COOH CH=O HO C H CH2OH L-(/)-Glycerinaldehyd = (S)-(/)-Glyceraldehyd

HO C H H C OH COOH D-(/)-Weinsäure

CH=O H C OH CH2OH D-(+)-Glycerinaldehyd = (R)-(+)-Glyceraldehyd

Als Spiegelbilder dieser Enantiomeren besitzen rechtsdrehende Weinsäure und linksdrehender Glycerinaldehyd entgegengesetzte absolute Konfigurationen.

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17.5 Verbindungen mit mehreren Asymmetriezentren

245

17.5 Verbindungen mit mehreren Asymmetriezentren 17.5.1

Zwei verschiedene asymmetrische C-Atome

Moleküle mit zwei Asymmetrie-Zentren wie 3-Brom-2-butanol bilden vier (22 = 4) Stereoisomere a-d. Aus den Projektionsformeln ergeben sich nach Abb. 17.3 die absoluten Konfigurationen. In Isomer a nehmen z. B. die Prioritäten der Substituenten an beiden asymmetrischen C-Atomen in einer Linksfolge ab, so daß es sich bei a um (2S,3S)-3-Brom-2-butanol handelt: C-1

CH3

C-2

H C OH

C-3 C-4

Br

C H

CH3 a (2S,3S)

CH 3 HO C H

CH 3

CH 3

H C OH

H C Br

H C Br

CH 3 b (2R,3R)

CH 3 c (2S,3R)

HO C H Br

C H

CH 3 d (2R,3S)

Bei Aminosäuren und Kohlenhydraten wird die traditionelle FISCHER-Konvention bevorzugt. Kohlenhydrate mit mehreren Asymmetriezentren ordnet man je nach Konfiguration des am höchsten bezifferten und der CH2OH-Gruppe am nächsten liegenden asymmetrischen C-Atoms der DReihe (OH nach rechts) oder der L-Reihe (OH nach links) zu. Glyceraldehyd (Abschn. 17.4) sowie die Aldotetrosen Threose und Erythrose sind einfache Beispiele hierzu: Threose CH=O HO C H H C OH CH2OH FISCHER (D,L) CIP (R,S)

a D (2S,3R)

Erythrose

C-1

CH=O

CH=O

H C OH

H C OH

HO C H

C-2

H C OH

HO C H

C-3

HO C H CH2OH b L (2R,3S)

CH2OH c D (2R,3R)

CH=O

CH 2OH d L (2S,3S)

C-4 Konfiguration an C-3

Die Aldotetrosen a und b sowie c und d sind jeweils ein Enantiomeren-Paar, das man als threoDL-Paar bezeichnet, da jedes Paar für sich eine Bild-Spiegelbild-Beziehung aufweist. In einem Enantiomer mit mehreren Asymmetrie-Zentren sind die Konfigurationen aller asymmetrischer CAtome gegenüber dem Gegen-Enantiomer invertiert. Jede der vier Aldotetrosen ist optisch aktiv. Eine äquimolare Mischung von a und b bzw. c und d ist racemisch und optisch inaktiv. Dabei unterscheiden sich die beiden Racemate durch ihre relative Konfiguration (threo- und erythro-) und zeigen daher verschiedene Schmelzpunkte. Die Konfigurationsbeziehung zwischen den Isomeren a und c (b und d) ist diastereomer, da a und c (b und d) Inversionsisomere ohne Bild-Spiegelbild-Beziehung sind. Auch die Isomeren a und d, b und c sowie b und d sind Diastereomere. Zwei Diastereomere weisen die gleiche Konfiguration an mindestens einem Asymmetriezentrum und zusätzlich die umgekehrte Konfiguration an mindestens einem weiteren Asymmetriezentrum auf. Somit sind Diastereomere verschiedene Verbindungen mit unterschiedlichen physikalischen und ähnlichen chemischen Eigenschaften. Eine äquimolare Mischung zweier Diastereomerer ist kein Racemat. Allgemein werden Stereoisomere als Diastereomere bezeichnet, wenn sie keine Enantiomere sind. Alle Isomere mit zwei und mehr asymmetrischen C-Atomen, die sich durch ihre relative Konfiguration unterscheiden, sind somit auch Diastereomere.

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246

17 Chiralität

Für Moleküle mit n verschiedenen asymmetrischen C-Atomen existieren 2n Stereoisomere und 2n/2 Enantiomerenpaare. Aldotetrosen mit zwei asymmetrischen C-Atomen (n=2) bilden somit wie gezeigt vier Stereoisomere, die zwei Enantiomerenpaare sind.

17.5.2

Zwei gleiche asymmetrische C-Atome

Verbindungen mit zwei identischen Asymmetriezentren existieren in zwei Enantiomeren, (RR) und (SS), sowie einer meso-Form, (RS) und (SR) (meso von griech. oguqu = Mitte). MesoIsomere (RS) und (SR) lassen sich aus Symmetriegründen zur Deckung bringen und sind daher keine Enantiomere. Sie unterscheiden sich also sowohl vom (RR)- und (SS)-Enantiomer als auch vom Racemat (RS). Ein Beispiel sind die verschiedenen Weinsäuren in Tab. 17.1. CO2H

CO2H

H C OH

HO C H

HO C H

H C OH

CO2H

(2R,3R)L-(+)-Weinsäure

CO2H

HO C H

H C OH

HO C H

CO2H

(2S,3S)D-(/)-Weinsäure

CO2H

H C OH CO2H

CO2H

(2R,3S)(2S,3R)meso-Weinsäure

Tab.17.1. Physikalische Eigenschaften der Weinsäuren spez. Drehwert [c] 20 (c = 17.4 in H 2O) D

Schmelzpunkt [°C]

Dichte bei 20 °C [ g/mL]

Löslichkeit [ g/100 g H2O ]

/ 12.7 + 12.7 0 0

171-174 171-174 206 146

1.7598 1.7598 1.788 1.666

139 139 20.6 125

D-Enantiomer L-Enantiomer DL-Verbindung (Racemat) meso-Isomer

Keilstrich- und NEWMAN-Projektionen der konfigurationsisomeren Weinsäuren illustrieren in Abb. 17.4), daß die Konformere der meso-Weinsäuren im Gegensatz zu denen der Enantiomeren zur Deckung gebracht werden können. 2,4-Dibrom-3-methylpentan besitzt eine ungerade Zahl asymmetrischer C-Atome. Von den drei Asymmetriezentren sind zwei identisch. Daher gibt es zwei meso-Formen (c und d) sowie zwei Enantiomere (a und b); dabei sind die Paare a/c, a/d, b/c, b/d und c/d jeweils Diastereomere. Diastereomere nennt man epimer (Epimere), wenn sie sich in der absoluten Konfiguration nur eines asymmetrischen C-Atoms unterscheiden. So sind a und c Epimere, nicht jedoch b und c. CH 3 H C Br H C CH 3 Br

C H CH 3

a aktiv Enantiomer

CH 3 Br

C H

H 3C C H H C Br CH 3

b aktiv Enantiomer

CH 3

CH 3 H C Br H C CH 3 H C Br

Br

C H

H 3C C H Br

C H

CH 3

CH 3

c inaktiv meso-

d inaktiv meso-

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17.5 Verbindungen mit mehreren Asymmetriezentren

247

OH H

OH OH

HO2C

HO

H CO2H

HO2C

OH CO2H

HO2C

H

HO2C

H H

H

OH

L-(+)-Weinsäure HO2C H HO

C

C

HO2C H HO

OH

OH

H HO

CO2H H

C

HO2C

H

D-(/)-Weinsäure

CO2H

H HO

CO2H C

C

HO2C

C

H

CO2H CO2H

HO2C H

C

H OH

HO2C

OH

H

CO2H

H

HO2C

H

HO2C

OH CO2H

CO2H CO2H OH

OH

CO2H OH

HO2C

H

OH

C

OH

OH CO2H

OH CO2H

H

H HO

H

OH

C

H

OH H

HO2C

HO2C

OH CO2H

OH HO

H

C

H HO

C

H C

H

OH

H

H

meso-Weinsäure HO2C H HO

C

C

OH H

HO2C H HO

CO2H

H C

C

HO2C

CO2H

H HO

OH

C

C

CO2H H OH

Abb. 17.4. Konformere der drei Weinsäuren

17.5.3

Enantiomere Cycloalkane

Enthalten Cycloalkane zwei identische asymmetrische C-Atome, so bilden die cis-Isomeren mesoFormen, die trans-Isomeren dagegen Enantiomere, wie Abb. 17.5 (S. 248) für 1,2-disubstituierte Cycloalkane sowie für 1,3-disubstituierte Cyclohexane klar macht. Unterscheiden sich die beiden asymmetrischen C-Atome, so gibt es stets cis- und trans-Isomere, die ihrerseits je als ein Paar von Enantiomeren existieren. Beispiele sind die Isomeren des 1-Brom2-methylcyclopropans: H 3C H

H

Br

Br

H

H

H

H H

cis-Isomere Enantiomere

CH 3 H

Br H

H H

H CH 3

H H3C

H H

Br H

trans-Isomere Enantiomere

1,3-disubstituierte Cyclobutane und 1,4-disubstituierte Cyclohexane enthalten aus Gründen der Molekülsymmetrie keine asymmetrischen C-Atome und bilden daher nur cis-trans-Isomere.

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248

17 Chiralität

cis-

trans-

(S,R)

(R,S)

(R,R)

(S,S)

X 1,2-disubstituiertes Cyclopropan

X

X

X

X

X

X

X

X 1,2-disubstituiertes Cyclobutan

X

X

X

X

X X

1,2-disubstituiertes Cyclopentan

X

X

X X

X

X X

X

X

1,2-disubstituiertes Cyclohexan

X

X X

X

X

X

X 1,3-disubstituiertes Cyclohexan

X

X

X

X

X

X X

meso-Formen

X

Enantiomere

X

Abb. 17.5. Meso-Formen und Enantiomere einiger disubstituierter Cycloalkane

17.6 Enantiomere ohne asymmetrische C-Atome 17.6.1

Asymmetrische Heteroatome

Anstelle eines asymmetrischen C-Atoms kann ein asymmetrisches Heteroatom treten. Beispiele hierzu sind Silane und Tetraalkylammonium-Salze mit je vier, Amin-N-oxide und SulfoniumSalze mit je drei verschiedenen Alkyl- oder Aryl-Resten: C6H 5 N

H3C O C 3H7 Methylphenyl-i-propylamin- N-oxid

H Si H3C C 6H5

S

H3C C6H 5 C 3H 7 Methylphenyl-i-propylsulfonium-Ion

Methyl-d-naphthylphenylsilan

Auch tertiäre Amine mit drei verschiedenen Substituenten bilden Enantiomere. Die Enantiomeren der TRÖGER-Basen mit zwei identischen asymmetrischen N-Atomen lassen sich mit diversen Methoden trennen. N enantiomere TRÖGER-Basen (R = CH3 , OCH3 )

R

N N

N

R

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17.6 Enantiomere ohne asymmetrische C-Atome

249

Ein asymmetrisches C- oder Heteroatom ist eine, aber nicht die einzig mögliche Ursache der Chiralität (Dissymmetrie). Alle Moleküle, die weder Symmetrieebenen, Symmetriezentren noch Drehspiegelachsen besitzen, sind chiral (dissymmetrisch). Fehlen zudem noch Symmetrieachsen Cn, so sind die Moleküle asymmetrisch (ohne Symmetrie). So gibt es viele Verbindungen, die, obwohl sie keine Asymmetriezentren besitzen, doch optisch aktive Enantiomere bilden. Hexachlor- sowie Hexahydroxycyclohexan (Inosit) enthalten zwar keine asymmetrischen C-Atome; jedoch gibt es von beiden Verbindungen Konfigurationsisomere, die als Enantiomerenpaare existieren.

17.6.2

Axiale Chiralität

Axiale Chiralität kann in Verbindungen auftreten, die "gestreckte" Tetraeder bilden. Die Strekkung wird z. B. in Allenen durch eine gerade Anzahl kumulierter Doppelbindungen realisiert; mit ungerader Anzahl kumulierter Doppelbindungen gibt es dagegen (E,Z)-Isomere. Spirocyclen sind bei geeigneter Substitution ebenfalls axial chiral. Br

Br H

Br H3C

H

H3C

CH 3

Br C C C CH3 Br

C C C Br

2,4-Dibrom-2,3-pentadien

Br

Br H

H 3,3'-Dibromspiro[3,3]heptan

Axial chiral sind ferner Biaryl-Derivate, in denen sperrige o,o'-ständige Substituenten die Rotation der Aryl-Ringe sterisch so behindern, daß sie orthogonal oder zumindest verdrillt stehen bleiben. Diesen Fall axialer Chiralität bezeichnet man als Atropisomerie. Enantiomere (Atropisomere) des 2,2'-Dibrom-6,6'-dimethylbiphenyls und 2,2'-Dihydroxybinaphthyls können z. B. getrennt werden.

H 3C H3C

Br Br

Br Br

CH3 CH3

2,2'-Dibrom-6,6'-dimethylbiphenyl

17.6.3

OH OH

HO HO

2,2'-Dihydroxybinaphthyl

Planare Chiralität und Helicität

Andere Beispiele von Enantiomeren ohne tetraedrische Asymmetriezentren sind 2,2'-Dialkyl-pcyclophane (planare Chiralität) und die Helicene wie Hexahelicen, deren Benzen-Ringe in Linksund Rechtsschrauben-Form (helical) anelliert sind (helicale Chiralität, Helicität)).

R R 2,2'-Dialkyl-p-cyclophan

Hexahelicen

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250

17 Chiralität

17.7 Racemat-Trennungen Die Trennung einer optisch inaktiven racemischen Mischung in zwei optisch aktive Enantiomere ist schwierig, weil die chemischen und physikalischen Eigenschaften von Enantiomeren identisch sind mit Ausnahme ihres Verhaltens gegenüber polarisiertem Licht (chiroptische Eigenschaften) und anderen chiralen Molekülen.

17.7.1

Die klassische Methode von PASTEUR

L. PASTEUR fand 1848, daß das Natrium-Ammonium-Salz der racemischen Weinsäure zweierlei asymmetrische Kristalle bildet, die sich wie Bild und Spiegelbild unterscheiden. Nach manuellem Sortieren dieser spiegelbildlichen (enantiomorphen) Kristalle im Mikroskop zeigten die wäßrigen Lösungen der beiden Kristallformen spezifische Drehungen der Ebene linear polarisierten Lichts um den gleichem Betrag, aber mit entgegengesetztem Vorzeichen. Eine Mischung gleicher Anteile beider Lösungen führte zum Verlust der optischen Aktivität. Diese von PASTEUR benutzte mechanische Trennung konnte nur in wenigen anderen Fällen verifiziert werden. Die Lösung eines Racemats kristallisiert höchst selten spontan als Mischung enantiomorpher Kristalle aus. Häufiger, auch technisch, gelingt dagegen die Auskristallisation eines Enantiomers aus übersättigten Lösungen durch Animpfen mit seinen Kristallen.

17.7.2

Trennung nach Bildung von Diastereomeren

Eine allgemein anwendbare Methode der Racematspaltung ist die Überführung der Enantiomeren in Diastereomere sowie deren Trennung und Reinigung durch fraktionierte Kristallisation oder Chromatographie. Anschließende Spaltung der getrennten und gereinigten Diastereomeren liefert die Enantiomere in optisch reiner Form. Die Trennung einer racemischen Säure, einer racemischen Base und eines racemischen Alkohols illustrieren die Methodik. Trennung racemischer Säuren Racemische Säuren wie (±)-Milchsäure (= DL-Milchsäure), lassen sich mit einer enantiomerenreinen (optisch aktiven) Base, z. B. mit den toxischen Alkaloiden (/)-Brucin oder (/)-Strychnin aus dem Brechnußbaum sowie (/)-Chinin oder (/)-Cinchonidin aus der Chinarinde, in zwei diastereomere Salze "(+,/)" und "(/,/)" überführen; aufgrund ihrer unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften (Löslichkeit, Schmelzpunkte) können die diastereomeren Salze getrennt werden. Saure Hydrolyse der getrennten Salze gibt die enantiomeren Milchsäuren (Abb. 17.6).

HO

H

H

H

R N

R

N H

R N

N R = OCH3 : (/) - Chinin R = H : (/) - Cinchonidin

H

H

O H R = H : (/) - Strychnin R = OCH3 : (/) - Brucin O

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17.7 Racemat-Trennungen

251

Liefert die erste Trennung noch keine enantiomerenreinen Produkte, wird eine zweite Trennung mit einer anderen Base nachgeschaltet. Den verwendeten natürlich vorkommenden enantiomerenreinen Alkaloiden gemeinsam ist ein im starren Ringsystem inversionsfreies asymmetrisches Stickstoff-Atom, in dessen unmittelbarer Nähe sich ein Benzen-Ring und asymmetrische C-Atome befinden.

CO2H

Enantiomere gemischt

CO2H

HO C H

H C OH

CH3 CH 3 L-(+)-Milchsäure D-(/)-Milchsäure Racemat in Wasser gelöst Zugabe von (/)-Brucin-Lösung diastereomere Salze Trennung durch fraktionierte Kristallisation

Diastereomere gemischt

CO2

CO2

[(/)-Brucin/H] Diastereomere getrennt

CH 3

CH3 / [( /)-Brucin/H]+ Cl

Enantiomere getrennt

/

[(/)-Brucin/H]

H C OH

HO C H

+ HCl

+ HCl

CO2H

/ [( /)-Brucin/H]+ Cl

/

CO2H

HO C H

H C OH

CH3 enantiomerenreine L-(+)-Milchsäure (S)-(+)-2-Hydroxypropansäure

CH 3 enantiomerenreine D-(/)-Milchsäure (R)-(/)-2-Hydroxypropansäure

Abb. 17.6. Trennung racemischer Säuren mit einer enantiomerenreinen Base über diastereomere Salze

Trennung racemischer Basen Umgekehrt gelingt die Trennung racemischer Basen durch Bildung diastereomerer Salze mit enantiomerenreinen Säuren. Bewährte und in ausreichender optischer Reinheit zugängliche Säuren sind z. B. (/)-Äpfelsäure, (/)-Mandelsäure, (+)-Weinsäure, (+)-Campher-10-sulfonsäure und (+)3-Bromcampher-10-sulfonsäure. ̈

D-Base L-Base Racemat

+ 2 D-Säure

D-Base/D-Säure L-Base/D-Säure Gemisch diastereomerer Salze

Trennung

D-Base/D-Säure L-Base/D-Säure

getrennte diastereomere Salze

+ HCl + HCl

D-Base/HCl +"""D-Säure L-Base/HCl

+ D-Säure

getrennte enantiomere Basen (Hydrochloride)

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252

17 Chiralität

Racemische Alkohole können nach Veresterung zu diastereomeren Estern mit einer enantiomerenreinen Säure getrennt werden. Individuelle Verseifung der getrennten diastereomeren Ester ergibt optisch reine Alkohole, aus denen weitere chirale Verbindungen hergestellt werden können. L - R'

L - R'

+ Na OH

C O

D - R OH + 2 L- R/CO2H

/ 2 H2O

D -R

C O

O

D -R

Trennung

L - R'

O

L - R'

C O

L - R OH L-R

racemischer Alkohol

/ L-R/CO2 Na

+ Na OH

C O L-R

O

Gemisch diastereomerer Ester

/ L-R/CO2 Na

O

getrennte diastereomere Ester

D - R OH

L - R OH

getrennte enantiomere Alkohole

Alternativ werden racemische Alkohole mit Phthalsäureanhydrid zu racemischen Phthalsäurehalbestern derivatisiert und letztere mit enantiomerenreinen Basen (s. o.) zu den trennbaren diastereomeren Salzen umgesetzt. D-R

O

+ H2O / (/)-Brucin / Phthalsäure

C O DL - R

O DL - R OH

C O

O

+

O AlkoholRacemat

O

Phthalsäureanhydrid

1.) + (/)-Brucin 2.) Trennung

CO2H

D - R OH

CO2 [(/)-Brucin/H] L-R

O + H2O / (/)-Brucin / Phthalsäure

C O

racemischer Phthalsäurehalbester

CO2 [(/)-Brucin/H] getrennte diastereomere Phthalsäurehalbester-( /)-Brucin-Salze

L - R OH

getrennte enantiomere Alkohole

Ähnliche Verfahren gestatten die Trennung racemischer Aldehyde und Ketone, z. B. mit Hilfe enantiomerenreiner Hydrazine über diastereomere Hydrazone.

17.7.3

Enzymatische Racemat-Trennungen

Bestimmte Mikroorganismen (Bakterien, Hefen, Pilze) und vor allem Enzyme verhalten sich oft unterschiedlich und spezifisch gegenüber Enantiomeren. Acetylierte DL-c-Aminosäuren, auch synthetische mit nicht in der Natur vorkommenden Seitenketten, werden z. B. durch das aus Schweinenieren gewonnene Enzym Nierenacylase getrennt. Nierenacylase spaltet N-Acetyl-Laminosäuren bedeutend schneller als die D-Enantiomeren. Aus dem Gemisch wird die noch acetylierte D-Aminosäure durch Extraktion mit einem organischen Lösemittel von der freien, in der Wasserphase verbleibenden L-Aminosäure abgetrennt. CO2 CH NH 3 CH3 DL-Alanin (Racemat)

CO2H H Acylase, + H2O CH N / CH3/CO2H CH 3 C CH3 O N-Acetyl-DL-alanin (Racemat)

CO2 H3N C H CH3 L-Alanin

CO2H +

H C NHCOCH3 CH3 N-Acetyl-D-alanin

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17.8 Prochiralität, Enantiotopie und Diastereotopie

17.7.4

253

Chromatographische Racemat-Trennungen

Chromatographische Trennverfahren basieren auf der selektiven und reversiblen Adsorption der Enantiomeren an chiralen Adsorbentien, die als stationäre Phasen in der Flüssigkeits- oder Gaschromatographie eingesetzt werden. Unter optimierten Bedingungen tritt ein Enantiomer weniger stark in diastereomere Wechselwirkung mit der stationären Phase und wird somit zuerst eluiert. Die flüssigkeitschromatographische Trennung vieler chiraler Wirkstoffe gelingt in präparativem Maßstab auf Säulen, die mit modifizierten Cyclodextrinen (Abschn. 39.8.2) als chiralen Phasen belegt sind. Gaschromatographisch läßt sich an chiralen Phasen auch die absolute Konfiguration und das Enantiomerenverhältnis chiraler Alkohole, Amine, Aminoalkohole und Aminosäureester nach Trifluoracetylierung bestimmen (chirale GC). Manche Racemate lassen sich durch Säulenchromatographie trennen, wobei die Säulen mit Polymeren gepackt werden, an die Enzyme kovalent gebunden sind.

17.8 Prochiralität, Enantiotopie und Diastereotopie 17.8.1

Prochiralität am tetraedrischen C

Ein tetraedrisches C-Atom mit drei verschiedenen Substituenten a, b und c ist nicht asymmetrisch; es wird als prochiral bezeichnet. Wandelt sich einer der beiden identischen Substituenten a in d um, so entsteht aus dem prochiralen ein asymmetrisches C-Atom: b

b

a C a

a C d c asymmetrisch (chiral)

c prochiral

Die Bezeichnung zweier Substituenten am prochiralen C-Atom, z. B. der H-Atome an der prochiralen Methylen-Gruppe des Ethanols, ist nach den CAHN-INGOLD-PRELOG-Regeln pro-R bzw. pro-S. Dabei werden die beiden H-Atome als H' und H" markiert, wobei H' willkürlich die höhere Priorität erhält. OH H'

C H'' CH 3

H' > H''

H3C

OH

OH

HS C HR

C

H''

CH 3

H' OH > CH3 > H' : (S)

H' ist also pro-S oder HS

Die beiden H-Atome am prochiralen C des Ethanols, allgemein zwei Gruppen X in R1/CX2/R2, unterscheiden sich durch ihre topographische Lage im Molekül (Topie, Topizität). Die Umgebung des oberen (vorderen) H-Atoms ist im Vergleich zu der des unteren (hinteren) enantiomer. Daher nennt man die identischen Substitutenten eines prochiralen C-Atoms auch enantiotop. CH3

H enantiotope Methylen-H-Atome des Ethanols

HO H3C

C H

C

H O H H3C

C

H

diastereotope Methylen-H-Atome des Acetaldehyddiethylacetals

OC2H 5

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254

17 Chiralität

Enantiotope Gruppen wie die H-Atome des prochiralen Methylen-Fragments in Ethanol können mit den meisten physikalischen Meßmethoden nicht unterschieden werden. Befindet sich die prochirale Gruppe /CX2/ jedoch in der Nähe eines (von X aus gesehenen) asymmetrischen C-Atoms, so liegen die beiden identischen Substituenten X in verschiedender Umgebung; sie sind nicht mehr enantiotop, sondern diastereotop und daher mit physikalischen (spektroskopischen) Methoden unterscheidbar. Bekannte Beispiele sind die O-Methylen-H-Atome der Diethylacetale. Durch Reaktion einer prochiralen Verbindung mit einem chiralen Reagenz werden enantiotope Gruppen am prochiralen C-Atom stets diastereotop. Ein Beispiel ist Verknüpfung des N-Acetyl-2methylalanins (enantiotope Methyl-Gruppen) mit der enantiomerenreinen Aminosäure L-Alanin [(S)-2-Aminopropansäure] zum Dipeptid (diastereotope Methyl-Gruppen). Die Reaktion gelingt mit kondensierenden Reagenzien. enantiotope Methyl-Gruppen H3C O H 3C C C OH H3C C N H O

diastereotope Methyl-Gruppen H

+

N-Acetyl-2-methylalanin achiral

H 3C O H H3C C C CH3 N C H 3C C N CO2CH 3 H H O

/ H2O

CH3 H2N C CO2CH3 L-Alaninmethylester chiral

N-Acetyl-2-methylalanyl-L-alaninmethylester chiral

Als homotop (ununterscheidbar) bezeichnet man zwei Substituenten, wenn sie durch Drehung um eine Cn-Achse zur Deckung gebracht werden können. Homotop sind z. B. die Wasserstoff- und Chlor-Atome in (Z)- und (E)-1,2-Dihalogenalkenen. Cl

Cl C C H H

17.8.2

homotope H- und Cl-Atome des (Z)-1,2-Dichlorethens

Prochiralität am trigonalen C

Auch die trigonale Carbonyl-Gruppe in Aldehyden oder unsymmetrischen Ketonen ist prochiral. Entsprechend sind die beiden Seiten der Carbonyl-Bindungsebene nicht identisch; man nennt sie enantiofacial. Zur Unterscheidung blickt man auf die Ebene der Carbonyl-Gruppe und ordnet die Priorität der Substituenten nach den CAHN-INGOLD-PRELOG-Regeln. Sinkt die Priorität im Uhrzeigersinn, so blickt man auf die Re-Seite; eine Abnahme im Gegenuhrzeigersinn kennzeichnet die Si-Seite: O

OH

OH

+ H: H

C

M

+ :H C

Re

M

E (S)-2-Butanol

Si

C

M

H

E (R)-2-Butanol

E E = C 2H5 ; M = CH3

Enantiomerenreine Reagenzien unterscheiden Re- und Si-Seite. So gelingt die Reduktion des Butanons mit einem enantiomeren komplexen Metallhydrid zum (R)-2-Butanol, wenn das Hydrid von der Si-Seite an die Carbonyl-Gruppe addiert.

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17.9 Stereo- und Enantioselektivität von Reaktionen

255

17.9 Stereo- und Enantioselektivität von Reaktionen 17.9.1

Inversion, Retention und Racemisierung

Inversion Hat eine Reaktion an einem Asymmetrie-Zentrum den Konfigurationswechsel dieses Atoms zur Folge (R zu S, S zu R oder R,S zu S,R), so spricht man von Inversion. Eine Inversion muß nicht notwendigerweise das Vorzeichen der spezifischen Drehung umkehren, da (R)-Konfiguration nicht rechtsdrehend und (S)-Konfiguration nicht linksdrehend bedeutet. Eine bekannte Inversion ist die WALDEN-Umkehr bei nucleophilen Substitutionen, die nach dem SN2-Mechanismus ablaufen. Die Beobachtung der WALDEN-Umkehr bei nucleophilen Substitutionen an enantiomerenreinen Substraten ist somit ein experimenteller Hinweis auf den SN2Mechanismus. So läßt sich z. B. linksdrehendes enantiomerenreines (R)-(/)-2-Bromoctan unter vollständiger Inversion (SN2) am asymmetrischen Kohlenstoff mit konzentrierter Natronlauge in rechtsdrehendes, enantiomerenreines (S)-(+)-2-Octanol überführen: ̈

C6H 13 (R)-(/)-2-Bromoctan [a]D = / 36°

C

H

/

+ OH , / Br

/

C 6H13

SN2

CH3

H3C

Br

(S)-(+)-2-Octanol [a]D = + 10.3°

C

H OH

Retention Vollzieht sich eine Reaktion ohne Konfigurationsumkehr der Asymmetriezentren (R bleibt R, S bleibt S und RS bleibt RS), also unter Erhaltung der absoluten Konfiguration (stereokonservative Reaktion), so spricht man von Retention. Die Derivatisierung des 1-Phenyl-2-propanols zum Tosylat verläuft z. B. unter Retention; dagegen führt die anschließende Substitution des Tosylat-Anions durch Acetat nach SN2 zur vollständigen Inversion, die Hydrolyse des Acetats (Essigsäureesters) erneut zur Retention (Abb. 17.7). ̈

CH 3 CH2 C O H H

SO2Cl , / HCl

+ H3C

keine Inversion, C/O-Bindung bleibt intakt

[c]D = + 33.2° optische Reinheit : 98 %

CH 3

O

CH 2 C O S

CH 3

O

H

[c]D = + 31.1° enantiomerenrein SN2 , vollständige Inversion C-O-Bindung wird gespalten

+ CH3/CO2

/

/ H3C

SO3

/

O OH CH2 C CH3 H [c]D = / 32.2° enantiomerenrein

/

+ OH ", / CH3/CO2

/

keine Inversion, C/O-Bindung bleibt intakt

O

C

CH3

CH 2 C CH 3 H [c]D = / 7.1° enantiomerenrein

Abb. 17.7. Nucleophile Substitutionen des 1-Phenyl-2-propanols mit bzw. ohne Konfigurationsumkehr

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256

17 Chiralität

Racemisierung Bei einer Racemisierung führt die chemische Reaktion einer enantiomerenreinen Verbindung zu einem racemischen Gemisch (R wird R,S ; S wird R,S). Mit Racemisierungen ist zu rechnen, wenn enantiomerenreine Verbindungen in Reaktionen verwickelt werden, die unter intermediärer Bildung von Carbenium-Ionen, Carbanionen oder Radikalen an asymmetrischen C-Atomen ablaufen. Je langlebiger das intermediär auftretende Carbenium-Ion ist, desto wahrscheinlicher wird eine vollständige Racemisierung enantiomerenreiner Substrate. SN1-Reaktionen sind deshalb im Gegensatz zu SN2-Reaktionen nicht stereospezifisch. So verläuft die Hydrolyse des enantiomerenreinen c-Chlorethylbenzens über das mesomeriestabilisierte (relativ langlebige) c-PhenylethylKation in wäßrigem Ethanol unter vollständiger Racemisierung: CH 3

CH 3

60 % C2H5OH / H2O , SN1

C Cl

C OH

H

CH3 sowie HO C

H

enantiomerenreines (R)-c-Chlorethylbenzen

H

Produktverhältnis 1 : 1 vollständige Racemisierung : [c]D = 0°

Weniger stabile (relativ kurzlebige) Carbenium-Ionen werden durch die austretende Gruppe etwas abgeschirmt, so daß ein Angriff des Nucleophils von der Rückseite wahrscheinlicher wird; anstelle vollständiger Racemisierung wird dann teilweise Inversion beobachtet wie bei der Hydrolyse des enantiomerenreinen (R)-3-Chlor-3,7-dimethyloctans: CH 3 (H 3C)2CH

CH 3

60 % C2H5OH / H2O , SN1

(H 3C)2CH

(CH 2)3 C C 2H 5

OH

(CH 2)3 C C2H5 sowie (H 3C)2CH

Cl

(CH 2)3 C C 2H 5

OH

(R)-3-Chlor-3,7-dimethyloctan enantiomerenrein

CH 3

(R)- und (S)-3,7-Dimethyloctan-3-ol Produktmischung geringer Enantiomeren-Reinheit (Inversion und etwa 75 % Racemisierung)

Bei Substitutionen an asymmetrischen Atomen chiraler Moleküle kann man durch Bestimmung der enantiomeren Reinheit (chirale GC oder Drehwertmessungen) und der Reaktionsordnung (kinetische Messungen) Rückschlüsse auf den Mechanismus ziehen. Zum Studium einfacher Austauschraten läßt sich die radioaktive Markierung, beispielsweise mit radioaktivem Iod, heranziehen, wie die unter vollständiger Inversion verlaufende SN2-Reaktion am 2-Iodbutan zeigt: CH3

H3C I* """"""""-

H H5C 2

C

I

I*

C

H C 2H5

+

I

Die beobachtete Racemisierungsgeschwindigkeit des 2-Iodbutans ist doppelt so groß wie die Einbaurate des radioaktiven Iods, da z. B. 100 Moleküle des (R)-2-Iodbutans vollständig racemisiert sind, wenn davon 50 durch SN2-Reaktion in Moleküle der (S)-Konfiguration übergeführt sind.

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17.9 Stereo- und Enantioselektivität von Reaktionen

17.9.2

257

Stereoselektivität, Stereospezifität

Reaktionen, bei denen nicht asymmetrische Moleküle in Stereoisomere übergeführt werden, die statistisch gesehen in gleicher Anzahl gebildet werden, werden als nicht stereoselektiv bezeichnet. Man beobachtet dies normalerweise bei Reaktionen über freie Radikale. Dagegen ist eine Reaktion stereoselektiv, wenn sie vorwiegend oder ausschließlich ein Stereoisomer liefert. Beispiele sind cis-Hydrierungen von Alkinen, trans-Hydrierungen der Alkine mit Natrium in flüssigem Ammoniak sowie trans-Eliminierungen (E2) von Halogenalkanen. Stereospezifisch ist eine Reaktion, die ein stereochemisch einheitliches Edukt in ein stereochemisch einheitliches Produkt umwandelt. Beispiele sind die elektrophile Addition von Brom an Cycloalkene (mit cis-Konfiguration an der Doppelbindung) zu trans-1,2-Dibromcycloalkanen, die WALDEN-Inversion der SN2-Reaktion, sowie die Dihydroxylierungen von Cycloalkenen mit Osmiumtetroxid oder Peroxiden. Stereospezifisch in Bezug auf die Konfigurationen von Dien und Dienophil sind auch DIELS-ALDER-Reaktionen.

17.9.3

Asymmetrische (enantioselektive) Synthesen

Chirogene Reaktionen, bei denen ein achirales Edukt in ein chirales Produkt mit einem asymmetrischen C-Atom übergeht, führen normalerweise zum Racemat. Lithiumaluminiumhydrid reduziert 2-Butanon zu racemischem 2-Butanol (Abschn. 17.8.2), weil das Hydrid-Anion mit gleicher Wahrscheinlichkeit von der Re- und der Si-Seite der Carbonyl-Funktion angreifen kann. Reduziert man jedoch 2-Butanon mit LiAlH4, das durch einen chiralen Liganden komplexiert wird, so entsteht ein Enantiomer im Überschuß; die Reaktion wird enantioselektiv. Die Qualität einer enantioselektiven Reaktion wird durch den Enantiomeren-Überschuß (enantiomeric excess, e.e.) beurteilt: Enantiomeren-Überschuß

e.e. = % R / % S =

[R] / [S] [R] - [S]

100 [%]

Substituierte Alkene enthalten prochirale C-Atome und bieten den Reagenzien enantiofaciale Seiten. Die SHARPLESS-Epoxidation von Allylalkoholen mit t-Butylhydroperoxid in Gegenwart eines chiralen Hilfsreagenzes [(+)- oder (/)-Weinsäurediethylester, komplexiert durch Titantetra-ipropylat] ist ein Beispiel. Addition von der Si-Seite führt zum (S)-Oxiran; von der Re-Seite aus entsteht das (R)-Oxiran.

+ [O]

O H R (R)-Hydroxymethyloxiran

+ [O]

Re

Si

C H R

R = CH 2OH

O H R (S)-Hydroxymethyloxiran

Zunächst bildet Titantetra-i-propylat mit dem Weinsäureester-Enantiomer einen dimeren, chiralen Komplex. Anschließend substituieren t-Butylhydroperoxid und Allylalkohol die verbliebenen iPropylat-Liganden (1), so daß Titan(IV) geometrisch definiert sowohl den Allylalkohol als auch das epoxidierende Peroxid bindet, wobei es als LEWIS-Säure ein Peroxy-O-Atom komplexiert und dadurch das andere zum Elektrophil polarisiert (2). Das elektrophile Peroxy-O-Atom addiert dann an die CC-Doppelbindung (3); im Komplex entsteht dabei das Oxiran-Enantiomer, während das

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258

17 Chiralität

ehemalige, komplexierte Peroxy-O-Atom eine kovalente Bindung zum Titan(IV) knüpft (4). Die Aufarbeitung in Wasser (5) setzt t-Butylalkohol und das Oxiran-Enantiomer frei. O * Ti

O * O Ti O

(2)

O

O * O Ti O

(3)

O * O Ti O

(4)

O

(1)

O

(5)

/ 2 (CH3) 2CH/OH

+ (CH3) 3C/O/OH + H

OC 2H5 O

* OCH(CH 3)2 Ti OCH(CH 3)2

(H 3C)2CHO (H 3C)2CHO

Ti

O O

CO2C2H 5

OH

OCH(CH3)2 O Ti O OCH(CH3)2

O

O H5C 2O2C OC 2H5

Einige Aminosäuren werden z. B. durch enantioselektive Hydrierung von Acetylaminoacrylsäureestern mit Hilfe chiraler Katalysatoren hergestellt (enantioselektive Katalyse). Rhodium(I)-Chelate chiraler Diphosphinoethan-Liganden [Bauprinzip: (R)- oder (S)- R2P/CHR'/CH2/PR2] sind besonders effektive chirale Hydrierkatalysatoren (e.e.-Werte zwischen 90 und 99 %). CH 3 H

C

+ H2 (Kat.)

Y

CH 3

+ H2 (Kat.)

Re

C

Si

(S)-N-Acetylalaninmethylester

H

X (R)-N-Acetylalaninmethylester

X X = NHCOCH 3

C

Y

Y

X

Y = CO2CH 3

Bei der Synthese enantiomerenreiner Verbindungen (EPC-Synthese, EPC für enantiomeric pure compounds nach SEEBACH) haben sich gut zugängliche chirale Hilfsreagenzien (Auxiliare) bewährt, die man kovalent an ein achirales Edukt bindet. Durch die Verknüpfung des Edukts mit dem chiralen Auxiliar senkt sich die Aktivierungsenergie FEA zur Bildung eines der beiden Enantiomeren (Abb. 17.8). Epot FFEA

FEA(S)

FEA(R) Edukt/R* (R*: chirales Auxiliar)

(S)-Enantiomer

(R)-Enantiomer Reaktionskoordinate

Abb. 17.8. Energiediagramm einer auxiliar-gesteuerten asymmetrischen Synthese (Favorisierung des (R)Enantiomers)

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17.9 Stereo- und Enantioselektivität von Reaktionen

259

Ohne Auxiliar wäre die Aktivierungsenergie zur Bildung beider Enantiomeren gleich (FEA(R) = FEA(S) ), so daß ein Racemat entstünde. Streng genommen sind auxiliar-gesteuerte asymmetrische Synthesen diastereoselektiv. Im Falle eines Auxiliars mit (R)-Konfiguration beträgt der Diasteromerenüberschuß [RR] / [SR]

Diastereomeren-Überschuß d.e. = % RR / % SR = bei (R)-Konfiguration des Auxiliars

[RR] - [SR]

100 [%]

.

Exemplarisch und besonders klar ist ein von TROST gefundenes Prinzip zur auxiliar-gesteuerten asymmetrischen DIELS-ALDER-Reaktion. Chirales Hilfreagenz ist (R)- oder (S)-O-Methylmandelsäure; durch Einbau des (R)-Methylmandeloxy-Restes in 1,3-Butadien entsteht ein "chirales" Dien, in dem die Re-Seite sterisch und durch charge-transfer-Wechselwirkung von Phenyl-Rest und Dien vor der Addition eines Dienophils geschützt wird (Seitendifferenzierung). Das Dienophil addiert dann bevorzugt von der Si-Seite. Mit Acrolein als Dienophil ensteht (3S,4S)-3-Alkoxycyclohexen-4-aldehyd. Da das Primärprodukt die chirale Hilfsgruppe mit (R)-Konfiguration noch enthält, ist die Reaktion diastereoselektiv; der erzielte Diastereomerenüberschuß beträgt d.e. = % SSR / % RRR = 64 % .

H

C

O OR* (3S,4S)3-Alkoxycyclohexen-4-aldehyd 64 % d.e.

+

H C

+ Si

O

H C

Re

O C

O Acrolein

C

H OCH 3

C

H

OR* O (3R,4R)-

O (R)-1-O-Methylmandeloxy-1,3-butadien

Ein gutes Auxiliar erzielt gute chemische Ausbeuten, hohe Diastereomerenüberschüsse, läßt sich unter möglichst milden Bedingungen abspalten und zur weiteren Verwendung zurückgewinnen. Die stereochemische Kontrolle der Ausbildung weiterer asymmetrischer Zentren durch sterische und elektronische Faktoren bereits vorhandener Asymmetrie-Zentren ist von grundlegender Bedeutung bei Biosynthesen. So werden die Proteine ausschließlich aus L-Aminosäuren über stereospezifische biochemische Reaktionen aufgebaut. Pflanzen erzeugen bei der Photosynthese nur DGlucose, und nur diese wird im tierischen Organismus metabolisiert, nicht das L-Enantiomer.

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260

18 Carbonsäuren und ihre Derivate

18 Carbonsäuren und ihre Derivate 18.1 Nomenklatur der Carbonsäuren Die Carboxy-Gruppe (/COOH oder /CO2H) kennzeichnet Carbonsäuren mit den allgemeinen Formeln R/CO2H oder Ar/CO2H; dabei symbolisiert R eine gesättigte oder ungesättigte Alkyloder Cycloalkyl-Gruppe, Ar eine Aryl-Gruppe, z. B. Phenyl- oder Naphthyl-. Eine Di-, Tri-, Tetra- oder Polycarbonsäure enthält zwei, drei, vier oder noch mehr Carboxy-Funktionen. Die IUPAC-Bezeichnung einer Carbonsäure ergibt sich aus der längstmöglichen KohlenstoffKette einschließlich der Carboxy-Gruppe. Dabei fügt man die Endung "-säure" an die Bezeichnung des Alkans, Alkens oder Alkins, von welcher sich die Carbonsäure ableitet. Bei Dicarbonsäuren ist diese Endung "-disäure". Vom Hexan, trans-2-Hexen und 2-Hexin leitet man z. B. durch formalen Ersatz einer bzw. zweier CH3-Gruppen durch /CO2H folgende Mono- bzw. Dicarbonsäuren ab: H3C CH2 CH 2 CH 2 CH2 CH3 n-Hexan

H3C CH2 CH 2 CH 2 CH2 CO2H Hexansäure (Capronsäure)

H 3C

HO2C CH2 CH 2 CH 2 CH2 CO2H Hexandisäure (Adipinsäure)

HO2C

H C C CH 2 CH2 CH3 H (E)-2-Hexen

HO2C

H C C CH 2 CH2 CH3 H (E)-2-Hexen-1-säure

H3C C C CH 2 CH2 CH3 2-Hexin

H C C CH 2 CH2 CO2H H (E)-2-Hexendisäure

HO2C C C CH2 CH 2 CH 3 2-Hexin-1-säure

HO2C C C CH2 CH 2 CO2H 2-Hexindisäure

Die Stellung einer Alkyl-Seitenkette oder einer anderen funktionellen Gruppe wird unter Vorrang der Carboxy-Gruppe mit arabischen Ziffern bezeichnet, z. B.: 6

5

4

3

2

1

H3C CH2 CH 2 CH CH CO2H

2-Brom-3-methylhexansäure

CH 3 Br

Benzoide Arencarbonsäuren bezeichnet man als Benzoesäuren, z. B.: CO2H

Benzoesäure

CO2H HO 4-Hydroxybenzoesäure

Br

CO2H

HO 3-Brom-4-hydroxybenzoesäure

Gängige Trivialbezeichnungen vieler Carbonsäuren leiten sich von ihrer natürlichen Herkunft ab, wie Tab. 18.1 für einige Vertreter zeigt.

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18.1 Nomenklatur der Carbonsäuren

261

Tab. 18.1. Trivialbezeichnungen und natürliche Herkunft einiger Carbonsäuren Formel

Trivialname

natürliche Herkunft

Ameisensäure

Drüsensekret der Ameise

H 3C CO2H

Essigsäure

Essig

H3C CH2 CH 2 CO2H

Buttersäure

ranzige Butter

H CO2H

Valeriansäure

Baldrian (Valeriana officinalis)

Capronsäure

Ziegenfett [caper (lat.) die Ziege]

Salicylsäure

Weidenrinde [ salix (lat.) die Weide]

H3C CH2 CH2 CH 2 CO2H H 3C CH 2 CH2 CH2 CH 2 CO2H CO2H OH

Die Position einer weiteren funktionellen Gruppe oder einer Seitenkette wird im Trivialnamen durch griechische Buchstaben gekennzeichnet, wobei man bei dem der Carboxy-Gruppe benachbarten C-Atom mit c beginnt: g

f

i

d

c

H2N CH2 CH2 CH 2 CH 2 CH CO2H

c,g-Diaminocapronsäure (2,6-Diaminohexansäure)

NH2

Bei cycloaliphatischen, aromatischen oder heteroaromatischen Säuren setzt man üblicherweise die Endung "-carbonsäure" an die IUPAC-Bezeichnung des die Carboxy-Gruppe(n) tragenden Kohlenwasserstoff-Restes (Tab. 18.2). Die Anwesenheit mehrerer Carboxy-Gruppen wird durch die Vorsilben "di", "tri", "tetra"- usw. gekennzeichnet, ihre Stellung durch die kleinstmöglichen arabischen Ziffern. Bei Ring-Systemen mit definierter Bezifferung hat diese Vorrang (vgl. Naphthalen- und Pyridincarbonsäuren in Tab. 18.2) . Tab. 18.2. Nomenklatur cyclischer Carbonsäuren Stammverbindung

Monocarbonsäure

Dicarbonsäure

CO2H

Cyclobutan 8

Cyclobutancarbonsäure

1

CO2H

2

7

CO2H

CO2H cis-1,2-Cyclobutandicarbonsäure HO2C

CO2H

3

6 4

5

Naphthalen

Naphthalen-2-carbonsäure (2-Naphthoesäure)

2,6-Naphthalendicarbonsäure

1

N

2 3

4

Pyridin

N

N CO2H Pyridin-3-carbonsäure (Nicotinsäure)

CO2H CO2H

Pyridin-2,3-dicarbonsäure

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262

18 Carbonsäuren und ihre Derivate

Tab. 18.3. Nomenklatur und physikalische Eigenschaften ausgewählter Carbonsäuren Klasse

aliphatische gesättigte Monocarbonsäuren

aliphatische ungesättigte Monocarbonsäuren

Konstitutionsformel

Methan-

Ameisen-

H 3C CO2H

Ethan-

Essig-

CH 2 CO2H

Propan-

Propion-

H CO2H H 3C

unbegrenzt

17.7

118

unbegrenzt

1.7

/ 22

141

unbegrenzt

1.3

unbegrenzt

1.5

Butan-

Butter-

/ 6

144

H 3C

[CH 2] 3 CO2H

Pentan-

Valerian-

/ 34

187

3.7

1.6

H 3C

[CH 2] 4 CO2H

Hexan-

Capron-

205

1.0

1.4

H 3C

[CH 2] 6 CO2H

Octan-

Capryl-

/" 3 16

239

0.07

1.4

Propen-

Acryl-

12

140

unbegrenzt

5.6

(E)-2-Buten-

Croton-

71.5

189

(Z)-9Octadecen-

Öl-

16

--

unlöslich

H 2C CH CO2H H H 3C C C CO2H H

H 5C6

2.0

Phenylmethan-

Benzoe-

122

249

0.34

6.5

CO2H

2-Hydroxyphenylmethan-

Salicyl(o-Hydroxybenzoe-)

158

--

0.22

1.1

CH 2 CO2H

Phenylethan-

Phenylessig-

76

265

1.56

5.2

H C C H CO2H

(E)-3-Phenyl- trans-Zimtpropen-

135

300

löslich

3.65

Ethandi-

Oxal-

189

Zersetzung

9

5400

5.2

Propandi-

Malon-

136

Zersetzung

74

140

0.2

HO2C CO2H HO2C

8.3

CO2H

OH

aliphatische ungesättigte Dicarbonsäuren

100.5

8 16.6

[CH 2] 2 CO2H

Aren-Monocarbonsäuren

aliphatische gesättigte Dicarbonsäuren

Löslichkeit Dissoz. konst. g/100g H2O k1 x10/5 k2 x10/5

H 3C

C17H 33 CO2H

aliphatischaromatische Monocarbonsäuren

IUPAC-Name Trivialname Schmelzpunkt Siedepunkt ... -säure ... -säure °C °C (1011 mbar)

CH 2 CO2H

HO2C

[CH 2] 2 CO2H

Butandi-

Bernstein-

185

Zersetzung

6

6.4

0.23

HO2C

[CH 2] 3 CO2H

Pentandi-

Glutar-

98

Zersetzung

64

4.5

0.38

HO2C

[CH 2] 4 CO2H

Hexandi-

Adipin-

151

--

2

3.7

0.39

HO2C

[CH 2] 5 CO2H

Heptandi-

Pimelin-

105

--

5

3.1

0.37

HO2C HO2C HO2C

[CH 2] 6 CO2H [CH 2] 7 CO2H [CH 2] 8 CO2H

OctandiNonandiDecandi-

SuberinAzelainSebacin-

144 106 134

----

0.2 0.3 0.1

3.0 2.9 2.6

0.39 0.39 0.4

(E)-2-Butendi- Fumar-

302

Zersetzung

0.7

(Z)-2-Butendi- Malein-

130.5

Zersetzung

CO2H

1,2-Benzendi- Phthal-

231

Zersetzung

CO2H

1,3-Benzendi- Isophthal-

348.5

CO2H

1,4-Benzendi- Terephthal-

300

HO2C

H C C CO2H H H H C C CO2H HO2C

79

96

4.1

1000

0.05

0.7

110

0.4

Sublimation

0.07

24

Sublimation

0.001

29

CO2H

Aren-Dicarbonsäuren

25

HO2C HO2C

3.5

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18.2 Wasserstoffbrücken-Bindung von Carbonsäuren

263

18.2 Wasserstoffbrücken-Bindung von Carbonsäuren Im Vergleich zu Alkoholen ähnlicher Molekülgröße zeigen die Carbonsäuren außergewöhnlich hohe Siedepunkte (Tab. 18.3), weil sie in Form von Wasserstoffbrücken-Dimeren existieren. Bestimmt man die molare Masse der niedermolekularen Carbonsäuren nach der DampfdichteMethode, so ergibt sich das Doppelte der molaren Masse. Daraus folgt, daß diese Carbonsäuren selbst im Dampfzustand als cyclische Dimere vorliegen, welche durch zwei Wasserstoffbrücken zusammengehalten werden. Alternativ werden offenkettige Strukturen für die Dimeren diskutiert. O R

H O

C

O C R

O H

O C

O

Carbonsäure-Dimer

H

H

O H

R

O H O

C

R Wasserstoffbrücken zwischen Carbonsäuren und Wasser

Die Carbonsäuren können auch mit anderen zur Assoziation fähigen Molekülen Wasserstoffbrücken bilden, z. B. mit Alkoholen oder Wasser als Lösemittel. Somit beeinflußt die Wasserstoffbrücken-Assoziation nicht nur die Siedepunkte der Carbonsäuren, sondern auch ihre Wasserlöslichkeit (Tab. 18.3). Mit wachsender Größe der Alkyl-Gruppe überwiegt zunehmend deren hydrophobes Verhalten, so daß die Wasserlöslichkeit abnimmt. Die Siedepunkte (Tab. 18.3) steigen mit der Molmasse. Parallel zur Abnahme der Flüchtigkeit ändert sich der Geruch: Ameisen-, Essigund Propionsäure riechen stechend, Butter-, Valerian- und Capronsäure unangenehm schweißartig, die höheren Carbonsäuren sind dagegen fast geruchlos.

18.3 Struktur der Carboxy-Gruppe Elektronen- und Neutronenbeugung sowie mikrowellenspektrometrische Untersuchungen zeigen, daß alle Atome der Carboxy-Gruppe auf einer Ebene liegen, wie die Molekülmodelle zeigen (Abb. 18.1).

Abb. 18.1. Stab-, Kugel-Stab- und Kalotten-Modell der Essigsäure

Die CO-Doppelbindung ist etwas kürzer (123 pm) als die COH-Bindung (136 pm), und alle Bindungswinkel betragen 120° (Abb. 18.2 a). Das Molekülorbital-Modell der Carboxy-Gruppe entspricht weitgehend dem einer CC-Doppelbindung. Um zu erklären, weshalb die CO-Einfachbindung in der Carboxy-Gruppe kürzer ist (136 pm) als in Alkoholen und Ethern (143 pm), schreibt man der CO-Einfachbindung partiellen r-Charakter zu; das Hydroxy-O-Atom der Carb-

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264

18 Carbonsäuren und ihre Derivate

oxy-Gruppe nutzt demnach sp2-Hybridorbitale zur Bildung der u-Bindungen. Die trigonalkoplanaren sp2-Hybridorbitale des Carboxy-C-Atoms überlappen dann mit je einem sp2Hybridorbital der beiden O-Atome und mit einem (sp3-, sp2- oder sp-) Hybridorbital des c-CAtoms. Senkrecht auf dem so entstandenen ebenen u-Bindungsgerüst stehen die drei p-Orbitale (Abb. 18.2 b); deren seitliche Überlappung führt zur delokalisierten r-Bindung der CarboxyGruppe. Mesomere Grenzformeln beschreiben diese delokalisierte r-Bindung: O

f/

O

O

C

oder

C O H

C

O H

O H

f-

r 123 pm

(a)

C

O

O

(b)

C 120°

136 pm

O

C

Cu O

H

H

r

Abb. 18.2. Carboxy-Gruppe : (a) Geometrie, (b) Überlappung koaxialer p-Orbitale zum delokalisierten r-System

18.4 Carbonsäure-Derivate In Carbonsäure-Derivaten ersetzt ein Halogen oder eine andere Gruppe die OH-Funktion. Salze (Carboxylate), Peroxy- oder Persäuren, Carbonsäureanhydride, Diacylperoxide, Ester, Halogenide, Amide, Hydrazide, Azide sowie Hydroxamsäuren sind Beispiele. Tab. 18.4 gibt allgemeine Formeln dieser Derivate, ihre Beziehung zu den Carbonsäuren sowie die von der Benzoesäure abgeleiteten Vertreter. Carbonsäure-Derivate enthalten die Acyl-Gruppe; einige wirken daher als Acylierungsreagenzien (Abschn. 10.6.3, 11.1.6). O Carbonsäure

R

O

O Carbonsäure-Derivat

C

R

OH

Acyl-Gruppe

C

R

C

X , X = Cl, Br, OR', NH 2

18.5 Synthese von Carbonsäuren 18.5.1

Einführung der Carboxy-Gruppe durch Kohlenmonoxid (Carbonylierung)

Bei höheren Temperaturen und Drücken reagiert Kohlenmonoxid mit Alkalihydroxiden zu Formiaten, mit Alkoholaten dagegen zu den Natriumsalzen der Carbonsäuren (Carboxylaten) mit dem Alkyl-Rest des Alkoholats: 100 °C , Druck

HO Na

+

CO

RO Na

+

CO

H CO2 Na

Natriumformiat

R CO2 Na

Natriumcarboxylat

100 °C , Druck

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18.5 Synthese von Carbonsäuren

265

Tab. 18.4. Carbonsäure-Derivate Ersatz von OH O in R C OH durch

allgemeine Formel ( R = Alkyl oder Aryl)

O H O O C R' O

Bezeichnung

O R C H O O

Benzoesäure-Derivat Formel Bezeichnung

O C H O O

Peroxycarbonsäure

O O R C O C R'

O C O O C C6H 5

Carbonsäureanhydrid

Peroxybenzoesäure

Benzoesäureanhydrid

Diacylperoxid

O O C C O O

Dibenzoylperoxid

O R C OR'

Carbonsäureester

O C O CH2 CH 3

Benzoesäureethylester

O R C X

Carbonsäurehalogenid

O C Cl

Benzoylchlorid

NH2

O R C NH 2

Carbonsäureamid (Carboxamid)

O C NH2

Benzamid

NHR'

O R C NHR'

N-Alkylcarbonsäureamid

O R C N R' R'

N,N-Dialkylcarbonsäureamid

O C N CH3 H O C N CH3 H3C

O C R' O O

O O R C C R' O O

OR'

X ( X = F, Cl, Br, I)

NR'2

N-Methylbenzamid

N,N-Dimethylbenzamid

NH NH 2

O R C NH NH 2

Carbonsäurehydrazid

O C NH NH 2

Benzhydrazid

NH OH

O R C NH OH

Hydroxamsäure

O C NH OH

Benzhydroxamsäure

O R C N3

Carbonsäureazid

O C N3

Benzoylazid

_ N _ N N _

Bei noch höheren Temperaturen und Drücken, sowie in Gegenwart von Nickeltetracarbonyl addieren Kohlenmonoxid und Wasser an Alkene unter Bildung gesättigter Carbonsäuren, z. B.: H2C CH2

+

CO

+

H2O

250 °C , Ni(CO)4 , 150 bar

H3C CH 2 CO2H Propansäure (Propionsäure)

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266

18 Carbonsäuren und ihre Derivate

18.5.2

Einführung der Carboxy-Gruppe durch Kohlendioxid (Carboxylierung)

Kohlendioxid ist ein in Form von "Trockeneis" leicht einsetzbares elektrophiles Reagenz zur Carboxylierung von C-Nucleophilen. Mit Natriumalkinyliden reagiert es z. B. unter Bildung von Alkinsäuren: O R C CI

Na

+

O R C C C O Na

O

C

C O

O

Na-Salz einer Alkinsäure

Die Carboxylierung von Alkylmagnesiumhalogeniden (GRIGNARD-Verbindungen) führt bei Raumtemperatur zu Carbonsäuren: (CH3)3C Br + Mg

Ether

CH 3

O

H 3C C MgBr

+

C

O

CH 3

CH 3 O

O

C

CH 3

H 3C C C O

H 3C C CO2H

CH 3 OMgBr

CH 3 2,2-Dimethylpropansäure (Pivalinsäure)

Phenolat (Phenol in alkalischer Lösung) ist wegen des (-)-M-Effekts des Phenolat-O-Atoms in ound p-Stellung nucleophil und läßt sich mit Kohlendioxid als Elektrophil durch elektrophile Substitution zum Natriumsalz der Salicylsäure (2-Hydroxybenzoesäure) carboxylieren (KOLBESCHMITT-Synthese): _ IOl

_ IO

_ IO

_ IO

_ IO O Na

+

_ IOI H

O

C

C

O

C O

O mesomere Grenzformeln des Phenolat-Anions + NaOH

/ H2O

_ IOH

OH CO2 Na Phenol

18.5.3

Natriumsalicylat

Acylierung von Aromaten mit Säureanhydriden

Durch FRIEDEL-CRAFTS-Acylierung von Benzen und seinen Derivaten mit cyclischen Dicarbonsäureanhydriden in Gegenwart einer LEWIS-Säure erhält man durch elektrophile Substitution Oxocarbonsäuren (Ketocarbonsäuren), z. B.: O

O +

Benzen

AlCl 3

O O Bernsteinsäureanhydrid

c C d CH 2 CH 2 CO2H

"d-Benzoylpropionsäure (3-Benzoylpropansäure)

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18.5 Synthese von Carbonsäuren

18.5.4

267

Carbonsäuren durch Oxidation

Methyl- und Ethyl-Gruppen am Benzen-Ring lassen sich katalytisch zur Carboxy-Gruppe oxidieren; Toluen- und Ethylbenzen-Derivate ergeben entsprechend substituierte Benzoesäuren: Co , Pb , Mn-Acetat , 150-180 °C

Cl

CH 2 CH3

+

3 O2

Cl

p-Chlorethylbenzen

CO2H

+

CO2 +

H2O

p-Chlorbenzoesäure

Starke Oxidationsmittel oxidieren Cycloalkene zu Dicarbonsäuren, z. B.: /

+

MnO4 , OH

2 O2

/

CO2H CO2H

Cyclohexen

Adipinsäure

Polycyclische Aromaten oder Heteroaromaten können katalytisch oder durch Oxidationsmittel zu aromatischen oder heteroaromatischen 1,2-Dicarbonsäuren gespalten werden, z. B.:

+

CO2H

V2O5

9/2 O2

+

2 CO2

+

H2O

+

2 CO2

+

H2O

CO2H Phthalsäure

Naphthalen /

+

MnO4 , OH

9/2 O2

/

CO2H N CO2H Pyridin-2,3-dicarbonsäure

N Chinolin

Die Oxidation primärer Alkohole führt über die Aldehyde zu den Monocarbonsäuren, z. B.: CH 3

/

+ [O] , MnO4 , OH

H3C CH2 CH CH2 OH 2-Methyl-1-butanol

/

CH3 O H 3C CH 2 CH C H 2-Methylbutanal

CH3 O H 3C CH 2 CH C OH 2-Methylbutansäure (c-Methylbuttersäure)

+ [O]

Dagegen spalten (sekundäre) Cycloalkanole und Cycloalkanone bei der Oxidation in Dicarbonsäuren. Adipinsäure entsteht auf diese Weise aus Cyclohexanol über Cyclohexanon: + [O]

OH H Cyclohexanol

/ H2O

+ 3 [O] , V2O5 , 30 °C

O Cyclohexanon

HO2C

(CH 2)4 CO2H

Adipinsäure (Hexandisäure)

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268

18.5.5

18 Carbonsäuren und ihre Derivate

Hydrolyse von Carbonsäure-Derivaten

Die Hydrolyse von Estern, Halogeniden, Anhydriden und Amiden kann zur Darstellung der entsprechenden Carbonsäuren herangezogen werden: O R C OR'

Carbonsäureester

+ H2O

/ R'OH

O R C X

Carbonsäurehalogenid

Carbonsäureanhydrid R

O

O

C

C

O

+ H2O

/ HX

+ H2O

R

O R C OH O R C OH O 2R C OH

"

Auch die Hydrolyse der Nitrile (Alkyl- oder Arylcyanide), R/C»N, die nach KOLBE aus Halogenalkanen und Cyanid (SN) dargestellt werden, führt über die Säureamide zu Carbonsäuren: + CN

R X

/

/

+ H2O (H3O+)

R C N

O R C NH 2

Nitril

Carbonsäureamid

"""/ X

Halogenalkan ( X = Cl, Br, I )

O R C OH

+ H2O

/ NH3

Oxalsäure entsteht z. B. aus Dicyan, Malonsäure aus Cyanessigsäure oder Malonsäuredinitril: + 2 H2O (H3O+)

H 2N

O C C NH2 O Oxamid

N C C N Dicyan

O N C CH 2 C NH2

+ H2O (H3O+)

N C CH2 C N Malonsäuredinitril (Malodinitril) + 3 H2O (H3O+)

/ NH3

18.5.6

O

HO

O C C OH O Oxalsäure

+2 H2O

/2 NH3

+ H2O

N C CH2 CO2H Cyanessigsäure

/ NH3

+ H2O

C CH 2 CO2H H 2N Malonsäuremonoamid

/ NH3

HO2C CH2 CO2H Malonsäure

Homologisierung (Kettenverlängerung) von Carbonsäuren

Carbonsäurehalogenide reagieren mit Diazomethan in Gegenwart von metallischem Silber oder Kupfer unter nucleophiler Substitution des Halogenid-Anions zu Diazoketonen. /

R

Ag , Cu , / X

C X

+

O Carbonsäurehalogenid

R

C CH 2 N NI O

Diazomethan

/ [H+]

R

ICH2 N NI

_ C CH N NI

O Diazoketon

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18.5 Synthese von Carbonsäuren

269

Die Diazoketone spalten Stickstoff ab unter Bildung von Acylcarbenen, die sich unter 1,2-AlkylVerschiebung in Ketene umlagern (WOLFF-Umlagerung): R

R

/ N2

_ C CH N NI

_ C CH

R O C C H Keten

o

O Acylcarben

O

Die Hydrolyse des Ketens führt zu einer Carbonsäure, R CH C O

+

O R CH2 C OH

H 2O

welche gegenüber dem ursprünglich eingesetzten Säurehalogenid um eine CH2-Gruppe länger ist (Homologisierung). Die gesamte Reaktionsfolge ist als ARNDT-EISTERT-Homologisierung bekannt: R O

18.5.7

R

+ CH2N2

C Cl

/ HCl

/ N2

_ C CH N NI

+ H2O

R CH C O

R CH 2 CO2H

O

Alkylierung von Malonsäureestern

Die Methylen-Gruppe der Malonsäure und ihrer Derivate ist CH-acide (Abschn. 18.10). Malonsäurediester reagieren daher mit starken Basen wie Natriumethanolat zu mesomeriestabilisierten Carbanionen in Form ihrer Natrium-Salze. Deren Reaktion mit Halogenalkanen führt unter elektrophiler Addition der Alkyl-Gruppe an das Malonat-Anion zum Alkylmalonester. Die Hydrolyse des Alkylmalonesters und die anschließende Decarboxylierung (CO2-Abspaltung) ergibt eine alkylierte Essigsäure. CO2R Malonsäurediester H 2C CO2R + NaOR

R'

X

+

Na

"/ ROH

CO2R IC H CO2R

CO2R

/ NaX

Natrium-Dialkylmalonat

R'

C H CO2R

CO2H

+ 2 H2 O

R'

/"2" ROH

Alkylmalonsäurediester

Hitze / CO2

C H

R'

CH 2 CO2H

CO2H Alkylmalonsäure

Alkylessigsäure

Diese Reaktionsfolge ermöglicht die Einführung der Gruppe /CH2/COOH. 3-Phenylpropansäure (Benzylessigsäure) wird z. B. aus Benzylchlorid und Malonsäurediethylester dargestellt:

CH2

Cl +

Na

CO2C2H5 IC H CO2C2H5

Natrium-Diethylmalonat

/ NaX

CO2C2H5 1.) Esterhydrolyse

2.) Decarboxylierung

CH 2 C H

CH 2 CH2 CO2H

CO2C2H5 Benzylmalonsäurediethylester

3-Phenylpropansäure

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270

18 Carbonsäuren und ihre Derivate

18.5.8

, -Ungesättigte Carbonsäuren durch KNOEVENAGEL-Kondensation von Malonsäureestern

In Gegenwart starker Basen greifen Dialkylmalonate auch nucleophil am Carbonyl-C-Atom eines Aldehyds oder eines Ketons an. Auf diese Weise entstehen zunächst d-Hydroxyalkylmalonsäurediester, welche leicht zu Alkylidenmalonsäurediestern dehydratisieren (KNOEVENAGEL-Kondensation). Die Hydrolyse des Diesters zur Dicarbonsäure und deren Decarboxylierung ergibt eine c,d-ungesättigte Carbonsäure: _ C OI _

C O

CO2R +

H C H CO2R

Carbonyl-Mesomerie

Aldehyd oder Keton Base

H

CO2R

"/ H 2O

C C CO2R

/ 2 ROH

CO2R

HO CO2R """d-Hydroxyalkylmalonsäurediester

CO2H

+ 2 H2O

C C

Hitze / CO2

C C

H C C

CO2H

CO2H c,d-ungesättigte Carbonsäure

Alkylidenmalonsäurediester

Zimtsäure läßt sich auf diese Weise aus Benzaldehyd und Malonsäurediethylester darstellen: H

CO2C 2H5 C O

+

H2C CO2C 2H5

Benzaldehyd

Piperidin

/ H2O

Malonsäurediethylester

H

1.) Esterhydrolyse 2.) Decarboxylierung

CO2C 2H5 C C CO2C 2H5

Benzylidenmalonsäurediethylester

H

CO2H C C H

trans-Zimtsäure (+ cis-Isomer)

Die c.d-ungesättigten Carbonsäuren können katalytisch zu den entsprechenden gesättigten Carbonsäuren hydriert werden. Zimtsäure ergibt dabei 3-Phenylpropansäure.

18.5.9

-Ungesättigte Carbonsäuren durch PERKIN-Reaktion

Aromatische Aldehyde reagieren mit Acetanhydrid in Gegenwart von Basen zu c.d-ungesättigten Carbonsäuren. Diese PERKIN-Reaktion ist der KNOEVENAGEL-Kondensation weitgehend analog: Eine c-Methylen-Gruppe des Acetanhydrids greift nucleophil am Carbonyl-C des Arenaldehyds an. Durch Wasserabspaltung aus dem entstandenen d-Hydroxycarbonsäureanhydrid und nachfolgende Hydrolyse erhält man eine c.d-ungesättigte Carbonsäure und Essigsäure. Zimtsäure läßt sich also auch durch PERKIN-Reaktion von Benzaldehyd mit Acetanhydrid darstellen: H + C O

Benzaldehyd

H

O CH 2 C O H3C C O Acetanhydrid

Base

H

O C CH2 C O OH H 3C C O

O "/ H 2O

H

C O C C C CH 3 H O

+ H2O /"CH3CO2H

H

CO2H C C H

trans-Zimtsäure (+ cis-Isomer)

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18.6 Acidität von Carbonsäuren

271

PERKIN-Reaktion und KNOEVENAGEL-Kondensation ermöglichen somit die Überführung eines Aldehyds (R/CH=O) in ein Acrylsäure-Derivat (R/CH=CH/COOH).

18.5.10 , -Ungesättigte Carbonsäuren durch IRELAND-CLAISEN-Umlagerung Bei der als IRELAND-CLAISEN-Umlagerung bekannten Variante der Oxa-COPE-Umlagerung (Abschn. 16.5.4) wird ein Carbonsäureallylester mit Lithiumdiisopropylamid (Li[CH(CH3)]2, LDA) als Base und t-Butyldimethylchlorsilan (TBDMSCl) in das O-t-Butyldimethylsilylenolat übergeführt. Letzteres lagert beim Erhitzen sigmatrop zum i,f-ungesättigten Trialkylsilylester um, dessen Hydrolyse die i,f-ungesättigte Carbonsäure freisetzt. O O

OH O

OTBDMS

"/78 °C, LDA, + TBDMSCl

O

OTBDMS o

OH + H2O

O

O

/ TBDMSOH

/ HCl Oxo-Tautomer Enol-Tautomer Carbonsäureallylester

O-t-Butyldimethylsilylenolat

i,f-ungesättigte Carbonsäure (TBDMS-Ester)

i,f-ungesättigte Carbonsäure

18.6 Acidität von Carbonsäuren 18.6.1

Dissoziationsgleichgewicht in wäßrigen Lösungen

Carbonsäuren sind stärkere Protonendonatoren als Wasser. Löst man sie in Wasser, so stellt sich daher ein dynamisches Dissoziationsgleichgewicht zwischen der Carbonsäure und Wasser einerseits und Carboxylat-Anion und Hydroxonium-Ion andererseits ein: R CO2H + Carbonsäure

H2O

R CO2 + Carboxylat-Anion

H3O

Wäßrige Carbonsäure-Lösungen reagieren infolgedessen sauer. Die Dissoziationskonstante (Aciditätskonstante) KA ist nach dem Massenwirkungsgesetz der Quotient aus den Konzentrationen der Ionen (R/COO/ und H3O+) und undissoziierter Säure (R/COOH); dabei wird die bei verdünnten Lösungen annähernd konstante Wasserkonzentration c(H2O) in die Konstante KA einbezogen. /

KA =

c (RCO2 ) c (H3O+) c (RCO2H)

Im Vergleich zu den Mineralsäuren (Salzsäure, Schwefelsäure) sind Carbonsäuren sehr viel schwächer. Die Dissoziationskonstanten KA unterscheiden sich um mehrere Zehnerpotenzen, z. B.: 8

HCl : KA = 10 ;

CH3CO2H : KA = 1.7 10/ .

5

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272

18 Carbonsäuren und ihre Derivate

18.6.2

Salze der Carbonsäuren

Die Neutralisation der Carbonsäuren mit Alkalihydroxiden oder anderen Basen führt zu den entsprechenden Salzen, den Carboxylaten: R CO2H

+

NaOH

R CO2 Na Natriumcarboxylat

+

H2O

Zur Benennung der Salze kann man von den IUPAC-Namen der Säuren ausgehen. Dabei wird die Endung "-säure" durch "-oat" ersetzt. Die Bezeichnung des Salzes einer Carbonsäure kann man auch von der lateinischen Form ihres Trivialnamens (Tab. 18.1 und 18.3) ableiten: H 3C CH 2 CH 2 CO2 Na

H3C CH2 CH 2 CO2H IUPAC : Trivial :

Butansäure Buttersäure (lat.: acidum butyricum)

Natriumbutanoat Natriumbutyrat

Salze der Ameisen-, Essig- und Propionsäure werden als Formiate, Acetate und Propionate bezeichnet; Palmitate, Stearate und Oleate sind die Salze der Palmitin-, Stearin- und Ölsäure (Abschn. 41.4.1). Für Salze cyclischer Dicarbonsäuren ist die Bezeichnung Dicarboxylate üblich, z. B.: CO2 K

CO2H CO2H

CO2 K

CO2H

CO2 K CO2 K

CO2H cis-1,2-Cyclobutandicarbonsäure

18.6.3

Dikalium-cis-1,2-cyclobutandicarboxylat

1,4-Naphthalendicarbonsäure

Dikalium-1,4-naphthalendicarboxylat

Struktur und Modell des Carboxylat-Anions

Durch Messung der Bindungslängen im Natriumformiat mit Hilfe der RÖNTGEN- und Elektronenbeugung ergab sich, daß beide Kohlenstoff-Sauerstoff-Bindungen des Formiat-Anions dieselbe Länge von 127 pm haben. Die beiden CO-Bindungen sind also nicht unterscheidbar; offensichtlich findet ein völliger Ausgleich zwischen der u- und der r-Bindung statt (Abb. 18.3). r

(a)

O R

C O

OI

(b)

C O

O

O oder

C OI

C O

r

Abb. 18.3. Überlappung koaxialer p-Orbitale zum r-System des Carboxylat-Anions (a) und Mesomerie des Carboxylat-Anions (b)

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18.6 Acidität von Carbonsäuren

273

Carboxylat-C-Atom und die beiden Carboxylat-O-Atome bilden die u-Bindungen durch Überlappung von sp2-Hybridorbitalen. An jedem der beteiligten Atome verbleibt je ein 2p-Orbital. Diese insgesamt drei 2p-Orbitale überlappen zu einer delokalisierten r-Bindung über und unter der uBindungsebene (Abb. 18.3).

18.6.4

Einflüsse von Substituenten auf die Acidität

Eine Carbonsäure ist umso stärker sauer, je größer der Energiegewinn bei der Abdissoziation des Protons, je stabiler also das Carboxylat-Anion ist. Ein Carboxylat-Anion wiederum ist besonders stabil, wenn die negative Ladung durch eine benachbarte positive stabilisiert wird, z. B. durch induktive oder mesomere Effekte. Bei aliphatischen Carbonsäuren werden daher solche Substituenten die Acidität erhöhen, welche über induktive Effekte die negative Ladung am Carboxylat-C durch eine benachbarte positive Partialladung stabilisieren. Halogencarbonsäuren sind also stärker sauer als die vergleichbaren unsubstituierten Carbonsäuren (Tab. 18.5). O f/ fCl CH 2 C O

Chloressigsäure: (/)-I-Effekt stabilisiert das Chloracetat-Anion

Die Säurestärke wächst mit zunehmender Anzahl und Elektronegativität der Halogene (Tab. 18.5) und sinkt mit zunehmender Entfernung des Halogens von der Carboxy-Gruppe: i- und d-Halogencarbonsäuren sind schwächere Säuren als c-Halogencarbonsäuren (Tab. 18.5). Im Gegensatz zu Halogenen destabilisieren Alkyl-Gruppen über induktive Effekte das Carboxylat-Anion. So ist in der homologen Reihe der Alkansäuren die Ameisensäure am stärksten, Essigsäure deutlich schwächer aber etwas stärker als die höheren Homologen (Tab. 18.3). Tab. 18.5. Aciditätskonstanten einiger Halogencarbonsäuren und substituierter Benzoesäuren /5

Verbindung Essigsäure Iodessigsäure Bromessigsäure Chloressigsäure Fluoressigsäure Dichloressigsäure Trichloressigsäure Buttersäure c-Chlorbuttersäure d -Chlorbuttersäure i-Chlorbuttersäure

KA x 10

H 3C CO2H ICH 2 CO2H BrCH 2 CO2H ClCH 2 CO2H FCH 2 CO2H Cl2CH CO2H Cl3C CO2H H 3C CH 2 CH2 CO2H H 3C CH 2 CH CO2H Cl H 3C CH CH2 CO2H Cl CH 2 CH 2 CH2 CO2H Cl

1.75 67 125 136 260 5530 23200 1.5 139

/5

Verbindung Benzoesäure

KA x 10

CO2H

p-Nitrobenzoesäure

O2N

CO2H

p-Hydroxybenzoesäure

HO

CO2H

o-Nitrobenzoesäure

CO2H

6.8

40 2.9

620

NO2 8.9 2.96

o-Hydroxybenzoesäure

CO2H

100

OH

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274

18 Carbonsäuren und ihre Derivate

Bei substituierten Benzoesäuren und anderen Arencarbonsäuren können neben induktiven auch mesomere Effekte von Substituenten das Carboxylat-Anion stabilisieren. 4-Nitrobenzoesäure ist stärker sauer, 4-Hydroxybenzoesäure dagegen schwächer sauer als Benzoesäure (Tab. 18.5). Der mesomere Effekt (Elektronenzug) der 4-Nitro-Gruppe stabilisiert; dagegen destabilisiert der Elektronenschub der 4-Hydroxy-Gruppe: O

O C O p-Hydroxybenzoesäure: (-)-M-Effekt destabilisiert das p-Hydroxybenzoat-Anion

O C O

N O

HO

p-Nitrobenzoesäure: (/)-M-Effekt stabilisiert das p-Nitrobenzoat-Anion

I

Steht der Substituent (/NO2, /OH) in o-Stellung zur Carboxy-Gruppe, so wirkt wegen des geringeren Abstandes zusätzlich der induktive Effekt. 2-Nitrobenzoesäure ist daher noch stärker sauer als das p-Isomer, und in 2-Hydroxybenzoesäure (Salicylsäure) dominiert die Stabilisierung durch den induktiven Effekt von OH gegenüber dem destabilisierenden mesomeren Effekt (Tab. 18.5).

18.6.5

Acidität von Dicarbonsäuren

Die Dissoziation von Dicarbonsäuren erfolgt stufenweise. Daher mißt man zwei Aciditätskonstanten KA1 und KA2 wie das Beispiel der Oxalsäure zeigt: 1. Stufe : 2. Stufe :

HO2C CO2H HO2C CO2

+ +

H2O H 2O

HO2C CO2 O2C CO2

+ +

H3O H3O

KA1 = 5400 KA2 =

/5

x 10

/5

5.2 x 10

Allgemein gilt für Dicarbonsäuren KA1 > KA2 , da die Dissoziation eines Protons vom Monoanion aus elektrostatischen Gründen mehr Energie erfordert (oder weniger freisetzt) als von der Disäure.

18.7 Reaktionen der Carboxy-Gruppe 18.7.1

Veresterung, Ester, Lactone

Carbonsäuren reagieren mit Alkoholen in Gegenwart katalytischer Mengen einer Mineral- (HCl) oder LEWIS-Säure (BF3) zu Carbonsäureestern und Wasser (Abschn. 15.6.4). Die Reaktion ist ein dynamisches Gleichgewicht zwischen Veresterung (Hinreaktion) und Verseifung (Rückreaktion). O + R C OH Carbonsäure

Veresterung

HO R' Alkohol

Verseifung

O + R C OR' Carbonsäureester

H2O

Dieses Gleichgewicht unterliegt dem Massenwirkungsgesetz. Die Esterausbeute erhöht sich daher entweder durch Einsetzen eines großen Überschusses an Alkohol bzw. Carbonsäure oder durch

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18.7 Reaktionen der Carboxy-Gruppe

275

kontinuierliche Entfernung des gebildeten Esters bzw. Wassers aus dem Reaktionsgemisch. Das Reaktionswasser läßt sich z. B. durch wasserentziehende Reagenzien oder durch Abdestillieren eines azeotropen Gemisches aus Wasser und einem organischen Lösemittel als "Schlepper" entziehen (z. B. Toluen oder Chloroform). Die säurekatalysierte Veresterung (und Verseifung) ist meist eine Folge von Gleichgewichtsreaktionen. Dabei wird die Carbonsäure zunächst protoniert und so der nucleophile Angriff eines Alkohol-Moleküls erleichtert. Dieser Angriff führt zu einem Orthocarbonsäuremonoester, welcher nach Protonierung unter Wasser- und Protonen-Abspaltung in den Ester übergeht. O R C OH

OH OH R C R C OH OH protonierte Carbonsäure

+ H

O

OH

R'

R C OH H

O

R' / [H+]

OH Verseifung

Orthocarbonsäuremonoester R C OH

Veresterung

OR' - [H+]

protonierter Ester O R C OR'

/ [H+]

OH R C OR'

OH2

/ H2O

OH R C OR'

R C OH OR'

Als Lactone werden "innere Ester" bezeichnet, die durch intramolekulare Dehydratisierung von iund f-Hydroxycarbonsäuren unter Bildung fünf- und sechsgliedriger Ringe entstehen. i-Butyround f-Valerolacton sind typische Beispiele.

CO2H OH

/ H2O

O

"i-Hydroxybuttersäure (4-Hydroxybutansäure)

18.7.2

/ H2O

C O

CO2H OH

i-Butyrolacton

O

f-Hydroxyvaleriansäure (5-Hydroxypentansäure)

C

O

f-Valerolacton

Reduktion zu primären Alkoholen

Carbonsäuren widerstehen der katalytischen Hydrierung, können aber / ebenso wie ihre Ester / mit Lithiumaluminiumhydrid in wasserfreiem Ether oder Tetrahydrofuran über die meist nicht faßbaren Aldehyde zu den primären Alkoholen reduziert werden. O R C OH

+ IH LiAlH4

H _ R C OI _ OH

+ H 2O / OH

H R C OH OH Aldehyd-Hydrat

H

/ H2 O

R C O Aldehyd

+ IH LiAlH 4

H _ R C OI _ H prim. Alkoholat

+ H2O / OH

R CH 2 OH prim. Alkohol

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276

18 Carbonsäuren und ihre Derivate

18.7.3

Carbonsäurehalogenierung

Carbonsäurehalogenide bezeichnet man als Acyl-Derivate (z. B. Acetyl-, Benzoyl-, Propionylhalogenide): O H 3C C

O H 3C CH 2 C

Acetyl-

Propionyl-

O H3C C Cl Acetyl-

O C Benzoyl-Gruppe

O H3C CH2 C Cl Propionyl-

O C Cl Benzoylchlorid

Zur Halogenierung von Carbonsäuren eignen sich Phosphorhalogenide (PCl3, PCl5, POCl3), z. B.:

3

O2N

O C OH

+ PCl3

O C OH

+ PCl5

O C + P(OH)3 Cl Benzoylchlorid (Benzoesäurechlorid) 3

O C + Cl p-Nitrobenzoylchlorid O2N

POCl3

+

HCl

Säurechloride und Bromide in genügender Reinheit entstehen durch Umsetzung der Carbonsäuren mit Thionylchlorid oder Thionylbromid. Diese Reaktion führt zu gasförmigen Nebenprodukten (SO2 und HCl oder HBr), so daß das Säurechlorid oder Bromid als Rückstand verbleibt: O H2C CH C OH

+

SOCl2

O H 2C CH C + SO2 Cl Acryloylchlorid (Acrylsäurechlorid)

+

HCl

Präparativ sind die überaus hydrolyseempfindlichen Säurehalogenide als Reagenzien zur Darstellung fast aller Carbonsäure-Derivate und zur elektrophilen Acylierung von Bedeutung.

18.7.4

Bildung von Säureanhydriden

Die Abspaltung von Wasser aus zwei Molekülen einer Monocarbonsäure in Gegenwart eines wasserentziehenden Mittels führt zur Bildung eines Carbonsäureanhydrids, z. B.: O F 3C C OH

O +

P2 O5 , / H 2 O

C CF 3 HO

O O F 3C C O C CF 3

Trifluoracetanhydrid (Trifluoressigsäureanhydrid)

Gemischte Anhydride erhält man durch Reaktion äquimolarer Mengen eines Halogenids der Carbonsäure mit Rest R und eines Alkalisalzes der Carbonsäure mit Rest R´: O R C X X = Cl , Br

O +

/ NaX

C R' NaO

O O C C R' R O

gemischtes Carbonsäureanhydrid

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18.7 Reaktionen der Carboxy-Gruppe

277

Dicarbonsäuren wie Bernstein- und Phthalsäure können intramolekular Wasser abspalten und bilden dabei cyclische Säureanhydride: O H2C H2C

C

OH

C O

/ H2O

OH

C

O

O Hitze oder P2O5

C O Bernsteinsäureanhydrid (Succinanhydrid)

O

O OH

Hitze

OH

/ H2O

O O Phthalsäureanhydrid

O

Nur 1,4- oder 1,5-Dicarbonsäuren bilden cyclische Anhydride. Liegen die Carboxy-Gruppen weiter auseinander, so können polymere Anhydride entstehen: O

n

18.7.5

O C (CH 2)x C OH HO x>3

O

O C (CH 2)x C O ]n [O

/ n H2O

Bildung von Säureamiden

Carbonsäureamide entstehen über Ammoniumcarboxylate aus Carbonsäuren und Ammoniak: O R C OH

O +

NH 3

O

Hitze , / H2O

R C O NH 4 Ammoniumcarboxylat

R C NH2 Carbonsäureamid

Bei Einwirkung stark wasserentziehender Mittel (Diphosphorpentoxid oder Triphenylphosphan in Tetrachlormethan) dehydratisieren die Säureamide unter Bildung von Nitrilen. Diese Reaktion ermöglicht die Darstellung von Nitrilen, z. B.: CH3

CH3

O C NH 2

H3C

P2O5 , Hitze

/ H2 O

CH3

H 3C

C N

CH3 2,4,6-Trimethylbenzonitril (Mesitylcyanid)

Als Lactame werden „innere Säureamide“ bezeichnet, die durch intramolekulare Dehydratisierung von i- und f-Aminocarbonsäuren unter Bildung fünf- und sechsgliedriger Ringe entstehen. iButyro- und f-Valerolactam sind Beispiele. Aus den heterocyclischen Grundskeletten Pyrrolidin und Piperidin ergeben sich die Alternativbezeichnungen Pyrrolidin-2-on und Piperidin-2-on.

CO2H NH2 "i-Aminobuttersäure (4-Aminobutansäure)

/ H2O

N

C O

H "i-Butyrolactam (Pyrrolidin-2-on)

/ H2O

CO2H NH 2 f-Aminovaleriansäure (5-Aminopentansäure)

N

C

O

H f-Valerolactam (Piperidin-2-on)

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278

18.7.6

18 Carbonsäuren und ihre Derivate

Decarboxylierung

Unter Decarboxylierung versteht man die Abspaltung von Kohlendioxid (CO2) aus einer Carbonsäure: R CO2H

R H

+

CO2

Diese CO2-Eliminierung erfordert bei unsubstituierten Carbonsäuren hohe Temperaturen. Ist das c-C-Atom der Carbonsäure jedoch mit einem elektronenziehenden Substituenten (Halogen, /NO2, /CN, /COOH) verknüpft, so setzt bereits bei moderaten Temperaturen die Decarboxylierung ein: 100 - 150 °C

Cl3C CO2H Trichloressigsäure

O2N CH2 CO2H

100 - 150 °C

Nitroessigsäure

N C CH2 CO2H

100 - 150 °C

Cyanessigsäure

Cl3C H Chloroform

+

CO2

O2N CH 3 Nitromethan

+

CO2

N C CH 3

+

CO2

+

CO2

Acetonitril

CO2H

100 - 150 °C

R CH CO2H subst. Malonsäure

R CH 2 CO2H subst. Essigsäure

Auch das Silbersalz einer Carbonsäure decarboxyliert bei der Reaktion mit einem Halogen unter Bildung des entsprechenden Halogenalkans (HUNSDIECKER-Decarboxylierung): R CO2 Ag

+

Br2

R Br

+

Ag Br

+

CO2

Diese Reaktion eignet sich zur Darstellung schwer zugänglicher Alkyl- oder Cycloalkylhalogenide.

18.8 Nucleophile Substitution von Carbonsäurehalogeniden Das Halogenid von Carbonsäurehalogeniden läßt sich als Halogenid-Anion leicht nucleophil substituieren, besonders in Gegenwart einer Base: O R C X

(Base)

+

H Y

O R C Y

+

X = Cl , Br

H X

Diesem Prinzip folgt die Darstellung nahezu aller Carbonsäure-Derivate aus Carbonsäurehalogeniden (Tab. 18.4).

18.8.1

Hydrolyse und Perhydrolyse

Die Hydrolyse von Carbonsäurehalogeniden führt zu den entsprechenden Carbonsäuren, z. B.: O

O C C

Cl Cl Oxalylchlorid

O +

2 H 2O

O C C

+

2 HCl

OH HO Oxalsäure

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18.8 Nucleophile Substitution von Carbonsäurehalogeniden

279

In Gegenwart einer Base reagieren Säurehalogenide mit konzentrierter WasserstoffperoxidLösung ("Perhydrol") zu Diacylperoxiden, z. B.: /

O C Cl

2

O O C C O O Dibenzoylperoxid

(OH +

+

H2O2

/ 2 HCl

Diacylperoxide zerfallen beim Erhitzen in Radikale. Sie werden daher als Initiatoren bei radikalischen Vinyl-Polymerisationen verwendet.

18.8.2

Alkoholyse

Alkohole reagieren mit Carbonsäurehalogeniden in Gegenwart einer Base zu Estern: O R C Cl

O R C OR'

(Base)

+

HO R'

+

H Cl

Mit 3,5-Dinitrobenzoylchlorid lassen sich Alkohole als 3,5-Dinitrobenzoate auskristallisieren und anhand der charakteristischen Schmelzpunkte identifizieren: O2N O C Cl

O2N

/

O C O CH2 CH 3

(OH +

+

HO CH 2 CH3

/ HCl

O2N

O2N

Ethyl-3,5-dinitrobenzoat (3,5-Dinitrobenzoesäureethylester)

18.8.3

Ammonolyse und Aminolyse

Die Umsetzung von Carbonsäurehalogeniden mit Ammoniak (Ammonolyse) oder primären und sekundären Aminen (Aminolyse) ergibt Carbonsäureamide (Carboxamide): /

O R C X

+

2 NH 3

O R C X

+

2 H2N R'

O R C X

+

R' 2H N R'

/ NH4+ X

/

/ R'NH3+ X

/

/ R' 2NH2+ X

O R C NH2

Carboxamid (Carbonsäureamid)

O R C NHR'

N-Alkylcarboxamid

O R C NR'2

N,N-Dialkylcarboxamid

Primäre und sekundäre Amine reagieren z. B. mit Benzoylchlorid in Gegenwart einer Base (OH/, Pyridin) zu den kristallinen Benzamiden (SCHOTTEN-BAUMANN-Benzoylierung). O C Cl

+

C2H 5 H N C2H 5

(Pyridin) / HCl

O C N C 2H 5 H 5C2 N,N-Diethylbenzamid

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280

18.8.4

18 Carbonsäuren und ihre Derivate

Hydrazinolyse

Durch Reaktion von Hydrazin mit Carbonsäurehalogeniden erhält man Carbonsäurehydrazide; überschüssiges Hydrazin bindet den freigesetzten Chlorwasserstoff als Hydrazinhydrochlorid: O H3C C Cl

18.8.5

/ H2N

+

NH3+ Cl

2 H2N NH2

/

O H 3C C NH NH2 Acethydrazid (Essigsäurehydrazid)

Reaktion mit Hydroxylamin

In Gegenwart einer Base (OH/, Pyridin) reagieren Carbonsäurehalogenide mit Hydroxylamin zu Hydroxamsäuren, die in zwei tautomeren Formen existieren (Hydroxamsäure-Oximino-Tautomerie) und mit Eisen(III)salzen rotviolette Chelate bilden: O R C Cl

18.8.6

/ HO

+

+

NH3 Cl

/

2 H 2N OH

O R C N H OH HydroxamsäureTautomer

+ 1/3 Fe+++

OH R C N OH OximinoTautomer

H O C Fe/3 N O HydroxamsäureEisen(III)-Chelat R

Reaktion mit Alkaliaziden

Das Azid-Anion, N3/, substituiert das Halogenid-Anion in Säurehalogeniden nucleophil. Dabei entstehen die explosiven Säureazide, z. B.: O C Cl

+

Na

O C_ N _ N N _

O C _ N _ N N _

"/ Na Cl

_ _ N _ N N _

mesomere Grenzformeln des Benzoylazids

18.8.7

Katalytische Hydrierung (ROSENMUND Reduktion)

Eine allgemeine Methode zur Darstellung von Aldehyden (R/CH=O) ist die katalytische Hydrierung von Carbonsäurehalogeniden. Als Katalysator dient mit Bariumsulfat desaktiviertes Palladium. Die Desaktivierung unterdrückt eine Weiterreduktion des Aldehyds. O C C

O Cl Cl

O o-Phthaloyldichlorid (Phthalsäuredichlorid)

Pd / BaSO4

+

H2

/ 2 HCl

C C

H H

O o-Phthaldialdehyd

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18.9 Nucleophile Substitution von Carbonsäureestern

18.8.8

281

Carbonsäurehalogenide als Reagenzien zur C-Acylierung

In Gegenwart von LEWIS-Säuren als Katalysatoren (AlCl3) reagieren Carbonsäurehalogenide mit aromatischen Kohlenwasserstoffen zu aromatischen Ketonen (Phenonen). Diese Art der elektrophilen Substitution ist als FRIEDEL-CRAFTS-Acylierung (Abschn. 11.1.6) bekannt, z. B.: AlCl3

C

+

Cl

/ HCl

C

O Benzoylchlorid

O Benzophenon

18.9 Nucleophile Substitution von Carbonsäureestern 18.9.1

Esterverseifung

Sowohl Säuren als auch Basen katalysieren die Esterhydrolyse: Die säurekatalysierte Verseifung ist die Rückreaktion der säurekatalysierten Veresterung (Abschn. 18.7.1). Die basenkatalysierte Verseifung von Carbonsäuren verläuft als SN2-Substitution des Hydroxid-Anions am Carbonyl-C unter nachfolgender Spaltung der Acyl-Sauerstoff-Bindung. Bei dieser O-Acyl-Spaltung bleibt die absolute Konfiguration am Alkohol-C-Atom erhalten (Retention). Dies läßt sich an identischen spezifischen Drehungen eines enantiomerenreinen Alkohols vor Reaktion mit dem Carbonsäurechlorid R/COCl und nach basenkatalysierter Verseifung des resultierenden Esters nachweisen: HO

O H C R' O C

R

+

R

H

O H C O

+

O C

R'

R"

R" / HCl

R

(Base)

H

O C Cl

+

HO C

R'

H +

R CO2

R" (S)-Alkohol (R" > R')

HO C

R'

R" (S)-Alkohol

Der Angriff des Hydroxid-Anions am asymmetrischen Alkoxy-C hätte dagegen die Spaltung der O-Alkyl-Bindung und damit WALDEN-Umkehr oder Racemisierung zur Folge:

R

O H C R' O C R" (S)-Ester

WALDEN-Umkehr oder Racemisierung

+

OH

R CO2

+

H R'

C OH

R" (R)-Alkohol

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282

18 Carbonsäuren und ihre Derivate

Die Verseifung von Fetten, den Glycerolestern (Glyceride) langkettiger Carbonsäuren (Fettsäuren, Abschn. 41.4) wie Palmitin-, Stearin- und Ölsäure, mit Natron- bzw. Kalilauge ergibt neben Glycerol die Natrium-Salze dieser Säuren als Kernseife und die Kalium-Salze als Schmierseife, z. B.: O H 2C O C O C17H 35 C O CH O H35C 17 H 2C O C C17H 35 Glyceroltristearat

H2C OH +

3 NaOH

3 C17H 35 CO2 Na

+

HO CH H2C OH

Natriumstearat

Glycerol

Seifen senken die Oberflächenspannung des Wassers und emulgieren Schmutzteilchen durch Bildung von Micellen (Abschn. 41.7). Darauf beruht ihre reinigende Wirkung.

18.9.2

Ammonolyse (Aminolyse) von Estern

Nach einem der basenkatalysierten Verseifung analogen Mechanismus (SN2) verläuft die zu Amiden führende Ammonolyse (Aminolyse) der Carbonsäureester mit Ammoniak (Aminen), z. B.: O H3C C OC2H 5 Ethylacetat

18.9.3

+

O H3C C NH2 Acetamid

NH 3

+

C2H 5OH

Umesterung

Unter Umesterung versteht man die Reaktion des Esters R/COOR´ mit einem Alkohol R"/OH unter Bildung des Esters R/COOR" und des Alkohols R´/OH: O R C OR'

[H+]

+

R" OH

O R C OR"

+

R'

OH

Die Umesterung ist basen- oder säurekatalysiert und eine Gleichgewichtsreaktion. Säurekatalysiert verläuft sie nach dem für die säurekatalysierte Veresterung und Verseifung beschriebenen Mechanismus (Abschn. 18.7.1). Um das Gleichgewicht zugunsten des neuen Esters R/COOR" zu verlagern, muß ein großer Überschuß an Alkohol R"/OH eingesetzt und eines der Reaktionsprodukte (R/COOR" oder R´/OH) durch Destillation oder Fällung der Rückreaktion entzogen werden. Eine Umesterung technischen Maßstabs ist die Herstellung des Polyesters "Dacron" aus Terephthalsäuredimethylester und Glykol. Dabei wird das gebildete Methanol kontinuierlich abdestilliert. O n

C H3CO

O C + OCH3

Terephthalsäuredimethylester (Dimethylterephthalat)

[ HCl ] / 2n CH3OH

O

n HO CH 2 CH2 OH [

O C C CH2 CH2 O O ]n Polyglykolterephthalat

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18.9 Nucleophile Substitution von Carbonsäureestern

18.9.4

283

Reduktion zu primären Alkoholen

Carbonsäureester lassen sich im Labormaßstab in guten Ausbeuten mit Lithiumaluminiumhydrid oder Natriumborhydrid zu den primären Alkoholen reduzieren. Bei dieser Reduktion addiert ein Hydrid-Anion nucleophil an das Carbonyl-C-Atom. O + IH R C OR' Carbonsäureester

LiAlH 4 oder NaBH4

H

/

H R C O Aldehyd

/ R'O

R C O OR'

H

+ H 2O

+ HI

R C O

/ OH

H

R CH 2 OH

/

prim. Alkohol

In technischem Maßstab werden Carbonsäureester bei hohen Temperaturen und Drücken katalytisch zu den primären Alkoholen hydriert, z. B.: O C OC2H 5 2-Methylpropansäureethylester (H 3C)2 CH

18.9.5

+

2 H2

CuO / CuCr 2 O4 , Druck , Hitze

(H 3C)2 CH

CH 2

OH

+

C 2H5OH

2-Methylpropanol

Reaktion mit GRIGNARD-Verbindungen

Der nucleophile Angriff der Alkyl- oder Aryl-Gruppe einer GRIGNARD-Verbindung R"MgX am Carbonyl-Kohlenstoff eines Esters R/COOR´ ergibt zunächst ein Keton: O R C + R" Mg X OR' CarbonsäureAlkylester magnesiumhalogenid

O R C R" Keton

+

R'O

+

Mg 2

+

X

Die anschließende nucleophile Addition eines weiteren Äquivalents Alkylmagnesiumhalogenid an das Keton führt zu einem tertiären Alkohol: O R C R"

R" +

R" Mg X

+ H2O

R C R"

R" R C R"

O Mg X

+

OH

+

Mg 2

+

X

OH tert. Alkohol

Diese Reaktionsfolge ist ein Weg zur Synthese tertiärer Alkohole mit Substituenten R und R", welche durch die Edukte R/COOR´ und R"MgX vorgegeben sind. Zur Synthese von 4-Isopropyl4-heptanol geht man z. B. von Isobuttersäureethylester und Propylmagnesiumbromid aus: O (H 3C)2CH C OC2H 5 2-Methylpropansäureethylester (Isobuttersäureethylester)

+ H3C

CH2

"/ C2H5O , / Mg 2+ , / Br

CH 2 CH 2 CH3 4-i-Propyl-4-heptanol

/

(H3C)2CH C CH 2 CH 2 CH3 + H3C

OH (H 3C)2CH C CH 2 CH 2 CH3

O

CH2 MgBr

/

/ OH , / Mg 2+ , / Br

CH2 MgBr

O Mg Br

+ H2O /

CH2

/

(H 3C)2CH C CH2 CH 2 CH 3 CH2 CH 2 CH 3

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284

18 Carbonsäuren und ihre Derivate

18.10 CH-Acidität von Carbonsäureestern, Folgereaktionen Die c-CH-Fragmente von Carbonsäureestern sind schwach sauer; gegenüber sehr starken Basen wie Alkalialkoholaten oder Alkaliamiden sind die Carbonsäureester daher Protonendonoren und bilden dabei Carbanionen. Die c-CH-Acidität von Estern ist eine Folge der Mesomeriestabilisierung der durch Deprotonierung entstehenden Carbanionen, wobei das Carbonyl-O-Atom die negative Ladung unter Bildung eines Enolat-Anions teilweise übernimmt. RO

RO C O

+

RO

_ C OI CI H

IB

C H H

_ C OI _

+

H B

C H

Carbanion

Enolat-Anion

Die c-CH-Acidität ist besonders ausgeprägt bei 1,3-Dicarbonsäureestern (Malonestern), da in diesen Fällen zwei Carbonyl-O-Atome die negative Ladung des Carbanions übernehmen können. Mit Natriumalkoholaten erhält man z. B. das mesomeriestabilisierte Carbanion im Natriumsalz des Malonsäurediesters. RO

RO C O H2C C O

RO C OI _

+ NaOR

RO

_ C OI _

RO C OI _

O Na

H CI H C H C _ C OI C OI C OI _ _ _ RO RO RO mesomere Grenzformeln des Dialkylmalonat-Anions

/ ROH

RO

oder

Na

H O RO

Aufgrund ihrer c-CH-Acidität sind Carbonsäureester und insbesondere die Malonsäurediester der elektrophilen Substitution in c-Stellung zugänglich, wie die folgenden Reaktionen zeigen.

18.10.1 C-Alkylierung von Malonestern In Gegenwart äquimolarer Mengen Natriumalkoholat lassen sich Dialkylmalonate durch Halogenalkane in die Alkylmalonsäurediester überführen. Diese C-Alkylierung wurde bereits als Methode zur Darstellung von Carbonsäuren besprochen (Abschn. 18.5.7). RO O R'

X

+

Na

H

CO2R

/ Na X

R' O RO

CH

CO2R Alkylmalonsäurediester

18.10.2 KNOEVENAGEL-Alkenylierung Dialkylmalonat-Anionen können nucleophil an das Carbonyl-C eines Aldehyds oder Ketons addieren. Die dabei entstehenden d-Hydroxyalkylmalonsäurediester dehydratisieren unter Bildung

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18.10 CH-Acidität von Carbonsäureestern, Folgereaktionen

285

der Alkylidenmalonsäurediester. Diese KNOEVENAGEL-Alkenylierung (auch KNOEVENAGEL-Kondensation) ist u. a. eine Methode zur Darstellung c,d-ungesättigter Carbonsäuren (Abschn. 18.5.8). CO2R C O

+

C OI

H

Base

H C H CO2R

Carbonyl-Mesomerie

CO2R C C CO2R Alkylidenmalonsäurediester

"/ H2O

C C CO2R HO CO2R

Aldehyd oder Keton

18.10.3 MICHAEL-Addition Als C-Nucleophile können Dialkylmalonate an die elektrophile (aktivierte) Doppelbindung eines Alkens addieren (MICHAEL-Addition). Dabei entstehen C-alkylierte Malonester: CO2R

CO2R X CH CH 2

X CH CH 2

+

IC H H CO2R C-Nucleophil

aktiviertes (elektrophiles) Alken

CH 2

X CH 2

C H

CO2R C-alkylierter Malonsäurediester

Acrylsäurenitril (X = CN) ist z. B. ein elektrophiles Alken und addiert Malonsäurediethylester als Nucleophil unter Bildung des d-Cyanoethylmalonsäurediethylesters: _ IN C CH CH2

IN C CH CH2

Acrylnitril (Cyanoethen)

CO2C2H5 +

Elektrophil

d

H2C

N C CO2C 2H5

CO2C2H 5

c

CH2

C H

CH 2

CO2C2H5 """"d-Cyanoethylmalonsäurediethylester [(2-Cyanoethyl)-malonsäurediethylester]

18.10.4 CLAISEN-Esterkondensation Genügend starke Basen (OC2H5/, NH2/) abstrahieren auch das c-Proton eines Monoesters unter Bildung eines mesomeriestabilisierten Carbanions: R H H

O

R O IC C H OR' Carbanion

/ R'OH

C C

+

R'O

OR'

R

O C C

H OR' Enolat-Anion

Ein solches Carbanion kann nucleophil am Carbonyl-C eines anderen Ester-Moleküls angreifen. Durch Abspaltung eines Alkoxid-Anions bildet sich ein d-Ketoester (CLAISEN-Esterkondensation). OR' +

R CH 2 C O

R O IC C H OR'

OR' R CH2 C CH CO2R' IOI _ R

/ R'O

R CH2 C CH CO2R' OI _ R d-Ketoester

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286

18 Carbonsäuren und ihre Derivate

Der einfachste Fall einer Esterkondensation ist die Reaktion zweier Moleküle Essigsäureethylester zu Acetylessigsäureethylester ("Acetessigester"): OC 2H5 H3C

C O

OC2H 5 +

CH 2 H

NaOC2H5 , / C2H5OH

C O

H 3C

CH 2 CO2C 2H5

C

O 3-Oxobutansäureethylester (Acetessigester)

Die CH-Acidität der von beiden Carbonyl-Funktionen flankierten CH2-Gruppe des Acetessigesters macht eine intramolekulare Protonenwanderung vom c-C zum Carbonyl-O-Atom möglich. Der d-Ketoester existiert daher als Gleichgewichtsgemisch aus Keto- und Enol-Tautomer (KetoEnol- oder Oxo-Enol-Tautomerie, Abschn. 19.5.3) : H H H3C

C O

C

C

H H 3C

OC2H 5

O

C O

C _ H

H C

OC2H 5

H3C

O

C

C

C

OC 2H5

O H Enol-Tautomer O

Keto-Tautomer (Oxo-Form)

18.10.5 Intramolekulare Kondensation von Diestern (DIECKMANN-Kondensation) Nach einer der CLAISEN-Kondensation analogen Reaktion cyclisieren vor allem 1,4- und 1,5-Dicarbonsäurediester zu cyclischen fünf- bzw. sechsgliedrigen d-Ketoestern: CH 2 CO2R (CH 2)n OR C

+ RO / ROH

CH CO2R _ (CH 2)n OR C O

O

n=3,4

CH CO2R (CH 2)n OR C

/ RO

CH CO2R (CH 2)n C O

IOI _

Die DIECKMANN-Cyclokondensation des Adipinsäurediethylesters führt z. B. zu 2-Ethoxycarbonylcyclopentanon; nach Verseifung dieses d-Ketoesters und Decarboxylierung der d-Ketosäure erhält man Cyclopentanon: CO2C 2H5 / CO2C2H 5 CH2 NaOC2H5 , / C2H5OH - H2O (OH ) OC 2H5 / C2H5OH C O O Adipinsäurediethylester 2-Ethoxycarbonylcyclopentanon

CO2H O

/ CO2

O Cyclopentanon

Die DIECKMANN-Esterkondensation ist ein Weg zur Synthese substituierter Cyclopentane und Cyclohexane. Bei kleineren und größeren Ringen sind die Ausbeuten zu gering.

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18.11 Spezielle Reaktionen von Dicarbonsäuren und Derivaten

287

18.11 Spezielle Reaktionen von Dicarbonsäuren und Derivaten 18.11.1 Thermische Decarboxylierung und Cyclokondensation Erhitzt man Dicarbonsäuren HOOC/(CH2)n/COOH, so hängen die Reaktionsprodukte von der Anzahl n der C-Atome zwischen beiden Carboxy-Gruppen ab. Ist n = 0 oder 1, so erfolgt eine thermische Decarboxylierung. Oxalsäure (n = 0) ergibt Ameisensäure, Malonsäure (n = 1) Essigsäure: HO2C CO2H HO2C CH 2 CO2H

190 °C 140 °C

H CO2H

+

CO2

H3C CO2H

+

CO2

Ist n = 2 oder 3, so bilden sich aus den Dicarbonsäuren unter intramolekularer Dehydratisierung fünf- oder sechsgliedrige cyclische Dicarbonsäureanhydride. Bernsteinsäure, Phthalsäure (Abschn. 18.7.4) sowie Maleinsäure und Glutarsäure cyclokondensieren beim Erhitzen unter Bildung der cyclischen Anhydride: O H H

C C

C C

O OH

/ H2O

OH

O

CO2H

O C

O Maleinsäureanhydrid

O

/ H2O

O

OH

O Glutarsäureanhydrid

O

18.11.2 Bildung cyclischer Dicarbonsäureimide In Analogie zu den Säureamiden (Abschn. 18.7.5) bilden sich durch Erhitzen der DiammoniumDicarboxylate cyclische Dicarbonsäureimide, sofern sich zwei oder drei C-Atome zwischen den Carboxy-Gruppen befinden, so daß Fünf- oder Sechs-Ringe entstehen, z. B.: O H 2C H 2C

C C

O

O O O

NH 4 NH 4

O Diammoniumsuccinat

C

100-150 °C / NH3 , / H2O

NH C O

Succinimid (Bernsteinsäureimid)

O O O

NH4 NH4

O Diammoniumphthalat

100-150 °C / NH3 , / H2O

NH O Phthalimid

18.11.3 Reaktionen cyclischer Dicarbonsäureimide Carbonsäureimide sind NH-Säuren, da die O-Atome der beiden benachbarten Carbonyl-Gruppen die negative Ladung des durch Deprotonierung entstehenden Imid-Anions übernehmen können.

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288

18 Carbonsäuren und ihre Derivate

Das Imid-Anion ist also mesomeriestabilisiert: O

O + OH

NH

O

O

/

INI

/ H2O

NI

O

O

NI

O

O

mesomere Grenzformeln des Succinimid-Anions

Das bei der Neutralisation von Phthalimid mit KOH entstehende Kaliumphthalimid reagiert mit Halogenalkanen als Stickstoff-Nucleophil zur Einführung der primären Amino-Gruppe (/NH2). Diese GABRIEL-Synthese primärer Amine R/NH2 führt zunächst zum N-Alkylphthalimid, das in Gegenwart von Mineralsäuren zu Phthalsäure sowie dem primären Amin in Form seines Salzes hydrolysiert. Die Freisetzung des primären Amins gelingt auch mit Hydrazin unter Bildung des Phthalsäurehydrazids. O

O /KX

INI

K

+

CO2H

+ 2 H2O

R

X

+

N R CO2H

O Kaliumphthalimid

O N-Alkylphthalimid

H2N R primäres Amin

Die Reaktion von Succinimid mit Brom in wäßriger Natronlauge führt zu N-Bromsuccinimid: O

O NH

+

Br2

+

N Br

NaOH

+

NaBr

H2O

+

O N-Bromsuccinimid

O

N-Bromsuccinimid spaltet beim Erhitzen homolytisch Brom ab. Die dabei langsam entstehenden Brom-Radikale substituieren selektiv am Allyl-Kohlenstoff eines Alkens (NBS-Bromierung nach WOHL-ZIEGLER), z. B.: O H 3C

H C C H CO2CH 3

+

trans-Crotonsäuremethylester

O Hitze

Br H2C

H C C H CO2CH3

N Br O

+

trans-i-Bromcrotonsäuremethylester

N H O

Zudem können mit N-Bromsuccinimid sekundäre Alkohole schonend zu Ketonen oxidiert werden (BARAKAT-Dehydrierung): O

R' R C OH H sek. Alkohol

O R'

+

N Br O

C O R Keton

+

N H O

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18.11 Spezielle Reaktionen von Dicarbonsäuren und Derivaten

289

18.11.4 Maleinsäureanhydrid als elektronenarmes Dienophil Maleinsäureanhydrid und seine Analoga wie Maleinsäureimid sind wegen des (/)-M-Effekts der beiden Ring-Carbonyl-Gruppen elektronenarme Dienophile, d. h. sie cycloaddieren an elektronenreiche 1,3-Diene (DIELS-ALDER-Reaktion oder [4+2]-Cycloaddition). Mit 1,3-Butadien entstehen so Tetrahydrophthalsäureanhydrid (Y = O) bzw. Tetrahydrophthalimid (Y = NH, Abschn. 6.5.4, 8.6.4): O

O

H +

Y H

1,3-Butadien (s-cis-Konformer)

H

Y

Y

O

O

Y = O , NH

O

H O Tetrahydrophthalsäureanhydrid (Y = O) Tetrahydrophthalimid (Y = NH)

18.11.5 Maleinsäureanhydrid als elektronenarmes Enophil bei En-Reaktionen Prädestiniert als Enophile zur En-Reaktion (Abschn. 4.5.11) sind Verbindungen mit elektronenarmen Doppelbindungen wie Maleinsäureanhydrid, dessen En-Reaktion mit Propen zum (R,S)Allylbernsteinsäureanhydrid führt: O H

+

Propen

O

O

H

O O Maleinsäureanhydrid

O O

O O Allylbernsteinsäureanhydrid

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290

19

Substituierte Carbonsäuren

19 Substituierte Carbonsäuren 19.1 Nomenklatur substituierter Carbonsäuren Die wichtigsten substituierten Carbonsäuren tragen in c-, d-, i-, f-Stellung zur Carboxy-Gruppe Halogene, Hydroxy- oder Amino-Funktionen sowie Oxo-Gruppen. Entsprechend nennt man sie Halogencarbonsäuren (Halogensäuren), Hydroxycarbonsäuren (Hydroxysäuren), Aminosäuren (Abschn. 36) und Oxocarbonsäuren (Oxosäuren, früher: Ketosäuren). Die Bezeichnungen substituierter Carbonsäuren leiten sich von denen unsubstituierter Säuren ab (Abschn. 18.1). Die Position der Substituenten wird gemäß IUPAC mit arabischen Ziffern angegeben. Bei den Trivialnamen werden stattdessen oft die griechischen Buchstaben c, d, i, f,... benützt. Vermieden werden sollte eine Kombination von IUPAC-Bezeichnungen mit c-, d-, iPositionsangaben; so kann d-Brompropionsäure konsequent durch 3-Brompropansäure (jedoch nicht durch d-Brompropansäure) ersetzt werden. 3

2

1

4

3

2

1

5

H 3C CH CH 2 CO2H

H3C CH CO2H

F

Cl 2-Chlorpropansäure (c-Chlorpropionsäure)

4

OH

3-Fluorbutansäure (d-Fluorbuttersäure)

3

2

1

CH2 CH2 C CH 2 CO2H

O

4(1)

CO2H

O

5-Hydroxy-3-oxopentansäure (f-Hydroxy-d -ketovaleriansäure)

4-Oxocyclohexancarbonsäure (f-Oxocyclohexancarbonsäure, Cyclohexanon-4-carbonsäure)

Aufgrund ihrer lange bekannten natürlichen Herkunft sind für einige bedeutende Säuren fast nur Trivialnamen in Gebrauch (Bezeichnung des Säure-Anions in eckigen Klammern): H 3C CH CO2H

HO CH2 CH CO2H

H3C C CO2H

OH 2-Hydroxypropansäure (Milchsäure) [Lactat]

OH 2,3-Dihydroxypropansäure (Glycerinsäure) [Glycerat]

O 2-Oxopropansäure (Brenztraubensäure) [Pyruvat]

HO2C CH 2

CH CO2H

OH 2-Hydroxybutandisäure (Äpfelsäure) [Malat]

HO2C CH

CH CO2H

H 3C C CH 2 CH2 CO2H

OH OH 2,3-Dihydroxybutandisäure (Weinsäure) [Tartrat]

O 4-Oxopentansäure (Lävulinsäure) [Lävulat]

19.2 Physikalische Eigenschaften und Acidität Die Einführung von Heteroatomen in Carbonsäuren erhöht deren Polarität; damit verstärken sich die intermolekularen Wechselwirkungen. Somit liegen die Schmelz- und Siedepunkte substituierter Carbonsäuren deutlich höher als die vergleichbarer unsubstituierter Carbonsäuren.

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19.2 Physikalische Eigenschaften und Acidität

291

Die Acidität der Hydroxy-, Oxo- und besonders der c-Halogensäuren ist stärker als die von unsubstituierten Carbonsäuren (Tab. 19.1). Dies läßt sich auf den Elektronenzug des elektronegativen Sauerstoffs der Hydroxy- und Oxo-Gruppe bzw. der Halogen-Substituenten zurückführen. Dieser Effekt stabilisiert die Carboxylat-Anionen durch eine bessere Verteilung ihrer negativen Ladung (Abschn. 18.6.4). Tab. 19.1. Substituenteneffekte auf Schmelz- und Siedepunkte sowie Aciditäten ausgewählter Ethanund Propansäuren Schmp. °C

Sdp. °C (1013 mbar)

Aciditätskonstante Ka ( x 10/5 )

Ethan-

16.6

118.0

1.7

Cl CH2 CO2H

Chlorethan-

61.0

189.0

136.0

HO CH2 CO2H

Hydroxyethan-

80.0

100.0

15.0

Oxoethan-

98.0

Zersetzung

47.0

/ 22.0

141.0

1.3

2-Chlorpropan- (R,S)

---

185.0

13.2

2-Hydroxypropan- (R,S)

18.0

122.0

14.0

2-Oxopropansäure

14.0

165.0

320.0

Formel

H 3C

CO2H

O CH CO2H H 3C CH2 CO2H H 3C CH CO2H

IUPAC-Bezeichnung

Propan-

Cl H 3C CH CO2H OH H 3C C CO2H O

Die Säurestärke der Halogensäuren nimmt mit zunehmendem (/)-I-Effekt (I < Cl" "Br < F) und der Anzahl elektronenziehender Substituenten zu. Wächst der Abstand zwischen dem (/)-ISubstituenten und der Carboxy-Gruppe, so verringert sich die Acidität (Tab. 19.2). Tab. 19.2. pK-Werte einiger Halogenalkansäuren in Abhängigkeit vom (/)-I-Substituenten Halogenalkansäuren

pK-Wert

Formel

Monohalogenethansäuren

F Cl Br I

Mono-, Di-, Trichlorethansäure

Cl

y-Chloralkansäuren

Cl

CO2H CO2H CO2H CO2H

2.66 2.86 2.69 3.12

CH2 CO2H Cl2CH CO2H Cl3C CO2H

2.86 1.30 0.65

Cl CH2 CO2H Cl CH2 CH2 CO2H CH2 CH2 CH2 CO2H

2.86 4.08 4.52

CH2 CH2 CH2 CH2

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292

19

Substituierte Carbonsäuren

19.3 Halogencarbonsäuren 19.3.1

Synthesen

-Halogencarbonsäuren durch -Halogenierung Carbonsäuren lassen sich in c-Stellung zur Carboxy-Gruppe halogenieren. So werden Essigsäure und Phenylessigsäure durch Chlor im UV-Licht radikalisch zu den c-Halogencarbonsäuren substituiert: H3C CO2H

+

Cl2

C6H 5 CH 2 CO2H

+

Cl2

hp , Rückfluß

hp

Cl

CH 2 CO2H Chloressigsäure

+

HCl

C 6H5 CH CO2H

+

HCl

Cl

c-Chlorphenylessigsäure

Auch in Gegenwart katalytischer Mengen an rotem Phosphor reagieren Carbonsäuren mit Halogenen (Cl, Br) zu c-Halogencarbonsäuren (HELL-VOLHARD-ZELINSKII-Reaktion): R CH 2 CO2H

+

X2

PX3 oder P

R CH CO2H

+

HX

X

X = Cl , Br

Der Phosphor beschleunigt die Reaktion, indem er mit dem Halogen das Trihalogenid bildet, welches die Carbonsäure zum Säurehalogenid derivatisiert: 2 P + 3 X2

O 3 R CH 2 C + OH

2 PX 3

O 3 R CH 2 C X

PX 3

+

P(OH)3

In Gegenwart von Halogenwasserstoff HX als Protonendonor enolisiert das Säurehalogenid, und das Halogen X2 addiert an die Doppelbindung des Enols: O

+ [H+]

R CH2 C

O H C X

R CH X

H

/ [H +]

O H R CH

+ X2

C

f/

f- O H

Xf-

X

R CH

X enolisiertes Säurehalogenid

O

/ HX

C

R CH X

C X

X f/

Das entstandene c-Halogensäurehalogenid reagiert mit einem Molekül Carbonsäure unter Halogen-Austausch zur c-Halogencarbonsäure und dem Säurehalogenid, welches seinerseits wieder in den Reaktionskreislauf eintritt. O R CH X

C

+ X

O R CH 2 C OH

R CH X

O + C OH

O R CH2 C X

Bei Ausschluß von Bedingungen, unter denen sich Radikale bilden können, führt die HELLVOLHARD-ZELINSKII-Halogenierung selektiv zur c-Halogencarbonsäure, z. B.: H3C CH2 CH 2 CH 2 CO2H Valeriansäure

+ Br 2 , P , / HBr

Br H3C CH2 CH 2 CH CO2H DL-c-Bromvaleriansäure (R,S)-2-Brompentansäure

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19.3 Halogencarbonsäuren

293

Bromierungen CH-acider 1,3-Dicarbonsäuren, z. B. Malonsäure und deren c-Alkyl-Derivate, gelingen ohne Phosphortribromid (PBr3). Die thermische Decarboxylierung der gebildeten cBromdicarbonsäure führt zur c-Bromcarbonsäure: CO2H

CO2H

+ Br2 , / HBr

R C CO2H

130-150 °C , / CO2

R C CO2H

R CH CO2H

Br

H c-Alkylmalonsäure

Br

c-Brom-c-alkylmalonsäure

c-Bromcarbonsäure

- und -Halogencarbonsäuren aus , -ungesättigten Carbonsäuren d-Halogencarbonsäuren entstehen durch elektrophile Addition von Halogenwasserstoff an c,d-ungesättigte Carbonsäuren (Abschn. 18.5.8, 18.5.9), z. B.: H3C CH CH CO2H

+

HBr

H3C CH CH2 CO2H Br

(E- oder Z-)-2-Butensäure

(R,S)-3-Brombutansäure

Die selektive d-Bromierung erfolgt aufgrund einer Cd-Positivierung bei der intermediären Bildung eines mesomeriestabilisierten Oxonium-Carbenium-Ions: OH R CH CH

C OH OH

+

+ [H ]

R CH CH CO2H

R CH CH

+ Br

/

O

OH

C

R CH CH OH

Br

R CH CH2 C

C OH

OH

Br

OH R CH CH

C OH

" c,d-Ungesättigte Carbonsäureester können in Allyl-Stellung mit N-Bromsuccinimid selektiv bro-

miert werden (WOHL-ZIEGLER-Bromierung, Abschn. 13.3.7). O

O CCl4 , 25 °C

H3C CH CH CO2CH 3

+

(E- oder Z-)-2-Butensäuremethylester

N Br O

Br CH2 CH CH CO2CH 3

+

(E- oder Z-)-4-Brom-2-butensäuremethylester

N H O

-Halogencarbonsäureester aus Lactonen Wasserfreie Halogenwasserstoffe in alkoholischer Lösung öffnen Lacton-Ringe (cyclische Ester von Hydroxysäuren) unter Bildung von y-halogensubstituierten Carbonsäureestern: O

O

+ HBr , + C 2H5 OH

O Br

O

CO2C 2H 5

/ H2O i-Butyrolacton (4-Butanolid)

+ HCl , + CH 3OH / H2O

4-Brombutansäureethylester (i-Brombuttersäureethylester)

f-Valerolacton (5-Pentanolid)

Cl

CO2CH 3

5-Chlorpentansäuremethylester (f-Chlorvaleriansäuremethylester)

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294

19

19.3.2

Substituierte Carbonsäuren

Reaktionen

Halogensäuren zeigen sowohl Carbonsäure-spezifische Reaktionen wie Neutralisation, Säurehalogenid-Bildung und Veresterung, als auch die für Halogenalkane typischen Reaktionen wie nucleophile Substitutionen und Eliminierungen. Nucleophile Substitutionen des Halogens in c-Halogencarbonsäuren öffnen den Weg zu c-substituierten Derivaten wie c-Hydroxy-, c-Amino-, cCyanocarbonsäuren und Malonsäuren (Abb. 19.1). Halogenalkan-Reaktionen

Carbonsäure-Derivatisierungen

+ NaOH , / NaCl

R CH2 CH CO2H

+ NaOH , / H2O

Hydrolyse

OH

Neutralisation

2-Hydroxyalkansäure

X

+ 2 NH3 , / NH4Cl

R CH2 CH CO2

R CH2 CH CO2 Na Natrium-2-halogenalkanoat

2-Halogenalkansäure

Ammonolyse

+

+ R'OH , / H2O [H ]

NH3 2-Aminoalkansäure (Aminosäure)

R CH2 CH CO2H

X

X

+ KCN , / KCl

R CH2 CH CO2H

R CH2 CH CO2R'

Veresterung

2-Halogenalkansäureester

KOLBE-Nitrilsynthese

CN

+ SOCl2 , / SO2 , / HCl

2-Cyanoalkansäure / HX

R CH CH CO2H

Säurehalogenierung

X

Dehydrohalogenierung

2-Alkensäure

R CH2 CH COCl 2-Halogenalkansäurechlorid

Abb. 19.1. Reaktionen der Halogencarbonsäuren

Präparative Anwendungen sind die Darstellung der Milchsäure, des Alanins und der Methylmalonsäure über 2-Cyanopropansäure aus 2-Brompropansäure, + NaOH , / NaBr

H 3C CH CO2H

+ 2 NH3 , / NH4Br

H3C CH CO2H

OH

H3C CH CO2H

Br

(R,S)-2-Hydroxypropansäure (DL-Milchsäure)

NH2 (R,S)-2-Aminopropansäure (DL-Alanin)

(R,S)-2-Brompropansäure

+ NaCN , / NaBr + 2 H2O , / NH3

H3C CH CO2H

H3C CH CO2H

CN

CO2H Methylmalonsäure

(R,S)-2-Cyanopropansäure (DL-Methylmalonsäuremononitril)

sowie eine Synthese der c-Aminosäure DL-Leucin durch Ammonolyse der 2-Brom-4-methylpentansäure, dem Decarboxylierungsprodukt der durch Bromierung der Isobutylmalonsäure zugänglichen c-Bromisobutylmalonsäure. CO2H (H 3C)2CH CH2 C CO2H H

+ Br2 / HBr

CO2H (H 3C)2CH CH2 C CO2H Br

130 - 150 °C / CO2

(H3C)2CH CH 2 CH CO2H Br

Isobutylmalonsäure + 2 NH3

/ NH4Br

(H3C)2CH CH 2 CH CO2 NH3 DL-Leucin

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19.4 Hydroxycarbonsäuren

295

19.4 Hydroxycarbonsäuren 19.4.1

Synthesen

-Hydroxycarbonsäuren durch Cyanhydrin-Synthese Aldehyde können durch Addition von Blausäure in Cyanhydrine (Abschn. 20.10.4) übergeführt werden, deren Hydrolyse c-Hydroxycarbonsäuren liefert: H

H

+ HCN

O Acetaldehyd

H

+ 2 H2O [H+] , / NH3

H3C C C N

H3C C

H 3C C CO2H

OH

OH

Acetaldehyd-cyanhydrin

DL-Milchsäure (2-Hydroxypropansäure)

Hydroxylierung von Halogencarbonsäuren In alkalisch wäßriger Lösung lassen sich Halogensäuren durch nucleophile Substitution in Hydroxysäuren umwandeln: H

/

+ OH , / Br

H

/

H3C C CO2 Na

H3C C CO2 Na

OH

Br c-Brompropionat

DL-Lactat (2-Hydroxypropanoat)

Reduktion von Oxocarbonsäuren Aus Oxosäuren oder Oxosäureestern entstehen durch katalytische Hydrierung in Gegenwart von RANEY-Nickel Hydroxysäuren: O

O

RANEY-Ni , 100 °C, Druck

H 3C C CH 2 C

+

H3C CH CH2 C

H2

OC 2H5

O

OC2H 5

OH

Acetessigester

DL-d-Hydroxybuttersäureethylester

REFORMATSKY-Synthese von -Hydroxycarbonsäureestern c-Halogencarbonsäureester reagieren mit Zinkstaub in aprotischen Lösemitteln zu Alkylzinkhalogeniden. Diese addieren an Carbonyl-Verbindungen; durch Hydrolyse der Addukte entstehen dHydroxyester. in Ether oder Benzen

R1 CH CO2R2 +

R1 CH CO2R2

Zn

X

ZnX

c-Halogencarbonsäureester ( X = Cl , Br , I )

R4

C O

R3

R4

C O

R3

R1 +

f/ CH f- ZnX

R3 R 1

1,2-Addition

R2

CO2

R4

R2

C CH CO2 OZnX

+ H2O / ZnX(OH)

R3 R 1 R4

C CH CO2R 2 OH

d-Hydroxycarbonsäureester

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296

19

Substituierte Carbonsäuren

Die 1,2-Addition der Organozink-Verbindung RZnX an die CO-Doppelbindung eines Aldehyds oder Ketons führt in formaler Analogie zur Addition von GRIGNARD-Reagenzien (RMgX) an Carbonyl-Verbindungen zu d-Hydroxycarbonsäureestern. Da die reaktiveren Alkylmagnesiumhalogenide auch an die Ester-Funktion addieren würden, eignen sie sich nicht zur Darstellung von dHydroxyestern. Organocadmium-Verbindungen RCdX sind andererseits gegenüber Aldehyden und Ketonen zu wenig reaktiv. Die REFORMATSKY-Reaktion von Bromessigsäureethylester mit Benzaldehyd führt im "EintopfVerfahren" mit guter Ausbeute zu d-Hydroxy-d-phenylpropionsäureethylester, der unter milden Bedingungen zum c,d-ungesättigten Ester dehydratisiert werden kann: H

H

CH2 CO2C2H 5

C CH2 CO2C 2H5

C CH2 CO2C2H 5

ZnBr

OZnBr

H +

C O

OH

d-Hydroxy-d-phenylpropionsäureethylester [H+]

+ Zn

Br

/ H2O

CH2 CO2C2H 5

H

Bromessigsäureethylester

Zimtsäureethylester

C C H

19.4.2

CO2C2H 5

Reaktionen

Neben typischen Reaktionen der Carboxy- und der Hydroxy-Gruppe zeigen Hydroxysäuren charakteristische ambidente Reaktionen, die auf gleichzeitige Anwesenheit von Hydroxy- und Carboxy-Gruppen zurückzuführen sind.

Reaktionen der Hydroxy-Gruppe Säurechloride wie Acetyl- oder Benzoylchlorid acylieren Hydroxysäuren in Gegenwart einer Hilfsbase zur Bindung des freigesetzten Chlowasserstoffs: O H3C CH CO2 Na

+

C 6H5

C Cl

OH Natriumlactat

+ NaOH

H 3C CH CO2 Na

/ NaCl , / H2O

O

Benzoylchlorid

C

O

C6H 5 O-Benzoyl-Natriumlactat

Zur Überführung der Hydroxysäuren oder Hydroxyester in die entsprechenden Oxosäuren bzw. deren Ester kann die Hydroxy-Funktion mit Oxidationsmitteln oxidiert werden, z.B. mit Kaliumpermanganat: / 2 [H+] , / 2 e0

R CH

(CH2)n CO2H

OH Hydroxysäure

/

R C

(CH2)n CO2H

O Oxosäure

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19.4 Hydroxycarbonsäuren

297

d-Hydroxyester werden wesentlich leichter dehydratisiert als Alkohole, da der entstehende c,d-un-

gesättigte Ester mesomeriestabilisiert ist. R

R

- [H+]

R C

R C

CH 2 CO2R'

R

/ H2 O

CH 2 CO2R' R

OH 2

OH

H

R

/ [H+]

C C

H C C

CO2R'

R

CO2R'

c,d-ungesättigter Ester

Reaktionen der Carboxy-Gruppe Hydroxysäuren sind aufgrund des (/)-I-Effekts der Hydroxy-Gruppe etwas acider als entsprechende Alkansäuren (Essigsäure: pK = 4.75; Glykolsäure: pK = 3.83; Tab. 19.1). Sie lassen sich auf die übliche Weise mit Alkoholen durch Katalyse mit wasserfreier Mineralsäure verestern.

Ambidente Reaktionen Bei der Reaktion mit Thionylchlorid zur Herstellung von Säurechloriden wird auch die HydroxyGruppe substituiert: O R CH

(CH2)n CO2H

+

2 SOCl2

R CH

OH

2 SO2

+

2 HCl

Cl

Cl

y-Hydroxycarbonsäure

+

(CH2)n C

y-Chlorcarbonsäurechlorid

Langkettige c-Hydroxysäuren lassen sich thermisch unter Abspaltung von Kohlenmonoxid und Wasser zu Aldehyden abbauen. R

(CH 2)n

H

200 °C , CO2-Atmosphäre

* CH CO2H

R

(CH 2)n

* CO

+

C

+

H2O

O

OH

Erhitzt man c-Hydroxycarbonsäuren, so spalten sie Wasser ab. Dabei entstehen durch intermolekulare Cyclodehydratisierung Lactide: OH

O

HO

R H

+ H R

OH

HO

F".""/ 2 H2O

O

O H

O

R

R H O

O

Lactid (3,6-Dialkyl-2,5-dioxo1,4-dioxan)

" d-Hydroxysäuren dehydratisieren intramolekular zu c,d-ungesättigten Carbonsäuren: F".""/ H2O

HO CH 2 CH2

CO2H

d-Hydroxypropionsäure

H 2C CH

CO2H

Acrylsäure

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298

19

Substituierte Carbonsäuren

Andererseits bilden i,"f,"g...-Hydroxysäuren bereits beim gelinden Erhitzen durch intramolekulare Cyclodehydratisierung Lactone (innere Ester). Besonders leicht entstehen fünf- und sechsgliedrige Lacton-Ringe: F".""/ H2O

HO

HO

F".""/ H2O

C O

C O O

"i-Hydroxybuttersäure (4-Hydroxybutansäure)

HO

i-Butyrolacton (4-Butanolid)

HO

C

O

O

f-Hydroxyvaleriansäure (5-Hydroxypentansäure)

C

O

f-Valerolacton (5-Pentanolid)

Synthesen und Reaktionen der Lactone c-Lactone können nur mit Hilfe spektroskopischer Methoden in Lösung nachgewiesen werden. dPropiolacton (Karzinogen) sowie i-Butyrolacton als bedeutende Zwischenprodukte für industrielle Synthesen werden durch [2+2]-Cycloaddition aus Formaldehyd und Keten bzw. durch intramolekulare Cyclodehydrierung aus 1,4-Butandiol hergestellt. H2C O +

ZnCl2 oder BF3

Cu (Kat.) , 200 °C

O

H2C C O

OH

HO

O

"/ 2 H2

d-Propiolacton (3-Propanolid)

O

C O

i-Butyrolacton (4-Butanolid)

Makrocyclische Lactone (Makrolide) entstehen durch MITSUNOBU-Cyclodehydratisierung der yHydroxycarbonsäuren mit Azodicarbonsäurediester und Triphenylphosphan (Abschn. 23.4.2). Ein Verfahren der Riechstoffindustrie ist die c-Oxidation und Ringerweiterung höhergliedriger Ketone mit Peroxoschwefelsäure (H2SO5): + H2SO5 , / H2SO4

O O

O O

Cyclopentadecanon

O

Exaltolid (15-Pentadecanolid) mit trans-Konfiguration

Der Duftstoff Exaltolid des Angelikawurzelöls ist ein 16-gliedriges Lacton mit stabiler transKonfiguration an der Lacton-Bindung. Kleine Lacton-Ringe besitzen dagegen eine durch die Ringstruktur erzwungene energiereichere cis-Konfiguration. Der Lacton-Ring ist daher besonders bei d-Propiolacton außerordentlich reaktiv; die Lacton-Bindung kann reduktiv sowie mit Mineralsäure, Ammoniak, Cyanid oder Hydrogensulfit gespalten werden. Na / Hg / H2O

HCl / CH3OH

O

C O

i-Butyrolacton (4-Butanolid)

KCN

KHSO3

NH3

H3C CH 2 CH 2

CO2H

Butansäure

CH 2

CH 2 CH 2

CO2H

4-Chlorbutansäure

NC CH 2

CH 2 CH 2

CO2 K

4-Cyanobutanoat

HO3S CH 2

CH 2 CH 2

CO2H

4-Sulfobutansäure

HO CH 2

CH 2 CH 2

CONH 2

4-Hydroxybutansäureamid

Cl

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19.5 Oxocarbonsäuren und ihre Ester

299

Das durch Ammonolyse des i-Butyrolactons entstehende i-Hydroxybuttersäureamid kann zum fünfgliedrigen Lactam (inneres cis-Säureamid) dehydratisiert werden: H HO H2N C O

N

/ H2O

C O

"i-Butyrolactam (2-Pyrrolidinon)

Wie die höhergliedrigen Lactone bevorzugen Lactame mit mehr als zehn Ringatomen die stabilere trans-Konfiguration.

19.5 Oxocarbonsäuren und ihre Ester 19.5.1

Synthesen

-Oxocarbonsäuren Die wichtigste c-Oxosäure ist die aus racemischer Weinsäure (Traubensäure) beim Erhitzen („Brenzen“) in Gegenwart von Kaliumhydrogensulfat (KHSO4) durch Dehydratisierung und Decarboxylierung entstehende Brenztraubensäure (BERZELIUS 1835): CO2H

CO2H

CH OH

KHSO4

C OH

C O

CH OH

/ H2O

CH

CH2

CO2H

CO2H

CO2H

CO2H Traubensäure

Hydroxymaleinsäure

CO2H / CO2

C O CH3 Brenztraubensäure

Oxalessigsäure

c-Oxosäuren können auch durch Oxidation der c-Hydroxysäuren mit Kaliumpermanganat herge-

stellt werden: +

/ 2 [H ] , / 2 e0

/

H 3C C CO2H

H 3C CH CO2H

O

OH Milchsäure

Brenztraubensäure (2-Oxopropansäure)

Ausgehend von Säurehalogeniden werden nach Substitution des Halogenids durch Cyanid und anschließender Hydrolyse ebenfalls c-Oxosäuren (c-Ketosäuren) hergestellt: O R

C Cl

Carbonsäurechlorid

O

+ KCN / KCl

R

C CN

Acylcyanid

O

+ 2 H2O / NH3

R

C

CO2H c-Oxocarbonsäure

c-Oxosäuren bilden sich auch aus metallierten 1,3-Dithianen und Kohlendioxid (Abschn. 32.4.2).

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300

19

Substituierte Carbonsäuren

-Oxocarbonsäuren Freie d-Oxosäuren sind unbeständig. So decarboxyliert Acetessigsäure (3-Oxobutansäure) bereits bei Raumtemperatur zu Aceton: 25 °C ."/ CO2

H3C C CH2 CO2H

H 3C C CH 3 O

O

Bedeutender als die freie Säure ist Acetessigester (Acetylessigsäureethylester, 3-Oxobutansäureethylester), der aufgrund seiner CH-aciden Methylen-Gruppe bzw. seiner Keto-Enol-Tautomerie (Abschn. 19.5.3) als Synthesereagenz für viele organische Synthesen Anwendung findet. Acetessigester entsteht durch CLAISEN-Esterkondensation des Essigsäureethylesters mit starken Basen wie Natrium-ethanolat (Abschn. 18.10.4). Technisch wird er durch Addition von Ethanol an Diketen hergestellt. Diketen, Dimer des Ketens, entsteht durch katalytische Pyrolyse des Acetons: H3C

Cr , Ni , 180 °C

H2C C O Keten

C O H3C Propanon (Aceton)

C

+

O

H 2C

CH 4

H

H2C

H 2C

+

- C2H5OH

H 3C

O

C

C

OC 2H5

O O Acetessigester

O Diketen

O

C

H C

-Oxocarbonsäuren Die CH-Acidität der d-Oxoester nützt bei der Synthese von i-Oxosäuren. Dabei wird unter Basenkatalyse die Methylen-Gruppe mit Chloressigsäureethylester alkyliert. Anschließende Verseifung und Decarboxylierung ergibt (aus Acetessigester) i-Oxopentansäure (Lävulinsäure), die auch aus Rohrzucker (Abschn. 39.8.1) durch Erhitzen mit Salzsäure unter Druck entsteht. /

+ C2H5O

H 3C C CH 2 CO2C 2H5 O

/"C2H5OH

_ H 3C C CH CO2C 2H5 O

+ Cl

CH 2 / Cl

CO2 C 2H 5 /

H 3C C CH CO2C 2H5 O CH 2 CO2C 2H 5 + 2NaOH

* / CO H 3C C CH 2 CH 2 CO2H O

Lävulinsäure (4-Oxopentansäure = i-Ketovaleriansäure)

19.5.2

2

* H 3C C CH CO2H O CH 2 CO2H

/ 2 C2H5OH

+ 2 HCl , / 2 NaCl

H 3C C CH CO2 Na O CH 2 CO2 Na

Reaktionen der Oxocarbonsäuren

Thermische Umwandlungen Je nach Position der Oxo-Gruppe entstehen aus Oxosäuren beim Erhitzen Aldehyde, Ketone oder Lactone.

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19.5 Oxocarbonsäuren und ihre Ester

301

c-Oxosäuren decarboxylieren beim Erhitzen in wäßriger Säure unter Bildung von Aldehyden: H

150 °C, verd. H2SO4

R CH 2

C CO2H

/ CO2

O

R CH2

C O

"

d-Oxosäuren decarboxylieren beim mäßigen Erwärmen unter Bildung von Methylketonen: R CH 2

F"."/ CO2

C CH2 CO2H O

R CH2

C CH 3 O

" " i-Oxosäuren cyclisieren beim Erhitzen durch nucleophile Addition der Carboxy-OH-Funktion an das Carbonyl-C-Atom zu Lactolen, die zu ungesättigten Lactonen dehydratisieren. Ungesättigte i-

Lactone sind Teilstrukturen einiger Terpene und Steroide; man bezeichnet diese Verbindungsklasse auch als Butenolide. R HO O C

R HO

C O

O

F"."/ H2O

O

R

O

O

und

O

R

O

c,d- und d,i-ungesättigtes Butyrolacton (Butenolid)

Lactol

Reduktion Durch katalytische Reduktion können Oxosäuren und Oxoester in Hydroxysäuren übergeführt werden: -" H2 (Kat.) oder

R CH 2

C (CH 2)n CO2H(R') O

Reduktionsmittel

R CH2

CH (CH 2)n CO2H(R') OH

Derivatisierungen Oxosäuren lassen sich verestern, zu Säurehalogeniden derivatisieren sowie als Hydrazone, Oxime oder Semicarbazone isolieren und identifizieren. d-Oxoester wie Acetessigester reagieren mit Hydrazinen über die Hydrazon-Stufe durch Cyclokondensation leicht weiter zum FünfringHeterocyclus Pyrazolon (Abschn. 33.5.1). Diese Reaktion findet bei der Herstellung einiger Farbstoffe (Pyrazolon-Farbstoffe) und Pharmaka (Pyramidon, Antipyrin) Anwendung. R2 OC 2H5 O C

O

+ H2N NH R2

OC2H 5 O C

N NH R2

/ C2H5OH

O

N

N

/ H2O

R1

R1 Hydrazon

R1 5-Pyrazolon (5-Oxo-4,5-dihydropyrazol)

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302

19

Substituierte Carbonsäuren

CH-Acidität der -Oxocarbonsäureester und Folgereaktionen Präparativ bedeutend sind C-Alkylierungen und Acylierungen der CH-aciden Methylen-Gruppe der d-Oxoester. Wie mit anderen 1,3-Dioxo-Verbindungen können auch KNOEVENAGEL-Alkenylierungen und MICHAEL-Additionen durchgeführt werden. Diese vier für Malonsäurediester typische Reaktionen (Abschn. 18.10) sind auf d-Oxoester übertragbar. ‚

C-Alkylierung von d-Oxoestern mit Halogenalkanen und C-Acylierung mit Carbonsäurehalogeniden: C-Alkylierung + R Br

""/ Br

H 3C C CH CO2C 2H5

/

O R + C2H5O

H3C C CH2 CO2C 2H5

/

/"C2H5OH

O

""""c-Alkylacetessigester (2-Alkyl-3-oxobutansäureethylester)

_ H3C C CH CO2C2H 5 O

O

C-Acylierung + C6H5/CO/Cl

""/ Cl

C

C 6H5

H 3C C CH CO2C 2H5

/

O

"""c-Benzoylacetessigester (2-Benzoyl-3-oxobutansäureethylester)

‚

KNOEVENAGEL-Kondensation mit Aldehyden oder Ketonen: R

CO2C 2H 5

R C O

C OI

R

+

R O

Aldehyd oder Keton

‚

C

R H

Base

H C H

R C C CO2C 2H5

R

"/ H2O

R

HO COCH3

CH3

CO2C2H 5 C C COCH 3

Alkylidenacetessigester

MICHAEL-Addition an aktivierte Doppelbindungen: _ IN C CH CH 2

IN C CH CH 2

CO2C 2H5 +

d

NaOC2H5

H 2C

N C

CH 2

CO2C2H 5

c

CH2

C H

C CH 3

Elektrophil

C CH3 O

O

d-Cyanoethylacetessigester

Acrylnitril (Cyanoethen)

Das in den beiden ersten Reaktionen formulierte Carbanion existiert in Form des Natrium-Salzes, welches sich aus Acetessigester und metallischem Natrium unter Wasserstoff-Entwicklung bildet. Dabei entsteht der ambidente, mesomeriestabilisierte Natriumacetessigester, sowohl Carbanion als auch Enolat-Anion mit konjugierten CC- und CO-r-Bindungen: + Na , / 1/2 H2

H 3C C CH 2 C OC 2H5 O

O

_ H3C C CH C OC2H 5 O

H 3C C CH C OC 2H5

O

IO _I

Na

O

Natriumacetessigester

Natriumacetessigester bildet mit Säure Acetessigester zurück; dieser liegt als Gleichgewichtsgemisch der tautomeren Oxo- und Enolformen vor.

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19.5 Oxocarbonsäuren und ihre Ester

303

Spaltung von -Oxocarbonsäureestern Ein d-Oxoester ist wesentlich stabiler als die freie d-Oxosäure. Oxoester können aber in wäßrig saurer (85 % H3PO4) oder mäßig basischer Lösung in Methylketone, Alkohole und Kohlendioxid gespalten werden (Keton-Spaltung). Unter diesen Bedingungen wird die Ester-Gruppe hydrolysiert, worauf die entstehende freie Oxosäure decarboxyliert. Alkalihydroxide spalten dagegen in Alkylacetat, Acetat und Alkohol. Da zwei Säuren entstehen, ist diese Reaktion als Säure-Spaltung bekannt. Die Säure-Spaltung wird durch nucleophilen Angriff eines Hydroxid-Ions an der Oxo-Gruppe eingeleitet, was eine Spaltung der C-2/C-3-Bindung zur Folge hat. Keton-Spaltung

H3C C CH2 R

+ H2O [H3O+]

H3C C CH CO2C 2H5 + 2 NaOH

O R

R CH2 CO2 Na

Säure-Spaltung

19.5.3

+

C2H 5OH

+

CO2

O +

H 3C CO2 Na

+

C2H 5OH

Oxo-Enol-Tautomerie des Acetessigesters

Spektroskopische und chemische Untersuchungen zeigen, daß Acetessigester unter normalen Bedingungen ein Gemisch aus 92.5 % Oxo-Form (Acetessigester) und 7.5 % Enol-Form (dHydroxyalkensäureester) ist. Oxo- und Enol-Form sind Tautomere; das sind Isomere, die sich durch die Stellung eines H-Atoms und der r-Bindungen unterscheiden. Beide Tautomere wandeln sich durch Protonenwanderung (Prototropie) ständig ineinander um (dynamisches, prototropes Gleichgewicht, Protonentautomerie). Intermediär treten mesomeriestabilisierte Carbanionen und Enolat-Anionen auf: Anionen des Acetessigesters mesomeriestabilisiert , ambidente Reaktivität , sowohl Carbanion als auch Enolat-Anion

H H 3C

C O

C _ H

H C

OC2H 5

O

H 3C

C

H IO _I

C

H C

OC 2H5

H 3C

O

C O

C O

C

C

C

OC 2H5

IO _I H

H

H H H 3C

C

OC2H 5

O

Keto-Tautomer (Oxo-Form) CH-acide 1,3-Dioxo-Verbindung

H3C

C

C

C

OC 2H5

O H Enol-Tautomer O

mit konjugierten Doppelbindungen, stabilisiert durch intramolekulare Wasserstoffbrücke

Die beiden Tautomeren können bei tiefen Temperaturen (/78 °C) isoliert werden. Sie äquilibrieren bei Raumtemperatur nach kurzer Zeit wieder in das ursprünglichen Mischungsverhältnis, besonders in Gegenwart katalytischer Mengen Säure oder Base. Das prozentuale Verhältnis von Oxo- zur Enol-Form ist lösemittel-, temperatur- und konzentrationsabhängig. So steigt der EnolAnteil in lipophilen Solventien (Hexan) auf bis zu 46.4 % und sinkt in protischen polaren Löse-

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304

19

Substituierte Carbonsäuren

mitteln (Wasser) auf 0.4 %. Die verstärkte Enolisierung in unpolaren Medien ist u. a. durch die energetisch günstige intramolekulare Wasserstoffbrücke erklärbar. Die Oxo-Enol-Äquilibrierung verläuft allerdings nicht so rasch, daß chemische Analysen durch Abfangen einer Form ein völlig falsches prozentuales Verhältnis ergeben würden. Durch schnelle Titration mit Brom (Addition an die CC-Doppelbindung des Enols) gelingt die quantitative Ermittlung der Gleichgewichtslage. Präziser sind allerdings nicht invasive spektroskopische Methoden (Abschn. 28.5.5). Nach diesen Messungen enolisieren normale Aldehyde und Ketone nur geringfügig (< 1 ppm). Deutlich höher liegen die Enol-Gehalte der 1,3-Dioxo-Verbindungen wie Malondialdehyd und Acetylaceton (Tab. 19.3, Abb. 28.21, S. 498). Tab. 19.3. Oxo-Enol-Gleichgewichte von Carbonyl-Verbindungen Carbonyl-Verbindung

O x o - Form

E n o l - Form

CH 3 Aceton

H3C

CH2

C

H3C

0.00025

C

O

OH OC 2H5

OC2H 5

CH 2 C Acetessigester

H3C

CH C O

C

H3C

OH CH 3

CH3

CH 2 C H3C

CH C O

C

8.0

O

C

O

Acetylaceton

Enol-Gehalt [%]

H3C

O

87.0

O

C OH

Den unterschiedlichen Enolisierungsgrad kann man aufgrund der Bindungsenergiedaten verstehen: Bei der Enolisierung des Acetons ändert sich die molare Enthalpie um FHm + 84 kJ / mol; die Änderung der molaren Entropie (FSm) ist dagegen gering; die molare freie Enthalpie FGm sollte somit positiv sein. Experimentell ergibt sich K = 10/6 und FGm = + 34 kJ / mol. Beim Acetessigester enthält die Enol-Form dagegen eine konjugierte Doppelbindung (Zugewinn etwa 17 kJ / mol); zusätzlich stabilisiert eine intramolekulare Wasserstoffbrücke (Zugewinn etwa 25 kJ / mol). Somit beträgt der Enthalpiegewinn bei der Enolisierung etwa 84 /"42 = 42 kJ / mol. Qualitativ-chemische Nachweise der Enol-Form sind die Entfärbung einer Lösung von Brom in Tetrachlormethan oder Ethanol sowie die Bildung eines roten Eisen(III)-Chelates mit Eisen(III)chlorid. H Br H 3C Br C C C OC 2H5 O

H

O

Bromaddukt

H

Br 2 / CCl4

H 3C

C O

C H

H

FeCl3 / C2H5OH

C

OC 2H5

O

Acetessigester

H3C

C

C

C

OC 2H5

O

O Fe _

3 Eisen(III)-Chelat

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20.1 Übersicht

305

20 Aldehyde und Ketone 20.1 Übersicht Verbindungen mit der Formyl-Gruppe (/CH=O) bezeichnet man als Aldehyde. Ersetzt man das HAtom der Aldehyd-Funktion durch einen Alkyl- oder Aryl-Rest, so ergibt sich formal ein Keton: O

O

R C

(CH2)n C O

R C

H Aldehyd (R = Alkyl oder Aryl)

R Keton (R = gleiche oder verschiedene Alkyl oder Aryl)

Cycloalkanon (Cyclanon) n>1

Im Falle der Ketone können die Reste R zusammen auch einen cycloaliphatischen Ring bilden. Dann handelt es sich um cyclische Ketone oder Cycloalkanone (Cyclanone). Aldehyde und Ketone gehören mit den Carbonsäuren (R/COOH) aufgrund der gemeinsamen Carbonyl-Gruppe (C=O) zu den Carbonyl-Verbindungen. Von den Carbonsäuren unterscheiden sich die Aldehyde und Ketone sehr deutlich durch ihre Reaktivität. Untereinander zeigen sie jedoch weitgehend analoge Reaktionen. Daher sollen sie gemeinsam besprochen werden.

20.2 Nomenklatur 20.2.1

IUPAC-Bezeichnungen

Die IUPAC-Endsilben für Aldehyde und Ketone sind "-al" bzw. "-on", bei Dialdehyden und Diketonen sinngemäß "-dial" bzw. "-dion". Diese Endungen folgen der IUPAC-Bezeichnung des längstmöglichen Alkans, von dem sich der Aldehyd bzw. das Keton herleiten läßt, z. B.: O H3C CH2 CH2 CH 2 CH3

H3C CH2 CH 2 CH2 C

Pentan

Pentanal O

O

H O

H Cyclobutanon

H Pentandial

CH 3

2-Pentanon O

O C CH 2 C

C CH2 CH 2 CH2 C Cyclobutan

O H3C CH2 CH2 C

H3C CH3 2,4-Pentandion

Die Position von Seitenketten, Substituenten und Mehrfachbindungen wird durch arabische Ziffern gekennzeichnet. Dabei hat die Carbonyl-Gruppe Priorität; sie bekommt also die kleinstmög-

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306

20 Aldehyde und Ketone

liche Bezifferung. Infolge ihrer terminalen Stellung steht die Aldehyd-Gruppe stets in Position 1; diese Angabe erübrigt sich in der Bezeichnung: H Br

H Br H3C

C

H3C

CH2 CH 3

H

CH3

(2R)-(Z)-2-Brom-4-methyl-3-hexen

20.2.2

H 3C

CH 2 C

6

H

C C

C C H

O

C

CH 3

(5R)-(Z)-5-Brom-3-methyl-3-hexenal

Br H O C CH 3 5 2 1 4 C C3 H CH3 C

(5S)-(Z)-5-Brom-3-methyl3-hexen-2-on

Trivialnamen

Die Trivialbezeichnungen der Aldehyde werden meist von den (lateinischen) Namen der entsprechenden Carbonsäuren hergeleitet. Sie tragen die Endung "-aldehyd", z. B.: acidum acet icum (Essigsäure) acidum propion icum Benz oesäure p-Tolu ylsäure

Acet aldehyd Propion aldehyd Benz aldehyd p-Tolu aldehyd

Die Trivialnamen der Ketone enden mit "-keton". Die Bezeichnungen der beiden mit der Carbonyl-Gruppe verknüpften Alkyl-Gruppen werden vorangestellt, und zwar in der Reihenfolge zunehmender Größe, z. B.: H3C

H3C

H3C C CH2 CH 3

C CH3

H3C C CH CH 2 O Methylvinylketon (Butenon)

O Methyl-i-propylketon (3-Methylbutanon)

O Methylethylketon (Butanon)

O Dimethylketon, Aceton (Propanon)

CH3 C CH CH 3

Arylketone nennt man Phenone, z. B.: O C

O C

O HO

CH 3 Benzophenon

Acetophenon

C CH 3

p-Hydroxyacetophenon

Bezeichnungen ausgewählter Aldehyde und Ketone sowie ihre physikalischen Eigenschaften sind in den Tabellen 20.1 und 20.2 zusammengestellt.

20.3 Molekülorbital-Modell der Carbonyl-Gruppe Für das Formaldehyd-Molekül wurde ein H/C/O-Bindungswinkel von 120° und ein CO-Atomabstand von 120 pm bestimmt. Diese der Carboxy-Gruppe (Abschn. 18.3) analoge Geometrie wird durch ein entsprechendes Molekülorbital-Modell erklärt: Das Carbonyl-C-Atom nutzt zur Bildung der koplanaren u-Bindungen mit Sauerstoff, Wasserstoff und den Alkyl-C-Atomen sp2-Hybridorbitale. Über und unter der so gebildeten u-Bindungsebene führt die seitliche Überlappung der beiden 2p-Orbitale des Carbonyl-C- und des Carbonyl-O-Atoms zur r-Bindung (Abb. 20.1 a).

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20.3 Molekülorbital-Modell der Carbonyl-Gruppe

307

r (a)

C

u

O

(b)

_ C OI _

C OI _

Carbonyl-Mesomerie

Abb. 20.1. Seitliche Überlappung koaxialer p-Orbitale zur r-Bindung der Carbonyl-Gruppe (a) und mesomere Grenzformeln (b)

Infolge seines (/)-M-Effekts zieht der Carbonyl-Sauerstoff jedoch die r-Elektronen an sich, so daß die Carbonyl-Gruppe polarisiert wird. Im Valenzstrich-Formalismus schreibt man die CarbonylGruppe daher am besten als Hybrid zweier mesomerer Grenzformeln, von denen eine polar ist (Abb. 20.1 b). Die polare Grenzformel erklärt das Dipolmoment aller Carbonyl-Verbindungen sowie die Elektrophilie des Carbonyl-C-Atoms, welcher zahlreiche Reaktionen der Aldehyde und Ketone zugrunde liegen. Tab. 20.1. Nomenklatur und physikalische Eigenschaften ausgewählter Aldehyde Klasse

Konstitutionsformel

aliphatisch gesättigt

H CHO H3C CHO H3C CH2 CHO CH2 CH2 CHO H3C [CH2] 3 CHO

Trivialname -aldehyd

Schmelzpunkt Siedepunkt °C °C (1011 mbar)

Methanal

Form-

/ 92

Ethanal

AcetPropion-

/ 121 / 81

Propanal Butanal

/ 21 20 49

Löslichkeit g/100g H2O 55 unbegrenzt 16

Butyr-

/ 99

76

7

ValerCapron-

/ 91

[CH2] 4 CHO

Pentanal Hexanal

103 128

0.2 unlöslich

H2C CH CHO

Propenal

Acrolein

/ 88

52

40

(E)-2-Butenal

Croton-

/" 76.5

104

18

Propinal

Propiol-

55

löslich

/ 56

170

0.3

/ 7

197

1.7

(4-Hydroxy-3methoxybenz-, aus Vanille)

80

170

1.0

15

H3C

H3C aliphatisch ungesättigt

IUPACBezeichnung

H

CHO C C H H3C H C C CHO CHO

aromatisch

BenzCHO Salicyl(2-Hydroxybenz-)

OH CHO

Vanillin

HO OCH3 Dialdehyde aliphatisch

OHC

OHC CHO

Ethandial

Glyoxal

CH2 CH2 CHO

Butandial

Succindi-

Dialdehyde aromatisch

CHO

1,2-Benzendicarbaldehyd

Phthaldi-

50

löslich

170

löslich

56

50

unlöslich

116

245

unlöslich

CHO CHO

1,4-Benzendicarbaldehyd

Terephthaldi-

OHC

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308

20 Aldehyde und Ketone

Tab. 20.2. Nomenklatur und physikalische Eigenschaften ausgewählter Ketone Klasse

Konstitutionsformel

aliphatisch gesättigt

H3C

CO CH3

Trivialname

Schmelzpunkt Siedepunkt °C °C (1011 mbar)

Propanon

Aceton (Dimethylketon)

/ 94

unbegrenzt löslich

H3C

CH2 CO CH 3

Butanon

Ethylmethylketon

/ 86

80

CH2 CO CH 3

2-Pentanon

Methylpropylketon

/ 78

102

O

Cyclopentanon

/ 51

131

wenig löslich

O

Cyclohexanon

/ 32

156

9

O

Cycloheptanon

/ 21

179

wenig löslich

Suberon

H2C CH CO CH3

3-Buten-2-on

Methylvinylketon

H2C CH CO CH CH2

1,4-Pentadien3-on

Divinylketon

3-Pentin-2-on

Methylethinylketon

H C C CO CH3 O

aliphatischaromatisch

Löslichkeit g/100g H2O

56

H3C CH 2 cycloaliphatisch gesättigt

aliphatisch ungesättigt

IUPACBezeichnung

81

löslich

49 (100 mbar)

löslich

75 (95 mbar)

löslich

1-Phenylethanon

Acetophenon (Methylphenylketon)

21

202

unlöslich

1-Phenyl1-propanon

Propiophenon (Ethylphenylketon)

21

218

unlöslich

C

Diphenylmethanon

Benzophenon (Diphenylketon)

48

306

unlöslich

CO CO CH 3

2,3-Butandion

Biacetyl (Diacetyl)

C

CH3

O C

O

aromatisch

Diketone aliphatisch

H3C H 3C CO H3C CO

Diketone aromatisch

CH2 CH 3

CH 2 CO CH 3

[CH2] 2 CO CH 3 O C

C

2,4-Pentandion Acetylaceton 2,5-Hexandion

Acetonylaceton

Diphenylethandion

Benzil

/" 2.4 / 23

95

88

25

139

12.5

194

unlöslich

346

unlöslich

O

20.4 Physikalische Eigenschaften Infolge der Polarität der Carbonyl-Gruppe wirken zwischen Aldehyd- und Keton-Molekülen starke Dipol-Dipol-Kräfte. Aldehyde und Ketone sieden daher höher als unpolare Verbindungen vergleichbarer Größe (Tab. 20.3). Da Wasserstoffbrücken stärker sind als Dipol-Dipol-Kräfte, sieden Aldehyde und Ketone tiefer als die assoziierten Alkohole und Carbonsäuren vergleichbarer molarer Masse (Tab. 20.3). Aldehyde und Ketone können dagegen gemischte intermolekulare Wasserstoffbrücken mit Wasser bilden, manchmal sogar sehr stabile Hydrate (z. B. Trichloracetaldehyd- und Hexafluoraceton-Hydrat). Sie lösen sich dann sehr gut in Wasser. Mit zunehmender Größe der Alkyl-Gruppen nimmt die

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20.5 Darstellung von Aldehyden

309

Wasserlöslichkeit jedoch rasch ab, und aromatische Aldehyde und Ketone sind praktisch wasserunlöslich (Tab. 20.1, 20.2). H

CF 3

Cl3C C OH

F 3C C OH

OH Trichloracetaldehyd-Hydrat (Chloralhydrat)

OH Hexafluoraceton-Hydrat

Tab. 20.3.Siedepunkte von Verbindungen vergleichbarer Molekülgröße und unterschiedlicher Polarität Konstitutionsformel

IUPAC-Bezeichnung

Molmasse [g/Mol]

Polarität

Siedepunkt °C (1011 mbar)

unpolar

0

H 3C CH 2 CH2 CH 3

Butan

58

H 3C O CH 2 CH 3 O H 3C CH 2 C H O H 3C C CH 3

Methoxyethan

60

schwach polar

8

Propanal

58

dipolar

49

Propanon

58

dipolar

56

Propanol

60

WasserstoffbrückenBildner

97

Ethansäure

60

WasserstoffbrückenBildner (Dimer)

118

H 3C CH 2 CH2 OH O H 3C C OH

Höhere Alkanale und Alkanone der Summenformel CnH2nO bilden ab n = 3 Paare von Konstitutions- und zugleich Funktionsisomeren. Die Molekülmodelle des Propanals (Propionaldehyd) und Propanons (Aceton) in Abb. 20.2 zeigen dies.

(a)

(b)

Abb. 20.2. Stab- und Kalotten-Modelle der Carbonyl-Verbindungen Propanal (a) und Propanon (b)

20.5 Darstellung von Aldehyden 20.5.1

Oxidation von Methyl- und Hydroxymethyl-Gruppen

Methyl-Gruppen an aromatischen und heteroaromatischen Ringen lassen sich leicht zur FormylGruppe oxidieren. 4-Chlortoluen wird durch Chromtrioxid oder Chromylchlorid in Eisessig zu 4-

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310

20 Aldehyde und Ketone

Chlorbenzaldehyd oxidiert (ETARD-Oxidation). Pyridin-2-carbaldehyd entsteht durch katalytische Oxidation von 2-Methylpyridin (c-Picolin) mit Luftsauerstoff (SAUERMILCH-Oxidation): V2O5 , MoO3

N

+

CH 3

O2

N

C

O

+

H2O

H Pyridin-2-carbaldehyd

2-Methylpyridin (c-Picolin)

Methylketone werden durch Selendioxid zu c-Oxoaldehyden oxidiert (RILEY-Oxidation). Phenylglyoxal kann auf diese Weise aus Acetophenon dargestellt werden: O C

O CH 3

C +

SeO2

C

H +

O

Acetophenon

Se

+

H2O

Phenylglyoxal

Die Hydroxymethyl-Gruppe primärer Alkohole wird katalytisch (Cu) durch Luftsauerstoff oder durch Oxidationsmittel (Cr2O7 2/ in saurer Lösung) zur Formyl-Gruppe oxidiert: Cu oder Cr 2O7 , [H+]

O

2/

R CH 2 OH

+

R C

[O]

+

H2O

H

20.5.2

Überführung der Halomethyl- in die Formyl-Gruppe

Die durch BLANC-Reaktion (Tab. 10.2, Abschn. 10.4.1) zugänglichen Chlormethyl- oder Brommethylarene werden durch Oxidationsmittel (Dimethylsulfoxid, Mangandioxid, Selendioxid) in die Arenaldehyde übergeführt, z. B.:

N C

CH2 Cl

+

O

MnO2

[O]

N C

C

+

HCl

H 4-Cyanobenzaldehyd

4-Chlormethylbenzonitril

Die KRÖHNKE-Reaktion ist eine weitere, allgemeine Methode zur Darstellung substituierter Benzaldehyde aus den Benzylhalogeniden, z. B.: N(CH3) 2

N(CH 3)2 + CH2Br NO2 o-Nitrobenzylbromid

O

N Br

+ N

CH2 NO2 N-(o-Nitrobenzyl)pyridiniumbromid

O

N

/

N C

O H

+ H2O (H2SO4 ) N(CH3) 2

NO2 /

N H Br

C

H

NO2 o-Nitrobenzaldehyd

Nitron NHOH

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20.5 Darstellung von Aldehyden

20.5.3

311

NEF-Reaktion

Aldehyde können durch die NEF-Reaktion aus primären Nitroalkanen dargestellt werden. Ketone bilden sich entsprechend aus sekundären Nitroalkanen. R

H R

R CH2 NO2

C

O Aldehyd

primäres Nitroalkan

R

R CH NO2

R

C

O Keton

sekundäres Nitroalkan

Dabei wird das c-CH-acide Nitroalkan zunächst durch eine Base zum Nitronat deprotoniert. Doppelte Protonierung der beiden Nitro-O-Atome und anschließende Dehydratisierung führt zur cHydroxynitroso-Verbindung, die unter Säurekatalyse zu Distickstoffmonoxid, Wasser und Carbonyl-Verbindung zerfällt. - [H+]

OH

OH

- H2O, / [H+]

C N

C N

OH

OH

O

OH OH

/ [H+]

OH

C N

/ HNO

N2O + H2O )

H

O

C NO2

C

OH

/ [H+]

C

CarbonylVerbindung

c-CH-Nitroalkan

Nitronat

OH

- [H+]

c-Hydroxynitroso-Verbindung

( 2 HNO

O _ C N O

O

C N

- [H+]

20.5.4

OH

/ H2O

C N

Reduktion von Carbonsäure-Derivaten und Nitrilen

Carbonsäurehalogenide lassen sich katalytisch zu Aldehyden hydrieren (Abschn. 18.8.7). Um eine weitere Reduktion der Aldehyde zu vermeiden, wird der Katalysator (Pd) mit Bariumsulfat oder Chinolin und Schwefel gebremst (ROSENMUND-Reduktion). Intermediär treten wahrscheinlich Acylpalladiumchloride auf. O

O

+ Pd (BaSO4)

R C

R C Cl

PdCl

O R C H

+ H2 / Pd , /"HCl

Carbonsäure-imidazolide und -anilide werden durch das Hydrid-Anion als Nucleophil in Form komplexer Metallhydride ebenfalls zu Aldehyden reduziert: O R

C

N

O

LiAlH 4 , Tetrahydrofuran

N

+

Li H

R

C

H

Li

N

Li

N

+

N

Carbonsäure-imidazolid O R

C

N

CH 3

O

LiAlH 4 , Tetrahydrofuran

+

Li H

R

C

H

CH 3

+

Carbonsäure-N-methylanilid

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312

20 Aldehyde und Ketone

Nitrile, die im weitesten Sinne ebenfalls Carbonsäure-Derivate sind, weil ihre Hydrolyse über Carbonsäureamide zu Carbonsäuren führt, können mit Zinn(II)-chlorid in Salzsäure über die Aldimine zu Aldehyden reduziert werden: /

Cl R C NH

+ HCl

R C N

+ 2 H+ , + 2 e0 (SnCl2) / HCl

Imidoylchlorid (Carboximidoylchlorid)

H R C NH

H R C O

+ H2O (H3O+) / NH3

Aldimin

Die Reduktion von Nitrilen zu Aldehyden gelingt auch mit komplexen Metallhydriden wie z. B. LiAlH4 und NaBH4.

20.5.5

Spaltung von Glykolen und Ozoniden

Die Spaltung sekundärer Glykole mit Bleitetraacetat in wasserfreiem Benzen führt zu Aldehyden: / (CH3CO2) 2Pb , / 2 CH3CO2H

+

R CH CH R'

(CH 3CO2)4Pb

OH OH

H R C O

H +

C R' O

Entsprechend können Alkene über die Ozonide (Abschn. 4.5.9) in Aldehyde übergeführt werden, sofern die olefinischen C-Atome nicht vollständig alkyliert sind (sonst entstehen Ketone); die Weiteroxidation zu Carbonsäuren wird durch Zugabe eines Reduktionsmittels unterbunden.

R

Alken (Z oder E)

20.5.6

+ H2O , / H2O2

O O

+ O3

R CH CH R'

R' O Ozonid

H R C O

H +

C R' O

Hydrolyse von Sauerstoff-Heterocyclen

Die c,c'-Dialkoxy-Derivate von Sauerstoff-Heteroalicyclen reagieren als cyclische Acetale. Ihre säurekatalysierte Hydrolyse führt daher zu Dialdehyden. Succindialdehyd (Butandial) läßt sich auf diese Weise durch Hydrolyse von 2,5-Dimethoxytetrahydrofuran mit verdünnter wäßriger Salzsäure darstellen: (HCl)

H3CO

O

OCH3

2,5-Dimethoxytetrahydrofuran

+

H2O

+ C H O O Butandial (Succindialdehyd) H C

2 CH 3OH

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20.5 Darstellung von Aldehyden

20.5.7

313

Formylierung von Alkenen mit Kohlenmonoxid und Wasserstoff

Unter Formylierung versteht man die Einführung der Aldehyd- oder Formyl-Gruppe. Terminale Alkene (Vinyl-Verbindungen) lassen sich z. B. durch Kohlenmonoxid und Wasserstoff in der Hitze katalytisch formylieren: O

[Cr(CO) 4]2

R CH CH2

+

CO

+

H2

R CH2 CH 2 C H

20.5.8

Formylierung mit Orthoameisensäureestern

Orthoameisensäureester reagieren mit Alkylmagnesiumhalogeniden zu Acetalen, die zu den Aldehyden hydrolysiert werden können: + H2O (H3O+)

/ R'OMgX

R

Mg X

+

R'O

R

CH(OR')2

Orthoameisensäuretriester

CH(OR')2

H R C O Aldehyd

/ 2 R'OH

Acetal

" c-Naphthaldehyd kann z. B. in guter Ausbeute aus c-Naphthylmagnesiumbromid und Ortho-

ameisensäuretriethylester dargestellt werden: MgBr +

C

O

+

/ C2H5OMgX

H 5C 2O

+ H 2O (H3O )

CH(OC2H 5)2

/ 2 C2H5OH

""""""c-Naphthylmagnesiumbromid

20.5.9

H

CH(OC2H 5)2

c-Naphthaldehyddiethylacetal

c-Naphthaldehyd

Formylierung von Aromaten durch Formanilide (VILSMEIER-Formylierung)

Donor-substituierte Aromaten und Heteroaromaten lassen sich unter elektrophiler Substitution durch N,N-Dimethylformamid oder N-Alkylformanilide in Gegenwart von Phosphoroxidchlorid formylieren. 4-Methoxybenzaldehyd wird nach dieser VILSMEIER-Formylierung aus Anisol und NMethylformanilid dargestellt: O H C H 3CO

+ H 3C

Anisol

O

(POCl3)

N

N-Methylformanilid

H3CO

H +

C H

p-Methoxybenzaldehyd ( + o-Isomer )

N H3C

N-Methylanilin

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314

20 Aldehyde und Ketone

Dabei bilden N-Methylformanilid und POCl3 zunächst ein mesomeriestabilisiertes Carbenium-Ion: Cl

O

R C N H R'

+

POCl3

_R C N

Cl

R'

H

H

R

Cl +

C N

O P O Cl

R'

Dieses greift elektrophil an einer aktivierten (nucleophilen) Position des Aromaten an und führt zu einem Primärprodukt, dessen Hydrolyse den Aldehyd und N-Methylanilin-Hydrochlorid ergibt: H

Cl _ X

Cl + H

_ R C N

X

C N H

R'

R

R'

/ [H +]

Cl X

R

+ H2O

C N H

R

O X

C

+ H

R'

H2N

Cl R

20.5.10 Formylierung von Aromaten durch Formylhalogenide Die als GATTERMANN-KOCH-Reaktion bekannte Formylierung von Aromaten durch Kohlenmonoxid und Chlorwasserstoff in Gegenwart einer LEWIS-Säure bewährt sich zur Einführung der Aldehyd-Gruppe in p-Stellung von Alkylbenzenen. Kohlenmonoxid und Chlorwasserstoff reagieren dabei wahrscheinlich als Formylchlorid in einer Art FRIEDEL-CRAFTS-Acylierung: HCl + CO O +

R

Cl

AlCl3 , CuCl

C

O R

C

+

HCl

H

H Formylchlorid

Im Gegensatz zum instabilen Formylchlorid ist Formylfluorid relativ stabil und reagiert insbesondere mit Alkylbenzenen in Gegenwart von Bortrifluorid bevorzugt zu p-Alkylbenzaldehyden: O R

+

F C H Formylfluorid

BF3

O R

C

+

HF

H

20.5.11 Formylierung von Aromaten durch Cyanid und Chlorwasserstoff Bei der GATTERMANN-Synthese aromatischer Aldehyde werden Blausäure [aus Zn(CN)2 und HCl] und Chlorwasserstoff als Formylierungsreagenzien eingesetzt. Diese bislang wenig untersuchte

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20.5 Darstellung von Aldehyden

315

elektrophile Substitution verläuft wahrscheinlich über ein protoniertes Benzaldimin, das zum Benzaldehyd hydrolysiert wird. RO

+

HCN

+

NH2 Cl

ZnCl2

HCl

RO

C

O

+ H2O , / NH4Cl

H protoniertes Benzaldimin

RO

C

H p-Alkoxybenzaldehyd (Hauptprodukt)

Die GATTERMANN-Synthese eignet sich besonders zur Darstellung von Phenol- sowie Phenoletheraldehyden.

20.5.12 Formylierung von Aromaten durch Chloroform Phenole und einige Heteroaromaten können in alkalischer Lösung durch Chloroform formyliert werden, z. B.: OH

OH CHCl3 , OH

O C

/

CH3 4-Methylphenol (p-Kresol)

H

CHCl3 , OH

_ N _ K

CH 3 2-Hydroxy-5-methylbenzaldehyd

Kaliumpyrrolid

/

O N

C

H

H

Pyrrol-2-carbaldehyd

Diese REIMER-TIEMANN-Formylierung führt auch zu Nebenprodukten. Sie ist ebenfalls eine elektrophile Substitution, wobei das aus Chloroform durch c-Eliminierung in alkalischem Medium entstehende Dichlorcarben :CCl2 elektrophil am Ring angreift: CHCl3 + OH / H2O ,

O

+

/ Cl

/

O

I CCl2

O

CCl2 H

R

R

OH CH Cl2

R

O C

+ H3O+ , / 2 HCl

H

R

20.5.13 Industrielle Verfahren zur Herstellung von Acet- und Benzaldehyd Die für organische Synthesen wichtigen Schlüsselverbindungen Acetaldehyd und Benzaldehyd werden in technischem Maßstab dargestellt, Acetaldehyd durch katalytische Hydratisierung von Ethin (Abschn. 15.4.1), Benzaldehyd durch Chlorierung von Toluen über Benzalchlorid: O CH3

hp , Hitze

+ Toluen

2 Cl2

CHCl2

+ 2 H2O

CH(OH)2

/ H2O

C

H

/ 2 HCl

- 2 HCl

c,c-Dichlortoluen (Benzalchlorid)

Benzaldehydhydrat

Benzaldehyd

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316

20 Aldehyde und Ketone

20.6 Darstellung von Ketonen 20.6.1

Oxidation sekundärer Alkohole

Sekundäre Alkohole können nach mehreren Verfahren zu Ketonen oxidiert werden, so mit Chromtrioxid in Eisessig: R

R

CH3CO2H

3 R C OH

+

3

2 CrO3

C O

+

Cr2O3

+

3 H 2O

R

H

Ein milderes Verfahren beruht auf der Redoxreaktion, welche sekundäre Alkohole mit Aceton in Gegenwart von Aluminium-t-butanolat eingehen (OPPENAUER-Oxidation): R R C OH

CH3 O C CH3

+

H

CH 3

R

Al [OC(CH3) 3]3

C O

+

R

HO C CH 3 H

Schließlich können sekundäre Alkohole auch mit N-Bromsuccinimid zu Ketonen dehydriert werden (BARAKAT-Oxidation).

20.6.2

Oxidation aktivierter Methylen-Gruppen

Methylen-Gruppen in c-Stellung zu Carbonyl-Gruppen werden durch Selendioxid zu CarbonylGruppen oxidiert. Diese RILEY-Reaktion (Abschn. 20.5.1) eignet sich auch zur Darstellung von 1,2-Diketonen, z. B.: O

O

1,4-Dioxan

+

SeO2

+

Se

+

H2O

O Cyclohexan-1,2-dion

20.6.3

Bimolekulare Decarboxylierung und Dehydratisierung von Carbonsäuren

Flüchtige Carbonsäuren ergeben unter intermolekularer Decarboxylierung und Dehydratisierung Ketone, wenn man sie in Gegenwart von Mangan(II)-oxid auf 300 °C erhitzt: O R C OH + OH

MnO , 300 °C

R C O

+

CO2

+

H 2O

R

R C O

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20.6 Darstellung von Ketonen

317

Ebenso werden die durch Acylierung von Malonsäurediestern (Abschn. 18.10) entstehenden Acylmalonester nach der Esterverseifung schrittweise zu Methylketonen decarboxyliert: O R C C CO2R' R'O2C H Acylmalonsäurediester

+ H2O / R'OH

O R C C CO2R' HO2C H Acylmalonsäuremonoester

O R C CH 3 Methylketon

/ CO2

/ CO2

O

O R C CH 2 CO2H

+ H2O

R C

/ R'OH

CH2 CO2R'

d-Ketoester

20.6.4

d-Ketosäure

Addition von GRIGNARD-Verbindungen an Nitrile

Alkylmagnesiumhalogenide addieren an Nitrile unter Bildung von Iminylmagnesiumhalogeniden, die in saurer Lösung zu Ketonen hydrolysieren: NMgX R C N

+

R' Mg X

R C

2+

/ Mg / / OH / /X / NH3

R' Iminylmagnesiumhalogenid

20.6.5

O

+ 2 H2O

R C

R'

Acylierung von Dialkylcadmium

Die Reaktion von Carbonsäurehalogeniden mit Dialkyl- oder Diarylcadmium führt unter nucleophiler Substitution von Halogen durch Alkyl oder Aryl zu Ketonen: O 2R C

+

R' Cd R'

X

O 2R C R'

+

CdX2

1-Phenyl-2-butanon kann auf diese Weise aus Dibenzylcadmium und Propionylchlorid dargestellt werden: O 2 H3C CH2 C Cl

+

CH 2 Cd CH2

O

/ CdCl2

2 H 3C CH 2 C CH2 1-Phenyl-2-butanon

Die toxischen Organocadmium-Verbindungen sind durch Reaktion von Alkylmagnesiumhalogeniden mit wasserfreiem Cadmiumhalogenid zugänglich: 2 R Mg X

+

Cd X 2

R 2 Cd

+

2 Mg X 2

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318

20.6.6

20 Aldehyde und Ketone

Spaltung der Ozonide von Tetraalkylethenen

Die Ozonide (Abschn. 4.5.9) von Tetraalkylethenen werden zu Ketonen gespalten, entweder durch katalytische Hydrierung oder durch Zinkstaub in Essigsäure: R

R C C R R

20.6.7

+

R

O3

R

O O O

R

+ H2

R

2 / H2O

R

C O R

Acylierung von Alkenen

Carbonsäurechloride addieren in Gegenwart von LEWIS-Säuren (AlCl3) elektrophil an Alkene unter Bildung von d-Chlorketonen: O

O

AlCl3

+

R C

C C

20.6.8

d-Chlorketon

C C C Cl

Cl

R

Acylierung von Aromaten mit Carbonsäurehalogeniden

Die elektrophile FRIEDEL-CRAFTS-Acylierung von Aromaten mit Carbonsäurehalogeniden in Gegenwart einer LEWIS-Säure ist eine allgemeine Methode zur Darstellung von Arylketonen, den Phenonen. 2,4-Dihydroxyacetophenon entsteht z. B. aus Resorcin und Acetylchlorid in Gegenwart von wasserfreiem Aluminiumchlorid: CH 3 + HO

OH

O Cl C CH 3

/ HCl

Resorcin

20.6.9

C

AlCl3

O

HO OH 2,4-Dihydroxyacetophenon

Acylierung von Aromaten durch Nitrile

Analog zur GATTERMANN-Formylierung (Abschn. 20.5.11) können Phenole und ihre Derivate durch Nitrile in Gegenwart von Chlorwasserstoff und einer LEWIS-Säure, meist ZnCl2, zu Phenonen acyliert werden. Diese HOUBEN-HOESCH-Reaktion verläuft wahrscheinlich ähnlich wie eine FRIEDEL-CRAFTS-Acylierung unter Bildung des protonierten Ketonimins als Zwischenstufe: NH Cl HO

+

ZnCl2

R C NH Cl

C

NH2 Cl HO

C R

R + H2O

RCN

+

/ NH4Cl

O

HCl HO

C R

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20.7 Reaktivität der Carbonyl-Gruppe

319

20.7 Reaktivität der Carbonyl-Gruppe Die Carbonyl-Gruppe ist Aldehyden und Ketonen gemeinsam. Ihre Reaktivität beruht auf dem (/)M-Effekt des Carbonyl-O-Atoms, welcher das Carbonyl-C zum elektrophilen Reaktionszentrum polarisiert: _ C OI _

C OI _

Carbonyl-Mesomerie

Infolgedessen verlaufen die meisten Reaktionen der Aldehyde und Ketone unter nucleophiler Addition am Carbonyl-Kohlenstoff: _ Nu

+

_ C OI _

C OI _

_ Nu C OI _

Das Nucleophil B kann neutral oder negativ geladen sein, muß jedoch mindestens ein nicht bindendes Elektronenpaar besitzen. Dies trifft z. B. für Basen im weitesten Sinne (Hydroxid-Anion, Ammoniak, Wasser), Carbanionen und Hydrid-Anionen (in komplexen Metallhydriden) zu. Die nucleophile Addition am Carbonyl-C ist säurekatalysiert; bei der Protonierung wird die Elektrophilie des Carbonyl-C-Atoms durch Kompensation der Basizität des Carbonyl-O-Atoms erhöht: C OI _

+

_ C OI H

C OI H

[H ]

Dagegen wirkt sich eine Kompensation der positiven Ladung am Carbonyl-C (wie etwa der vollständige r-Bindungsausgleich im Carboxylat-Anion) desaktivierend auf die Elektrophilie der Carbonyl-Gruppe aus. Infolgedessen zeigen Aldehyde im Vergleich zu Ketonen mit ihrer zweiten, elektronenschiebenden Alkyl-Gruppe eine erhöhte Reaktivität: O R C

O <

O

R C

/ OH /

O

O <

R C

/ OR /

<

R C

O <

R'

R C H

Alle Substituenten am Carbonyl-C liegen schließlich auf einer Ebene (Abb. 20.1); ober- und unterhalb dieser Ebene können die Nucleophile nahezu ungehindert angreifen, so daß die CarbonylReaktionen nur sehr selten sterisch behindert werden.

20.8 Reaktionen von Aldehyden und Ketonen mit Basen Die Reaktionen von Aldehyden und Ketonen mit Sauerstoff-, Schwefel- und Stickstoff-Nucleophilen als Basen führen zu den wichtigsten funktionellen Derivaten dieser Verbindungen.

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320

20 Aldehyde und Ketone

20.8.1

Bildung von Hydraten

Aldehyde und Ketone stehen in wäßriger Lösung im Gleichgewicht mit ihren Hydraten. Dabei addiert Wasser als Sauerstoff-Nucleophil an das elektrophile Carbonyl-C-Atom: H +

O H

H

/ C O /

H

/ O / C O /

Carbonyl-Hydrat

HO C OH

Das Aldehyd- oder Keton-Hydrat existiert meist nur in wäßriger Lösung. Es läßt sich jedoch isolieren, wenn das Carbonyl-C-Atom durch elektronenziehende Substituenten (Cl, F) in c-Stellung stark positiviert wird. Infolgedessen kristallisieren die Hydrate von Trichloracetaldehyd und Hexafluoraceton aus wäßrigen Lösungen. Beim Einengen wäßriger Formaldehyd-Lösungen bilden sich meist Polykondensationsprodukte des Formaldehydhydrats: / (n/1) H2O

HO CH2 OH + n HO CH 2 OH + HO CH 2 OH

HO CH2 O [CH2 O ] n CH 2 OH

In saurer wäßriger Lösung trimerisieren kurzkettige Aldehyde R/CH=O (R = H, CH3) dagegen unter Bildung sechsgliedriger kristalliner Sauerstoff-Heterocyclen, den Trioxanen. Diese Cyclisierung verläuft unter nucleophiler Addition von Carbonyl-O an das Carbonyl-C eines benachbarten Aldehyd-Moleküls: R

O C R R O O C C H H

O

R

O R

H H

H

R = H : Formaldehyd R = CH3 : Acetaldehyd

20.8.2

R

O

H

R = H : 1,3,5-Trioxan R = CH3 : 2,4,6-Trimethyl-1,3,5-trioxan

Bildung von Acetalen und Ketalen

In saurem wasserfreien Medium reagieren Aldehyde und Ketone mit Alkoholen unter Bildung von Acetalen bzw. Ketalen: R' R C O

R'

[H+]

+

R C OR"

2 R" OH H3O+

Aldehyd (R' = H) Keton (R' = Alkyl oder Aryl)

+

H 2O

OR" Acetal (R' = H) Ketal (R' = Alkyl oder Aryl)

d-Brompropionaldehyddiethylacetal entsteht z. B. aus 3-Brompropanal und absolutem Ethanol, das etwas wasserfreien Chlorwasserstoff gelöst enthält:

CH2 CH2 C

+ H

OC2H 5

(HCl)

O Br

2 C2H 5OH

Br

CH2 CH 2 C OC2H 5

H d -Brompropionaldehyddiethylacetal

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20.8 Reaktionen von Aldehyden und Ketonen mit Basen

321

Bei der Acetalisierung (Ketalisierung) addiert Alkohol nucleophil an das Carbonyl-C, wobei sich ein Halbacetal (Halbketal) bildet. Dieses wird durch Säure zum Oxonium-Ion protoniert. Nach Abspaltung von Wasser entsteht ein mesomeriestabilisiertes Carbenium-Ion, an welches weiterer Alkohol addiert. Deprotonierung liefert schließlich das Acetal (Ketal). _

/ C OI

I OI

H O R

+

OH 2

OH

H _ O

C

C

OR

C

OR

R Halbacetal (Hemi- oder Semiacetal) Halbketal (Hemi- oder Semiketal)

R C OR

C

OR

OR

/"H2O

+ ROH

C

O

_R O

C

_ _R O

H

Acetal Ketal

Die Bildung der Acetale (Ketale) ist eine Gleichgewichtsreaktion. In wäßrig saurem Medium werden die Acetale (Ketale) zu den Aldehyden (Ketonen) hydrolysiert. Anstelle von Acetalen (Ketalen) entstehen Thioacetale (Thioketale), wenn Aldehyde oder Ketone mit Thiolen in Gegenwart wasserfreier Säuren reagieren: +

[H ]

C O

+

C SR

2 R SH

+

H 2O

SR Thioacetal Thioketal

Acetale und Thioacetale (bzw. Ketale) enthalten die Carbonyl-Funktion geschützt, d. h. in einem den Carbonyl-Reaktionen erst nach hydrolytischer Spaltung zugänglichem Zustand. Propan-1,3-dithiol als Schwefel-Binucleophil cyclisiert mit Aldehyden zu den 1,3-Dithianen, in denen das ehemalige Aldehyd-H-Atom acide ist, weil das nach Deprotonierung mit Alkyllithium entstehende Carbanion unter Beteiligung der d-Orbitale des Schwefels mesomeriestabilisiert wird. Das ursprünglich elektrophile Aldehyd-C-Atom wird auf diese Weise zum nucleophilen Carbanion umgepolt (Carbonyl-Umpolung nach COREY-SEEBACH): O R

C

H

Aldehyd

+

HS

SH

/ H2O

S

C

S _ S C

S

R H 2-Alkyl-1,3-dithian

Propan-1,3-dithiol

S

C

S

S

C

S

Li

R R R mesomere Grenzformeln des lithiierten 1,3-Dithians

Die lithiierten 1,3-Dithiane können u. a. durch Halogenalkane (als Elektrophile) alkyliert werden. Spaltung der resultierenden 2,2-Dialkyl-1,3-dithiane mit Quecksilber(II)-chlorid oder N-Bromsuccinimid liefert dann Ketone: S _ R Li S

+

R'

X

/ LiX

S

R' S

R R

+ HgCl2 , + H2O S

/

Hg S

C R' O Keton

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322

20 Aldehyde und Ketone

20.8.3

Addition von Hydrogensulfit

Das Bisulfit-Anion kann nucleophil an das Carbonyl-C eines Aldehyds oder Ketons addieren. Dabei kristalliseren meist Salze der c-Hydroxysulfonsäuren, die Bisulfit-Addukte. O C

O +

Na

O

_ I S OH _ O

_ I S OH _ IO _I

Na

_ IOI OH

OH

C S O

C SO3 Na

O

Natriumhydrogensulfit

Bisulfit-Addukt

Nur aliphatische und aromatische Aldehyde sowie Ketone, deren Carbonyl-Reaktivität nicht durch sperrige Gruppen sterisch behindert wird, reagieren zu Bisulfit-Addukten und können dann durch Umkristallisieren der Addukte gereinigt werden. Ihre Rückgewinnung gelingt durch Erhitzen (Wasserdampf-Destillation) der Addukte in saurer oder alkalischer wäßriger Lösung.

20.8.4

Bildung von Iminen mit Ammoniak und primären Aminen

Aldehyde und Ketone reagieren mit primären Aminen und Ammoniak unter Wasserabspaltung zu Iminen (Azomethinen, SCHIFF-Basen). _ C OI

+

Aldehyd Keton

R

_ H 2N R

+

C N

prim. Amin

H2O

Imin (Azomethin, SCHIFF-Base)

Die Reaktion wird meist durch Säuren katalysiert, da das Carbonyl-C-Atom nach Protonierung der Carbonyl-Verbindung elektrophiler und damit einer nucleophilen Addition zugänglicher wird. C OI _

+

[H ]

C OH _

_ C OH _

Oxonium-

Carbenium-Ion

Andererseits darf das Reaktionsmedium nicht zu sauer sein, da das dann vorliegende AmmoniumIon nicht mehr nucleophil ist: R

_ NH2

+

[H ]

R

NH3

Die Azomethin-Bildung verläuft unter nucleophiler Addition des Amin-N-Atoms an das Carbonyl-C-Atom. Dabei bildet sich zunächst ein Halbaminal (c-Hydroxyamin), welches säurekatalysiert zum Imin dehydratisiert. H 2N R _ C OI _

H

N

C OH Halbaminal

_ C OI

+

_ H 2N R

H

R - [H+]

N

H

R

C OH 2

/ H2O

N

R

C Carbenium-

H

N

R

C Immonium-Ion / [H+]

N

R Imin

C

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20.8 Reaktionen von Aldehyden und Ketonen mit Basen

323

Salicylaldehyd und Cyclohexylamin reagieren z. B. zu einem kristallinen Imin: OH

OH / H2O

C

+

O

H2N

C

N

H N-Cyclohexylsalicylaldimin

H

Imino-Doppelbindungen werden oft bei der Synthese von Stickstoff-Heteroaromaten geknüpft, beispielswiese im letzten Schritt der FRIEDLÄNDER-Synthese von Chinolin-Derivaten: / H2O

2-Alkylchinolin

COR NH2

N

R

Auch Ammoniak reagiert mit Aldehyden und Ketonen primär unter Bildung von Iminen. Diese trimerisieren jedoch meist unter Bildung von Hexahydro-1,3,5-triazinen: O 3R C H

NH

/ 3 H2O

+

3 NH 3

3R C

R

H N

R

N H R

N

H H H H Hexahydro-1,3,5-triazin

H

Das aus Formaldehyd und Ammoniak zunächst entstehende unsubstituierte Hexahydro-1,3,5-triazin wird durch weiteren Formaldehyd hydroxymethyliert. Das Trihydroxymethyl-Derivat kondensiert schließlich mit einem weiteren Äquivalent Ammoniak unter Bildung von Hexamethylentetramin (Urotropin) mit Adamantan-analoger Molekülstruktur: CH2OH CH2OH CH2OH

H N

N

N H

+

N

3 H 2C O

N

N + NH3 , / H2O

N

N N Hexamethylentetramin (Urotropin)

N

H

20.8.5

Bildung von Hydrazonen, Azinen, Oximen und Semicarbazonen

Aldehyde und Ketone reagieren mit Hydrazin zunächst zu Hydrazonen, dann zu Azinen: / H2O

C O

+

H 2N NH 2

NH 2 C N

+ O C

N C C N

/ H2O

Hydrazon

Azin

Mit Phenylhydrazin oder 2,4-Dinitrophenylhydrazin entstehen kristalline 2,4-Dinitrophenylhydrazone: H

O2N

H 3C

/ H 2O

C O

+

H2N NH

NO2

H 3C 2,4-Dinitrophenylhydrazin

H3C

O2N N

NO2

C N H3C Aceton-2,4-dinitrophenylhydrazon

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324

20 Aldehyde und Ketone

Die Reaktion von Aldehyden oder Ketonen mit Hydroxylamin führt zu den ebenfalls kristallinen Oximen: O

N

/ H2O

+

H2N OH

OH

Cyclohexanonoxim

Eine weitere für Aldehyde und Ketone charakteristische Fällungsreaktion beruht auf ihrer Reaktion mit Semicarbazid zu Semicarbazonen, z. B.: H

H

C

N

O

+

H2N

H C

/ H2O

O

C

H N

NH2

N

O

C

NH2

Semicarbazid

Benzaldehydsemicarbazon

Die Bildung von Hydrazonen, Oximen und Semicarbazonen wird in der organisch-chemischen Analyse zur Charakterisierung der Aldehyde und Ketone herangezogen.

20.8.6

Bildung von Enaminen mit sekundären Aminen

Wie primäre addieren sekundäre Amine zunächst nucleophil an das Carbonyl-C von Aldehyden und Ketonen. Das aus sekundären Aminen entstehende c-Hydroxyamin enthält jedoch kein NHProton, so daß keine Weiterreaktion zum Imin stattfinden kann (Abschn. 20.8.4). Eine Dehydratisierung ist jedoch unter Eliminierung eines CH-Protons in d-Stellung zum Amino-Stickstoff möglich. Dabei entsteht ein Enamin (Dialkylaminoalken): R +

CH2 C O

H

IN R

R

C C N R

H

R

H

R

N R

/ H2O

C C N

C C H

H OH R c-Hydroxyamin

H O H

sekundäres Amin

Enamin

Ein Beispiel ist die Reaktion von Cyclohexanon mit Piperidin zu 1-Piperidinocyclohexen: O

+

/ H2O

HN Piperidin

N 1-Piperidinocyclohexen

Die CC-Doppelbindung der Enamine wird durch den (-)-M-Effekt des N-Atoms in d-Stellung nucleophil, so daß mit Halogenalkanen (als Elektrophilen) alkyliert werden kann. Säurekatalysierte Hydrolyse der c-alkylierten Immonium-Salze ergibt die alkylierte Carbonyl-Verbindung (Aldehyd oder Keton) und das Dialkylammonium-Salz (STORK-Enamin-Alkylierung): _ C C

C C NR _ 2

Enamin-Mesomerie

+

f-

R'

f/

X

NR 2

R' NR 2 X

Halogenalkan

R'

- H2O

C C

"""c-alkyliertes Immmonium-Salz

+

/

/ R2NH X

C C O

"""""""""c-alkylierte Carbonyl-Verbindung

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20.9 Reaktionen mit Hydrid-Anionen

325

Auf diese Weise kann Cyclohexanon über 1-Piperidinocyclohexen zu racemischem 2-Allylcyclohexanon alkyliert werden:

N

+

1-Piperidinocyclohexen

20.8.7

N

Br

Br

O

Allylbromid

+

H 2N

Br

(R,S)-2-Allylcyclohexanon

Bildung von Silylenolethern mit Trialkylchlorsilanen

Wie Carbonsäureester sind Aldehyde und Ketone mit c-ständigen H-Atomen CH-acide. Genügend starke Basen deprotonieren die Carbonyl-Verbindungen zu mesomeriestabilisierten Nucleophilen, die als Carbanionen und Enolat-Ionen auftreten: C O C

H

_ C OI

+ IB

_ C OI _ C

CI

/ HB

Carbanion

_ C OSiR _ 3

+ Cl/SiR3 /

C

/ Cl

C OSiR _ 3 CI

Trialkylsilylenolether , mesomere Grenzformeln

Enolat-Anion

Die Enolat-Anionen substituieren nach Art der WILLIAMSON-Ether-Synthese das Chlorid-Anion der Trialkylchlorsilane. Dabei entstehen Trialkylsilylenolether als Sauerstoff-Analoga der Enamine, in denen der (-)-M-Effekt der Trialkylsilyloxy-Gruppe die d-Stellung der CC-Doppelbindung zum C-Nucleophil polarisiert. Dementsprechend kann Cyclohexanon sowohl über das Enamin (Abschn. 20.8.6) als auch über den aus Cyclohexanon und Trimethylchlorsilan in Gegenwart einer Base zugänglichen Trimethylsilylenolether zu 2-Allylcyclohexanon alkyliert werden:

+ H2O

OSi(CH 3)3

+

1-Trimethylsilyloxycyclohexen

OSi(CH 3)3 Br

Br

/ HBr, / (H3C) 3SiOH

Allylbromid

O (R,S)-2-Allylcyclohexanon

20.9 Reaktionen mit Hydrid-Anionen Das stark nucleophile Hydrid-Anion (aus komplexen Metallhydriden) addiert an das elektrophile Carbonyl-C-Atom; dabei wird die Carbonyl-Verbindung zum Alkoholat reduziert: _ C OI

H +

IH

_ C OI _

Alkoholat-Anion

20.9.1

Reduktion mit komplexen Metallhydriden

Komplexe Metallhydride wie Lithiumaluminiumhydrid (Li+[AlH4]/) in Ether oder Natriumborhydrid (Na+[BH4]/) in Methanol eignen sich sehr gut zur Reduktion von Aldehyden oder Ketonen.

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326

20 Aldehyde und Ketone

Primäre bzw. sekundäre Alkohole sind die Reduktionsprodukte: R

R

abs. Ether

C O

+

[ (R'

LiAlH4

R'

Li

4 R'

/ LiOH / Al(OH) 3

H

C OH H

R' = H : primärer Alkohol R' = Alkyl oder Aryl : sek. Alkohol

R' = H : Aldehyd R' = Alkyl oder Aryl : Keton

20.9.2

R

+ 4 H2O

C O)4 Al ]

MEERWEIN-PONNDORF-VERLEY-Reduktion von Ketonen

Ketone und Aluminium-i-propanolat reagieren zu sekundären Alkoholen und Aceton. Diese MEERWEIN-PONNDORF-VERLEY-Reduktion ist die Rückreaktion der OPPENAUER-Oxidation; sie verläuft wahrscheinlich über einen Al(III)-Komplex, der nach intramolekularer Hydrid-Verschiebung in Aceton und das zum sekundären Alkohol hydrolysierbare Aluminiumalkoholat spaltet: R

R

CH3

R

C

+

f-C f/ O

IOI _

O

H

R

H C CH3 Al 3

CH3 CH 3

R

Cf Al 3

R C H

O f/

H 3C

+

IOI _

C

CH 3

O

Al 3 Hydrolyse

R R C H

sekundärer Alkohol

OH

20.9.3

CANNIZZARO-Disproportionierung aromatischer Aldehyde

Arenaldehyde wie Benzaldehyd disproportionieren in alkalischer Lösung zu primären Alkoholen und aromatischen Carboxylaten: O + C H Arenaldehyd 2 Ar

OH

Ar CO2 Carboxylat

+

Ar CH2 OH prim. Alkohol

In mäßig alkalischer Lösung verläuft diese CANNIZZARO-Reaktion wahrscheinlich in drei Schritten. Zunächst addiert ein Hydroxid-Anion nucleophil an das Carbonyl-C-Atom. Das dabei gebildete c-Hydroxyalkoxid-Anion spaltet ein Hydrid-Anion ab, das nucleophil am Carbonyl-C-Atom eines zweiten Aldehyd-Moleküls angreift. So entsteht eine Carbonsäure und ein Alkoxid-Anion, die in einem Säure-Base-Gleichgewicht zugunsten von Carboxylat-Anion und Alkohol stehen. O 2 Ar

C

+

_ IOH _

_ I OI

O

Ar C OH

H

+

Ar

_ IOI

O Ar

C H

H

+

C OH

H C

Ar

Ar CO2

+

HO CH2

Ar

H

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20.10 Reaktionen mit Carbanionen und CH-Säuren

327

Auch aliphatische Aldehyde können disproportionieren, z. B. mit Aluminiumethanolat. Bei dieser TISCHTSCHENKO-Reaktion erhält man den Ester der entstandenen Carbonsäure und des Alkohols: O 2R C H

Al(OC2H5) 3

R = Alkyl

O R C O CH 2 R

20.10 Reaktionen mit Carbanionen und CH-Säuren Die nachfolgend besprochenen Aldehyd- und Keton-Reaktionen beruhen auf der nucleophilen Addition eines Carbanions oder einer entprechend polarisierten Alkyl-Gruppe am Carbonyl-C-Atom: R

R C O

+

_ C OI _

IR

oder

C O

+

_ C OI _

R Y

Y

20.10.1 1,2-Addition von GRIGNARD-Verbindungen Die Synthese primärer, sekundärer und tertiärer Alkohole durch Reaktion von Formaldehyd, höheren Aldehyden und Ketonen mit Alkylmagnesiumhalogeniden (Abschn. 15.4.6) beruht auf der nucleophilen Addition der Alkyl-Gruppe am Carbonyl-C-Atom: R

R + H2O

C O

+

R MgX

C O Mg X

/ Mg 2+ / / OH / /X

C OH Alkohol

20.10.2 Carbonyl-Alkenylierungen Die WITTIG-Reaktion ermöglicht eine gezielte Darstellung substituierter Alkene aus Aldehyden oder Ketonen und einem Halogenalkan, dessen c-C-Atom mindestens mit einem WasserstoffAtom verknüpft ist: X C O

+

H C

C C

Diese Alken-Synthese beginnt mit der Alkylierung des Triphenylphosphans durch Halogenalkan zum Alkyltriphenylphosphonium-Salz: R2CH

X

+

P(C6H 5)3

X = Cl , Br , I

R 2CH P(C6H 5)3 X AlkyltriphenylphosphoniumSalz

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328

20 Aldehyde und Ketone

Starke metallorganische Basen (Phenyllithium, Butyllithium, Lithiumdiisopropylamid) deprotonieren das Triphenylalkylphosphonium-Ion in c-Stellung zum Phosphor. Dabei entsteht ein mesomeriestabilisiertes Zwitterion, dessen Grenzformeln man als Ylid und Ylen bezeichnet: R2CH P(C6H 5)3 X

+

_ R 2C

LiC6H 5

P(C 6H5)3 Ylid

R2C

P(C6H 5)3 Ylen

Dieses Zwitterion addiert an Aldehyde und Ketone, der carbanionische Teil nucleophil an das Carbonyl-C-, der Phosphonium-Teil elektrophil an das Carbonyl-O-Atom. Der intermediäre Heterocyclus, ein Oxaphosphetan, zerfällt in ein Alken und Triphenylphosphanoxid: R

_

C

+

O

CR2

C C R

P(C 6H5)3

O P(C6H 5)3

R C C R Alken

Oxaphosphetan

+

O P(C 6H5)3 Triphenylphosphanoxid

1,1-Diphenylpropen entsteht auf diese Weise aus Benzophenon und Halogenethan über Triphenylphosphoniumethylid:

C O

+

H (C6H 5)3P C CH 3

H C C CH 3

Triphenylphosphoniumethylid (Ylen-Formel)

Benzophenon

+

O P(C 6H5)3

1,1-Diphenylpropen

Zur Carbonyl-Alkenylierung nach HORNER-EMONS wird ein Phosphonsäurediethylester eingesetzt. Dessen Deprotonierung (z. B. mit Natriumhydrid) liefert ein Carbanion, das durch den (/)M-Effekt der PO-Doppelbindung mesomeriestabilisiert wird (PO aktivierte Carbonyl-Alkenylierung). R' + O

O

+ NaH

C2H 5O P CH 2 R C2H 5O

/ H2

R' (Aldehyd oder Keton)

O

_ C2H 5O P CH R Na C2H 5O

C

H

O / C2H5O

Diethylphosphonat

P

R'

ONa

C C

R R'

C2H5O

Phosphonsäurediester (Dialkylphosphonate) werden durch Alkylierung der Trialkylphosphite mit Halogenalkanen hergestellt (ARBUZOV-MICHAELIS-Reaktion). Die intermediären PhosphoniumSalze eliminieren unter Bildung einer PO-Doppelbindung ein Äquivalent Halogenalkan. C2H 5O C2H 5O P C2H 5O Triethylphosphit

OC 2H5 +

X CH2 R

C 2H 5O P CH 2 R OC 2H5

/ C2H5X

X

O C 2H5O P CH2 R C 2H5O Diethylphosphonat

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20.10 Reaktionen mit Carbanionen und CH-Säuren

329

Auch Metallylide / -ylene eignen sich zur Carbonyl-Alkenylierung. Bei der TEBBE-Alkenylierung wird aus Titandichloriddicyclopentadienid und Trimethylaluminium (als Dimer) das TEBBEReagenz dargestellt, das in situ den Methylen-Überträger Cp2Ti=CH2 bildet, der selbst weniger reaktive Carbonyl-Verbindungen alkenyliert. Aus Carbonsäureestern entstehen z. B. Enolether: OR'

H

H C

Al2 (CH3 ) 6

Cp2TiCl2 +

+ O / ClAl(CH3 ) 2

Cp2 Ti

Al(CH3 ) 2

Cp2 Ti

Al(CH 3)3

CH 2

Cl

Titandichloriddicyclopentadienid

TEBBE-Reagenz

C R

/ Cp2 Ti

O

in situ

OR' H 2C C R Enolether

Cp =

20.10.3 Aldol-Reaktion Aldehyde und Ketone reagieren in alkalischen Lösungen zu d-Hydroxycarbonyl-Verbindungen (Aldole, Ketole), sofern das in Bezug zur Carbonyl-Gruppe c-ständige C-Atom mit mindestens einem H-Atom verknüpft ist: R H C C O

+

R H C C O

OH

R

/

H C C C C O OH d-Hydroxycarbonyl-Verbindung R = H : Aldol ; R = Alkyl : Ketol

Im ersten Schritt dieser Aldol-Reaktion abstrahiert die Base (meist HO/ oder RO/) in c-Stellung zur Carbonyl-Gruppe ein Proton. Diese Gleichgewichtsreaktion erzeugt geringe Mengen eines mesomeriestabilisierten Carbanions: H

R C C O

/ H2O

+

R _ C C O Carbanion

HO

R C C O Enolat-Anion

Die nucleophile Addition dieses Carbanions an das (elektrophile) Carbonyl-C-Atom eines benachbarten Aldehyd- oder Keton-Moleküls führt zu einem Alkoxid-Anion, dessen Säure-BasenReaktion mit Wasser ein Aldol ergibt: H R C C O

+

H R

R C C C C O I OI _

R IC C O

+ H2O , / OH

/

H R

R C C C C O OH Aldol (Ketol)

Ist das zur Carbonyl-Gruppe c-ständige Kohlenstoff-Atom mit mindestens einem WasserstoffAtom verknüpft, so kann unter Dehydratisierung eine c,d-ungesättigte Carbonyl-Verbindung entstehen (Aldol-Kondensation): H C C C C O OH

/ H2O

C C C C O """"c,d -ungesättigte Carbonyl-Verbindung

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330

20 Aldehyde und Ketone

Die Aldol-Reaktion ist der erste Schritt einer in technischem Maßstab durchführbaren 1,3-Butadien-Synthese aus Acetaldehyd: H 2 H 3C C O

OH

/

H3C CH

H CH2 C O

[H +]

+ H 2 / Ni

H3C CH

OH Acetaldol (3-Hydroxybutanal)

CH2 CH 2 OH

OH 1,3-Butandiol

H 2C CH

/ 2 H 2O

CH CH 2

1,3-Butadien

Die gerichtete Aldol-Reaktion erzwingt die Addition eines durch Lithiumdiisopropylamid (LDA) c-metallierten Aldimins (oder Hydrazons) an das Carbonyl-C-Atom eines Ketons über ein Li-

thiumchelat. Mit chiralen Iminen, Hydrazonen oder Ketonen als Edukten verläuft die Reaktion enantioselektiv. H

Ar

C

H

H

C R Li H 2C _ + N CH3

/ 78 °C

H 2C C

H3C Ar

O

C O

N

R

+ 2 H2O / LiOH / R/NH2

Li

H2C

C

O

C

H3C OH Ar racemisches Aldol

Als C-Nucleophile zur Aldol-Reaktion mit Aldehyden eignen sich die aus Aldehyden und Ketonen zugänglichen Silylenolether. Diese MUKAIYAMA-Variante der Aldol-Reaktion von Aldehyden wird ebenfalls enantioselektiv, sofern die als Katalysator benötigte LEWIS-Säure chiral ist. _ IOSi(CH3)3

O R

H

+

R'

OSi(CH3)3 _

O R

R'

Silylenolether , mesomere Grenzformeln

OSi(CH3)3 R'

OH

+ H2O / (H3C)3SiOH

Trimethylsilyloxyaldol

R

O R'

racemisches Aldol

20.10.4 Cyanhydrin-Reaktion Aldehyde und Ketone reagieren mit Blausäure zu c-Hydroxynitrilen, den Cyanhydrinen. Diese Cyanhydrin-Reaktion verläuft unter nucleophiler Addition des Cyanid-Anions an die CarbonylGruppe: _ C OI

_ C OI _

+

H

IC NI

C OH CN c-Hydroxynitril (Cyanhydrin)

Zur Durchführung der Reaktion löst man die Carbonyl-Verbindung entweder in cyanidhaltiger flüssiger Blausäure oder gibt Kaliumcyanid zu einer Lösung des Aldehyds bzw. Ketons in Eisessig. Auch Trimethylsilylcyanid, (CH3)3Si/CN, reagiert mit Aldehyden zu Cyanhydrinen. Die Cyanhydrin-Reaktion verläuft glatt bei aliphatischen Aldehyden und Ketonen. Im Falle der Arenaldehyde konkurriert die Benzoin-Reaktion. Da die Nitril-Gruppe der Cyanhydrine zur Carboxy-Gruppe hydrolysiert und zur AldehydFunktion reduziert werden kann, eignet sich die Cyanhydrin-Reaktion u. a. zur Synthese von cHydroxycarbonsäuren und c-Hydroxyaldehyden (KILIANI-Synthese von Kohlenhydraten). Als

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20.10 Reaktionen mit Carbanionen und CH-Säuren

331

chirogene Reaktion führt die Cyanhydrin-Reaktion mit Iminen aus Aldehyden über c-Iminonitrile zu den Racematen der c-Aminocarbonsäuren (STRECKER-Synthese, Abschn. 36.6.1). H R C CO2H

c-Hydroxycarbonsäure

OH / NH3

+ 2 H2O

H

H R C O

+ HCN

R C CN OH

H

+ NH3 / H2O

R C CO2H

/ NH3

NH 2 c-Aminonitril

Imin

H

+ 2 H2O

R C CN NH

NaBH4

H H R C C OH O

H

+ HCN

R C

NH2 c-Aminocarbonsäure

c-Hydroxyaldehyd

Steht c zur Carbonyl-Funktion ein asymmetrisches C-Atom, so wird die Cyanhydrin-Reaktion diastereoselektiv, sofern sie von einem Enantiomer als Edukt ausgeht. Hierzu sagt die CRAMsche Regel voraus, welches Diastereomer bei der nucleophilen Addition an eine Carbonyl-Gruppe mit benachbartem asymmetrischem C-Atom bevorzugt entsteht: Im stabilsten Konformer wird die CO-Doppelbindung von den kleinstmöglichen Substituenten flankiert, und das Nucleophil addiert von der sterisch weniger gehinderten Seite. O

O Nu

+

mittel

klein

mittel

klein

C

C

R

Nu

R

groß

groß

Daher führt die Cyanhydrin-Reaktion des (2S)-2-Methylbutanals zu (2R,3S)-2-Hydroxy-3-methylpentansäurenitril als Hauptprodukt: O H H

C N

+

OH

OH CH 3

CH 3

H

C

C

C

H

NC

H C 2H 5

CH 3

H H

CN

C 2H 5 C 2H 5 viel wenig (2R,3S)(2S,3S)2-Hydroxy-3-methylpentansäurenitril

(2S)-2-Methylbutanal

20.10.5 Benzoin- und STETTER-Reaktion der Arenaldehyde Arenaldehyde wie Benzaldehyd enthalten in c-Stellung zur Carbonyl-Gruppe keine H-Atome und gehen daher keine Aldol-Reaktion ein. Sie reagieren jedoch in alkalischer Lösung bei Gegenwart von Cyanid-Ionen zu aromatischen c-Hydroxyketonen, den Benzoinen, z. B.: 2

H C O

CN

/

H C

C

OH O Benzoin

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332

20 Aldehyde und Ketone

Die reversible Benzoin-Reaktion verläuft wahrscheinlich in fünf Einzelschritten: 2 Ar

H C O

CN

(2)

Ar C H

IC NI

H C Ar

(4)

C Ar O

OH

NC Ar C

IOI _

O

H +

Ar CI

I OI _

NC Ar C

(3)

CN

(1)

+

H C Ar

IO _I

H

(5) / CN

H C Ar

Ar

/

C O

O H

H

O

Benzoin (mit intramolekularer H-Brücke)

Zunächst addiert das Cyanid-Anion nucleophil an das Carbonyl-C-Atom (1). Es bildet sich ein cCyanoalkoxid-Anion, in dem der Elektronenzug der CN-Gruppe zur Ablösung des AldehydProtons und zur Bildung eines Hydroxycarbanions führt (2, Umpolung des elektrophilen Carbonyl-C-Atoms zum Nucleophil). Dieses Carbanion addiert nucleophil an die Carbonyl-Gruppe eines anderen Benzaldehyd-Moleküls (3). Die so entstandene Zwischenstufe spaltet nach Austausch des OH-Protons (4) ein Cyanid-Ion ab (5). Benzoine werden zu 1,2-Diketonen (Benzilen) oxidiert und zu 1,2-Diolen reduziert. Durch Addition von Hydroxid an Benzile wird die Benzil-Benzilsäure-Umlagerung gestartet (Abschn. 26.1.2). H

H

C

C

/

H

1.) + H (LiAlH4) 2.) + H2O , / OH

OH OH

C

/

+ HNO3

C

C

/ H2O , / NO2

OH O

C

O O

1,2-Diphenyl-1,2-ethandiol (Hydrobenzoin)

Benzil (Diphenylethandion)

Bei der durch Cyanid katalysierten STETTER-Reaktion addiert das umgepolte Carbonyl-C des Arenaldehyds nucleophil an die elektronenarme CC-Doppelbindung eines c,d-ungesättigten Ketons, Esters oder Nitrils. Aus Benzaldehyd und Methylvinylketon entsteht z. B. 1-Phenylpentan1,4-dion. CN H5C 6 CI OH + CN

H 5C6

/

H C O

NC + H

C

C

CH2

H 5C6 C

CH2 CH 3

CH _

O H

/ CN

H 5C6

/

C

CH2

CH 3 C O 1-Phenylpentan-1,4-dion

CH3 C O

O

O

CH2

20.10.6 Alkinylierung von Carbonyl-Verbindungen Terminale Alkine, R/C»C/H, werden durch genügend starke Base wie Natriumamid, NaNH2, zu Alkinyliden deprotoniert: R C C H

+

Na

NH2

R C CI Na Natriumalkinylid

+

NH3

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20.10 Reaktionen mit Carbanionen und CH-Säuren

333

Das Alkinylid-Carbanion addiert nucleophil an das Carbonyl-C-Atom eines Aldehyds oder Ketons. Dabei entsteht ein Alkinol: flüssiges NH 3

C

+

+ NH3

IC C R

C C C R

O

/ NH2

IOI _

C C C R

/

Alkinol

OH

Ein Beispiel ist die Darstellung von 1-Ethinylcyclohexanol aus Cyclohexanon und Ethin in flüssigem Ammoniak bei Gegenwart von Natriumamid: +

H C C

NaNH2, flüssiges NH3 , - 78 °C

H C C H

OH

O

1-Ethinylcyclohexanol

20.10.7 Homologisierung von Aldehyden und Ketonen mit Diazomethan Aldehyde und Ketone können durch Diazomethan homologisiert, d. h. um eine CH2-Gruppe vergrößert werden. Aus Aldehyden entstehen dabei Methylketone. H R C O

CH 3

/ N2

+

CH 2N2

R' R C O

R C O

CH 2 R'

/ N2

+

CH 2N2

R C O

Methylketon

homologisiertes Keton

Auch bei dieser Reaktion addiert Diazomethan nucleophil an die Carbonyl-Gruppe. Die Abspaltung von Stickstoff aus dem Primäraddukt hinterläßt ein Zwitterion, das sich unter 1,2-Alkyl- oder Hydrid-Verschiebung in die homologe Carbonyl-Verbindung umlagert: R'

R' R C O

+

ICH2 N NI

R'

/ N2

R C CH2

N NI

R C CH2

IOI _

CH 2 R'

o

R C O

IOI _

Die Ringe der Cycloalkanone lassen sich auf diese Weise um eine CH2-Gruppe erweitern; z. B. entsteht Cycloheptanon durch Homologisierung von Cyclohexanon mit Diazomethan: _ I OI O

+

_ I OI CH2 N NI

ICH2 N NI

O CH2 o

Cyclohexanon

Cycloheptanon

20.10.8 KNOEVENAGEL-Alkenylierung Bei der KNOEVENAGEL-Alkenylierung (Abschn. 18.5.8, 18.10.2) addiert eine CH-acide Verbindung als Carbanion nucleophil (in Analogie zur Aldol-Reaktion) an die Carbonyl-Gruppe eines Aldehyds oder Ketons. Der primär entstehende Alkohol dehydratisiert zum Alken: O R

C

E R'

+

H C E' H

HO E R C C E' R' H

/ H2O

R

E E , E' = /CHO , /COR , /CO2R , /CN , /NO2

C C R'

E'

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334

20 Aldehyde und Ketone

Ein Beispiel ist die Darstellung von 3,3-Diphenylpropensäure aus Benzophenon und Malonsäurediethylester über 1,1-Diphenyl-2,2-diethoxycarbonylethen:

C O

CO2C2H 5 H 2C CO2C 2H5

+

Malonsäurediethylester

Benzophenon

Verseifung Decarboxylierung

CO2C 2H5 C C CO2C2H 5

(Base) /"H2O

1,1-Diphenyl-2,2-diethoxycarbonylethen

CO2H C C H

3,3-Diphenylpropensäure

20.10.9 PERKIN-Reaktion Die zur Darstellung von Zimtsäure-Derivaten (Abschn. 18.5.9) anwendbare PERKIN-Reaktion aromatischer Aldehyde verläuft zunächst wie die KNOEVENAGEL-Alkenylierung: Ein Carbonsäureanhydrid addiert als Carbanion nucleophil an das Carbonyl-C eines aromatischen Aldehyds. Das dabei entstehende gemischte Säureanhydrid spaltet ein Molekül Carbonsäure ab, und es entsteht ein Zimtsäure-Derivat:

Ar

H C O

R O H CH C O R CH2 C O

+

R CH2

H

CO2 K

R

O CH C O OH R CH2 C O

/ R CH2

Ar C

R Ar CH C CO2H

CO2H

/ H2O

20.10.10 MANNICH-Reaktion Die Aminoalkylierung c-CH-acider Carbonyl-Verbindungen mit Formaldehyd und Ammoniak bzw. einem primären oder sekundären Amin ist als MANNICH-Reaktion bekannt: H

+

NH

C

H

R

R CH C O

+

O

N CH 2

C C O

c-CH-acide Carbonyl-Verbindung

d-AminoalkylCarbonyl-Verbindung

Dabei entsteht aus Formaldehyd und der Amino-Verbindung zunächst ein mesomeriestabilisiertes Carbenium-Immonium-Ion (MANNICH-Elektrophil): R R NI H

+

H

C

H R R N C H H IOI _

H

O / H2O

R

H N C R H Carbenium-Ion

R

H

+ [H+]

R

N C H R

R

OH

H N C R H

H N C H OH 2

R

R

oder

H N

R

C H

Immonium-Ion

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20.10 Reaktionen mit Carbanionen und CH-Säuren

335

An dieses Carbenium-Immonium-Ion mit elektrophilem C-Atom addiert eine c-CH-acide Carbonyl-Verbindung (z. B. Malonsäurediester) als nucleophiles Carbanion; letzteres wird auf diese Weise aminoalkyliert: H N C R H

CO2R'

R

R

H N C R H

+

CO2R'

R

H C H

N CH 2

C H

R

CO2R'

CO2R'

R = CH3 , R' = C2H5 : N,N-Dimethylaminomethylmalonsäurediethylester

Die MANNICH-Reaktion ist eine vielseitig anwendbare Methode zur d-Aminoalkylierung CHacider Verbindungen (Carbonyl-Verbindungen, Nitrile, Acetylene, Nitroalkane, c-Alkylpyridine).

20.10.11 BAYLIS-HILLMAN-Hydroxyalkylierung c,d-Ungesättigte Carbonyl-Verbindungen (z. B. Propensäureester, Butenon) werden durch Benz-

aldehyde, weniger gut durch andere Aldehyde oder Ketone, in Gegenwart tertiärer Amine als Basen (z. B. 1,4-Diazabicyclo[2,2,2]octan, abgek. DABCO) in c-Stellung bei Raumtemperatur hydroxyalkyliert. Die als BAYLIS-HILLMAN-Hydroxyalkylierung bekannte Reaktion beginnt mit der MICHAEL-Addition des tertiären Amins in d-Stellung der elektronenarmen Doppelbindung. Das carbanionische c-C-Atom des intermediären Zwitterions addiert nucleophil an die CarbonylGruppe des Aldehyds oder Ketons. Aldehyde sowie Ketone mit ungleichen Resten R1 und R2 machen die Reaktion chirogen; bei Einsatz enantiomerenreiner chiraler tertiärer Amine wird sie enantioselektiv. O

O OR

R'3N

O

O OR

OR

+ R1

O R2

+ R'3N

R'3N

R1 R2

H

O

OH OR

/ NR' 3

R'3N

R1 R2

O OR

2-Hydroxyalkylpropensäureester

Propensäureester

20.10.12 ROBINSON-Annelierung von Cycloalkanonen Die MICHAEL-Addition von Enonen (Butenon) an c-CH-acide Cycloalkanone (Cyclohexanon) in Gegenwart einer Base führt zu isolierbaren 1,5-Diketonen, die durch nachfolgende AldolReaktion und Dehydratisierung zu bicyclischen Enonen cyclisieren. Diese als ROBINSON-Annelierung bekannte Reaktionsfolge eignet sich zur Synthese von Steroiden und anderen Polycyclen. + H3O+

+ O

O

O

/ H2O

O

MICHAEL-Addition Base

Base

O

O

O

Aldol-Reaktion + H3O+

+ O

O

H

/ [H+]

Cyclohexanon

/ [H+]

O Butenon (Methylvinylketon)

O 2-Oxo-2,3,4,4a,5,6,7,8octahydronaphthalen

+ H3O+

/ 2 H2O

OH

O

/ H2O

O

O

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336

20 Aldehyde und Ketone

Bei der im Ergebnis ähnlichen NAZAROW-Cyclisierung von Divinylketonen zu Cyclopentenonen werden die Edukte zunächst zu mesomeriestabilisierten Hydroxypentadienium-Kationen protoniert. Diese elektrocyclisieren zu einem wiederum mesomeriestabilisierten CyclopentadieniumKation, das im Falle verschiedener Substituenten R und R´ zu den konstitutionsisomeren Cyclopentenonen deprotoniert. OH

OH

R

R'

R

OH

R'

R

OH

R'

R

R'

/ [H+]

O

OH

O

OH

OH

+ [H+]

R

sowie

R

R'

O

R'

R

R'

Divinylketon

R

R

R'

R'

R

R'

Cyclopentenon (Regioisomere)

20.11 Oxidation und Reduktion der Carbonyl-Gruppe 20.11.1 Oxidation von Aldehyden Im Gegensatz zu Ketonen sind Aldehyde Reduktionsmittel, insofern sie sich sehr leicht zu Carbonsäuren oxidieren lassen. Darauf beruhen aldehydspezifische Nachweisreaktionen, z. B. die Silberspiegelreaktion mit ammoniakalischer Silbernitrat-Lösung (TOLLENS-Reagenz), H +

R C

2 [Ag(NH3)2]

+

2 OH

R CO2

NH4

+

H2O

+

3 NH3

+

2 Ag

O

die Fällung von rotem Kupfer(I)-oxid (u. a.) aus alkalischer Kupfer(II)-sulfat-Lösung in Gegenwart von Kalium-Natriumtartrat als Chelatbildner (FEHLING-Reagenz, Tartrate sind Salze der Weinsäure, Abschn. 17.5.2). H 2 Cu 2

+

R C

+

Na

+

5 OH

R CO2 Na

+

3 H2O

+

Cu2O

O

sowie die Reduktion von alkalischen Bismutsalz-Lösungen zu schwarzem, metallischem Bismut (NYLANDER-Reaktion). H 3R C

+

2 Bi 3

+

9 OH

3 R CO2

+

6 H2O

+

2 Bi

O

20.11.2 BAEYER-VILLIGER-Oxidation von Ketonen Ketone werden durch Persäuren zu Estern oxidiert (BAEYER-VILLIGER-Oxidation). Die Oxidation verläuft unter nucleophilem Angriff der Persäure an der Carbonyl-Gruppe über ein Oxenium-Ion.

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20.11 Oxidation und Reduktion der Carbonyl-Gruppe

337

Letzteres deprotoniert und lagert sich dabei unter 1,2-Alkyl-Verschiebung in den Ester um. O R

C

R

+

Keton

H

O

O

C

O

_ IOI R C

R'

R

Peroxycarbonsäure

H O

OH

+ [H+]

R C

O O C R'

R

O

OH O C R' OH

/ O

C R'

R

O C OR

/ [H+]

H _ R C OI O

R

Carbonsäureester

Oxenium-Ion

20.11.3 WILLGERODT- und WILLGERODT-KINDLER-Reaktion von Alkylarylketonen Alkylarylketone werden nach WILLGERODT durch Ammoniumpolysulfid zu y-Arylalkancarbonsäureamiden oxidiert, wobei die Ausbeuten mit zunehmender Alkyl-Kettenlänge sinken. O

O

Ar C

+ (NH4)2Sx

Ar

+

(CH2)n+1 C

(CH2)n CH 3

Ar

(CH 2)n+1 CO2 NH4

+ 2 H2Sx

NH 2 y-Arylalkancarbonsäureamid

Arylalkylketon

Die WILLGERODT-KINDLER-Variante setzt anstelle des Polysulfids sekundäre Amine und Schwefel als Oxidationsmittel ein und führt zu Carbonsäurethioamiden. Wahrscheinlich verläuft diese Reaktion über ein Enamin, das mit Schwefel zum c-Aminothioaldehyd reagiert, der sich zum Carbonsäurethioamid umlagert. H

CH 2 Ar

+S

NR 2

Ar

C H

S NR 2

H Ar

C H

S NR2

+ R2NH , / H2O

CH3 Ar

O

HS

CH2 Ar

OH

NR 2

Ar

Acetophenon

S

C

NR 2

Ar N,N-Dialkyphenyllthioacetamid

20.11.4 CLEMMENSEN-Reduktion Die Carbonyl-Funktion von Aldehyden und Ketonen läßt sich mit amalgamiertem Zink und Salzsäure zur Methylen-Gruppe reduzieren, z. B.: O C

Zn xHg , HCl

CH 2 CH 2 CH 3

Butyrophenon

+ 4 [H ]

+ 4 e0

CH 2 CH 2 CH 2 CH 3

/ H2O

n-Butylbenzen

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338

20 Aldehyde und Ketone

20.11.5 MCMURRY-Reaktion Als MCMURRY-Reaktion bekannt ist die reduktive Kupplung von Aldehyden oder Ketonen zu Alkenen durch niedervalentes Titan (Abschn. 4.4.5), das im Reaktionsansatz aus Titantetra- oder -trichlorid und einem Reduktionsmittel (Zn oder LiAlH4) erzeugt wird. Dabei wird die CarbonylVerbindung an der Titan-Oberfläche zum Ketyl-Radikal reduziert, das zum Pinakolat dimerisiert. Durch Spaltung der CO-Bindungen bildet sich das Alken und Titan(II)-oxid. Ti Ti

Ti(I) 2 Ti(0)

+

2

C

O

2

C

O

O

Ketyl-Radikal

Aldehyd oder Keton

O C

/ 2TiO

C

C C

Titan(I)-Pinakolat

Alken

Die intramolekulare MCMURRY-Reaktion von Dicarbonyl-Verbindungen öffnet den Weg zu Cycloalkenen. Das 1,3-Diketon 2,2-Dibenzoylpropan cyclisiert z. B. zum gespannten 3,3-Dimethyl1,2-diphenylcyclopropen: H 5C6

C

C

O

O

TiCl3 / LiAlH4

C 6H5

H5C 6 C6H 5 3,3-Dimethyl-1,2-diphenylcyclopropen

2,2-Dibenzoylpropan

20.11.6 WOLFF-KISHNER-Reduktion Erhitzt man das Hydrazon eines Aldehyds oder Ketons in Glykol bei Gegenwart von Alkalihydroxid, so wird unter Abspaltung von Stickstoff die Carbonyl- zur Methylen-Gruppe reduziert: N R

C

NH 2

/

(OH )

R'

N NH

H R

C

R'

+ OH

/

/""H2O

N NI _

H R

C

/ H2O

+ H2N NH2

R'

/ N2

R

_ CH

R'

/ OH

+ H2O

/

O

R

C

R

R'

CH 2

R'

20.11.7 BAMFORD-STEVENS- und SHAPIRO-Reaktion Aus p-Toluensulfonylhydrazin und Aldehyden sowie Ketonen entstehen die p-Toluensulfonylhydrazone (Tosylhydrazone). Enthält die Carbonyl-Verbindung ein c-ständiges H-Atom, so kann sie über das p-Tosylhydrazon zum Alken umfunktioniert werden: H

H

C C

C C

C C O

N NH SO2 Ar

H

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20.12 CH-Acidität und Keto-Enol-Tautomerie der 1,3-Diketone

339

Bei der BAMFORD-STEVENS-Reaktion entsteht durch Deprotonierung des NH-aciden Tosylhydrazons zunächst eine Diazo-Verbindung, die das Lösemittel zum Diazonium-Ion protoniert. Letzteres spaltet Stickstoff ab, worauf das resultierende Carbenium-Ion zum Alken deprotoniert. H C C

/ ArSO2

/

H

+ [H+]

C C

_ N N _ SO2 Ar

H

H

C C N NI N

C C H

H NI _

Diazoalkan

/ [H+] (Base)

Diazonium-Ion

/ [H+] (Base)

H C C

C C N NH SO2 Ar Tosylhydrazon

Ar =

H

CH3

Alken

Bei der SHAPIRO-Reaktion wird durch Alkyllithium doppelt deprotoniert (sowohl CH in cStellung zu Carbonyl als auch NH). Die Abspaltung von Stickstoff aus dem intermediären Lithiumdiazid führt zum Alkenyllithium; dessen Acidolyse ergibt das Alken. _ C C

/ Li O2 S

/ N2

Ar

2 Li _ N N _ SO2 Ar

C C

C C Li

N _ NI _ Li Lithiumalkenyldiazid

/ 2 RH

+ 2 RLi

Alkenyllithium + H2O

/ LiOH

H C C

C C

H

N NH SO2 Ar

20.12 CH-Acidität und Keto-Enol-Tautomerie der 1,3-Diketone 1,3-Dicarbonyl-Verbindungen sind CH-Säuren. Zu den bereits besprochenen Beispielen Malonsäurediester und Acetessigester (Abschn. 18.10) gesellen sich Malondialdehyd (Propandial) und 1,3-Diketone wie Acetylaceton (2,4-Pentandion), weil nach Deprotonierung ein mesomeriestabilisiertes Carbanion entsteht, indem der (/)-M-Effekt beider Carbonyl-Gruppen die negative Ladung auf zwei Enolat-Anionen verteilt: R

R C O

H2C C O R

+ NaOR / ROH

R C OI _

_ C OI _

R

R C OI _

Na H CI H C H C _ C OI C OI C OI _ _ _ R R R mesomere Grenzformeln der Anionen des Malondialdehyds ( R = H ) und des Acetylacetons ( R = CH 3 )

O oder

Na

H O R

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340

20 Aldehyde und Ketone

Wie alle 1,3-Dicarbonyl-Verbindungen existieren Malondialdehyd und Acetylaceton als KetoEnol-Tautomere. Intramolekulare Wasserstoffbrücken fixieren dabei die im Tautomerie-Gleichgewicht dominierenden cis-Enol-Formen. H

H H C R C C

R

O

R

O

C O

C

H

H C

R

R

C

C

C

R

HO

O O H cis-Enol-Formen mit intramolekularer H-Brücke R = H : Malondialdehyd ; R = CH3 : Acetylaceton

Keto-Form

H

O

C

C

R

C

R

O

trans-Enol-Form zum Vergleich

1,3-Dicarbonyl-Verbindungen bilden mit Übergangsmetall-Kationen Metallchelate. Mit Acetylaceton entstehen die Acetylacetonate: R

R C O

2

H

C

+ Cu

H

H

+

C O

R

O C Cu

C

/ 2 [H ]

C O

R C O

2+

C H O C

R

R

Kupfer(II)acetylacetonat (blau, kristallisiert)

Nach Deprotonierung mit Alkoholaten oder anderen Basen sind 1,3-Diketone KohlenstoffNucleophile und reagieren wie Malonsäurediester (Abschn. 18.10) und Acetessigester (Abschn. 19.5.2): Sie lassen sich mit Halogenalkanen C-alkylieren, mit Carbonyl-Verbindungen nach KNOEVENAGEL alkenylieren und mit elektronenarmen Alkenen der MICHAEL-Addition unterziehen.

R

H R' C R C C O

O

R'

X

R

C-Alkylierung

O

C

C

H H C R C C

O KNOEVENAGELAlkenylierung

O

2-Alkyl-1,3-diketon

R

C O

C

C

R

O

1,1-Diacylalken MICHAEL-Addition

R

CH2

CH

CN

H CH 2 CH 2 CN C R C C O

O

2-(2-Cyanoethyl)-1,3-diketon

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21.1 Klassifizierung der Phenole

341

21 Phenole und Chinone 21.1 Klassifizierung der Phenole Während in Alkoholen (Abschn. 15.1) die Hydroxy-Gruppen an Alkyl-C-Atome gebunden sind, enthalten Phenole eine oder mehrere OH-Gruppen direkt an Aren-Ringe geknüpft. Die allgemeine Formel für ein Phenol ist daher Ar/OH, im Gegensatz zu Alkoholen mit R/OH, z. B.: OH

CH2 OH Benzylalkohol (R = Benzyl)

Phenol (R = Phenyl)

Die unterschiedliche Verknüpfungsart alkoholischer und phenolischer Hydroxy-Gruppen ist die Ursache der verschiedenartigen Reaktivitäten von Alkoholen und Phenolen.

21.2 Nomenklatur der Phenole Hat die OH-Gruppe gegenüber den anderen funktionellen Gruppen im Molekül die Priorität, so bezeichnet man substituierte Phenole als Derivate des Phenols, z. B.: C(CH3)3 OH

OH

NO2

OH

OH

H2N Cl 3-Chlorphenol

2-Nitrophenol

(CH3)3C

4-Aminophenol

C(CH 3)3

2,4,6-Tri-t-butylphenol

Methylphenole sind als Kresole bekannt: OH

OH

CH3

H3C CH 3 m-

o-

OH

p-Kresol

Phenole, die sich vom Naphthalen ableiten, nennt man Naphthole, z. B.: OH

OH 8

1(c)

8a

OH

2(d )

7

NO2

3

6 5

4a

4

c-Naphthol

d-Naphthol

"d-Nitro-c-naphthol (2-Nitro-1-naphthol)

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342

21 Phenole und Chinone

Nach IUPAC bezeichnet man Phenole als Hydroxyaromaten, z. B. im Falle polycyclischer Aromaten und Heteroaromaten, OH

OH 8

8a

1

7 6

HO 1-Hydroxyanthracen

5

4a

8

OH 2

7

3

6

4

5

2,6-Dihydroxynaphthalen

1

N

8a

2 3

4a

4

8-Hydroxychinolin

oder wenn die OH-Funktion im Molekül nicht die Priorität besitzt: O

O CO2H

C

HO

C

H

HO

p-Hydroxybenzoesäure

CH 3

HO

p-Hydroxybenzaldehyd

p-Hydroxyacetophenon

Oft orientieren sich die Trivialnamen an der pflanzlichen Herkunft. o-Hydroxybenzoesäure kommt z. B. als Glucosid in der Weide (Salix) vor und ist daher als Salicylsäure bekannt; abgeleitete Verbindungen (Aldehyd) oder Derivate (Ester) werden entsprechend bezeichnet. H

C

O

CO2H

CO2CH 3

OH

OH

Salicylaldehyd

Salicylsäure

CO2H O

OH

C

CH 3

O Salicylsäuremethylester

Acetylsalicylsäure

Für Di- und Trihydroxybenzene (Polyphenole) sind fast nur Trivialnamen in Gebrauch, z. B.: OH

OH

OH

OH

OH

OH Brenzcatechin

OH

OH OH

Resorcin

HO HO

OH Hydrochinon

OH Hydroxyhydrochinon

OH

OH

Phloroglucin

Pyrogallol

21.3 Physikalische Eigenschaften der Phenole Die reinen Phenole sind meist farblos. Ihre Schmelz- und Siedepunkte (Tab. 21.1) liegen höher als die vergleichbarer Aromaten ohne OH-Gruppe. Die Ursache ist eine starke intermolekulare Wasserstoffbrücken-Assoziation (Abb. 21.1, S. 344). Auch mit Wasser können die Phenole über Wasserstoffbrücken assoziieren (Abb. 21.1) und lösen sich daher meist besser in Wasser als die nicht hydroxylierten Arene (Tab. 21.1). Enthält das Phenol neben der OH-Gruppe noch einen Wasserstoffbrücken-Akzeptor, z. B. eine Carbonyl- oder Nitro-Gruppe, so assoziieren die m- und p-Isomeren ebenfalls über intermolekulare Wasserstoffbrücken zwischen den OH-Gruppen und den Akzeptoren (Abb. 21.1). Die o-Isomeren

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21.3 Physikalische Eigenschaften der Phenole

343

Tab. 21.1. Physikalische Eigenschaften ausgewählter Phenole Formel

Bezeichnung

Benzen (z. Vergleich)

Schmelzpunkt °C

5.5

Siedepunkt °C (1011 mbar)

80.1

Löslichkeit g/100 g H2O bei 25 °C

Aciditätskonstante Ka x 10/10 in H2O bei 25 °C

0.2

OH Phenol

43

182

9.3

1.1

Brenzcatechin

104

245

45

1.4

Resorcin

110

281

123

1.6

Hydrochinon

172

286

8

Toluen (z. Vergleich)

/ 95

110.6

0.07

31

191

2.5

0.63

12

202

2.6

0.98

35

202

2.3

0.67

/ 145

132

o-Chlorphenol

9

173

2.8

m-Chlorphenol

33

214

2.6

9.5

p-Chlorphenol

43

219

2.7

4.2

Benzaldehyd (z. Vergleich)

/ 56

179

0.3

Salicylaldehyd

/7

OH OH OH

HO

OH HO

CH 3

0.45

CH 3 o-Kresol OH CH 3

HO

m-Kresol CH 3 p-Kresol HO

Cl

Chlorbenzen (z. Vergleich)

Cl 33

OH Cl

HO

Cl HO

CHO CHO OH CHO

HO

CHO HO

NO2

196.5

m-Hydroxybenzaldehyd

108

240

p-Hydroxybenzaldehyd

117

Sublimation

2.3

211

0.2

Nitrobenzen (z. Vergleich)

5.7

220

NO2 OH NO2

HO

o-Nitrophenol

45

214

2.2

580

m-Nitrophenol

96

194 (93 mbar)

1.4

45

p-Nitrophenol

114

279 (Zersetzung)

1.7

720

2,4-Dinitrophenol

113

0.6

95000

Pikrinsäure

122

1.4

510000000

NO2 HO

O2N

OH

NO2

NO2 OH

O2N

NO2

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344

21 Phenole und Chinone

bilden dagegen bevorzugt intramolekulare, cyclische Wasserstoffbrücken, sog. Chelate (Abb. 21.1), so daß intermolekulare Assoziation und Wasserstoffbrücken mit Wasser wenig wahrscheinlich sind. Infolgedessen sind 2-Nitrophenol und Salicylaldehyd flüchtiger als die m- und pIsomeren, wie die Schmelz- und Siedepunkte in Tab 21.1. zeigen. Auf dem Flüchtigkeitsunterschied beruht auch die Tatsache, daß man 2-Nitrophenol und Salicylaldehyd von ihren m- und pIsomeren durch Wasserdampf-Destillation abtrennen kann.

intermolekulare Wasserstoffbrücken

H O

H

O

H

H

H

O

O H

O

O

H

O

C

H

H

O

O N

H O

H

H

O

Phenol

O

H

Phenol-Wasser

O

H

C

O

O

H O

H

H

m-Hydroxybenzaldehyd

p-Nitrophenol-Wasser

intramolekulare Wasserstoffbrücken (Chelate) H

CH 3

O

C

C

N

O

O H

Salicylaldehyd

O

O H

O

o-Hydroxyacetophenon

O N

O H

O

O H

o-Nitrophenol

Abb. 21.1. Intermolekulare Wasserstoffbrücken des Phenols, des Phenols mit Wasser, des m-Hydroxybenzaldehyds, des p-Nitrophenols mit Wasser sowie intramolekulare Wasserstoffbrücken (Chelate) des Salicylaldehyds, des o-Hydroxyacetophenons und des o-Nitrophenols

21.4 Darstellung von Phenolen 21.4.1

Technische Phenol-Synthese (HOCK-Prozeß)

Phenol und Kresole gewinnt man in technischem Maßstab durch Destillation des Steinkohlenteers. Eine technische Synthese des Phenols aus Benzen ist der HOCK-Prozeß: Durch FRIEDEL-CRAFTSAlkylierung des Benzens mit Propen in Gegenwart von Eisen(III)-chlorid als LEWIS-Säure wird dabei zunächst Cumen (i-Propylbenzen, ältere Bezeichnung Cumol) erzeugt: (FeCl3 oder [H+])

+

CH(CH3)3

H2C CH CH 3 i-Propylbenzen (Cumen)

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21.4 Darstellung von Phenolen

345

Durch Luftoxidation des Cumens bildet sich dann ein Hydroperoxid. Nach Zusatz wäßriger Mineralsäure entstehen aus Cumenhydroperoxid Aceton und Phenol, zwei Grundchemikalien für industrielle organische Synthesen.

H3C C H

+

O H H 3C C O

_ _ O _ O _

CH 3

O H3C C CH3

H3O+

CH 3 Cumenhydroperoxid

+

Aceton

OH Phenol

Die säurekatalysierte Spaltung des Cumenhydroperoxids verläuft in fünf Einzelschritten. Zunächst wird das Hydroperoxid protoniert (1). Nach Abspaltung von Wasser hinterbleibt ein Oxenium-Ion mit Elektronensextett am Sauerstoff-Atom (2), das sich durch 1,2-Phenyl-Verschiebung zu einem Carbenium-Ion umlagert (3). Die nucleophile Addition von Wasser an das Carbenium-Ion führt zu einem protonierten Halbketal (4), das nach Deprotonierung in Phenol und Aceton zerfällt (5): (1)

+ [H+]

OH2 H3C C O

CH 3 Cumenhydroperoxid

CH3 (2)

O H H 3C C O

/ H2O

(3)

o H 3C C O

H3C C OI _

CH 3

CH3

H 3C C O

H 3C C O

CH 3 mesomeriestabilsiertes Phenonium-Ion

H3C

CH 3

C

O

CH3 - H2O

(5)

H 3C H 3C

C

(4)

O

+

/ [H+]

O

H3C

H

C

_ OI O

H3C

H

H3C Hemiketal aus Aceton und Phenol

C

H3C

O OH 2

Die 1,2-Phenyl-Verschiebung verläuft über ein mesomeriestabilisiertes Phenonium-Ion als Übergangszustand. Eine 1,2-Methyl-Verschiebung findet wahrscheinlich deshalb nicht statt, weil in diesem Falle der cyclische Übergangszustand nicht mesomeriestabilisiert wäre.

21.4.2

Hydrolyse von Chlorbenzen-Derivaten

Die Hydrolyse des Chlorbenzens zu Phenol erfordert hohe Drucke und Temperaturen, z. B.: 360 °C , 300 bar , Cu

Cl

+

2 NaOH

_ Ol _ Na

+

NaCl

+

H2O

Natriumphenolat

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346

21 Phenole und Chinone

Technisch geht man dabei von Benzen aus, welches durch Reaktion mit Chlorwasserstoff und Luftsauerstoff in Gegenwart von Kupfer bei 300 °C zum Chlorbenzen umgesetzt wird. Letzteres wird dann durch Zusatz von NaOH unter Erhöhung des Druckes hydrolysiert (RASCHIG-Prozeß). Bei diesem Verfahren wurde durch Isotopen-Markierung des Benzen-Rings der Arin-Mechanismus nachgewiesen (Abschn. 11.3). Die nucleophile Substitution von /Cl durch /OH verläuft unter milderen Bedingungen, wenn dem Aromaten durch zusätzliche (/)-M-Substituenten (z. B. /NO2 in o- oder p-Stellung) Elektronen entzogen werden (Abschn. 11.2.2). Daher läßt sich 2,4-Dinitrochlorbenzen bereits durch gelindes Erwärmen mit Natronlauge unter Normaldruck nucleophil zum 2,4-Dinitrophenol substituieren. 30 °C

Cl

O2N

+

OH

NO2

21.4.3

OH

O2N

+

Cl

NO2 2,4-Dinitrophenol

Katalytische Oxidation methylierter Aromaten

Methylaromaten lassen sich in manchen Fällen katalytisch zu Phenolen oxidieren. Die Oxidation des Toluens zum Phenol gelingt z. B. in Gegenwart von Kupfer(II)- und Magnesium-Salzen: Cu 2+ , Mg 2+

CH3

21.4.4

+

2 O2

OH

+

CO2

+

H2O

Alkali-Schmelze von Arensulfonaten

Arensulfonsäuren können über ihre Alkalisalze in einer Alkalihydroxid-Schmelze zu Phenolen umgesetzt werden: /

+ OH , / H2O (NaOH)

NaOH-Schmelze , 300 °C

Ar SO3

Ar SO3H

Arensulfonat

_ Ar OI _ Phenolat

+

SO2

Ein Beispiel ist die Darstellung des c-Naphthols aus Natrium-c-Naphthalensulfonat: _ IOI Na

SO3 Na +

2 NaOH

OH

300 °C

+ H2SO4

/ Na2SO3 , / H2O

/ NaHSO4

c-Naphthol

Auch bei dieser Reaktion werden Arine (Abschn. 11.3) als Intermediate diskutiert.

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21.5 Mesomerie und Acidität der Phenole

21.4.5

347

Phenole aus Arenaminen

Phenole entstehen aus substituierten Anilinen und anderen Arenaminen durch Diazotierung und Hydrolyse ("Verkochen") der entstandenen Aryldiazonium-Salze (Abschn. 23.7.1): 1.) HX 2.) NaNO2

+ H2O , 80 °C

Ar

Ar NH 2 Arenamin

N NI X

Aryldiazonium-Salz

Ar OH

/ HX , / N2

Phenol

Neben dieser vielseitig anwendbaren Phenol-Synthese gelingt nach BUCHERER (Abschn. 21.6.7) auch eine direkte (reversible) Substitution der Amino-Gruppe polycyclischer Aromaten durch OH in Gegenwart von Hydrogensulfit: OH

NH2 NaHSO3

+

H2O

+

c-Naphthylamin

21.4.6

NH 3

c-Naphthol

Dienon-Phenol-Umlagerung

4,4-Dialkylcyclohexa-2,5-dienone lagern sich unter Säurekatalyse zu 3,4-Dialkylphenolen um: OH

O [H+]

R R 3,4-Dialkylphenol

R R 4,4-Dialkylcyclohexa-2,5dienon

Diese Dienon-Phenol-Umlagerung eignet sich zur Darstellung alkylierter und polycyclischer Phenole; sie verläuft über ein Oxonium-Carbenium-Ion, das sich durch 1,2-Alkyl-Verschiebung unter Aromatisierung des Ringes stabilisiert: I OI

IO

H

_ H IO

OH

OH

+

+

+ [H ]

/ [H ]

o H

R R

R R

R R

R

R

R R

21.5 Mesomerie und Acidität der Phenole 21.5.1

Mesomerie

Die Mesomerieenergie des Phenols ist mit 168 kJ / mol etwas größer als jene des Benzens (151 kJ / mol). Als Ursache wird die Beteiligung der Sauerstoff-n-Elektronenpaare an der Mesomerie des

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348

21 Phenole und Chinone

Phenol-Moleküls angesehen. Dies läßt sich durch die folgenden, z. T. zwitterionischen Grenzformeln des Phenols beschreiben, wobei sich die negative Ladung in o- und p-Position des BenzenRinges konzentriert. _ IOH

_ IOH

_

_

_

OH

OH

OH

mesomere Grenzformeln des Phenols

Durch Dissoziation des OH-Protons entsteht das Phenolat-Anion, für welches nun anionische Grenzformeln geschrieben werden können: _ IOI

OH

_ IOI

_

_

_

OI

OI

OI

/ [H+]

mesomere Grenzformeln des Phenolat-Anions

Das Phenolat-Anion ist stärker mesomeriestabilisiert als Phenol, da im Anion keine Ladungstrennung notwendig ist. Dies läßt sich stark vereinfacht durch das Energiediagramm in Abb. 21.2 zum Ausdruck bringen.

Epot

_ _ R OI

+ H

EAlkohol _

Ar OI _

+ H

EPhenol

R OH Ar OH

Abb. 21.2. Mesomeriestabilisierung von Phenolat und Phenol gegenüber Alkoholat und Alkohol; relative Dissoziationsenergien FE von Alkoholen und Phenolen

21.5.2

Acidität

Da das Phenolat-Anion stärker mesomeriestabilisiert ist als Phenol, und die negative Ladung in gesättigten Alkoholat-Anionen nicht Phenolat-analog mesomeriestabilisiert (verteilt) wird, ist die Dissoziationsenergie der Phenole deutlich kleiner als jene der Alkohole (Abb. 21.2). Phenole sind daher erheblich stärkere Säuren, wie ein Vergleich der Aciditätskonstanten zeigt: /

+

/

+

Phenol :

Ar OH

+

H2O

Ar O

+

H3O

Ka =

c (Ar/O ) c (H 3O ) c (Ar/OH)

Alkohol :

R OH

+

H2O

R O

+

H3O

Ka =

c (R /O ) c (H 3O ) c (R/OH)

~ 10/10 ~ 10/18

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21.5 Mesomerie und Acidität der Phenole

349

Infolgedessen reagieren Alkohole nur mit stark elektropositiven Metallen (Li, Na, K, Mg) zu hydrolyseempfindlichen Alkoholaten, während Phenole bereits mit Alkalihydroxiden Phenolate bilden: / 1/2 H2

R OH R OH Ar OH

_

+ H2O

+ Na

R OI _ Na

+ NaOH

_ R OI _ Na

+ NaOH

Ar

_ OI _ Na

R OH +

H2O

+

H2O

+

NaOH

Dagegen sind Phenole meist schwächer sauer (Ka 10/10) als Carbonsäuren (Ka 10/5) und Kohlensäure. Deshalb können Phenole aus wäßrigen Phenolat-Lösungen durch Einleiten von Kohlendioxid gefällt werden: _ Ar OI _

21.5.3

+

CO2

+

Ar OH

H2O

+

HCO3

Substituenteneinflüsse auf die Acidität

Substituenten, welche infolge ihres induktiven oder mesomeren Effektes die negative Ladung des Phenolat-Anions verteilen und damit stabilisieren, erhöhen die Acidität. Chlorphenole sind z. B. wegen des durch seinen induktiven Effekt elektronenziehenden Cl-Atoms stärker sauer als Phenol selbst (Tab. 21.1, S. 343). Da der induktive Effekt mit wachsender Entfernung vom Substituenten schwächer wird, nimmt die Säurestärke bei o-, m- und p-Isomeren in der Folge o- > m- > p ab (Tab. 21.1). Auch Nitrophenole sind stärker sauer als Phenol (Tab. 21.1), besonders die o- und p-Isomeren. Hier wird die negative Ladung des Phenolat-Anions vorwiegend durch den mesomeren Effekt der Nitro-Gruppe delokalisiert, wie man an den Grenzformeln des 4-Nitrophenolat-Anions erkennt. Di- und Trinitrophenole, z. B. das als Pikrinsäure bekannte 2,4,6-Trinitrophenol, erreichen die Acidität von Mineralsäuren (Tab. 21.1). _ IOI

OH

_

_

OI

OI

/ [H+]

NO2

IO _

N _ O _I

IO _

N _ O _I

_ N _ O IO _ _I

mesomere Grenzformeln des 4-Nitrophenolat-Anions

Umgekehrt schwächen Substituenten die Acidität von Phenolen, wenn sie kraft ihres elektronenschiebenden induktiven oder mesomeren Effekts einer Verteilung der negativen Ladung im Phenolat-Anion entgegenwirken. So sind die Kresole schwächere Säuren als Phenol (Tab. 21.1). Entsprechendes gilt für das Hydrochinon, in welchem der mesomere Elektronendruck der p-ständigen OH-Gruppe deren induktiven Elektronenzug übertrifft.

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350

21 Phenole und Chinone

21.6 Reaktionen der Phenole 21.6.1

Veretherung

Die Veretherung der Phenole gelingt leichter als die der Alkohole. Das gilt auch für die OAlkylierung der Phenolate mit Halogenalkanen nach WILLIAMSON (Abschn. 16.3.2): + OH

Ar OH

/

/ H2O

+ R/X

_ _ Ar OI

R Ar O Alkylarylether

/

/X

Gute Reagenzien zur O-Methylierung sind auch Dimethylsulfat oder Diazomethan, z. B.: O

OH + HO Hydrochinon

O

OCH3

2 H3CO S OCH 3

+

+ 2 H3CO S ONa

2 NaOH H 3CO Hydrochinondimethylether

O Dimethylsulfat

OH

d-Naphthol

ICH2

2 H2O

OCH3

Ether

+

+

O

N NI

+

Diazomethan

N2

Methyl-d-naphthylether

Dagegen gelingt eine Veretherung der Alkohole mit Diazomethan nur in Gegenwart von Bortrifluorid (Abschn. 16.3.4). Phenolether können sich in Gegenwart von LEWIS-Säuren zu p-Alkylphenolen umlagern (Abschn. 16.5.4).

21.6.2

Veresterung

Mit Säuren, besser mit Säurehalogeniden oder Säureanhydriden, reagieren Phenole zu Arylestern: Ar OH

+

X

C

R

/ HX ( )

O

Ar

O

C

R

X = /OH , /Halogen , /O/CO/R

O

Durch Veresterung der Salicylsäure als Phenol mit Acetanhydrid erhält man z. B. das Analgetikum Acetylsalicylsäure (ASS), ein Arylester der Essigsäure: O

CO2H OH

C CH3 +

O C CH3 O

CO2H O

C

CH 3

+

H 3C CO2H

O Acetylsalicylsäure

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21.6 Reaktionen der Phenole

351

Das auf dieselbe Weise zugängliche Phenylacetat lagert sich beim Erhitzen mit einer LEWIS-Säure in (o- und) p-Hydroxyacetophenon um: O

C

CH3

OH

AlCl3 in CS2

o

( + o-Isomer ) H3C

O Phenylacetat (Essigsäurephenylester)

C

O p-Hydroxyacetophenon

Diese auch auf andere Phenolester übertragbare FRIES-Verschiebung (Abschn. 26.4.1) verläuft unter Spaltung des Esters und Bildung eines Acylium-Ions, das als Elektrophil in einer FRIEDELCRAFTS-Acylierung weiter reagiert.

21.6.3

Phenole als Enole

Wahrscheinlich aufgrund der Aromatizität des Phenols liegt das Keto-Enol-Tautomerie-Gleichgewicht der meisten Phenole ausschließlich auf der Seite des Enols (Phenols): O

O

OH

H2C

CH 2

Keto-Form

Enol-Form (Phenol)

Keto-Form

Wie alle Enole reagieren Phenole, besonders 1,2-Di- und Polyphenole mit Eisen(III)-Ionen unter Bildung farbiger Komplexe. In 1,3-Diphenolen wie Resorcin und Phloroglucin kann die KetoForm, z. B. durch Oxim-Bildung mit Hydroxylamin, nachgewiesen werden: O

OH

N

OH

+ 3 H2N/OH

HO

O

OH

O

/ 3 H2O

Phloroglucin Trienol-Form

21.6.4

HO

N

N

OH 1,3,5-Cyclohexantriontrioxim

Triketo-Form

Oxidation zu Chinonen

Die Oxidation von Phenolen, z. B. mit Dichromat und Schwefelsäure, führt zu Chinonen. Besonders leicht gelingt die Reaktion mit Hydrochinon: OH

K2Cr 2O7 , H2SO4

O +

HO Hydrochinon

2 [H ]

+

2 e0

O p-Benzochinon

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352

21 Phenole und Chinone

Die Oxidation ist auch möglich, wenn eine oder beide OH-Gruppen durch /NH2 ersetzt sind. Darauf beruht z. B. die Anwendung von p-Aminophenol als photographischer Entwickler: O

OH +

2 Ag

+

+

2 OH

H2N p-Aminophenol

21.6.5

2 Ag

+

H2O

+

NH3

O p-Benzochinon

Oxidation zu Aroxyl-Radikalen und Peroxiden

Ist ein Phenol in o- und p-Stellung alkyliert, so führt die Oxidation nicht zum Chinon, sondern über Aroxyl-Radikale zu Peroxiden. So ergibt die Oxidation des 2,4,6-Tri-t-butylphenols mit Silberoxid oder Kaliumhexacyanoferrat(III) in Benzen unter Stickstoff als Schutzgas eine blaue, kristalline, unter Inertgas haltbare Verbindung, der man aufgrund ihres Paramagnetismus die Konstitution eines 2,4,6-Tri-t-butylphenoxyl-Radikals zuschreibt. IOI

OH (H3C)3C

C(CH 3)3

(H3C)3C

+ Ag 2 O (Benzen , N2)

2

/ H2O , / 2 Ag

C(CH3)3

2 C(CH 3)3 2,4,6-Tri-t-butylphenoxyl-Radikal

C(CH 3)3 2,4,6-Tri-t-butylphenol

Diese zur Klasse der Aroxyl-Radikale gehörende Verbindung verdankt ihre Stabilität einerseits der sterischen Behinderung eines Angriffs am radikalischen Sauerstoff, andererseits der Delokalisierung des ungepaarten Elektrons, was sich durch folgende mesomere Grenzformeln zum Ausdruck bringen läßt. IO I

IO I

IO I

IO I

= "/C(CH3)3

Mit Luftsauerstoff reagieren die Aroxyl-Radikale unter Bildung gelber Chinolperoxide, z. B.: R 2

_ O _

R R

R Aroxyl-Radikal (blau)

+

O2

R R R

Luft

O

O O O R

R ="/C(CH3)3

R Chinolperoxid (gelb)

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21.6 Reaktionen der Phenole

21.6.6

353

Elektrophile Substitutionen

Die mesomeren Grenzformeln des Phenols und Phenolats (Abschn. 21.5.1) machen klar, daß der (/)-M-Effekt des Phenol- bzw. Phenolat-O-Atoms die Elektronendichte in o- und p-Stellung erhöht. Infolgedessen lassen sich Phenole und Phenolate meist unter milderen Bedingungen als Benzen elektrophil substituieren. Als Intermediate treten dabei nicht nur Phenonium-, sondern auch Oxonium-Ionen auf. Beim Phenolat-Anion entstehen entsprechend cyclische, ungesättigte Ketone als rearomatisierungsfähige Zwischenstufen: _ IOI

_

_

_

OI

OI

OI

_

OI

H Y

+ Y

OH

OH Y

und

und Y H

Y

Tab. 21.2 gibt eine Auswahl der am Phenol möglichen elektrophilen Substitutionen. Die dort zuletzt skizzierte Hydroxymethylierung des Phenols in saurer Lösung beruht auf der Elektrophilie des Carbonyl-C-Atoms im protonierten Formaldehyd: H

_

C O

+

C O _

[H ]

H

C O _ H

H

Durch intermolekulare Kondensation der Bis- und Tris(hydroxymethyl)phenole entstehen vernetzte Polymere, die als Phenol-Formaldehyd-Harze oder Bakelite (Abschn. 35.4.3) bekannt sind: CH2

CH 2 OH OH HO H 2C

OH

/ n H2O

CH2 OH

+

H

OH

H 2C

CH2

CH 2 OH

CH2 CH 2

CH2 OH

21.6.7

OH

Bis- und Tris(hydroxymethyl)phenole

Bakelit-Teilstruktur

BUCHERER-Reaktion der Naphthole

Die als Methode der Phenol-Synthese besprochene Umwandlung der Naphthylamine in Naphthole (BUCHERER-Reaktion) ist reversibel, so daß Naphthole auch in Naphthylamine übergeführt werden können: NHR

OH NaHSO3

+ c-Naphthol

+

R NH2 R = H oder Alkyl

H2O

c-Naphthylamin

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354

21 Phenole und Chinone

Tab. 21.2. Ausgewählte elektrophile Substitutionen des Phenols Substitution

Elektrophil

Reaktionsbedingungen

Bromierung

Br

Br2 in CS2 , 0 °C

Reaktionsprodukt(e) OH

OH

Br

Br Br OH

Br2 in H 2O , Raumtemperatur Br

Br OH

Sulfonierung

SO3

H2SO4 , 15 °C SO3H OH H 2SO4 , 100 °C HO3S

Nitrierung

OH

NaNO3 , H2SO4 oder HNO3 , H2SO4 , 10 °C

NO2

O2N

OH NO2

NO2 OH

rauchende HNO3 , Raumtemperatur NO2

O2N OH Nitrosierung

OH

NaNO2 , H 2SO4 , 5-10 °C

NO

ON

NO O

N O H5C2 O

ON

NO OH

Carboxylierung (KOLBE-SCHMIDTSynthese)

Formylierung (REIMER-TIEMANNSynthese)

O

, C 2H5OH , NaOH

CO2

NaOH , 125 °C , 10 atm. CO2

ICCl2

O

OH

CHCl2

C

NaOH , CHCl3 , 65-70 °C

O

H Acylierung (FRIES-Verschiebung)

OH

O H3C C

(CH3CO)2O , AlCl3 , CS2

O

OH O

C

C

CH3

CH3 OH

H Hydroxymethylierung

HO H2C C OH

CH 2 OH

H2C O , Säure

H CH 2 OH Vorstufe der Bakelite Ar Azo-Kupplung

N N

Ar

N2 , NaOH ,

OH

Ar

N N

OH

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21.7 Nomenklatur und einige Eigenschaften der Chinone

355

Bei der BUCHERER-Reaktion wird zunächst Hydrogensulfit an die nicht enolische Doppelbindung im Benzen-Ring des Phenols addiert (1). Es entsteht ein Enol im Gleichgewicht mit dem Keton (2). Die nucleophile Addition des Amins an das Carbonyl-C des Ketons führt zum Imin (3,4) im Gleichgewicht mit dem tautomeren Enamin (5). Dieses rearomatisiert unter Eliminierung von Bisulfit zum Naphthylamin (6). OH

OH

(1) + NaHSO3

O (2)

c-Naphthol

H H

H OSO2 Na

H OSO2 Na + R/NH2

(3)

HO NHR

H OSO2 Na

NHR

/ H2O

(4)

c-Naphthylamin

NHR

(6) / NaHSO3

N

R

(5)

H H

H OSO2 Na

H OSO2 Na

21.7 Nomenklatur und einige Eigenschaften der Chinone Chinone sind Oxidationsprodukte der Phenole und Diphenole. Die Oxidation von Brenzcatechin führt z. B. zum o-Benzochinon, jene des Hydrochinons zum p-Benzochinon (Abschn. 21.6.4): O

O o-Benzochinon

p-Benzochinon

O

O

Die o- und p-Chinone sind formal und aufgrund ihrer Reaktivität als gekreuzt cyclisch konjugierte 1,2- und 1,4-Diketone aufzufassen. m- oder 1,3-Chinone existieren nicht. Im 4-Cyclohexen-1,3dion ist z. B. die cyclische Konjugation der Doppelbindungen durch Methylen-Gruppen unterbrochen. Es ist daher kein Chinon, sondern die instabile Diketo-Form des Resorcins: OH

O

O

OH

Diketo-Form (instabil)

Resorcin (Bis-Enol-Form , stabil)

OH

O Monoenol-Form (instabil)

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356

21 Phenole und Chinone

Zur Nomenklatur der Chinone geht man vom aromatischen Stammskelett aus (Benzo-, Naphtho-, Anthra-), stellt die Positionen der beiden chinoiden Carbonyl-Gruppen im Molekül voran (1,2-, 1,4- bzw. o- oder m-) und schließt mit der Endung "chinon" (Tab. 21.3). Chinoide Sechsringe sind an sich nicht aromatisch, jedoch oft mit benzoiden Ringen verknüpft (kondensiert). Chinone kristallisieren meist gelb bis tiefrot (Tab. 21.3) und kommen als farbgebende Teilstrukturen in synthetischen und natürlichen Farbstoffen vor (Abschn. 34.6). Tab 21.3. Nomenklatur, Farbe und Schmelzpunkte einiger Chinone Formel

Bezeichnung

Farbe

Schmelzpunkt [°C]

O o-Benzochinon

rot

60 - 70 (Zersetzung)

p-Benzochinon

gelb

116

1,2-Naphthochinon

rot

115

1,4-Naphthochinon

gelb

126

2,6-Naphthochinon

orange

135

9,10-Anthrachinon

gelb

286

9,10-Phenanthrenchinon

orange

209

O O O O O

O

O O O O

O O

O

21.8 Darstellung von Chinonen 21.8.1

Oxidation von Phenolen und primären aromatischen Aminen

Chinone entstehen durch Oxidation entsprechend substituierter Dihydroxyaromaten, z. B. von Hydrochinon zu p-Benzochinon (Abschn. 21.6.4), Brenzcatechin zu o-Benzochinon oder 2,6-Dihydroxynaphthalen zu 2,6-Naphthochinon:

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21.8 Darstellung von Chinonen

357

OH

O

H2O-freier Ether , MgSO4

+

Ag2O

OH Brenzcatechin

+

H2O

+

2 Ag

+

H2O

+

PbO

O o-Benzochinon

OH

O

Benzen

+

PbO2

HO

O 2,6-Naphthochinon

2,6-Dihydroxynaphthalen

Auch 1,4-Diamine lassen sich mit verschiedenen Oxidationsmitteln glatt zu 1,4-Chinonen oxidieren, wobei p-Chinondiimine als Zwischenstufen auftreten: NH2

/ 2 [H+] , / 2 e0

NH

/

HN

H2N p-Phenylendiamin

O

+ 2 H2O , / 2 NH3

O

p-Chinondiimin

p-Benzochinon

p-Benzochinon wird in technischem Maßstab durch Oxidation von Anilin mit Mangan(IV)-oxid und Schwefelsäure dargestellt. Selbst manche Monophenole können mit genügend starken Oxidationsmitteln (Dichromat) zu Chinonen oxidiert werden.

21.8.2

Oxidation von Arenen

Die Oxidation von Arenen, entweder elektrolytisch oder durch Oxidationsmittel wie Chromsäure ist eine allgemeine Methode zur Darstellung von Chinonen der Naphthalen-, Anthracen- und Phenanthren-Reihe, z. B.: O H2SO4

+

2 CrO3

+

Cr2O3

+

H2O

+

Cr2O3

+

H2O

O 1,4-Naphthochinon O O H2SO4

+

2 CrO3

9,10-Phenanthrenchinon

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358

21.8.3

21 Phenole und Chinone

FRIEDEL-CRAFTS-Acylierung von Arenen durch Phthalsäureanhydrid

Linear kondensierte Chinone wie 9,10-Anthrachinon können durch elektrophile Acylierung von Arenen mit Phthalsäureanhydrid hergestellt werden: O

O +

AlCl3 oder H2SO4

O

O

C

H2SO4

HO2C

O

O 9,10-Anthrachinon

Benzophenon-o-carbonsäure

21.9 Reaktionen der Chinone 21.9.1

Redoxgleichgewicht Chinon-Hydrochinon

Die Reduktion von Chinonen führt zu den entsprechenden Diphenolen. p-Benzochinon und Hydrochinon stehen z. B. in einem Redoxgleichgewicht: O

OH

Reduktion

+

2 [H ]

+

2 e0 Oxidation

O p-Benzochinon

HO Hydrochinon

Die Reaktionsgleichung zeigt, daß die Gleichgewichtskonstante K von der Wasserstoffionen-Konzentration, in wäßrigem Medium also vom pH-Wert abhängt. K =

c (Hydrochinon) +

c (p-Benzochinon) c2 (H )

oder logarithmiert:

lg K = lg c(Hydrochinon) / lg c(p-Benzochinon) /" 2 lg c(H+) = lg c(Hydrochinon) / lg c(p-Benzochinon) + 2 pH

In einer elektrolytischen Zelle führt das Redoxgleichgewicht zu einem reproduzierbaren Redoxpotential. Daher wurde das Chinon-Hydrochinon-Redoxsystem vor Entwicklung der Glaselektrode zur elektrometrischen pH-Messung verwendet (Chinhydron-Elektrode). Die Reduktion des p-Benzochinons (gelb) zu Hydrochinon (farblos) verläuft über eine tiefbraunrote kristalline Zwischenstufe, das Chinhydron. Chinhydron erhält man auch durch Mischung äquimolarer Mengen von p-Benzochinon und Hydrochinon in Alkohol als Lösemittel; es ist ein 1:1-Addukt dieser Komponenten. Die tiefe Farbe (geringe Elektronen-Anregungsenergie und daher langwellige Lichtabsorption) ist die Folge eines Elektronenüberganges vom HydrochinonDianion als Donor zum p-Benzochinon als Akzeptor. Man nennt Addukte mit diesem Merkmal Elektronen-Donor-Akzeptor (EDA)- oder Charge-Transfer (CT)-Komplexe. Elektronen-Akzeptor Elektronen-Donor

O

O "O

2H

2 e0

O

Chinhydron Charge-Transfer-Komplex

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21.9 Reaktionen der Chinone

359

Das Chinhydron ist die reaktive Zwischenstufe, in der sich der Elektronenaustausch zwischen pBenzochinon und Hydrochinon abspielt. Der Elektronenaustausch vollzieht sich in zwei Schritten über das nachweisbare mesomeriestabilisierte Semichinon-Radikal-Anion: O

O

O

O

/

/

+ e0

+ e0

O

O

p-Benzochinon

21.9.2

O

O

Semichinon-Radikal-Anion

Hydrochinon-Dianion

Additionen

Chinone zeigen die Reaktivität c,d-ungesättigter Ketone und keine Aromatizität. So finden am chinoiden Ring Additionen und Cycloadditionen, jedoch keine elektrophilen Substitutionen statt. Brom addiert z. B. an p-Benzochinon unter Bildung der Stereoisomeren des 2,3,5,6-Tetrabrom1,4-cyclohexandions. O

O

H

+ Br 2

O

O

Br

Br

H

Br

+ Br 2

O

H

Br

Br

H

O

H

Br

und H

H

H Br H Br H Br O O 2,3,5,6-Tetrabrom-1,4-cyclohexandion (Stereoisomere) Br

Gegenüber (elektronenreichen) 1,3-Dienen wie 1,3-Butadien verhält sich p-Benzochinon als (elektronenarmes) Dienophil. Eine [4+2]-Cycloaddition (DIELS-ALDER-Reaktion) ergibt 4a,5,8,8aTetrahydro-1,4-naphthochinon, wobei die cis-Konfiguration der H-Atome an der CC-Doppelbindung des p-Benzochinons erhalten bleibt (Stereospezifität bezüglich des Dienophils). O

O HC HC

8

CH 2 6r

+

21.9.3

O 1

8a 4a

CH 2

5

O

O

H

4

H

O 4a,5,8,8a-Tetrahydro-1,4-naphthochinon

Carbonyl-Reaktionen

Die meisten Reaktionen der Carbonyl-Verbindungen (Abschn. 20.7, 20.8) lassen sich auch mit Chinonen durchführen. So ergibt die nucleophile Addition des Hydroxylamins an p-Benzochinon das p-Benzochinondioxim: N

O + O

2 H 2N OH

HO

OH

+

2 H2O

N p-Benzochinondioxim

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360

21 Phenole und Chinone

21.9.4

HOOKER-Oxidation

Die HOOKER-Oxidation entfernt ein C-Atom der Seitenkette in 3-Alkyl-2-hydroxy-1,4-naphthochinonen: O

O OH

R

H 2SO4 , CuSO4 oder KMnO4 , O2

OH

CH 2 R O

O

"

Bei dieser Reaktion wird der Chinon-Ring zunächst oxidativ gespalten (1). Die Oxidation des entstandenen isolierbaren c-Hydroxyketons führt zum ebenfalls isolierbaren 1,2-Diketon (2). Eine nachfolgende intramolekulare Aldol-Reaktion (3) und Decarboxylierung (4) ergibt nach Aromatisierung bzw. Enolisierung (5) das 1,3,4-Triphenol, welches abschließend zum 1,4-Naphthochinon oxidiert wird (6). O

O

(1) >

OH

CO2H

+ 1/2 O2 , + H2 O

s

CH 2 R

CH R

(4)

s

/ CO2

CH R

O O R

s

O

O O

(5)

O

(3)

s

O

OH

HO H

>

>

C CO2H H C C C H

O OH

O

s

+ 1/2 O2 , / H 2O

CH CH 2 R

s

HO CO2H

O

(2)

>

R

(6) + 1/2 O2 , / H2 O

s

OH

OH OH

R

O

Oxidativ abgespalten wird also nicht die Methylen-Gruppe (markiert durch s), sondern das EnolC-Atom in 2-Stellung (markiert durch ̈).

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22.1 Amine als Derivate des Ammoniaks

361

22 Amine 22.1 Amine als Derivate des Ammoniaks Ersetzt man die H-Atome des Ammoniaks formal durch eine, zwei oder drei Alkyl- bzw. ArylGruppen, so ergeben sich primäre, sekundäre oder tertiäre Amine: NH3 Ammoniak

R NH2 primäres

R NH R sekundäres

NR 3 tertiäres Amin

NH2 primäre

NHR sekundäre

NR 2 tertiäre Amino-Gruppe

Die Alkyl-Gruppen sekundärer oder tertiärer Amine können sich auch zum Ring schließen. Man spricht dann von cyclischen sekundären oder tertiären Aminen, die den Stickstoff-Heteroalicyclen zugeordnet werden. R

R

R

N

N

N

Aziran

Azetan

Pyrrolidin

N R Piperidin

R = H : sekundäre cyclische Amine ; R = Alkyl : tertiäre cyclische Amine

Di-, Tri-, Tetra- und Polyamine enthalten zwei, drei, vier oder noch mehr Amino-Gruppen im Molekül.

22.2 Nomenklatur Nach IUPAC werden die Amine als Amino-Derivate der Kohlenwasserstoffe (Aminoalkane, Alkylamine, Alkanamine) bezeichnet. Die Position der Amino-Gruppe wird durch arabische Ziffern, ihre Art durch die Präfixe "Amino", "Alkylamino"- und "Dialkylamino"- für primäre, sekundäre und tertiäre Amine gekennzeichnet, z. B.: 1

2

3

4

1

5

H 2N

2

3

4

5

H 3C CH CH CH2 CH3

H3C CH CH CH2 CH 3

N

CH 3

H 3C

2-Amino-3-methylpentan

H

CH 3

2-(N-Methylamino)-3-methylpentan

1

2

3

4

5

H 3C CH CH CH 2 CH 3 N CH3 CH 3 H 3C 2-(N,N-Dimethylamino)-3-methylpentan

Mehrfunktionelle Amine nennt man nach IUPAC Polyamino-Verbindungen, z. B.: 1

2

3

4

5

H3C CH CH CH2 CH 3 H 2N

NH 2

2,3-Diaminopentan

NH2 NH 2 NH 2 cis-1,2-Diaminocyclohexan

H 2N

NH2

1,2,4-Triaminobenzen

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362

22 Amine

Aufgrund ihrer formalen Herkunft von Ammoniak werden einfachere Amine jedoch meist nicht nach IUPAC, sondern als Alkyl-, Dialkyl- und Trialkylamine bezeichnet, z. B.: H 3C NH CH 3 Dimethyl-

H3C NH2 Methyl-

(H3C)3N Trimethylamin

Sind die mit Stickstoff verknüpften Alkyl-Gruppen verschieden, so werden diese nach zunehmender Größe der Endung "-amin" vorangestellt, z. B.: H 3C

N CH(CH3)2 C 2H5

Methylethyl-i-propylamin (mit asymmetrischem N-Atom)

Phenylamine werden meist als Aniline bezeichnet, z. B.: H N CH3

NH2 Anilin

N-Methylanilin

CH3 N CH3 N,N-Dimethylanilin

O2N

CH3 N CH3

NH

p-Nitro-N,N-dimethylanilin

Diphenylamin

Dagegen nennt man die Aminotoluene meist Toluidine: NH2

NH2

NH2

CH3

H 3C CH3 m(3-)

o(2-)

p-Toluidin (4-Methylanilin)

(Poly-) Alkylenpolyamine ist die gängige Bezeichnung für Polyamine, z. B.: CH 2 CH2 NH2 HN

H 2N CH 2 CH2 NH2

CH 2 CH2 NH2 Ethylendiamin (1,2-Diaminoethan)

Diethylentriamin [Bis-(2-aminoethyl)amin]

Entsprechend sind aromatische Diamine auch als Arylendiamine bekannt, z. B.: H 2N

NH2 NH2

NH2

NH2

NH2

NH 2

NH2

H 2N NH2

o(1,2-)

m(1,3-)

p-Phenylendiamin (1,4-Diaminobenzen)

1,2-

1,8-Naphthylendiamin (1,8-Diaminonaphthalen)

Die Tabellen 22.1 (S. 365) und 22.2 (S. 366) enthalten gängige Bezeichnungen weiterer offenkettiger, cyclischer und aromatischer Mono- und Polyamine.

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22.3 Struktur und physikalische Eigenschaften

363

22.3 Struktur und physikalische Eigenschaften 22.3.1

Geometrie und Molekülorbital-Modell

Als Alkyl-Derivate des Ammoniaks sind Amine pyramidale Moleküle, wie die Molekülmodelle des Trimethylamins in Abb.22.1 zeigen.

Abb. 22.1. Stab-, Kugel-Stab- und Kalotten-Modell des Trimethylamins

Im Vergleich zum H/N/H-Bindungswinkel des Ammoniaks (107°) spreizt sich der C/N/CBindungswinkel des Trimethylamins nur geringfügig auf 108° (Abb. 22.2 a). Diese Bindungswinkel kommen dem Tetraederwinkel von 109.5° sehr nahe. Daher wird angenommen, daß die fünf Valenzelektronen des dreibindigen Stickstoffs in Ammoniak und den Aminen vier sp3-Hybridorbitale besetzen. Drei von diesen sind einfach, eines ist doppelt besetzt (Abb. 22.2 b). Die einfach besetzten sp3-Hybridorbitale können mit s-Orbitalen des Wasserstoffs oder Kohlenstoff-sp3Hybridorbitalen zu u-Bindungen überlappen (Abb. 22.2 c).

N H 3C 108°

CH3

N

H3C

CH 3 (a )

u N u CH3 u CH 3

(c )

(b)

Abb. 22.2. Trimethylamin (a) Molekülgeometrie, (b) Bindungs-Hybridorbitale des dreibindigen Stickstoff-Atoms, (c) u-Bindungen und n-Elektronenpaar

Auch das nichtbindende Elektronenpaar besetzt nach Abb. 22.2 ein sp3-Orbital, das mit vakanten Orbitalen überlappen und so eine vierte u-Bindung bilden kann, z. B. in TrialkylammoniumSalzen: H H 3C

u N u CH3 u CH 3

+

H Br

H 3C

N

CH3

Br

CH3 Trimethylammoniumbromid

Insofern sind die Amine ebenso wie Ammoniak LEWIS-Basen oder Nucleophile.

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364

22.3.2

22 Amine

Inversion von Aminen

In Analogie zu Verbindungen mit asymmetrischem C-Atom bilden Amine mit drei verschiedenen Alkyl-Gruppen am Amino-N (chirale Amine) Enantiomere: R

N

N

R"

R"

R

R'

R'

Enantiomere eines chiralen Trialkylamins

Meist können die Enantiomeren eines chiralen Amins jedoch nicht isoliert werden, da sie bei Raumtemperatur außerordentlich schnell ineinander übergehen. Diese Inversion der Amine läßt sich spektroskopisch nachweisen. Sie verläuft über einen eingeebneten Zwischenzustand, dessen Bildung eine Aktivierungsenergie von etwa 21 kJ / mol erfordert, wie spektroskopische Messungen zeigen. Die thermische Energie der Amin-Moleküle bei Raumtemperatur löst meist schon die Inversion aus, deren Energieprofil in Abb. 22.3 dargestellt ist.

R'

R

R

R N R"

N

N

R'

R"

R' R"

Epot FEA =

21 kJ / mol

Abb. 22.3. Energiebarriere der Amin-Inversion

Ist die Inversion dagegen behindert, z. B. durch Einbau des Stickstoffs und seiner Substituenten in ein starres Ring-System, so lassen sich die optisch aktiven Enantiomeren isolieren, wie am Beispiel der TRÖGER-Base gezeigt wurde (Abschn. 17.6.1).

22.3.3

Enantiomere Ammonium-Salze und Amin-N-oxide

Während chirale Amine bei Raumtemperatur meist ineinander invertieren, können die Enantiomeren chiraler Ammonium-Salze nicht ohne Spaltung von Bindungen ineinander übergeführt werden: R°

R°

R

N

R"

R"

N

R

R' R' X X Enantiomere eines chiralen Ammonium-Salzes

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22.3 Struktur und physikalische Eigenschaften

365

In der Tat läßt sich Allylbenzylmethylphenylammonium-Iodid in die Enantiomeren auftrennen. Entsprechendes gilt für chirale Amin-N-oxide: O

O R

N

R"

R"

N

R

R'

R'

Enantiomere eines chiralen Amin- N-oxids

22.3.4

Thermodynamische Eigenschaften

Aufgrund des elektronegativen Amino-N-Atoms sind Amine Dipol-Moleküle. Zwischen den Molekülen tertiärer Amine wirken daher Dipol-Dipol-Kräfte; sekundäre und primäre Amine sind zusätzlich über Wasserstoffbrücken assoziiert: H

R N H

Wasserstoffbrücken primärer Amine

R

H

H N

H

R

N

H

Tab. 22.1. Übliche Bezeichnungen und thermodynamische Eigenschaften ausgewählter aliphatischer Amine Klasse

Konstitutionsformel

aliphatische Monoamine

Schmelzpunkt Siedepunkt °C °C (1011 mbar)

Löslichkeit g/100g H2O

Basizitätskonstante Kb x 10/6

H 3C NH2

Methylamin

/ 92

4.4

Dimethylamin

/ 96

/ 7.5 7.5

unbegrenzt

(H3C)2NH

unbegrenzt

5.1

(H 3C)3N

Trimethylamin

/ 117

3

91

0.6

H3C

CH2 NH2

Ethylamin

/ 80

17

unbegrenzt

4.7

(H 3C

CH 2)2NH

Diethylamin

/ 39

55

löslich

9.5

(H 3C

CH 2)3N

Triethylamin

/ 117

3

14

5.5

H3C

CH2 CH2 NH2

n-Propylamin

/ 83

49

unbegrenzt

3.8

(H 3C

CH 2 CH 2)2NH CH 2 CH 2)3N

Di-n-propylamin

/ 63

110

löslich

8.1

Tri-n-propylamin

/ 93

157

löslich

4.5

56

unbegrenzt

88.5

unbegrenzt

(H 3C StickstoffHeteroalicylen

aliphatische Diamine

Bezeichnung

NH

Aziran (Ethylenimin)

NH

Pyrrolidin

/ 63

NH

Piperidin

/ 9

H2N

(CH 2)2 NH2

1,2-Diaminoethan (Ethylendiamin)

H2N

(CH 2)3 NH2

1,3-Diaminopropan (Propylendiamin)

H2N

(CH 2)6 NH2

1,6-Diaminohexan (Hexamethylendiamin)

8.5

39

106

unbegrenzt

117

löslich

135.5

löslich

196

löslich

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366

22 Amine

Tab. 22.2. Übliche Bezeichnungen und einige thermodynamische Eigenschaften ausgewählter Arenamine (Aniline) Klasse

Konstitutionsformel

Monoamine

Bezeichnung

Schmelzpunkt °C

Siedepunkt °C (1011 mbar)

Löslichkeit g/100g H2O

Basizitätskonstante Kb x 10/32

NH 2

Anilin

/ 6

184

3.7

4.2

NHCH 3

N-Methylanilin

/ 57

196

etwas löslich

7.1

N(CH 3)2

N,N-Dimethylanilin

3

194

1.4

o-Toluidin (2-Methylanilin 2-Aminotoluen)

/ 28

200

1.7

2.5

NH2

m-Toluidin

/ 30

203

etwas löslich

4.9

NH2

p-Toluidin

44

200

0.7

NH2

o-Chloranilin

/ 2

209

0

0.03

NH2

m-Chloranilin

/ 10

236

0

0.3

NH2

p-Chloranilin

70

232

0

1.5

NH2

o-Nitroanilin

71

284

0.1

0.00035

NH2

m-Nitroanilin

114

307

0.1

0.032

NH2

p-Nitroanilin

148

332

0.05

0.001

NH2

o-Phenylendiamin

104

252

3

3.2

NH2

m-Phenylendiamin

63

287

25

7.6

NH2

p-Phenylendiamin

142

267

substituierte Monoamine

NH2

11

CH 3

H 3C H 3C

12

Cl

Cl Cl

NO2

O2N O2N

Diamine

NH 2

H 2N H 2N

3.8

110

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22.4 Darstellung

367

Infolge ihrer Polarität und Wasserstoffbrücken-Assoziation sieden die Amine höher (Tab. 22.1, 22.2) als weniger polare Verbindungen vergleichbarer molarer Masse, jedoch tiefer als die Alkohole und Carbonsäuren, deren Wasserstoffbrücken stärker sind. Alle niedermolekularen Amine einschließlich der tertiären sind gut wasserlöslich, da sie auch mit Wasser über Wasserstoffbrücken assoziieren können. In weniger polaren Lösemitteln (Alkohole, Ether, Benzen) sind auch die höheren Amine gut löslich, während die Wasserlöslichkeit mit zunehmender Größe der Alkyl-Gruppen abnimmt. Der Geruch niedermolekularer Amine (Methyl- und Ethylamin) ist stechend, Amine mit mittelgroßen Alkyl-Gruppen riechen mehr fischartig bis animalisch.

22.4 Darstellung 22.4.1

Alkylierung von Ammoniak

Die nucleophile Substitution des Halogens in primären und sekundären Alkylhalogeniden durch Ammoniak ergibt ein Alkylammonium-Salz, aus dem mit Hilfe einer Base das Amin freigesetzt werden kann: R C

+

H

X

f-

X

INH 3

H Halogenalkan

R

f/

C

+ OH

NH3

R CH2 NH 3 X

/ /

/ H2O , / X

H H Alkylammonium-Salz

R CH 2 NH2 primäres Amin

Ein primäres Amin wird durch überschüssiges Halogenalkan weiter alkyliert, so daß bei der Reaktion von Ammoniak mit Halogenalkan kein einheitliches Amin, sondern ein Gemisch aus primärem, sekundärem, tertiärem Amin und dem Tetraalkylammonium-Salz entsteht: + OH

R NH 2

+

R X

R2NH2 X

R 2NH

+

R X

R 3NH X

R3N

+

R X

R4N X quartäres Ammonium-Salz (Tetraalkylammonium-Salz)

/ /

R 2NH sekundäres Amin

/

R3N tertiäres Amin

/ H2O , / X

+ OH

/

/ H2O , / X

Bei Ammoniak-Überschuß entstehen vorwiegend primäre Amine. Die ein zu trennendes Gemisch liefernde Ammoniak-Alkylierung läßt sich nur mit primären und sekundären Halogenalkanen durchführen. Allyl- und Benzylhalogenide sowie andere primäre Halogenalkane alkylieren Hexamethylentetramin (Urotropin) zu den quartären Urotropinium-Salzen; deren Hydrolyse in ethanolischer Salzsäure gibt die Alkylammonium-Salze der entsprechenden primären Amine (DELÉPINE-Reaktion). N

N

N

CH2 OH

+ 3 H2O

N

N N

Urotropin

+

X CH2 R

N

N N

X

CH2

R

N

CH2 OH CH2 OH + Folgeprodukte

N

+

X H3N CH2

R

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368

22 Amine

Tertiäre Halogenalkane eliminieren in Gegenwart von Ammoniak und anderer Basen Chlorwasserstoff; t-Butylamin ist daher nicht durch Ammonolyse von t-Butylchlorid zugänglich: CH3 H2C C

CH 3 H 3C C Cl

+

+

H4N Cl

CH3

NH3

CH3

CH 3

H 3C C NH3 Cl CH3

Halogenaromaten reagieren mit Ammoniak nur, sofern elektronenziehende Substituenten wie Nitro-Gruppen die Ablösung des Halogenid-Anions vom Benzen-Ring begünstigen, z. B.:

O2N

Cl

+

NH3

Cl

+

NH3

NH3 Cl

O2N

NH3 Cl

NO2

22.4.2

NO2

Alkylierung von Kalium-Phthalimid (GABRIEL-Synthese)

Die nucleophile Substitution des Halogenids in Halogenalkanen durch Kalium-Phthalimid führt selektiv zu primären Aminen. Dabei entsteht zunächst das Phthaloylamin (N-Alkylphthalimid), aus dem das primäre Amin entweder als Hydrochlorid durch wäßrige Salzsäure oder als Amin durch Hydrazin freigesetzt wird: Druck, Hitze , + 2 H2O , + HX

CO2H +

O N K

O / KX

+

R

X

N

O Kalium-phthalimid

X H 3N R

CO2H Phthalsäure R Phthaloylamin O

O + H2N

NH2

NH NH

+

H 2N R

O Phthalsäurehydrazid

22.4.3

Addition von Ammoniak und Aminen an Doppelbindungen

Durch Addition von Ammoniak, primären oder sekundären Aminen an Alkene unter Druck und in Gegenwart von Kobalt-Salzen als Katalysatoren entstehen primäre, sekundäre und tertiäre Amine: C C

+

R H N R'

Co-Salz , Druck

H C C R

N

R'

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22.4 Darstellung

369

Ist die Doppelbindung aktiviert, z. B. durch (/)-M-Effekte von Nitril- oder Carbonyl-Gruppen, so erfordert die Addition von Ammoniak und Aminen weder Druck noch Katalysatoren (MICHAELAddition). So addiert Dimethylamin glatt an Acrylnitril unter Bildung des tertiären Amins d-(N,NDimethylamino)propionitril: H 3C

H3C

_

N_ H

+

H 2C CH C NI

H 2C CH C NI

N CH2 CH2 C N

H 3C

H3C

Dimethylamin

22.4.4

d-(N,N-Dimethylamino)propionitril

Acrylnitril

Addition von Ammoniak und Aminen an Oxiran

Die nucleophile Addition von Ammoniak, primären oder sekundären Aminen an Oxiran (Ethylenoxid) ergibt d-Aminoethanole (Ethanolamine): R R'

R

NI

+

H

H 2C CH 2 O

R

_

NH

N

_ CH 2 CH 2 OI

CH 2 CH 2 OH

R'

R'

R = R' = H : d-AminoR = H , R' = Alkyl : d-(N-Alkylamino)R = R' = Alkyl : d-(N,N-Dialkylamino)ethanol

Reagiert z. B. Ammoniak mit überschüssigem Oxiran, so entsteht Triethanolamin über die Vorstufen 2-Aminoethanol (Ethanolamin) und Bis(2-hydroxyethyl)amin (Diethanolamin): H3N

H 2C CH 2 O

+

+ H2N CH2 CH 2 OH

O

CH 2 CH 2 OH HN

+

CH 2 CH 2 OH N CH2 CH2 OH CH 2 CH 2 OH

O

CH 2 CH 2 OH 2-Aminoethanol (Ethanolamin)

Bis(2-hydroxyethyl)amin (Diethanolamin)

Tris(2-hydroxyethyl)amin (Triethanolamin)

Ammoniak und Amine addieren auch an andere Dreiring-Heteroalicyclen, z. B. an Aziran (Aziridin, Ethylenimin): + H3N

+

N H

(H 3C)2NH

+

N H

H2N CH2 CH 2 NH 2 1,2-Diaminoethan (Ethylendiamin)

N H

CH2 CH 2 NH 2 HN CH2 CH 2 NH 2 Bis(2-aminoethyl)amin (Diethylentriamin)

(H 3C)2N CH 2 CH2 NH2 2-Amino-1-(N,N-dimethylamino)ethan (N,N-Dimethylethylendiamin)

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370

22.4.5

22 Amine

Reduktion von Nitro-Verbindungen

Die Reduktion der Nitroalkane und Nitroaromaten eignet sich zur Darstellung vieler primärer Amine (Tab. 22.3): H2 , Katalysator oder Reduktionsmittel

Ar

NO2

+

Ar

3 H2

NH 2

+

2 H 2O

Anilin wird z. B. in technischem Maßstab durch Reduktion von Nitrobenzen mit Eisenspänen (Schrott) in wäßriger Schwefelsäure hergestellt. Das als Nebenprodukt anfallende Eisen(II,III)oxid wird als Pigment verwendet. 4

NO2

+

9 Fe

+

4 H2O

NH2

4

+

3 Fe3O4

Tab. 22.3. Reduktion einiger Nitroverbindungen N i t r o - Verbindung CO2H NO2 o-Nitrobenzoesäure

Reduktionsmittel , Bedingungen

H2 (Ni) , 100 °C , 50 atm. , verdünnte Essigsäure

NO2

primäres A m i n CO2H NH2 Anthranilsäure NH2

Fe , HCl , 100 °C , H2O

c-Nitronaphthalen

c-Naphthylamin

NO2

NH2 SnCl2 , HCl , 60 °C , H2O

F m-Nitrofluorbenzen

F m-Fluoranilin

OH

OH Na2S - Schmelze

NO2

NH2

o-Nitrophenol

H3C CH2 CH CH3 NO2 2-Nitrobutan

o-Aminophenol

LiAlH4 , 33 °C , absoluter Ether

H 3C CH 2 CH CH 3 NH2 2-Aminobutan

Die Reduktion des Nitrobenzens führt nur in saurer Lösung zum Anilin. Im neutralen Bereich entsteht Phenylhydroxylamin, im sauren dagegen das als Hydrazobenzen bezeichnete Diphenyl-

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22.4 Darstellung

371

hydrazin. Weitere Zwischenstufen der Reduktion des Nitrobenzens sind Nitroso-, Azoxy- und Azobenzen (Abschn. 23.8), wie es das HABERsche Reduktionsschema zusammenfaßt: Ar NO2 Nitrobenzen

Ar

a l k a l i s c h

N

Ar NO Nitrosobenzen

N

O Ar Azoxybenzen

s a u e r

Ar N

N

Ar NHOH Phenylhydroxylamin

Ar Azobenzen

Ar NH NH Ar Hydrazobenzen

22.4.6

n e u t r a l

Ar NH2 Anilin

Reduktion von Oximen, Nitrilen und Carbonsäureamiden

Die Reduktion von Oximen mit Natrium in Ethanol ergibt primäre Amine, z. B.: H 3C

CH 3 + (CH 2)5 C N OH

4 C 2H5OH

+

4 Na

H3C

(CH2)5 CH CH 3

+

4 C 2H5ONa

+

H2O

NH2 2-Aminooctan

2-Octanonoxim

Die Reduktion von Nitrilen zu primären Aminen gelingt mit Natrium in Ethanol, Lithiumaluminiumhydrid in Ether oder durch katalytische Hydrierung, z. B.: LiAlH4 , abs. Ether

C N

+

CH2 NH2

4 [H]

CH 3

CH 3 2-Methylbenzonitril

2-Methylbenzylamin

Mit Ausnahme der Carbonsäureanilide und Imidazolide (vgl. Aldehyd-Synthesen, Abschn. 20.5.4) werden Carbonsäureamide durch Diboran oder komplexe Metallhydride zu primären, sekundären oder tertiären Aminen reduziert: O

LiAlH4 , abs. Ether

+

R C

4 [H]

N R' R'

R' = H oder Alkyl

R CH 2

R' N R'

+

H2O

primäres, sekundäres oder tertiäres Amin

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372

22 Amine

22.4.7

Reduktive Aminierung von Carbonyl-Verbindungen

Aldehyde und Ketone kondensieren mit Ammoniak und primären Aminen zu SCHIFF-Basen (Abschn. 20.8.4), mit sekundären Aminen zu Enaminen (Abschn. 20.8.6). Führt man diese Reaktion in Gegenwart von Wasserstoff und einem Hydrierkatalysator unter Druck durch, so entstehen nach Hydrierung der als Zwischenprodukte auftretenden Imine (SCHIFF-Basen) und Enamine die gesättigten Amine, primäre aus Ammoniak, sekundäre aus primären und tertiäre aus sekundären Ausgangsaminen. Zur Reduktion der Imin-Vorstufen eignen sich auch komplexe Metallhydride. H

Ni (Druck)

C O

+

H3N

+

C NH

H2

+

C NH2

H2

Imin

primäres Amin H

Ni (Druck)

C O

+

H2N R

+

H2

C NR

+

C NHR

H2

N-Alkylimin R C O C H

+

HN

+

R C N R C

H2

R

H

sekundäres Amin Ni (Druck)

+

H

H2

C NR2

C

H H tertiäres Amin

Enamin

So führt die reduktive Aminierung des Cyclohexanons mit Ammoniak, Ethylamin bzw. Diethylamin selektiv zum primären, sekundären und tertiären Aminocyclohexan (Cyclohexylamin): Ni , 8 atm. , 70 °C , Ethanol

+

NH3

+

H2

O

NH 2

/ H2O

Cyclohexylamin

Ni , 8 atm. , 70 °C , Ethanol

+

H 2N C2H5

+

H2

+

HN(C2H5)2

+

H2

O

Ni , 100 atm. , 120 °C

N H C 2H5 N-Ethylcyclohexylamin N C2H 5 C 2H5 N,N-Diethylcyclohexylamin

/ H2O

O

22.4.8

/ H2O

Reduktive Alkylierung von Aminen (LEUCKART-WALLACH-Reaktion)

Die LEUCKART-WALLACH-Reaktion alkyliert Ammoniak, primäre und sekundäre Amine durch Carbonyl-Verbindungen reduktiv mit Ameisensäure als Reduktionsmittel. Ammoniak in Form von Ammonium-formiat wird z. B. durch Acetophenon zu (racemischem) 1-Phenylethylamin alkyliert. O

NH2 CH3

Acetophenon

+

HCO2 NH 4

CH3

+

CO2 + H 2O

1-Phenylethylamin

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22.4 Darstellung

373

Formaldehyd und Ameisensäure im Überschuß alkylieren Benzylamin zu N,N-Dimethylbenzylamin. CH 3 CH2 N

CH 2 NH2 + 2 HCO2H + 2 HCHO

+ 2 CO2

+ 2 H 2O

CH 3 Benzylamin

N,N-Dimethylbenzylamin

Wahrscheinlich addiert das Amin (Ammoniak) nucleophil an die Carbonyl-Verbindung; der resultierende c-Aminoalkohol dehydratisiert im sauren Medium zum Immonium-Ion, das durch Ameisensäure über einen sechsgliedrigen Übergangszustand zum Amin reduziert wird: OH

O C

+

H N H

-"] H+_

C N H

"/ H2O

N

H

/ CO2

C

H O

c-Aminoalkohol

22.4.9

C

+ HCO2H

C N

H

N H

O

Immonium-Ion

Synthese primärer Amine durch Umlagerungen

Carbonsäuren sowie Ketone und einige ihrer Derivate lassen sich durch mehrere Umlagerungen zu primären Aminen abbauen. Die Mechanismen dieser Umlagerungen verlaufen über gleiche oder ähnliche reaktive Zwischenstufen. Der HOFMANN-Abbau baut Carbonsäureamide (Carboxamide) durch Behandlung mit Brom oder Chlor in alkalischer Lösung zu den primären Aminen ab: /

O

+ 2 OH , + OBr

R C

/ H2O , / CO3

NH 2 Carbonsäureamid

2/

/

, / Br

R

/

NH 2

primäres Amin

Beim LOSSEN-Abbau werden O-Acylhydroxamsäuren durch Erhitzen in alkalischem Medium in primäre Amine übergeführt: O R C

+ 3 OH

N O H C R' O O-Acylhydroxamsäure

/

/

/ R' /CO2 , / H2O , / CO32

/

R

NH 2

primäres Amin

Die als Ausgangsprodukte benötigten O-Acylhydroxamsäuren werden durch Acylierung der Hydroxamsäuren mit Carbonsäurehalogeniden oder Carbonsäureanhydriden dargestellt: entweder

+

O

O

Hydroxamsäure

X

oder +

O

C R'

O

C R'

O

(Base) , / HX

R C

R'

R C NH OH

C

O

, / R' /CO2H

N O C R' O O-Acylhydroxamsäure H

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374

22 Amine

Unter dem CURTIUS-Abbau versteht man die Thermolyse der Carbonsäureazide in saurer oder alkalischer Lösung zu primären Aminen, Stickstoff und Kohlendioxid. Carbonsäureazide sind durch Reaktion der Carbonsäurechloride mit Natriumazid oder Trimethylsilylazid zugänglich. O

O R C_ N _ N NI Carbonsäureazid

+ NaN3 oder (H3C) 3SiN3

R C

/ NaCl oder (H3C) 3SiCl Cl Carbonsäurechlorid

+ H2 O

R

/ N2 , / CO2

NH 2

primäres Amin

HOFMANN-, LOSSEN- und CURTIUS-Abbau verkörpern Umlagerungen über intermediäre Acylnitrene mit Elektronensextett am Stickstoff-Atom. Die nicht abfangbaren Acylnitrene lagern unter 1,2-Alkyl-Verschiebung zu Isocyanaten um. Ablösung der Abgangsgruppen (Br/, R/CO2/ und N2) und 1,2-Alkyl-Verschiebung verlaufen synchron. Die Hydrolyse der Isocyanate führt über die instabile N-Alkylcarbamidsäure unter Decarboxylierung zu den primären Aminen. O R C NH 2

O R C N Br H

+ Br 2 / HBr

Carboxamid

+ OH

/

O R C_ N _ Br

/ H2O

/ Br

O

+ OH

R C

/

/ H 2O

N O

O R C_ N _ O

C R'

H O

LOSSEN / R'/CO2

C R' O

/

/

HOFMANN

O R C_ N _

CURTIUS / N2

O R C_ N _ N NI Carbonsäureazid

Acylnitren

O-Acylhydroxamsäure

R R

N H

+ H2O

O C

O C N Isocyanat

OH N-Alkylcarbamidsäure

/ CO2

R

NH2

primäres Amin

Die SCHMIDT-Reaktion der Carbonsäuren mit Stickstoffwasserstoffsäure ergibt unter Abspaltung von Stickstoff und Kohlendioxid primäre Amine: O R C OH

+ HN3 (NaN3 , H2SO4) / N 2 , / CO2

R

NH2

Reaktive Zwischenstufe dieser Reaktion ist ein protoniertes Acylnitren, aus dem durch 1,2-AlkylVerschiebung ein protoniertes Isocyanat hervorgeht, dessen Hydrolyse unter Decarboxylierung zum Alkylammonium-Ion führt.

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22.4 Darstellung

375

_

+ IN N NI

R

H

O C

R O C_ N N NI H

/ N2

R O C N _ H

protoniertes Acylnitren

/ H2 O

R O C OH

R

R O C

+ H 2O

O C N H protoniertes Isocyanat

OH 2

H3N

/ CO2

R

Alkylammonium-Ion

Dagegen entsteht bei der SCHMIDT-Reaktion von Ketonen mit Stickstoffwasserstoffsäure unter Abspaltung von Stickstoff zunächst ein N-Alkylcarbonsäureamid, dessen Hydrolyse die Carbonsäure und das primäre Amin ergibt: O

+ HN 3

R C

/ N2

R

O + H2O R C / (H 3 O+ oder OH ) N R H N-Alkylcarbonsäureamid

R CO2H

+

R NH2

Auch die säurekatalysierte BECKMANN-Umlagerung von Ketoximen führt über N-Alkylcarbonsäureamide zu primären Aminen: [H+]

R C N R OH Ketoxim

O + H2 O R C / (H3O+ oder OH ) N R H N-Alkylcarbonsäureamid

R CO2H

+

R NH2

Eine technische Anwendung ist die Herstellung von g-Aminocapronsäure als Vorstufe der Synthesefaser Perlon über g-Caprolactam aus Cyclohexanonoxim: N

OH

BECKMANNUmlagerung

Cyclohexanonoxim

O

H2SO4

N

H

g-Caprolactam

+ H2O (H2SO4)

H2N

[CH 2] 5 CO2H

g-Aminocapronsäure Polykondensation

H N [CH 2] 5 C O n Perlon

Als reaktive Zwischenstufen der SCHMIDT-Reaktion von Ketonen (A) sowie der BECKMANN-Umlagerung von Ketoximen (B) agieren Dialkylnitrenium-Ionen. Deren anionotrope 1,2-Akyl-Ver-

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376

22 Amine

schiebung führt zum Carbenium-Ion. Die anschließende Addition von Wasser gibt das N-Alkylcarboxamid, das zur Carbonsäure und zum primären Amin hydrolysiert werden kann. R R C R

A

OH

+ [H+]

_

+ IN N NI

R OH

H

O

R C N _ N NI

R

Keton

R

/ H2O

R C

R C

N _ N NI

H

R C

/ N2

OH O

OH

R C

- H2O , / [H+]

R

SCHMIDT

R C

R C

R C

N R N R H N-Alkylcarboxamid (Tautomere)

BECKMANN

N R Carbenium-Ion

N _

Dialkylnitrenium-Ion

- H2O [H+]

/ H2O

+ [H+]

R R CO2H Carbonsäure

+

B

R NH 2 primäres Amin

R C

R R C

N OH Ketoxim

N OH2

Wie Carbene und Carbenium-Ionen können sich Nitrene und Nitrenium-Ionen durch Verschiebung einer Alkyl-Gruppe vom Kohlenstoff zum benachbarten "Sextett"-Stickstoff stabilisieren. Diese anionotropen 1,2-Alkyl-Verschiebungen führen im Falle des Acylnitrens zu einem Isocyanat (HOFMANN-, LOSSEN-, CURTIUS-Abbau) und beim protonierten Acylnitren entsprechend zum protonierten Isocyanat (SCHMIDT-Reaktion der Carbonsäuren). Anionotrope 1,2-Alkyl-Verschiebungen der Dialkylnitrenium-Ionen ergeben in Gegenwart von Wasser N-Alkylcarboxamide und schließlich Carbonsäuren sowie primäre Amine (SCHMIDT-Reaktion der Ketone und BECKMANNUmlagerung der Ketoxime).

22.4.10 Synthese von Benzidin-Derivaten durch Benzidin-Umlagerung 1,2-Diarylhydrazine (Hydrazobenzene) lagern sich in Gegenwart starker Säuren in die krebserregenden 4,4'-Diaminobiaryle (Benzidine) um, z. B.: [H+]

NH NH

H2N

Hydrazobenzen CH 3 NH NH H 3C Hydrazotoluen

NH 2

4,4'-Diaminobiphenyl (Benzidin) CH3

[H+]

H2N

NH 2

H 3C 4,4'-Diamino-2,2'-dimethylbiphenyl (o-Tolidin )

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22.5 Basizität

377

Primärschritt (1) dieser Benzidin-Umlagerung ist eine Protonierung des Diarylhydrazins. Die benachbarten positiven Ladungen im diprotonierten Hydrazobenzen begünstigen die Spaltung der N/N-Bindung (2). In einem r-komplexartigen Donor-Akzeptor-Übergangszustand können die beiden Benzen-Ringe para zu den Amino-Gruppen eine u-Bindung knüpfen (2). Das dabei entstehende Dikation kann in Fluorsulfonsäure-Schwefeldioxid bei tiefen Temperaturen nachgewiesen werden. Doppelte Deprotonierung und Rearomatisierung ergeben schließlich das Benzidin-Derivat (3). HN

NH

H2N

(1)

NH2

(2)

H

- 2 [H+]

H 2N

NH 2 H (3)

H 2N

/ 2 [H+]

NH 2

22.5 Basizität 22.5.1

Basizitätskonstante

Wie Ammoniak enthalten Amine am Stickstoff ein nichtbindendes Elektronenpaar; sie sind daher nucleophil, also auch Protonenakzeptoren und bilden Ammonium-Ionen: _ NH 3

+

[H ]

NH4

Ammonium-Ion

_ R NH 2

+

[H ]

R NH3

Alkylammonium-Ion

Im Vergleich zu Wasser sind Ammoniak und Amine stärkere Basen und bilden in wäßrigen Mineralsäuren (H3O+X/) deshalb Ammonium-Salze: _ R NH 2

+

H 3O Cl

R NH3 Cl """""+

H 2O

Dagegen sind Ammoniak und Amine schwächer basisch als Alkalihydroxide und werden durch diese aus Ammonium-Salzen in Freiheit gesetzt: R NH 3

+

OH

_ R NH 2"""""""+

H 2O

Die Basizität der Amine bezieht sich auf das Ausmaß, mit dem sie in wäßriger Lösung dem Wasser Protonen entziehen und OH/-Ionen erzeugen: _ R NH 2

+

H 2O

R NH3 """"""+

OH

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378

22 Amine

Gleichgewichtskonstante dieser Reaktion ist die Basizitätskonstante Kb : /

Kb =

c(R NH3+) c(OH ) c(R NH2)

Tab. 22.1 und 22.2 enthalten die Basizitätskonstanten einiger Amine. Man sieht, daß aromatische Amine schwächere Basen sind (Kb 10/9) als aliphatische Amine (Kb 10/4), die ihrerseits noch stärker basisch sind als Ammoniak (Kb = 1.8 x 10/4).

22.5.2

Basizität aliphatischer Amine

Die im Vergleich zu Ammoniak größere Basizität der aliphatischen Amine beruht auf dem "Elektronendruck" der Alkyl-Gruppen, welcher einerseits das n-Elektronenpaar am Stickstoff zum nucleophilen Angriff am Proton drängt, andererseits die positive Ladung des entstandenen Ammonium-Ions etwas neutralisiert und dieses somit stabilisiert: NI

+

N H

[H ] R

R

Dementsprechend erhöhen zwei schiebende Alkyl-Gruppen die Basizität sekundärer aliphatischer Amine, die daher stärkere Basen sind als primäre (Tab. 22.1). Tertiäre aliphatische Amine sind indessen schwächer basisch als sekundäre (Tab. 22.1), da die drei Alkyl-Gruppen nicht nur die Solvation, sondern auch die Protonierung sterisch behindern.

22.5.3

Basizität aromatischer Amine

Die gegenüber aliphatischen Aminen schwächere Basizität der Aniline (Tab. 22.2) beruht darauf, daß das Elektronenpaar der Anilin-Amino-Gruppe nicht mehr am Stickstoff verfügbar ist, sondern an der Mesomerie des Benzen-Rings teilnimmt. Dies führt zu einer durch zwitterionische Grenzformeln beschriebenen Mesomeriestabilisierung des Anilin-Moleküls: I NH 2

I NH 2

NH2

Anilin

NH2

NH2

NH 3

NH3

Anilinium-Ion

Demgegenüber ist das durch Protonierung entstehende Anilinium-Ion nur ein Hybrid zweier KEohne Möglichkeit einer stabilisierenden Verteilung der positiven Ladung. Da somit die Mesomeriestabilisierung des Anilins größer ist als die des Anilinium-Ions, erfordert die Protonierung des Anilins mehr Energie als jene des Ammoniaks oder eines primären aliphatischen Amins, wie Abb. 22.4 verdeutlicht.

KULÉ-Formeln,

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22.5 Basizität

379

Epot

NH4

Ar

NH 3

FHmes (Ar/NH3) < FHmes (Ar/NH2) FH1 FH2 > FH1 NH3 + [H ]

FHmes (Ar/NH2)

Ar

NH 2 + [H ]

Abb. 22.4. Mesomeriestabilisierung von Anilin und Anilinium-Ion; Vergleich der Protonierungsenergie von Anilin und Ammoniak

22.5.4

Substituenteneinflüsse auf die Basizität aromatischer Amine

Ein aromatisches Amin ist umso basischer, je mehr sich das n-Elektronenpaar am Amino-N-Atom lokalisiert. Donor-Substituenten D in o- und p-Stellung, deren (-)-M-Effekt Elektronenpaare in den Benzen-Ring schiebt, erhöhen demnach die Basizität. Typische Donor-Substituenten sind z. B. /OH, /OCH3, /NR2 (R = H oder Alkyl), weniger ausgeprägt /CH3. Aus diesem Grund ist pPhenylendiamin basischer als Anilin (Tab. 22.1). INH 2

NH3 D

D +

D = /OH , /OCH 3 , /NR 2 , /CH 3 : stärker basisch als Anilin

[H ]

D

D

Andererseits schwächen Akzeptor-Substituenten A die Basizität, da sie über ihren (/)-M-Effekt die Elektronendichte im Benzen-Ring und am Stickstoff senken, das Anilin zusätzlich stabilisieren, das Anilinium-Ion dagegen destabilisieren. Typische Akzeptor-Substituenten sind /NO2, /COOH, /COOR, /COR, /CHO, /CN. 4-Nitroanilin ist deshalb schwächer basisch als Anilin (Tab. 22.1). INH 2

NH3 A

A +

A

[H ]

A = /NO2 , /CO2H , /CO2R , /COR , /CHO , /CN , /Halogen : schwächer basisch als Anilin

A

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380

22 Amine

22.6 Reaktionen 22.6.1

Bildung N-substituierter Ammonium-Salze

Infolge ihrer Basizität bilden die Amine mit Säuren Alkyl- oder Arylammonium-Salze, z. B.: NH2

+

NH3 HSO4

H2SO4

Anilinium-hydrogensulfat (Phenylammonium-hydrogensulfat)

Auch mit stark sauren Phenolen reagieren die Amine zu Salzen. Pikrinsäure (2,4,6-Trinitrophenol) fällt z. B. die Amine aus Lösungen in Ethanol oder Ether als gelbe, kristallisierte Pikrate, die man aufgrund ihrer charakteristischen Schmelzpunkte zur Identifizierung der Amine heranzieht: O2N Ethanol

(H 5C2)3NI

+

HO

(H 5C2)3NH

O2N Pikrinsäure

Triethylamin

22.6.2

NO2

O2N _ IO _

NO2

O2N Triethylammonium-pikrat

Reaktion mit salpetriger Säure

Primäre aliphatische und aromatische Amine reagieren mit Natriumnitrit in saurer Lösung zu Diazonium-Salzen (Diazotierung); als Elektrophil agiert das durch Protonierung der salpetrigen Säure oder aus Distickstofftrioxid gebildete Nitrosonium-Kation (Nitrosyl-Kation +NO): primäres Amin (Nucleophil)

R

NH 2

Nitrosonium-Kation (Elektrophil)

+

H R

N O

N

O

H

N

O O

+

+ [H ]

H

O H

salpetrige Säure

N

N

R

/

/ H 2O

O

O

H

N

/ NO2

OH2

+ [H +]

N

R

H / H 2O

OH N

O

N O

N

N

N

R = Alkyl oder Aryl

N

R N N

R mesomere Grenzformeln eines Alkyl- oder Aryldiazonium-Ions

Distickstofftrioxid

Aryldiazonium-Salze Ar/N2+ X/ sind isolierbare, vielseitig anwendbare Reagenzien der organischen Synthese (Abschn. 23.5 - 8). Dagegen zersetzen sich die Alkyldiazonium-Salze R/N2+ X/ spontan nach ihrer Bildung unter Entwicklung von Stickstoff über intermediäre Carbenium-Ionen in ein Gemisch aus Alkoholen und Alkenen: R NH2

R N N

X """""+

H 2O

N2

+

HX

+

R OH ( + Alkene )

Alkyldiazonium-Salz (instabil)

Diese VAN SLYKE-Reaktion wird zur quantitativen Bestimmung primärer aliphatisch verknüpfter Amino-Gruppen durch gasvolumetrische Messung des entwickelten Stickstoffs genutzt.

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22.6 Reaktionen

381

Die N-Nitrosierung sekundärer aliphatischer und aromatischer Amine mit salpetriger Säure gibt gelbe, ölige, krebserregende N-Nitrosamine, z. B.: H3C

H3C

NaNO2 , HCl

N H

+

HNO2

O N N

+

H2O

N N + O N-Nitroso-N-methylanilin

H2O

H3C

H3C N-Nitrosodimethylamin

NaNO2 , HCl

N H

+

HNO2

H 3C

H3C

Tertiäre aliphatische Amine reagieren mit salpetriger Säure unter Oxidation zu einem Gemisch aus N-Nitrosodialkylaminen, Aldehyden und Ketonen. Tertiäre aromatische Amine werden dagegen am Benzen-Ring elektrophil nitrosiert. Die Nitrosierung des N,N-Dimethylanilins ergibt z. B. pNitroso-N,N-dimethylanilin, eine grüne, kristalline Verbindung. Als Elektrophil fungiert wieder das aus salpetriger Säure entstehende Nitrosonium-Kation. H 3C N O

/ [H+]

H 3C

22.6.3

H3C

NaNO2 , H2SO4

+

N

O N

N

H3C p-Nitroso-N,N-dimethylanilin

N -Oxidation

Wasserstoffperoxid und Peroxycarbonsäuren können in situ bei Gegenwart geeigneter Reaktionspartner elektrophilen (atomaren) Sauerstoff mit Elektronensextett abspalten: H O O

O

_ [ OI _ ]

R C

H

H O O

An die Elektronenlücke dieses Sauerstoff-Atoms kann ein Amino-N-Atom nucleophil addieren; dabei entsteht ein Amin-N-oxid: NI

+

_ [ OI _ ]

_

N OI _ Amin-N-oxid

So reagieren einige tertiäre Amine wie Pyridin mit Peroxiden oder Peroxycarbonsäuren zu stabilen Amin-N-oxiden. _

NI

+

H 2O2

N

OI _

+

H2O

Pyridin-N-oxid

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382

22 Amine

Oft zersetzen sich die N-Oxide tertiärer Amine beim Erhitzen. Die N-Oxidation sekundärer Amine ergibt unter Tautomerisierung der zunächst entstehenden N-Oxide N,N-Dialkylhydroxylamine: R R

NI

+

H

O H R C O O

R R

/ R/CO2H

R R

_

N OI _

N OH

H

sekundäres Amin

Amin-N-oxid

N,N-Dialkylhydroxylamin

Entsprechend bilden sich auch bei der Reaktion von primären Aminen mit Persäuren zunächst NAlkylhydroxylamine, die jedoch meist zu den Nitroalkanen weiteroxidiert werden. R H

NI

+

H

O H R C O O

R

/ R/CO2H

+ 2 R/CO3H

N OH

/ 2 R/CO2H , / H2O

H

primäres Amin

N-Alkylhydroxylamin

R NO2 Nitroalkan

Die N-Oxidation primärer Amine ist keine allgemeine Methode zur Darstellung von NitroVerbindungen. Nitroalkane werden besser durch radikalische, Nitroaromaten besser durch elektrophile Nitrierung dargestellt.

22.6.4

N-Halogenierung

Primäre und sekundäre aliphatische Amine werden bei der Reaktion mit Natriumhypochlorit oder t-Butylhypobromit in alkalischer Lösung N-halogeniert: Cl

NaOH , Cl2

R NH 2

+

2 Cl2

/ 2 HCl

R N Cl N,N-Dichloralkylamin

R

NaOH , Cl2

N H

+

Cl2

R

/ HCl

R N Cl R N-Chlordialkylamin

N-Fluoramine werden als Raketentreibstoffe verwendet. N-Halogenamine explodieren beim Erhitzen; ihre Hydrolyse in wäßriger Säure führt zu Alkylammonium-Salz und Halogen: Cl +

R N

3 HCl

H2O

R NH3 Cl

+

2 Cl2

Cl N,N-Dichloralkylamin

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22.6 Reaktionen

22.6.5

383

N-Acylierung

Primäre und sekundäre Amine reagieren in Gegenwart einer Base mit Carbonsäurehalogeniden zu N-Alkyl- bzw. N,N-Dialkylcarbonsäureamiden. N,N-Dimethylformamid (DMF, R´= H, R = CH3) und N,N-Dimethylacetamid (DMA, R = R´= CH3) als Beispiele sind vielseitig anwendbare Lösemittel. O R NH 2

Base

C R'

+ X

R

O N H

+

Base

C R'

R

/ HX

X

/ HX

R

O N C

H R' N-Alkylcarboxamid R

O N C

R R' N,N-Dialkylcarboxamid

Analog verläuft die Reaktion mit Sulfonsäurehalogeniden, z. B. Benzensulfochlorid unter Bildung von N-Alkyl- bzw. N,N-Dialkylsulfonamiden: O R NH 2

+

Cl

Base

S

/ HCl

O

O

R N H R

+

Cl

Base

S

/ HCl

O

R

O N S

H O N-Alkylbenzensulfonamid R

O N S

R O N,N-Dialkylbenzensulfonamid

Tertiäre Amine reagieren nicht, denn treibende Kraft der N-Acylierung ist die Bildung von Halogenwasserstoff, der seinerseits nur aus einem Amin entstehen kann, das noch ein NH-Atom enthält. Aufgrund der benachbarten elektronenziehenden Carbonyl- oder Sulfonyl-Gruppe sind die NHGruppen der N-Alkylamide nicht basisch, sondern sauer. Die nach Deprotonierung hinterbleibenden Amid-Anionen sind mesomeriestabilisiert: R

O N C H R'

R

O N S

H

O

+ OH

/

/ H2O

+ OH

/

/ H2O

_

R_ O _ C N R' R_ O N _ S O

O _I

R _ C N

R'

R

O N _ S IOI _

N-Alkylcarbonsäure und -sulfonamide lösen sich daher in wäßrigem Alkalihydroxid unter Salzbildung im Gegensatz zu den N,N-Dialkylamiden, welche kein acides NH bieten. Auf diesem Unterschied beruht die HINSBERG-Trennung primärer, sekundärer und tertiärer Amine: Primäre und sekundäre Amine reagieren mit Benzensulfonylchlorid zu N-Alkylbenzensulfonamiden bzw. N,N-

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384

22 Amine

Dialkylbenzensulfonamiden, von denen sich nur die N-Alkylamide in wäßrigem Alkalihydroxid lösen; tertiäre Amine geben keine Benzensulfonamide. Einige Sulfonamide aus 4-(Acetylamino)-benzensulfochlorid wirken als Chemotherapeutika gegen bakterielle Infektionen: NH2

O H3C C N H

22.6.6

O

R

R=

S N O

S

C

R= N

NH Guanidyl-Rest : Sulfaguanidin

H

Thiazolyl-Rest : Sulfathiazol

N -Alkylierung

Halogenalkane alkylieren Amine sukzessive bis zum Tetraalkylammonium-Salz: + R /X

R NH2

+ R /X

R2NH

/ HX

primäres

+ R /X

/ HX

sekundäres

R3N

R 4N X

tertiäres Amin

Tetraalkylammonium-Salz

Die N-Alkylierung verläuft unter nucleophiler Substitution des Halogenids durch das Amin. Ist das Halogenalkan primär, so folgt der Mechanismus dem SN2-Typ: H NI

+

H

H

H

SN2

C

X

H H f-

N

R

H

H X

f/

C

X

N

C

/ HX

H

_

N

H

R

R

R

H C

Die letzte Stufe der N-Alkylierung von Aminen führt zum Tetraalkylammonium-Salz. Man bezeichnet diesen Schritt als Quaternisierung oder erschöpfende Alkylierung. Die erschöpfende Methylierung wird durch Reaktion mit überschüssigem Methyliodid erzielt, z. B.: H3C H 3C CH 2 NI

+

CH3

H 3C H 3C CH 2 N

I

H 3C CH 2

CH 3

I

H 3C CH 2

Diethylmethylamin

Diethyldimethylammonium-iodid

Base

N

+

2 CH 3

I

H

N

/ HI

+

CH 3

N

I H3C

CH3

Pyrrolidin

N-Methylpyrrolidin

I CH3

N,N-Dimethylpyrrolidinium-iodid

Die N-Methylierung von Aminen gelingt auch mit Diazomethan in Gegenwart von Bortrifluorid: ICH2

N NI

+

R 2N H

BF3

R2N CH3

+

N2

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22.6 Reaktionen

385

Im Gegensatz zu den unvollständig alkylierten Ammonium-Salzen, aus welchen sich die Amine durch Alkalihydroxid in Freiheit setzen lassen, NaOH

R3NH X """"""+

R3N

OH

+

H 2O

+

X

werden die Tetraalkylammonium-Ionen von Alkalihydroxiden in der Kälte nicht angegriffen. Mit einer Suspension von Silberoxid in Wasser entsteht jedoch das Tetraalkylammonium-hydroxid, das in wäßriger Lösung verbleibt, während Silberhalogenid ausfällt: R4N X """""""+

AgOH in H2O

R 4N OH """""""+

OH oder Anionen-Austauscher

X

Tetraalkylammoniumhydroxid

Dieser Ionenaustausch läßt sich auch mit Hilfe eines Anionen-Austauschers durchführen. Tetraalkylammonium-hydroxide sind bei Raumtemperatur stabil und aufgrund ihres OH/-Ions den Alkalihydroxiden an Basizität ebenbürtig.

22.6.7

HOFMANN-Eliminierung von Tetraalkylammonium-hydroxiden

Die durch erschöpfende Methylierung von Aminen zugänglichen Tetraalkylammonium-hydroxide spalten beim Erhitzen in Wasser in ein tertiäres Amin und ein Alken, z. B.: CH3

Hitze

C CH 2

CH 2 CH2 N CH3 OH

+

N(CH3)3

+

H 2O

H

CH3 (2-Cyclobutylethyl)trimethylammoniumhydroxid

Ethenylcyclobutan (Vinylcyclobutan)

Diese als HOFMANN-Eliminierung bekannte Reaktion verläuft meist als (in Bezug auf OH/ und R4N+) bimolekulare d-Eliminierung (E2-Reaktion) eines zum Stickstoff d-ständigen Protons durch das Hydroxid-Anion:

_ H OI _ """""""+"

d

C

NR3 C

c

Hitze

d

c

C

C

+

H2O

+

INR 3

H

Das Hydroxid-Ion greift umso leichter am d-Proton an, je geringer die sterische Behinderung am d-C-Atom ist. Die Eliminierungstendenz nimmt also mit abnehmender Alkylierung am d-C-Atom zu (/CHR2 << /CH2R < /CH3). Aus diesem Grund führt die erschöpfende Methylierung und anschließende HOFMANN-Eliminierung von Trimethylamin und Wasser allgemein zum weniger

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386

22 Amine

alkylierten, terminalen Alken (HOFMANN-Regel); aus 2-Aminobutan (sec-Butylamin) entsteht überwiegend 1-Buten: + 3 CH3/I

H3C

CH2 CH CH3

+ AgOH

H 3C

/" 2 HI

NH 2 2-Aminobutan (2-Butylamin)

CH 2 CH CH3

H3C

/ AgI

CH2 CH CH3

N(CH 3)3

I

HO

N(CH 3)3

150 °C , / H2O , / N(CH3)3

H3C

+

CH CH CH 3

H3C

2-Buten ( E und Z ) Nebenprodukt (5 %)

CH2 CH CH2

1-Buten Hauptprodukt (95 %)

Die HOFMANN-Eliminierung eignet sich zur Konstitutionsbestimmung unbekannter Amine, z. B. zur Unterscheidung offenkettiger Amine von den isomeren Stickstoff-Heteroalicyclen. Im Falle der Stickstoff-Heteroalicyclen entsteht zunächst ein Dialkylaminoalken, dessen weitere erschöpfende Methylierung und HOFMANN-Eliminierung zum Dien führt, z. B.: 1.) + CH3I 2.) + AgOH , / AgI

N

Hitze

CH 3

N H3C

CH3 1,2-Dimethylpyrrolidin

CH 3

N

/"H2O

CH 3 HO

CH CH2

H3C CH3 5-(N,N-Dimethylamino)-1-penten 1.) + CH3I 2.) + AgOH , / AgI

c d

HO

/"H2O / N(CH3)3

CH CH 2

1,4-Pentadien

22.6.8

H

Hitze

H 2C CH

H

(H3C)3N

d c

CH CH2

COPE-Eliminierung tertiärer Amin-N-oxide

Auch die N-Oxide tertiärer Amine (Abschn. 22.6.3) spalten beim Erhitzen in ein Alken und ein N,N-Dialkylhydroxylamin. Bei dieser zur Synthese von Alkenen und Dialkylhydroxylaminen anwendbaren COPE-Eliminierung handelt es sich um eine intramolekulare d-Eliminierung (EiReaktion), wie sich am Beispiel des Dimethyl-i-propylamin-N-oxids zeigen läßt: H 3C H C

H C H

N _ H _ OI H 3C

H 3C

Dimethyl-i-propylamin-N-oxid

100 °C

H 3C

H +

C C H

H

Propen

H3C H3C

N OH

N,N-Dimethylhydroxylamin

Die Reaktion gelingt meist ohne Isolation des N-Oxids durch Erwärmen einer Lösung des tertiären Amins in Dimethylsulfoxid oder Tetrahydrofuran mit Wasserstoffperoxid bzw. einer Persäure.

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22.6 Reaktionen

22.6.9

387

Elektrophile Substitution aromatischer Amine

Amino-Gruppen /NR2 (R = H oder Alkyl), jedoch nicht Ammonium-Gruppen /NR3+ (R = H oder Alkyl), aktivieren den Benzen-Ring zur elektrophilen Substitution, da ihr (-)-M-Effekt die Elektronendichte in o- und p-Stellung erhöht (Abschn. 11.1.8, 22.5.3). Der Eintritt des Elektrophils Y+ in o- und p-Stellung wird zusätzlich gefördert, indem die Amino-Gruppe kraft ihres (-)-M-Effekts die positive Ladung des zunächst entstehenden Phenonium-Ions übernimmt (Abb. 11.3, S. 161). Zunehmende Alkylierung schafft weitere Erleichterung (/NH2 < /NHR < /NR2) infolge des induktiven Elektronendrucks von N-Alkyl-Gruppen. Elektrophile Substitutionen der Aniline gelingen daher bereits bei tiefen Temperaturen und ohne Katalysatoren. Beispiele sind die Nitrosierung des N,N-Dimethylanilins (Abschn. 22.6.2), die Bromierung (Abschn. 10.11.2) sowie die Acetylierung des Anilins: O

O H

NH2

N

C

H

CH3

+ CH3/COCl

+ CH 3/COCl (AlCl 3)

/ HCl

/ HCl

N

C

CH3

C O CH 3 4-Acetylaminacetophenon

Acetanilid (Acetylaminobenzen)

Bei der Nitrierung schützt man die Amino-Funktion vor Oxidation, indem man sie mit Acetanhydrid acetyliert. Nach der Nitrierung wird die N-Acetyl-Gruppe abhydrolysiert. O

O H

NH2

N

C

H

CH 3

N

C

CH 3

+ (CH3/CO)2O

+ H2O (OH )

+ [ NO2] (HNO3 , H2SO4) , 15 °C / [H+]

/ CH3CO2H

NH2

/

+

/ CH3CO2H

NO2

NO2

p-Nitroacetanilid

p-Nitroanilin

Die Sulfonierung des Anilins erfordert schärfere Bedingungen. Sie ist als Backprozeß bekannt, da man dabei Anilinium-Hydrogensulfat auf etwa 200 °C erhitzt. NH2

NH 3 HSO4 20 °C

+

NH 3 200 °C

H2SO4

+

H2O

SO3 Sulfanilsäure (als Zwitterion)

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388

23 Organostickstoff-Verbindungen

23 Organostickstoff-Verbindungen Zu den zahlreichen Organostickstoff-Verbindungen gehören außer den Aminen (Abschn. 22) und vielen Heterocyclen (Abschn. 32, 33), Aminosäuren und Peptiden (Abschn. 36, 37) sowie Alkaloiden (Abschn. 38) auch die für viele Synthesen nützlichen Diazoalkane, Diazocarbonsäureester, Aryldiazonium-Salze und Azo-Verbindungen.

23.1 Diazoalkane 23.1.1

Konstitution und Eigenschaften

In Diazoalkanen ist das Diazonium-Gruppe /N2+ an ein carbanionisches Alkyl-C-Atom gebunden. Sie enthalten daher den Stickstoff in einer als N2 leicht abgehenden Form (/N2+), zerfallen infolgedessen oft unter Explosion, sind jedoch manchmal unter schonenden Bedingungen bei der Aufarbeitung isolierbar. Ihre begrenzte Stabilität verdanken sie einer Mesomeriestabilisierung, die sich durch drei mesomere Grenzformeln beschreiben läßt: R_ _ C N NI R

R_ C N NI R

R C N NI _ R

mesomere Grenzformeln eine Diazoalkans ( R = H , Alkyl , Aryl )

Für den einfachsten Vertreter der Diazoalkane, das Diazomethan mit R = H, wurde die DiazirinStruktur postuliert; das Ergebnis der Elektronenbeugung war jedoch die lineare Konstitution. Diazirine sind darstellbar, zeigen aber andere Eigenschaften als Diazoalkane: H C H

N N

Diazirin

Diazomethan (CH2N2) ist ein gelbes, giftiges Gas (Siedepunkt 0 °C). In reinem Zustand neigt es zur Explosion; gelöst in Ether ist es ziemlich stabil. Reaktionen mit Diazomethan werden daher in Ether-Lösungen durchgeführt.

23.1.2

Darstellung

N-Nitroso-N-alkyl-Verbindungen eliminieren in Gegenwart von Basen Diazoalkane, z. B.: O R 2CH

C N

NH 2 N

O

/

+ 2 OH

R 2CN 2

+

H 2O

+

2

CO3 "

+

NH3

N-Nitroso-N-alkylharnstoff

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23.1 Diazoalkane

389

O R2CH

C N

/

OC2H 5 N

+ 2 OH

O

2

R 2CN 2

+

H 2O

+

CO3

R 2CN 2

+

H 2O

+

R'

+

C2H 5OH

N-Nitroso-N-alkylurethan O R2CH

C N

/

R' N

+ OH

O

CO2

N-Nitroso-N-alkylcarboxamid

Die Reaktionen beginnen wahrscheinlich mit einer 1,3-Acyl-Verschiebung vom Amid-N zum Nitroso-O. Dieser Umlagerung folgt die Eliminierung des Diazoalkans: O O

X C

C X O _ N N _

O

N N R2CH

/

R_ C N NI R

+ OH

/ H2O

R 2C

O + X

C _ OI _

H X = /NH2 : Harnstoff X = /OC2H5 : Urethan X = /R' : Carboxamid

N-Nitroso-N-alkyl-Verbindung

Diazoalkan

Diazomethan läßt sich nach diesen drei Verfahren darstellen (R = H). Die Edukte sind jedoch toxisch und krebserregend. Weniger gefährlich ist die Spaltung des N-Nitroso-N-methyl-p-toluensulfonamids durch Natriumethanolat: H H 2C

N

N

_ H 2C

O

N

N

OH

OC 2H5

/

+ OC 2 H 5

O S O

O S O

O S O

CH3

CH3

CH 3

+

_ H2C N NI

N-Nitroso-N-methyl-p-toluensulfonamid

Reines Diazomethan bildet sich bei der Umsetzung von Distickstoffoxid mit Methyllithium: N2O

23.1.3

+

LiCH 3

H2CN 2

+

LiOH

Reaktionen der Diazoalkane

Die präparativ nützlichen Reaktionen der Diazoalkane lassen sich in fünf Grundtypen einordnen:

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390

23 Organostickstoff-Verbindungen

Carben-Einschiebungen Die Carben- oder Methylen-Einschiebungen des Diazomethans beruhen auf dessen Photo- oder Thermolyse in Carben (:CH2 oder ICH2, Abschn. 1.8.3) und Stickstoff. Sie führen zur Insertion einer Methylen-Gruppe in eine C/H-Bindung, also zur Homologisierung einer Alkyl-Gruppe: R H

+

ICH2

hp oder Hitze

R CH2 H

/ N2

ICH 2 N NI

Carben-Cycloadditionen ([2+1]-Cycloadditionen) Das durch Photo- oder Thermolyse des Diazomethans entstehende Carben cycloaddiert an Mehrfachbindungen. Diese Cycloadditionen eignen sich zu Dreiring-Synthesen: Alken

Alkin

C C

C C

+

ICH2

Cyclopropan

+

ICH2

Cyclopropen

Das Carben cycloaddiert auch an Benzen. Dabei entsteht zunächst Norcaradien, das sich zum 1,3,5-Cycloheptatrien umlagert (COPE-Umlagerung): CH2N2

+

o

ICH2 Bicyclo[4.1.0]hepta-2,4-dien (Norcaradien)

1,3,5-Cycloheptatrien

Alkylierung acider Verbindungen Verbindungen mit acidem Wasserstoff, R/Y/H, reagieren mit Diazoalkanen zu AlkyldiazoniumSalzen, die unter Abspaltung von Stickstoff in die Y-Methyl-Derivate übergehen: R Y H

+

ICH2

N NI

R YI

+

CH3

N NI

Methyldiazonium-Ion / N2

R YI

+

CH3

R Y CH3

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23.1 Diazoalkane

391

Die O-Methylierung von Carbonsäuren, Enolen und Phenolen verläuft z. B. spontan: Carbonsäure

R CO2H

+

CH2N 2

+

CH2N 2

/ N2

R Enol

R 2C C

R

/ N2

Ar

OH

Methylenolether

R 2C C

OH Phenol

Carbonsäuremethylester

R CO2CH 3

OCH3 +

/ N2

CH2N 2

Ar

Methylarylether (Phenolether)

OCH3

Dagegen erfordert die Alkylierung von Alkoholen und Aminen eine Acidifizierung der YHGruppe, meist durch LEWIS-Säuren wie Bortrifluorid: BF3

R OH

+

CH 2N2

+

CH2N2

R N H R

R

/ N2

BF3

R

/ N2

R

OCH3

Alkylmethylether

N CH 3

N-Methylamin

Nucleophile Addition an Kohlenstoff-Heteroatom-Mehrfachbindungen Das carbanionische C-Atom des Diazomethans ist nucleophil und addiert daher an polarisierte Kohlenstoff-Heteroatom-Mehrfachbindungen: YI

Y R C

+

R C CH2 N2

ICH 2 N 2

R'

R'

Das zwitterionische Additionsprodukt spaltet Stickstoff ab und stabilisiert sich entweder durch 1,2-Alkyl-Verschiebung und Rückbildung der CY-Doppelbindung oder durch Bildung eines heterocyclischen Dreirings: YI R C CH2 N2

YI R C CH 2

R´

1,2-AlkylVerschiebung

o

YI R C CH2 R´

R´ Ringschluß

Y

Y R C CH2 R´

R

C

CH 2 R´

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392

23 Organostickstoff-Verbindungen

Ein Beispiel ist die Homologisierung von Aldehyden, Ketonen und Cycloalkanonen durch Diazomethan (Abschn. 20.10.7), wobei die Bildung von Oxiranen konkurrieren kann: _ IOI

O R C + R' Keton oder Aldehyd ( R' = Alkyl oder H )

ICH2 N2

O

R C CH 2 N2

C

R

R'

CH2 R'

homologisiertes Keton homologisierter Aldehyd

O R C CH2

Oxiran

R'

1,3-Dipolare Cycloadditionen Alkine cycloaddieren in etherischer Lösung an Diazoalkane als 1,3-Dipole zu Pyrazol-Derivaten. Dabei verhalten sich die Diazoalkane als 1,3-Dipole (1,3-dipolare Cycloaddition nach HUISGEN): R'

R C C

ICH +

H R

NI

N

N

R

R R=H: Ethin

R

R'

R'

in Ether

N

R

N N H

R' = H : Diazomethan (1,3-Dipol)

R=R'=H: Pyrazol

23.2 Diazocarbonsäureester 23.2.1

Bildung

c-Aminocarbonsäuren (Abschn. 36) reagieren mit Nitrosonium-Kationen (NO-, in situ aus Nitrit in starker Mineralsäure) unter Abspaltung von Stickstoff zu c-Hydroxycarbonsäuren: H 3N CH CO2 """""""+

(NaNO2 , HX)

HNO2

R c-Aminocarbonsäure (Zwitterionen-Form)

/ 2 H2O

+ H2O

IN N CH CO2 R

/ N2

HO CH CO2H R c-Hydroxycarbonsäure

Die entsprechende Reaktion der c-Aminocarbonsäureester führt dagegen zu den isolierbaren cDiazocarbonsäureestern: H 2N CH CO2R'"""""""+ R c-Aminocarbonsäureester

(NaNO2 , HX , Kälte)

HNO2

/ 2 H2O

_ IN N C CO2R' R c-Diazocarbonsäureester

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23.2 Diazocarbonsäureester

393

Aus Glycinethylester (R = H, R´ = C2H5 ) entsteht so Diazoessigsäureethylester, eine relativ stabile, im Vakuum unzersetzt destillierbare Flüssigkeit.

23.2.2

Reaktivität

In saurer Lösung addieren Protonen elektrophil an die Diazocarbonsäureester. Die dabei zunächst entstehenden Diazonium-Salze spalten Stickstoff ab. Die zurückbleibenden Carbenium-Ionen reagieren mit den Anionen der Säure zu c-substituierten Carbonsäureestern: _ IN N C CO2R'

+

/ N2

IN N CH CO2R' X

HX

CH CO2R' X

R

R c-Diazocarbonsäureester

R

X = /OCH3CO2 <"""c-Acetoxyester X = /Cl <"""c-Halogensäureester X = /OH <"""c-Hydroxyester

X CH CO2R' R

Wie Diazoalkane können die c-Diazocarbonsäureester als 1,3-Dipole reagieren. Durch 1,3dipolare Cycloaddition der Diazoester an Alkine entstehen z. B. Pyrazolcarbonsäureester: CO2C 2H5

H 5C2O2C C C

H

ICH +

in Ether

H5C 2O2C

CO2C 2H5 N

NI N

H 5C2O2C

H 5C2O2C Acetylendicarbonsäurediethylester

H 5C2O2C

H5C 2O2C

N

CO2C2H 5 N N

H Pyrazol-3,4,5-tricarbonsäuretriethylester

Diazoessigsäureethylester

Auch die Dimerisierung des Diazoessigsäureethylesters in alkalischer Lösung zu "Bisdiazoessigester" (3,6-Dihydro-1,2,4,5-tetrazin-3,6-dicarbonsäurediethylester oder 3,6-Diethoxycarbonyl-3,6-dihydro-1,2,4,5-tetrazin) ist eine 1,3-dipolare Cycloaddition:

N H5C 2O2C

CI H

_ N

H IC

+ N _

N

CO2C2H 5

N

N

H

CO2C 2H5

N N H "Bisdiazoessigester"

H5C 2O2C

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394

23 Organostickstoff-Verbindungen

23.3 Diazoketone 23.3.1

Bildung

Diazoketone entstehen durch nucleophile Addition des Diazomethans an das Carbonyl-C von Carbonsäurehalogeniden. Die Reaktion unterscheidet sich von der bereits besprochenen Homologisierung von Carbonyl-Verbindungen (Abschn. 20.10.7); das eintretende Diazomethan ersetzt hier das abgehende Halogenid X: /

O R C

+

O

/X

ICH 2 N 2

O

/ [H+]

R C

R C CH N2

X Carbonsäurehalogenid ( X = Cl , Br )

CH N2 _

H Diazoketon

Wie Diazoalkane sind Diazoketone mesomeriestabilisiert, jedoch unter zusätzlicher Beteiligung der Carbonyl-Gruppe: O

O

R C

O

R C _ NI CH N _

R C CH N NI _

CH N NI _

_ IOI

_ IOI

R C

R C CH N NI

23.3.2

CH N _ NI

Reaktivität

Die weitaus wichtigste Reaktion der Diazoketone ist die Abspaltung von Stickstoff. Dabei entstehen zunächst Ketocarbene, welche durch 1,2-Alkyl-Verschiebung in Ketene übergehen. Diese Folgereaktion ist als WOLFF-Umlagerung bekannt: O R C

O

/ N2

R

WOLFFUmlagerung

o

C

O

H C

CH _

CH N2 _

H

C _

O C C R

R

Ketocarben (Acylcarben)

Diazoketon

Keten

Präparative Anwendung findet die WOLFF-Umlagerung der Diazoketone bei der Homologisierung von Carbonsäuren (ARNDT-EISTERT-Homologisierung, Abschn. 18.5.6): O

O

+ CH2N2

R C

R C Cl

/ N2

O

+ YH

R

CH C O

R

CH N2 _

CH 2

C Y

Y = /OH Y = /OR' Y = /NR'2 Y = /SR'

: Carbonsäuren : Carbonsäureester : Carbonsäureamide : Thiolsäureester

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23.4 Azoalkan-Derivate

395

23.4 Azoalkan-Derivate 23.4.1

Klassifizierung und Bildung

Azoalkane und ihre Derivate sind Verbindungen mit der allgemeinen Formel R/N=N/R. In Analogie zu substituierten Alkenen liegen sie als cis- oder trans-Isomere vor: R _ _ N N

_ _ N N R R cis-

R Azoalkan

trans-

Eine allgemeine Methode zu ihrer Darstellung ist die Oxidation von 1,2-Dialkylhydrazinen: / 2 [H+] , / 2 e0

/

R N N

R NH NH R R

Der Radikalkettenstarter Azobisisobutyronitril wird z. B. durch Oxidation von 1,2-Bis(2-cyano-2propyl)hydrazin mit Brom in alkalischer Lösung dargestellt. Das als Edukt benötigte HydrazinDerivat erhält man durch Umsetzung des Acetoncyanhydrins mit Hydrazin: H 3C 2

+ 2 HCN

2

C O

H 3C H 3C

H 3C

+ H2N/NH2

CN C

/ 2 H2O

OH

Acetoncyanhydrin

23.4.2

H 3C H 3C

CN N

N C

H

/

H

C

NC

+ Br 2 (OH )

CH3

/ 2 HBr

H3C H3C

CN C N

N C NC

CH3

1,2-Bis(2-cyano-2-propyl)hydrazin

CH 3 CH 3

Azobisisobutyronitril

Reaktionen

Während Diazoalkane und Diazonium-Ionen zur Abspaltung von Stickstoff unter Bildung von Carbenen bzw. Carbenium-Ionen neigen, zersetzen sich Azoalkan-Derivate thermisch unter Bildung von Alkyl-Radikalen und Stickstoff: R N N

Hitze

2R

+

N2

R

Die Spaltung erfordert bei Azomethan (R = CH3) hohe Temperaturen (400 °C), kann jedoch bereits unterhalb 100 °C einsetzen, sofern sterisch geschützte oder mesomeriestabilisierte Radikale entstehen. Ein Beispiel ist die Thermolyse des Azobisisobutyronitrils: H 3C H 3C

CN C

> 60 °C

N

N C NC

CH3 CH3

/ N2

H 3C

H 3C

C C NI

C C NI H 3C

H 3C

Azobisisobutyronitril ist daher bereits bei tiefen Temperaturen ein Radikalgenerator und eignet sich u. a. zum Starten der radikalischen Polymerisation von Vinyl-Verbindungen R/CH=CH2.

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396

23 Organostickstoff-Verbindungen

Azodicarbonsäurediester, z. B. Diethylazaodicarboxylat (DEAD) und Triphenylphosphan sind die Reagenzien der MITSUNOBU-Reaktion zur Veresterung und Veretherung. Dabei addiert Triphenylphosphan nucleophil an die Azo-Gruppe. Das zwitterionische Phosphoniumhydrazid wird durch die Carbonsäure R1/CO2H protoniert. Nach nucleophiler Substitution des Diethoxycarbonylhydrazins am P-Atom durch den Alkohol R2/OH bildet sich das AlkoxyphosphoniumCarboxylat, das seinerseits durch SN2-Reaktion des Carboxylat-Anions am Alkoxy-C-Atom in Triphenylphosphanoxid und Carbonsäureester zerfällt. H5C 2O2C N N CO2C 2H5

Diethylazodicarboxylat

+ P(C6H5) 3

_ H5C 2O2C N N _ CO2C 2H5 Phosphonium-Hydrazid (H5C 6)3P + R1 CO2H / (H5C6) 3P O

+ R2 OH

(H 5C6)3P OR 2 +

H5C 2O2C N NH CO2C2H 5 (H5C 6)3P

R1 CO2

/

HN CO2C2H5

R 1 CO2

R 1 CO2R 2

Alkoxyphosphonium-Carboxylat

Carbonsäureester

HN CO2C2H5

Der SN2-Mechanismus im letzten Schritt hat bei enantiomeren Alkoholen eine WALDEN-Inversion der absoluten Konfiguration zur Folge, so daß sich die MITSUNOBU-Reaktion auch zur Umwandlung enantiomerer sekundärer Alkohole ineinander eignet, denn die Esterverseifung ändert nichts an der absoluten Konfiguration.

(H 5C6)3P O H + CH 3 CO2 C H5C 6 CH3

/ (H5C6) 3P

CH 3 H O C O C H5C 6 CH3

O

(S)-1-Phenylethoxyphosphonium-Acetat

+ H2O (NaOH) / CH3/CO2H

(R)-1-Phenylethylacetat

H OH C H 5C6 CH3

(R)-1-Phenylethanol

Intramolekulare Varianten der MITSUNOBU-Reaktion sind die Synthese makrocyclischer Lactone aus den entsprechenden Hydroxycarbonsäuren sowie makrocylischer Ether aus den entsprechenden Diolen:

O O Undecalacton

DEAD, P(C6H5) 3

CO2H

OH

DEAD, P(C6H5) 3

O

OH OH 11-Hydroxyundecansäure

Hexan-1,6-diol

Oxepan

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23.5 Aryldiazonium-Salze

397

23.5 Aryldiazonium-Salze Aren- oder Aryldiazonium-Salze entstehen durch Reaktion primärer aromatischer Amine mit salpetriger Säure (Nitrit in mineralsaurer Lösung); diese Reaktion ist als Diazotierung bekannt. + HNO2 (NaNO2 , HX)

Ar

NH 2

+

HX

Ar

NH3 X

Ar N2 X Aryldiazonium-Salz

/ 2 H2O

Während die Alkyldiazonium-Salze auch bei tiefen Temperaturen quantitativ Stickstoff abspalten (VAN-SLYKE-Reaktion, Abschn. 22.6.2), sind Aryldiazonium-Salze verhältnismäßig stabil. Sie lassen sich in manchen Fällen kristallisieren, z. B. als Tetrafluorborate: N 2 BF 4

Phenyldiazonium-tetrafluorborat

Ihre Stabilität verdanken die Aryldiazonium-Salze der Mesomerie des Aryldiazonium-Ions: NI N _

N NI _

N NI

N NI _

N NI _

mesomere Grenzformeln des Phenyldiazonium-Ions

Viele Aryldiazonium-Salze, insbesondere Nitrate und Perchlorate, zerfallen in trockenem Zustand unter Explosion. Bei Synthesen werden daher meist die nach der Diazotierung entstandenen frischen Lösungen der Diazonium-Salze verwendet. Aryldiazonium-Salze können unter Abspaltung von Stickstoff je nach den Reaktionsbedingungen sowohl Aryl-Radikale als auch Aryl-Kationen bilden. Die Folgereaktionen dieser Zwischenstufen ermöglichen zahlreiche Synthesen. Das Diazonium-Ion selbst ist ein Elektrophil und eignet sich insofern zur Einführung der Arylazo-Gruppe Ar/N=N/ (Azo-Kupplung, Abschn. 23.8).

23.6 Radikalische Spaltung von Aryldiazonium-Ionen 23.6.1

Darstellung von Halogenaromaten aus Aryldiazonium-Salzen (SANDMEYER-Reaktion)

Aryldiazonium-halogenide reagieren in Gegenwart von Kupfer(I)-halogenid unter Abspaltung von Stickstoff zu Arylhalogeniden. Diese SANDMEYER-Reaktion bewährt sich zur Darstellung von Chlor- und Bromaromaten: Cu X

Ar

N2 X

Ar

X

+

N2

X = Cl , Br

Anstelle von Kupfer(I)-halogenid kann auch Kupferpulver verwendet werden (GATTERMANNVariante). Im ersten Schritt der SANDMEYER-Reaktion reduziert Kupfer(I) das Aryldiazonium-Ion zu Stickstoff und Aryl-Radikalen. Bei seiner anschließenden Reaktion mit dem Halogenid-Anion

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398

23 Organostickstoff-Verbindungen

überträgt das Aryl-Radikal ein Elektron auf das im ersten Schritt entstandene Kupfer(II). Dabei entsteht ein Halogenaromat unter Regeneration von Kupfer(I). Ar

N2 X "

+

Cu

+

X

+

Cu2

X

+

e0

+

Cu 2

Ar

X

+

Cu

Ar

Ar

Die SANDMEYER-Reaktion eignet sich gut zur Bromierung und Chlorierung, nicht jedoch zur Fluorierung und Iodierung von Aromaten. Pseudohalogenide wie Cyanide (CN/), Thiocyanate (SCN/) und Nitrite reagieren mit Aryldiazonium-Salzen in Analogie zur SANDMEYER-Reaktion unter Bildung von Cyano-, Thiocyanato- und Nitroaromaten. Eine präparative Anwendung ist die Darstellung des 2-Thiocyanatobenzaldehyds aus o-Nitrobenzaldehyd in drei Stufen: NO2 C

Reduktion Fe2+ , NH3

NH 2

O

C

H

23.6.2

1.) HCl 2.) NaNO2

N2 Cl

O

C

H

SCN

+ Cu SCN

O

/ Cu Cl , / N2

H

C

O

H 2-Thiocyanatobenzaldehyd

Mercurierung über Aryldiazonium-Salze (NESMEJANOW-Reaktion)

Phenyldiazonium-Chlorid reagiert mit Quecksilber(II)-chlorid zunächst zum Trichlormercurat(II), welches bei Gegenwart von metallischem Kupfer in Phenylquecksilberchlorid übergeht: N 2 Cl

+

+ 2 Cu

N 2 [ HgCl3 ]

HgCl2

Hg Cl

/ 2 Cu Cl

Phenyldiazonium-trichlormercurat

+

N2

Phenylquecksilberchlorid

Auch diese NESMEJANOW-Reaktion verläuft wahrscheinlich über Aryl-Radikale, welche durch reduktive Spaltung der Aryldiazonium-Ionen entstehen.

23.6.3

Arylierung von Aromaten durch Aryldiazonium-Salze (GOMBERG-BACHMANN-Reaktion)

Macht man die durch Diazotierung entstandene zunächst saure Lösung eines AryldiazoniumSalzes unter Zusatz eines aromatischen Kohlenwasserstoffes alkalisch, so bildet sich ein Biaryl: /

(OH )

Ar

N2 X

X = Cl , Br

+

H Ar´ / HX

Ar Ar´ Biaryl

+

N2

Biphenyl (Ar = /C6H5 ) erhält man z. B. durch Reaktion von Phenyldiazoniumchlorid mit Benzen in Gegenwart von Alkalihydroxiden. Diese GOMBERG-BACHMANN-Reaktion ist eine allgemeine Methode zur direkten Verknüpfung aromatischer Ringe; sie läßt sich auch intramolekular durch-

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23.7 Ionische Spaltung von Aryldiazonium-Ionen

399

führen, so daß sich ein Ring schließt (PSCHORR-Variante der GOMBERG-BACHMANN-Reaktion). Aus 2-Amidodiphenylmethan entsteht z. B. über das Diazonium-Salz Fluoren: Cl N2

1.) HCl 2.) NaNO2

NH 2

/

(OH ) / HCl , / N2

Fluoren

2-Aminodiphenylmethan

Die GOMBERG-BACHMANN-Reaktion verläuft über Aryl-Radikale (Ar .) welche unter den Reaktionsbedingungen (alkalische Lösung) wahrscheinlich durch Spaltung der Diazoanhydride entstehen. Letztere bilden sich in alkalischer Lösung über die Diazonium- bzw. die Diazohydroxide: 2 Ar

+ 2 OH

N 2 X"

/ HX

/

N OH 2 Ar

N2 OH"

2 Ar

Diazonium-hydroxid

N

Diazohydroxid N O N

O N N N Ar Diazoanhydrid

Ar

Ar

+

Aryl-Radikal

Ar

N

Azoxy-Radikal

Die Aryl-Radikale reagieren mit einem Aromaten zu einem mesomeriestabilisierten BiarylRadikal, welches mit dem Azoxy-Radikal Ar/N?N/O. unter Regeneration des Diazohydroxids das Biaryl bildet: H

H Ar

H

Ar

N O

H

Ar

Ar

+ Ar

N

/ Ar

N

Ar

+ N OH

23.7 Ionische Spaltung von Aryldiazonium-Ionen Die ionische Spaltung von Aryldiazonium-Salzen führt zu Stickstoff und Aryl-Kationen, welche der nucleophilen Substitution durch einen Elektronendonator (Anion, Base) zugänglich sind: /

/ N2

Ar

N2

+ IB oder IB

Ar

[ Ar ]

B oder Ar

B

Dieses allgemeine Reaktionsschema liegt den folgenden Reaktionen zugrunde.

23.7.1

Bildung von Phenolen über Aryldiazonium-Salze

Beim Erwärmen („Verkochen“) wäßriger Lösungen von Aryldiazonium-Salzen bilden sich Phenole, Ar/OH. Die Reaktion läßt sich als nucleophile Substitution durch Wasser formulieren: +

/"[H ]

+ H2O , / N2

Ar

N2

[ Ar ]

+

OH2

Ar

OH 2

Ar OH Phenol

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400

23 Organostickstoff-Verbindungen

3-Chlorphenol wird z. B. aus 3-Chloranilin über dessen Diazonium-Salz dargestellt: 1.) HCl 2.) NaNO2

+ H2O , 80 °C

NH2

N 2 Cl

Cl 3-Chloranilin

23.7.2

OH

/ HCl , / N2

Cl 3-Chlorphenyldiazonium-chlorid

Cl 3-Chlorphenol

Bildung von Fluorbenzen aus Aryldiazonium-tetrafluoroboraten (BALZ-SCHIEMANN-Reaktion)

Erhitzt man Aryldiazonium-tetrafluoroborate, so bilden sich Fluoraromaten, wobei ein Fluorid als Nucleophil reagiert: Hitze , / N2

Ar

N2 [BF 4]

[Ar ]

+

F BF 3

Ar

F

+

BF 3

Die Reaktion eignet sich gut zur Darstellung substituierter Fluorbenzene, z. B.: Hitze

F

N2 [BF 4]

N2

+

BF 3

Cl 3-Fluorchlorbenzen

Cl 3-Chlorphenyldiazonium-tetrafluoroborat

23.7.3

+

Bildung von Arylaziden über Aryldiazonium-Salze

Als Nucleophil kann auch das Azid-Anion die Diazonium-Gruppe von Aryldiazonium-Ionen verdrängen. Dabei entstehen die explosiven Arylazide, welche ihre begrenzte Stabilität einer Mesomerie verdanken: / N2 , / Na X

Ar

N2 X

+

Na N3

Ar _ N _ N NI

Ar N _ N NI _

Ar _ _ N _ N

mesomere Grenzformeln der Arylazide

23.7.4

NI

Reduktion von Aryldiazonium-Salzen

Mit Alkoholen, hypophosphoriger Säure oder komplexen Metallhydriden (Na+[BH4]/) werden Aryldiazonium-Salze Ar/N2+X/ zu den entsprechenden Kohlenwasserstoffen Ar/H reduziert. Dabei wirkt das Hydrid-Anion wahrscheinlich als Nucleophil: NaBH4

Ar N 2

+

IH

Ar

H

+

N2

Diese reduktive Spaltung der Aryldiazonium-Salze erlaubt die Entfernung einer Amino-Gruppe aus einem aromatischen Ring. Durch mildere Reduktionsmittel wie Natriumhydrogensulfit oder Zinn(II)-chlorid in saurer Lösung wird die Diazonium-Gruppe /N2+ nicht vom Ring abgespalten,

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23.8 Azo-Aromaten, Azo-Kupplung

401

sondern zur Hydrazino-Gruppe /NH/NH2 reduziert. Auf diese Weise gelingt die Darstellung von Arylhydrazinen: NI Ar

N _

Ar

N NI

+

4 [H ]

+

4 e0

Ar

NH NH3 Cl

Arylhydrazin-hydrochlorid

23.8 Azo-Aromaten, Azo-Kupplung 23.8.1

Struktur der Azo-Arene

In Azo-Arenen (Azo-Aromaten, aromatische Azo-Verbindungen) sind zwei Aryl-Gruppen mit der Azo-Gruppe /N=N/ verknüpft. Die allgemeine Formel für diese Verbindung ist also Ar/N=N/Ar. Der einfachste Vertreter ist das orange Azobenzen, welches als trans-Isomer isoliert wird und durch Ultraviolett-Bestrahlung in das cis-Isomer mit höherem Schmelzpunkt und Dipolmoment o, sowie kürzerwelligem Lichtabsorptionsmaximum nmax übergeht (Photoisomerisierung):

trans- Azobenzen o = 0 Debye ; Schmp. 68 °C nmax = 315 nm

hp

N N

cis - Azobenzen o = 3.0 Debye ; Schmp. 71.5 °C nmax = 255 nm

N N

Substituierte Derivate des Azobenzens sind als Azo-Farbstoffe bekannt; sie zählen zu den bedeutendsten Farbstoffklassen. Die wichtigste Methode zu ihrer Herstellung ist die Azo-Kupplung.

23.8.2

Darstellung von Azo-Arenen durch Azo-Kupplung

Als Kation ist das Aryldiazonium-Ion elektrophil. Es kann daher mit nucleophilen Aromaten unter Bildung der farbigen Azo-Arene reagieren (kuppeln). Diesen Spezialfall der elektrophilen Substitution nennt man Azo-Kupplung. Ar Ar Ar N NI

N _ NI

+

H

_ D

Ar

N N D

N N

_ D

H Aryldiazonium-Salz

nucleophiler Aromat

Arylazo-Verbindung

Donor-Substituenten D mit (-)-M-Effekt wie /OR und /NR2 (R = H oder Alkyl) drücken ihre nichtbindenden Elektronenpaare in die o-, o´- und p-Stellung und aktivieren dort den Benzen-Ring zum Nucleophil. Daher beobachtet man Azo-Kupplungen meist mit Phenolen, Phenolethern und aromatischen Aminen. Dabei kuppelt das Diazonium-Kation aus sterischen Gründen bevorzugt in p-Stellung zum Substituenten X. Die Azo-Kupplung verläuft in schwach sauren, neutralen oder sehr schwach alkalischen Lösungen. In stark alkalischer wäßriger Lösung reagieren die Aryldiazonium-Salze über Diazonium-

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402

23 Organostickstoff-Verbindungen

Hydroxide und Diazohydroxide (Abschn. 23.6.3) zu den Diazotaten, welche in der Wärme zu den stabileren iso-Diazotaten isomerisieren: Ar

Ar

+ NaOH

N N

/ H2O

OH Diazohydroxid

O Na

Wärme

Ar

N N

N N O Na iso-Diazotat

Diazotat

Die cis-trans-isomeren Diazotate sind nicht mehr elektrophil. Daher erfolgt in stärker alkalischen Lösungen keine Azo-Kupplung. Auch in stärker sauren Lösungen unterbleibt meist die AzoKupplung, da unter diesen Bedingungen die (-)-M-Effekte der Substituenten /X infolge Protonierung abgeschwächt werden. Amine bilden z. B. Ammonium-Salze, Phenole und Phenolether Oxonium-Ionen: _ NR 2

+ [H +]

Ar

+ [H ]

Ar

_ OR _

Ar

NHR 2

Arylammonium-Ion

Ar

OHR

Aryloxonium-Ion

+

Kupplung mit primären und sekundären aromatischen Aminen Die Kupplung von Diazonium-Ionen an primäre und sekundäre aromatische Amine führt oft nicht direkt zu den Azo-Verbindungen, sondern zu den Diazoamino-Verbindungen oder Diaryltriazenen: Ar´ N N Ar

Diaryltriazen

R

N

Phenyldiazoniumchlorid reagiert z. B. mit Anilin in der Kälte zunächst unter nucleophiler Addition des Amino-N-Atoms an der Diazonium-Gruppe zum isolierbaren farblosen Diazoaminobenzen: _ N N _

N NI

Cl

_ + H 2N

H / HCl

N N N

H

N

Cl

N N H

Diphenyltriazen (Diazoaminobenzen)

Diaryltriazene (Diazoamino-Arene) bilden zwei Tautomere, die sich nachweisen und isolieren lassen, sofern verschieden substituierte Benzen-Ringe an das Triazen-System gebunden sind, z. B.:

N N H3C

N

N N H

H3C

N H

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23.8 Azo-Aromaten, Azo-Kupplung

403

Beim Erwärmen in schwach saurer Lösung isomerisieren die Triazene in die AminoazoVerbindungen. Aus Diazoaminobenzen entsteht dann z. B. das gelbe 4-Aminoazobenzen. Diese Umlagerung schließt die Azo-Kupplung ein: H

_ N

N N N

H

_ NH2

+

N _

Cl

/ [H+]

N

N N

N

NH2 H

NH 2

4-Aminoazobenzen

Kupplung mit tertiären aromatischen Aminen Bei tertiären aromatischen Aminen ist der nucleophile Angriff des Amino-N-Atoms an der Diazonium-Gruppe durch die N-Alkyl-Gruppen sterisch behindert. Infolgedessen führt die Kupplung direkt zu den Azo-Verbindungen. Ein Beispiel ist die Synthese der 4-(N,N-Dimethylamino)azobenzen-4´-sulfonsäure aus diazotierter Sulfanilsäure und N,N-Dimethylanilin.

O3S

HO3S

NH 3

+ HNO2

O3S

/ 2 H2 O

N N O3S

+

N2

N N

_ N(CH3)2

N(CH3)2 H N(CH 3)2

diazotierte Sulfanilsäure (Zwitterion)

N,N-Dimethylanilin

4-(N,N-Dimethylamino)azobenzen-4'-sulfonsäure

Das Natrium-Salz dieser Azo-Verbindung ist als Indikatorfarbstoff "Methylorange" bekannt. Die gelbe Lösung dieses Salzes schlägt bei Säurezusatz nach rot um. Der Farbumschlag beruht auf der reversiblen Bildung eines mesomeriestabilisierten Zwitterions (Betain). HO3S

HO3S

HO3S

+ [H+]

N N

N N / [H+]

IN(CH3)2

N N

H

H

N(CH 3)2

IN(CH3)2 benzoide Grenzformel

gelb

p-chinoide Grenzformel

rot

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404

23 Organostickstoff-Verbindungen

Kupplung mit Phenolen Die Kupplung von Phenolen (Ar/OH) oder Phenolethern (Ar/OR) führt ebenfalls direkt zu AzoVerbindungen. Sie gelingt mit Phenolen besonders leicht in schwach alkalischer Lösung, da dann Phenolate Ar/O/ vorliegen. In diesen ist das /O/-Anion ein im Hinblick auf die elektrophile Substitution wirksamerer Elektronendonor als die OH-Gruppe, wie es die mesomeren Grenzformeln (Abschn. 21.5.1) beschreiben. Während für Phenol die Grenzformeln zwitterionisch sind, sind jene des Phenolats nucleophile Anionen (Abschn. 21.5.1). Ein Beispiel einer Azo-Kupplung mit Phenolen ist die Reaktion von diazotierter Sulfanilsäure mit d-Naphthol zu dem Azofarbstoff "d-Naphthylorange" in alkalischer Lösung. Na

O3S

+

N _ N _ Na

Na

O3S

NaOH

N N

_ IO _

diazotierte Sulfanilsäure

O3S

H

N N H

IO _

O 1-Phenylazo-2-naphthol4'-natriumsulfonat (d-Naphthylorange)

Natrium-dnaphtholat

Kupplung mit CH-aciden Verbindungen Aryldiazonium-Salze als Elektrophile reagieren mit Carbanionen CH-acider Carbonyl-Verbindungen. Mit Malonsäurediethylester entsteht Phenylazomalonsäurediethylester, der zum Phenylhydrazon des Mesoxalsäurediethylesters tautomerisiert: H

Ph Ph

H N _ N _

+

CO2C 2H5

NaOC 2H5 / HCl

CO2C 2H5

Ph = Phenyl

Ph N

CO2C 2H5 C

C H

Cl

N N

CO2C2H 5

CO2C2H 5 O C

N C

H CO2C2H 5 Phenylazomalonsäurediethylester

CO2C 2H 5 Mesoxalsäurediethylesterphenylhydrazon

CO2C 2H 5 Mesoxalsäurediethylester (Oxomalonsäurediester)

Enthält die Phenylazo-Verbindung kein tautomerisierbares H-Atom, so spielt sich die JAPPKLINGEMANN-Reaktion ab. Dabei entfernt sich eine Ester-Funktion im alkalischen Milieu als Kohlendioxid und Alkohol. Das verbleibende mesomeriefähige Carbanion reagiert bei der Aufarbeitung in neutralem bis saurem Medium mit einem Proton zum Arylhydrazon. Ar N N C R

CO2C 2H5

+ OH

E

/

Ar

O N N

OC 2H5 OH

C R

E

Ar N N

N N C E

/ C 2H5OH

+

C E

R

R +

+ H3O

CO2C2H 5

Ar Cl

Ar

/ HCl

NaOC 2H5

N _ N _

"""/ CO2

H C R E

E = CO2C2H 5, COCH 3, CN

Arylhydrazon eines c-Ketoesters (E = CO2C2H5) 1,2-Diketons (E = COCH3) c-Ketonitrils (E = CN)

/ H2O

Ar N N H

C E R

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23.9 Organostickstoff-Verbindungen, Übersicht

23.8.3

405

Andere Methoden zur Darstellung aromatischer Azo-Verbindungen

Die Azo-Kupplung als Methode zur Darstellung aromatischer Azo-Verbindungen ist auf Aromaten beschränkt, welche durch elektronenschiebende Gruppen substitutiert sind. Azobenzen selbst läßt sich z. B. nicht durch Kupplung von Phenyldiazonium-Salzen an Benzen darstellen. Es entsteht jedoch bei der Reduktion von Nitrobenzen mit Natriumamalgam oder komplexen Metallhydriden (Li+[AlH4]/), durch Oxidation bzw. Dehydrierung von Hydrazobenzen (1,2-Diphenylhydrazin) oder durch Kondensation von Nitrosobenzen mit Anilin: Hydrazobenzen NH NH / 2 [H+] ,

- 8 [H+] , - 8 e0

2

/ 2 e0

/

/

NO2

/ H2O

Nitrobenzen

+

N O

N N

Azobenzen

H 2N

Nitrosobenzen

Anilin

Die allgemeinste Methode zur Darstellung aromatischer Azo-Verbindungen ist neben der AzoKupplung die Kondensation von Nitroso-Verbindungen (Ar/N=O) mit primären aromatischen Aminen (Ar/NH2). Nitrosoaromaten erhält man entweder durch elektrophile Nitrosierung nucleophiler Aromaten (Abschn. 22.6.2) oder durch Oxidation von Arylhydroxylaminen, die ihrerseits bei der Reduktion von Nitroaromaten entstehen (Reduktionsschema von Nitrobenzen nach HABER, Abschn. 22.4.5). /

Cr 2O72 , H2SO4 / "/ 2 [H+] , / 2 e0

Zn , NH4Cl / - 4 [H+] , - 4 e0

Ar

NO2

Nitroaren

Ar

NH OH

Arylhydroxylamin

O Ar

N

Nitrosoaren

23.9 Organostickstoff-Verbindungen, Übersicht Organostickstoff-Verbindungen umfassen außer den bisher besprochenen Aminen, Diazo- und Azo-Verbindungen zahlreiche weitere Stoffklassen, darunter auch einige Kohlensäure-Derivate (Abschn. 25). Tab. 23.1 gibt eine kleine Auswahl der wichtigsten Vertreter sowie allgemeiner Verfahren zu ihrer Darstellung.

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406

23 Organostickstoff-Verbindungen

Tab. 23.1. Organostickstoff-Verbindungen , Übersicht Stoffklasse Nitrate Nitrite

funktionelle Gruppe

Beispiel

Bezeichnung

Allgemeine Darstellungsmethoden

O NO2

H 3C CH 2 O NO2

Ethylnitrat

Veresterung von Salpetersäure

O NO

H 3C CH 2 O NO

Ethylnitrit

Veresterung von salpetriger Säure

H 3C CH 2 CH 2 NO2

NitroVerbindungen

(Ar) R NO2

NitrosoVerbindungen

(Ar) R NO NH OH

Hydroxylamine

1-Nitropropan

Nitroalkane : radikalische Nitrierung v. Alkanen

NO2

Nitrobenzen

Nitroarene : elektrophile Nitrierung v. Arenen

N O

Nitrosobenzen

Reduktion von Nitro-Verbindungen Oxidation von Hydroxylaminen elektrophile Nitrosierung von Arenen

N,N-Dimethylhydroxylamin

Alkyl : COPE-Eliminierung

(CH3)2N OH NH OH

Nitrile (Cyanide)

H 3C C N

C N

Amine

Aminosäuren (c-Aminocarbonsäuren)

Acetonitril

R CN + X

Dehydratisierung von Carboxamiden O P2 O5 Ar CN + H2O Ar C NH 2 Dehydratisierung von N-Alkylformamiden H POCl 3 R N R N C + H 2O C O H

N C

H 3C N C

Methylisocyanid

R NH2 R NHR R NR2

H3C NH 2 (H 3C)2NH (H 3C)3N

Methylamin Dimethylamin Trimethylamin

Abschn. 22.4

R CH CO2

H 3C CH CO2

Alanin (2-Aminopropansäure)

R CH CO2H

Glycyl-alanin

Abschn. 37

N,N-Dimethylacetamid

Abschn. 18.7.5 , 18.8.3

NH 3

NH3 H

Peptide, Proteine

N

H

O

O H 2N

C

C

n

R

X

/ HX

R CH CO2 NH 3

CH 3 N

CO2H

O

C

R

+ NH3

H

O Carboxamide

Aryl : Reduktion von Nitro-Verbindungen KOLBE-Synthese: R X + CN

Benzonitril

C N

Isonitrile (Isocyanide)

Phenylhydroxylamin

N

H 3C

C

N

CH 3

CH 3 R Cyanate

H3C O C N

O C N

Methylcyanat

N C O

Phenylisocyanat

Abschn. 22.4.9 , 25.2.2

Diazomethan

Abschn. 23.1.2

Phenyldiazonium-chlorid

Abschn. 23.5

Azodicarbonsäurediethylester

Abschn. 23.4

Azobenzen

Abschn. 23.8

H 5C6

R Isocyanate

N C O

Diazoalkane

IC N N

AryldiazoniumSalze

Ar

AzoVerbindungen

N N

CH 2 N N

N N X

N N Cl CO2C 2H 5 N N H5C 2O2C

C 6H 5 N N

H 5C 6 Hydrazine

Azide

NH NH 2

H5C 6 NH NH2

Phenylhydrazin

Abschn. 23.7.4

NH NH

H5C 6 NH NH C 6H 5

Hydrazobenzen

Reduktion von Azoarenen

Phenylazid

Abschn. 23.7.3

Trimethylsilylazid

(H 3C)3Si

Carbonsäureazid

Abschn. 22.4.9

(Ar)R

N3

N N N (H 3C)3Si O R C N3

N3

+ NaN 3

Cl

/ NaCl

(H 3C)3Si

N3

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24.1 Übersicht, Nomenklatur und Vorkommen

407

24 Organoschwefel-Verbindungen 24.1 Übersicht, Nomenklatur und Vorkommen Da Schwefel in der sechsten Gruppe des Periodensystems dem Sauerstoff folgt, lassen sich für die meisten Verbindungen mit zweibindigem Sauerstoff (Alkohole, Phenole, Ether, Ketone, Carbonsäuren) auch entsprechende Schwefel-Analoga formulieren (Tab. 24.1). Im Unterschied zu Sauerstoff kann Schwefel jedoch mit Hilfe seiner 3d-Orbitale auch mehr als divalent, d. h. in höheren Oxidationsstufen vorliegen. Tetra- bzw. hexavalent ist Schwefel z. B. in den Sulfinsäuren und Sulfoxiden bzw. Sulfonsäuren und Sulfonen (Tab. 24.1). Tab. 24.1 gibt eine Übersicht der wichtigsten Verbindungsklassen mit di-, tetra- und hexavalentem Schwefel, jeweils mit einem Vertreter und dessen Trivial- und IUPAC-Bezeichnung. Die flüchtigen Thiole, Thiophenole, Thioether und Thiocarbonsäuren erkennt man an ihrem penetranten Geruch. Alle Organoschwefel-Verbindungen wirken als Katalysatorengifte, was manche organische Synthese erschwert, z. B. in der Petrochemie, da im Erdöl einige schwer abtrennbare Schwefel-Verbindungen vorkommen. Auch der pflanzliche und tierische Organismus produziert Thiole. So entweicht 1-Propanthiol aus frisch geschnittenen Zwiebeln; 2-Furylmethanthiol prägt das Kaffeearoma; 1-Butanthiol schockiert im Skunk-Sekret. Die Mercaptoaminosäure L-Cystein, eine der essentiellen Aminosäuren, ist ein Baustein natürlicher Polypeptide und Proteine. NH3

O H3C CH2 CH 2 CH 2 SH

CH 2 SH

1-Butanthiol

HS CH2 C CO2

2-Furylmethanthiol

Zwitterionen-Form des L-Cysteins

H

24.2 Thiole 24.2.1

Darstellung

Nucleophile Substitution von Halogenalkanen Als Methoden zur Darstellung von Thiolen aus Halogenalkanen eignen sich " die nucleophile Substitution des Halogens X durch SH in Form des HydrogensulfidAnions: NaSH

R X

"

+

R SH

SH

X

die Hydrolyse von Alkylthiosulfaten (BUNTE-Salzen): /

R X

+

S2O32

/X

Thiosulfat

"

+

+ H2O

R S SO3 BUNTE-Salz

/ HSO4

/

R SH

sowie die Reaktion von Schwefel mit Alkylmagnesiumhalogeniden: Ether

R X

+

Mg

+ [H+]

+ S

R MgX

R S Mg X

R SH

+

Mg

2

+

X

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408

24 Organoschwefel-Verbindungen

Tab. 24.1. Einige Organoschwefel-Verbindungen O-Verbindung allg. Formel

S-Analogon

Vertreter

allg. Formel

Bezeichnung

Formel

Bezeichnung

Alkohol

R SH

Thiol (Mercaptan)

H3C SH

Methanthiol (Methylmercaptan)

Phenol

Ar

Thiophenol

SH

R O R'

Ether

R S R'

Dialkylsulfid (Thioether)

S CH3

R O OH

Hydroperoxid

R S OH

Sulfensäure (instabil) Sulfensäure-Derivate

R OH

Ar

OH

Bezeichnung

SH

Phenylthiol (Thiophenol) Methylphenylsulfid (Methylphenylthioether)

NO2 S Cl

O2N

2,4-Dinitrophenylsulfenylchlorid

NO2 R O O R'

Dialkyl- oder Diarylperoxid

R S S R'

Dialkyl- oder Diaryldisulfid

2,2'-Dinitrodiphenyldisulfid

S S O2N

Oxonium-Salz

R 3S

O R C H

Aldehyd

S R C H

O R C R

Keton

R C R

O R C OH

Carbonsäure

R C

R3O X

O HO C OH

X

Sulfonium-Salz

(H5C2)3S S C H

Thioaldehyd

Thioketon

Thiobenzophenon

S Dithiocarbonsäure

O R C SH

Thiolsäure

O H 3C C SC 2H 5

Ethanthiolsäureethylester

S R C OH

Thionsäure

S H 3C C OC 2H 5

Ethanthionsäureethylester

Xanthogensäure (instabil)

S H5C2S C OC2H5

Diethylxanthogenat

Trithiokohlensäure (instabil)

H5C2S C

S HS C OH S SH

S Diethyltrithiocarbonat SC 2H 5 O

O Sulfinsäure

R S

OH O

O /"/"/

Sulfoxid

R S O

/"/"/

R S R

O Sulfon

O /"/"/

R S OH O

H3C S CH 3

Dimethylsulfon

O

O /"/"/

Dimethylsulfoxid

H 3C S CH 3

R /"/"/

Ethansulfinsäure

H3C CH2 S

OH /"/"/

Ethanthionthiosäure (Dithioessigsäure)

H 3C C SH

SH

/"/"/

Thiobenzaldehyd

C

S

HS C

/"/"/

Triethylsulfoniumiodid

S

S

Kohlensäure

I

O Sulfonsäure

S OH

Benzensulfonsäure

O

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24.2 Thiole

409

TSCHUGAJEFF-Reaktion Die Thermolyse von Alkylxanthogenaten wird zur Darstellung mancher Alkene und Thiole aus Alkoholen genutzt: H C

H

+ CS2 , + NaOH

C OH

C

/ H2O

C O

C

/ Na I

C

100 - 250 °C

C O

S

S Na Natrium-xanthogenat

Alkohol

H

+ R/I

C

O

/ C C

S

C

SH

SR

SR Alkylxanthogenat O C S

+

R SH

Addition von H2S an Oxirane, Aziridine und Alkene c-Mercaptoalkohole erhält man bequem durch nucleophile Addition von Schwefelwasserstoff oder Hydrogensulfid an Oxirane: SH O

+

SH

+

C

H2O

C

+

OH

OH c-Mercaptoalkohol (c-Hydroxythiol)

c-Aminoethanthiol"*c-Mercaptoethylamin, Cysteamin) stellt man entsprechend durch Addition von Schwefelwasserstoff an Aziran (Ethylenimin) her: +

N

H 2S

HS CH 2 CH 2 NH2 c-Aminoethanthiol (Cysteamin)

H Aziran

Analog zur Hydratisierung von Alkenen (Abschn. 15.4.3) lassen sich tertiäre Thiole durch säurekatalysierte Addition von Schwefelwasserstoff an Alkene des Typs R2C=CH2 darstellen, z. B.: H 3C

(H2SO4)

C CH 2

+

H 2S

H 3C

CH3 H3C C

SH

CH3 2-Methylpropan-2-thiol

Thiole können auch aus Thioharnstoff und Trithiocarbonat hergestellt werden.

24.2.2

Thermodynamische Eigenschaften

Schwefel ist voluminöser, weniger elektronegativ und daher ein schwächerer WasserstoffbrückenAkzeptor als Sauerstoff. Wegen ihrer schwächeren H-Brücken-Assoziation sieden Thiole tiefer als vergleichbare Alkohole (CH3OH : 64.5 °C, CH3SH : 5.9 °C, jeweils bei 1011 mbar). Allerdings nimmt dieser Unterschied mit wachsender Kettenlänge der Alkanole und Alkanthiole ab. Die SH-Bindung ist schwächer und länger (133 pm) als die OH-Bindung (96 pm). Infolgedessen ist die Dissoziationsenergie der Thiole kleiner als jene der Alkohole. Thiole sind also stärker sauer (Aciditätskonstante Ka ~ 10/11) als Alkohole (Ka ~ 10/17).

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410

24 Organoschwefel-Verbindungen

24.2.3

Reaktionen

Thiolat-Bildung Während die Alkoholate in wäßriger Lösung hydrolysieren (Abschn. 15.6.2), reagieren die Thiole bereits mit wäßrigen Alkalihydroxiden zu Thiolaten (Mercaptiden): R SH

+

OH

R S

+

H2O

Thiolat-Anion (Mercaptid-Anion)

Viele Schwermetallmercaptide sind wie die Sulfide in Wasser schwer löslich. Eine charakteristische Reaktion auf Thiole ist z. B. ihre Fällung durch Quecksilber(II)-oxid als Quecksilber(II)mercaptide (Thiolate): 2 R SH

+

HgO

(R S)2 Hg + Quecksilber(II)-thiolat [Quecksilber(II)-mercaptid]

H 2O

Diese Reaktion führte zur Bezeichnung Mercaptane für Thiole (lat. "corpus mercurio aptum").

Oxidation Während die Alkohole durch Oxidation meist in Carbonyl-Verbindungen und praktisch nie in Peroxide übergehen, werden die Thiole sehr leicht, bereits durch Luftsauerstoff, zu den Disulfiden oxidiert: H R C

/ 2 [H +] , / 2 e0

/

OH

H

O

2R C

R C R'

R' primärer oder sekundärer Alkohol

Aldehyd oder Keton

/ 2 [H+] , / 2 e0

H

/

SH

R C

R'

H S S C R

R'

primäres oder sekundäres Thiol

R'

Dialkyldisulfid

Die Reaktion beruht darauf, daß Schwefel mehr zur Oxidation neigt als Kohlenstoff, und daß die S/H-Bindung leichter spaltet (Bindungsenergie 348 kJ / mol) als die O/H-Bindung (463 kJ / mol). So ist z. B. durch Reaktion mit Luft-Sauerstoff die Bildung von Thiolyl-Radikalen möglich, deren Kombination zum Disulfid führt: R S H

+

O O

R S

+

H O O

Thiolyl-Radikal

2R S

HydroperoxyRadikal

R S S R

Die Oxidation ist auch als nucleophile Substitution einer intermediären Sulfensäure denkbar: /

+ R/S

R S H

+

1/2 O2

[ R S OH ] Sulfensäure

"/"OH

/

R S S R

Stärkere Oxidationsmittel (Wasserstoffperoxid, Salpetersäure, Permanganat) führen über Sulfinsäuren oder Disulfone immer zu den Sulfonsäuren:

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24.3 Thiophenole

411

R S H

Disulfid

R S S R

Disulfon

R S S R

Thiol

R S OH

Sulfensäure

R S OH

Sulfinsäure

O O O O

O

O R S OH

Sulfonsäure

O

24.3 Thiophenole 24.3.1

Darstellung

Thiophenole werden meist durch Reduktion der Arylsulfonsäurechloride, O Ar

LiAlH 4

S Cl

+

6 [H ]

+

6 e0

Ar SH + Thiophenol

O

HCl

+

2 H2O

oder der Diaryldisulfide dargestellt. So entsteht o-Aminothiophenol aus o-Chlornitrobenzen und Natriumdisulfid (nucleophile Substitution) über 2,2'-Dinitrodiphenyldisulfid durch dessen Reduktion mit Zink in saurer Lösung: O2N S

Zn , HCl

+

S

14 [H ]

+

2

14 e0

SH

+

4 H2O

NH2 o-Aminothiophenol (als Hydrochlorid)

NO2 2,2'-Dinitrodiphenyldisulfid

Auch die Reaktion der Aryldiazonium-Salze mit Hydrogensulfid eignet sich zur Darstellung mancher Thiophenole: Ar

24.3.2

N2

+

SH

Ar

SH

+

N2

Reaktionen

Thiophenole reagieren wie die Thiole und bilden aufgrund ihrer Acidität hydrolysestabile Thiophenolate. In Analogie zu den Phenolen lassen sie sich S-acylieren und S-alkylieren (Abschn. 24.4.1). Im Gegensatz zu den Phenolen werden sie durch Luftsauerstoff zu den Diaryldisulfiden oxidiert.

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412

24 Organoschwefel-Verbindungen

24.4 Thioether (Dialkylsulfide) 24.4.1

Darstellung

Alkylierung von Thiolaten In Analogie zur Ether-Synthese nach WILLIAMSON (Abschn. 16.3.2) können Thioether durch Alkylierung von Alkalimercaptiden oder Thiophenolaten dargestellt werden. Als Alkylierungsmittel eignen sich die Iodalkane oder Dialkylsulfate, z. B.: H 3C S Na

+

S Na

+

K

CH2 CH3

H3C O

H 3C S CH2 CH 3 Ethylmethylsulfid (Ethylmethylthioether)

O SCH 3

S

H3C O

O

+

+

Methylphenylsulfid (Methylphenylthioether, Thioanisol)

Na

Na I

O

O S

H3C O

O

Alkylierung von Alkalisulfiden Symmetrische Dialkylsulfide entstehen auch durch doppelte Alkylierung von Alkalisulfiden mit Halogenalkanen in der Hitze: 2R X

+

K2S

R S R

+

2 KX

Addition von Thiolen an Alkene In Gegenwart von Radikalbildnern wie Dibenzoylperoxid addieren Thiole unter anti-MARKOWNIKOFF-Orientierung an Alkene, z. B.: hp , Dibenzoylperoxid

H3C SH

+

Methanthiol

H3C S CH 2 CH2 CH2 CN Methyl-3-cyanopropylsulfid

H2C CH CH 2 CN Allylcyanid

Reduktion von Sulfoxiden Triphenylphosphan oder komplexe Metallhydride reduzieren Sulfoxide zu Sulfiden: O R

S

R

+

Dialkylsulfoxid

(H5C 6)3P

R

Triphenylphosphan

S

R

Dialkylsulfid

+

(H5C 6)3P O Triphenylphosphanoxid

Darstellung von Diarylsulfiden Diarylsulfide entstehen durch elektrophile Substitution unter FRIEDEL-CRAFTS-Bedingungen aus Aromaten und Schwefeldichlorid: AlCl3

Ar

H

+

S2Cl2

Ar

S Ar

+

2 HCl

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24.4 Thioether (Dialkylsulfide)

413

Auch die (wahrscheinlich nucleophile) Substitution von Aryldiazonium-Salzen durch Sulfide macht einige Diarylsulfide zugänglich: 2 Ar

N2

S2

+

Ar

S Ar

+

2 N2

Darstellung cyclischer Thioether Sulfide können durch Dihalogenalkane zu cyclischen Thioethern alkyliert werden. Aus 1,4Dihalogenalkanen entstehen z. B. Tetrahydrothiophen-Derivate: R CH CH 2 CH 2 CH R' X X

S2

+

+ R' S 2,5-Dialkyltetrahydrothiophen R

X = Cl , Br

2X

Die den Oxiranen (Epoxiden) analogen Thiirane (Episulfide) entstehen durch Reaktion von Schwefel mit Diazoalkanen, R

_ 2 R2C N NI

+

S

R

+ S R Thiiran (Episulfid)

2 N2

R

oder durch Reaktion von Oxiranen mit Thiocyanat, z. B.:

O

24.4.2

+

SCN

SI O CN I_

S

+

OCN

Reaktionen

Bildung von Trialkylsulfonium-Salzen Durch (erschöpfende) Alkylierung der Thioether mit Halogenalkanen (meist Iodide) erhält man Trialkylsulfonium-halogenide, die den Oxonium-Salzen analog sind: R

_ S _

R

+

R'

I

_ S R' I R Trialkylsulfonium-iodid R

Enthalten die Trialkylsulfonium-Salze drei verschiedene Alkyl- bzw. Aryl-Gruppen, so lassen sie sich in Enantiomere trennen, z. B.: H 3C S CH CH 2 3 HO2C H2C

H3C H 2C

S CH 3 CH2 CO2H

Enantiomere des Ethyl-carboxymethyl-methylsulfonium-Ions

Der Bindungszustand des trivalenten Schwefels entspricht dem des dreibindigen Stickstoffs in Aminen (Abschn. 22.3.1), d. h. das nichtbindende Elektronenpaar besetzt das vierte sp3-Hybridorbital des Schwefels.

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414

24 Organoschwefel-Verbindungen

In Analogie zu den Tetraalkylammonium-Salzen reagieren die Trialkylsulfonium-Salze mit Silberhydroxid zu Trialkylsulfonium-Hydroxiden, die beim Erhitzen unter Dehydratisierung in Alkene und Dialkylsulfide zerfallen: H

H

+R I

C C SR

R

HO H

+ AgOH

C C S

C

/ Ag I

R

Hitze

C

/ H2O , / R2S

S

I

C C

R R Trialkylsulfonium-hydroxid

Oxidation Die Thioether lassen sich durch Wasserstoffperoxid, Salpetersäure, Permanganat oder Luftsauerstoff über die Sulfoxide (S-Oxide) zu den Sulfonen (S-Dioxiden) oxidieren: R

+ H2O2 (1 : 1)

S

+ H2O2 (Überschuß)

O

R S

S O

/ H2O

R Dialkylsulfid

R

/ H2O

R Dialkylsulfoxid

O R Dialkylsulfon

Reaktionen von Thiiranen Thiiran reagiert wie Oxiran und ist somit wie dieses ein vielseitiges Reagenz in der organischen Synthese, insbesondere bei der Darstellung substituierter Ethandiole: + H2O (H3O+)

HO CH 2 CH2 SH

Thioglykol

RO CH 2 CH2 SH

d-Alkoxyethanthiol

+ ROH (RO-Na+)

S

+ R2NH

R 2N CH 2 CH2 SH

d-(N,N-Dialkylamino)ethanthiol

24.5 Disulfide 24.5.1

Darstellung

Disulfide entstehen nicht nur durch Oxidation der Thiole (Abschn. 24.2.3), sondern auch durch Alkylierung des Disulfid-Anions mit Halogenalkanen: R 2R X R = Alkyl

+

S S

S S

+

2X

R Dialkyldisulfid

Die Arylierung von Disulfid wird durch Substituenten begünstigt, welche durch ihren (/)-MEffekt (Abschn. 11.2.2) die nucleophile Substitution des Halogens erleichtern. Ein solcher Substituent ist z. B. die Nitro-Gruppe (Abschn. 10.4.4):

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24.6 Thioaldehyde, Thioketone, Thioacetale, Thioketale

415

NO2

NO2 Ethanol , 70 °C

O2N

Cl

+

Na2S2

O2N

NO2

S

O2N 2,2',4,4'-Tetranitrodiphenyldisulfid

2,4-Dinitrochlorbenzen

24.5.2

S

/ 2 Na Cl

Reaktionen

Disulfide sind erheblich stabiler (Bindungsenergie 306 kJ / mol) als Peroxide (155 kJ / mol). Nur starke Oxidations- oder Reduktionsmittel führen zu einer Spaltung. Die Oxidation von Disulfiden führt über die Disulfone zu Sulfonsäuren (Abschn. 24.2.3). Durch Zink in verdünnten Säuren erfolgt Reduktion zu Thiolen: R

S

S

Zn , HCl

R

+

2 [H ]

+

2 e0

2 R SH

Trialkylphosphite, P(OR)3, reduzieren indessen zu Sulfiden: R

S

S

R

+

R

P(OR)3

S

R

+

S P(OR)3

Wasserstoff in Gegenwart von RANEY-Nickel entschwefelt die Disulfide zu Alkanen: R

S

S

RANEY-Ni

R'

+

3 H2

R H

+

R' H

+

2 H2S

Die RANEY-Nickel-Entschwefelung gelingt auch bei Thiolen und Sulfiden: R

S

RANEY-Ni

R'

+

2 H2

R H

+

R' H

R H

+

H2S

+

H2S

RANEY-Ni

R SH

+

H2

24.6 Thioaldehyde, Thioketone, Thioacetale, Thioketale Die Reaktion von Aldehyden und Ketonen mit Schwefelwasserstoff führt überwiegend zu 1,3,5Trithiacyclohexan-Derivaten. Thioaldehyde und Thioketone werden am besten durch Thiierung der Carbonyl-Verbindungen mit 2,4-Bis(4-methoxyphenyl)-1,3-2,4-dithiadiphosphetan-2,4-disulfid (LAWESSONS-Reagenz) hergestellt. S

H3CO

O R

C

S

P

P

S

OCH3

S

S

R'

R

C

R'

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416

24 Organoschwefel-Verbindungen

Diphosphorpentasulfid in Schwefelkohlenstoff eignet sich gut zur Thiierung der Phenone: S

O C

C

P2 S5 in CS2

Thiobenzophenon

Benzophenon

Thioaldehyde bzw. Thioketone sind wahrscheinlich die Zwischenstufen der Reaktion von Schwefel mit Diazoalkanen zu Thiiranen (Abschn. 24.4.1). Mit Thiolen reagieren die Carbonyl-Verbindungen wie mit Alkoholen. Es bilden sich Thioacetale und Thioketale (Abschn. 20.8.2), die ebenso wie Acetale und Ketale nur in wäßrig saurer Lösung hydrolysieren. Die Mercaptalisierung zum Schutz und zur Umpolung der Carbonyl-Funktion (Abschn. 20.8.2) ist eine nützliche Hilfsreaktion bei vielen Synthesen.

24.7 Dithiocarbonsäuren, Thiol- und Thionsäuren Von den Carbonsäuren leiten sich Thiol-, Thion- und Dithiocarbonsäuren ab, wobei Thiol- und Thionsäuren Tautomere sind: S

O R

R

C

S

C

R

OH Thionsäure

SH Thiolsäure

C

SH Dithiocarbonsäure

Der Carboxylierung von GRIGNARD-Verbindungen durch Kohlendioxid (Abschn. 18.5.2) entspricht die Dithiocarboxylierung von Alkylmagnesiumhalogeniden mit Schwefelkohlenstoff (Kohlenstoffdisulfid) zu Dithiocarbonsäuren: S R

MgX

+

C

S

S S

S

S

+ [H+] , wasserfrei

R C

C

R

/

SMgX

/ Mg 2+ , / X

C

SH Dithiocarbonsäure

Thiolsäuren und ihre Ester erhält man durch Acylierung von Schwefelwasserstoff bzw. Thiolen mit Carbonsäurechloriden: O R

C

O

Base

+

H2S

Cl

/ HCl

R

O

C

R

SH Thiolsäure

C

O

Base

+

HS R'

/ HCl

Cl

R

C

SR' Thiolsäureester

Die Addition von Thiolen an Ketene führt ebenfalls zu Thiolsäureestern. Das bei der FettsäureBiosynthese aktive Acetyl-Coenzym A ist ein natürlich vorkommendes Thiolessigsäure-Derivat. O C C O Keten

+

HS R

C C SR H Thiolsäureester

O H3C C SH Thiolessigsäure

O H3C C S CoA Acetyl-Coenzym A

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24.8 Sulfoxide (S-Oxide)

417

Thionsäureester und Thioamide erhält man am besten durch Thiierung der Carbonsäureester bzw. der Carboxamide mit LAWESSONS-Reagenz: S

H3CO

O C

R

S

P

P

S

OCH3

S

S

R

C

OR' (NR'2) Thionsäureester (Thiocarboxamid)

OR' (NR'2)

24.8 Sulfoxide (S-Oxide) 24.8.1

Darstellung

Eine allgemeine Methode zur Darstellung der Sulfoxide ist die bereits erwähnte Oxidation von Sulfiden (Abschn. 24.4.2), z. B. durch Wasserstoffperoxid. Dabei greift der Sulfid-Schwefel nucleophil an einem der Peroxid-Sauerstoff-Atome an. Durch nachfolgenden Protonenaustausch entsteht das Sulfoxid, ein Schwefel-Analogon der Ketone, wie die mesomeren Grenzformeln zeigen: _ _H O _ O _

R +

S R Dialkylsulfid

24.8.2

R

_H S _ O _

+

_ IO _ H

S O _ R

R

H

R

R

/ H2O

_ S O _

R Dialkylsulfoxid

Physikalische Eigenschaften

Dimethylsulfoxid ("DMSO") und Diethylsulfoxid sind hochsiedende hygroskopische Flüssigkeiten, die als vorzügliche Lösemittel polarer und unpolarer organischer Verbindungen Verwendung finden. Die höheren Sulfoxide sind kristallin. Infolge ihrer pyramidalen Geometrie können Sulfoxide mit verschiedenen Gruppen in Enantiomere getrennt werden: R'

_ S R

O

O

_ S R' R

enantiomere Sulfoxide

24.8.3

Reaktionen

Spaltung Sulfoxide mit einem H- in d-Stellung zum S-Atom zerfallen beim Erhitzen oder in Gegenwart einer Base unter Bildung eines Alkens: O C

C

S

R H Sulfoxid

+

OR'

C C Alken

+

[ R SO ]

+

R'

OH

Sulfenat-Anion

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418

24 Organoschwefel-Verbindungen

Kondensation mit Carbonyl-Verbindungen Sulfoxide sind Heteroanaloga der Ketone; dementsprechend verhalten sich c-Methylen- bzw. Methyl-Gruppen der Sulfoxide gegenüber genügend starken Basen (Alkoholate) als CH-Säuren, weil sie mesomeriestabilisierte Carbanionen bilden: R H H

O

R O IC S H R'

/ R'OH

C S

+

R'O

R'

R

O C S

H

R'

mesomeriestabilisiertes Carbanion

Diese reagieren als C-Nucleophile mit Carbonyl-Verbindungen. Durch KNOEVENAGEL-Kondensation von Sulfoxiden mit Aldehyden und Ketonen bilden sich Alkenylsulfoxide. R C O

+

R

CH3O Na

H 2C

/ H2O

S O

Alkenylsulfoxid

C C S O

R'

R'

Oxidation Wasserstoffperoxid oxidiert Sulfoxide (S-Oxide) zu Sulfonen (S-Dioxiden). In neutralem oder schwach saurem Medium verläuft diese Reaktion wie die Oxidation der Sulfide (s. o.): R_ _ _H + S O _ O _ O H R Dialkylsulfoxid

_ O _ H

R S R

R

_ IO _ H

+

O +

S

O

H2O

R O Dialkylsulfon

In alkalischer Lösung wirkt das Peroxid-Anion als Nucleophil: R S _ O

_ _H IO _ O _

+

_ OI _

R

/ OH

S _ R

R

/

R

O S

O OH

R

O

Stärkere Oxidationsmittel wie siedende Salpetersäure oxidieren die Sulfoxide und Sulfone zu den Sulfonsäuren. Reduktion Die Reduktion der Sulfoxide führt wieder zu den Sulfiden. Als Reduktionsmittel eignen sich komplexe Metallhydride: R_ _ S R

R +

S _ O

IH

R

_ _ OH

/ OH

/

R S R

Auch Schwefel reduziert die Sulfoxide und wird dabei zu Schwefeldioxid oxidiert: R

R 2

S O R

+

S

2

S

+

SO2

R

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24.8 Sulfoxide (S-Oxide)

419

SWERN-Oxidation Präparativ relevant ist die SWERN-Oxidation primärer und sekundärer Alkohole zu Aldehyden bzw. Ketonen mit Dimethylsulfoxid als Oxidationsmittel, das durch Oxalychlorid zu SulfoniumIonen (I und II) aktiviert wird. Diese reagieren mit Alkoholen als Nucleophilen zum SulfoniumIon III. Triethylamin deprotoniert das Sulfonium-Ion III zum Sulfonium-Ylid, das unter d-Eliminierung in die Carbonyl-Verbindung (Aldehyd oder Keton) und Dimethylsulfid spaltet. Die unter Kühlung ablaufende Oxidation liefert gasförmige Nebenprodukte, was die Aufarbeitung vereinfacht; im Falle primärer Alkohole unterbleibt die Weiteroxidation der Aldehyde. O H 3C

O S

H 3C

O

+

O

H 3C

C C

S Cl

Cl

O C C

O

Cl

H 3C

H 3C Cl

O O CH3 C C S O Cl

/

H3C

/ CO2, / CO, / Cl

S

Cl

H3C

Cl

Sulfonium-Ion I

Sulfonium-Ion II

R2 + R1

/

/ Cl

C OH H

R2

R2

CH3 C O

+

R1

S

R1

CH3

R2

CH 3

C O

S CH 2

H

+ NR3 / NHR3+

Sulfonium-Ylid

R1

C O H

CH 3 S CH 3

Sulfonium-Ion III

PFITZNER-MOFFAT-Oxidation Bei der PFITZNER-MOFFATT-Oxidation primärer und sekundärer Alkohole mit Dimethylsulfoxid und Dicyclohexylcarbodiimid (DCC, Abschn. 25.13) wirkt ein Acyloxysulfonium-Ion oxidierend. An letzteres addieren Alkohole nucleophil; unter Abspaltung von Dicyclohexylharnstoff entstehen Alkoxysulfonium-Ionen; deren Deprotonierung ergibt einen Aldehyd (R1 = H, R2 = Alkyl oder Aryl), der nicht zur Carbonsäure weiteroxidiert wird, oder ein Keton (R1 = R2 = Alkyl oder Aryl) sowie Dimethylsulfid. Acyloxysulfonium-Ion C6H11 H+ + N H11C6

H3C

C N + O S

CH3

H N H11C6

N

C6H11

O

S(CH3) 2

C H H

H

.""/

+ O CHR1 R2

DCC + DMSO

S(CH3) 2 O CR1 R2 H Alkoxysulfonium-Ion

N N

H11C6

/ [H+]

C6H11

C O R1 O

C

R2 Aldehyd oder Keton

+

S(CH3) 2 Dimethylsulfid

PUMMERER-Umlagerung Dialkylsulfoxide mit c-ständigem H-Atom reagieren mit Acetanhydrid zu c-Acetoxythioethern. Bei dieser als PUMMERER-Umlagerung bekannten 1,2-Acetoxy-Verschiebung bildet sich zunächst das im Falle des Dimethylsulfoxids isolierte S-Acetoxysulfonium-Ion, welches zu einem Thia-

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420

24 Organoschwefel-Verbindungen

enolacetat deprotoniert; letzteres dissoziiert in ein mesomeriestabilisiertes Carbenium-Kation und ein Acetat-Anion, die zum c-Acetoxydialkylsulfid kombinieren. R

S

CH 2 R'

O Dialkylsulfoxid mit c-H

-" (CH 3CO) 2O / CH 3CO2

R

CH 2 R'

S

/

R +

/ [H ]

OCOCH 3

S-Acetoxysulfonium-Ion

S

CH

R

R'

S

CH

R'

R

S

CH

R'

CH 3CO2

OCOCH 3 Thiaenolacetat OCOCH 3 c-Acetoxydialkylsulfid

R

S

CH

R'

24.9 Sulfone (S-Dioxide) 24.9.1

Darstellung

Oxidation von Sulfiden und Sulfoxiden Die Oxidation von Sulfiden und Sulfoxiden nach Abschn. 24.8.1 und 24.8.3 eignet sich zur Darstellung von Sulfonen. Nucleophile Substitution durch Sulfinate Die nucleophile Substitution des Halogenids von Halogenalkanen durch Sulfinat ergibt ein Sulfon: R SO2 Sulfinat-Anion

+

R'

X

R SO2 R' Dialkylsulfon

+

X

Halogenaromaten reagieren analog, sofern sie durch (/)-M-Substituenten (/NO2) zur nucleophilen Substitution aktiviert werden. Einführung von Alkyl- und Arylsulfonyl-Gruppen Alkyl- und Arylsulfonsäurechloride eignen sich zur Einführung von Alkyl- und ArylsulfonylGruppen in Aromaten, entweder durch elektrophile Substitution im Sinne einer Acylierung, Ar

H

+

AlCl3

R SO2 Cl

Ar

SO2 R

+

HCl

Sulfonsäurechlorid, R = Alkyl oder Aryl

oder durch Umsetzung mit Arylmagnesiumhalogeniden: Ar

SO2

X

+

Ar SO2 Ar' Diarylsulfon

Ar' MgX

X = Cl , Br

+

MgX2

Radikalische Addition von Sulfonsäurechloriden an Alkene Schließlich addieren Sulfonsäurechloride in Gegenwart eines Radikalinitiators [am besten Kupfer(I)-halogenid] an Doppelbindungen; dabei bilden sich d-Halogensulfone: X C C

Cu X

+

R SO2

X X = Cl , Br

C

C

d-Halogensulfon

SO2 R

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24.10 Sulfensäure-Derivate

24.9.2

421

Reaktionen

Die Sulfone zeigen eine den Sulfoxiden weitgehend analoge Reaktivität: In Gegenwart von Alkoholaten spalten sie unter Bildung von Alken, Sulfinat und Alkohol, sofern sie ein d-Proton enthalten: H C

C

+

OR'

+

C C

SO2 R

R SO2 Sulfinat-Anion

+

R' OH

Die c-Methylen-Gruppen sowohl der Sulfoxide (Abschn. 24.8.3) als auch der Sulfone sind CHacide und alkenylieren Carbonyl-Verbindungen nach KNOEVENAGEL zu Alkenylsulfonen: R C O

+

R

NaOR"

H 2C

/ H2O

SO2 R'

Alkenylsulfon

C C SO2 R'

Bei der RAMBERG-BÄCKLUND-Reaktion von c-Halogensulfonen deprotoniert eine Base in c´Stellung zu einem Carbanion, das durch intramolekulare nucleophile Substitution des HalogenidAnions zum faßbaren Episulfon cyclisiert. Dessen cheletrope Schwefeldioxid-Extrusion ergibt ein Alken. X R

CH 2

/ [H+]

R

SO2 CH R'

c-Halogensulfon

X _ CH CH R' S O O

/

Hitze /" SO2

H H

/" X

R CH CH R'

R C C R' S O O Episulfon

Alken (E) + (Z)

Sulfone werden zu Sulfonsäuren oxidiert. Gegen komplexe Metallhydride sind sie im Gegensatz zu den Sulfoxiden stabil; Erhitzen mit Schwefel reduziert sie jedoch ebenfalls zu Sulfiden. R R

R

O +

S

S

O

S

+

SO2

R

24.10 Sulfensäure-Derivate 24.10.1 Bildung Sulfensäuren, R/S/OH oder Ar/S/OH, sind an sich instabil. Jedoch entstehen die Sulfensäureoder Sulfenylchloride durch radikalische Substitution aus Alkanen und Schwefeldichlorid: R H

+

SCl2

R S Cl + Alkylsulfenylchlorid

HCl

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422

24 Organoschwefel-Verbindungen

Arensulfenylchloride bilden sich durch Reaktion der Diaryldisulfide mit Chlor in Gegenwart von Eisen oder Eisen(III)-chlorid, z. B.: NO2 O2N

NO2 Fe , FeCl3

S NO2

S

+

Cl2

2 O2N

O2N 2,2',4,4'-Tetranitrodiphenyldisulfid

S Cl

2,4-Dinitrophenylsulfenylchlorid

24.10.2 Reaktionen Die Sulfenylchloride können durch Alkoholyse in die Sulfensäureester, durch Ammono- oder Aminolyse in die Sulfensäureamide übergeführt werden: R S Cl

+

R' OH

R S Cl

+

R' 2H N R'

R S OR' Alkylsulfenat

+

HCl

+

H2NR'2 Cl

R' R S N R' Sulfenamid

R' = H , Alkyl , Aryl

Durch Addition von Sulfenylchloriden an Alkene bilden sich d-Chlorthioether: C C

+

R S Cl

Cl

C

C

SR

d -Chlorthioether

24.11 Sulfinsäuren 24.11.1 Bildung Sulfoxylierung von GRIGNARD-Verbindungen Sulfinsäuren, R/SO2H, sind Schwefelanaloge der Carbonsäuren, R/CO2H. In Analogie zur Synthese der Carbonsäuren durch Carboxylierung von GRIGNARD-Verbindungen (Abschn. 18.5.2) sulfoxyliert Schwefeldioxid Alkyl- oder Arylmagnesiumhalogenide: O (Ar) R

MgX

+

S O

O

O (Ar) R S

S O

OMgX

O

+ [H+] , wasserfrei / Mg

2+

(Ar) R

/

,/X

S

OH Sulfinsäure

Reduktion von Sulfochloriden Ein weiteres Verfahren zur Darstellung von Sulfinsäuren ist die Reduktion der Sulfochloride durch Sulfit oder Zinkstaub in Wasser, z. B.: + 2 [H+] , / Zn 2+

/ ZnCl2

2

SO2 Cl

+

2 Zn

SO2

2 2 Zn

2

SO2H

Benzensulfinsäure

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24.12 Sulfonsäuren

423

Die basenkatalysierte Spaltung von Sulfonen (Abschn. 24.9.2) führt über Sulfinate ebenfalls zu Sulfinsäuren.

24.11.2 Stabilität, Acidität, optische Aktivität Im Gegensatz zu Sulfensäuren sind Sulfinsäuren stabil, werden jedoch leicht zu Sulfonsäuren oxidiert. Die Aciditäten (Ka ~ 10/2) entsprechen der schwefligen Säure. Wie in Carbonsäuren (Abschn. 18.3) sind beide O-Atome infolge von Mesomerie und Protonenaustausch nicht unterscheidbar: O R

O H

S

R O H

O

oder

S

R

O

H

S O

Daher ist der Schwefel in den Sulfinsäuren nicht asymmetrisch. Dies gilt jedoch nicht für die Sulfinsäureester; Benzensulfinsäureethylester läßt sich z. B. in optisch aktive Enantiomere trennen: S

O O C2H 5

S O H5C 2 O

Enantiomere des Benzensulfinsäureethylesters

24.11.3 Reaktionen Wie Carbonsäuren reagieren Sulfinsäuren mit Alkoholen in einer Gleichgewichtsreaktion zu Sulfinsäureestern (R/SOOR´). Metallhydroxide neutralisieren Sulfinsäuren zu den Sulfinaten. Das Sulfinat-Anion reagiert als Nucleophil. Hierauf beruht die bereits erwähnte Darstellung von Sulfonen aus Alkyl- und Arylhalogeniden (Abschn. 24.9.1).

24.12 Sulfonsäuren 24.12.1 Darstellung der Säuren und ihrer Chloride Oxidation von Thiolen und Disulfiden Fast alle bisher besprochenen Organoschwefel-Verbindungen können zu Sulfonsäuren oxidiert werden. Die Oxidation von Thiolen oder Disulfiden wird zur Darstellung mancher Sulfonsäuren angewendet. Als Oxidationsmittel eignen sich Permanganat, Dichromat oder Salpetersäure: S CH 2 CH(CH3)2 (H 3C)2CH CH2 S Di-i-butyldisulfid [Bis(2-methylpropan-1-yl)-disulfid]

+ 10 HNO3 / 10 NO2 , / 4 H2O

2 (H3C)2CH

CH 2 SO3H

2-Methylpropan-1-sulfonsäure

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424

24 Organoschwefel-Verbindungen

Nucleophile Substitution von Halogenid durch Sulfit in Halogenalkanen Die nucleophile Substitution des Halogens in Alkylhalogeniden durch Sulfit ergibt Alkylsulfonate, aus denen die Sulfonsäuren durch Einleiten von Chlorwasserstoff gefällt werden können, z. B.: 200 °C

H3C

(CH 2)5 Cl

+

Na2SO3

+ HCl

H3C

/ NaCl

1-Chlorhexan

(CH 2)5 SO3 Na

H 3C

/ NaCl

(CH2)5 SO3H

Hexan-1-sulfonsäure

Addition von Hydrogensulfit an Alkene Das Hydrogensulfit-Anion addiert an Alkene mit Elektronenakzeptor-Substituenten E. Dabei entstehen Sulfonate: E

E C C

+

H C C SO3

HSO3

E = CO2CH 3 , CN

substituiertes Alkansulfonat-Anion

Diese Reaktion wird zur Herstellung des Feuchthaltemittels Natriumdi-n-octylsulfosuccinat aus Maleinsäuredi-n-octylester und Natriumhydrogensulfit (Bisulfit) angewendet: O H

H O

+

2 H 3C

(CH2)7 OH H

H O Maleinsäureanhydrid

C C

H

CO2C 8H17

+ NaHSO3

H C CO2C 8H17

CO2C 8H17

SO3 Na

Maleinsäuredi- n-octylester

Octanol

H C CO2C 8H17

Natriumdi- n-octylsulfosuccinat

Sulfochlorierung und Sulfoxidation von Alkanen Technisch werden die Sulfochloride durch licht- oder peroxid-induzierte radikalische Substitution der Alkane mit Chlor und Schwefeldioxid nach dem in Abschn. 3.1 skizzierten Mechanismus hergestellt. Die Sulfochlorierung eines Alkans ist nicht selektiv, d. h. man erhält oft ein Gemisch regioisomerer Sulfochloride. Durch Erhitzen mit Wasser können die Sulfochloride zu den Sulfonsäuren hydrolysiert werden: 100 °C

R SO2 Cl

+

R SO3H

H2O

+

HCl

Die radikalische Sulfoxidation der Alkane mit Schwefeldioxid und Sauerstoff führt direkt zu den Sulfonsäuren: R H

+

SO2

+

R SO3H

1/2 O2

Elektrophile Sulfonierung von Aromaten Die meisten Arensulfonsäuren werden durch elektrophile Sulfonierung von Aromaten hergestellt (Abschn. 11.1.3): H2S2O7

Ar

H

+

SO3

Ar

SO3H

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24.12 Sulfonsäuren

425

Als Sulfonierungsreagenzien eignen sich rauchende Schwefelsäure (H2SO4 x SO3 oder H2S2O7) und Addukte von LEWIS-Basen wie Pyridin oder 1,4-Dioxan mit Schwefeltrioxid: O

Pyridin-SO3

1,4-Dioxan-SO3

N

O

SO3

SO3

Unter sehr milden Bedingungen gelingt die Sulfonierung von Aromaten mit konz. Schwefelsäure und Thionylchlorid: 20 °C

Ar

H

+

H2SO4

+

SOCl2

Ar

SO3H

+

SO2

+

2 HCl

Benzensulfonate mit langkettigen Alkyl-Gruppen (C10 - C14) in p-Stellung zum Sulfonat-Rest sind biologisch abbaubare Detergentien (Abschn. 41.8). Sie werden durch Sulfonierung der entsprechenden Alkylbenzene hergestellt: H 3C

(CH2)n CH CH3

1.) + SO3 2.) + NaOH

H 3C

(CH2)n CH CH3

/ H2O

SO3 Na

n = 7 - 10

Sulfochlorierung von Aromaten Arylsulfonsäurechloride (Sulfo- oder Sulfonylchloride) sind wie die Carbonsäurechloride durch Derivatisierung der Sulfonsäuren mit Thionylchlorid, Phosphorpentachlorid oder Phosphoroxidchlorid zugänglich. Meist werden die Arylsulfonylchloride jedoch direkt durch elektrophile Substitution der Aromaten mit Chlorsulfonsäure dargestellt, z. B.: O H 3C

H

+

O

/ HCl

2 HO S Cl O Chlorsulfonsäure

S Cl

H3C

+

H2SO4

O p-Toluensulfonsäurechlorid ("Tosylchlorid")

24.12.2 Acidität und Wasserlöslichkeit von Sulfonsäuren Die Sulfonsäuren zeigen eine der Schwefel- und Perchlorsäure vergleichbare Acidität und bilden stabile Salze. Ihre Salzbildung mit p-Toluidin zu den scharf schmelzenden p-Toluidinium-sulfonaten ist eine Methode zur Charakterisierung von Aminen und Sulfonsäuren: Ar

SO3H

+

H 2N

CH3

p-Toluidin

Ar

SO3

H3N

CH 3

p-Toluidinium-arylsulfonat

Die meisten Sulfonsäuren sind gut wasserlöslich und kristallisieren als stabile Hydrate. Sulfonsäure-Gruppen werden oft zur Erhöhung der Wasserlöslichkeit und der Reaktivität in organische Moleküle eingebaut, z. B. in Farbstoffe.

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426

24 Organoschwefel-Verbindungen

24.12.3 Reaktionen der Sulfonsäuren und Sulfochloride Derivatisierungen Sulfonsäurechloride erhält man durch Reaktion der Alkalisulfonate mit Phosphorpentachlorid: 3 R SO3 Na

+

PCl5

3 R SO2 Cl + Sulfonsäurechlorid

NaPO3

+

2 NaCl

Aus den Sulfonsäurechloriden lassen sich weitere Sulfonsäure-Derivate darstellen. Die Alkoholyse ergibt Sulfonsäureester, (Base)

R

SO2 Cl

+

R'

R SO2 OR' + Sulfonsäureester

OH

HCl

und die Ammono- bzw. Aminolyse führt zu den bei der HINSBERG-Trennung primärer und sekundärer Amine (Abschn. 22.6.5) bereits erwähnten Sulfonamiden: R' (Ar) R

SO2 Cl

+

R'

(Amin-Überschuß oder Base)

H N

(Ar) R SO2 N

/ HCl

R'

Sulfonamid

R' = H , Alkyl oder Aryl

R'

Weitere Derivate sind die Sulfhydroxamsäuren und Sulfhydrazide: (Base)

(Ar) R

SO2 Cl

+

H 2N OH

(Ar) R

SO2 Cl

+

H 2N NH R'

/ HCl

(Ar) R SO2 NH OH Sulfhydroxamsäure

(Base) / HCl

(Ar) R

SO2 NH NH R' Sulfhydrazid

Das cyclische Imid des 2-Carboxybenzensulfonamids ist in Form seines Natriumsalzes als der Süßstoff "Saccharin" bekannt. Es wird aus Toluen durch Sulfochlorierung und Oxidation des als Zwischenstufe gebildeten o-Toluensulfonamids hergestellt: + Cl

CH 3

+ 2 NH3

S 2Cl SO

SO3H

ClO2S Nebenprodukt :

/ HCl

CH3

CH3

/ NH4 Cl

O

O S

NH2

CH 3 o-Toluensulfonamid

+ 3/2 O2 (KMnO4 ) 35 °C / H2 O

O

O S C

NH2

O / H2 O

OH

O 2-Carboxybenzensulfonamid

O

O

S

+ NaOH

N H O

/ H2 O

O S INI Na

O "Saccharin"

Ein weiterer Süßstoff ist das als "Calciumcyclamat" bekannte Cyclohexylamid der Schwefelsäure.

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24.12 Sulfonsäuren

427

Die Herstellung erfolgt durch N-Sulfonierung des Cyclohexylamins durch Chlorsulfonsäure in Gegenwart von Calciumhydroxid: NH3+ Cl

/2

6

NH2

+

2 Cl

/

H N SO 3

2

SO3H

+ Ca(OH) 2

H3N

/2

NH2 , / 2 H2O

H Calciumcyclamat

N SO "" "Ca 2 3 2

Die aus p-Tosylamid und Hypochlorit zugänglichen N-Chlorsulfonamide wirken antiseptisch: + 2 NH3

H 3C

SO2 Cl

H3C

/ NH4Cl

SO2 NH2 / NaOH

+ NaOCl

H H3C

Cl

+ NaOCl

SO2 N

/ NaOH

Cl "Chloramin T" (N-Chlortoluensulfonamid)

H3C

SO2 N

Cl "Dichloramin T" (N,N-Dichlortoluensulfonamid)

Nucleophile Austauschreaktionen Nucleophile können die Sulfonsäure-Gruppe substituieren, auch in Aromaten. Beispiele sind außer der bereits erwähnten Darstellung von Phenolen durch Alkalischmelze der Sulfonate (Abschn. 21.4.4) die Bildung von Arylcyaniden aus Sulfonat und Kaliumcyanid, Ar

SO3 K

+

K CN

Ar CN + Arylcyanid (Nitril)

K2SO3

sowie die Bromdesulfonierung, z. B. zur Darstellung des 4-Bromanilins: NH 2

NH 2 Br

SO3 Na 4-Aminobenzennatriumsulfonat

NH 2 / SO3 , / Na Br

+ Br 2

Br

SO3 Na

Br 4-Bromanilin

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428

25 Kohlensäure-Derivate

25 Kohlensäure-Derivate 25.1 Kohlensäure In wäßriger Lösung ist das Gleichgewicht zwischen gelöstem Kohlendioxid und Kohlensäure (H2CO3) zugunsten des Dioxids verschoben: O CO2 (gelöst)

+

HO C

H 2O

OH

Das Dissoziationsgleichgewicht der Kohlensäure entspricht dem einer schwachen zweibasigen anorganischen Säure: H2CO3

+

H 2O

HCO3

+

H3O

Ka =

HCO3

+

H2O

CO3 2

+

H3O

Ka =

c

/

(HCO3 ) c (H3O+)

c c

/4

~ 2 x 10

(H2CO3) /

(CO32 ") c (H3O+)

c

/

(HCO3 ")

~

/8

10

Die Kohlensäure läßt sich bei tiefen Temperaturen als Dimethyletherat vom Schmelzpunkt /"47 °C kristallisieren, das sich ab 5 °C zersetzt. Dagegen sind die Halogenide, Ester und Amide der Kohlensäure stabile Verbindungen. Tab. 25.1 stellt bedeutende Kohlensäure- und KohlendioxidDerivate zusammen.

25.2 Kohlensäurehalogenide 25.2.1

Phosgen

Von der Kohlensäure leiten sich zwei Halogenide ab, das nicht korrekt als Chlorameisensäure bezeichnete Kohlensäuremonochlorid, und ein Dichlorid, das Phosgen (Tab. 25.1). Kohlensäuremonochlorid ist nur in Form seiner Ester stabil. Das stabile Phosgen wird durch katalytische Chlorierung des Kohlenmonoxids O

Aktivkohle , 100 - 150 °C

CO

+

Cl2

Cl C Cl

oder durch Reaktion von Tetrachlormethan mit Schwefelsäure / Schwefeltrioxid hergestellt. O

80 °C

CCl4

+

H 2SO4

+

SO3

Cl C

+ Cl

2 Cl SO3H Chlorsulfonsäure

Phosgen riecht strohartig, setzt beim Einatmen in Bronchien und Lunge Salzsäure frei, bildet daher Lungenödeme und wurde militärisch als Giftgas eingesetzt.

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25.2 Kohlensäurehalogenide

429

Tab. 25.1. Einige Kohlensäure-Derivate Stammverbindung Formel Bezeichnung

Derivat Formel O

O Kohlensäure

HO C

Beispiel Bezeichnung

Formel

OH O OR O

Cl C O CH3 O

Kohlensäuredihalogenide

X C

Phosgen

Cl C

O

Kohlensäureester (Dialkylcarbonat)

RO C

O

O

Harnstoffe (Kohlensäurediamide)

R2N C NR2

(H3C)2N C N(CH 3)2

O

Guanidin

H 2N C

Hydrazide (Carbazide)

O Ph NH NH C

NH NH R O

NH NH Ph Esterhydrazide (Carbazate)

R NH NH C OR' O

O O C(CH 3)3 O N3 C

OR'

O C(CH 3)3

O OR O H2N C NH NH R S

H2N C

Carbamidsäurehydrazid (Semicarbazid)

H2N C

25.2.2

49

Semicarbazid

96

Thiophosgen

Thioharnstoff

H2N C

S

S Xanthogenate

Na

OR

185

73

182

Natriumethylxanthogenat

S C O C 2H5

R O C N

Isocyanate

C 6H5 O C N

Phenylisocyanat

Carbodiimide

C 6H11 N C N

Dicyclohexylcarbodiimid

C 6H5 S C N

Phenylisothiocyanat

/ 30

163

34

H 11C6

R Schwefelkohlenstoff

Ethylurethan

NH 2

R N C N

S C S

75 (93.1 mbar)

S Thioharnstoffe

S C

Kohlendioxid

t-Butoxycarbonylazid (BOC-Azid)

Cl

NR2

O C O

40

S Cl C

S

M

164

NH NH 2

X R2N C

Dithiokohlensäure (Thion- und SH Thiol-Tautomer)

50

O C2H5 O

Thiokohlensäurehalogenide

X C

S

133

O

Carbamidsäureester (Urethane)

H2N C

Diphenylcarbazid (Ph = C6H5) t-Butylcarbazat

R NH NH C

Kohlensäureesterazide

N3 C

HO C

Tetramethylharnstoff

NH2

R NH NH C

Thiokohlensäure (Thion- und OH Thiol-Tautomer)

76 (1.06 mbar)

NH Guanidine

NR2

S

8

O C6H5 O

NR R2N C

HO C

/ 118

t-Butylphenylcarbonat

(H3C)3C O C

OR

OH

71

Cl

X

Carbamidsäure

Kohlensäuremethylesterchlorid (Chlorameisensäuremethylester)

O

Kohlensäureesterhalogenide

X C

O

Schmelz Siedepunkt °C punkt (1011 mbar) °C

Kohlensäuremonohalogenide

X C

OH

H 2N C

Bezeichnung

R S C N

Isothiocyanate

221

Reaktionen von Phosgen

In warmem Wasser hydrolysiert Phosgen zu Kohlendioxid und Chlorwasserstoff: O Cl C

+

H2O

CO2

+

2 HCl

Cl

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430

25 Kohlensäure-Derivate

Eine technisch bedeutende Reaktion ist die Umsetzung von Phosgen mit primären Aminen zu Isocyanaten, die ihrerseits Schlüsselverbindungen der organischen Synthese sind. H Cl 3 R NH 2

+

/ R NH3+ Cl

/

R N

C O

/ R NH3+ Cl

C O

Cl

+

/

R

R NH2

N C O

Cl Chlorkohlensäure- N-alkylamid

Isocyanat

Derivatisierungen des Phosgens führen zu einigen der nachfolgend besprochenen KohlensäureDerivaten.

25.3 Kohlensäureesterchloride Kohlensäureesterchloride bilden sich aus Phosgen und Alkoholen, wenn man keine Base zur Bindung des entstehenden Chlorwasserstoffs verwendet. O

O +

Cl C

HO R

Cl

Cl C

+ HCl O R Kohlensäureesterchlorid (Chlorameisensäureester)

Das als Benzyloxycarbonylchlorid oder Carbobenzoxychlorid bekannte Kohlensäurebenzylesterchlorid wird z. B. aus Phosgen und Benzylalkohol dargestellt: O

O +

Cl C

HO CH 2

Cl C

Cl

+ O

HCl

CH2

Kohlensäurebenzylesterchlorid (Benzyloxycarbonylchlorid)

Kohlensäureesterchloride werden irreführend als Chlorameisensäureester bezeichnet. Korrekterweise sind sie Derivate der Kohlensäure (C-Atom mit vier C/Heteroatom-Bindungen) und nicht der Ameisensäure (Carboxy-C-Atom mit einer C/H- und drei C/Heteroatom-Bindungen); dieser Unterschied der Oxidationsstufe prägt die Reaktivität.

25.4 Kohlensäureester Kohlensäureester oder Dialkylcarbonate erhält man durch Alkoholyse des Phosgens in Gegenwart einer Base (Triethylamin, Pyridin): Cl

O R +

O C Cl

2 R OH

+

2 NR'3

O C

+

2 R'3NH Cl

O R R = C2H5 : Diethylcarbonat

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25.5 Carbamidsäure, Urethane

431

Kohlensäureester mit verschiedenen Alkoxy-Gruppen entstehen durch Alkoholyse der Kohlensäureesterhalogenide in Gegenwart einer Base. t-Butylphenylcarbonat wird z. B. aus Kohlensäurephenylesterchlorid und t-Butylalkohol in Gegenwart von Chinolin dargestellt: CH 3

CH 3

O

H 3C C OH

+

+

Cl C

N

O

CH 3

O +

H 3C C O C CH 3

Kohlensäurephenylesterchlorid (Chlorameisensäurephenylester)

N

O

H Cl

t-Butylphenylcarbonat

25.5 Carbamidsäure, Urethane Das Monoamid der Kohlensäure ist die an sich instabile Carbamidsäure (Tab. 25.1). Ihr aus Kohlendioxid und Ammoniak entstehendes Ammoniumsalz kann jedoch isoliert werden: NH 2 O C O

+

+ NH3

O C

NH3

OH Carbamidsäure

NH 4

NH 2 O C_ OI _

NH 2 _ IO _ C O

NH2 _ IO _ C_ OI _

+ H2O 60°C

mesomere Grenzformeln des Carbamat-Anions im Ammonium-carbamat

CO32

+

2 NH 4

CO2

+

2 NH3

+

H2O

Mit wenig Wasser hydrolysiert Ammoniumcarbamat beim Erhitzen über Ammoniumcarbonat in Kohlendioxid und Ammoniak. Die Ester der Carbamidsäure und ihrer N-Alkyl- oder Aryl-Derivate werden als Urethane bezeichnet. Urethane entstehen durch Ammonolyse der Kohlensäuresterchloride, z. B.: Cl

NH2

/ NH4Cl

+

O C

O C

2 NH 3

OC2H 5

OC2H 5

Ethylurethan (Ethylcarbamat)

Durch Aminolyse von Kohlensäurebenzylesterchlorid ("Chlorameisensäurebenzylester") wird die Amino-Funktion von c-Aminosäuren bei Peptidsynthesen geschützt (Abschn. 37.4.2). Der so eingeführte N-Benzyloxycarbonyl-Rest gehört zu den Urethan-Schutzgruppen: H

O C Cl CH 2

O

+

H 2N C CO2 R

c-Aminosäure (Anion)

O

H C NH C CO2

/ HCl

CH2

O

R

N-Benzyloxycarbonylaminosäure (Anion)

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432

25 Kohlensäure-Derivate

N-Alkyl- oder N-Arylurethane erhält man durch Addition von Alkoholen an Isocyanate, z. B.: H O C N

N

_ HO _ C2H 5

+

O C OC 2H5 Ethyl-N-phenylurethan

Phenylisocyanat

Die Bildung der kristallinen, scharf schmelzenden Alkyl-N-arylurethane aus Arylisocyanaten und Alkoholen eignet sich zur Identifizierung von Alkoholen.

25.6 Harnstoffe Diamide der Kohlensäure (Tab. 25.1) werden als Harnstoffe bezeichnet. Sie sind im Gegensatz zur Carbamidsäure sehr stabil.

25.6.1

Bildung von Harnstoff

Harnstoff entsteht durch Ammonolyse von Phosgen, Kohlensäureesterchloriden (Chlorameisensäureestern) und Dialkylcarbonaten: Cl Phosgen

O C Cl + 4 NH3

Cl

NH 2

+ 3 NH3

O C

/ NH4Cl , / R OH

OR

Kohlensäureesterchlorid

/ 2 NH4Cl

OR

+ 2 NH3

O C

O C

/ 2 R/OH

NH 2

OR

Harnstoff

Dialkylcarbonat

Aus Kohlendioxid und Ammoniak entsteht unter Druck ebenfalls Harnstoff über Ammoniumcarbamat (Abschn. 25.5) als Zwischenstufe: NH2 O C O

+

O C

2 NH 3

+

H2O

NH2

Eine weitere Harnstoff-Synthese geht aus von Kohlenmonoxid, Schwefel und Ammoniak, wobei Carbonylsulfid, Ammoniumthiocarbamat und Ammoniumisocyanat als Zwischenstufen auftreten: + NH 3

CO

+

S

O C S

O C_ SI _

NH 2 _ O _ C S

Ammonium-thiocarbamat

/ H 2S / NH3

NH 4

H O C N

+ NH3

SH

Carbonylsulfid

NH 2

NH 2 O C Thiocarbamidsäure

+ NH 3

_ O C N _

NH 2

Hitze

NH 4

O C NH 2

Ammonium-isocyanat

Harnstoff

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25.6 Harnstoffe

433

Der letzte Schritt, die thermische Umlagerung von Ammonium-isocyanat zu Harnstoff, ist die historische WÖHLER-Synthese der organischen Verbindung Harnstoff aus einem anorganischen Salz. Biologisch entsteht Harnstoff als Hauptabbauprodukt der Stickstoff-Verbindungen im Säugetierorganismus. Er kann aus Urin isoliert werden.

25.6.2

Reaktionen von Harnstoff

Harnstoff-Addukte Harnstoff bildet mit längerkettigen unverzweigten Kohlenwasserstoffen, Halogenalkanen und Fettsäuren Addukte. Diese Reaktion kann zur Trennung der geradkettigen Verbindungen von ihren verzweigten Isomeren herangezogen werden. Wie sich durch Röntgenbeugung zeigen ließ, sind die unverzweigten Kohlenstoff-Ketten in die sechseckigen Kanäle des HarnstoffKristallgitters eingebettet. Für verzweigte Verbindungen sind diese Kanäle zu eng.

Hydrolyse In Gegenwart starker Mineralsäuren oder Basen wird Harnstoff beim Erhitzen hydrolysiert: CO32

+ 2 OH

+

/

NH2

+ 2 H3O+

O C

2 NH 3

CO2

+

2 NH 4

+

H2O

NH2

Harnstoff ist bei Raumtemperatur auch ein schwacher Protonenakzeptor, d. h. eine Base. Das durch Protonierung entstehende, mesomeriestabilisierte Harnstoff-Kation liegt in Uronium-Salzen vor. NH2

NH 2

/ H2O

+

O C

H 3O

HO C NH 2

NH2

NH2

NH 2

HO C

HO C NH2

NH 2 HO C

NH 2

NH 2

Reaktion mit salpetriger Säure Wie primäre aliphatische Amine und Säureamide reagiert Harnstoff mit Nitrit in saurer Lösung zu Kohlendioxid, Stickstoff und Wasser. NH2 O C

+

OH 2O N

CO2

+

2 N2

+

3 H2O

NH2

Auf dieser Reaktion beruht eine quantitative Harnstoff-Bestimmung durch gasvolumetrische Messung der freigesetzten Stickstoffmenge (VAN SLYKE-Reaktion, Abschn. 22.6.2).

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434

25 Kohlensäure-Derivate

Bildung von Ureiden Mit Carbonsäurehalogeniden und Anhydriden sowie mit einigen Estern reagiert Harnstoff zu den als Ureide bezeichneten Acylharnstoffen, z. B.: O

O +

H 3C C Cl

O

/ HCl

C NH 2

O

H3C C N C NH2

H2N

H Acetylharnstoff, ein Ureid

Die Barbitursäure ist ein cyclisches Ureid aus Harnstoff und Malonsäure. Sie leitet sich vom Heteroaromaten Pyrimidin (Abschn. 33.10.1) ab und kann, ebenso wie ihre Derivate, TautomerieGleichgewichte eingehen;: Oxo-Enol-Tautomere der Barbitursäure O O

O H

N N

H

N

O

N

O

O

H

N N

OH

OH

N

HO

N N

OH

HO

N

OH

H

H Monoenol-Form : 2,4-Dioxo-6-hydroxy-1,2,3,4-tetrahydropyrimidin

Pyrimidin

Barbitursäure ist stärker sauer als Essigsäure. Ihre Acidität beruht auf ihrer Enolisierbarkeit, die bei Ersatz beider Methylen-H-Atome durch Alkyl- oder Aryl-Reste unterbunden wird, so z. B. in den Barbiturat-Schlafmitteln "Luminal" (Phenobarbital, Phenylethylbarbitursäure) und "Barbital" (Diethylbarbitursäure, frühere Bezeichung "Veronal"). Barbitursäure und ihre Derivate werden durch Reaktion von Harnstoff mit den entsprechend substituierten Malonsäurediestern in Gegenwart von Natriumalkoholat hergestellt: O NH 2 O

H5C 2O

+

NH2

H 5C2O

O

R R'

NaOC2H5

O

/ 2 C2H5OH

H O

R R'

N N

O

H R = R' = H : Barbitursäure R = R' = C2H5 : Barbital (Veronal) R = C6H5 , R' = C2H5 : Luminal

25.6.3

Alkylharnstoffe

Di- und Tetraalkylharnstoffe entstehen durch Aminolyse des Phosgens. Die Phosgenierung sekundärer Amine führt direkt zu den Tetraalkyl- oder Tetraarylharnstoffen: Cl O C

NR 2 +

Cl

4 HNR 2 R = Alkyl oder Aryl

+

O C

2 H2NR2 Cl

NR 2

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25.7 Guanidin

435

Dagegen reagieren primäre Amine mit Phosgen zunächst zu Isocyanaten (Abschn. 25.2.2), die jedoch überschüssiges Amin unter Bildung der Dialkylharnstoffe addieren: Cl

/ R/NH3+ Cl

+

O C Cl

/

_ + R/NH2

R

3 HNR2

NH R O C

O C N

NH R Dialkylharnstoff

R = Alkyl oder Aryl

Die hier zunächst als Teilreaktion beschriebene Addition von Aminen an Isocyanate ist als solche eine weitere Methode zur Darstellung gemischt substituierter N,N'-Dialkylharnstoffe: NH R

R O C N

+

O C

R' NH2

NH R'

Dialkylharnstoffe entstehen auch durch Addition von Wasser an Carbodiimide (Abschn. 25.13).

25.7 Guanidin 25.7.1

Basizität und Bindungszustand

Ersetzt man im Harnstoff die Carbonyl- durch eine Imino-Gruppe, so ergibt sich formal Guanidin, eine der stärksten organischen Basen. N-Alkyl-Gruppen verstärken die Basizität, welche als Folge der Mesomeriestabilisierung des bei der Protonierung entstehenden Guanidinium-Kations erklärt wird ("Y-Stabilisierung"): NH 2 HN C

NH2

/ H2O

+

H3O

NH 2

H2N C

NH 2 Guanidin

H 2N C NH2

NH2

NH2

H2N C

H2N C

NH 2 NH2 mesomere Grenzformeln des Guanidinium-Kations

NH2

Demnach sind die CN-Bindungen im Guanidinium-Kation nicht unterscheidbar, was die RÖNTbestätigt: Alle CN-Atomabstände sind gleich (118 pm).

GEN-Diffraktometrie

25.7.2

Darstellung

Eine technische Synthese des Guanidins geht aus von Calciumoxid (gebrannter Kalk) und Koks; sie liefert zunächst Calciumcarbid (1), das bei hohen Temperaturen mit Stickstoff zu Calciumcyanamid reagiert (2). 1000 °C, / CO

CaO CaC2

+ +

3C N2

1000 °C, / C

CaC 2

(1)

CaCN2

(2)

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436

25 Kohlensäure-Derivate

Weitere Zwischenstufen sind Cyanamid (3) und Dicyanamid (4), welches bei der Reaktion mit Ammoniumnitrat in Guanidiniumnitrat (5) spaltet: CaCN2

+

/ CaSO4

H2SO4

NH 2

Hitze

2 N C NH2

(3)

N C NH 2

(4)

HN C NH C N

NH 2 HN C

NH 2 +

2 NH 4NO3

NH C N

25.7.3

NO3

2 H2N C

(5)

NH 2

Reaktionen

Guanidiniumnitrat reagiert mit kalter Schwefelsäure unter Wasserabspaltung zu der SprengstoffKomponente Nitroguanidin: NH 2

NH NO2

H2SO4 (konz.) , /"H2O

NO3

H 2N C

HN C

NH 2

NH2 Nitroguanidin

Nitroguanidin kann zu Aminoguanidin reduziert werden: NH NO2 HN C

NH NH 2

Zn , CH3CO2H

+

6 [H ]

+

6 e0

HN C

/ 2 H2O

NH 2

NH2 Aminoguanidin

Aminoguanidin kondensiert mit Aldehyden und Ketonen zu kristallinen Guanylhydrazonen und eignet sich daher als Reagenz auf diese Carbonyl-Verbindungen: NH N C NH 2 C N H

R

H 2N HN C O

R

+

C NH

/ H2O

H2N

R

R Guanylhydrazon

25.8 Kohlensäurehydrazide Von der Kohlensäure leiten sich drei Hydrazide ab, die Carbamidsäurehydrazide oder Semicarbazide, die Dihydrazide oder Carbazide sowie die Kohlensäureesterhydrazide: NH NH R

NH2 O C NH NH R Semicarbazid

O C NH NH R Carbazid

OR' O C NH NH R Kohlensäureesterhydrazid

Die Bezeichnungen Semicarbazid und Carbazid sind üblich, aber nicht korrekt, da es sich nicht um Kohlensäureazide, sondern um Hydrazide handelt.

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25.9 Azidokohlensäureester

25.8.1

437

Semicarbazid

Semicarbazid entsteht durch kathodische Reduktion von Nitroharnstoff in verdünnter Schwefelsäure. NH2 +

O C

6 [H ]

+

6 e0

Pb-Kathode , H2SO4

NH 2 +

O C

2 H2O

NH NH 2 Semicarbazid

NH NO2

Es kondensiert mit Carbonyl-Verbindungen zu kristallinen Semicarbazonen und eignet sich deshalb wie Aminoguanidin zur Charakterisierung von Aldehyden und Ketonen (Abschn. 20.8.5).

25.8.2

Carbazide

Carbazide entstehen durch Hydrazinolyse des Phosgens; das auf diese Weise zugängliche Diphenylcarbazid bildet mit Übergangsmetall-Kationen farbige Chelate. Cl

NH NH

O C

+

4 H 2N NH

+

O C

Cl

2 Cl H3N NH

NH NH Diphenylcarbazid

25.8.3

Esterhydrazide der Kohlensäure

Esterhydrazide (andere Bezeichnungen: Carbazate, Hydrazinoformiate) der Kohlensäure entstehen durch Hydrazinolyse von Alkylphenylcarbonaten, z. B.: O C(CH3)3

O C(CH 3)3 O C

+

O C

H2N NH2

+

HO

NH NH 2

O t-Butylphenylcarbonat

t-Butylhydrazinocarbonat (t-Butylcarbazat)

25.9 Azidokohlensäureester Während das Diazid der Kohlensäure [O=C(N3)2] instabil ist, sind manche Azidokohlensäureester (nicht korrekte Bezeichnung: Azidoameisensäureester) isolierbar, obschon explosiv. Azidokohlensäureester bilden sich durch Nitrosierung der Esterhydrazide mit salpetriger Säure, z. B.: O C(CH 3)3 O C

+ NH NH2

HNO2

/ 2 H2O

O C(CH3)3 O C_ N _ N _ NI

O C(CH3)3 O C_ N _ N NI

O C(CH 3)3 O C

_ N _ N NI

t-Butylazidocarbonat (t-Butoxycarbonylazid, "Boc-Azid") mesomere Grenzformeln

Mit t-Butylazidocarbonat (t-Butoxycarbonylazid, "Boc-Azid") wurden Aminosäuren in die N-tButoxycarbonyl-Derivate ("Boc-Aminosäuren") übergeführt, bevor sich Di-t-butylcarbonat und Di-t-butylpyrocarbonat ("Boc-Anhydrid") als bessere, nicht explosive Reagenzien zur Einführung dieser Urethan-Schutzgruppe erwiesen (Abschn. 36.8.5, 37.4.2).

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438

25 Kohlensäure-Derivate

25.10 Thiokohlensäure-Derivate Die nicht beständige Thiokohlensäure existiert in Form einiger Derivate wie Thiophosgen, Thionocarbonate (Thiokohlensäureester), Thioharnstoff, Thiosemicarbazid und Thiocarbohydrazide: Cl

OH

NH 2

OR

Thiophosgen

NH2

Thionocarbonat

NH NH R

S C

S C

S C Cl

OH Thiokohlensäure

NH 2

OR

S C

S C

S C NH NH 2

Thioharnstoff

NH NH R

Thiosemicarbazid

Thiocarbohydrazid

Das flüssige, toxische Thiophosgen bildet sich aus Schwefelkohlenstoff und Chlor. Es reagiert mit 1,2-Diolen in Gegenwart von 4-N,N-Dimethylaminopyridin als Hilfsbase zu cyclischen Thionocarbonaten. Diese fragmentieren nach COREY-WINTER mit Trialkylphosphiten in der Hitze zu Alkenen, Kohlendioxid und Trialkylthiophosphaten. Dabei addiert Trialkylphosphit nucleophil an das S-Atom zum 1,3-Dioxolan-2-S-ylid, das nach Abspaltung von Trialkylthiophosphat über 1,3Dioxolan-2-carben mit Trialkylphosphit ein 1,3-Dioxolan-2-ylid ergibt. Die syn-Eliminierung von Kohlendioxid und Trialkylphosphit führt schließlich zum Alken. O O

O

/ S P(OCH3) 3

O

S

O

P(OCH 3)3

S P(OCH 3)3

O

+ P(OCH3) 3

P(OCH 3)3 O

1,3-Dioxolan-2-S-ylid

O

Carbena-1,3-dioxolan

1,3-Dioxolan-2-ylid / CO2 , / P(OCH3) 3

+ P(OCH3) 3

O

Cl

OH

/ 2 HCl

+

S OH

O

S Cl

Thionocarbonat

Thioharnstoff bildet sich aus Cyanamid und Schwefelwasserstoff unter Druck: NH 2

Druck

N C NH 2

+

S C

H 2S

NH 2

Er ist wie Harnstoff mesomeriestabilisiert und steht im Tautomerie-Gleichgewicht mit der Isothioharnstoff-Form: NH 2

NH 2 _ IS _ C NH 2

S C NH 2

NH2 _ IS _ C NH2

NH HS C NH 2 Isothioharnstoff

mesomere Grenzformeln des Thioharnstoffs

Thioharnstoff und Isothioharnstoff sind Schwefel-Nucleophile; sie reagieren daher mit Halogenalkanen zu S-Alkylisothiuronium-Halogeniden:

R

X

+

NH 2 _ HS _ C NH

Isothioharnstoff-Tautomer

NH 2

R X

S C

NH 2

R S C

NH 2

NH2

R S C

NH 2

NH2

mesomere Grenzformeln des S-Alkyliosthiuronium-Ions

NH 2

R S C

O2N _ IO _

NO2

NH 2

O2N S-Alkylisothiuronium-pikrat

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25.11 Dithiokohlensäure-Derivate

439

Ist bei dieser Reaktion Pikrinsäure zugegen, so entstehen durch Ionenaustausch die gelben, kristallinen S-Alkylisothiuronium-Pikrate zur Charakterisierung der Halogenalkane.

25.11 Dithiokohlensäure-Derivate Auch die Dithiokohlensäure ist nur in Form einiger Derivate beständig, z. B. in Form ihres Anhydrids Schwefelkohlenstoff, oder als Ester, den Xanthogensäuren und deren Salzen, den Xanthogenaten: _ SI _

SH

SH S C

S C

S C S

OH Dithiokohlensäure

OR Xanthogensäure

Schwefelkohlenstoff

M

S C OR Xanthogenat

Schwefelkohlenstoff, das Schwefel-Analogon des Kohlendioxids, ist eine leicht entflammbare, tief siedende, farblose und stark lichtbrechende Flüssigkeit, die sich als Lösemittel für wenig polare organische Verbindungen eignet. Er bildet sich aus den Elementen bei hoher Temperatur (900 °C), oder aus Methan und Schwefeldampf in Gegenwart von Aluminiumoxid: 750 °C , Al2O3

CH 4

+

4S

CS2

+

2 H2S

Salze der Xanthogensäure entstehen durch Addition von Alkoholaten an Schwefelkohlenstoff: S Na S C S

+

Na

O CH2 CH3

S C O CH 2 CH 3 Natrium-ethylxanthogenat

Ethylxanthogenat und seine höheren Alkylhomologen zersetzen sich beim Erhitzen unter Bildung von Ethen bzw. Alkenen (TSCHUGAJEFF-Reaktion, Abschn. 24.2.1).

25.12 Trithiokohlensäure Im Gegensatz zur Thio- und Dithiokohlensäure ist die Trithiokohlensäure bis etwa 80 °C stabil. Ihr Ammoniumsalz entsteht aus Schwefelkohlenstoff und Ammoniumhydrogensulfid in absolutem Ethanol bei 0 °C. S S C S

+

NH4 SH

NH 4

S C SH Ammoniumhydrogentrithiocarbonat

Der Monoethylester bildet sich aus Schwefelkohlenstoff und Ethanthiol in wäßriger Natronlauge: SH S C S

+

HS CH 2 CH3

S C S CH 2 CH3 Monoethyltrithiocarbonat

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440

25 Kohlensäure-Derivate

25.13 Carbodiimide Carbodiimide gehören als Stickstoff-Analoga des Kohlendioxids wie Isocyanate und Isothiocyanate zu den Heterocumulenen: R N C NH2

Ar

HN C NH

N C N

Carbodiimid

R Dialkylcarbodiimid

Cyanamid

O C O

N C N Ar Diarylcarbodiimid

Kohlendioxid

Carbodiimid und Cyanamid stehen in einem spektroskopisch nachweisbaren Tautomerie-Gleichgewicht, das sich bei Dialkyl- oder Diarylcarbodiimiden meist nicht einstellt. Diaryl- oder Dialkylcarbodiimide gewinnt man technisch durch bimolekulare Decarboxylierung von Isocyanaten in Gegenwart von Phospholinoxid als Katalysator, Ar +

N C O

(Kat.)

O C N

Ar N C N

+

Kat. = Phospholinoxid

CO2

Ar

Ar

P O

R

durch Oxidation von N,N'-Dialkylthioharnstoffen mit Quecksilber(II)-oxid,

R

H

H

N

N

C

R R

+

HgO

N C N

+

HgS

+

H2O

R

S

sowie durch Dehydratisierung tosylierter Harnstoffe in Gegenwart starker Basen wie Diisopropylethylamin (DIPEA). Umgekehrt addieren Carbodiimide leicht Wasser unter Bildung der N,N'-Dialkylharnstoffe, z. B.: R N C N R

+

H2O

RHN

C O

NHR

R= Dicyclohexylharnstoff

Daher sowie zwecks Carboxy-Aktivierung werden Dicyclohexylcarbodiimid (abgek. "DCC") und andere Carbodiimide als Kupplungsreagenzien bei Veresterungen und Polypeptid-Synthesen verwendet (Abschn. 37.4.1).

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26.1 Anionotrope 1,2-Verschiebungen

441

26 Umlagerungen Umlagerungen (Symbol: Reaktionspfeil mit Schleife) sind Reaktionen bzw. Teilreaktionen, bei denen Bindungen gelöst und neu geknüpft werden, so daß sich die Konstitution ändert (Isomerisierungen). Zahlreiche Umlagerungen sind als 1,2-Verschiebungen von Alkyl-, Aryl-Resten oder Bindungen zu verstehen. Je nachdem, ob die wandernde Gruppe sich als Anion, Kation oder Radikal verschiebt, spricht man von Anionotropie, Kationotropie oder radikalischen Umlagerungen.

26.1 Anionotrope 1,2-Verschiebungen Die weitaus meisten Umlagerungen lassen sich in die anionotropen 1,2-Verschiebungen einordnen. Anionotrope 1,2-Verschiebungen gehen aus von reaktiven Zwischenstufen, bei denen ein Atom (C, N oder O) ein Elektronendefizit (Elektronensextett) aufweist. Carbenium-Ionen, Carbene, Nitrenium-Ionen, Nitrene sowie Oxenium-Ionen sind solche reaktive Zwischenstufen.

26.1.1

Allgemeine Mechanismen anionotroper 1,2-Verschiebungen (Sextett-Umlagerungen)

Elektronensextett am C (Carbenium-Ionen, Carbene) Viele Umlagerungen werden durch labile Carbenium-Ionen (Elektronensextett am C) ausgelöst, die sich unter 1,2-Alkyl-Anionotropie in stabilere Carbenium-Ionen umlagern: R

R

C C

1

o

C C

2

1

2

Auch Acylcarbene lagern sich durch 1,2-Anionotropie in Ketene um: O

_ C CH

H o

O C C

R Acylcarben

R

Keten

Die mehr aus didaktischen Gründen formulierten Ionen bzw. Carbene treten nicht frei auf; experimentelle Befunde weisen vielmehr darauf hin, daß bereits die Abgangsgruppe X einen cyclischen Übergangszustand hinterläßt, in dem sich die ursprüngliche Bindung unter gleichzeitiger Knüpfung der neuen löst: R

X

C C

/ XI

R

C C

R

C C

Entsprechendes gilt auch für die folgenden 1,2-Verschiebungen von oder zu Heteroatomen.

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442

26 Umlagerungen

Elektronensextett am N (Nitrenium-Ionen, Nitrene) Nitrenium-Ionen und Acylnitrene sind Intermediate mit Elektronensextett am Stickstoff. Sie lagern sich unter 1,2-Alkyl-Anionotropie in Carbenium-Ionen bzw. Isocyanate um: R

R

_ C N

o

R Dialkylnitrenium-Ion

O

_ C NI

C N R Carbenium-Ion

o

R Acylnitren

O C N R Isocyanat

Elektronensextett am O (Oxenium-Ionen) Oxenium-Ionen als Intermediate mit Elektronensextett und Koordinationszahl 2 am O-Atom lagern sich unter 1,2-Alkyl-Anionotropie zu stabileren Carbenium-Ionen um: R

R

R C OI _

o

R

_I C O R Carbenium-Ion

R Oxenium-Ion

Bei allen 1,2-Verschiebungen ist die relative Stabilität der Ionen und Radikale treibende Kraft der Umlagerung (tertiär > sekundär > primär), z. B.: H 3C

o

H3C C C H 3C

H3C

H CH 3

sekundäres Carbenium-Ion

CH3 C C H

H3C

CH3

tertiäres Carbenium-Ion

Die Wanderungstendenz der Gruppe R ist umso größer, je besser der cyclische Zwischenzustand stabilisiert wird. Gegenüber Alkyl-Gruppen und Wasserstoff wandern z. B. Aryl-Gruppen bevorzugt, weil der cyclische Übergangszustand mesomeriestabilisiert ist, wie das Beispiel des intermediären Phenonium-Ions bei anionotropen 1,2-Phenyl-Verschiebungen zeigt. Entsprechende Formulierungen gelten auch für Carbanionen und Radikale.

26.1.2 ̈"

1,2-Verschiebungen von C zu C WAGNER-MEERWEIN-Umlagerung

Das im ersten Schritt elektrophiler Additionen sowie von E1- und SN1-Reaktionen gebildete Carbenium-Ion kann sich durch 1,2-Alkyl-Verschiebung stabilisieren. Bei diesen WAGNER-

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26.1 Anionotrope 1,2-Verschiebungen

443

MEERWEIN-Umlagerungen (Abschn. 5.2.2, 15.6.5) entstehen umgelagerte Substitutionsprodukte oder Alkene: R 1 OH

R1

+ [H+]

C C C R2

/"H 2O

R3

R1 o

C C C R2

C C C R2

R3

R3 d-Eliminierungen

Substitutionen + H2O

/

+

/ [H ]

+

+X "

/ [H ]

R2 = H

+

/ [H ]

+

/ [H ]

R3 = H

R1 OH R1

X R1

C C C R2

C C C R2

C C

R3

R3

R3 umgelagerter Alkohol

R1

C R2

C C R2 C

umgelagertes Halogenalkan

umgelagerte Alkene

Pinakol-Umlagerung Die Pinakol-Umlagerung alkyl-substituierter 1,2-Diole (Mechanismus: Abschn. 15.7.2) führt zu Ketonen: R OH

C C OH

R

+ [H+]

R

o

C C

/"H2O

R

/ [H+]

C C

OH

H

C C O

O

Aldehyd-Keton-Isomerisierung Der Pinakol-Umlagerung nahe steht die säurekatalysierte Isomerisierung von Aldehyden (R4 = H) in Ketone und von Ketonen (R4 = Alkyl) in isomere Ketone, wobei zwei Mechanismen nachgewiesen wurden: R4

R2

C C R1

R2

C R3

R4

R1

+ [H+]

R2

C O

C

o

R4

R3

R1

OH

o

C OH

R3

R4

R2 o

R2 R3 C

R4 C R1

C R3

o

R1

R4

/ [H+]

R2

C OH

C R3

R1

C O

O H

Auch c-Hydroxyaldehyde und Ketone können unter 1,2-Alkyl-Verschiebung isomerisieren: R1

R2

C OH

R3

O

R3

[H+]

o

C

R2

C OH

R1

C O

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444

26 Umlagerungen

DEMJANOW-Umlagerung Die nach Diazotierung primärer Amino-Gruppen in c-Stellung zum oder am Cycloalkan-Ring verbleibenden Carbenium-Ionen neigen zu 1,2-Alkyl-Verschiebungen unter Beteiligung von RingCC-Bindungen. Diese DEMJANOW-Umlagerung kann präparativ zu Ringerweiterungen (Abschn. 8.7.2) und Ringverengungen genutzt werden. Ringerweiterung: OH - H2O , / [H+]

+ HX + HNO2

CH2 NH 2

1

CH2

2

o

2

1

/ 2 H2O / N2 / /X

Cyclopentanol

CH 2 / [H+]

Cyclopenten

Ringverengung: - H2O , / [H+]

+ HX + HNO2

NH2

2 2

o

1

CH 2

CH 2 OH

Hydroxymethylcyclobutan

1

/ 2 H2O / N2 / /X

/ [H+]

CH 2

Methylencyclobutan

WOLFF-Umlagerung Die WOLFF-Umlagerung der aus c-Diazoketonen entstehenden Acylcarbene zu Ketenen ist eine präparative Methode zur Homologisierung von Carbonsäuren (Abschn. 18.5.6): O R

C Cl

O

+ CH2N2 / N2

R

O

C

R

C

CH N2 _ c-Diazoketon

_ CH

Acylcarben

o

H O C C R Keten

Benzil-Benzilsäure-Umlagerung Vor allem aromatisch substituierte 1,2-Diketone (Benzil) lagern sich nach nucleophiler Addition des Hydroxid-Anions an eines der Carbonyl-C-Atome unter 1,2-Aryl-Anionotropie in c.c-Diarylc-hydroxycarbonsäuren (Benzilsäuren) um: Ar

Ar

/

Ar

Ar

O

Ar = /C6H5 : Benzil

IOI

HO o

HO C C

C C O

+ OH

O

Ar

_ IO _

C C Ar

C C Ar O

IOI

Ar

O

OH

Benzilsäure (als Salz)

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26.1 Anionotrope 1,2-Verschiebungen

445

Dienon-Phenol-Umlagerung Die säurekatalysierte 1,2-Alkyl-Anionotropie der 4,4-Dialkylcyclohexa-2,5-dienone zu 3,4-Dialkylphenolen eignet sich zur Darstellung spezieller Phenole (Mechanismus: Abschn. 21.4.6): O

OH o R

R

26.1.3

R

R

1,2-Verschiebungen von C zu N über Nitrene und Nitrenium-Ionen

Anionotrope 1,2-Alkyl-Verschiebungen von Nitrenium-Ionen und Acylnitrenen wurden bereits als Methoden zur Darstellung von primären Aminen und Carboxamiden besprochen (Abschn. 22.4.9), so daß eine zusammenfassende Formulierung genügt. HOFMANN-Abbau von Carboxamiden LOSSEN-Abbau von Hydroxamsäuren CURTIUS-Abbau von Carbonsäureaziden HOFMANN-, LOSSEN- und CURTIUS-Umlagerung führen über die den Acylcarbenen analogen Acylnitrene zu Isocyanaten, deren Hydrolyse primäre Amine ergibt: O R C 1 2 NH 2 Carboxamid + Br 2 , / 2 HBr

O R C 1 2NH OH

LOSSEN / H2O

Hydroxamsäure

HOFMANN

O R C _ 1 2N _

O

CURTIUS

R C_ 1 2N _ N NI

/ N2

Acylnitren

Carbonsäureazid

R R 1

2

N H O C OH

+ H2O

O C N Isocyanat

/ CO2

R

N-Alkylcarbamidsäure

NH2

primäres Amin

K.F. SCHMIDT-Reaktion von Carbonsäuren Bei der SCHMIDT-Reaktion von Carbonsäuren mit Stickstoffwasserstoffsäure lagert ein intermediäres protoniertes Acylnitren durch anionotrope 1,2-Alkyl-Verschiebung in ein protoniertes Isocyanat um: ̈"

R

O C OH

+ HN3 , + [H+] / H2O , / N2

R 1 O C2 NI H protoniertes Acylnitren

o

1

2

R

O C N H protoniertes Isocyanat

+ H2O / CO2

H 3N

R

AlkylammoniumIon

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446

26 Umlagerungen

K.F. SCHMIDT-Reaktion von Ketonen, BECKMANN-Umlagerung von Ketoximen Intermediat der SCHMIDT-Reaktion von Ketonen mit Stickstoffwasserstoffsäure ist ein Dialkylnitrenium-Ion, das durch anionotrope 1,2-Alkyl-Verschiebung in ein Carbenium-Ion übergeht. Dessen Hydrolyse führt zu einem N-Alkylcarboxamid. Bei der BECKMANN-Umlagerung bildet sich das intermediäre Dialkylnitrenium-Ion durch Protonierung der Ketoxime. K.F. SCHMIDT + HN3 , + [H+]

R

R C

/ H2O , / N2

O

R 1

R C R

+ [H+]

R C

R C

2

N

2

/ H3O+

N R

O

1

R C

2

N R H

/ H2O BECKMANN

N OH

+ 2 H2O

1

o

Dialkylnitrenium-Ion

Carbenium-Ion

N-Alkylcarboxamid

NEBER-Umlagerung von Ketoxim-Tosylaten Die NEBER-Umlagerung der Ketoximtosylate zu c-Aminoketonen folgt nicht dem allgemeinen Schema der 1,2-Alkyl-Verschiebungen von C nach N: Das nach Deprotonierung des Ketoximtosylats gebildete Carbanion addiert nucleophil am Imino-N-Atom und drückt ein Tosylat-Anion aus dem Molekül. Das isolierbare Azirin wird zum c-Aminoketon hydrolysiert. H H R1

C

H

/

1

C N2

+ RO

R2

/ R/OH

O

R1

C

R2

1

C N2

SO3

O

SO2

SO2

CH3 Ketoxim-tosylat

CH 3

26.1.4

R1

o

1

+ H2O

R2

1

R1

/

CH

N2

/

2

R2

C

NH2

O

c-Aminoketon

Azirin CH3

Verschiebungen von C zu O

Hydroperoxid-Umlagerungen Prominentes Beispiel einer Hydroperoxid-Umlagerung unter 1,2-Aryl-Verschiebung von C nach O über ein mesomeriestabilisiertes Phenonium-Ion als cyclischem Übergangszustand (Abschn. 21.4.1) ist die HOCK-Synthese des Phenols und des Acetons: Ar

R1 C O

O H

Ar _ R 1 1C O _ 2

R2

R2

R1 o

Ar

C O 1

R2

2

OH

+ 2 H2O

Ar

R1 C O 1

/ H3O+

2

R2 Halbketal

R1 C O

+

HO Ar

R2 Keton

Phenol

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26.2 Kationotrope 1,2-Verschiebungen über Carbanionen

447

BAEYER-VILLIGER-Oxidation Wesentlicher Schritt der BAEYER-VILLIGER-Oxidation von Ketonen mit Peroxycarbonsäuren zu Carbonsäureestern (Abschn. 20.11.2) ist eine anionotrope 1,2-Alkyl-Verschiebung vom ehemaligen Carbonyl-C zum ehemaligen Peroxy-O: O Keton

R

R'

C

O

+

C

O

O

R

_ IOI

/ [H+]

R'

H

O R

1

C

O

/ R´ /CO2

O

/

O R

C R

C 1

O R 2

2

Carbonsäureester

Peroxycarbonsäure

26.2 Kationotrope 1,2-Verschiebungen über Carbanionen Bei den weniger häufigen kationotropen 1,2-Verschiebungen bildet sich im ersten Schritt ein Carbanion, das sich im zweiten durch 1,2-Verschiebung eines Kations stabilisiert: R H

R

/ [H+]

26.2.1

R

_ C1 C 2

C1 C 2

o

R _ C1 C 2

o

C 1 C2

Folgereaktionen

FAVORSKII-Umlagerung (von C nach C)

Bei der FAVORSKII-Umlagerung der c-Halogenketone deprotoniert ein Alkoholat-Ion als Base in d-Stellung zum Carbanion, während das c-Halogen als Halogenid-Anion abdissoziiert und dort ein Carbenium-Ion hinterläßt. Resultat ist ein Ringschluß von Carbenium-Ion und Carbanion zum Cyclopropanon-Intermediat. Nucleophile Addition eines Alkoholat-Anions am Carbonyl-C führt zum umgelagerten Ester. R R _ R C C C R Cl O /

+ R'O

/

o

R

R

R

R O

/

+ R'O

R R R'O

R

R _ OI _

R C _

R

R'O

/ R' /OH

H R R C C C R Cl O

R

/ Cl

+ R'OH

R c-Halogenketon

umgelagerter Ester

R C H

R C R C

O /

/ R'O

R C R CO2R'

Die FAVORSKII-Umlagerung der c-Halogencycloalkanone verengt Ringe, was vor allem zur Darstellung von Fünf- aus Sechsringen präparativ genutzt wird. Aus c-Chlorcyclohexanon entsteht z. B. Cyclopentancarbonsäureester:

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448

26 Umlagerungen

H _

/ Cl

Cl

/

_ IO _

O

O /

/

O

OR

C OR

+ RO

o

/ R/OH

+ RO

/

+ R/OH

/ RO

O

CO2R

Cl c-Chlorcyclohexanon

26.2.2

Cyclopentancarbonsäureester

STEVENS-Umlagerung (von N nach C)

Bei der STEVENS-Umlagerung wird ein quartäres Ammonium-Ion zum Stickstoff-Ylid deprotoniert. Fördernd wirkt dabei ein Elektronenakzeptor E in c-Stellung zum N-Atom. Die kationotrope 1,2Verschiebung einer N-Alkyl-Gruppe im Ylid führt zum umgelagerten tertiären Amin. Formal könnte sich letzteres auch durch anionotrope 1,2-Verschiebung über ein Immonium-Ion bilden. R

R 2

E

1

CH 2

R

1

E

N R

CH _

2

o

N R

E

1

CH

N _

2

R

R quartäres Ammonium-Ion

R

R

umgelagertes tertiäres Amin

Stickstoff-Ylid

O E = R

26.2.3

C , RO2 C/ , N

C/

R = /CH2/CH=CH 2 (Allyl) , /CH2/C6H5 (Benzyl) , /CH(C 6H5)2 (Benzhydryl)

WITTIG-Umlagerung (von O nach C)

In Analogie zur STEVENS-Umlagerung werden Allyl- und Benzylether durch starke Basen zu Carbanionen deprotoniert, die unter kationotroper 1,2-Verschiebung der O-Alkyl-Gruppe in Alkoholate übergehen. WITTIG-Umlagerungen eignen sich zur Darstellung sekundärer und tertiärer Alkohole mit Alkenyl- und Aryl-Resten. 2

R

Base , /"[H+]

1

1

R

CH2 O

o

_ CH O

R

_1 2 CH OI _

2

R'

R'

R'

Carbanion

Ether , R = Alkenyl oder Aryl

Alkoholat

26.3 Radikalische 1,2-Verschiebungen Radikalische 1,2-Verschiebungen sind ziemlich selten; sie folgen den für Anionotropie und Kationotropie angegebenen Schemata: R

X

C1 C 2

/ [X ]

R

C1 C 2

R

o

C 1 C2

R

o

Folgereaktionen

C1 C 2

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26.4 Umlagerungen an benzoiden Ringen

449

Es gibt allerdings experimentelle Anhaltspunkte für Radikal-Mechanismen einiger Spezialfälle der bisher besprochenen Reaktionen, z. B. der STEVENS-Umlagerung.

26.4 Umlagerungen an benzoiden Ringen Substituierte benzoide Aromaten gehen eine Reihe von Reaktionen ein, bei denen sich Substituenten von einer Ringposition in eine andere oder von der Seitenkette in den Ring verschieben. Die meisten dieser Umlagerungen sind Wanderungen eines von der Seitenkette abgelösten Elektrophils nach dem Muster intermolekularer elektrophiler Substitutionen (SE) mit der üblichen o : pProduktverteilung.

26.4.1

Umlagerungen vom SE-Typ

JACOBSEN-Umlagerung von Polyalkylaromaten Bei der JACOBSEN-Umlagerung hat die Sulfonierung eines Polyalkylaromaten die Verschiebung einer Alkyl-Gruppe als Elektrophil im Ring zur Folge (Abschn. 10.6.2): SO3H H 3C

CH 3

H 3C

CH 3

H 3C

H2SO4

+

o

SO3

H 3C

CH 3 CH3

FRIES-Umlagerung von Acylphenolen Die durch LEWIS-Säuren katalysierte FRIES-Umlagerung von O-Acylphenolen durch AcylWanderung (Acyl als Elektrophil) in o- und p-Acylphenole eignet sich zur Darstellung zahlreicher Phenone (Abschn. 21.6.2): O

C

R

o

O

OH

OH

AlCl3

R

sowie C

C R

O O-Acylphenol

O

p-Hydroxyphenon

o-Hydroxyphenon

In der Kälte bildet sich (kinetisch kontrolliert) überwiegend das p-Produkt, während in der Wärme oft das durch Chelatbildung mit der LEWIS-Säure stabilisierte o-Isomer dominiert. Phenolether-Umlagerung Die durch LEWIS-Säuren katalysierte Umlagerung von Phenolethern durch Alkyl-Wanderung (Alkyl als Elektrophil) führt überwiegend zum p-Produkt: O

R

o

sowie R

R Phenolether

OH

OH

AlCl3

p-Alkylphenol

o-Alkylphenol

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450

26 Umlagerungen

Diaryltriazen-Arylazo-Umlagerung Die Diaryltriazen-Arylazo-Umlagerung ist ein wesentlicher Schritt der Azo-Kupplung primärer und sekundärer aromatischer Amine (Phenyldiazonium-Ion als Elektrophil, Abschn. 23.8.2): R N

R N

N

Ar

[ H +]

N

o Ar

Diaryltriazen

N

H

N

p-Aminoazobenzen

FISCHER-HEPP-Umlagerung von N-Nitrosoanilinen N-Nitrosoaniline lagern sich bei Gegenwart von Säuren unter Wanderung des Nitrosyl-Kations als Elektrophil zu p-Nitroso-N-alkylanilinen um. R N

R O

N

[ H +]

o

N O

N-Nitrosoanilin

H

N p-Nitrosoanilin

HOFMANN-MARTIUS-Umlagerung von Anilinium-Salzen Mono- und Dialkylaniliniumchloride lagern sich bei höheren Temperaturen überwiegend in die pAlkylaniline um. Dabei spielt ein zunächst abgespaltenes Chloralkan die Rolle des Elektrophils. R N

H

[ H +]

NH2

o R

N-Alkylanilin

p-Alkylanilin

Benzidin-Umlagerung von Diarylhydrazinen Die bereits skizzierte Benzidin-Umlagerung der 1,2-Diarylhydrazine (Benzidine) verläuft intramolekular über einen r-Komplex aus einer nucleophilen und einer elektrophilen Anilin-Hälfte (Mechanismus: Abschn. 22.4.10). NH NH

o

Hydrazobenzen (Diphenylhydrazin)

26.4.2

H2N

NH2

( sowie Isomere )

Benzidin (4,4'-Diaminobiphenyl)

Umlagerungen vom SN-Typ

SOMMELET-HAUSER-Umlagerung Die SOMMELET-HAUSER-Umlagerung quartärer Benzyl- oder Benzhydrylammonium-Ionen konkurriert mit der STEVENS-Umlagerung (Abschn. 26.2.2). Sie wird als eine intramolekulare nucleophile aromatische Substitution durch ein terminales Carbanion über einen fünfgliedrigen Übergangszustand beschrieben:

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26.5 Sigmatrope Umlagerungen

451

H C _

CH 2

NR 2

NR2 ICH2

CH 3 + H2N

/

CH2

o

H _ CH2 NR 2

/"NH3

CH 2

NR2 CH3

Methyldialkylbenzylammonium-Ion

CH3

(2-Methylbenzyl)N,N-dialkylamin

CH2 NR2

WALLACH-Umlagerung von Azoxybenzen Schlüsselschritt der säurekatalysierten WALLACH-Umlagerung von Azoxybenzenen in 4-Hydroxyazobenzene ist wahrscheinlich der nucleophile Angriff von Hydroxid (oder Wasser) in p-Stellung zur Azo-Gruppe: _ IO _

N

Ar

H

Ar

N

O

N

H

+

+ H3O

N

Ar

Ar

N N

/ H2O

+

/ [H ]

N

N

_ + IOH _ HO H

OH

Azoxybenzen

4-Hydroxyazobenzen

26.5 Sigmatrope Umlagerungen Bei den in Abschn. 27 näher besprochenen sigmatropen Verschiebungen reorganisieren sich benachbarte Einfach- und Doppelbindungen in einer Einschritt-Reaktion.

26.5.1

[1,5]-sigmatrope Verschiebung

Die thermische Umlagerung des 1-Methylcyclopentadiens in das 2-Methyl-Derivat ist ein typisches Beispiel einer [1,5]-H-Verschiebung: H 5

H

4

o

1 3

5

Hitze

1

1-Methylcyclopentadien

26.5.2

CH3

CH 3

2

2-Methylcyclopentadien

COPE-Umlagerung als [3,3]-sigmatrope Verschiebung

Unter [3,3]-sigmatropen Verschiebungen versteht man die thermisch induzierte Reorganisation eines 1,5-Dien-Systems über zwei intermediäre Allyl-Radikale (daher "3,3"). R

R

R

R

o 1,5-Dien

umgelagertes 1,5-Dien

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452

26 Umlagerungen

Diese COPE-Umlagerung der 1,5-Diene fand viele reizvolle Anwendungen, u. a. bei der Synthese des 1,4-Cycloheptadiens aus Divinylcyclopropan (Abschn. 8.6.5). Ist R H (z. B. Phenyl oder Acyl), so sind Ausgangs- und Umlagerungsprodukt verschieden; die Umlagerung gibt sich an der Konstitution des Produkts zu erkennen. Ist dagegen R = H, so sind Ausgangs- und Endprodukt identisch; die Umlagerung ist chemisch nicht nachweisbar (entartete COPE-Umlagerung), z. B.:

1,5-Hexadien

Homotropiliden

Die Kernresonanzspektroskopie zeigt jedoch, daß bei höheren Temperaturen (100 - 200 °C) die Isomerisierung mit großer Frequenz erfolgt (103 mal pro Sekunde und schneller). Solche Moleküle mit fluktuierenden u"- und r"-Bindungen nennt man Valenztautomere. Bekannte Beispiele sind außer Homotropiliden Bullvalen (Abschn. 8.7.4) und Hypostrophen:

Hypostrophen

26.5.3

Hetero-COPE-Umlagerungen

Die Oxa-COPE-Umlagerung der Allylvinylether führt zu i,f-ungesättigten Carbonyl-Verbindungen (R = H : Aldehyde) oder Ketonen (R = Alkyl oder Aryl : Ketone): R

R Hitze

O

O

o

i.f-ungesättigte CarbonylVerbindung

Allylalkenylether

Bei der CLAISEN-Umlagerung der Allylphenylether (Abschn. 16.5.4) entsteht unter Mitwirkung einer benzoiden r-Bindung durch eine Art Oxa-COPE-Umlagerung intermediär ein Cyclohexadienon, das zum o-Allylphenol rearomatisiert:

Hitze

O

O

o

HO

H

Allylphenylether

o-Allylphenol

Auch andere [3,3]-sigmatrope Verschiebungen unter Mitwirkung von C-Heteroatom-Doppelbindungen sind bekannt, z. B. die Indol-Synthese nach FISCHER (Abschn. 33.6.3) oder die DiazaCOPE-Umlagerung arylsubstituierter 2,5-Diaza-1,5-hexadiene: Ar1

N

Ar2

Ar1

N

Ar2

Ar1

N

Ar2

Ar1

N

Ar2

1,3,4,6-Tetraaryl-2,5-diaza-1,5-hexadiene (Diimine aus 1,2-Diaryl-1,2-diaminoethan und Arenaldehyd)

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27.1 Phasenbeziehung von p-Orbitalen

453

27 Orbitalsymmetrie bei konzertierten Reaktionen 27.1 Phasenbeziehung von p-Orbitalen Bekanntlich lassen sich die Elektronenzustände in Atomen und Molekülen als stehende Wellen deuten (Abschn. 1.3). Das Quadrat der Wellenfunktion [ beschreibt dabei den als Orbital bezeichneten Aufenthaltsbereich der Elektronen. Die Überlappung von Atomorbitalen führt zu Bindungsorbitalen. Dabei überlappen s-Orbitale wegen ihrer Kugelsymmetrie ohne Vorzugsrichtung zu u-Orbitalen. Dagegen können die hantelförmigen p-Orbitale (Abschn. 1.3.2) mit ihren Enden oder Seiten überlappen. Im ersten Fall entstehen u-, im zweiten r-Bindungsorbitale (Abschn. 1.4.3). Zusätzlich spielt bei der Überlappung von p-Orbitalen noch deren Phasenbeziehung eine Rolle. Wie stehende Sinuswellen haben die p-Orbitale je eine Knotenebene, die den negativen vom positiven Bereich der [-Funktion trennt. Wie stehende Sinuswellen mit zeitgleichen Bereichen positiver und negativer Amplitude (Abb. 27.1 a) bezeichnet man p-Orbitale mit gleicher Vorzeichensymmetrie als in Phase oder symmetrisch. Überlagert man Sinuswellen entgegengesetzter Phase, so erfolgt Auslöschung (Abb. 27.1 b). Dagegen führt die Interferenz bei gleicher Phase zur Verdoppelung der Amplitude (Abb. 27.1 a). Ähnlich überlappen zwei p-Orbitale gleicher Phase zu einem bindenden, solche entgegengesetzter Phase zu einem antibindenden r-Molekülorbital, z. B. im Ethen (Abb. 27.2 a und b).

+ (a)

+

/

+ (b)

/

+

/

/

+

+

+

/

/

+

/

+

+

+

/

/

+

/

Abb. 27.1. Phasenbeziehung zweier stehender Sinuswellen: (a) Bei symmetrischer Phase führt die Überlagerung zur Verdoppelung der Amplitude; (b) bei antisymmetrischer Phase führt die Interferenz zur Auslöschung

Im Grundzustand des Ethens besetzen beide r-Elektronen das bindende r-Orbital (Abb. 27.2). Ethen hat demnach die r-Elektronenkonfiguration r2. Durch Bestrahlung mit ultraviolettem Licht

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454

27 Orbitalsymmetrie bei konzertierten Reaktionen

wird ein r-Elektron auf den antibindenden r*-Zustand angeregt (rr*-Übergang, Abb. 27.2), so daß die energetisch labilere Elektronenkonfiguration r1r*1 entsteht. E

r,

(b) antisymmetrisch

r,

antibindend

rr* - Übergang

r

(a)

Grundzustand

symmetrisch

bindend

Überlappungsart

Molekül-Orbitale

r angeregter Zustand

Abb. 27.2. Phasenbeziehung zweier koaxialer p-Orbitale : (a) Die Überlappung zweier koaxialer p-Orbitale mit gleicher Phase führt zum bindenden r-Molekülorbital, z. B. des Ethens. (b) Die Überlappung zweier koaxialer p-Orbitale mit antisymmetrischer Phase führt zum antibindenden r*-Molekülorbital, das nur im angeregten Zustand besetzt ist

In konjugierten Polyenen sind vier oder mehr p-Orbitale an der Bildung von r-Bindungen beteiligt. Durch Überlappung von vier p-Orbitalen entstehen z. B. im 1,3-Butadien zwei bindende und zwei antibindende r-Orbitale. Das energetisch günstigste dieser r-Orbitale resultiert aus vier pOrbitalen gleicher Symmetrie, das energetisch ungünstigste dagegen aus vier paarweise antisymmetrischen p-Orbitalen (Abb. 27.3, Abb. 6.1, 6.2, S. 83). E

r,

r,

r,

r,

antibindende Molekülorbitale

rr* - Übergang

r

r

r

r

bindende Molekülorbitale

Überlappungsart

Grundzustand

1. angeregter Zustand

Abb. 27.3. Überlappungsmöglichkeiten der pz-Orbitale in 1,3-Butadien, resultierende r-Molekülorbitale und deren Besetzung im Grund- und ersten angeregten Zustand

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27.2 Elektrocyclische Reaktionen

455

Nur die symmetrischsten Überlappungen der Atom- oder Hybridorbitale führen nach diesen Betrachtungen zu energiearmen bindenden Molekülorbitalen. WOODWARD, HOFFMANN, FUKUI und LONGUET-HIGGINS entwickelten diesen Gedankengang weiter zu dem Konzept, daß bei konzertierten Reaktionen, in deren Verlauf mehrere Bindungen gleichzeitig gelöst und gebildet werden, die Orbitalsymmetrie den Ablauf und die Orientierung der Reaktion steuert. Gut untersuchte Beispiele konzertierter Reaktionen sind neben Cycloadditionen die elektrocyclischen und sigmatropen Reaktionen, die man unter dem Begriff der pericyclischen Reaktionen zusammenfaßt.

27.2 Elektrocyclische Reaktionen 27.2.1

Definitionen

1,3,5-Hexatriene isomerisieren unter Einwirkung von Wärme oder Licht zu 1,3-Cyclohexadienen: R

R

R

R 1,3,5-Hexatrien 6 r-Elektronen (k = 6)

1,3-Cyclohexadien 4 r-Elektronen

Entsprechend können 1,3,5,7-Octatetraene in 1,3,5-Cyclooctatriene übergehen: R

R

R 1,3,5,7-Octatetraen 8 r-Elektronen (k = 8)

R 1,3,5-Cyclooctatrien 6 r-Elektronen

Bei diesen Umwandlungen schließt sich zwischen den Enden eines offenkettigen Polyens mit k rElektronen ein Ring mit (k /"2) r-Elektronen. Solche Reaktionen und ihre Umkehrungen nennt man elektrocyclisch. Auch die Öffnungen (Cycloreversionen) mancher Cycloalkene zu Polyenen sind demnach elektrocyclische Reaktionen, z. B.: R R

R R Cyclobuten 2 r-Elektronen

1,3-Butadien 4 r-Elektronen (k = 4)

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456

27 Orbitalsymmetrie bei konzertierten Reaktionen

Elektrocyclische Reaktionen verlaufen stereospezifisch. So ergibt die thermische Cyclisierung (F) des (Z,E)-2,4-Hexadiens (Z)-3,4-Dimethylcyclobuten (und umgekehrt). (Z)-3,4-Dimethylcyclobuten entsteht aber auch bei der Bestrahlung von (E,E)-2,4-Hexadien mit ultraviolettem Licht (hp), während dieses Dien beim Erhitzen in (E)-3,4-Dimethylcyclobuten übergeht (Abb. 27.4). CH3 F

(Z,E) -2,4-Hexadien

H 3C

CH3 (Z) -3,4-Dimethylcyclobuten

CH3 hp

CH3 F

(E,E) -2,4-Hexadien

H 3C (E) -3,4-Dimethylcyclobuten

CH3 CH3

Abb. 27.4. Orientierung thermischer (F) und photochemischer (hp) elektrocyclischer Reaktionen isomerer 2,4Hexadiene

(E,Z,E)-2,4,6-Octatrien cyclisiert thermisch zu (Z)-5,6-Dimethyl-1,3-cyclohexadien, photochemisch dagegen zum (E)-Isomer, das thermisch wiederum nur aus (E,Z,Z)-2,4,6-Octatrien entsteht (Abb. 27.5). CH3 F

(E,Z,E) -2,4,6-Octatrien

CH3

CH3

(Z) -5,6-Dimethyl1,3-cyclohexadien

CH3 hp

CH3 (E,Z,Z) -2,4,6-Octatrien

CH3

F

CH3

(E) -5,6-Dimethyl1,3-cyclohexadien

CH3

Abb. 27.5. Orientierung thermischer und photochemischer elektrocyclischer Reaktionen isomerer 2,4,6Octatriene

Diese Beispiele zeigen, daß der sterische Verlauf elektrocyclischer Reaktionen (1) von der Anzahl der Doppelbindungen im Polyen und (2) von der Reaktionsführung (thermisch oder photochemisch) abhängt. Bei der Isomerisierung der offenkettigen zur cyclischen Verbindung (und umgekehrt) können sich die Substituenten A, B, C und D gegen- oder gleichsinnig drehen. Man spricht daher von disrotatorischen oder konrotatorischen Isomeriebeziehungen (Abb. 27.6).

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27.2 Elektrocyclische Reaktionen

457

A

A

D

B

C

D B C

disrotatorisch (gegensinnige Drehung)

A

B C

A

A

D

B

C

D

A

C

B

D

D B C

konrotatorisch (gleichsinnige Drehung)

A

B C

A

C

B

D

D

Abb. 27.6. Konrotatorische und disrotatorische Isomeriebeziehungen bei elektrocyclischen Reaktionen

27.2.2

WOODWARD-HOFFMANN-Regeln für elektrocyclische Reaktionen

Die neue u-Bindung des Cycloalkans entsteht aus zwei r-Elektronen des Polyens. Zur Klärung der Frage, welche r-Elektronen die u-Bindung schließen, wurde aufgrund quantenmechanischer Überlegungen zunächst zweierlei postuliert: (1)" Thermische elektrocyclische Reaktionen gehen aus vom höchsten besetzten MolekülOrbital des Grundzustandes von Polyen bzw. Cycloalken. (2) Photochemische elektrocyclische Reaktionen gehen aus vom tiefsten nicht besetzten Molekül-Orbital der angeregten, d. h. antibindenden Zustände von Polyen bzw. Cycloalken. Die thermische Cyclisierung von 1,3-Dienen zu Cyclobutenen geht nach Postulat (1) vom höchsten besetzten Molekül-Orbital (Abb. 27.3) aus. Drehen sich die endständigen p-Orbitale (mit den Substituenten) konrotatorisch, so kommen Orbitallappen gleicher Phase zur Überlappung (Abb. 27.7 a), und nach Abschn. 27.1 entsteht ein bindendes Molekül-Orbital (abgek. MO). Drehen sich die endständigen p-Orbitale dagegen disrotatorisch, so gelangen Orbitallappen entgegengesetzter Phase zur Überlappung (Abb. 27.7 b), und es entsteht ein antibindendes MO.

konrotatorisch

disrotatorisch

bindend (a)

(b)

antibindend

Abb. 27.7. Konrotatorische (a) und disrotatorische (b) Drehung der endständigen p-Orbitale bei der thermischen Cyclisierung von 1,3-Butadienen

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27 Orbitalsymmetrie bei konzertierten Reaktionen

Die in Abb. 27.4 skizzierte Orientierung der thermischen Isomerisierung von 2,4-Hexadienen zu Cyclobutenen folgt z. B. aus einer konrotatorischen Drehung der Substituenten. F , konrotatorisch

H 3C

CH 3

H 3C H3C (Z) -

(Z,E) -

F , konrotatorisch

H 3C

H 3C

CH3 CH 3 (E) 3,4-Dimethylcyclobuten

(E,E) 2,4-Hexadien

Die Photocyclisierung von 1,3-Dienen geht nach Postulat (2) vom tiefsten unbesetzten MO (Abb. 27.3) aus. Eine u-Bindung kann wiederum nur entstehen, wenn Orbitallappen gleichen Vorzeichens überlappen, die endständigen p-Orbitale sich also disrotatorisch drehen (Abb. 27.8).

konrotatorisch

disrotatorisch

antibindend

(b)

(a)

bindend

Abb. 27.8. Konrotatorische (a) und disrotatorische Drehung (b) der endständigen p-Orbitale bei der Photocyclisierung von 1,3-Butadienen

Orbitalsymmetrie-Betrachtungen erlauben somit die Voraussage, daß die Photocyclisierung des (E,E)-2,4-Hexadiens zu (Z)-3,4-Dimethylcyclobuten führt: hp , disrotatorisch

H 3C

H 3C

CH 3

CH3

(E,E) -2,4-Hexadien

(Z) -3,4-Dimethylcyclobuten

Entsprechende Überlegungen führen zu den in Abb. 27.9 entwickelten Vorhersagen über die Orientierung der elektrocyclischen Reaktionen von 1,3,5-Trienen zu 1,3-Cyclohexadienen (vgl. auch Abb. 27.5). Abb. 27.9 erklärt, weshalb die Cyclisierung des (E,Z,E)-2,4,6-Octatriens thermisch zum cis-5,6-Dimethyl-1,3-cyclohexadien, photochemisch dagegen zum trans-Isomer führt. F disrotatorisch

H3C

H 3C

hp

CH 3

konrotatorisch

H 3C

CH 3 cis-5,6-Dimethyl1,3-cyclohexadien

H3C

CH 3 CH3 trans-5,6-Dimethyl1,3-cyclohexadien

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27.2 Elektrocyclische Reaktionen

459

E

hp konrotatorisch

antibindend

r-r*Übergang

bindend

F disrotatorisch

(a)

(b)

Abb. 27.9. (a) Molekül-Orbitale von 1,3,5-Trienen und ihre Besetzung im Grund- und ersten angeregten Zustand. (b) Bei der thermischen Cyclisierung von 1,3,5-Trienen führt die disrotatorische Drehung der p-Orbitale des Grundzustandes zur u-Bindung. Die entsprechende Photoreaktion geht vom tiefsten antibindenden MO aus. Dabei führt die konrotatorische Drehung der p-Orbitale zur u-Bindung

Tab. 27.1 faßt die Ergebnisse in Form der WOODWARD-HOFFMANN-Regeln für elektrocyclische Reaktionen zusammen. Tab. 27.1. WOODWARD-HOFFMANN-Regeln für elektrocyclische Reaktionen

Polyen

Cyclopolyen

Anzahl k der r-Elektronen im Polyen

Orientierung der elektrocyclischen Reaktion thermisch aus Grundzustand

photochemisch (aus 1. angeregtem Zustand)

4 (4n , n = 1)

konrotatorisch

disrotatorisch

6 (4n+2 , n = 1)

disrotatorisch

konrotatorisch

8 (4n , n = 2)

konrotatorisch

disrotatorisch

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27 Orbitalsymmetrie bei konzertierten Reaktionen

Diese Regeln erklären z. B. die Stereospezifität der Photocyclisierungen von 2,3-Dihydrooxepin, 1-(1-Cyclohexenyl)cyclohexen und (Z)-Stilben: H

H hp , disrotatorisch

X

4

1

O

( X = H , Cl )

2

H

H 2,3-Dihydrooxepin

5

3

7

O

X

6

cis-2-Oxabicyclo[3.2.0]hept-6-en

hp , disrotatorisch

H H

H H

cis-Bis-(tetramethylen)cyclobuten

1-(1-Cyclohexenyl)cyclohexen

9

hp , disrotatorisch

1 4b 5

(Z) -Stilben

10

4a

H H

4

(E) -4a,4b-Dihydrophenanthren

27.3 Cycloadditionen 27.3.1

Definitionen

Reaktionen, bei denen zwei r-Bindungen zweier ungesättigter Moleküle unter Bildung zweier neuer u-Bindungen einen Ring schließen, bezeichnet man als Cycloadditionen. Bekannte Beispiele sind die Entstehung von Cyclobutanen durch Cyclodimerisierung von Alkenen oder die DIELSALDER-Reaktion von Dienen mit Alkenen zu Cyclohexenen: r2s + r2s-Cycloaddition

+ 2r"-

r4s + r2s-Cycloaddition hp

2r"-

Elektronen

Cycloaddition

+ Cycloreversion

6r"-

2r"-

Elektronen

Zur genaueren Bezeichnung von Cycloadditionen stellt man die Art des Molekül-Orbitals, nämlich r, vor die Anzahl der beteiligten r-Elektronen. Die Cyclodimerisierung des Ethens ist demnach eine [r2 + r2]-, die DIELS-ALDER-Reaktion eine [r4 + r2]-Cycloaddition. Weiterhin können die gebildeten oder die geöffneten u-Bindungen (letztere bei Cycloreversionen, den Umkehrungen von Cycloadditionen) auf der gleichen oder der entgegengesetzten Seite des reagierenden rSystems liegen. Im ersten Fall wird die Reaktion suprafacial und durch einen nachgestellten Index s gekennzeichnet im Gegensatz zu einem antarafacialen Prozeß mit Index a.

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27.3 Cycloadditionen

C

461

C

C

r2s

r4s

C

r2a

u-Bindungen schließen sich von derselben Seite : supra (facial)

r4a

"""u-Bindungen schließen sich von entgegengesetzten Seiten : antara (facial)

Die vollständige Bezeichnung der Cyclodimerisierung des Ethens ist demnach [r2s + r2s], die der DIELS-ALDER-Reaktion [r4s + r2s]. Beide Cycloadditionen sind supra-supra-Prozesse.

27.3.2

WOODWARD-HOFFMANN-Regeln für konzertierte Cycloadditionen

Bei einer konzertierten Cycloaddition entstehen zwei neue u-Bindungen durch Überlappung der pOrbitale beider Reaktionspartner. Zur Frage, welche r-Orbitale wechselwirken, gibt es wiederum quantenmechanisch begründbare Postulate: (1) (2)

(3) (4)

Bei thermischen Cycloadditionen reagiert ein Cycloadditions-Partner aus dem höchsten besetzten Molekül-Orbital des Grundzustands. Da dieses Orbital bereits besetzt ist, kann sich eine neue u-Bindung nur durch Wechselwirkung mit einem vakanten Orbital des anderen Reaktionspartners bilden. Dabei wird das energieärmste, also das tiefste unbesetzte Molekül-Orbital bevorzugt. Erlaubt sind konzertierte Cycloadditionen, bei denen die r-Molekül-Orbitale beider Edukte mit gleicher Vorzeichensymmetrie, d. h. in Phase wechselwirken. Photocycloadditionen gehen vom höchsten besetzten Molekül-Orbital im angeregten Zustand eines der Reaktionspartner aus.

Die thermische Cycloaddition zweier Moleküle Ethen ist somit als Überlappung des besetzten bindenden r-Molekül-Orbitals des einen mit dem leeren antibindenden r*-Orbital des anderen Moleküls zu verstehen. Wie Abb. 27.10 zeigt, führt eine konzertierte supra-supra-Verknüpfung zweier Moleküle Ethen zu einer antibindenden Wechselwirkung. Die thermische [r2s + r2s]Cycloaddition ist daher symmetrie-verboten. Eine supra-antara-Verknüpfung, also die [r2s + r2a]-Cycloaddition könnte dagegen konzertiert zu zwei neuen u-Bindungen führen. Die Reaktion wäre zwar symmetrie-erlaubt. Diese Art der Cyclobutan-Bildung ist jedoch aus geometrischen Gründen schwierig.

r*-Orbital

r-Orbital

supra-supra [r2s + r2s] antibindend

antara-supra [r2a + r2s] bindend

Abb. 27.10. Orbitalsymmetrie bei der thermischen Cycloaddition zweier Moleküle Ethen. Symmetrie-erlaubt aber geometrisch schwierig ist nur die [r2a + r2s]-Cycloaddition

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462

27 Orbitalsymmetrie bei konzertierten Reaktionen

Die konzertierte [r2s + r2s]-Photocycloaddition zweier Moleküle Ethen ist symmetrie-erlaubt. Nach (2) und (4) überlappt dabei das höchste besetzte Orbital eines angeregten Ethen-Moleküls mit dem tiefsten unbesetzten Orbital des zweiten Ethens. Somit überlappen zwei r*-Orbitale (Abb. 27.2). Diese Wechselwirkung ist bindend (Abb. 27.11), weil Orbitalbereiche gleicher Vorzeichensymmetrie überlappen. r* (höchstes besetztes Orbital im angeregten Zustand)

r* (tiefstes unbesetztes Orbital im angeregten Zustand)

supra-supra [r2s + r2s] bindend

Abb. 27.11. Orbitalsymmetrie bei der Photocycloaddition zweier Moleküle Ethen. Symmetrie-erlaubt und geometrisch möglich ist die [r2s + r2s]-Cycloaddition

Bei der thermischen [r4 + r2]-Cycloaddition von 1,3-Dienen an Alkene können sich die beiden neuen u-Bindungen durch zwei supra,supra-Überlappungen bilden (Tab. 27.2): a) b)

Das höchste besetzte r-Orbital des Ethens überlappt mit dem tiefsten unbesetzten r*Orbital des 1,3-Diens (Abb. 27.12 a). Das höchste besetzte r-Orbital des 1,3-Diens überlappt mit dem tiefsten unbesetzten r*Orbital des Ethens (Abb. 27.12 b).

Entsprechende Symmetrie-Betrachtungen lassen sich auf die [4+2]-Photocycloaddition übertragen (Abb. 27.12 c, d). Es ergibt sich, daß in den angeregten Zuständen nur supra-antara-Cycloadditionen Symmetrie-erlaubt sind (Tab. 27.2).

r* Butadien

r* Ethen

r* Butadien

r* Ethen

r Ethen supra-supra [r4s + r2s]

r"" Butadien supra-supra [r4s + r2s]

r* Ethen antara-supra [r4a + r2s]

r* Butadien antara-supra [r4a + r2s]

(a)

(b)

(c)

(d)

Abb 27.12. Orbitalsymmetrie bei der thermischen (a,b) und photochemischen (c,d) [4+2]-Cycloaddition. Symmetrie-erlaubt sind die thermische supra-supra- [r4s + r2s]- und die photochemische antara-supra- [r4a + r2s]Cycloaddition

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27.3 Cycloadditionen

463

Tab. 27.2. WOODWARD-HOFFMANN-Regeln für konzertierte Cycloadditionen

[m + n] - Cycloaddition

a)

thermisch aus Grundzustand verboten

photochemisch aus angeregtem Zustand

erlaubt

erlaubt

verboten

+ m=2,n=2 m+n=4 (allgemein : m + n = 4q b) für q = 1)

r2a + r2a antara - antara

r2s + r2a supra - antara

r2s + r2s supra - supra

r2a + r2s antara - supra

r4a + r2s antara - supra

r4s + r2s supra - supra

r4s + r2a supra - antara

r4a + r2a antara - antara

+ m=4,n=2 m+n=6 (allgemein : m + n = 4q + 2 b) für q = 1) a)

m und n sind die Anzahlen der r-Elektronen beider Edukte ; .

b)

q ist eine ganze Zahl, z. B. q = 1, 2, 3 .

Die bekannte Stereospezifität thermischer DIELS-ALDER-Reaktionen folgt zwanglos aus den WOODWARD-HOFFMANN-Regeln: Da diese Cycloaddition nach Abb. 27.12 und Tab. 27.2 nur bei suprafacialer Anordnung von Dien und Dienophil im Übergangszustand abläuft, bleibt die relative Konfiguration beider Edukte im Cycloaddukt erhalten.

Epot

1,3-Dien

Dienophil

1,3-Dien

Dienophil

1,3-Dien

Dienophil

LUMO

HOMO

oder

normale

(a )

neutrale DIELS-ALDER-Reaktion (b)

inverse

(c )

Abb. 27.13. Energiebeziehungen der Molekül-Orbitale von Dien und Dienophil bei normalen (a), neutralen (b) und inversen (c) DIELS-ALDER-Reaktionen

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464

27 Orbitalsymmetrie bei konzertierten Reaktionen

Orbitalsymmetrie-Betrachtungen werden oft im HOMO-LUMO-Jargon beschrieben; dabei bezeichnet man das höchste besetzte Molekülorbital als HOMO von "highest occupied molecular orbital", das tiefste unbesetzte Molekülorbital entsprechend als LUMO von "lowest unoccupied molecular orbital". Verschiedene relative HOMO-LUMO-Energiebeziehungen von Dien und Dienophil kennzeichnen z. B. die drei Typen der DIELS-ALDER-Reaktion: Bei einer neutralen DIELS-ALDER-Reaktion unterscheiden sich die HOMO-LUMO-Abstände von Dien und Dienophil kaum (Abb. 27.13 b). Bei der besonders häufigen normalen DIELS-ALDER-Reaktion wechselwirkt das HOMO eines elektronenreichen 1,3-Diens mit dem LUMO eines elektronenarmen Dienophils (Abb. 27.13 a). Bei einer DIELS-ALDER-Reaktion mit inversem Elektronenbedarf überlappt dagegen das HOMO eines elektronenreichen Dienophils mit dem LUMO eines elektronenarmen 1,3Diens (Abb. 27.13 c). Donor- oder (-)-M-Substituenten (z. B. Methoxy) machen elektronenreich, Akzeptor- oder (/)-M-Substituenten (z. B. Carbonyl) machen elektronenarm.

27.3.3

Cycloreversionen

Konzertierte Cycloadditionen können reversibel sein. Die Rückreaktionen bezeichnet man als Cycloreversionen. Cyclobutan könnte z. B. eine Cycloreversion unter Bildung zweier Moleküle Ethen eingehen. Nach Tab. 27.2 müßten sich hierbei zwei u-Bindungen suprafacial lösen. Man spricht daher von einem retro- [r2s + r2s] oder einem [u2s + u2s]-Prozeß: R2 R2

R2

R2

R2

[u2s + u2s] +

R1 oder

+ R2

R1

R1

R1

R1 R1

Der analoge Vorgang führt bei Cyclobuten-Derivaten zu Alken und Alkin. Ein experimentelles Beispiel ist die stereospezifische Photocycloreversion von (Z)- und (E)-Tricyclo[6.4.0.02,7]-1dodecen zu den Cycloalkeninen entsprechender Konfiguration: 3

12 1

11

2

8

10 9

4 7

H H (Z) -

1 8

hp [u2s + u2s]

1

2

8

7

5 6

(Z) hp [u2s + u2s]

2

1

7

2

7 8

H H (E) -

(E) -

Tricyclo[6.4.0.0 2,7]-1-dodecen

7-Cyclododec-en-1-in

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27.4 Sigmatrope Reaktionen

465

Die Umkehrung der [4+2]-Cycloaddition wird Retro-DIELS-ALDER-Reaktion genannt. Man kann diese Cycloreversion durch das Kürzel [r4s + r2s] kennzeichnen. Ein Beispiel ist der thermische Zerfall des cis-9-Methyl-1,2,3,4,5,8,9,10-octahydronaphthalen-1-ons mit cis-ständigen Substituenten an den Brückenkopf-C-Atomen (C-9 und C-10). Das trans-Isomer könnte keine Symmetrieerlaubte [r4s + r2s]-Cycloreversion eingehen. H 3C

/ [ r4s + r2s ]

+

CH3 6 7

9 10

H

CH3

O 3-Methyl-2cyclohexenon

1,3-Butadien 1

H

O 9-Methyl-1,2,3,4,5,8,9,10-octahydronaphthalen-1-on

cis-

O

trans-

27.4 Sigmatrope Reaktionen 27.4.1

Definitionen

Die intramolekulare Wanderung eines mindestens von einer r-Bindung flankierten Substituenten R innerhalb eines Alkens oder Polyens unter gleichzeitiger Verschiebung der r-Bindung(en) bezeichnet man als sigmatrope Reaktion: R

1

C )n

1

sigmatrope Reaktion

o

C (C

(C

R

C )n C

Alkene und Diene können [1,3]-, [1,5]- und [3,3]-sigmatrope Verschiebungen eingehen: R

R

R

1

3 2

1

3

1

3 2

2

[1,3]-sigmatrope Reaktion eines Alkens

1

R 5

2

R

4 3

1

R 5

2

[1,5]-sigmatrope Reaktion eines 1,3-Diens

4 3

[3,3]-sigmatrope Reaktion eines 1,5-Diens

[3,3]-sigmatrope Verschiebungen sind als COPE-, Diaza-COPE-, Oxa-COPE- sowie CLAISENUmlagerung bekannt (Abschn. 26.5).

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466

27 Orbitalsymmetrie bei konzertierten Reaktionen

Sigmatrope Reaktionen können nach zwei stereochemischen Alternativen ablaufen, nämlich suprafacial und antarafacial, wie die [1,5]-Verschiebung eines Wasserstoff-Atoms zeigt: Bei der suprafacialen Verschiebung liegen Ausgangs- und Endposition des wandernden H-Atoms auf derselben Seite des Molekülgerüstes. Im entgegengesetzten Fall, einer antarafacialen Verschiebung, wandert das H-Atom von der Oberseite im Edukt zur Unterseite im Produkt. H

H

suprafaciale [1,5]-Verschiebung

A

BC

D

A

BC

D

A

B C

D

H antarafaciale [1,5]-Verschiebung

A

BC

D H

27.4.2

WOODWARD-HOFFMANN-Regeln für sigmatrope Reaktionen

Wie bereits formuliert, ist die wandernde Gruppe R im Übergangszustand durch eine Art Dreizentren-Bindung an Ausgangs- und Endpunkt der Wanderung geknüpft. Zur Beschreibung des Übergangszustandes geht man von drei Voraussetzungen aus: (1)

(2) (3)

Die wandernde R-Gruppe und das r-System werden im Übergangszustand als Radikalpaar betrachtet. Gleichwohl verläuft die Verschiebung konzertiert, also nicht unter intermediärer Bildung und Rekombination von freien Radikalen. Im Übergangszustand liegt das r-System als Allyl- oder vinyloges Allyl-Radikal vor. Zur Überlappung gelangen jeweils das höchste besetzte Molekül-Orbital der wandernden (radikalischen) Gruppe R und des Allyl-Radikals. Da diese beiden Orbitale jeweils einfach besetzt sind, liefern sie zusammen das bindende Elektronenpaar.

Daraus ergibt sich die Frage, welches das höchste besetzte Molekül-Orbital eines Allyl-Radikals ist. Die drei Molekül-Orbitale des Allyl-Systems entstehen durch Überlappung dreier benachbarter p-Orbitale (Abb. 27.14). E antibindend

nicht bindend

bindend

Kation Radikal Anion im Grundzustand

Abb. 27.14. Linearkombinationen der Atom-Orbitale des C-Atoms zu den Molekül-Orbitalen des Allyl-Systems und Elektronenkonfiguration im Allyl-Kation, Allyl-Radikal und Allyl-Anion

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27.4 Sigmatrope Reaktionen

467

Überlappen diese mit gleicher Vorzeichensymmetrie, so resultiert das bindende Molekül-Orbital. Überlappen sie mit benachbart-entgegengesetzter Phase, so entsteht das antibindende MolekülOrbital. Beteiligt sich das mittlere p-Orbital nicht an der Überlappung, so ergibt sich ein nicht bindendes Molekül-Orbital mit einem Knoten ( ) am mittleren Kohlenstoff-Atom (Abb. 27.14) und dem Energieinhalt eines isolierten p-Orbitals. Dieses nicht bindende Orbital ist im AllylKation vakant, im Anion doppelt und im Radikal einfach besetzt (Abb. 27.14). Für vinyloge Allyl-Radikale entstehen die nicht bindenden Molekül-Orbitale analog (Abb. 27.15): Zur Überlappung kommen nur p-Orbitale entgegengesetzter Phase an ungeradzahligen CPositionen. p-Orbitale geradzahliger C-Atome beteiligen sich nicht; dort bilden sich Knoten ( ).

2

2

1

4

2

1

3

Allyl-

5

4

6

1

1,3-Pentadienyl-

7

1,3,5-Heptatrienyl-Radikal

Abb. 27.15. Symmetrie nicht bindender Molekül-Orbitale des Allyl-Radikals und seiner Vinylogen

Soll die sigmatrope Reaktion thermisch, also vom Grundzustand ausgehend erfolgen, so ist wie bei den anderen konzertierten Reaktionen die Symmetrie des höchsten besetzten Molekül-Orbitals im Allyl-r-System entscheidend. Ist die Anzahl der r-Bindungen des Allyl-Systems gerade, so haben die endständigen p-Orbitale gleiche Vorzeichensymmetrie (Abb. 27.15). Eine Dreizentrenbindung zwischen Allyl-System und wandernder Gruppe R (z. B. einem H-Atom) wäre von derselben Seite aus möglich, da Orbitallappen gleicher Phase überlappen könnten (Abb. 27.16 b). Eine suprafaciale [1,5]-sigmatrope Verschiebung ist also Symmetrie-erlaubt (Tab. 27.3).

4 2

2 1

H

4 2

3

1

H

5

6 1

H

antarafacial

suprafacial

antarafacial

(a )

(b)

(c )

7

Abb. 27.16. Erhaltung der Orbitalsymmetrie im Übergangszustand sigmatroper H-Verschiebungen. (a) Die antarafaciale [1,3]-Verschiebung ist Symmetrie-erlaubt aber geometrisch schwierig. (b) Die suprafaciale [1,5]-Verschiebung ist Symmetrie-erlaubt und geometrisch möglich. (c) Die antarafaciale [1,7]-Verschiebung ist Symmetrie-erlaubt und geometrisch weniger erschwert als die antarafaciale [1,3]-Verschiebung

Ist die Anzahl der r-Bindungen des Allyl-Systems dagegen ungerade, so haben die endständigen p-Orbitale im nicht bindenden Zustand entgegengesetzte Vorzeichensymmetrie (Abb. 27.15). Das s-Orbital eines Wasserstoff-Atoms könnte also nur von der Oberseite des einen zur Unterseite des

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468

27 Orbitalsymmetrie bei konzertierten Reaktionen

anderen Radikal-Endes überlappen (Abb. 27.16 a und c). Symmetrie-erlaubt wäre somit eine antarafaciale [1,3]- oder [1,7]-sigmatrope Verschiebung (Tab. 27.3). Diese würde aber eine Verdrillung des Allyl-r-Systems erfordern und ist im Falle des Dreikohlenstoff-Gerüstes geometrisch unwahrscheinlich. Dagegen ist die Symmetrie-erlaubte [1,7]-Verschiebung geometrisch möglich. Tab. 27.3. WOODWARD-HOFFMANN-Regeln für sigmatrope Verschiebungen symmetrie-erlaubte Orientierungen thermisch aus Grundzustand

photochemisch aus angeregtem Zustand

sigmatrope Reaktion

i

j

[1,3] -

1

3

4 (q=1)

antara

supra

[1,5] -

1

5

6 (=4+2) (q=1)

supra

antara

[1,7] -

1

7

8 (=4x2) (q=2)

antara

supra

[3,3] -

3

3

6 (=4+2) (q=1)

supra - supra antara - antara

antara - supra supra - antara

4q

antara - supra supra - antara

supra - supra antara - antara

4q+2

supra - supra antara - antara

antara - supra supra - antara

i+j

[i, j] -

Die Regeln in Tab. 27.3 gelten für sigmatrope Verschiebungen aus dem Grundzustand; sie kehren sich wie bei den Cycloadditionen und elektrocyclischen Reaktionen für Photoreaktionen um. Im Übergangszustand einer [3,3]-sigmatropen Reaktion wechselwirken zwei Allyl-Radikale so, daß zwei Dreizentren-Bindungen entstehen. Diese bilden sich entweder durch supra-supra- oder antara-antarafacial-Überlapppung der nicht bindenden Allyl-Orbitale (Abb. 27.17). Die relative Symmetrie der nichtbindenden Molekül-Orbitale beider r-Systeme dirigiert demnach auch alle [i,j]-sigmatrope Verschiebungen (i und j sind größer als 1 wie im Beispiel mit i = j = 3).

oder

supra - supra

antara - antara

Abb. 27.17. Erhaltung der Orbitalsymmetrie im Übergangszustand [3,3]-sigmatroper Verschiebungen : Sowohl die supra-supra-, als auch die antara-antara-Überlappung der nichtbindenden Molekül-Orbitale zweier AllylRadikale ist Symmetrie-erlaubt

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27.4 Sigmatrope Reaktionen

27.4.3

469

Ausgewählte Beispiele zu den Auswahlregeln

Die Voraussage, daß [1,3]-sigmatrope Verschiebungen unmöglich, [1,5]-Verschiebungen dagegen Symmetrie-erlaubt sind, zeigt sich an vielen Beispielen. So ist 5-Methylen-1,3-cyclohexadien eine stabile Verbindung, weil ihre Aromatisierung zu Toluen eine [1,3]-sigmatrope Verschiebung wäre: CH 3

CH 2

Beim Erhitzen von 7,8-Dideutero-1,3,5-cyclooctatrien verteilt sich das Deuterium nur auf die CAtome 3, 4, 7 und 8, wie es [1,5]-Verschiebungen entspricht. Reversible [1,3]-Verschiebungen über das isomere 1,3,6-Cyclooctatrien würden das Deuterium auf alle Positionen verteilen: D

[1,5] - D

D

(D)

(D)

(D)

(D)

[1,3] - D

(D)

(D)

(D)

(D) D

(D)

D

D

(D)

(D)

(D)

(D) (D)

(D)

Thermische [1,5]-Verschiebungen von Pentadienen, wie die des 1,1-Dideutero-1,3-pentadiens, [1,5] - D

D2C

CH 3

D 2HC

CH 2

sind nach Tab. 27.3 suprafaciale Synchronprozesse und verlaufen daher stereospezifisch. Dies zeigt sich am Beispiel der stereospezifischen Thermolyse des 2-Deutero-6-methyl-2,4-octadiens: H 3C H5C 2

H 3C H5C 2

D H 3C H

Hitze

HD H 3C

H H 5C 2 H3C D

H5C 2 Hitze

H 3C

H 3C

H D H3C

(2E,4Z) -2-Deuterio-6-methyl-2,4-octadien (Konformere)

27.4.4

Inversion und Retention bei sigmatropen Verschiebungen

Wandert bei der sigmatropen Verschiebung nicht Wasserstoff, sondern Kohlenstoff, so gibt es im Übergangszustand zwei Möglichkeiten der Orbital-Überlappung:

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470

(1)

27 Orbitalsymmetrie bei konzertierten Reaktionen

Überlappt im Übergangszustand ein s-Orbital, so wird das wandernde C-Atom vor und nach der Verschiebung über denselben Orbital-Bereich gebunden. Alle Bindungen bleiben dann auf der gleichen Seite des wandernden C-Atoms. Die Verschiebung verläuft also unter Retention der Konfiguration (Abb. 27.18).

2

2 1

3

[1,3]-Alkyl-Verschiebung antarafacial

4

1

5

[1,5]-Alkyl-Verschiebung suprafacial

Abb. 27.18. Erhaltung der Orbitalsymmetrie im Übergangszustand [1,3]- und [1,5]-sigmatroper Allyl-Verschiebungen. Bei Beteiligung eines s-Orbitals ist die antarafaciale [1,3]- und die suprafaciale [1,5]-Verschiebung Symmetrie-erlaubt. In beiden Fällen bleibt die Konfiguration am wandernden C erhalten (Retention)

(2) Enthält das wandernde C-Atom ein zugängliches p-Orbital, wie z. B. in Alkyl-Radikalen, so kann sich auch dieses am Übergangszustand beteiligen, sofern sperrige Substituenten sterisch nicht im Wege stehen. Bekanntlich liegen im p-Zustand Orbitallappen entgegengesetzten Vorzeichens auf gegenüberliegenden Seiten eines C-Atoms. Daraus folgt, daß bei Teilnahme eines p-Orbitals am Übergangszustand die Konfiguration des wandernden C-Atoms wie bei SN2-Reaktionen invertiert (Abb. 27.19).

1

[1,3]-Alkyl-Verschiebung suprafacial

3

1

5

[1,5]-Alkyl-Verschiebung antarafacial

Abb. 27.19. Bei Beteiligung eines p-Orbitals des wandernden C-Atoms sind die suprafaciale [1,3]- und die antarafaciale [1,5]-Verschiebung Symmetrie-erlaubt. In beiden Fällen erfolgt Inversion der Konfiguration am wandernden Kohlenstoff

[1,3]- und [1,5]-Verschiebungen lassen keine Verdrillung des r-Gerüstes zu, so daß antarafaciale Überlappungen behindert sind. Symmetrie-erlaubt und geometrisch möglich sind also suprafaciale [1,3]- sowie [1,5]-Alkyl-Verschiebungen, [1,3]-Wanderungen unter Beteiligung von p-Orbitalen und Inversion, [1,5]-Wanderungen unter Beteiligung von s-Orbitalen und Retention. Für [1,3-]Alkyl-Verschiebungen kehren sich die Auswahlregeln in Tab. 27.3 demnach um.

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27.4 Sigmatrope Reaktionen

471

Unter den wenigen bekannten thermischen [1,3]-Alkyl-Verschiebungen zeigt die Thermolyse von 6-Acetyl-7-deuterobicyclo[3.2.0]hepten Inversion an C-7: Aus dem Edukt mit Acetyl-Gruppe und Deuterium auf entgegengesetzten Seiten von C-6 und C-7 entsteht ein Bicyclo[2.2.1]hepten, bei dem Acetyl-Gruppe und Deuterium auf derselben Seite (exo) von C-6 und C-7 stehen: 7 4 5 1

H D

2 6 7

O

1

O C

4

5

1

3

2

300 °C

3

H

CH 3

H

6 7

H

2

O

6

O C CH 3 D

5

3

4

H

O CH3 C D O

H

2-Acetoxy-3-deuteriobicyclo[2.2.1]hept-5-en (Acetoxy und D zusammen, exo, exo)

6-Acetoxy-7-deuteriobicyclo[3.2.0]hept-2-en (Acetoxy und D entgegen)

Daß [1,5]-Alkyl-Verschiebungen unter vollständiger Retention der Konfiguration am wandernden C ablaufen, zeigt die thermische Umlagerung des (Z)- und (E)-Isomers von 6,9-Dimethylspiro[4,4]nona-1,3-dien zu den Dimethylbicyclo[4.3.0]nonadienen gleicher Konfiguration: H 3C 1

6

2

7

(Z) - 6,9-Dimethylspiro[4.4]nona-1,3-dien

5 8

3 9

4

H 3C [1,5] - C - Verschiebung

1

5

3

6

H

1

CH 3

2

CH3

2

[1,5] - H - Verschiebung

4

3

H

5

6

H [1,5] - H - Verschiebung

4

1

CH3

2 3

5 4

H

H 9

H3C Primärprodukt

27.4.5

H 3C (Z) - 6,9-Dimethylbicyclo[4.3.0]nona-1(2),4(5)-dien (Hauptprodukt)

H 3C

En-Reaktion

Bei der En-Reaktion (Abschn. 4.5.12) handelt es sich um eine intermolekulare [1,5]-sigmatrope H-Verschiebung. Dabei addiert ein Alken mit allylständigem H-Atom (En) an eine elektronenarme Doppelbindung (Enophil). Enophil

X Y

X

H

H

En

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472

27 Orbitalsymmetrie bei konzertierten Reaktionen

En und Enophil bilden dabei einen bootförmigen pericyclischen Übergangszustand, an dem sich zwei u-Elektronen der CH-Einfachbindung und die vier r-Elektronen der beiden Doppelbindungen beteiligen. Demnach ist die En-Reaktion ein [u2s + r2s + r2s]-Prozeß. LUMO (En)

H

H

HOMO (Enophil)

Als Folge dieses konzertierten Ablaufs wird die absolute Konfiguration eines Asymmetriezentrums im En auf das Addukt übertragen. Aus (R)-3-Phenyl-1-buten entsteht z. B. (R)-5-Phenyl-4hexen-1,2-dicarbonsäureanhydrid: O + H5C 6 H 3C

H

O

O H 5C6

H O

(R) -3-Phenyl1-buten

O

CH 3 O

Maleinsäureanhydrid

(R) - 5-Phenyl-4-hexen1,2-dicarbonsäureanhydrid

Als gute Enophile gelten Carbonyl-Verbindungen (R2C=O) und Singulett-Sauerstoff (O=O im Gegensatz zum Biradikal .O/O., dem Triplett-Sauerstoff), von denen auch intramolekulare EnReaktionen bekannt sind; für Terpen-Synthesen interessant ist z. B. die durch LEWIS-Säuren katalysierte intramolekulare En-Reaktion des Citronellals zu Isopulegol:

ZnBr 2 , 5 - 10 °C

O

OH

H Citronellal

Isopulegol (Hauptprodukt)

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28.1

Überblick

473

28 Molekülspektroskopie zur Strukturaufklärung 28.1 Überblick Konstitution und funktionelle Gruppen einer unbekannten Verbindung können chemisch durch Abbaureaktionen und Derivatisierungen bestimmt werden. Rascher, bequemer und häufig genauer ergeben sich diese Informationen aus den Molekülspektren der Verbindung. Molekülspektren entstehen durch Wechselwirkung der molekularen Materie / meist in Lösung / mit elektromagnetischer Strahlung (ultraviolettes, sichtbares und infrarotes Licht sowie längerwellige Strahlung, z. B. Radiowellen), aber auch durch Elektronenbeschuß oder andere Arten der Ionisation (Massenspektrometrie). Die Wechselwirkung elektromagnetischer Wellen mit Materie beruht auf der Anregung von Elektronen, Molekülschwingungen, Molekülrotationen sowie der Richtungsänderung von Elektronenspin- und Kernspin-Präzession in magnetischen Feldern. Welcher Vorgang angeregt wird, hängt von der Strahlungsenergie ab, wie Tab. 28.1 zusammenfassend zeigt. Tab. 28.1. Anregende elektromagnetische Strahlung (Wellenlänge n, Wellenzahl p, Strahlungsenergie FG) und zugehörige spektroskopische Methode

n [cm]

p [cm/1]

FE [kJ / mol]

Bezeichnung

Anregungsart

-Spektroskopie

RÖNTGEN

inneratomare Elektronenübergänge Photoemission

RÖNTGENPhotoelektronen-

UV (ultraviolett) sichtbar

ElektronenSchwingungs- und Rotationsübergänge

Lichtabsorptions-

IR (infrarot)

Schwingungs- und Rotationsübergänge

IR- und RAMAN-

10/6

106

12 000

10/5

105

1 200

10/4 10/3

104 103

120 12

10/2 10/1

102 10

1.2 0.12

Mikrowellen

Rotationsübergänge

Mikrowellen-

100

100

0.012

cm-Wellen

Umklappen der Elektronenspin-Präzession im Magnetfeld

ElektronenspinResonanz (ESR)

101

10/1

0.0012

Radiowellen (UKW)

Umklappen der Kernspin-Präzession im Magnetfeld

Kernmagnetische Resonanz (NMR)

RÖNTGEN-Strahlen können einerseits inneratomare Elektronenübergänge anregen. Hierauf beruht die RÖNTGEN-Spektroskopie, welche Aussagen über die Energiedifferenzen inneratomarer Elektronenzustände erlaubt. RÖNTGEN-Strahlen können aber auch die Emission von Elektronen aus Molekülorbitalen einer organischen Verbindung auslösen (Photoemission, PhotoelektronenSpektroskopie). Die meßbare Energie der Photoelektronen reflektiert den Energieinhalt der Molekülorbitale und damit den Bindungszustand des Probenmoleküls.

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474

28

Molekülspektroskopie zur Strukturaufklärung

Durch ultraviolettes und sichtbares Licht werden Elektronen auf bindenden und nichtbindenden Molekülorbitalen (u-, r- und n-Elektronen) angeregt. Diese Meßmethodik bezeichnet man als UVund Lichtabsorptions- oder Elektronen-Spektroskopie. Zusätzlich zur Elektronenanregung werden durch ultraviolettes und sichtbares Licht auch Molekülschwingungen und Rotationen angeregt. Dieser Umstand ist für die Banden-Natur, in einzelnen Fällen auch für die Feinstruktur der UV- und Lichtabsorptionsspektren verantwortlich. Bei optisch aktiven Verbindungen hängt die spezifische Drehung ([c], Abschn. 17.2) der Ebene linear polarisierten Lichts von der Wellenlänge n ab (optische Rotationsdispersion, ORD). Hierauf beruhen der für Konfigurationszuordnungen chiraler Verbindungen wertvolle Circulardichroismus (CD) sowie die ORD-Spektroskopie (chiroptische Methoden). Durch infrarote Strahlung werden ausschließlich Molekülschwingungen und Rotationen angeregt (Infrarot- oder IR-Spektroskopie). Die noch energieärmeren Mikrowellen reichen lediglich zur Anregung von Molekül-Rotationen aus. Auf dieser Anregungsart beruht die u. a. zur Bestimmung von Bindungswinkeln wertvolle Mikrowellen-Spektroskopie. Längerwellige elektromagnetische Strahlungen wie Zentimeter- und Radiowellen regen Umklappvorgänge der Elektronen- und Kernspin-Präzession in Magnetfeldern an. Diese Vorgänge sind als Elektronenspin-Resonanz (ESR) sowie kernmagnetische Resonanz (nuclear magnetic resonance, NMR) bekannt. Während die ESR-Spektroskopie eine spezielle Methode zum Studium von Verbindungen mit ungepaarten Elektronen (Radikale) ist, eignet sich die NMR-Spektroskopie zur Untersuchung fast aller organischer Verbindungen, sofern sie Atomkerne mit mechanischem Drehimpuls (Kernspin), z.B. Wasserstoff (1H) oder Kohlenstoff-13 (13C), enthalten. Zur Identifizierung und Aufklärung organischer Verbindungen werden die Elektronen-, Infrarotsowie vor allem die NMR- und Massenspektroskopie eingesetzt.

28.2 UV- und Lichtabsorptions-Spektrometrie 28.2.1

Spektralbereich

Die Absorption ultravioletten (UV) und sichtbaren Lichts (UV-Vis) durch Moleküle beruht auf der Anregung von u-, r- und n-Elektronen; n-Elektronen besetzen nichtbindende, sog. n-Molekülorbitale. UV- und Lichtabsorptions-Spektren umschließen einen Wellenlängenbereich von 1.5 bis 8x10/7m (Abb. 28.1). Die Wellenlänge wird in Nanometer nm angegeben (1 nm = 10/9 m); früher wurde diese Wellenlängeneinheit auch als "millimü" mo bezeichnet.

Abb. 28.1. Wellenlängenbereich der UV- und Lichtabsorptionsspektren

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28.2

UV- und Lichtabsorptions-Spektrometrie

28.2.2

475

Meßmethodik

Abb. 28.2 zeigt das vereinfachte Schema eines Lichtabsorptionsspektrometers. Es besteht aus ̈" einer Strahlungsquelle (zwischen 320 und 800 nm: Wolframdrahtlampe; zwischen 180 und 400 nm: Wasserstoffbogenlampe), ̈" einem Monochromator (sichtbares Licht: Glasprisma oder Gitter; UV-Licht: Quarzprisma), ̈" einer Proben- und Vergleichszelle (Probenküvette mit Meßlösung; Vergleichsküvette mit Lösemittel), ̈" einem Strahlungsdetektor (Photoelektronenvervielfacher) und einem Rechner mit Drucker zur Aufzeichnung der Absorptionskurven (Abb. 28.3), Abzisse: Wellenlänge (n); Ordinate: Absorption (A) oder Absorptionskoeffizient (g"). Strahlungsquelle

Vergleichsküvette

Amperemeter

I0 I0

Monochromator

d

Probenküvette

I Photoelektronenvervielfacher

Rechner/Drucker

I0 Strahlungsintensität aus der Vergleichsküvette I Strahlungsintensität aus der Probenküvette d Küvettenlänge (Schichtdicke)

Abb. 28.2. Vereinfachtes Schema eines UV- und Lichtabsorptionsspektrometers

Abb. 28.3. UV-Spektrum von Aceton (

___

; nmax = 280 nm, gmax = 15) und Butandion ( . . . ) in Hexan

Die vom Monochromator erzeugte monochromatische Strahlung (mit einer bestimmten Wellenlänge) wird in zwei Strahlengänge zerlegt (Zweistrahlspektrometer). Ein Strahl durchquert die Probenküvette, der andere die Vergleichsküvette. In beiden Zellen wird absorbiert, jedoch wählt man meist ein Lösemittel, das zwischen 200 und 800 nm möglichst keine Eigenabsorption zeigt

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476

28

Molekülspektroskopie zur Strukturaufklärung

(z. B. Wasser, Ethanol). Dann entspricht die meßbare Differenz zwischen den Strahlungsintensitäten aus Vergleichs- und Probenküvette praktisch der Probenabsorption K0/K. Der Photoelektronenvervielfacher erzeugt aus der Intensitätsdifferenz einen Differenzstrom, der rechnergesteuert als Funktion der Wellenlänge n aufgezeichnet wird. Ist g der substanzspezifische Absorptionskoeffizient, c die Konzentration in mol/L und d die Schichtdicke in cm, so gilt bei einer bestimmten Wellenlänge für die Absorption A das LAMBERTBEERsche Gesetz A = lg I0 / I = g c d

(28.1)

Demnach wird bei einer Wellenlänge n die Absorption Cn"= 1, wenn für eine 1 molare Lösung (c = 1 mol / L) bei einer Schichtdicke von d = 1 cm K0 das zehnfache von I ist. Moderne Spektrometer zeichnen g als Funktion der Wellenlänge n auf, wie Abb. 28.3 am Beispiel zweier Ketone zeigt. Als Parameter entnimmt man dem Spektrum die Koordinaten des Absorptionsmaximums (nmax in nm und gmax). Für Aceton ergibt sich z. B. aus Abb. 28.3 nmax = 280 nm und gmax = 15. In Molekülen sind die durch ultraviolettes und sichtbares Licht angeregten Elektronenübergänge mit der Anregung von Molekülschwingungen und Rotationen verbunden. Die Schwingungs- und Rotationsstruktur der Absorptionskurven kann jedoch bei Lösungen infolge der Wechselwirkung zwischen Lösemittel und gelösten Molekülen nur selten (z. B. bei Benzen) aufgelöst werden. Daher mißt man meist breite und geglättete Absorptionsbanden.

28.2.3

Elektronenübergänge in organischen Molekülen

Man unterscheidet vier Grundtypen der Elektronenanregung: 1) Bei einem nr*-Übergang wird ein n-Elektron eines nichtbindenden (n-) Elektronenpaares auf ein antibindendes r*-Orbital einer Doppelbindung angeregt. Diese Übergänge sind in allen Verbindungen mit Heteroatomen und benachbarten Doppelbindungen möglich, z. B. in Carbonyl-Verbindungen, Iminen und Heteroaromaten oder Azo-Verbindungen. Infolge der geringen nr*-Übergangswahrscheinlichkeit sind die zugehörigen Absorptionsbanden wenig intensiv. So hat die nr*-Bande der Carbonyl-Gruppe des Acetons mit nmax = 280 nm nur einen molaren Absorptionskoeffizienten von 15 (Abb. 28.3). _ _ C O Carbonyl-Verbindung

C N _

_ N N _

Imin

Azo-Verbindung

2) Ein rr*-Übergang regt das r-Elektron einer r-Bindung auf ein r*-Orbital an. rr*-Übergänge sind in allen ungesättigten Verbindungen möglich, also in Alkenen, Aromaten, Alkinen, aber auch in allen Verbindungen, in welchen nr*-Übergänge stattfinden können (s. o.!). rr*Anregungen erfolgen mit großer Übergangswahrscheinlichkeit. Dementsprechend groß sind die molaren Absorptionskoeffizienten (g > 10000). 3) nu*-Übergänge regen n-Elektronen auf antibindende Orbitale benachbarter u-Bindungen (u*Orbitale) an. nu*-Übergänge geschehen in gesättigten Verbindungen mit Heteroatomen, z. B. in Alkoholen, Aminen oder Halogenalkanen (X = Halogen). _ _ C OH Alkohol

_ C NR2 Amin

C

_ X _I ,

X = Cl, Br, I

Halogenalkan

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28.2

UV- und Lichtabsorptions-Spektrometrie

477

4) Bei uu*-Übergängen werden u-Elektronen auf u*-Orbitale angeregt. Diese Übergänge sind in allen organischen Verbindungen, also auch in Alkanen, möglich. Vergleicht man diese Elektronenübergänge nach Lage der zugehörigen Absorptionsmaxima in einfachen Verbindungen (Tab. 28.1), so ergibt sich eine Verschiebung nach kleineren Wellenlängen in der Folge nr*."rr*."nu*."uu*0"uu*-Übergänge erfordern also die größten, nr*-Übergänge die kleinsten Anregungsenergien. Während nr*- und rr*-Übergänge noch im langwelligen UVBereich angeregt werden, erfordern uu*-Übergänge bereits die Energie von RÖNTGEN-Strahlen (Tab. 28.2). Tab. 28.2. Elektronenübergänge und UV-Absorptionsdaten einfacher organischer Moleküle Verbindung

Lösemittel / Zustand Cyclohexan Cyclohexan

15 15

162 217

10 000

gasförmig

21 000

n-Hexan

258

35 000

n-Hexan

nu*

204 184 227

200 2 250 900

gasförmig gasförmig gasförmig

uu*

122 135

intensiv intensiv

gasförmig gasförmig

nr*

H2C CH2 H2C CH CH CH2 H 2C CH CH CH CH CH2

rr*

CH 4 H3C CH3

g"max

n"max [nm] 280 279

(H3C)2C O (H3C)2C NOH

H3CBr (H 3C)2O (H 3C)3N

28.2.4

Übergang

Chromophore, Auxochrome

Strukturelemente und funktionelle Gruppen, die im nahen UV oder im sichtbaren Bereich Absorption verursachen, werden als Chromophore bezeichnet. Man unterscheidet zwei wichtige Arten von Chromophoren aufgrund der möglichen Elektronenübergänge: n,r-Chromophore wie

_ C O _

_ C S _

C N _

_ N N _

_ O _I N O _I

r-Chromophore wie

C C

C C

und andere Aromaten

Substituenten, welche das Konjugationssystem eines Chromophors erweitern und infolgedessen seine Absorptionsmaxima nach längeren Wellen verschieben, nennt man Auxochrome. Die AminoGruppe des Anilins ist z. B. ein Auxochrom, weil sie sich als *-+-M-Substituent an der Mesomerie des Benzen-Ringes beteiligt und dessen Absorptionsmaxima nach längeren Wellen verschiebt (Tab. 28.3).

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478

28

Molekülspektroskopie zur Strukturaufklärung

Tab. 28.3. Absorptionsmaxima substituierter Benzene in Methanol

n"max [nm]

g"max

n"max [nm]

g"max

204

7 500

254

205

_ NH2

230

8 600

280

1 430

NH3

203

7 500

254

160

270

7 800

375

16 000

Verbindung

O N O O N

_ NH2

229

500

O2N

NO2

260

13 000

O

Substituenten mit n-Elektronen, jedoch ohne r-Bindungen, so z.B. /OH, /OR, /SH, /SR, /NH2, /NHR, /NR2, sind typische Auxochrome. Auxochrome sind demnach Elektronendonoren [(-)-M-

Substituenten], Chromophore indessen Elektronenakzeptoren [(/)-M-Substituenten]. Die Verschiebung von Absorptionsmaxima nach längeren Wellen, z. B. durch Auxochrome, bezeichnet man auch als Rot- oder Bathochromverschiebung. Im Gegensatz hierzu nennt man Blauverschiebungen auch hypsochrom. Veränderungen in der Meßlösung, z. B. der Wechsel des Lösemittels oder der Salzbildung, können Verschiebungen der Absorptionsmaxima hervorrufen. Infolgedessen muß bei der Angabe von Absorptionsdaten auch das Lösemittel erwähnt werden. Ein typischer Lösemitteleffekt (Solvatochromie) ist z. B. die Blauverschiebung des Absorptionsmaximums von Aceton, wenn man anstelle von Hexan (280 nm) Wasser als Lösemittel (265 nm) verwendet. Der Effekt wird darauf zurückgeführt, daß die Wasserstoffbrücken-Assoziation zwischen Aceton und Wasser den angeregten Zustand des Acetons stärker destabilisiert (seine potentielle Energie stärker erhöht) als den Grundzustand. Auf diese Weise erhöht sich die Anregungsenergie. Bei farbigen Verbindungen kann die Solvatochromie dazu führen, daß bei Wechsel der Lösemittel auch verschiedene Lösungsfarben beobachtet werden. Einen typischen Salzeffekt (Halochromie) findet man beim Vergleich der Absorptionsmaxima von Anilin und Anilinium-Ion: Im Anilinium-Ion ist die durch den (-)-M-Effekt des Stickstoffs erklärbare auxochrome Wirkung auf den Benzen-Chromophor blockiert, weil das n-Elektronenpaar am N-Atom eine zusätzliche NH-Bindung knüpft. Infolgedessen mißt man annähernd die Absorptionsdaten des Benzens (Tab. 28.3).

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28.2

UV- und Lichtabsorptions-Spektrometrie

28.2.5

479

Lichtabsorption und Farbe

Farbige Verbindungen absorbieren sichtbares Licht (400 bis 800 nm). Ihre Eigenfarbe ist komplementär zur Farbe des Lichtes, das sie absorbieren. Der Absorptionsbereich einer gelben Verbindung wird z. B. im Violetten (um 420 nm) liegen. Das Absorptionsmaximum einer farbigen Verbindung muß nicht im Sichtbaren erscheinen. Eine Substanz kann auch farbig sein, wenn ihr Absorptionsmaximum im Ultravioletten liegt, die Absorptionskurve sich jedoch mit hinreichender Intensität in den sichtbaren Bereich erstreckt. Da selbst die längstwelligen nr*-Übergänge noch im Ultravioletten liegen (nmax < 300 nm), ist eine Verbindung nicht farbig, wenn sie nur einen Chromophor enthält. Auch die isolierte Anordnung mehrerer Chromophorer, z. B. von r-Bindungen führt nur zu einer der Anzahl dieser rBindungen proportionalen Erhöhung der Bandenintensität (gmax) ohne Einfluß auf nmax, wie ein Vergleich von Ethen und 1,5-Hexadien (Tab. 28.4) zeigt. Tab. 28.4. Längstwellige Lichtabsorption von Polyenen in Abhängigkeit von der Anzahl n konjugierter CCDoppelbindungen (Lösemittel: Ethanol) Verbindung

n

n"max [nm]

g"max

Farbe

Ethen

H2C CH2

1

185

10 000

farblos

1,5-Hexadien

H2C CH CH2 CH2 CH CH2

2

185

20 000

farblos

1,3-Butadien

H2C CH CH CH2

2

217

21 000

farblos

1,3,5-Hexatrien

H2C CH CH CH CH CH2

3

258

35 000

farblos

2,4,6,8-Decatetraen

H3C

(CH CH)4 CH3

4

310

76 000

farblos

2,4,6,8,10-Dodecapentaen

H3C

(CH CH)5 CH3

5

342

122 000

farblos

d -Caroten

11

450

140 000

orange

Naphthalen

5

314

316

farblos

11

580

12 600

Pentacen

blauviolett

Dagegen bewirkt die Konjugation mehrerer Doppelbindungen in einem Polyen nicht nur eine überproportionale Vervielfachung der Bandenintensität (gmax , Hypochromie), sondern auch eine mit der Anzahl der konjugierten Chromophoren zunehmend wachsende Bathochromverschiebung von nmax (vgl. Ethen, 1,3-Butadien, 1,3,5-Hexatrien, d-Caroten, Naphthalen und Pentacen in Tab 28.4). Alle Einflüsse (z. B. sterische), welche dagegen die Koplanarität eines Moleküls und somit die Konjugation stören, werden zu einer Blauverschiebung (Hypsochromie) des Absorptionsmaximums führen. Mit zunehmender Anzahl von konjugierten Chromophoren sinkt offenbar die Anregungsenergie. Dies wird so erklärt, daß der angeregte Zustand durch die Konjugation stärker stabilisiert wird als der Grundzustand, und zwar in zunehmendem Ausmaß bei wachsender Anzahl von konjugierten Chromophoren.

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480

28.2.6

28

Molekülspektroskopie zur Strukturaufklärung

Anwendungsbereiche

Nachweis von Chromophoren Zeigt eine Verbindung im nahen UV ein Absorptionsmaximum, so enthält sie eine CX-Mehrfachbindung (nmax > 250 nm, gmax klein) oder eine bzw. mehrere olefinische Doppelbindungen (nmax >180 nm, gmax sehr groß). Noch längerwelligere Absorptionsmaxima sprechen entweder für eine durchkonjugierte Anordnung mehrerer Chromophorer (z. B. in Polyenen oder kondensierten Aromaten) oder für die Anwesenheit auxochromer Gruppen. Zieht eine auxochrome Gruppe und schiebt die andere (pushpull-System), so ist die Rotverschiebung des Absorptionsmaximums besonders deutlich, wie die Gegenüberstellung substituierter Benzene in Tab 28.3 zeigt. Nachweis der Konjugation von Chromophoren Der in Tab. 28.4 erkennbare Konjugationseinfluß auf die Lichtabsorption gestattet eine Unterscheidung zwischen Dienen mit konjugierten und isolierten r-Bindungen. So absorbiert 2,4-Hexadien (227 nm) deutlich längerwellig als 1,5-Hexadien (185 nm). Nachweis sterischer Wechselwirkungen Sterische Wechselwirkungen in konjugierten Systemen werden die Lichtabsorption nach kürzeren Wellenlängen verschieben, wenn sie die Konjugation behindern. Ein Beispiel ist cis-Stilben, in dem die VAN-DER-WAALS-Abstoßung der o,o'-H-Atome einen Phenyl-Ring aus der Koplanarität des restlichen Moleküls hinauszwängt. Infolge der Verdrillung eines Phenyl-Ringes können sich die Kohlenstoff-p-Orbitale im cis-Stilben nicht mehr optimal (koaxial) überlappen. Cis-Stilben absorbiert daher kürzerwellig als trans-Stilben.

H

H

H trans-Stilben:

cis-Stilben:

H H

nmax = 280 nm

nmax = 295 nm

H

Auch die Tatsache, daß 1,2-Dimethylencyclohexan kürzerwellig absorbiert als 1,2-Dimethylencyclopentan, wird durch eine Störung der Koplanarität beider Doppelbindungen erklärt, die im Sechsring stärker ist. 1,2-Dimethylencyclohexan: nmax = 220 nm , gmax = 5 500

1,2-Dimethylencyclopentan: nmax = 248 nm , gmax = 15 800

Quantitative Analyse Nach dem LAMBERT-BEERschen Gesetz A = g c d = const. c

(28.1)

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28.2

UV- und Lichtabsorptions-Spektrometrie

481

ist die bei einer bestimmten Wellenlänge (z. B. nmax) gemessene Absorption (A") einer Verbindung mit dem substanzspezifischen Absorptionskoeffizienten g bei konstanter Lösungs-Schichtdicke (d) der Konzentration (c) proportional. Die Beziehung gilt allerdings nur, wenn sich in der Meßlösung keine chemischen Gleichgewichte oder Reaktionen einstellen. Auf dem LAMBERT-BEERschen Gesetz beruht die quantitative Analyse durch Absorptionsmessung (Kolorimetrie, Photometrie). Hierzu werden bei einer konstanten Wellenlänge (meist nmax mit großem gmax) für bekannte Konzentrationen (c) die Absorptionen C gemessen. Aus den Wertepaaren C und c ergibt sich eine Eichkurve wie in Abb 28.4. Diese ist bei Gültigkeit des LAMBERTBEERschen Gesetzes und hinreichend kleinen Konzentrationen (noch keine intermolekularen Wechselwirkungen) eine Gerade. Sie ermöglicht bei einer Lösung unbekannten Gehaltes die Ermittlung der Konzentration c aus der gemessenen Absorption. A

n = const. c [ mol / L ]

Abb. 28.4. Anwendung des LAMBERT-BEERschen Gesetzes zur quantitativen Analyse

Abb. 28.5. Zeitabhängigkeit des UV-Spektrums von Salicylsäuremethylester bei der alkalischen Hydrolyse. Die Spektren wurden in Intervallen von zwei Minuten wiederholt

Kinetik chemischer Reaktionen Sofern Edukt A und Produkt B einer chemischen Reaktion (A › B) verschiedene Absorptionsmaxima aufweisen, kann die Zeitabhängigkeit der Reaktion durch wiederholte Messung der Ab-

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482

28

Molekülspektroskopie zur Strukturaufklärung

sorptionsspektren nach bestimmten Zeitintervallen verfolgt werden. Aus der zeitlichen Änderung der Absorptionswerte ergibt sich die Geschwindigkeitskonstante der Reaktion. Ein Beispiel ist die Verseifung des Salicylsäuremethylesters: CO2

CO2CH 3 +

OH

OH Salicylsäuremethylester

nmax = 330 nm

+

CH 3OH

OH Salicylat

nmax = 305 nm

Mißt man die Absorptionsspektren der alkalischen wäßrig-methanolischen Lösung im Abstand von jeweils zwei Minuten, so ergibt sich eine Schar von Absorptionskurven, die sich in einem isosbestischen Punkt schneiden (Abb. 28.5). Zu Beginn der Verseifung wird das Absorptionsspektrum des längerwellig absorbierenden Esters (330 nm) aufgezeichnet. Dieses verschiebt sich mit fortschreitender Reaktionszeit stetig zum Maximum des Carboxylats bei 305 nm. Untersuchung von Gleichgewichten Sofern die Antagonisten A und B eines Gleichgewichtes verschiedene Absorptionsmaxima aufweisen, kann man aus der Temperaturabhängigkeit der Absorption Gleichgewichtskonstanten und freie Aktivierungsenthalpien bestimmen. Entsprechend ergeben pH-abhängige Absorptionsspektren von Säuren und Basen pK-Werte und Aciditäts- bzw. Basizitätskonstanten. Typisch für alle Gleichgewichte ist, daß die zeit-, temperatur- und pH-abhängigen Absorptionskurven sich in isosbestischen Punkten schneiden.

28.3 Infrarotspektroskopie 28.3.1

Spektralbereich

Die Infrarotabsorption von Molekülen beruht auf der Anregung von Molekülschwingungen (und Molekülrotationen). Die zur Anregung erforderliche IR-Strahlung umschließt den Wellenlängenbereich von 2.5 bis 15 mo (Mikrometer: 1 mo"= 10/6 m; ältere Bezeichnung für dieselbe Einheit: 1o). Es ist jedoch üblich, die Lage von IR-Absorptionsbanden nicht in Wellenlängen, sondern in reziproken Wellenlängen, der sog. Wellenzahl (die Anzahl der Wellen pro cm) in cm/1 anzugeben. In dieser Maßeinheit erstreckt sich der IR-Absorptionsbereich von 4000 bis 200 cm/1.

28.3.2

Meßmethodik

Abb. 28.6 illustriert vereinfacht das Bauprinzip eines Infrarotspektrometers. Strahlungsquelle ist meist ein elektrisch auf Rotglut erhitzter Metallstreifen (Nickel-Chrom), dessen Strahlung durch zwei Hohlspiegel in eine Hälfte für die Probenzelle und eine für die Vergleichszelle geteilt wird. Probenlösungen und Flüssigkeiten werden in Küvetten (Schichtdicke: 0.1-1 mm) mit Natriumchlorid-Fenstern gemessen; Glas hätte eine zu starke IR-Eigenabsorption. Die zu untersuchende Verbindung wird in einem gegenüber Natriumchlorid inerten Lösemittel (z. B. CCl4) gelöst. Zum Vergleich wird eine zweite Küvette gleicher Schichtdicke mit diesem Lösemittel im zweiten

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28.3

Infrarotspektroskopie

483

Strahlengang befestigt. Bei festen Substanzen verwendet man eine etwa 0.5 mm dicke Kaliumbromid-Pille (100 mg KBr / 1.5 mg Probe), deren IR-Absorption relativ zu einem Preßling aus reinem Kaliumbromid gemessen wird. Ein Strahlungsteiler bringt Meß- und Vergleichsstrahl alternierend auf den Monochromator, ein Natriumchlorid-Prisma oder Gitter. Als Detektor dient ein Thermoelement. Den Thermostrom als Funktion der Wellenzahl registriert ein Drucker. Ein Rechner steuert Monochromator und Wellenzahlvorschub. Aufgezeichnet wird die prozentuale Durchlässigkeit als Funktion der Wellenlänge (obere Skala) bzw. der Wellenzahl (untere Skala, z. B. in Abb. 28.10). Modernere FourierIR-Spektrometer sind Einstrahl-Geräte mit Lasern als Lichtquellen. Probe Teiler

Monochromator (NaCl)

Rechner/Drucker

I Thermoelement

Strahlungsquelle

I0 Vergleich

Abb. 28.6. Vereinfachtes Schema eines Infrarotspektrometers

28.3.3

Gruppenschwingungen in organischen Molekülen

Von den vielen Schwingungen, die in einem größeren Molekül möglich sind, können einige in erster Näherung als lokalisierte Schwingungen von Einzelbindungen aufgefaßt werden. Bei diesen Schwingungen unterscheidet man zwischen Valenz- und Deformationsschwingungen, wie es Abb. 28.7 für eine Methylen-Gruppe illustriert. Deformationsschwingungen in plane out of plane

Valenzschwingungen

H C

H H

C

H H

symmetrische antisymmetrische

C

H+

H H

Spreiz(bending)

C

H

Pendel(rocking)

C

H+ H/

Torsions(twist)

C

H+

Kipp(wagging)

Abb. 28.7. Schwingungsmöglichkeiten einer Methylen-Gruppe mit den gebräuchlichen Kürzeln p, f und i" für Valenz- sowie in plane- und out of plane-Deformationsschwingungen

Molekülschwingungen verursachen hinreichend starke Infrarotabsorptionen jedoch nur, sofern sie Dipolmomente im Molekül zeitlich verändern. Bekanntlich können nur schwingende Dipole mit dem elektrischen Feldvektor elektromagnetischer Strahlung wechselwirken. Daraus folgt, daß in Molekülen mit Symmetriezentrum alle zu diesem Zentrum symmetrischen Schwingungen keine oder nur sehr schwache IR-Absorptionen auslösen. Man bezeichnet solche Schwingungen als IR-

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484

28

Molekülspektroskopie zur Strukturaufklärung

inaktiv. Von den fünf möglichen Schwingungen des Ethins führen z.B. nur eine Valenz- und eine Deformationsschwingung zu IR-Absorptionsbanden (Abb. 28.8).

H

C

C

H

IR-inaktive C/H-Valenzschwingung (symmetrisch)

H

C

C

H

IR-aktive C/H-Valenzschwingung ( 3287 cm /1 )

H

C

C

H

IR-inaktive C/C-Valenzschwingung (symmetrisch)

H

C

C

H

IR-inaktive Deformationsschwingung

H

C

C

H

IR-aktive Deformationsschwingung ( 729 cm /1 )

Abb. 28.8. IR-aktive und inaktive Molekülschwingungen des Ethins

(Valenzschwingungen)

OH NH CH SH

C C , C X, X X C C C , C C X , X C X (X = O,N) C X (X = O,N) C C X Y (X,Y = O,N,S) C X (X = O,N) C X (X = F,Cl,Br,I) NH in plane

CH

(Deformationsschwingungen)

OH

out of plane

NH CH cm/1

3 500

3 000

2 500

~

2 000

1 500

1 000

500

Abb. 28.9. Bereiche einiger Valenz- und Deformationsschwingungen in organischen Molekülen

Valenzschwingungen sind höherfrequent als Deformationsschwingungen derselben Gruppe (Abb. 28.9). Die wichtigsten Valenzschwingungen organischer funktioneller Gruppen und die zugehörigen IR-Absorptionsbereiche sind in Tab. 28.5 zusammengestellt. Viele funktionelle Gruppen können aufgrund der typischen Lage ihrer Valenzschwingungen im IR-Spektrum mit großer Treffsicherheit erkannt werden. So ist im IR-Spektrum des Phenylisothiocyanats (Abb. 28.10) die

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28.3

Infrarotspektroskopie

485

zur Isothiocyanat-Valenzschwingung gehörende Absorption bei 2100 cm/1 nicht zu übersehen. Darüberhinaus charakterisieren die C=C-Valenzschwingungen bei 1595 und 1490 cm/1 ein monosubstituiertes Benzen. Während die für den Benzen-Ring erwarteten C/H-Valenzschwingungen bei 3100 cm/1 eben angedeutet sind, erkennt man die erheblich längerwelligen C/H-Deformationsschwingungen als starke Absorptionen bei 690 und 755 cm/1. Ihre Lage ist wiederum typisch für ein monosubstituiertes Benzen.

Abb. 28.10. IR-Spektrum des Phenylisothiocyanats (gemessen als Flüssigkeitsfilm)

Da die Schwingungsfrequenz mit abnehmender (reduzierter) Masse der gegeneinander schwingenden Atome und mit zunehmender Bindungsstärke wächst, kann man sich die Folge der in Abb. 28.9 dargestellten Valenzschwingungs-Bereiche gut einprägen. So sind die C/H- und X/HValenzschwingungen wegen der kleinen Masse des Wasserstoff-Atoms sehr hochfrequent (p" 3000 cm/1). Ferner schwingen dreifach gebundene Atome höherfrequent als doppelt gebundene, und letztere wiederum schneller als durch Einfachbindungen verknüpfte Atome, weil die Kraftkonstante mit der Bindungsstärke zunimmt.

28.3.4

Fingerabdruck-Bereich des Infrarotspektrums

Die meisten Valenzschwingungen organischer funktioneller Gruppen liegen oberhalb 1400 cm/1 und sind im IR-Spektrum relativ sicher zuzuordnen. Unterhalb 1400 cm/1 erscheinen neben den Absorptionen einiger C/X-Valenzschwingungen (X = O, N, Halogen, Tab. 28.5) jene der Deformationsschwingungen (Abb. 28.9). In diesem Bereich liegen jedoch auch Absorptionen von Schwingungen, die das Molekülgerüst teilweise oder als Ganzes erfassen. Diese niederfrequenten Gerüstschwingungen können meist nicht zugeordnet werden und erschweren zudem häufig die Zuordnung der Gruppenschwingungen unterhalb 1400 cm/1. Das Absorptionsmuster ist jedoch gerade dort charakteristisch für jedes Molekül. Deshalb bezeichnet man den Bereich zwischen 1400 und 400 cm/1 als das Fingerabdruck-Gebiet des Infrarotspektrums.

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486

28

Molekülspektroskopie zur Strukturaufklärung

Tab. 28.5. Typische IR-Absorptionsbereiche (Valenzschwingungen) einiger funktioneller Gruppen IR-Absorptionsbereich Intensität * [cm /1]

Gruppe

Verbindungsklasse(n)

3 700 / 3 500 3 600 / 3 200 3 200 / 2 500

s s breit v breit

OH OH OH

3 500 / 3 300

m

NH 2 ,

NH ,

NH

3 400 / 3 100

s breit

NH 2 ,

NH ,

NH (assoziiert)

2 600 / 2 550

w

SH

Thiole, Thiophenole

3 400 / 3 100

s

3 100 / 3 000

w

C H CH 2 X

Cyclopropane, Oxirane

3 100 / 2 900

m

Alkohole, Phenole, Enole, Carbonsäuren (intermolekulare H-Brücke) (intramolekulare H-Brücke) Amine, Amide, Imine

terminale Alkine

C H

Alkene, Aromaten

O 2 900 / 2 700

w

C H

Aldehyde

2 900 / 2 800

m

C H

Alkyl-Gruppen (an C- und Heteroatomen)

2 320 / 2 230

s

N N

Diazonium-Salze

2 300 / 2 200

v

C N, N C O

Nitrile, Isocyanate

2 260 / 2 100

w

C C

Alkine

2 160 / 2 130

s

N C N

Carbodiimide

2 190 / 1 990

s breit

N C S

Isothiocyanate

2 000 / 1 900

m

C C C

Allene (Kumulene)

1 800 / 1 600

s

C O

Carbonsäure und Derivate, Aldehyde, Ketone, Harnstoffe, Urethane, Thiocarbonyl-Verbindungen

1 700 / 1 450

v

C C

Alkene, Aromaten

1 680 / 1 630

v

C N

Imine

1 600 / 1 400

s

N O

Nitroso-Verbindungen

1 600 / 1 300

s

N O

Nitro-Verbindungen

O 1 580 / 1 550

v

N N

Azo-Verbindungen

1 400 / 1 100

s

S O, O S O

Sulfoxide, Sulfone, Sulfonsäuren, Sulfite

1 300 /

900

s

C O

Alkohole, Ether, Ester, Lactone

1 200 /

900

s

C N

Amine, Amide

s

C

1 400 / 1 050 600

s

X, X= F X = Cl

Fluoralkane

800 / 750 /

500 < 600

s

X = Br

Bromalkane

s

X= I

Iodalkane

Chloralkane

* Intensitätsangaben : s : stark ; m : mittel ; v : variierend; w (von weak) : schwach

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28.3

Infrarotspektroskopie

28.3.5

487

Anwendungsbereiche

Identitätsprüfung Zahlreiche IR-Spektren authentischer Verbindungen sind in Spektrenkatalogen und auf Datenträgern gesammelt. Mit Hilfe solcher Kataloge und Dateien ist es möglich, die Identität einer Verbindung durch (Computer-)Vergleich ihres IR-Spektrums mit dem einer authentischen Probe sicherzustellen. Die Aufnahmebedingungen für die zu vergleichenden Spektren müssen gleich sein. Identitätsprüfungen durch IR-Spektrenvergleich sind treffsicherer als viele andere Methoden, denn die Übereinstimmung sämtlicher der oft zahlreichen IR-Banden zweier gleicher Verbindungen beweist mehr als z. B. die Einzelinformation des Mischschmelzpunktes oder des Brechungsindexes. Identifizierung funktioneller Gruppen Zahlreiche funktionelle Gruppen können anhand der Lage ihrer Valenzschwingungs-Banden im IR-Spektrum identifiziert werden (Tab. 28.5). So zeigt Abb. 28.11 die Nitril-Funktion (2240 cm/1) sowie die C/O-Schwingung der Ethoxy-Gruppe (1020 cm/1) neben den C/H-Valenzschwingungen der olefinischen und gesättigten CH-Fragmente (3060 und 2970 cm/1), der C=C-Valenzschwingung (1620 cm/1) und der olefinischen C/H-out-of-plane-Schwingung (890 cm/1) des Ethoxymethylenmalodinitrils.

Abb 28.11. IR-Spektrum des Ethoxymethylenmalodinitrils (KBr-Preßling)

Bei manchen funktionellen Gruppen erhöht sich die Treffsicherheit der Zuordnung, weil sie mehrere typische Absorptionsbanden aufweisen. Gruppen vom Typ XY2 zeigen z. B. je eine asymmetrische und eine symmetrische Valenzschwingung. Beispiele sind Methylen-, primäre Aminosowie Nitro-Gruppen, wobei asymmetrische Schwingungen höherfrequent liegen als symmetrische (Tab. 28.6). Tab. 28.6. Asymmetrische und symmetrische Valenzschwingungen von XY2-Gruppen

p"as

p"s

XY 2

~ [cm/1]

~ [cm/1]

CH 2 NH 2 NO2

3 000 3 350 1 500

2 900 3 150 1 350

Beispiel Abb. 28.13 CONH2 , SO2NH2 Abb. 28.12

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488

28

Molekülspektroskopie zur Strukturaufklärung

Unterscheidung von Isomeren (E)-(Z)-isomere Alkene Wie die Vergleiche in Tab. 28.7 zeigen, erkennt man die (G")-Alkene oft an einer C/HDeformationsbande zwischen 850 und 1000 cm/1, die bei den (Z )-Isomeren deutlich längerwellig verschoben ist. Tab. 28.7. C-H-Deformationsschwingungen (iCH) einiger (E)- und (Z)-Alkene X

Verbindung

X

2,5-Dimethyl-3-hexen Stilben 1,2-Dimethoxyethen 1,2-Dichlorethen

CH(CH3)2 C6H 5 OCH3 Cl

H C C H X ~ [cm/1] 969 958 953 890

X

X C C H H ~ [cm/1] 947 921 909 845

Probe rein in Cyclohexan rein rein

Abb. 28.12. IR-Spektren von o-Nitroacetanilid (N-Acetyl-2-nitroanilin) (a), 1,3-Diacetylbenzen (b) und pXylylendichlorid [1,4-Bis-(chlormethyl)-benzen] (c); Proben: KBr-Preßlinge

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28.3

Infrarotspektroskopie

489

Stellungsisomere Benzen-Derivate Zwei C/H-Deformationsschwingungen (iCH) mit 750 ± 20 und 700 ± 20 cm/1 kennzeichnen monosubstituierte Benzen-Ringe (Abb. 28.10). Bei mehrfach substituierten Benzen-Derivaten hängt die Frequenz dieser Schwingungen vom Substitutionsmuster ab, wie Tab. 28.8 zeigt. Die Lage der Banden zwischen 700 und 900 cm/1 ermöglicht daher eine Unterscheidung zwischen o-, m- und pdisubstituierten Benzenen (Abb. 28.12, a - c). Tab. 28.8. Substitutionsmuster des Benzens und Lage der C/H-Deformationsschwingungen (iCH) zwischen 700 1 und 900 cm/

i"CH [cm/1] 700 750 690 830 880

+ / + / + / + /

20 20 30 30 + / 20

Substitutionsmuster

und 750 + / 20

monosubstituiert o-disubstuiert m-di- sowie 1,2,3-trisubstituiert p-disubstituiert 1,2,4-trisubstituiert

und 780 + / 20 und 830 + / 30

Nachweis von Konstitutionsmerkmalen Konjugation von Mehrfachbindungen Die Valenzschwingungen der CC- und CX-Mehrfachbindungen sind meist intensiver und immer nach längeren Wellen verschoben, wenn sie sich in Konjugation zu einer anderen i-Bindung befinden. Einige Beispiele illustrieren in Tab. 28.9 und Abb. 28.13 diese zum Nachweis einer Konjugation nützliche Bandenverschiebung. Tab. 28.9. Konjugationseinflüsse auf die Valenzschwingungen von CC- und CX-Mehrfachbindungen eine Mehrfachbindung

zwei Mehrfachbindungen konjugiert

pCC = 1 650 cm /1

1-Buten

isoliert pCC = 1 597 cm /1

1,3-Butadien

C N Propionitril

pCN = 2 246 cm /1

pCN = 2 227 cm /1 pCC = 1 607 cm /1

C N Acrylnitril

pCC = 1 652 cm /1

Cyclohexen

pCC = 1 576 cm /1

1,3-Cyclohexadien O

pCC = 1 639 cm /1

1,4-Cyclohexadien pCO = 1 680 cm /1 pCC = 1 620 cm /1

2-Cyclohexenon O

O pCO = 1 710 cm /1

Cyclohexanon

O pCO = 1 643 cm /1

O 1,2-Cyclohexandion

pCO = 1 730 cm /1

O 1,4-Cyclohexandion

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490

28

Molekülspektroskopie zur Strukturaufklärung

Abb. 28.13. IR-Spektren von Cyclohexanon (a) und 2-Cyclohexenon (b); Proben: Flüssigkeitsfilme. Man beachte die Konjugationsverschiebung der Carbonyl-Bande in Spektrum (b)

Kumulation von Doppelbindungen Kumulierte Doppelbindungen schwingen erheblich höherfrequent (pCC, pCX < 1800 cm/1), wie Tab. 28.5 u. a. für die vergleichbaren Paare Alken / Allen und Imin / Carbodiimid zeigt. Ringspannung von Cycloalkanen Ein nützlicher Test auf die Ringgröße bzw. Ringspannung bei Cycloaliphaten beruht auf der Zunahme der Frequenz asymmetrischer und symmetrischer CH2-Valenzschwingungen vom Cyclohexan zum Cyclopropan (Tab. 28.10). Auch die Carbonyl-Bande von Cycloalkanonen wird mit wachsender Ringspannung höherfrequent (Tab. 28.10). Weniger gespannte sechs- und höhergliedrige Ringe zeigen dagegen nur geringfügige Unterschiede. Tab. 28.10. Einfluß der Cycloalkan-Ringspannung auf die CH2- und C=O-Valenzschwingungen Ringgröße

12 8 7 6 5 4 3

Cycloalkan pCH [cm/1] asymmetrisch symmetrisch 2 909 2 915 2 922 2 924 2 963 2 970 3 026

2 870 2 850 2 853 2 852 2 868 2 929 3 015

Cycloalkanon pCO [cm/1] 1 704 1 702 1 700 1 710 1 742 1 784 ----

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28.3

Infrarotspektroskopie

491

Wasserstoffbrücken Lage und Form der OH-Valenzbande im IR-Spektrum von Alkoholen, Phenolen, Enolen und Carbonsäuren gestatten Rückschlüsse auf Ausmaß und Art der Wasserstoffbrückenbindung in diesen Stoffklassen. Liegt die OH-Bande scharf zwischen 3500 und 3700 cm/1, so ist die Hydroxy-Gruppe nicht assoziiert. Diese Bande findet man z. B. in den IR-Spektren von Alkoholdämpfen. Erscheint sie auch im flüssigen Zustand, so ist die Bildung von Wasserstoffbrücken behindert, z. B. durch sperrige Gruppen. Findet man eine breite OH-Bande zwischen 3600 und 3200 cm/1, so sind die Hydroxy-Gruppen über intermolekulare Wasserstoffbrücken assoziiert (polymere OH-Bande). Die Assoziationsverschiebung der OH-Bande beruht auf einer Verlängerung der OH-Bindung, wodurch sich die O/HSchwingungsfrequenz erniedrigt. Die intermolekularen Wasserstoffbrücken eines Alkohols brechen, wenn man mit Lösemittel (z. B. CCl4) stark verdünnt. Die breite Absorption durch assoziiertes OH (3200 - 3500 cm/1) nimmt dann zugunsten der freien OH-Bande bei 3600 - 3650 cm/1 ab (Abb. 28.14).

Abb. 28.14. O/H- und C/H-Valenzschwingungen im IR-Spektrum von Ethanol, aufgenommen in Reinsubstanz (/) und verdünnt (2 Vol. %) in Tetrachlormethan (...)

Verbindungen mit intramolekularen chelatartigen Wasserstoffbrücken, z. B. Salicylaldehyd oder die Enol-Form des Acetylacetons, zeigen dagegen konzentrationsunabhängige OH-Banden zwischen 3200 und 2500 cm/1. Insofern kann man durch IR-Messungen bei verschiedenen Konzentrationen zwischen inter- und intramolekularen Wasserstoffbrücken unterscheiden.

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492

28

Molekülspektroskopie zur Strukturaufklärung

Quantitative Analyse Da das LAMBERT-BEERsche Gesetz (Gl. 28.2) für alle Absorptionsspektren gilt, kann man auch die IR-Spektroskopie zur quantitativen Analyse (Gehaltsbestimmung) heranziehen. Hierzu wird im IR-Spektrum der zu bestimmenden reinen Verbindung eine Bande gesucht, die nur bei dieser Verbindung vorkommt. Dann mißt man für diese Analysenbande bei bekannten Konzentrationen (c) die Eichkurve (z. B. % Durchlässigkeit = f(c), vgl. Abb. 28.4), aus der sich anhand der gemessenen Durchlässigkeiten Konzentrationen bestimmen lassen.

28.4 RAMAN-Spektroskopie 28.4.1

RAMAN-Streuung

Die Frequenzen von Molekülschwingungen können auch unter Anwendung des RAMAN-Effektes bestimmt werden. Dieser zu den Streuerscheinungen gehörende Effekt beruht darauf, daß die Quanten sichtbaren Lichts mit der Energie hp0 beim Einfall in eine Meßlösung deren Moleküle zu Schwingungen anregen. Dabei verlieren sie Energie an das Molekül, d. h. sie werden als energieärmere Lichtquanten mit hp' < hp0 gestreut (STOKES-Streuung). Da sich bei Lichteinfall die meisten Moleküle im Schwingungsgrundzustand befinden, ist der umgekehrte Vorgang, nämlich die Abgabe von Schwingungsenergie an Photonen, weit weniger wahrscheinlich (hp > hp0), AntiSTOKES). Im seitlichen Streulicht der Meßlösung werden somit starke, relativ zur Erregerstrahlung (hp0) längerwellige Streumaxima hp' < hp0 beobachtet, die sog. STOKES-Banden. Wesentlich intensitätsschwächer ist indessen das im Vergleich zum einfallenden Licht kürzerwellige Anti-STOKESSpektrum (hp > hp0) der Streuung.

28.4.2

RAMAN-Spektrum

Das RAMAN-Streuspektrum wird meist durch monochromatische Laser-Bestrahlung der Probe angeregt. Die Laser-Anregung erhöht die Empfindlichkeit der Methode wesentlich. Zur Aufnahme des Spektrums wird das durch die Probe senkrecht zur einfallenden Strahlung gestreute Licht durch einen Monochromator (Prisma) analysiert. Der vom Monochromator gesteuerte Schreiber registriert die photometrisch ermittelte Intensität der intensiveren STOKES-Banden als Funktion ihres Abstandes von der Erregerlinie in Wellenzahlen (cm/1). Man erhält so das für die gemessene Substanz spezifische (Laser-) RAMAN-Spektrum.

28.4.3

Anwendung von RAMAN-Spektren

Da die Energiedifferenzen (hp0 – hp´ ) von STOKES-Banden und Erregerstrahlung die Schwingungsfrequenzen des Moleküls wiedergeben, entspricht das RAMAN-Spektrum dem Schwingungsspektrum des Moleküls und ergänzt die Aussagen der IR-Spektroskopie. Eine Molekülschwingung ist bekanntlich IR-aktiv und damit im IR-Spektrum als intensive Bande erkennbar, wenn sie das Dipolmoment (Abschn. 28.3.3) zeitlich verändert. RAMAN-aktiv ist die Schwingung, wenn sie die Polarisierbarkeit (die Deformierbarkeit der Elektronenorbitale) des Moleküls zeitlich ändert. Viele Schwingungen sind sowohl IR- als auch RAMAN-aktiv. Andere sind jedoch aus Gründen der Molekülsymmetrie IR-inaktiv, so z. B. die C»C-Valenzschwingung symmetrischer Alkine (Abb.

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28.4

Raman-Spektroskopie

493

28.8). Gerade bei diesen Schwingungen ändert sich jedoch häufig die Polarisierbarkeit, so daß man im RAMAN-Spektrum eine starke Streuung beobachtet. Daher vervollständigt das RAMANSpektrum die Analyse des Infrarotspektrums. So erscheint im IR-Spektrum des Acetylendicarbonsäurediethylesters (Abb. 28.15 a) aus Symmetriegründen keine Absorption für die CC-Dreifachbindung. Die RAMAN-Streuung ist jedoch gerade bei dieser Frequenz (pC»C = 2248 cm/1) am intensivsten (Abb. 28.15 b).

Abb. 28.15. Infrarot (a) und Laser-RAMAN-Spektrum (b) von Acetylendicarbonsäurediethylester nach SCHRADER, B. und MEIER, W. (1974), Raman-IR-Atlas, Verlag Chemie, Weinheim

Mono-, 1,3-di- und 1,3,5-trisubstituierte Benzen-Ringe und vergleichbar substituierte Pyridine erkennt man im RAMAN-Spektrum an der "Davidstern"-Bande bei 1000 cm/1; eine bei 1030 cm/1 zusätzlich auftretende schwächere Bande kennzeichnet dabei einen monosubstituierten BenzenRing. Cycloalkan-Derivate zeigen im RAMAN-Spektrum eine intensive "Ringatmungs"-Bande, deren Frequenz mit der Ringspannung zunimmt (Cyclohexan: 800, Cyclopentan: 900, Cyclobutan: 1000, Cyclopropan: 1200 cm/1). Auch die im IR-Spektrum nur schwachen Gruppenschwingungen symmetrischer Alkyl-Reste geben sich im RAMAN-Spektrum durch intensive Banden zu erkennen (iPropyl-: 800 - 850 cm/1; t-Butyl: 700 - 750 cm/1). Ebenso wie die IR-Absorption ist die Intensität der RAMAN-Streuung der Konzentration an Substanz proportional. Daher wird die RAMAN-Spektroskopie in beschränktem Umfang auch als Hilfsmittel der quantitativen Analyse genutzt. Ihr wesentlicher Vorteil gegenüber der IRSpektroskopie ist das Fehlen der Alkalihalogenid-Optik, so daß die Schwingungsspektren von Molekülen auch in wäßrigen Lösungen gemessen werden können.

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494

28

Molekülspektroskopie zur Strukturaufklärung

28.5 Kernmagnetische Resonanz 28.5.1

Kernpräzession und Kernspin-Zustände

Kernmagnetische Resonanz (englisch: nuclear magnetic resonance, daher die Abkürzung NMR) beobachtet man bei Atomkernen, die einen mechanischen Drehimpuls, den Kernspin (p), besitzen. Solche Atomkerne sind z. B. das Proton 1H, das seltene Kohlenstoff-Isotop 13C, Fluor 19F und Phosphor 31P, nicht jedoch die häufigsten Isotopen des Kohlen- und Sauerstoffs, 12C und 16O. Die durch den Spin bewegte Kernladung verleiht dem Atomkern ein magnetisches Moment (o), dessen Betrag das i - fache des mechanischen Drehimpulses p ist ( o = i p ). Die Kernkonstante i bezeichnet man als gyromagnetisches Verhältnis. Ein Kern mit Spin kann also mit Magnetfeldern wechselwirken. Bringt man ihn in ein statisches (= zeitlich konstantes) Magnetfeld der Kraftflußdichte B0, so präzessiert seine Drehimpulsachse um die Richtung dieses Feldes (Abb. 28.16). Die Frequenz p0 dieser Kernpräzession ist auch als Larmorfrequenz bekannt und umso größer, je stärker man das Magnetfeld B0 einstellt: p0

i

=

___ B 0 2r

(Larmor-Gleichung 28.2)

B0

E

z

B0

p0 FE y x

0

Abb. 28.16. Kernspin-Präzession im statischen Magnetfeld

B0

Abb. 28.17. Kernspin-Energiezustände (Präzessionseinstellungen) von Atomkernen mit I = 1/2 im statischen Magnetfeld der Kraftflußdichte B0

Die Präzessionsfrequenzen liegen im MHz-Bereich (UKW) und unterscheiden sich infolge der charakteristischen gyromagnetischen Koeffizienten von Kernsorte zu Kernsorte. In einem Feld mit B0 = 9.2 T (Tesla) präzessieren die Protonen z. B. mit 400 MHz, Kohlenstoff-13-Kerne dagegen nur mit 100 MHz. Die Anzahl m der Präzessionseinstellungen bezüglich der Richtung des Magnetfeldes wird nach der quantenmechanischen Beziehung (28.3) m=2I-1

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28.5

Kernmagnetische Resonanz

495

durch die Kernspinquantenzahl I festgelegt. Infolge dieser Richtungsquantelung gibt es für die bereits erwähnten Kerne 1H, 13C, 19F und 31P mit I = 1/2 entsprechend m=2x½ -1

(28.4)

zwei Möglichkeiten der Präzession, um die Magnetfeldrichtung und entgegengesetzt (Abb. 28.17). Diese beiden Kernspin-Zustände unterscheiden sich durch ihre potentielle Energie, wobei der Energieunterschied mit der Kraftflußdichte B0 des Magnetfeldes wächst (Abb. 28.17). Der energieärmere Zustand, d. h. die Präzession um Feldrichtung, wird von den Atomkernen bevorzugt. Bringt man also eine Kernmenge als Probe in das Magnetfeld, so werden mehr Kerne energieärmer präzessieren (Abb. 28.17). Der Besetzungsunterschied und die davon abhängige Empfindlichkeit des NMR-Experiments steigen mit der Kraftflußdichte B0 des Magnetfelds.

28.5.2

NMR-Spektrometer und NMR-Spektrum

Im Kernresonanzexperiment regt man die Atomkerne auf den energiereicheren Präzessionszustand an. Diese Anregung erfordert Energiequanten (hp1) elektromagnetischer Strahlung. Die Frequenz (p1) dieser Strahlung muß sich dabei in Resonanz mit der Kernpräzession (p0) befinden (hp1 = hp0) und somit im Radiofrequenzbereich liegen. Das Umklappen der Präzessionsrichtung erzeugt in der Probe ein magnetisches Wechselfeld, das man mit Hilfe einer Induktionsspule als Kerninduktionsstrom nachweisen kann. Daraus ergibt sich die in Abb. 28.18 skizzierte Grundanordnung eines Kernresonanzspektrometers. Zentraler Bauteil moderner NMR-Spektrometer ist ein Kryomagnet, dessen mit flüssigem Helium auf Temperaturen nahe am absoluten Nullpunkt gekühlte supraleitende Magnetspule (meist aus einer Niob-Titan-Legierung) im zylindrischen Innenraum ein starkes Magnetfeld längs der Spulenachse erzeugt. Dieses Magnetfeld führt die bevorzugte Besetzung des energieärmeren KernspinEnergiezustands nach Abb. 28.17 herbei und macht das Kernspin-System in der Probe anregbar. Die zur Anregung erforderliche Radiofrequenz p1 erzeugt man mit einem rechnergesteuerten Sender und führt sie durch eine Spule der im Probenkopf befindlichen Probe im Glasröhrchen zu. Den Kerninduktionsstrom, das NMR-Signal, empfängt man mit der im „timesharing“ auf Sendung und Empfang schaltbaren, konzentrisch um die Probe gewickelten Spule (Senderspule = Empfangsspule) und verarbeitet das Signal über den Empfänger im Rechner des Spektrometers.

flüssiges Helium flüssiger Stickstoff

B0 Rechner

Probenröhrchen Probenkopf supraleitende Magnetspule

Sender

Empfänger Drucker

Abb. 28.18. Vereinfachtes Bauprinzip eines Kryomagnet-Kernresonanzspektrometers

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496

28

Molekülspektroskopie zur Strukturaufklärung

Zur Beobachtung der Kernresonanz kann man zwei Verfahren anwenden: Das ältere Frequenzabtast-Verfahren (engl.: frequency sweep) variiert langsam die Frequenz des Senders. Ein Schreiber, dessen Vorschub der Sender ansteuert, registriert die Signalintensität als Funktion der Frequenz, die als NMR-Spektrum bezeichnete Folge der Präzessionsfrequenzen (NMR-Signale, Abb. 28.19) . Der Kernresonanzvorgang kann auch durch einen kurzzeitigen Radiofrequenz-Impuls angeregt werden. Nach dessen Ende registriert der Empfänger ein exponentiell abklingendes Signal F(t), das aus der Überlagerung aller möglichen Resonanzen einer Kernspinsorte entsteht. Dieses Impulsinterferogramm läßt sich mit Hilfe eines Rechners in das NMR-Spektrum, die Funktion der Frequenzen f(p), FOURIER-transformieren. Der große Vorteil dieses in fast allen NMR-Spektrometern angewendeten Puls-Fourier-Transformations-Verfahrens (PFT- oder FT-NMR) ist ein wesentlich geringerer Meßzeitaufwand.

28.5.3

Chemische Verschiebungen

Im Protonen-Kernresonanzspektrum (1H-NMR-Spektrum) der Phenylessigsäure erkennt man für die drei chemisch verschiedenen Protonensorten drei Signale (Abb. 28.19 a,b). Die Präzessionsfrequenz eines Atomkerns im Magnetfeld hängt also von seiner chemischen Umgebung im Molekül ab. Man bezeichnet dies als die chemische Verschiebung, auf der u. a. die Anwendbarkeit der NMR-Spektroskopie bei der Strukturaufklärung beruht. Zur Erklärung der chemischen Verschiebung stellt man sich vor, daß ein Atomkern im Molekülverband durch innermolekulare Felder vom äußeren Magnetfeld (B0) abgeschirmt wird. Das Abschirmfeld ist dem äußeren Feld B0 entgegengerichtet; ein starkes Abschirmfeld verringert, ein schwaches vergrößert die Larmorfrequenz eines Kerns im Molekül.

28.5.4

Messung chemischer Verschiebungen

Nach Gl. 28.3 wird ein NMR-Spektrum proportional zur Magnetfeldstärke aufgespreizt, wie ein Vergleich der Spektren a und b in Abb. 28.19 bestätigt. Es gibt also keine Absolutskala chemischer Verschiebungen. Daher definiert man das Signal einer Standardsubstanz, die man der Probenlösung zugibt, als "Nullpunkt" der Verschiebungsskala. Bezugspunkt der Protonenresonanz ist das 1H-Signal der Methyl-Protonen des Tetramethylsilans [(CH3)4 Si, "TMS", Abb. 28.19]. Das einzige Signal dieses chemisch weitgehend inerten Standards liegt außerhalb des Bereichs der häufigsten Protonensignale organischer Verbindungen und ist infolge zwölf äquivalenter MethylProtonen so intensiv, daß es auch bei geringen Konzentrationen beobachtet werden kann. Zur Messung der Verschiebung eines Protonen-Signales bestimmt man zunächst den Frequenzabstand (Fp) in Hz zum TMS-Signal. Dieser Wert hängt jedoch von der Magnetfeldstärke ab (Abb. 28.19 a,b). Um feld- und damit geräteabhängige Parameter zu bekommen, dividiert man die Differenzen (Fp) durch die der Magnetfeldstärke proportionale Präzessionsfrequenz p0(TMS) der TMSProtonen, die Meßfrequenz des Spektrometers. So ergibt sich die feldunabhängige f-Skala der chemischen Verschiebung: f =

Fp ______ p0(TMS)

(28.6)

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28.5

Kernmagnetische Resonanz

497

1

Abb. 28.19. H-NMR-Spektrum der Phenylessigsäure in Deuteriochloroform als Lösemittel mit Tetramethylsilan (TMS) als Standard; (a) bei 1.4 Tesla magnetischer Kraftflußdichte (60 MHz-Gerät); (b) bei 2.1 Tesla (90 MHzGerät); (c) Integral des Spektrums (b). Die Spektren (a) und (b) wurden im gleichen Frequenzmaßstab aufgezeichnet. Die Frequenzdispersion in Spektrum (b) erhöht sich im Vergleich zu (a) um 1.5, weil das Magnetfeld um diesen Faktor verstärkt wurde

f-Werte sind als Quotienten zweier Frequenzen dimensionslose Einheiten von 10/6 oder ppm (Hz:MHz = 1 : 106 oder 1 part per million, daraus das Kürzel ppm). Konventionsgemäß werden f-

Werte ohne "ppm" angegeben; für das Carboxy-Proton der Phenylessigsäure (Abb. 28.19) schreibt man fCOOH = 11.75. Abb. 28.20 zeigt die von der Kraftflußdichte B0 unabhängige f-Skala der Protonen-Verschiebung. Beispiele zur Ermittlung von f-Werten finden sich in Abb. 28.19.

feldabhängig

Hz 4800 4400 4000 3600 3200 2800 2400 2000 1600 1200

800

400

Hz 1200 1100 1000 900

300

200

100

3

2

1

ppm 12

11

10

9

800

700

8

7

600

500

400

6 5 4 feldunabhängig

0 /"400 /"800 Fp 0 /"100 /"200 Fp 0 TMS

1

2

400 MHz100 MHzSpektrometer - Skala

Abb. 28.20. f-Skala der H-Verschiebung (fH) 1

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498

28

Molekülspektroskopie zur Strukturaufklärung

Ein großer f-Wert (große Larmorfrequenz) ist nach Gleichung 28.3 die Folge eines schwachen Abschirmfeldes. Man bezeichnet das zugehörige Proton als wenig abgeschirmt oder entschirmt; sein Signal erscheint bei "tiefem Feld". Umgekehrt sind kleine f-Werte die Folge großer Abschirmfelder (abgeschirmte Kerne; Signale bei "hohem Feld"). Zur Gewöhnung an diese Ausdrucksweise kann man das 1H-NMR-Spektrum der Phenylessigsäure (Abb. 28.19) durch die folgenden gleichbedeutenden Formulierungen beschreiben: f"(CO2H) > f"(C6H5) > f"(CH2) 1) 2) Die Abschirmung nimmt in der Folge Carboxy-, Aryl-, Methylen-Protonen zu. 3) Das Carboxy-Proton erscheint bei tiefstem, die Methylen-Protonen liegen bei höchstem (Abschirm-) Feld; dazwischen liegt das Signal der Aryl-Protonen.

28.5.5

Integration der Signale und quantitative Analyse

Mit Hilfe eines im Spektrometers eingebauten Integrators kann man die Flächenintegrale aller Signale aufzeichnen. Man erhält eine Treppenkurve wie in Abb. 28.19 c, aus deren Stufenhöhe das Zahlenverhältnis der chemisch verschiedenen Protonen folgt. Für Phenylessigsäure ist das Verhältnis der Stufenhöhen z. B. COOH : C6H5 : CH2 = 1 : 5 : 2 (Abb. 28.19 c); es bestätigt die Zuordnung der Signale. Eine weitere Anwendung findet die Integration von NMR-Spektren bei der quantitativen Analyse von Gemischen. Die Auswertung der Integrale im 1H-NMR-Spektrum des Acetylacetons (Abb. 28.21) ergibt z. B., daß dieses 1,3-Diketon zu 87 % in der Enol-Form vorliegt.

H 3C

C C

C

O

E-CH3

H

H H CH 3

H 3C

O

C C O

K 13 %

CH 3

C H

O

E 87 % 87 %

13 % E-CH E-OH

K-CH2

K-CH3 TMS

ppm 16

fH

15

5

4

3

2

1

0

1

Abb. 28.21. 80 MHz H-NMR-Spektrum des Acetylacetons; durch Integration der Methyl-Signale ergibt sich 13 % Keto-Form (K) und 87 % Enol-Form (E)

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28.5

Kernmagnetische Resonanz

28.5.6

499

Konstitutionsmerkmale und Protonen-Verschiebung

Bei der Strukturaufklärung nützt u. a. die Kenntnis der Zusammenhänge zwischen Konstitutionsmerkmalen und Protonen-Verschiebung. Polarität des gebundenen C-Atoms Die chemische Verschiebung eines Protons wird umso größer, je geringer die Ladungsdichte an einem benachbarten C-Atom ist, wie ein Vergleich der Werte von Propan und i-Propyl-Kation zeigt. Die Ladungsdichte am Kohlenstoff wird auch durch die Elektronegativität gebundener Substituenten erniedrigt (induktiver Effekt). Infolgedessen nimmt die Verschiebung eines Protons annähernd linear mit der Elektronegativität des Substituenten am c-Kohlenstoff zu, wie man an einigen Ethyl-Verbindungen in Tab. 28.11 erkennt. ̈"

Tab. 28.11. H-Verschiebungen fH von Propan, i-Propyl-Kation und einigen Ethyl-Verbindungen 1

CH 3

CH 3 Propan und i-Propyl-Kation

1.45 H 2C

13.50 H

0.91

3.20

3.43

H3C CH 2

I

1.83

5.06

CH 3

CH 3 H3C CH 2

C

3.57

Br

1.67

4.35

H 3C CH2

Cl

H3C CH 2

1.48

F

1.27

Ethyl-Verbindungen 1.26

2.51

2.51

3.42

(H3C CH 2)2CH2

(H3C CH 2)2S

(H 3C CH2)2NH

(H3C CH 2)2O

0.89

1.23

1.03

1.15

Anisotropieeffekte von Mehrfachbindungen Die r-Elektronen von Mehrfachbindungen erzeugen anisotrope (d. h. richtungsabhängige) innermolekulare Magnetfelder. Infolgedessen hängt die chemische Verschiebung eines Protons von seiner räumlichen Anordnung bezüglich einer Mehrfachbindung ab. Werden abschirmende Feldregionen in der Nähe von r-Bindungen als "+", entschirmende als "/" gekennzeichnet, so läßt sich die anisotrope Feldeinwirkung von Mehrfachbindungen auf die 1H-Verschiebung anhand doppelkegelförmig begrenzter Feldbereiche (Abb. 28.22) einprägen. Ein Alkin-H- (fH = 2 - 3) ist demnach stärker abgeschirmt als ein Alken-H-Atom (fH = 4.5 - 6.5).

̈"

/ : Entschirmung

+ : Abschirmung /

R

+ C C H

Alkine: fH = 2-3

R

R

+ C

C

R

R

/ H

/ H

Alkene: fH = 4.5-7

+ C

O

Aldehyde: fH = 9-10

Abb. 28.22. Anisotrope innermolekulare Magnetfelder von CC-Dreifach-, CC- und CO-Doppelbindungen

Besonders große Verschiebungen (fH > 8) zeigen die Aldehyd-Protonen, weil sie erstens im entschirmenden Feldbereich der Carbonyl-r-Bindung liegen (Abb. 28.22) und zweitens von der geringen Elektronendichte am Carbonyl-C betroffen sind (Carbonyl-Mesomerie): Carbonyl-Mesomerie

C OI _

_ C OI _

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500

28

Molekülspektroskopie zur Strukturaufklärung

Die anisotropen Felder haben eine beachtliche Reichweite. So liegen die von der CarbonylGruppe flankierten Methyl-Protonen des Pulegons noch im Entschirmungs-Bereich der Carbonylr-Bindung, wie man an der 1H-Verschiebung erkennt:

Pulegon

O 1.77 H 3C

CH3 1.95

Im Vergleich zu Alken-Protonen zeigen Benzen-Protonen deutlich größere Verschiebungen (fH = 7.3). Zur Erklärung geht man davon aus, daß das r-Elektronensextett des Benzens im Magnetfeld zirkuliert, also einer Stromschleife gleicht. Das so erzeugte "Ringstrom-Feld" ist dem angelegten äußeren Magnetfeld am Ort der Benzen-Protonen gleichgerichtet, so daß sich die Larmorfrequenz erhöht (Entschirmung, Abb. 28.23). Inner-, ober- und unterhalb der Ebene des Benzen-Ringes wird das angelegte Magnetfeld dagegen geschwächt (Abb. 28.23). Dort befindliche Protonen werden abgeschirmt. Dementsprechend erscheint das Signal der zwölf äußeren Protonen des [18]Annulens (Abb. 28.23) bei fH = 8.9, während die inneren sechs Protonen stark abgeschirmt sind (fH = /1.8). Auch die Protonen-Verschiebungen von Ansa-Verbindungen zeigen den Einfluß des Ringstrom-Feldes: Die über der Ebene des Benzen-Ringes liegenden Methylen-Protonen des 1,4-Decamethylenbenzens (fH = 0.8) sind im Vergleich zu den anderen (fH = 2.6, Abb. 28.23) deutlich abgeschirmt. H

B0 H

H

H H

7.3

0.8

H H

2.6

H H

H

/ 1.8

8.9

H

H H

Benzen

H

H

H

H

H H

H H

H H [18]Annulen bei 0 °C

1,4-Decamethylenbenzen 1

Abb. 28.23. Ringstrom-Modell des Benzens und H-Verschiebungen des [18]Annulens sowie des 1,4Decamethylenbenzens

Die durch das Ringstrom-Modell erklärbare und im Vergleich zu Alkenen größere ProtonenVerschiebung von Aromaten (fH > 7) gilt als eines der experimentellen Aromatizitätskriterien. Mesomerie Die Ladungsdichte am C-Atom unterliegt vor allem in konjugierten Systemen dem Einfluß der Mesomerie. So findet man für c,d-ungesättigte Carbonyl-Verbindungen (Aldehyde, Ketone, Carbonsäuren und Derivate) eine deutliche Entschirmung der d-Protonen, weil durch Mesomerie die Ladungsdichte am d-C-Atom erniedrigt wird: ̈"

OI _

_ OI _

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28.5

Kernmagnetische Resonanz

501

Beispiele hierzu sind 2-Cyclohexenon und Fumarsäurediethylester. In Maleinsäurediethylester behindern dagegen zwei cis-ständige Ethoxy-Gruppen die Koplanarität der CC- und CO-Doppelbindungen, so daß die Alken-Protonen wieder stärker abgeschirmt werden. O

O

OC2H 5

6.05 H

6.83 H

O

7.05 H

6.28 H

O

OC 2H 5 OC 2H 5

H

H

O

OC 2H5 2-Cyclohexenon

Fumarsäurediethylester

Maleinsäurediethylester

Ähnlich können die Substituenteneffekte (Zi) auf die 1H-Verschiebungen der Protonen am BenzenRing erklärt werden: Typische (-)-M-Substituenten wie die Methoxy- und Dimethylamino-Gruppe erhöhen die Ladungsdichte insbesondere in o- und p-Stellung. Entsprechend stärker als im unsubstituierten Benzen werden die o- und p-Protonen abgeschirmt (Tab. 28.12). ID

D

D

D

(-)-M-Substituent (Elektronen-Donor D) am Benzen-Ring

Umgekehrt setzen (/)-M-Substituenten wie die Formyl-, Methoxycarbonyl- oder Cyano-Gruppe die Ladungsdichte in o- und p-Stellung herab, so daß die o- und p-Protonen im Vergleich zu denen des Benzens entschirmt sind (Tab. 28.12). A

A

A

A

(/)-M-Substituent (Elektronen-Akzeptor A) am Benzen-Ring

Tab. 28.12. Substituenteneffekte ( Zi = fC6H5X / f C6H6 ) auf die 1H-Verschiebung der Benzen-Protonen ( f C6H6 = 7.3 )

Substituent Klasse Beispiel

S u b s t i t u e n t e n e f f e k t e Zi Zo Zm Zp

(-)-M(Donor)

/CH2OH /CH3 /OCH 3 /N(CH3)2 /NH2

/ 0.1 / 0.17 / 0.43 / 0.6 / 0.6

/ 0.1 / 0.09 / 0.09 / 0.1 / 0.1

/ 0.1 / 0.18 / 0.37 / 0.62 / 0.62

/CN /CHO /CO2CH3 /NO2

0.27 0.58 0.74 0.95

0.11 0.21 0.07 0.17

0.3 0.27 0.2 0.33

(/)-M(Akzeptor)

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502

28

Molekülspektroskopie zur Strukturaufklärung

Intramolekulare elektrische Felder und VAN DER WAALS-Abstoßungen Die Ladungsverteilung entlang einer CH-Bindung kann sich unter dem Einfluß intramolekularer elektrischer Felder von polaren Gruppen verzerren. Ein Beispiel ist die überraschend große Entschirmung der o-Protonen des Nitrobenzens (Tab. 28.12). Offensichtlich wirkt der (/)-M-Effekt mit dem elektrischen Feld der Nitro-Gruppe zusammen. Letzteres verschiebt die u-Elektronen der o-CH-Bindungen zum Kohlenstoff hin; dies entschirmt die o-Protonen, erkennbar an ihrer erhöhten Verschiebung: ̈"

H O

das elektrische Feld der Nitro-Gruppe polarisiert die o-CH-Bindungen (Entschirmung an H, Abschirmung an C)

N O H

VAN DER WAALS-Wechselwirkungen resultieren aus der Überlagerung der VAN DER WAALSRadien einander zu nahe kommender H-Atome; dabei stoßen sich die s-Elektronenwolken der HAtome ab. Die damit verbundene sterisch induzierte Polarisierung der CH-Bindungen entschirmt die CH-Protonen. So sind die Methyl-Protonen des 1-Methylnaphthalens infolge der VAN DER WAALS-Abstoßung durch das peri-Proton deutlich weniger abgeschirmt als in 2-Methylnaphthalen, dessen Methyl-Verschiebung mit der des Toluens gut übereinstimmt. 2.75

H

H

H

H

2.40

H

H

2.36

H

H

H H H 1-Methylnaphthalen

2-Methylnaphthalen

H H H Toluen

Wasserstoffbrücken Ein H-Atom, welches eine Wasserstoffbrücke bildet, ist weniger abgeschirmt als ein "freies" H. Die Hydroxy-Protonen der Enole, Phenole und Carbonsäuren zeigen z. B. sehr große Assoziationsverschiebungen (fH = 9 - 17); Alkohol-Hydroxy-Gruppen weisen kleinere Protonen-Verschiebungen (fH < 6) auf. Da die Wasserstoffbrücke eine elektrostatische Bindung mit etwas kovalentem Anteil ist, erklärt man die Assoziationsverschiebung durch ein elektrisches Feld, welches die Ladungsdichte am Brücken-Proton senkt. Während bei intermolekularen Wasserstoffbrücken die Verschiebung des betroffenen Protons von der Konzentration abhängt, ist die Signallage der an intramolekularen Wasserstoffbrücken beteiligten Protonen nahezu konzentrationsunabhängig. So findet man für Methanol bei Verdünnung mit Tetrachlormethan eine Verschiebung nach höherem Feld, weil die WasserstoffbrückenAssoziation infolge Solvatation durch das Lösemittel abnimmt (Abb. 28.24 a). Dagegen ändert das 1 H-Signal des intramolekular gebundenen Enol-Protons in Hexafluoracetylaceton seine Lage kaum, wenn man verdünnt (Abb. 28.24 b). ̈"

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28.5

Kernmagnetische Resonanz

503

1

Abb. 28.24. 90 MHz H-NMR-Spektren von (a) Methanol und (b) Hexafluoracetylaceton, jeweils in Reinsubstanz (oben) und in verdünnter Tetrachlormethan-Lösung, 5 Vol. % (unten)

Für Amino- und Mercapto-Protonen beobachtet man ebenfalls Assoziationsverschiebungen. Selbst das H-Atom des Chloroforms kann mit starken Elektronenpaar-Donoren wie Acetonitril oder Pyridin eine schwache Wasserstoffbrücke bilden. Infolgedessen beobachtet man in diesen Lösemitteln eine etwas größere Verschiebung des Chloroform-Protons als in der reinen Probe. Cl3C H

I N C CH3

Cl3C H

IN

Wasserstoffbrücken von Chloroform mit Acetonitril und Pyridin

Protonen-Verschiebungen hängen demnach oft vom Lösemittel und von der Konzentration ab.

Chiralitätseinflüsse Enthält ein chirales Molekül der allgemeinen Konstitution

̈

Z Y

C

CH2

R

X

ein asymmetrisches Kohlenstoff-Atom (X Y Z), so befindet sich jedes der beiden MethylenProtonen H1 und H2 in jeder möglichen Konformation in unterschiedlicher (diastereotoper) chemischer Umgebung, wie die NEWMAN-Projektionen zeigen:

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504

28

Molekülspektroskopie zur Strukturaufklärung

H1

R Y

Z

Y

H2

H1

H2

X

H2 Z

Y

Z

R

R

H1

X

X

Beispiele für diese Diastereotopie sind die Methylen-Protonen des d-Acetoxybuttersäuremethylesters, OCOCH 3

H1

OCOCH 3 H 3C

CH2

C H

fH = 2.5 2.7

H2

CO2CH 3 H3C

H CO2CH 3

(S)-d-Acetoxybuttersäuremethylester

sowie die Isopropyl-Methyl-Protonen der c-Aminocarbonsäure Valin: H

H3C

H H 3N

C

CH3

CH(CH 3)2

fH = 0.83

CO2

NH3

O2C

0.9

H

D-Valin

Diastereotopie für Methylen-Protonen beobachtet man nicht nur bei Verknüpfung mit einem asymmetrischen C-Atom. Vielmehr wird die chemische Umgebung prochiraler Methylen-Protonen (Abschn. 17.9.1) trotz Molekülsymmetrie diastereotop, CH 2R R

CH 2

C Z

H2

H1

X CH 2

R X

Z R

weil die eine Methylen-Gruppe das benachbarte Kohlenstoff-Atom asymmetrisch "sieht", obwohl das Molekül insgesamt nicht chiral ist.

Dynamische Einflüsse Das 1H-NMR-Spektrum des N,N-Dimethylacetamids (Abb. 28.25) zeigt für die beiden N-MethylGruppen bei Temperaturen unterhalb 80 °C zwei Signale. Diese fallen bei 80 °C unter Verbreiterung zusammen. Man sagt, sie koaleszieren. Oberhalb 80 °C addieren sie sich zu einem einzigen, mit zunehmender Temperatur schärfer werdenden Signal. Der Temperatureinfluß auf die Lage der Protonen-Signale beruht im beschriebenen Beispiel darauf, daß die Amid-Bindung wegen der in Abb. 28.25 formulierten Mesomerie partiellen rCharakter hat; infolgedessen wird die Rotation der Dimethylamino-Gruppe behindert. Eine Methyl-Gruppe (fH = 3.0) steht nun cis, die andere trans zum Carbonyl-O-Atom (fH = 2.9). Bei tiefer ̈"

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28.5

Kernmagnetische Resonanz

505

Temperatur ist die Austauschfrequenz, d. h. die Geschwindigkeitskonstante (kr) der Dimethylamino-Rotation, im Vergleich zum Verschiebungsunterschied (Fp) der Methyl-Gruppen (fH = 0.1 oder 8 Hz bei 80 MHz in Abb. 28.25) klein. Erhöht man die Temperatur, so nimmt die Rotationsfrequenz zu, bis sie bei der Koaleszenztemperatur (Tc) nach Gleichnung 28.6 die Größenordnung des Verschiebungsunterschiedes Fp erreicht: kr =

r 2

Fp

(28.6)

1

Abb. 28.25. Temperaturabhängigkeit des H-NMR-Spektrums von N,N-Dimethylacetamid (75 Vol % in Hexadeuteriodimethylsulfoxid, 80 MHz)

Aus dieser Beziehung (28.6) kann man die Geschwindigkeitskonstante (kr) der Methyl-Rotation am Koaleszenzpunkt (Tc) ermitteln. Mit Fp"= 8 Hz (Abb. 28.25) ergibt sich z. B. kr = 17.8 s/1 bei 80 °C. Eine zweite Beziehung für kr ist die aus der Theorie der absoluten Geschwindigkeitskonstanten folgende EYRING-Gleichung (28.7): kr =

kT /FG/RT e h

(28.7)

k : BOLTZMANN-Konstante h : PLANCKsches Wirkungsquantum T : Temparatur in K R : Gaskonstante FG : freie Akltivierungsenthalpie (bei T in K)

Nach Logarithmieren, Einsetzen der Zahlenwerte für die Konstanten und Umrechnung auf Zehnerlogarithmus gestattet Gleichnung 28.7 die Ermittlung der freien molaren Aktivierungsenthalpie (FG) am Koaleszenzpunkt (Tc): FG = 19.1Tc (10.32 + lg Tc / kr ) . 10/3 [kJ / mol]

(28.7 a)

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506

28

Molekülspektroskopie zur Strukturaufklärung

Für die freie molare Aktivierungsenthalpie der Dimethylamino-Rotation in Dimethylacetamid ergibt sich z. B. mit kr = 17.8 s/1 und der Koaleszenztemperatur Tc = 353 K (80 °C, Abb. 28.25): FG353 = 78.5 kJ / mol = 18.7 kcal / mol

(28.7b)

Weitere Beispiele, auf welche die temperaturabhängige NMR-Spektroskopie im Bereich zwischen /"150 und +150 °C zum Studium dynamischer Einflüsse anwendbar ist, sind u. a. die behinderte Rotation in sperrig substituierten Ethan-Derivaten: H

V X

H

Y

X

W

W

Z

W Y

X

V

V

Z

Y

H Z

die Inversion am Amino-N-Atom, z. B. in Aziridinen, R N

N R

die Ringinversion von Cyclohexanen, R R

sowie die Valenztautomerisierungen, z. B. im Homotropiliden:

Empirische Auswertung von Protonen-Verschiebungen Protonen-Verschiebungen im 1H-NMR-Spektrum einer unbekannten Substanz gestatten oft direkte Aussagen über Ab- oder Anwesenheit bestimmter Gruppen. Besonders typische 1H-Verschiebungen zeigen u. a. Cyclopropan-, Alkin-, Methylenoxy-, Benzen- und Aldehyd-Protonen. Dagegen hängt die Lage der Signale von XH-Protonen (z. B. X = O, NH, NR, S) stark vom Lösemittel ab. Abb. 28.26 orientiert zusammenfassend über typische Bereiche der ProtonenVerschiebungen in organischen Stoffklassen. Viele organische Verbindungen kann man formal als Methan-Derivate auffassen. In diesen Fällen bewähren sich zur Zuordnung der Spektren empirisch ermittelte Substituenteninkremente zi (Tab. 28.13). Mit ihrer Hilfe und dem Verschiebungswert des Methans (fH = 0.23) kann man nach Gleichung 28.8 die chemische Verschiebung der CH2- und CH-Protonen in di- und trisubstituierten Methanen (X/CH2/Y bzw. XCHYZ) vorhersagen (SHOOLERY-Regel). Additivität der Inkremente wird dabei vorausgesetzt. fH = 0.23 + Uzi (28.8) ̈"

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28.5

Kernmagnetische Resonanz

507

Die Verschiebung der Methylen-Protonen in Phenylessigsäure ergibt sich z. B. nach Gleichung 28.8 und Tab. 28.13 als fH = 0.23 + zPhenyl + zCarboxy = 0.23 + 1.8 + 1.5 = 3.53 in guter Übereinstimmung mit der Messung (Abb. 28.19). Enol-OH Carbonsäure-OH Phenol-OH mit D2O austauschbare Alkanol-OH Protonen Amid-NH Amin-NH Thiol-/Thiophenol-SH Aldehyd-CH Heteroaromaten Aromaten Alken-CH Alkin-CH Acetal-CH R2CH/O/, RCH2/O/ CH3O/ CH3N< CH3S/ CH3 an C=C oder C=X Cyclopropan CH3 an Metall

r-Elektronenmangel (/)-M-substituiert (/)-M-substituiert

r-Elektronenüberschuß (-)-M-substituiert (-)-M-substituiert

R2CH/O/

H 15 14 13 12 11 10

9

8

7

6

RCH2/O/

5

4

3

2

1

0 /1

Abb. 28.26. Bereiche der Protonen-Verschiebungen in organischen Stoffklassen

Tab. 28.13. Substituenten-Inkremente zi (ppm) zur Vorhersage der f-Werte von Protonen in di- und trisubstituierten Methanen nach SHOOLERY Substituent CH3 CF 3 CR1 CR 2R3 C C H CO2R CONH2 COR C N C 6H5

zi 0.47 1.14 1.32 1.44 1.55 1.59 1.70 1.70 1.83

Substituent NR1R 2 SR I Br OR Cl OH OCOR OC6H 5

zi 0.57 1.64 1.82 2.33 2.36 2.53 2.56 3.13 3.23

Entsprechend gelingt die Vorhersage der 1H-Verschiebung benzoider Protonen in mehrfach substituierten Benzenen nach Gleichung 28.9 und Tab. 28.12: Man addiert zum Verschiebungswert des Benzens (fH = 7.26) je nach Stellung des Substituenten zum betrachteten Proton die ortho-, meta- oder para-Inkremente des bzw. der Substituenten: fH = 7.26 + Uzi z i = zo , zm , zp (28.9)

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508

28

Molekülspektroskopie zur Strukturaufklärung

Die gemessenen Verschiebungswerte (fH = 8.72, 8.47 und 7.28) der Ring-Protonen des 2,4Dinitroanisols lassen sich z. B. mit Hilfe der Methoxy- und Nitro-Inkremente nach Tab. 28.12 und Gleichung 28.10 befriedigend zuordnen. OCH 3 H 6 5

H

1 4

NO2 2 3

H

OCH3

+ 2 zo

NO2

= 7.26 / 0.1 + 1.8

= 8.96 (8.72)

f5-H = 7.26 + zmOCH + zo NO + zp NO = 7.26 / 0.1 + 0.9 + 0.3 = 8.36 (8.47) 3 2 2 = 7.26 / 0.4 + 0.4 = 7.26 (7.28) f6-H = 7.26 + zo OCH + 2 zm NO 3

NO2

28.5.7

f3-H = 7.26 + zm

2

Kopplungskonstanten

Spin-Spin-Kopplung Im H-NMR-Spektrum des Acetylaminomalonsäurediethylesters (Abb. 28.27) erscheint das Signal der durch die Carboxy-Gruppe von den übrigen Wasserstoff-Atomen des Moleküls isolierten Acetyl-Methyl-Protonen als Singulett (Einzelsignal) bei fH = 2.1. Alle anderen Signale des Spektrums spalten in Multipletts auf, offensichtlich, weil die zugehörigen H-Atome von chemisch verschiedenen Nachbar-Protonen flankiert sind.

̈"

1

1

Abb. 28.27. 90 MHz H-NMR-Spektrum des Acetylaminomalonsäurediethylesters in Deuteriochloroform (CDCl3) bei 30 °C

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28.5

Kernmagnetische Resonanz

509

Die Signalaufspaltung in Lösung ist eine Folge der indirekten Spin-Spin-Kopplung. Darunter versteht man eine durch kovalente Bindungen übertragene magnetische Wechselwirkung zwischen chemisch nicht äquivalenten Kernen. Die direkte Kopplung zwischen zwei Kernen durch den Raum wird nur im festen Zustand beobachtet. In der hochauflösenden NMR-Spektroskopie, die man zur Strukturaufklärung fast ausschließlich heranzieht, werden Lösungen untersucht. In Lösung wird die direkte Kopplung zwischen zwei Kernen durch die Molekülbewegung zeitlich ausgemittelt.

E

a

b

c hJAX / 4

E2

E2

B0 hJAX / 4

E1 E1

hJAX / 4

hJAX / 4

A

AX

AX

Einspin-System

Zweispin-System AX ohne Kopplung

Zweispin-System AX mit Kopplung JAX

zugehörige NMR-Spektren

fA

a

fX

fA

b

JAX

fX

fA

X-Dublett

A-Dublett

c

Abb. 28.28. Zur Erklärung der indirekten Spin-Spin-Kopplung: (a) Kernenergiezustände von Kern A im B0-Feld; (b) Aufspaltung der A-Zustände infolge der Präzession von Kern X im B0-Feld; (c) Stabilisierung (Senkung) und Destabilisierung (Hebung) der Energiezustände in (b) um die Energiebeträge hJAX / 4, infolgedessen unterschiedliche Energiebeträge FE1 und FE2 der beiden Übergänge und Aufspaltung der A- und X-Signale in Dubletts

Auf einen Kern A wirkt (neben B0 und innermolekularen Abschirmfeldern) auch das Zusatzfeld eines gebundenen Kernes X. Dieses entsteht, indem der Kern X mit IX = 1/2 seinerseits um die Feldrichtung präzessieren kann oder entgegengesetzt (Abb. 28.17). Infolgedessen spalten die Energiezustände von Kern A jeweils um denselben Energiebetrag auf (Abb. 28.28 a - b), wobei die Zustände energieärmer sind, bei denen auch Kern X um die Feldrichtung präzessiert. Nach der quantenmechanischen Auswahlregel (FIA = 1 und FIA = 0) sind für den Kern A zwei Übergänge möglich (vgl. die Pfeile in Abb. 28.28 b). Diese sind jedoch frequenzgleich und addieren sich im NMR-Spektrum zu einem Signal. Die Kerne A und X präzessieren infolge ihrer Wechselwirkung mit den Bindungselektronen jedoch nicht unabhängig voneinander (Kopplung). Im Falle der posi-

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510

28

Molekülspektroskopie zur Strukturaufklärung

tiven Kopplung stabilisieren die Bindungselektronen wegen des PAULI-Prinzips die antiparallele Präzession der Kerne A und X; gleichzeitig destabilisieren sie die Parallelpräzession um denselben Energiebetrag hJAX / 4 (Abb. 28.28 c). Die beiden möglichen Übergänge unterscheiden sich jetzt durch ihre Frequenz. Nach Abb. 28.28 c ergibt sich JAX als Frequenzdifferenz (FE2/"FE1) / h beider Übergänge, weil FE1 um zwei Teilbeträge hJAX / 4 ab-, FE2 dagegen um zwei Teilbeträge hJAX / 4 zunimmt. Als Folge der Kopplung mit Kern X spaltet das Signal von Kern A somit in ein Dublett mit dem Frequenzabstand JAX auf. Entsprechendes gilt für den Kern X. Die koppelnden Kerne A und X bilden ein aus zwei Dublettsignalen bestehendes AX-System (Abb. 28.28 c). Der Frequenzabstand (JAX) der Multiplettsignale wird als Kopplungskonstante bezeichnet und in Hz gemessen. JAX reflektiert ausschließlich die Wechselwirkung der Kerne A und X über die Bindungselektronen. Insofern ist die Kopplungskonstante im Gegensatz zum Frequenzbetrag der chemischen Verschiebung (Gl. 28.3) unabhängig von der Kraftflußdichte B0 . Spektren erster Ordnung und Aufspaltungsregeln Sind mehrere Kerne X mit IX = 1/2 an der Kopplung mit Kern A beteiligt, so gelten drei Aufspaltungsregeln: 1) Die Multiplizität (der Aufspaltungsgrad) des A-Signals folgt aus der Anzahl aller verschiedenen Gesamtspin-Präzessionen relativ zum Feld B0. Für n koppelnde Kerne X mit IX = 1/2 ergibt sich eine (n+1)-fache Aufspaltung (Abb. 28.29). 2) Die Intensitäten der Multiplett-Signale folgen aus der Anzahl energiegleicher GesamtspinEinstellungen. Sie verhalten sich für koppelnde Kerne X mit IX = 1/2 wie die n-ten Binominalkoeffizienten (1 : 1-Dublett; 1 : 2 : 1- Triplett; 1 : 3 : 3 : 1-Quartett; vgl. Abb. 28.29). 3) Sind mehrere Kerne magnetisch äquivalent, weil sie dieselbe chemische Verschiebung haben und mit allen anderen Kernen des Moleküls nicht koppeln oder gleiche Kopplungskonstanten zeigen, so beobachtet man keine Aufspaltung. Die Kopplung der MethylProtonen untereinander bewirkt also keine Aufspaltung des Methyl-Signals. Das AcetylSignal in Abb. 28.27 ist daher ein Singulett. ̈"

A-Teilspektren

B0 X-Spin-Kombinationen

relative Häufigkeit

1 : 1 A

Teilstruktur

CH CH

Spinsystem

AX

1 : 2 : 1 X

A

X

1 : 3 : 3 : 1 A

X

CH CH2

CH CH3

AX 2

AX 3

Abb. 28.29. Zur Erklärung der einfachen Aufspaltungsregeln für Kerne mit I = 1/2. Der X-Teil des Spektrums ist in allen drei Fällen ein Dublett

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28.5

Kernmagnetische Resonanz

511

Allgemein beobachtet man eine (2nIX + 1)-fache Aufspaltung. Das Signal des Protons im Dideuteriochlormethan CHD2/Cl"spaltet z. B. in ein Quintett auf, weil Deuterium die Kernspin-Quantenzahl ID = 1 besitzt und somit (2nIX+1) = 2 x 2 x 1 + 1 = 5 ist. Die Aufspaltungsregeln gestatten die Auswertung von NMR-Spektren erster Ordnung. Solche Spektren liegen vor, wenn die Verschiebungsunterschiede (pX/pA) im Frequenzmaßstab erheblich größer sind als die Kopplungskonstanten JAX (JAX / (pX/pA) << 10/1). Diese Voraussetzung ist z. B. für Acetylaminomalonsäurediethylester (Abb. 28.27) erfüllt, was eine vollständige Zuordnung ermöglicht: die Ethoxy-Gruppe bildet ein A3X2-System, wobei die Methylen-Protonen mit der größeren Verschiebung fHX = 4.25 den X2-Teil bilden und infolge Kopplung mit drei MethylProtonen in ein Quartett aufspalten; die Methyl-Protonen selbst erscheinen bei fHA = 1.3, sind der A3-Teil und spalten infolge Kopplung mit den Methylen-Protonen in ein Triplett auf. Das NH-CHFragment bildet ein AX-System. Das Methin-Proton bei fH = 5.15 bildet den A-Teil und spaltet wegen der Kopplung mit dem NH-Proton in ein Dublett auf. X-Teil ist das NH-Proton mit fH = 6.6. Es koppelt nicht nur mit dem flankierenden CH-Proton, sondern auch mit dem gebundenen Stickstoff 14N mit INH = 1. Diese zusätzliche Aufspaltung ist jedoch nicht aufgelöst, sondern verbreitert das Signal: Kerne mit I 1 wie 14N haben keine kugelsymmetrische Ladungsverteilung (wie Kerne mit I = 1/2) und zeigen infolgedessen ein elektrisches Quadrupolmoment; solche Quadrupole verbreitern die Signale benachbarter Kerne. Wie Abb. 28.27 zeigt, gibt die Signalmultiplizität Auskunft über die Anzahl der benachbarten nicht äquivalenten Kerne, was für die Strukturaufklärung wertvoll ist. Spektren höherer Ordnung Verkleinert man für ein AX-System den chemischen Verschiebungsunterschied (pX/pA) bei gleichbleibender Kopplungskonstante JAX, so verändert sich das AX-System, wie Abb. 28.30 a zeigt: Aund X-Teil rücken zusammen, und die inneren (einander zugewandten) Signale nehmen in dem Maße an Intensität zu, wie die äußeren abnehmen (AB- oder "Dacheffekt", Abb. 28.30). Oberhalb eines JAX / (pX/pA)-Verhältnisses von 0.1 klassifiziert man nicht mehr als AX-, sondern naheliegenderweise als AB-System, dem einfachsten Fall von Spektren höherer Ordnung des Typs AmBn.

̈"

0.1

B

A

JAX

JAX

fX

fA

0.2 f3

0.5

P3

f2

f4

1.0

f1

S P2

P1

JAB

pA / pB = 2.0

S

a

b

Abb. 28.30. (a) Lage und Intensität der Signale eines Zweispin-Systems AB bei verschiedenen JAB /(pX/pA) Verhältnissen; (b) Geometrische Bestimmung des Verschiebungsunterschiedes pA/pX : Man beschreibt einen Kreis um P1 mit dem Radius r = f2/f4, der f3 in P3 schneidet. Nach dem Satz des PYTHAGORAS ist dann im rechtwinkligen Dreieck P1P2P3 der Abstand P2P3 = pX/pA

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512

28

Molekülspektroskopie zur Strukturaufklärung

AB-Systeme kommen in den 1H-NMR-Spektren zahlreicher organischer Verbindungen vor und lassen sich einfach analysieren: Die Kopplungskonstante (JAB) ergibt sich als Frequenzabstand der A- oder B-Signale (Abb. 28.30 b). Die Verschiebungen der Kerne A und B erhält man aus dem leicht bestimmbaren Zentrum S des AB-Systems und dem Verschiebungsunterschied pB/pA , der sich geometrisch nach Abb. 28.30 b konstruieren läßt: pA = S + ½ (pB / pA) ; pB = S / ½ (pB / pA) (28.10) Die Auswertung komplizierter Mehrspin-Systeme (A2B, A3B, A2B2 usw.) ist nicht nur durch Intensitätsveränderungen, sondern auch durch das Auftreten zusätzlicher Multiplettsignale erschwert. Eine vollständige Spektrenanalyse ist oft nur möglich, indem man die Spektren für einen bestimmten Parametersatz (alle Kopplungskonstanten und Verschiebungen) berechnet (Simulation) und dabei die Parameter solange variiert (Iteration), bis die beste Übereinstimmung zwischen gemessenem und berechnetem Spektrum erzielt ist.

28.5.8

Strukturmerkmale und Kopplungskonstanten

Da die indirekte Spin-Spin-Kopplung durch die Bindungselektronen übertragen wird, geben Kopplungskonstanten nützliche Hinweise auf den Bindungszustand und die Anordnung der koppelnden Kerne. Neben der Kopplung über eine Bindung (unmittelbare Kopplung) unterscheidet man Kopplungen über zwei (Geminal-Kopplung) und drei Bindungen (Vicinal-Kopplung). Kopplungen zwischen Kernen, die durch mehr als drei Bindungen getrennt sind, nennt man FernKopplungen. Die Anzahl der die koppelnden Kerne trennenden Bindungen wird oft vor das Symbol J hochgestellt (1J, 2J, 3J, usw.). Positive Kopplungen, wie sie in Abb. 28.28 c schematisiert sind, liegen für direkt gebundene und vicinale Kerne vor (ungerade Anzahl trennender Bindungen). Negative Kopplungen sind für geminale Kerne (gerade Anzahl trennender Bindungen) zu erwarten. Das Vorzeichen der Kopplungskonstanten hat jedoch für die Strukturaufklärung selten praktischen Wert. Tab. 28.14 gibt eine Übersicht sowie typische Beträge der Kopplungskonstanten in organischen Molekülen. Tab. 28.14. Arten der Kopplungen in organischen Molekülen und typische Beträge der Kopplungskonstanten Bezeichnung der Kopplungsart

unmittelbar

Anzahl der Kopplungskonstante trennenden Bindungen [Hz]

Kernanordnung (Teilstruktur)

13

13

C H H

geminal

13

C H

C H

H

13

C

H

2

H

H

H

JCH = 120 -270

2J

HH

=

0 - 20

2J

CH

=

1 - 50

3J

HH

=

3 - 20

4J

HH

=

1-

H

vicinal

3 H

H

H

H

H fern (long range)

1

H H

H

H

H

4 und mehr

3

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28.5

Kernmagnetische Resonanz

513

Konfiguration vicinaler Protonen in Ethan-Derivaten In Ethan-Derivaten hängt die Kopplungskonstante (3J) vicinaler Protonen vom Cosinus2 des Interplanar- oder Diederwinkels h ab, den die Ebenen der beiden C/H-Bindungen einschließen (KARPLUS-CONROY-Beziehung, Abb. 28.31 a). Den Interplanarwinkel erkennt man am besten in den NEWMAN-Projektionen der stabilen Konformeren. Ein typischer Wert für koppelnde synProtonen (h = 60°) ist 3 Hz, während anti-Protonen (h =180°) Werte bis zu 16 Hz aufweisen. Ist die Population aller Konformerer gleich ("freie Rotation" um die verknüpfende C/C-Bindung), so mißt man eine gemittelte Kopplungskonstante von 7 - 8 Hz (Abb. 28.31 b), da bei einer vollen Drehung drei stabile Konformere auftreten, in denen die koppelnden H-Atome zweimal syn (synclinal, gauche) und einmal anti (antiperiplanar, trans) stehen. ̈"

Hz

H

14

18

H

16

J

Hz

h

18

C

H

H

16

H H

H

14

C

12

12

10

10

8

8

syn

6

6

h = 60°

h = 180°

4

4

Jsyn = 3 Hz

Janti = 16 Hz

2

2

gemittelte Kopplungskonstante bei gleicher Population aller Konformerer :

0

~ 7 Hz Jgemittelt = ( 2 Jsyn - Janti ) / 3 =

0 0

a

30

60

h

90

H anti

syn

h = /"60° Jsyn = 3 Hz

120 150 180°

b

Abb. 28.31. (a) Zusammenhang zwischen Interplanarwinkel h und Kopplungskonstante J vicinaler Protonen (KARPLUS-CONROY-Beziehung); (b) NEWMAN-Projektion der Ethan-Konformeren, zugehörige Vicinal-Kopplungen und gemittelte Kopplungskonstante bei gleicher Population aller Konformerer (freie Rotation)

So zeigen die Ethyl-Protonen des threo-Dibromdihydrozimtsäureethylesters eine gemittelte Kopplungskonstante von 7 Hz (Abb. 28.32). Dagegen bilden die vicinalen CH-Protonen ein AB-System mit JAB = 12 Hz. Hier verhindern die sperrigen Substituenten (Brom, Ester, Phenyl) eine freie Rotation um die Ethan-Bindung. Daher dominiert das Konformer, in welchem die Protonen anti zueinander stehen, wie es die Kopplungskonstanten widerspiegeln.

H H 5C2O2C

H H

Br

Br Br

H CO2C2H 5

Br H

H

Br

Br CO2C 2H 5

threo-Dibromdihydrozimtsäureethylester

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514

28

Molekülspektroskopie zur Strukturaufklärung

1

Abb. 28.32. 90 MHz- H-NMR-Spektrum des threo-Dibromdihydrozimtsäureethylesters in Deuteriochloroform ̈" Konfiguration vicinaler Protonen in Cyclohexan und Tetrahydropyran In der Sessel-Konformation von Cyclohexan- und Tetrahydropyran-Derivaten gibt es axiale (a) und äquatoriale (e) H-Atome (oder Substituenten). Neben der geminalen Kopplung sind somit drei Vicinal-Kopplungen möglich, deren Beträge man in der NEWMAN-Projektion des SechsringSessels erkennt (Abb. 28.33): Wegen des Diederwinkels h = 180° ist die Diaxial-Kopplung Jaa größer als die Diäquatorial- oder Axial-Äquatorial-Kopplung Jee und Jae mit h = 60°. Ist die Konformation des Sechsrings fixiert (keine Ringversion), so kann man aufgrund der Beziehung Jaa > Jae , Jae isomere Cyclohexan- und Tetrahydropyran-Derivate (Pyranoside) unterscheiden. d-Methyl-D-glucopyranosid zeigt z. B. eine deutlich größere Kopplungskonstante der vicinalen Protonen an C-1 und C-2 als das c-Isomer (Abb. 28.33 b).

Ha

Ha

He He

He

He

Ha

geminal : axial-axial : axial-äquatorial : äquatorial-äquatorial :

HO HO HO

= / 12 Hz 3J = 13 Hz aa 3J = 3 Hz ae 3J = 3 Hz ae ae

a

O H

cJea = 4 Hz

OH OCH 3

Ha 2J

H

HO HO HO

H

dOCH 3 Jaa = 9 Hz

O

OH H Methyl-D-glucopyranosid

b

Abb. 28.33. (a) Kopplungskonstanten vicinaler Protonen in Cyclohexan-Derivaten; (b) Unterscheidung von cund d-Methyl-D-glucopyranosid anhand der vicinalen H,H-Kopplungskonstanten

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28.5

Kernmagnetische Resonanz

515

Ringgröße der Cycloalkene Die Kopplungskonstanten der vicinalen (cis) Alken-Protonen steigt in der Folge Cyclopropen (0.2 Hz), Cyclobuten, Cyclopenten, Cyclohexen an und erreicht bei höhergliedrigen Ringen Werte von 9 bis 14 Hz. Dieser Befund ist vor allem für die Identifizierung kleiner Cycloalken-Ringe wertvoll.

̈"

H

H

0.2

H

2- 4

H

5- 7 H

H

H 9 - 10

H 9 - 14

H

H

(Z)- und (E)-Isomerie von Alkenen In Alkenen unterscheidet man zwischen Geminal-, cis-, trans- und Allyl-Kopplungen:

̈"

H4

C

1H

geminal cis trans

C C 2H

H3

2J

1,2

3J

2,3

3J

1,3

= / 3 bis + 3 Hz 5 bis 14 Hz = = 11 bis 19 Hz

Allyl

3J 3,4 4J 1,4 4J 2,4

= 4 bis 10 Hz = / 0.5 bis / 3 Hz = / 0.5 bis / 3 Hz

Die Beziehung Jtrans > Jcis gestattet eine Unterscheidung zwischen (Z)- und (E)-Alkenen, sofern die Alken-C-Atome mit vicinalen H-Atomen verknüpft sind. Abb. 28.34 zeigt als Beispiel das 1HNMR-Spektrum eines Gemisches aus cis- und trans-Ethyl-i-pentenylether (1-Ethoxy-3-methyl-1buten). Im Bereich der olefinischen Protonen (fH > 4) erkennt man zwei AX-Systeme, von welchen das mit den größeren Kopplungskonstanten (17 Hz) zum trans-, das mit den kleineren (6 Hz) zum cisIsomer gehört. Die Integration der X-Teilspektren mit den großen Verschiebungen fH = 6.2 und 5.75 ergibt 45% trans- und 55% cis-Isomer. Tab. 28.15 informiert über die weitere, aus Kopplungen und Integralen folgende Zuordnung des Spektrums.

Stellungsisomerie mehrfach substituierter Benzene und Pyridine In Benzen liegen die Kopplungen o-ständiger Protonen zwischen 6 und 10 Hz. Die Kopplungskonstanten m-ständiger Protonen sind erheblich kleiner (1 - 3 Hz), und p-Kopplungen (< 1 Hz) werden im Spektrum oft nicht aufgelöst. Ähnliche Beziehungen gelten für die Protonen des Pyridin-Ringes.

̈"

3J

4J

H

6 - 10 N

H

H

H

H H

1-3 N

H

N

H 7-9

N

H H

H

H

5-6

5J

H

1-2

N H

2-3

0 - 1 Hz H

H

0.5 - 1 Hz

Mit Hilfe dieser deutlichen Unterschiede kann man die Stellung von Substituenten am BenzenRing bestimmen (Abb. 28.35 a - c).

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28

Molekülspektroskopie zur Strukturaufklärung

1

Abb. 28.34. 90 MHz- H-NMR-Spektrum von cis- und trans-Ethyl-i-pentenylether in Deuteriochloroform. Die Zuordnung entnehme man der Tab. 28.15 1

Tab. 28.15. Zuordnung des H-NMR-Spektrums von cis- und trans-Ethyl-i-pentenylether (Abb. 28.34) H 6

1

2

3

fH

Zuordnung

trans45 %

6.2

2-H

cis55 %

4

CH(CH3)2

1-H

4

Kopplungskonstante(n) [Hz] 13 1 13 7.5 7 7 1

3.7 2.2

5-H 3-H

1.2 0.95

6-H 4-H

7 7

5.8

2-H

6 1.2 6 8

Kopplungsart 3J

(trans)

4J 3J

(trans)

3J 3J 3J 4J 3J 3J 3J

Doppeldublett Doppeldublett Quartett1) Octett von Dubletts Triplett Dublett Doppeldublett Doppeldublett Quartett1) Oktett von Dubletts Triplett Dublett

5-H 3-H

7 8 1.2

1.17

6-H

7

3J

0.93

4-H

7

3J

3-H

4J 3J 3J 3J 3J 4J

(cis)

Multiplizität

1-H 3-H 2-H 3-H 6-H 2-H , 4-H 1-H 5-H 3-H

3.6 2.75

1-H

(cis)

Kopplungspartner

1-H 3-H 2-H 3-H 6-H 2-H , 4-H 1-H 5-H

4.15

1)

2

CH(CH3)2

Isomer

4.7

3

1

C C 6 5 H 3C CH 2 O H cistransEthyl-i-pentenylether (1-Ethoxy-3-methyl-1-buten)

C C

5

H 3C CH 2 O

H

H

zwei überlappende Quartetts im Abstand der Kopplungskonstanten, keine Quintetts

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28.5

Kernmagnetische Resonanz

517

So zeigt 2-Nitrophenol (Abb. 28.35 a) als o-disubstituiertes Benzen für die den Substituenten benachbarten Kerne 3-H und 6-H je eine o-Kopplung (o-Dubletts). Die benzoiden Protonen 4-H und 5-H sind dagegen von je zwei H-Atomen flankiert (ortho zu 4-H stehen z. B. 3-H und 5-H); sie zeigen daher zwei o-Kopplungen (o-Doppeldubletts). Alle H-Atome koppeln zusätzlich mit je einem m-Proton, so daß man für sämtliche Signale noch eine weitere Aufspaltung von 2 bis 2.5 Hz beobachtet. Die vollständige Zuordnung folgt aus dem Kopplungsschema (Abb. 28.35 a), wobei 3-H und 5-H wegen des (/)-M-Effektes der Nitro-Gruppe (Tab. 28.12) jeweils weniger abgeschirmt sind als 6-H und 4-H, welche vorwiegend dem (-)-M-Effekt der Hydroxy-Gruppe ausgesetzt sind.

3-H fH = 8.05

H H 5 4

6 3

OH 1 2

H

8.5 2.5

6-H 7.03

4-H 6.86

J6,5 J6,4

J5,6 J5,4 J5,3

J3,4 J3,5

NO2

H

5-H 7.50

8.5 2.0

8.5 6.7 2.5

8.5 6.7 2.0 Hz

J4,3 J4,5 J4,6

a ppm

10

9

8

7

6

fH 5

4

3

2

1

0

1

Abb. 28.35. (a) 100 MHz- H-NMR-Spektrum von 2-Nitrophenol in Deuteriochloroform mit Zuordnung und Kopplungsschema der benzoiden Protonen (über dem gespreizten Teilspektrum)

m-Disubstituierte Benzene wie 3-Nitrobenzaldehyd (Abb. 28.35 b) erkennt man daran, daß ein Proton wie 2-H (fH = 8.75) nur m-Kopplungen (mit 4-H und 6-H) und ein anderes wie 5-H (fH = 7.82) nur o-Kopplungen (mit 4-H und 6-H) zeigen kann. Zwei weitere 1H-Signale (4-H und 6-H) spalten infolge Kopplung mit je einem o-Proton und je zwei m-H-Atomen in je ein Dublett von Ferndoppeldubletts (bzw. -tripletts) auf, wie das Kopplungsschema (Abb. 28.35 b) zeigt. Da die Nitro-Gruppe in o-Stellung stärker entschirmt als die Aldehyd-Funktion, beide Substituenten jedoch ähnliche p-Effekte aufweisen (Tab. 28.12), erscheint 4-H bei fH = 8.5, 6-H bei 8.27. p-Disubstituierte Benzene wie 4,4'-Dimethoxybenzil erkennt man an einem symmetrischen 1HNMR-Spektrum der benzoiden Protonen (Abb. 28.35 c). Diese bilden kein (AX)2-, sondern ein nicht mehr nach den Regeln erster Ordnung analysierbares AA'XX'-System: Trotz der durch die Molekülsymmetrie bedingten chemischen Äquivalenz (pA = pA´ und pX = pX´) sind die Protonen A

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518

28

Molekülspektroskopie zur Strukturaufklärung

und A' bzw. X und X' magnetisch nicht äquivalent, denn die Kopplungen von A und A' mit Kern X (oder X') sind verschieden: 3JAX ist z. B. eine ortho-, 5JA'X dagegen eine viel kleinere para-Kopplung.

5 4

6 3

2-H fH = 8.75

H

H H

6-H 8.27

5-H 7.82

O

1 2

J2,4 J2,6

H

H

4-H 8.5

J4,5 J4,2

NO2

J6,5 J6,2

J4,6

J5,4 ~J5,6

~J6,4

3.0 2.5

7.5 3.0 2.5

7.5 Hz

7.5 2.5

b ppm 10

9

8

7

6

fH 5

4

3

2

1

0

1

Abb. 28.35. (b) 100 MHz- H-NMR-Spektrum von 3-Nitrobenzaldehyd in Deuteriochloroform mit Zuordnung und Kopplungsschema der benzoiden Protonen (über dem gespreizten Teilspektrum)

HX

XX´ HA 5 4

6 3

1 2

H X´

H 3CO

XX´

AA´

O

H A´

2

4

3

AA´

c ppm 8

7

6

5

fH 2

1

0

1

Abb. 28.35. (c) 100 MHz- H-NMR-Spektrum von 4,4'-Dimethoxybenzil in Deuteriochloroform

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28.5

Kernmagnetische Resonanz

519

Die Spektren in Abb. 28.35 zeigen auch die 1H-Resonanzen der Hydroxy-Gruppe eines Phenols mit intramolekularer Wasserstoffbrücke (fH = 10.55), einer Aldehyd-Funktion (10.2) sowie von Methoxy-Protonen (3.8).

28.5.9

Beispiel zur Herleitung der Konstitution aus dem 1H-NMR-Spektrum

Wie man die Konstitution einer Verbindung aus ihrem 1H-NMR-Spektrum herleiten kann, soll das folgende einfache Beispiel zeigen. Gegeben sei eine Substanz der Elementarzusammensetzung C8H10N2O3, welche das 1H-NMR-Spektrum in Abb. 28.36 ergibt. Doppelbindungsäquivalente Einen ersten vom Spektrum unabhängigen Hinweis zur Konstitution gibt die Anzahl der Doppelbindungsäquivalente; ein Doppelbindungsäquivalent kann sowohl für eine r-Bindung als auch für einen Ring stehen. Zur Ermittlung ersetzt man die gegebene Summenformel formal durch CnHx und vergleicht mit dem Kohlenwasserstoff CnH2n+2. Stickstoff wird durch CH, Halogen durch H ersetzt, Sauerstoff und zweiwertiger Schwefel entfallen. Aus C8H10N2O3 ergibt sich C10H12; C10H12 hat zehn H-Atome weniger als C10H22; dies entspricht fünf Doppelbindungsäquivalenten. ̈"

Anzahl der chemisch verschiedenen Protonen Das 1H-NMR-Spektrum zeigt sechs getrennte 1H-Signale mit dem Integral-Verhältnis 5:5:5:10:10:15. Somit enthält das Molekül sechs chemisch verschiedene Protonen im Verhältnis 1:1:1:2:2:3. Die Protonensumme beträgt folglich 10, was mit der gegebenen Summenformel übereinstimmt. ̈"

Art der Protonen, Kohlenstoff-Skelett, Substituenten Die Verschiebungen der Signale bei fH = 6.7, 7.05 und 7.5 sowie ihr Integral-Verhältnis (1 : 1 : 1) deuten auf ein trisubstituiertes Benzen hin. Damit sind vier der fünf Doppelbindungsäquivalente vergeben (drei r-Bindungen sowie ein Ring). Eine Ethoxy-Gruppe ergibt sich aus dem Quartett bei fH = 3.97 und dem Triplett bei 1.37. Man vergleiche hierzu die ähnlich liegenden Signale der Ethoxy-Gruppen in Abb. 28.27 sowie die Verschiebungsbereiche in Abb. 28.26. Das breite Signal bei fH = 5.9 paßt nach Verschiebung (5.9) und Intensität (H2) zu einer primären Amino-Gruppe. Die Signalverbreiterung ist eine Folge der Kopplung mit 14N und von Austauschvorgängen, z. B. Wasserstoffbrücken. Trisubstituiertes Benzen (C6H3), Ethoxy- und Amino-Gruppe (/OC2H5 und /NH2) ergeben die Teilsumme C8H10NO, der zur gegebenen Summenformel (C8H10N2O3) ein Rest NO2 fehlt. Eine Nitro-Gruppe, welcher das zusätzliche Doppelbindungsäquivalent zukommt, ist daher der dritte Substituent. ̈"

Substitutionsmuster Es gibt drei Typen trisubstituierter Benzene:

̈"

X

X 1 2 3

Y

1,2,3-

1 5

Z

X

Z

1 2 4

3

Y

Y

1,3,5trisubstituiertes Benzen

Z 1,2,4-

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520

28

Molekülspektroskopie zur Strukturaufklärung

1

Abb. 28.36. 90 MHz- H-NMR-Spektrum der Verbindung C8H10N2O3 in Deuteriochloroform

Das 1H-NMR-Spektrum eines 1,2,3-trisubstituierten Benzens sollte für alle H-Atome o-Kopplungen zeigen (je eine für 4-H und 6-H, zwei für 5-H). Im 1,3,5-trisubstituierten Benzen sind andererseits nur m-Kopplungen möglich. Zu keiner dieser Möglichkeiten paßt das vorliegende Spektrum (Abb. 28.36). Vielmehr spaltet das benzoide Proton bei fH = 7.05 in ein Doppeldublett mit 9Hz (ein Proton in o-Stellung bei fH = 6.7) und 3Hz (ein Proton in m-Stellung bei fH = 7.5) auf. Ein Proton (fH = 7.5) ist somit von zwei Substituenten flankiert. Die beiden anderen (fH = 6.7 und 7.05) stehen ortho zueinander. Demzufolge ist die Verbindung ein 1,2,4-trisubstituiertes Benzen. Substituentenfolge Die Substituentenfolge läßt sich aus den Verschiebungen des AB-Systems für 5-H und 6-H (nach Gleichung 28.9, S. 507) herleiten. Dabei werden die durchweg kleinen m-Effekte (< 0.2) zunächst vernachlässigt. Dann können die Protonen 5-H und 6-H jeweils von einer Nitro- oder Ethoxyoder Amino-Gruppe flankiert sein. Anhand der o-Effekte aus Tab. 28.12 (S. 501) lassen sich die zugehörigen 1H-Verschiebungen abschätzen:

̈"

Abschätzung o-Nitroo-Ethoxyo-Amino-

fH ~ 7.3 + 0.9 ~ 8.2 fH ~ 7.3 / 0.4 ~ 6.9 fH ~ 7.3 / 0.7 ~ 6.6

Meßwerte 7.05 6.7

NH 2 6.7 H 7.05 H

1 2 4

NO2 H 7.5

OC 2H5

Ein Vergleich von Schätz- und Meßwerten auf beste Übereinstimmung zeigt, daß das H-Atom mit fH = 7.05 und m-Kopplung ortho zur Ethoxy- und jenes mit fH = 6.7 ohne m-Kopplung ortho zur Amino-Gruppe steht. Demnach ist die Verbindung 4-Ethoxy-2-nitroanilin.

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28.5

Kernmagnetische Resonanz

521

28.5.10 Chemische Methoden der Signalzuordnung Verschiebungs-Reagenzien Mit Hilfe einiger Lanthanid-Chelate (Verschiebungs-Reagenzien) gelingt die Aufspreizung des Verschiebungsbereiches. Kopplungskonstanten bleiben dabei unbeeinflußt, solange die Wechselwirkung zwischen Verschiebungs-Reagenz und Substanz deren Konformation oder Konfiguration nicht verändert. Übliche Verschiebungs-Reagenzien sind Europium(III)-1,3-Diketon-Chelate. Sie lösen sich gut in den meisten NMR-Lösemitteln (CCl4, CDCl3, CD3OD). Die sonst durch paramagnetische Zusätze induzierte Signalverbreiterung ist bei den Verschiebungs-Reagenzien klein, so daß sich die Auflösung der Spektren nur wenig verschlechtert.

̈"

F 3C F 2C F 2C

(H3C)3C

C O

C O H

Eu/ 3

C

H

C O

C O (H3C)3C Tris-(dipivaloylmethanato)Europium(III)-Chelat [Eu(dpm)3]

Eu/ 3

C

(H3C)3C Tris-(6,6,7,7,8,8,8-heptafluor-2,2-dimethyl3,5-octandionato)-Europium(III)-Chelat [Eu(fod)3]

Die Wirkungsweise der Verschiebungsreagenzien erkennt man in Abb. 28.37: Nach Zusatz von Eu(fod)3 werden ursprünglich überlappende Resonanzen des 1-Hexanols getrennt. Dabei hängt die induzierte Kontaktverschiebung in grober aber praktisch brauchbarer Näherung vom Abstand zwischen der koordinationsfähigen Gruppe (hier der Hydroxy-Funktion) und der betrachteten Protonensorte ab, wie Abb. 28.37 b zeigt.

1

Abb. 28.37. 90 MHz- H-NMR-Spektrum des 1-Hexanols in Deuteriochloroform, (a) ohne und (b) mit Zusatz von Eu(fod)3, Gewichtsverhältnis 1 : 1; (c) nach Schütteln mit D2O (Deuterium-Austausch)

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522

28

Molekülspektroskopie zur Strukturaufklärung

Deuterium-Austausch Acide Wasserstoff-Atome wie in den Gruppen OH, NH, NH2 und SH lassen sich gegen Deuterium austauschen, indem man die Lösung der Substanz im Meßröhrchen mit Deuteriumoxid schüttelt (Deuterium-Austausch). Nach Phasentrennung wird das 1H-NMR-Spektrum erneut gemessen. Die Signale der OH-, NH- und SH-Gruppen verschwinden dann infolge des DeuteriumAustauschs (R/XH und D2O äquilibrieren zu R/XD und HDO). Abb. 28.37 c zeigt z. B. die Lokalisierung des OH-Signals im 1H-NMR-Spektrum des 1-Hexanols durch Deuterium-Austausch. ̈"

28.5.11 Besondere Meßtechniken Hochfeld-Kernresonanz Da die Larmorfrequenz p2 nach Gleichung (28.3) von der magnetischen Kraftflußdichte B0 abhängt, die Kopplungskonstante J jedoch nicht, kann man durch Erhöhung der Feldstärke das Verhältnis J/Fp verkleinern. Gleichzeitig erhöht sich der Besetzungsunterschied der KernspinEnergiezustände und die davon abhängige Empfindlichkeit des NMR-Experiments. Die mit Hilfe supraleitender Magnetspulen (Abb. 28.18) z. Zt. (2005) erreichbaren Magnetfeldstärken (B0 = 21.1 Tesla) gestatten die Aufnahme von 1H-NMR-Spektren mit Meßfrequenzen bis zu 900 MHz.

̈"

HA C

N

HB HC 3J AB 3J AC 2J BC

= 11.5 Hz (cis) = 17.9 Hz (trans) = 2.0 Hz (geminal)

a fH

HC 17.9 2.0 Hz

ppm

6.2

6.0

HB 11.5 2.0 Hz

5.8

5.6

5.4

HA 17.9 11.5 Hz

b fH

ppm

6.2

6.0

5.8

5.6

1

Abb. 28.38. H-NMR-Spektrum von Acrylnitril in Deuteriochloroform; (a) bei 80 MHz, (b) bei 200 MHz, jeweils im gleichen Frequenzmaßstab. Die Zuordnung ergibt sich aus den Multipletts und den angegebenen HHKopplungskonstanten.

Die Aufspreizung des NMR-Spektrums im Frequenzmaßstab durch stärkere Magnetfelder (Fp""\"B0) ohne Änderung der Kopplungskonstanten (J = const.) bietet einen wesentlichen Vorteil: Kleine Verschiebungsunterschiede werden besser aufgelöst, wobei Multipletts höherer Ordnung in einfacher auswertbare Aufspaltungen erster Ordnung übergehen. Abb. 28.38 zeigt zum Vergleich

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28.5

Kernmagnetische Resonanz

523

das 80 MHz- und das 200 MHz-1H-NMR-Spektrum des Acrylnitrils im gleichen Frequenzmaßstab. Man erkennt, daß die Erhöhung der Feldstärke von 1.87 (80 MHz-) auf 4.67 Tesla (200 MHzSpektrometer) eine Aufspreizung der Verschiebungen (in Hz) um den entsprechenden Faktor (2.5) bewirkt. Dabei ändern sich die Kopplungskonstanten nicht, so daß aus dem ABC-System höherer Ordnung (Abb. 28.38 a) ein sehr übersichtliches Spektrum (Abb. 28.38 b) entsteht, das nach den Regeln 1. Ordnung mit Hilfe der Kopplungskonstanten problemlos zugeordnet werden kann.

Spin-Entkopplung (Doppelresonanz) Die indirekte Spin-Spin-Kopplung eines Kernes A mit Kern X wird nur beobachtet, wenn X auf seinen Präzessionszuständen genügend lange verweilt. Wechselt der Kern X seine Präzessionseinstellungen zu schnell, z. B. weil man ihn gerade mit seiner Resonanzfrequenz anregt, so wird sein Feld zeitlich ausgemittelt. Kern A verspürt das Feld von X dann nicht mehr; sein Signal erscheint als Singulett. Zur praktischen Durchführung dieser Spin-Entkopplung strahlt man eine konstante, in Resonanz mit dem zu entkoppelnden Kern befindliche Radiofrequenz p2 ein, während zur Beobachtung des Kernes A das NMR-Spektrum gemessen wird (Doppelresonanz). Durch Spin-Entkopplung gelingt es, den Kopplungspartner eines jeden Kerns in einem Molekül zu lokalisieren, wie Abb. 28.39 für die CH-Protonen des 3-Aminoacroleins zeigt. ̈"

1

Abb. 28.39. 90 MHz- H-NMR-Spektren des 3-Aminoacroleins in Tetradeuteriomethanol, (a) ohne Entkopplung, (b) und (c) mit Entkopplung der Protonen bei fH = 8.5 und 7.3. Aus (b) und (c) folgt, daß 1-H und 3-H jeweils mit 2-H koppeln. Anstelle des entkoppelten Signals treten exponentiell ansteigende und abfallende Schwebungsinterferenzen auf (Überlagerung zweier ähnlicher Frequenzen p1 und p2)

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28

Molekülspektroskopie zur Strukturaufklärung

Kern-OVERHAUSER-Effekt (NOE-Differenzspektroskopie) Die Spin-Entkopplung eines Protons X hat auch Änderungen der Signalintensitäten räumlich naher Protonen A zur Folge. Diese Kern-OVERHAUSER-Effekte (NOE von nuclear OVERHAUSER effect) sind umso größer, je kleiner der direkte, räumliche Abstand zweier Kerne A und X im Molekül ist, unabhängig davon, wie viele Bindungen diese Kerne voneinander trennen, und ob sie im Spektrum Kopplungen aufweisen oder nicht. Mit dem NOE können daher Atomkern-Abstände innerhalb eines Moleküls, z. B. zur Bestimmung der relativen Konfiguration gemessen werden. Da Kern-OVERHAUSER-Effekte in der Protonenresonanz sehr klein sind, ihre Messung durch Integration folglich zu ungenau wäre, wendet man die NOE-Differenzspektroskopie an. Dazu wird ein erstes 1H-NMR-Spektrum unter Einstrahlung der Larmorfrequenz eines Protons X aufgenommen und ein zweites mit weit weg liegender Entkopplungsfrequenz ("off-resonance") vom ersten subtrahiert. Das resultierende NOE-Differenzspektrum zeigt nur dort Signale, wo der NOE die Intensitäten erhöht (positive Signale) oder vermindert (negative Signale). Wie Abb. 28.40 am trans-2-Methylcyclopentanol zeigt, kann man durch NOE-Differenzspektroskopie die relative Konfiguration bestimmen, wenn komplexe oder überlappende Multipletts nicht ausgewertet werden können, und zu geringe Unterschiede der Kopplungskonstanten syn- und antiständiger Protonen keine klaren Aussagen zulassen. Bei Einstrahlung der Larmorfrequenz der Methyl-Protonen, also bei fH = 0.74 (Abb. 28.40 c), "antwortet" das CHO-Proton bei fH = 3.43 durch eine Signalverstärkung, einen NOE, was die räumliche Nähe dieser Protonen und damit die trans-Konfiguration von Methyl-Gruppe und OH-Funktion beweist. ̈"

Abb. 28.40. H-NMR- (a) und HH-NOE-Differenzspektren (b: Einstrahlung bei fH = 3.43, c: Einstrahlung bei fH= 0.74) von trans-2-Methylcyclopentanol (400 MHz, Deuteriochloroform). NOEs zwischen dem CH/O-Proton (fH = 3.43) und den Methyl-Protonen (fH = 0.74) beweisen die trans-Konfiguration von OH- und Methyl-Gruppe 1

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28.5

Kernmagnetische Resonanz

525

Zweidimensionale HH-Korrelationsspektroskopie (HH-COSY) Die zweidimensionale Protonen-Korrelation (HH-COSY, COSY von correlation spectroscopy) stellt alle HH-Kopplungsbeziehungen, die "Konnektivitäten" der Protonen eines Moleküls in einem quadratischen Diagramm dar; Abzisse und Ordinate skalieren die Protonen-Verschiebungen. Das 1H-NMR-Spektrum zweier Kerne A und X wird auf die Diagonale des Quadrats projiziert (Diagonalsignale mit fAfA und fXfX); Kopplungen beider Kerne A und X werden durch zusätzliche Kreuzsignale mit gemischten Verschiebungen fAfX und fXfA nachgewiesen (Abb. 28.41). Die Kreuzsignale liegen auf Orthogonalen (senkrecht zur Diagonalen). Ein AX-System mit der Kopplungskonstanten JAX bildet im HH-COSY-Diagramm ein Quadrat; dessen Ecken sind die Diagonal- (fAfA und fXfX) und Kreuzsignale (fAfX und fXfA). Im HH-COSY-Diagramm des cis-3-Hexen1-ols finden sich z. B. die Kopplungspartner des Protons mit fH = 5.42 auf einer Parallelen zur Abszisse durch das Diagonalsignal dieses Protons, also bei fH = 5.24 und 1.97 (Abb.28.41, unten). Die weitere, vollständige Auswertung führt zu einem Satz von vicinal-Beziehungen der Protonen (z. B. fH = 0.83 i 1.97 i 5.42 i 5.24 i 2.21 i 3.50 in Abb. 28.41), an dem man die Konstitution des Moleküls erkennt. ̈"

Abb. 28.41. HH-COSY-Konturdiagramm des cis-3-Hexen-1-ols (Deuteriochloroform, 400 MHz, "Höhenlinienkarte" der Diagonal- und Kreuzsignale)

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526

28

Molekülspektroskopie zur Strukturaufklärung

28.6 Kohlenstoff-13-Resonanz 28.6.1

Wichtigste Meßmethoden

Das einzige magnetische Kohlenstoff-Isotop 13C kommt nur zu 1.1 % natürlich vor und hat ein kleines magnetisches Moment. Die Aufnahme von 13C-NMR-Spektren erfordert somit längere Meßzeiten mit dem in Abschn. 28.5.2 skizzierten Puls-Fourier-Transformations Verfahren. Andererseits bewirkt die geringe natürliche Konzentration (10/2), daß die unmittelbare Verknüpfung zweier 13C-Kerne sehr selten ist (10/2 x 10/2 = 10/4). Deshalb verbergen sich die 13C-13C-Multipletts im elektronischen Grundlinien-Rauschen der Spektren, sofern keine angereicherten Proben gemessen oder spezielle Meßmethoden angewendet werden. Dies vereinfacht die Auswertung. Protonen-Breitbandentkopplung Am häufigsten gehen die im 13C-NMR-Spektrum beobachteten Aufspaltungen auf Kopplungen mit den Protonen zurück. Diese CH-Multipletts überlagern sich bei größeren Molekülen, was die Bestimmung der 13C-Verschiebungen erschwert. Daher nimmt man die 13C-NMR-Spektren meist unter Einstrahlung eines Frequenzbandes auf, welches den gesamten Bereich der ProtonenResonanzen umschließt. Durch dieses als Protonen-Breitbandentkopplung bezeichnete Doppelresonanz-Verfahren wird erreicht, daß die 13C-Kerne im NMR-Spektrum als Singulett-Signale erscheinen (Abb. 28.42 a). Damit sind die 13C-Verschiebungen (gegen TMS als Standard) einfach zu messen, und die Anzahl der chemisch verschiedenen C-Atome eines Moleküls ergibt sich auf den ersten Blick (z. B. 10 C-Atome in Abb. 28.42 a). 27.9 H 3C

23.8 CH 3 38.5

C10 H18 O

42.1 34.2

13

39.1 70.7 20.9 OH CH3 48.2 47.4

1

Abb. 28.42. C-NMR-Spektren des Isopinocampheols (C10H18O , Deuteriochloroform, 50 MHz), (a) Hbreitbandentkoppelt, (b) CH-Subspektrum, (c) CHn-Subspektrum (CH und CH3 positiv, CH2 negativ); die Subspektren (b) und (c) wurden mit der DEPT-Impulssequenz gemessen

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28.6

Kohlenstoff-13-Resonanz

527

Zusätzlich profitiert man bei der Protonenentkopplung von einem Empfindlichkeitsgewinn, nicht nur, weil sich alle Übergänge eines Multipletts zu einem Singulett addieren. Vielmehr kann der bei 1H-Entkopplung von 13C-NMR-Spektren stets wirksame heteronucleare Kern-OVERHAUSEREffekt (NOE) die Intensität der CH-, CH2- und CH3-Signale nahezu verdreifachen. Multiplizitätsanalyse Die zur Strukturaufklärung wertvollen CH-Multiplizitäten (C, CH, CH2, CH3) können durch Messung gekoppelter 13C-NMR-Spektren bestimmt werden (Abb. 28.46, S. 531). Eine Analyse der CH-Multipletts wird bei größeren Molekülen jedoch durch Überlappungen erschwert. Besser eignen sich CHn-Subspektren (Abb. 28.42 b, c), die u. a. mit der DEPT-Impulssequenz erzeugt werden. Ein Subspektrum (Abb. 28.42 b) enthält nur die CH-Fragmente; ein weiteres (Abb. 28.42 c) unterscheidet zwischen CH und CH3 mit positiver und CH2 mit negativer Amplitude. Quartäre C-Atome erscheinen nicht in diesen Subspektren; man findet sie als zusätzliche Signale im 1Hbreitbandentkoppelten 13C-NMR-Spektrum (z. B. bei fC = 38.5 in Abb. 28.42 a). Abb. 28.42 zeigt zugleich den Wert von CH-Multiplizitäten zur Strukturaufklärung: Die Addition aller CH-Fragmente (ein C, vier CH, zwei CH2 und drei CH3) ergibt eine Teilsummenformel (C10H17), die alle an C gebundenen H-Atome enthält. Zusätzliche in der Summenformel (C10H18O) auftretende H-Atome sind folglich an Heteroatome gebunden. In Abb. 28.42 gehört das achtzehnte H-Atom zur OH-Gruppe. Zweidimensionale Korrelationsspektroskopie CH-Korrelation Die zweidimensionale CH-Korrelation (CH-COSY) korreliert 1H- und 13C-Verschiebungen auf Basis der 1JCH -Kopplungen in einem Koordinatensystem mit den 13C-Verschiebungen als Abszisse und den 1H-Verschiebungen als Ordinate (Abb. 28.43). Modernere Methoden der "inversen" zweidimensionalen CH-Korrelation (HC-COSY) wie das in Abb. 28.43 gezeigte Experiment nutzen das Proton als viel empfindlichere Meßsonde. Koordinaten der Kreuzsignal-Konturen sind die 1H- und 13C-Verschiebungen (CH-Konnektivitäten) der CHn-Fragmente des Moleküls. CH- und HC-COSY beantworten die Frage, welche HAtome mit welchen C-Atomen des Moleküls verknüpft sind, ordnen also alle CH-Bindungen eines Moleküls zu, wie es Abb. 28.43 (S. 528) am c-Pinen 1 vorführt. Dort zeigen sich z. B. für die CAtome mit fC = 31.3 und 31.5 je zwei Kreuzsignale zu den Protonen bei fH = 2.17 und 2.21 bzw. fH = 1.16 und 2.34, weil diese C-Atome je ein endo- und ein exo-Proton binden, die chemisch nicht äquivalent sind. Die zweidimensionale CH-Korrelation läßt sich auch auf die kleineren 2JCH - und 3JCH -Kopplungen abstimmen, so daß von einem Proton aus C-Atome in zwei, drei und (selten) mehr Bindungen Abstand innerhalb des Moleküls lokalisiert werden können. Abb. 28.44 (S. 529) zeigt ein solches Experiment zum Vergleich ebenfalls für c-Pinen. Dort weisen z. B. die Methyl-Protonen mit der 1 H-Verschiebung fH = 0.84 Kreuzsignale zu den C-Atomen mit den Verschiebungswerten fC = 26.4, 38.0, 40.9 und 47.2 auf; diese C-Atome sind zwei bzw. drei Bindungen von den MethylProtonen entfernt; daraus ergibt sich die Teilstruktur 1a (Abb. 28.44). Die Auswertung der intensiven Kreuzsignale in Abb. 28.44 führt zu einem Satz von Teilstrukturen 1a-g, die sich zur Molekülstruktur des c-Pinens zusammenfügen. Die Kreuzsignale mit fH / fC = 0.84 / 20.9, 1.27 / 26.4 und 1.67 / 23.0 gehören zu den aus Abb. 28.43 bereits bekannten CH-Bindungen dieser MethylGruppen; sie lassen sich im Experiment nicht vollständig unterdrücken. ̈"

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528

28

Molekülspektroskopie zur Strukturaufklärung

Abb. 28.43. HC-Korrelation zur Zuordnung der CH-Bindungen des c-Pinens 1 [Deuteriochloroform, 25 °C, 125 13 1 MHz für C, 500 MHz für H, 4 Scans, 256 Experimente, HSQC-Methode]; Konturdiagramm mit eindimensiona1 13 13 1 len Spektren parallel zur Ordinate ( C, fC) und Abszisse ( H, fH, kursiv); die H- und C-Verschiebungen der im Experiment erkennbaren CH-Bindungen sind in die Strukturformel 1 eingetragen

Zuordnung der CH-Bindungen des c-Pinens 1 nach Abb. 28.43 und Teilstrukturen 1a-g aus den HC-Konnektivitäten nach Abb. 28.44 20.9 CH3 0.84 26.4 1.27 H3C

23.0 CH3 1.67 H 2.17

47.2 1.94 H 2.34 H

CH3 0.84

116.1 31.3

40.9 H 2.07

31.5

1.27 H 3C

38.0

38.0 144.5

H 5.20

47.2

47.2 40.9

H 2.21

1

H 1.16

20.9

26.4

CH3 1.67 116.1

47.2 40.9

1a

1b

1c

20.9 26.4 38.0 144.5

144.5

23.0 CH3

144.5 116.1

47.2 40.9

31.3

1.94 H

116.1

47.2

40.9

40.9 H 2.07

H 1.16

1d

1e

47.2

1f

31.3

2.34 H

1g

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28.6

Kohlenstoff-13-Resonanz

529

Abb. 28.44. HC-Korrelation zur Zuordnung der CH-Beziehungen über zwei und drei Bindungen des c-Pinens 13 1 [Deuteriochloroform, 25 °C, 125 MHz für C, 500 MHz für H, 16 Scans, 256 Experimente, HMBC-Methode]; 13 1 Konturdiagramm mit eindimensionalen Spektren parallel zur Ordinate ( C, fC) und Abszisse ( H, fH , kursiv); 1 13 Koordinaten der Kreuzsignale sind die H- und C-Verschiebungen von Protonen und C-Atomen, die durch zwei oder drei Bindungen voneinander getrennt sind; aus diesen "HC-Konnektivitäten" ergeben sich die zur Molekülstrukur des c-Pinens 1 konvergierenden Teilstrukturen 1a-g

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530

28

Molekülspektroskopie zur Strukturaufklärung

CC-Korrelation (CC-INADEQUATE) Alle CC-Bindungen ("CC-Konnektivitäten") eines Moleküls und damit sein Kohlenstoff-Skelett kann man aus dem CC-Korrelationsdiagramm (CC-INADEQUATE) ablesen. Die Messung ist wegen der geringen natürlichen Häufigkeit von 13C/13C-Bindungen (10/4, s. o.) unempfindlich aber besonders aussagekräftig, weil sie die AB- bzw. AX-Systeme aller 13C/13C-Bindungen eines Moleküls trennt und in einem dem HH-COSY-Diagramm analogen Format (Abb. 28.45) darstellt.

Abb. 28.45. CC-INADEQUATE-Konturdiagramm (a) des trans-2-Methylcyclopentanols (Deuteriochloroform, 100 MHz). Die Auswertung der Kreuzsignale ergibt sechs CC-Bindungen, von denen sich fünf zum Ring schlies1 13 sen. Das H-breitbandentkoppelte C-NMR-Spektrum (b), das CH-Subspektrum (c) sowie das CHnSubspektrum (d, CH und CH3 positiv, CH2 negativ) zeigen, daß ein CH-Fragment mit einem Heteroatom (O) verknüpft ist

Die Kreuzsignale in Abb. 28.45 weisen insgesamt sechs CC-Bindungen der C-Atom-Paare mit den 13C-Verschiebungswerten fC = 79.2 / 41.5, 79.2 / 33.2, 41.5 / 31.0, 41.5 / 17.9, 33.2 / 20.9 sowie 31.0 / 20.9 nach. Diese sechs CC-Bindungen fügen das Kohlenstoff-Skelett des zweifach substituierten Fünfrings von trans-2-Methylcyclopentanol zusammen. Die DEPT-Subspektren entschlüsseln das C-Atom bei fC = 79.2 als CH-Fragment; da nur zwei CC-Bindungen von diesem C-Atom

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28.6

Kohlenstoff-13-Resonanz

531

ausgehen, verknüpft die offene Bindung ein Heteroatom (O). Die Dublettaufspaltungen der Kreuzsignale in Abb. 28.45 resultieren aus den 13C13C-Kopplungen (1JCC) gebundener C-Atome. 31.0

aus dem CC-INADEQUATE-Diagramm abgelesene CC-Bindungen des trans-2-Methylcyclopentanols

20.9 33.2

28.6.2

17.9 41.5 79.2

OH

13C-Verschiebungen

Beim Vergleich von 1H- und 13C-NMR-Spektren, die bei derselben Magnetfeldstärke und im gleichen Frequenzmaßstab aufgenommen wurden (Abb. 28.46 a und b), fällt auf, daß die Verschiebungsunterschiede der 13C-Signale bei vergleichbarer Linienbreite erheblich größer sind als die der Protonen-Resonanzen. Das Kohlenstoff-Isotop 13C zeigt somit Unterschiede der chemischen Umgebung im NMR-Spektrum sehr viel deutlicher an als das Proton und ist die direkte Sonde zum Studium des Kohlenstoff-Gerüstes organischer Verbindungen. Quartäre C-Atome und viele funktionelle Gruppen wie Cyano oder Isocyanato (/CN oder /N=C=O), welche im 1H-NMRSpektrum nicht erscheinen, sind im 13C-NMR-Spektrum treffsicher zu erkennen. Tab. 28.16 orientiert über typische Bereiche der Kohlenstoff-Verschiebung in organischen Verbindungen.

1

13

Abb. 28.46. H-und C-NMR-Spektren des 3-Ethoxy-2-methylacroleins in Hexadeuterioaceton bei gleicher 1 Magnetfeldstärke und im gleichen Frequenzmaßstab. (a) 80 MHz- H-NMR-Spektrum, (a') gleiches Spektrum, 1 13 jedoch gespreizt; (b) H-entkoppeltes 20 MHz- C-NMR-Spektrum mit Verschiebungen und Zuordnungen

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532

28

Molekülspektroskopie zur Strukturaufklärung

Tab. 28.16. Typische Bereiche der C-Verschiebungen (fC) organischer Verbindungen gegen Tetramethylsilan (TMS) als Standard 13

C

200

150

100

50

0 (TMS)

Carbenium-Ionen Ketone

konjugiert

Aldehyde

konjugiert

Acetale, Ketale Chinone Carbonsäuren und Derivate

konjugiert

Thioharnstoffe Harnstoffe, Carbonate Oxime Imine Isocyanide Cyanide Isothiocyanate Thiocyanate Isocyanate Cyanate Carbodiimide

r-Elektronen-Mangel

Heteroaromaten

r-Elektronen-Überschuß

(/)-M-substituiert

Aromaten

(-)-M-substituiert

(/)-M-substituiert

(Cyclo-) Alkene

(-)-M-substituiert

(Cyclo-) Alkine (Cyclo-) Alkane

Cyclopropan

alkyliert

R3C/O/ R3C/NR2 R3C/S/ R3C/Halogen

F

I

R2CH/O/ R2CH/NR2 R2CH/S/ R2CH/Halogen

F

I

H3C/O/ H3C/NR2 H3C/S/ H3C/Halogen

F

I

Alkyl/Metall C

200

150

100

50

0 (TMS)

Die 13C-Verschiebung nimmt mit der positiven Ladungsdichte am betrachteten Kohlenstoff zu. Die Ladungsdichte wiederum wird u. a. von induktiven, sterischen und mesomeren Effekten beeinflußt. Induktive und sterische Effekte erkennt man beim Vergleich von 1-Pentanol mit dem Stammkohlenwasserstoff n-Hexan: Nach Einführung einer Hydroxy-Gruppe in eine Kohlenstoff-Kette nimmt die Verschiebung des C-Atoms in c-Stellung zum Substituenten um fR/OH /"fR/H = 40 - 50 ppm zu, was die positive Polarisierung des c-C-Atoms durch den induktiven Effekt der Hydroxy-

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28.6

Kohlenstoff-13-Resonanz

533

Gruppe widerspiegelt. Am i-C schirmt der Substituent dagegen um /3 bis /6 ppm ab (fR/OH /"fR/H < 0), weil er durch sterische Wechselwirkung mit den i-H-Atomen die u-Elektronen der i-C-HBindung zum Kohlenstoff hin verschiebt (sterische Polarisierung der CH-u-Bindung). Dadurch nimmt die negative Ladungsdichte am C-Atom zu und fC demzufolge ab. i

1-Hexanol fROH

14.2

22.8

32.0

Substituenteneffekte fROH /"fRH

Hexan (Bezugssubstanz)

fRH

3-Hexanol fROH Substituenteneffekte fROH /"fRH

d

c

H3C CH2 CH 2 CH 2 CH2 CH2 OH 25.8

32.8 10.0

/ 6.1

61.9 48.2

H3C CH2 CH 2 CH 2 CH2 CH3 13.7

22.8

31.9

i

d

31.9

OH

c

22.8 d

13.7 i

H3C CH2 CH 2 CH CH2 CH3 14.0

19.4

39.4

72.3

/ 3.4

7.5

40.4

30.3

9.9

7.5 / 3.8

Die Einflüsse von Substituenten auf die Verschiebung der Ring-C-Atome des Benzens lassen sich übersichtlich anhand mesomerer Effekte erklären: Elektronenschiebende (-)-M-Substituenten wie die Amino-Gruppe erhöhen die negative Ladungsdichte in o- und p-Position. Dementsprechend werden die o- und p-Ring-C-Atome des Anilins stärker abgeschirmt als in Benzen (fC < 128.5). INH 2 13C-Verschiebungen

NH 2

NH2

NH 2

148.7 114.4

und mesomere Grenzformeln des Anilins 129.1 116.3

Elektronenziehende (/)-M-Substituenten wie die Formyl-Gruppe erhöhen dagegen die positive Ladungsdichte an den o- und p-Ring-C-Atomen, so daß deren 13C-Verschiebungen sich gegenüber Benzen vergrößern (fC > 128.5): H

C

O

H

C

O

H

C

O

H

C

O

136.7 129.7

13C-Verschiebungen und mesomere Grenzformeln des Benzaldehyds 128.9

134.3

Diese Substituenteneffekte auf die nung der Spektren.

28.6.3

13

C-Verschiebung ermöglichen oft eine weitgehende Zuord-

CH-Kopplungskonstanten

Die Kopplungskonstanten der 13C-Kerne mit unmittelbar gebundenen Protonen (1JCH) betragen zwischen 120 und 300 Hz. Kopplungen mit geminalen, vicinalen und weiter entfernten Protonen sind meist kleiner als 20 Hz.

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28

Molekülspektroskopie zur Strukturaufklärung

Die unmittelbaren CH-Kopplungen (über eine Bindung, 1JCH) nehmen mit zunehmendem sCharakter der Kohlenstoff-Bindungs-Hybridorbitale, d. h. in der Folge Ethan < Ethen < Ethin zu. Für Kohlenwasserstoffe gilt JCH 500 s: Ethan

Ethen

C

C

H

sp3 (s = 0.25) JCH = 125

Ethin

C H H

sp2 (s = 0.33) JCH = 156

sp (s = 0.5) JCH = 249 Hz

Die Beträge hängen also vom Bindungszustand des koppelnden C-Atoms ab. So spiegelt die im Vergleich zu den anderen Cycloalkanen sehr große CH-Kopplung des Cyclopropans einen höheren s-Charakter der Kohlenstoff-Bindungsorbitale im Dreiring wider:

JCH = fC =

161 / 2.8

134 23.1

128 26.3

123 Hz 27.6

Auch zunehmende Positivierung des C-Atoms durch elektronegative Substituenten erhöht den Betrag der CH-Kopplung, wie die Serie der Chlormethane zeigt: JCH = fC =

CH 4 125 / 2.3

CH 3Cl 150 25.1

CH2Cl2 178 53.9

CHCl3 211 Hz 78.0

Geminale CH-Kopplungen (2JCH, zwei trennende Bindungen) liegen zwischen 2 und 50, die am häufigsten beobachteten vicinalen CH-Kopplungen (3JCH, drei trennende Bindungen) zwischen 4 und 12 Hz. 3JCH-Kopplungen hängen wie die vicinalen HH-Kopplungen 3JHH von der relativen Konfiguration der Kopplungspartner ab. Als Faustregel gilt 3JCH 2/3 3JHH . Auch die CHKopplungskonstanten informieren über den Bindungszustand eines C-Atoms und identifizieren Teilstrukturen in unbekannten Verbindungen.

28.6.4

Beispiel zur Konstitutionsermittlung durch Kohlenstoff-13-Resonanz

Die Bestimmung funktioneller Gruppen und der Konstitution einer einfachen Verbindung mit Hilfe der Kohlenstoff-13-Resonanz soll das Beispiel einer Substanz der Summenformel C5H7NO2 illustrieren. Abb. 28.47 zeigt ihr 13C-NMR-Spektrum mit und ohne Breitbandentkopplung der Protonen. Doppelbindungsäquivalente Aus C5H7NO2 folgt nach Abschn. 28.5.9 die Ersatzsummenformel C6H8; sie weist gegenüber C6H14 ein Wasserstoff-Defizit von 6 auf; dies entspricht drei Doppelbindungsäquivalenten. Anzahl der chemisch verschiedenen C-Atome Das C-NMR-Spektrum (Abb. 28.47 a) zeigt fünf Signale in Übereinstimmung mit der gegebenen Summenformel. 13

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28.6

Kohlenstoff-13-Resonanz

535

Funktionelle Gruppen Das Signal bei fC = 164 paßt am besten zu einem Carboxy-C-Atom (/COO, Tab. 28.16). Ein weiteres mit fC = 114.7 gehört zu einer Cyan-Gruppe (/C»N, Tab. 28.16). In diesen beiden funktionellen Gruppen sind bereits alle drei Doppelbindungsäquivalente enthalten (kein Ring, keine zusätzliche r-Bindung).

13

Abb. 28.47. C-NMR-Spektrum (100 MHz) von C5H7NO2 in Deuteriochloroform (Triplett für das CD-Fragment in 1 1 CDCl3 bei fC = 77.1); (a) H-breitbandentkoppelt; (b) ohne H-Entkopplung

CH-Multiplizitäten Das Triplett bei fC = 63 (Abb. 28.47) paßt zu einer Methylenoxy-Teilstruktur (vgl. C-c in 1Hexanol mit fC = 61.9, S. 533). Diese ist mit der Carboxy-Gruppe verknüpft, denn mehr als zwei O-Atome läßt die Summenformel nicht zu. Ein weiteres Triplett (fC = 25) gehört zu einer Methylen-Gruppe. Die dem Quartett mit fC = 14.15 entsprechende Methyl-Gruppe ergibt mit allen bisher gefundenen Gruppen die Summenformel: CO2 + CN + CH2 + CH2 + CH3 = C5H7NO2

Konstitution Die gefundenen Gruppen kann man entweder zu Cyanameisensäurepropyl- oder zu Cyanessigsäureethylester verknüpfen: O N C

C

O CH2 CH 2 CH 3 Cyanameisensäurepropylester

O N C CH2

C

O CH 2 CH3 Cyanessigsäureethylester

Die Fern-Triplett-Aufspaltung (2JCH = 10.5 Hz) des Nitril-Signals bei fC = 114.7 deutet auf eine der Cyan-Funktion benachbarte Methylen-Gruppe hin. Daß es sich demnach um Cyanessigsäure-

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536

28

Molekülspektroskopie zur Strukturaufklärung

ethylester handelt, zeigt ein Verschiebungsvergleich authentischer Ester; vor allem die gemessene Methyl-Verschiebung von fC = 14.15 paßt besser zum Ethylester (fC = 14.4): 20.8 170.9 O

CH3

C

66.2

22.4

10.5

O CH 2 CH2 CH3 Essigsäurepropylester

20.9 170.7 CH3 C

O 60.4

14.4

O CH 2 CH3 Essigsäureethylester

28.7 Massenspektrometrie 28.7.1

Meßmethodik

UV-, IR- und NMR-Spektroskopie beruhen auf einer Anregung von Molekülen mit elektromagnetischer Strahlung. Dagegen erzeugt man in der Massenspektrometrie aus Molekülen im Gaszustand einen Ionenstrom, z. B. durch Elektronenbeschuß, und bestimmt die Massen und Häufigkeiten der Ionen. Der Substanzbedarf ist meist kleiner als 0.1 mg. Abb. 28.48 skizziert die am häufigsten verwendete Meßanordnung. Folgende Schritte tragen zur Messung bei: Probenverdampfung Leicht flüchtige Verbindungen werden in einer evakuierten Verdampfungskammer verdampft, aus welcher der Dampf durch eine Fritte in die Ionisationskammer strömt. Schwer flüchtige Substanzen verdampft man durch Erhitzen auf etwa 250 °C direkt in der Ionenquelle. Ionenquelle und Analysatoren (Abb. 28.48) sind hochevakuiert (p = 10/3 Pa), um Stöße zwischen Ionen und nicht ionisierten Molekülen sowie die damit verbundene Streuung des Ionenbündels zu unterdrücken.

Abb. 28.48. Vereinfachtes Bauprinzip eines doppelt fokussierenden Massenspektrometers

Ionisation In der Ionisationskammer trifft der Probendampf auf einen Elektronenstrahl, den eine Glühkathode emittiert und ein elektrisches Feld (70 eV) stark beschleunigt hat. Dabei entstehen sehr viel mehr positive als negative Ionen. Diese Elektronenstoß-Ionisation (EI) wird besonders häufig zur mas-

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28.7

Massenspektrometrie

537

senspektrometrischen Strukturaufklärung eingesetzt, weil sich aus typischen Zerfallsreaktionen der Ionen die Molekülstruktur ableiten läßt. Man kann auch mit einem Strahl schneller Edelgas-Atome oder Alkalimetall-Kationen ionisieren (fast atom bombardment, daher FAB-Massenspektrometrie); diese Methode bewährt sich bei höhermolekularen und schwer verdampfbaren Proben. Schonende Verfahren zur Ionisation großer Moleküle wie die als Elektrospray-Ionisierung (ESI) bezeichnete Zersprühung in einem elektrischen Feld sowie die Matrix-unterstützte Laserdesorptions-Ionisation (MALDI) eignen sich zur Molmassenbestimmung von Proteinen und anderen Biopolymeren. Ionenbeschleunigung Ein elektrisches Feld, welches meist in die Ionisationskammer integriert ist, beschleunigt die Ionen, bevor sie zur Massentrennung das Analysatorsystem des Spektrometers erreichen. Massentrennung der Ionen Nach der Beschleunigung durchfliegen die Ionen ein Magnetfeld, dessen Feldlinien senkrecht zur Bewegungsrichtung der Ionen verlaufen. Das Magnetfeld lenkt die Ionen unter Erhaltung ihrer Geschwindigkeit auf Kreisbahnen ab, deren Radius von Feldstärke, Masse, Ladung und Geschwindigkeit abhängt. Verändert man die Feldstärke, so treten Ionen unterschiedlicher Massen nacheinander durch den Kollektorspalt (Massentrennung) auf den Verstärker, einen Sekundärelektronen-Vervielfacher. Der Magnet fokussiert zunächst nur Ionen gleicher Masse und unterschiedlicher Ausbreitungsrichtung. Auf Ionen verschiedener Energie wirkt er indessen dispergierend. Da die in der Ionenquelle gebildeten Ionen gleicher Masse infolge unterschiedlicher thermischer Energie mit verschiedenen Geschwindigkeiten fliegen, ist das am Kollektorspalt "abgebildete" Ionenbündel verbreitert und die Auflösung entsprechend schlecht. Eine bessere Auflösung erreicht man durch Vorschalten eines elektrischen Sektorfeldes. Dieses hat keinen Massentrenneffekt, wirkt jedoch wie das Magnetfeld richtungsfokussierend und energiedispergierend. Kompensiert man die Energiedispersion des Magnetfeldes durch eine entgegengesetzt gleiche des elektrostatischen Analysators (Doppelfokussierung), so wird das Ionenbündel scharf abgebildet. Aufzeichnung Verändert man die Beschleunigungsspannung (bei konstantem Magnetfeld) oder die Magnetfeldstärke (bei konstanter Beschleunigungsspannung), so treten die Ionen aller m/e-Werte nacheinander durch den Kollektorspalt. m/e ist der Quotient aus relativer Masse m (Bezugsatom 12C mit m12C = 12.000) und der Elementarladung e (in Einheiten der Elektronenladung, z. B. 1 für einfach positive Ionen). Anstelle von m / e wird auch die Bezeichnung m / z verwendet, wobei z für die Anzahl der Elementarladungen steht. Die der Häufigkeit jeder Ionensorte entsprechende Stromstärke (Intensität) wird nach Verstärkung durch einen Vervielfacher als Funktion der Masse (m/e) gemessen. Die Ionenströme werden als Zahlenwerte (digitalisiert) auf Datenträgern gespeichert. Ein Rechner verarbeitet diese Werte dann zu übersichtlichen Strichspektren, wie sie nachfolgend abgebildet sind. Aufgetragen wird die Häufigkeit der Ionen in % (Ordinate) als Funktion ihres m/e-Wertes (Abzisse). Normierung der Intensität, Basispeak Die gemessenen Maxima der Ionenströme bezeichnet man als Peaks. Der höchste Peak entspricht dem am häufigsten vorkommenden Ion. Er wird als Basispeak bezeichnet. Auf seine Intensität, die

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28

Molekülspektroskopie zur Strukturaufklärung

als 100 % festgesetzt wird, bezieht man die Häufigkeiten aller anderen Ionenmassen des Spektrums, gibt sie also in % relativ zum Basispeak an (Abb. 28.51 ff.). Die Peak-Intensitäten hängen auch von den Geräteparametern ab, z. B. von der Beschleunigungsspannung oder der Ionisationsart. Insoweit sind Massenspektren schwieriger reproduzierbar als andere Spektren.

28.7.2

Isotopenpeaks

Bis auf wenige Ausnahmen wie 19F,31P und 127I kommen die natürlichen Elemente als Isotopengemische konstanter Zusammensetzung vor. Dabei überwiegt meist das leichteste Isotop. Natürlicher Kohlenstoff enthält z. B. 98.9 % 12C und 1.1 % 13C; natürliches Brom ist ein Gemisch aus 50.5 % 79Br und 49.5 % 81Br. Im Massenspektrum werden die in Ionen vorkommenden Isotopenkombinationen nach Massenzahlen getrennt. Ein aus n Kohlenstoff-Atomen bestehendes Ion zeigt z. B. außer dem 12C-Peak der Masse (m) einen 13C-Satelliten der Masse (m+1) mit der Intensität n x 1.1 % bezogen auf den 12 C-Peak (Abb. 28.49 a). Sehr viel schwächer ist der (m+2)-Peak, weil die Anwesenheit zweier 13 C-Atome im Cn-Ion noch seltener ist (Abb. 28.49 a). Enthält das Ion noch ein Brom-Atom, so sind 12Cn79Br (m) und 12Cn81Br (m+2) die häufigsten Kombinationen (Abb. 28.49 b). Daneben findet man die 13C-Satelliten (m+1) und (m+3) mit den Häufigkeiten n x 1.1 % sowie noch seltenere 13C2-Ionen, (m+2) und (m+4), wobei (m+2) massengleich mit dem 12Cn81Br-Ion erscheint.

Abb. 28.49. Intensitätsverhältnis eines Ions mit zehn C-Atomen (a) und einem zusätzlichen Brom-Atom (b)

Isotopenpeaks beobachtet man für fast alle Ionen. Aus ihren relativen Intensitäten kann die Isotopenzusammensetzung der am Ion beteiligten Elemente zurückgerechnet werden.

28.7.3

Molekül-Peak, Molekül-Ion

Der m/z-Wert des Molekül-Peaks entspricht dem Zahlenwert der Molekülmasse, sofern das zugehörige Molekül-Ion einfach positiv geladen ist (M-.), was meistens zutrifft. Insofern eignet sich die Massenspektrometrie zur sehr genauen Bestimmung der relativen Molekülmasse.

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28.7

Massenspektrometrie

539

Das Molekül-Ion entsteht durch (Elektronenstoß-induzierte) Entfernung eines Elektrons aus dem Molekül. Dabei verbleibt ein Radikal-Kation, das man durch die Schreibweise M+. formuliert, wobei der Punkt das ungepaarte Elektron andeutet. Das Molekül-Ion benötigt eine bestimmte Zeit (> 10/5 s), um von der Ionenquelle zum Kollektor zu fliegen. Überlebt es diese Zeitspanne infolge zu raschen Zerfalles nicht, so entzieht es sich der Messung. Daraus folgt, daß der Molekül-Peak nur bei hinreichender Lebensdauer (Stabilität) des Molekül-Ions mit genügender Intensität beobachtet wird. Mit Ausnahme von 12C als Bezugs-Atom sind die Atommassen der Elemente nicht ganzzahlig. Infolgedessen können durch exakte Massenbestimmung (Hochauflösung) die Elementarzusammensetzungen des Molekül-Ions und aller Fragment-Ionen ermittelt werden. Ein einfaches Beispiel wäre die Unterscheidung von C6H10O und C7H14 mit derselben Nominalmasse 98. Die präzise Massenbestimmung des Molekül-Ions ergibt 98.0732 für C6H10O und 98.1095 für C7H14. Bei Ionen höherer Massen benötigt man zur eindeutigen Herleitung der Summenformel weitere Informationen, z. B. die Intensitäten der Isotopen-Peaks, sofern der Meßwert innerhalb der Fehlergrenze mehrere Elementarzusammensetzungen zuläßt.

28.7.4

Fragment- und metastabile Ionen

Das Molekül-Ion kann sehr schnell, d. h. bereits in der Ionenquelle zerfallen (Lebensdauer < 10/6 s). Solche Fragmentierungen können homolytisch, heterolytisch und unter Umlagerung ablaufen. Homo- und Heterolysen des Molekül-Ions führen zu Kationen und Radikalen, während Umlagerungen Radikal-Kationen und Neutralmoleküle ergeben, wie das Schema (Abb. 28.50) zusammenfassend zeigt. Da homolytische Spaltungen Einelektronen-Verschiebungen sind, kennzeichnet man sie durch Halbpfeile, um sie von Heterolysen zu unterscheiden.

C C

C C

C C

C

C

C

C

C

C

+ X

Homolyse

+ X

Heterolyse

Y

+ X Y

C C

Y

C C

Umlagerung

C C

C

+

C

+

X

Y

+ X

C+

C

C

Y

+ X

Y

Folgereaktion

C

C

+ X

Y

+

C

C

C

Abb. 28.50. Grundtypen der Fragmentierung organischer Molekül-Ionen

Die so entstandenen Fragment-Ionen werden beschleunigt, da sie noch in der Ionenquelle entstehen. Bei hinreichender Stabilität (Lebensdauer > 10/5 s) erscheinen sie im Massenspektrum.

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540

28

Molekülspektroskopie zur Strukturaufklärung

Ionen, die sich langsamer, also erst auf dem Weg zwischen Ionisationskammer und Kollektor bilden, bezeichnet man als metastabil. Die zugehörigen "metastabilen Peaks" sind verbreitert und haben meist nicht ganzzahlige Massenwerte m*. Diese erhält man für die Sektorfeld-Spektrometer (Abb. 28.48) in guter Näherung nach Gleichung 28.11 aus den Massenzahlen des Mutter-Ions (m1) und des Tochter-Ions (m2) : (28.11) m* = m22 / m1 Aus Gleichung 28.11 folgt, daß metastabile Ionen (m*) bei Sekundärzerfällen die Herkunft eines Folgefragment-Ions (m2 aus m1) enthüllen und daher wertvolle Zuordnungshilfen sind. So findet man in den Massenspektren von Benzoyl-Verbindungen Benzoyl- (C6H5CO+ mit m2 / z = 105) und Phenyl-Kationen (C6H5+ mit m2 / z = 77). Das metastabile Ion bei m* / z = 772/105 56.5 beweist dann den Sekundärzerfall des Benzoyl-Kations in Phenyl-Kation und Kohlenmonoxid: +

+

C6H 5 CO

28.7.5

+

C 6H5

CO

Fragmentierungen organischer Molekül-Ionen

Die Spaltung des Molekül-Ions (Primärfragmentierung) sowie die Folgereaktionen (Sekundärfragmentierungen) erfolgen bevorzugt so, daß 1. die positive Ladung in den Fragment-Ionen durch induktive oder mesomere Effekte stabilisiert wird, und 2. möglichst energiearme Radikale oder Neutralmoleküle (H2O, H2S, NH3, C2H4, CO, CO2, HCN, u. a.) entstehen. Mindestens eine dieser beiden Triebkräfte steckt hinter jeder der nachfolgend beschriebenen häufigsten Fragmentierungen organischer Verbindungen. Spaltung von CC-Einfachbindungen Grundfragmentierung aliphatischer Molekül-Ionen ist der Bruch einer CC-Einfachbindung: + C

C+

C

+

C

Diese Reaktion ist zunächst für alle nicht endständigen CC-Bindungen eines Alkans gleich wahrscheinlich. Infolgedessen erscheinen im Massenspektrum eines Alkans (Abb. 28.51) AlkylKationen CnH2n+1+ im Abstand von vierzehn Masseneinheiten (m / z = 29, 43, 57, 71, 85, 99, 113, usw.) Durch Sekundärfragmentierungen entstehen jedoch mehr kleinere Bruchstücke. Entsprechend nimmt die Intensität der CnH2n+1+-Fragmente mit abnehmender Masse zu und erreicht ein Maximum bei m / z = 57, also für C4H9+ (Abb. 28.51). Ist das Alkan verzweigt, so sind Bindungen an quartären C-Atomen bevorzugte Bruchstellen, da Carbenium-Ionen mit zunehmender Alkylierung stabiler werden: +

R3C

+

> R2CH

+

> RCH2

+

> H3C

"Sollbruchstellen" im 5,5,8,11,15-Pentamethylhexadecan, C21H44, sind z. B. die von C-5 ausgehenden Bindungen. Im Massenspektrum (Abb. 28.51) erscheinen dementsprechend FragmentIonen mit m / z = 99, 197, 239 und 281. Dabei sind die Massen 99 und 239 besonders intensiv, weil

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28.7

Massenspektrometrie

541

erstens die Ladung bevorzugt am höher alkylierten Kohlenstoff bleibt (99 > 197), und zweitens der größere Rest günstiger als Radikal abgespalten wird (99 > 239 > 281; > jeweils im Sinne von intensiver). Die Bruchstücke 99 und 239 lokalisieren somit das quartäre C-Atom (Abb. 28.51).

Abb. 28.51. Massenspektrum des 5,5,8,11,15-Pentamethylhexadecans

Spaltung von CX-Einfachbindungen CX-Einfachbindungen (z. B. X = Halogen) können heterolytisch spalten. Wegen der größeren Elektronegativität von X bleibt dabei die positive Ladung am Kohlenstoff: C

+ X

C+

+

_ X

Nach diesem Schema spalten Nitro-Verbindungen und Halogenalkane außer den Fluoriden. Hydroxy- und Carbonyl-Gruppen lösen sich als Radikale nur ab, wenn das verbleibende Carbenium-Ion tertiär ist. Alle durch Fragmentierung von Alkan und Alkyl-Derivaten entstandenen Kationen können Alkene CnH2n eliminieren: C C C+

C+

+

C C

-Spaltung und Folgereaktionen Heteroatome mit nichtbindenden Elektronenpaaren lösen c-Spaltungen aus. Sie stabilisieren durch ihren (-)-M-Effekt das entstehende Kation: R

c

C

+ X

R

+

+ C X

+ C X

Aus c-Spaltungen resultieren die häufigsten Ionen in den Massenspektren von Halogenalkanen, Alkoholen, Thiolen, Ethern, Thioethern und Aminen. Besonders leicht erfolgt die c-Spaltung bei

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542

28

Molekülspektroskopie zur Strukturaufklärung

Acetalen, Ketalen und anderen geminal disubstituierten Verbindungen, weil die positive Ladung durch die beiden (-)-M-Heteroatome noch besser verteilt wird: +

OR'

/R

R C OR'

+ OR' R

OR'

C

R OR'

R

OR'

C+

R

C

OR'

OR' +

Das dominierende Fragment im Massenspektrum des Pentylmalondialdehyd-tetraethylacetals (Abb. 28.52) mit der Masse 103 entsteht z. B. durch c-Spaltung. Dabei geht der größere Rest R als Radikal ab. Die bevorzugte c-Spaltung macht den Molekül-Peak sehr schwach. H +

OC 2H5 H C OC 2H5 R

/R

H

O CH 2 CH2 C+

/ C2H4

*

OC 2H5

-

m / z = 103

M / z = 290

OH H

C+

OH H C+

/ C2H4

*

OC 2H5

OH

m / z = 75

m / z = 47

Das mesomeriestabilisierte Carbenium-Oxonium-Ion mit m / z = 103 zerfällt unter zweimaliger Ethen-Abspaltung zu Ionen der Massen 75 und 47 (Onium-Reaktionen). Metastabile Peaks bei m* = 54.6 für den Zerfall 103/28 = 75 und m* = 29.5 entsprechend 75/28 = 47 weisen auf diese Folgefragmentierungen hin. Ein weniger häufiges Ion im oberen Massenbereich (M /"46 = 244) entsteht durch Abspaltung von Ethanol. Dieses spaltet durch Folgefragmentierungen Ethyl- (29), Ethoxy- (45) sowie PentylRadikale (71) ab, wie die Auswertung der metastabilen Fragmente (m*) in Abb. 28.52 zeigt.

Abb. 28.52. Massenspektrum des Pentylmalondialdehydtetraethylacetals

Allyl- und Benzyl-Spaltung Die Molekül-Ionen der Alkene zerfallen in mesomeriestabilisierte Allyl-Kationen: + C C C C

C C C+

+C C C

+

C

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28.7

Massenspektrometrie

543

Solchen Allyl-Spaltungen sind häufig Isomerisierungen von Doppelbindungen vorgelagert. Infolgedessen ist ihr Aussagewert zur Konstitutionsbestimmung gering. Eindeutiger und somit aussagekräftiger sind die Benzyl-Spaltungen alkylierter Aromaten: + CH 2

C

+ CH 2

/ C

CH 2 +

+

CH 2

CH 2

+

So ist im Massenspektrum des i-Butylbenzens (1-Phenyl-2-methylpropan, Abb. 28.53) das durch Benzyl-Spaltung entstehende Benzyl-Kation mit m / z = 91 (100 %) häufigstes Fragment. Es ist mesomeriestabilisiert (s. o.) und kann sich zum Tropylium-Ion umlagern: CH3 CH2

C CH3 H

m / z = 134

+

H3C / C CH3 H

+ CH2 + m / z = 91

Abb. 28.53. Massenspektrum des i-Butylbenzens

Die für Benzen-Derivate charakteristische Bildung von Phenyl-Ionen C6H5+ (m / z = 77) ist im Vergleich zur Benzyl-Spaltung (m / z = 91) weit weniger häufig, wie ein Intensitätsvergleich in Abb. 28.53 zeigt. Neben C6H5+ treten bei substituierten Benzenen meist stark ungesättigte Ionen wie C5H5+ (m / z = 63), C4H3+ (m / z = 51) und C3H3+ (m / z = 39) auf. Typisch für Aromaten ist auch das relativ stabile und daher intensive Molekül-Ion (Abb. 28.53). Substituenten mit (-)- / (/)-MEffekt in o- oder p-Stellung begünstigen die Benzyl-Spaltung.

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544

28

Molekülspektroskopie zur Strukturaufklärung

Retro-DIELS-ALDER-Spaltung Die Molekül-Ionen von Cyclohexen-Derivaten zerfallen bevorzugt durch Retro-DIELS-ALDERReaktion. Diese mechanistisch komplizierte doppelte Allyl-Spaltung wird meist ohne Lokalisierung von Ladung und Elektron formuliert: +

+ + +

oder

+

Ob Alkene oder Diene als Neutralmoleküle abgespalten werden, hängt von der Stabilisierung der positiven Ladung in den zurückbleibenden Radikal-Kationen ab. Der Basispeak im Massenspektrum des 2-Cyclohexenons (Abb. 28.54) mit m / z = 68 paßt zu einem Keten-Radikal-Kation, das durch Retro-DIELS-ALDER-Abspaltung von Ethen entsteht. Die Folgereaktion führt unter Eliminierung von Kohlenmonoxid zum C3H4+. -Radikal-Kation mit m / z = 40. Die Abspaltung von Ethen und Kohlenmonoxid ergibt sich aus metastabilen Ionen bei 48.2 (96 /"28 = 68) und 23.5 (68 /"28 = 40, Abb. 28.54). O +

/ C2H4

C

+ O

* m / z = 96

/ CO

* m / z = 68

C 3H4

+

m / z = 40

Abb. 28.54. Massenspektrum des 2-Cyclohexenons

MCLAFFERTY-Umlagerung Eine der bedeutendsten Fragmentierungen ist die MCLAFFERTY-Umlagerung. Sie gehört zu den Wasserstoff-Verschiebungen und kann bei allen ungesättigten Verbindungen stattfinden, welche in i-Stellung zur Mehrfachbindung ein Wasserstoff-Atom enthalten:

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28.7

Massenspektrometrie

R

545

H

+ X

H

R +

H

+ X

X+

Bei Aromaten und Heteroaromaten konkurriert die MCLAFFERTY-Umlagerung häufig mit der Benzyl-Spaltung. So fällt im Massenspektrum des i-Butylbenzens (Abb. 28.53) das intensive Ion mit der geradzahligen Masse m / z = 92 auf; es entsteht durch MCLAFFERTY-Umlagerung: CH2 CH(CH3)2

+

+

CH 2

+

H +

M-"/ z = 134

CH3

CH 2

H H m / z = 92

H

C

Bei Carbonyl-Verbindungen und deren Heteroanaloga (Thiocarbonyl-Verbindungen, Imine, Nitrile) konkurriert die MCLAFFERTY-Umlagerung mit der c-Spaltung.

Abb. 28.55. Massenspektrum des 2-Pentanons

Im Massenspektrum des 2-Pentanons (Abb. 28.55) erkennt man z. B. zwei c-Spaltungen: Die eine verläuft unter Abspaltung eines Methyl-Radikals zum Kation der Masse 71 (86 /"15 = 71), welches in Kohlenmoxid und das Propyl-Kation zerfällt (71 /"28 = 43). Die andere führt unter der begünstigten Abspaltung des größeren Propyl-Radikals direkt zum Ion der Masse 43 (86 /"43 = 43). Metastabile Ionen mit den Massen 58.6 (712/ 86), 26.0 (432/ 71) und 21.5 (432/ 86) bestätigen diese mit Stern (*) markierten Zerfallsreaktionen. + H3C CH2 CH 2 m / z = 43

* / CO

H3C CH2 CH 2 m / z = 71

+ C O

O

* / CH3

H3C CH2 CH2

+

*

C CH3

/ C3H7

+ H 3C C O m / z = 43

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546

28

Molekülspektroskopie zur Strukturaufklärung

Ein weiteres häufiges Fragment mit m / z = 58 (Abb. 28.55) entsteht durch MCLAFFERTY-Umlagerung des Molekül-Ions. Die zugehörige Ethen-Abspaltung (M /"28) ist aus dem metastabilen Ion der Masse 39.1 (582 : 86) erkennbar. H

+ OI

* CH3

CH2 CH2

H +

M / z = 86

28.7.6

H2C

+ OI C

H + OI CH3

H 2C

C

CH 3

m / z = 58

Erkennung funktioneller Gruppen

Charakteristische Fragment-Ionen, die sog. Schlüsselbruchstücke (Tab. 28.17 a, S. 548) identifizieren im Massenspektrum bestimmte Stoffklassen (funktionelle Gruppen). Ebenso typisch sind die (M / X)-Fragmente, die durch Abspaltung kleiner Neutralteile der Masse X aus dem MolekülIon entstehen (Tab. 28.17 b, S. 549). Allerdings ist die Intensität dieser Fragmente im Massenspektrum nicht immer genügend groß, so daß ihr Fehlen kein sicherer Beweis für die Abwesenheit einer bestimmten Gruppe ist. Trotzdem gibt die sinnvolle Anwendung der Fragment-Tabellen häufig eindeutige Aussagen zur Konstitution einer Verbindung. Hinweise auf die Art und Anzahl mancher Heteroatome kann bereits das Molekül-Ion geben. Ein Isotopenmuster von M : (M -"2) "1 spricht z. B. für eine Monobrom-Verbindung (vgl. Abb. 28.49). Monochlor-Verbindungen zeigen demgegenüber ein Isotopen-Verhältnis von M : (M -"2) ""3 : 1. Weiterhin sind die Molekülmassen von Stickstoff-Verbindungen geradzahlig (ungeradzahlig), wenn das Molekül eine gerade (ungerade) Anzahl von Stickstoff-Atomen enthält: Stickstoff ist das einzige Element mit gerader Massenzahl (14) und ungerader Anzahl von Bindungen (3); bei allen anderen Elementen ist beides entweder gerad- oder ungeradzahlig. So hat Anilin (C6H7N) eine Molekülmasse von 93 gegenüber dem Wert von 138 für die o, m, p-Nitroaniline (C6H6N2O2).

28.7.7

Herleitung der Konstitution aus dem Massenspektrum

Wie man dem Massenspektrum Hinweise zur Konstitution einer Verbindung entnimmt, soll ein einfaches Beispiel (Abb. 28.56) zeigen. Relative Molekülmasse Ist das schwerste Ion auch Molekül-Ion, so beträgt die Molekülmasse 262 (oder 260, Abb. 28.56). Isotopenmuster Die Verbindung enthält Brom, denn das Molekül-Ion (260 : 262 "1 : 1) zeigt eine für MonobromVerbindungen typische Isotopenverteilung (vgl. Abb. 28.49). Ebenso enthalten die Fragmente 183:185 "1 : 1 sowie 155:157 "1 : 1 je ein Brom-Atom. Schlüsselbruchstücke Neben der relativ hohen Intensität des Molekül-Peaks deuten die stark ungesättigten Fragmente mit m / z = 50, 51, 76, 77 und 78 nach Tab. 28.17 a auf ein Benzen-Derivat hin. Das bromfreie Basis-Fragment mit m / z = 105 gehört nach Tab. 28.17 a zum Benzoyl-Ion. Die Verbindung ist somit ein bromhaltiges Benzoyl-Derivat.

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28.7

Massenspektrometrie

547

Abb. 28.56. Massenspektrum zur Konstitutionsbestimmung

Konstitution Subtrahiert man die Masse des Benzoyl-Ions C6H5CO+ (105) von der Molekülmasse (260 / 262), so ergibt sich ein Rest von 155 bzw. 157, der ebenfalls im Massenspektrum auftritt (Abb. 28.56) und aufgrund seines Isotopenmusters ein Brom-Atom enthält. Subtrahiert man dementsprechend 79Br bzw. 81Br von 155 bzw. 157, so ergibt sich ein Bruchstück der Masse 76 entsprechend C6H4 (Tab. 28.17 a, Abb. 28.56). Das Fragment mit m / z = 155 : 157 = 1 : 1 gehört somit zu einem BromphenylRest. Benzoyl- und Bromphenyl-Rest geben zusammen ein Brombenzophenon. Zuordnung der Fragment-Ionen Das Massenspektrum und die auftretenden metastabilen Ionen lassen sich durch zwei cSpaltungen sowie die zugehörigen Folgefragmentierungen nach folgendem Schema erklären: +

C O

/ CO

* m/e = 105

/ C2H2

+

C6H 5

*

m/e = 77

+

C 4H3

m/e = 51

c

*

+

O C

/ Br

Br

*

+

C 13H9O

/ CHO

*

m/e = 181

m/e = 260 / 262

C12H 8

+

weniger bedeutende Fragmentierung

m/e = 152

c +

C O Br

m/e = 183 / 185

/ CO

*

+

BrC6H 4

m/e = 155 / 157

/ Br

*

C6H 4

+

m/e = 76

/ C2H2

*

C 4H2

+

m/e = 50

Folgefragmentierungen, die sich aus den metastabilen Ionen in Abb. 28.56 ergeben, sind durch einen Stern (*) gekennzeichnet.

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548

28

Molekülspektroskopie zur Strukturaufklärung

Tab. 28.17 a. Auswahl häufig auftretender Fragment-Ionen in den Massenspektren organischer Moleküle: Schlüsselbruchstücke m/z

Fragment-Ion(en)

30 (44, 58 ...)

R CH NH2 , H2C NHR +

31 (45, 59 ...) 39

mögliche Verbindungsklasse (n) +

+

+

44

+

R CH OH , H2C OR

primäre Alkohole, Ether (R = H, CH 3, C2H5, ...)

C3H 3

Aromaten, Heteroaromaten, Diene

H2C CH OH +

45

Amine (R = H, CH3, C2H5, ...)

+

Aldehyde (McLAFFERTY-Produkt) Methylether

H2C OCH 3 +

45

H3C CH OH

47

H2C SH

Thiole, Thioether

CH 2Cl + C4H 2

Aromaten, Heteroaromaten

49 : 51 (3 : 1)

+

+

50 51

+

Chlormethyl-Verbindungen

C4H 3 OH

58

Alkohole ( H3C/CH(OH)/ )

+

Aromaten, Heteroaromaten Methylketone (McLAFFERTY-Produkt)

H2C C CH 3

59

+

OH 60

Carbonsäuremethylester

CO2CH 3 +

Carbonsäuren (McLAFFERTY-Produkt)

H2C C OH

61 63

+

65

+

73

+

73

+

OH H3C C + OH

Essigsäureester (außer Methylester)

C5H 3

benzoide Aromaten

C5H 5

benzoide Aromaten (Benzyl-Verbindungen)

CO2C2H 5

Carbonsäureethylester

OH 74

Trimethylsilyl-Verbindungen

Si(CH3)3 +

Carbonsäuremethylester (McLAFFERTY-Produkt)

H2C C OCH3

76 77

C6H 4 +

78 +

93 : 95 (1 : 1)

+

105

benzoide Aromaten

+

benzoide Aromaten

benzoide Aromaten

C6H 5 C6H 6

91

+

Benzyl-Verbindungen

C7H 7

Brommethyl-Verbindungen

CH 2Br +

C6H 5CO

Benzoyl-Verbindungen

Stellung von Substituenten Die Stellung des Broms kann aus dem Massenspektrum nicht hergeleitet werden. Jedoch erscheinen im IR-Spektrum u. a. die in Tab. 28.18 zugeordneten Absorptionsbanden. Banden bei 1655, 735 und 705 cm/1 bestätigen den bereits massenspektrometrisch nachgewiesenen Benzoyl-Rest.

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28.7

Massenspektrometrie

549

Tab. 28.17 b. Auswahl häufig auftretender Fragment-Ionen in den Massenspektren organischer Moleküle: Fragment-Ionen der Masse (M /"X), die durch Abspaltung stabiler Neutralteile der Masse X (Radikale und Moleküle) aus dem Molekül-Ion M- entstehen. M /"X - Ion

Neutralteilchen X

mögliche Verbindungsklasse (n)

M /"15

CH3

Verbindungen mit Alkyl-Gruppen

M / 29

C 2H5

M / 43

C 3H7

M / 57 usw.

C 4H9

M / 16

O

M / 17

OH

Carbonsäuren, seltener Alkohole

NH3

primäre Diamine, seltener primäre Monoamine

M / 18

H 2O

Alkohole, Phenole, Ketone, seltener Aldehyde

M / 19

HF

Fluoralkane

M / 26

C 2H2

kondensierte Aromaten

M / 27

HCN

Stickstoff-Heteroaromaten

M / 28

CO

Carbonyl-Verbindungen einschl. Chinone, Phenole

C 2H4

Verbindungen, die Mc-LAFFERTY-Umlagerungen und RetroDIELS-ALDER-Spaltungen eingehen können

CnH2n+2

Nitroaromaten, N-Oxide

M / 29

CHO

Phenole

M / 30

CH2O

Arylmethylether, cyclische Ether

NO

Nitroso- und Nitro-Verbindungen

M / 31

OCH 3

Methylester, Methylether

M / 32 M / 33

CH3OH SH

Methylester, Methylether Thiole, Thioether

CH3 + H2O

Alkohole (stufenweise Abspaltung von Methyl-Radikal und Wasser)

M / 34

H 2S

Thiole, Thioether

M / 35 , 37 (3 : 1)

Cl

Chloralkane

M / 36 , 38 (3 : 1)

HCl

Chloralkane

M / 42

CH2 C O

Phenol- und Enolacetate, N-Arylacetamide

M / 43

HN C O

M / 44

OC CH 3 CO2

Lactame, Ureide, Urethane (/CO/NH/) Acetyl-Verbindungen (einschließlich Methylketone)

M / 45

OC2H 5

Ethylester, Ethylether, Ethylacetale, Ethylketale

M / 46

NO2

aromatische Nitro-Verbindungen

M / 59

CO2CH3

Methylester

Carbonate, Anhydride, ungesättigte Carbonsäureester

Tab. 28.18. Einige IR-Absorptionsbanden des Brombenzophenons (KBr-Preßling) p~ [cm/1]

Schwingung

1655

p"C=O

Carbonyl-Gruppe

1590 1580 1485

p"C=C

Benzen-Ring

855

i CH

p-disubstituierter Benzen-Ring

735 705

i CH

monosubstituierter Benzen-Ring

zugehörige Teilstruktur

Ergänzend spricht die CH-Deformationsbande bei 855 cm/1 für einen zusätzlichen p-disubstituierten Benzen-Ring (Tab. 28.8). Somit ist die Verbindung als p-Brombenzophenon identifiziert.

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550

29 Photoreaktionen

29 Photoreaktionen 29.1 Grundbegriffe 29.1.1

Energiebedarf von Photoreaktionen

Unter Photoreaktionen versteht man chemische Umwandlungen, die durch UV-Licht ausgelöst werden. Nach der EINSTEIN-Beziehung FG""= hp""= hc / n"""""""""(29.1)" (Lichtgeschwindigkeit c = 3 x 108 m/s; Wirkungsquantum h = 6.625 x 10/34 Js)

ergibt sich z. B. für ultraviolette Strahlung der Wellenlänge n"= 286 nm eine Anregungsenergie von

FG""= 420 kJ / mol oder 100 kcal / mol. Dieser Energiebetrag liegt im Bereich der Bindungsenergien

von CH- und CC-Bindungen. Daraus folgt, daß die Elektronenanregung von Molekülen durch UV-Licht Bindungen spalten und als Folge Reaktionen, eben Photoreaktionen auslösen kann.

29.1.2

Verhalten angeregter Moleküle

Photoreaktionen beginnen also mit der Elektronenanregung von Molekülen. Wie ein / der Einfachheit halber / zweiatomiges Molekül (AB) mit Atomkern-Abstand rAB auf die Elektronenanregung reagiert, hängt davon ab, wie sich die Potentialverläufe (Energieprofile) im Grund- und angeregten Zustand unterscheiden, und von welchem Schwingungsniveau des Grundzustandes der Elektronenübergang ausgeht. Da die Bindung im angeregten Zustand AB* schwächer ist als im Grundzustand AB, liegt das Minimum der Potentialkurve im angeregten Molekül beim größeren Kernabstand rAB* > rAB (Abb. 29.1).

E A

R

+

B

Dissoziation

Q

A

B*

A

B

P hp

Abb. 29.1. Potentialkurven eines zweiatomigen Moleküls im Grund- und angeregten Zustand A /B und A/B*

rAB

rAB*

r

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29.1

Grundbegriffe

551

Photodissoziation Die A/B-Bindung bleibt bei der Elektronenanregung erhalten, wenn der Elektronenübergang einen Schwingungszustand innerhalb der Potentialmulde des angeregten Moleküls (AB*) erreicht. Ausgehend von dem energiereichen Schwingungszustand (P, Abb. 29.1) müßte sich dann der Kernabstand beim Elektronenübergang vergrößern (Übergang PQ in Abb. 29.1). Dem widerspricht jedoch das FRANCK-CONDON-Prinzip: Wegen der im Vergleich zu Atommassen sehr kleinen Elektronenmasse ändert sich die Anordnung der Atomkerne eines Moleküls bei der Elektronenanregung praktisch nicht. Vom Schwingungszustand P aus erfolgt der "senkrechte" Übergang PR, und dieser ist bereits eine Photodissoziation, weil der erreichte Energiezustand außerhalb der Potentialmulde des angeregten Moleküls AB* liegt (Abb. 29.1). Singulett- und Triplett-Zustände Abgesehen von freien Radikalen enthalten organische Moleküle eine gerade Anzahl von Elektronen, die im Grundzustand alle paarweise antiparallelen Spin besitzen. Molekülzustände, bei denen sämtliche Elektronen auf diese Weise gepaart sind, nennt man Singuletts (S), weil sie im Magnetfeld zu keinem resultierenden magnetischen Moment führen und daher die Energieniveaus nicht weiter aufspalten. In angeregten Molekülen können die Elektronen sowohl gepaart (Singulett-Zustände) als auch ungepaart vorliegen. Bei ungepaarter Anordnung zweier Elektronen auf demselben Orbital spaltet im Magnetfeld jedes Energieniveau dreifach auf; man vergleiche hierzu analoge TriplettAufspaltung des Protons A infolge Kopplung mit zwei Protonen X in Abb. 28.29. Die ungepaarte Anordnung wird daher als Triplett-Zustand (T) bezeichnet. Erlaubt sind nur Elektronenübergänge zwischen Zuständen gleicher Multiplizität, also S-S- oder T-T-Übergänge. Für Photoreaktionen bedeutend ist jedoch, daß bei vielen Molekülen im angeregten Zustand auch verbotene strahlungslose Singulett-Triplett-Übergänge auftreten, die als "Intersystem Crossing" (Multiplizitäts-Wechsel) bekannt sind. Die Energiezustände mehratomiger Moleküle müssen durch mehrdimensionale Energieflächen anstelle der Potentialkurven des AB-Moleküls in Abb. 29.1 beschrieben werden. Vereinfacht stellt man die Singulett- und Triplett-Zustände sowie die Elektronenübergänge mehratomiger Moleküle in JABLONSKI-Diagrammen dar (Abb. 29.2). Schwingungs-Relaxation und Innere Konversion Regt man ein Molekül durch UV-Licht an, so wird bei einer bestimmten Wellenlänge (n0) von einem Schwingungsniveau des Grundzustandes (S0) aus das Schwingungsniveau eines angeregten Singulettzustandes (S2) erreicht. Der Zeitbedarf für diesen erlaubten S0 ›"S2 -Elektronenübergang liegt bei 10/13 s. Unmittelbar nach dieser Anregung / innerhalb von 10/11 s / können in Lösung drei weitere Vorgänge ablaufen (Abb. 29.2): Das angeregte Molekül gibt vom S2-Zustand aus Schwingungsenergie durch Stoß an ein Nachbarmolekül ab (Schwingungs-Relaxation 1), geht anschließend in einen schwingungs-angeregten Singulettzustand S1 über (innere Konversion 2) und gibt schließlich weitere Schwingungsenergie an die Umgebung ab (3). Auf diese Weise erreicht es den energieärmsten angeregten Singulettzustand. Dessen Lebensdauer (etwa 10/8 s) wird durch zwei weitere Vorgänge begrenzt, Fluoreszenz und Intersystem crossing. Fluoreszenz Geht das Molekül vom energieärmsten angeregten Singulett-Zustand (S1) in den Grundzustand S0 über 4 , so setzt es den nach Schwingungs-Relaxation und innerer Konversion verbleibenden Rest

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552

29 Photoreaktionen

der Anregungsenergie in Form eines Lichtquants hpF < hp0 frei. Man beobachtet diesen S1 ›"S0Übergang als Fluoreszenz, eine Emission sichtbaren Lichtes, während die Lösung durch kürzerwelliges (unsichtbares) UV-Licht bestrahlt wird. Die Farbe des Leuchtens ist substanzspezifisch. E

1 S2 T2

2

3

5 6

S1

4

T1

7 8 Fluoreszenz

Phosphoreszenz

Anregung

S0

S0

Abb. 29.2. JABLONSKI-Diagramm eines mehratomigen Moleküls. Erläuterungen zu 1 bis 8 finden sich im Text

Intersystem Crossing und Phosphoreszenz Ist der Energieunterschied zwischen Singulett- und Triplett-Zustand klein, wie z. B. für Benzophenon (20 kJ / mol, Abb. 29.3), so erfolgt der spinverbotene S1 ›"T1 -Übergang 5 , das Intersystem Crossing. Der T1 ›"S0 -Übergang zum Grundzustand kann nach weiterer SchwingungsRelaxation 6 strahlungslos ablaufen 7 , wenn kein großer Energieunterschied mehr freizusetzen ist. Häufig erfolgt der T1 ›"S0 -Übergang jedoch unter Emission eines Lichtquants (hpP < hpF , 8 ). Diesen Vorgang beobachtet man als Phosphoreszenz, die zeitlich verzögerte Emission sichtbaren Lichts durch eine Lösung kurz nach Bestrahlung mit UV-Licht. O C

S1 220

S1 296

T1

460

20

T1 240

276

S0

S0 (a)

(b)

Abb. 29.3. Grund- und angeregte Zustände von Benzophenon ( a) und 1,3-Butadien ( b); relative Energieniveau-Unterschiede FE sind in kJ / mol angegeben

Aus dem relativ langsamen Abklingen der Phosphoreszenz ergibt sich eine große Lebensdauer der Triplett-Zustände T1 (bis zu einigen Sekunden), die man als Folge des Übergangsverbots (T1 ›"S0) auch verstehen kann. Wegen ihrer Langlebigkeit sind die Triplett-Zustände angeregter Moleküle oft Ausgangspunkt von Photoreaktionen.

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29.2

Photosensibilisierung

553

29.2 Photosensibilisierung Photoreaktionen gehen häufig von angeregten Triplett-Zuständen aus, da diese langlebig sind. Photoreaktiv werden somit Verbindungen sein, die stark zum Intersystem Crossing neigen. Die Voraussetzung für diesen zunächst verbotenen Übergang ist ein geringer Energieunterschied zwischen den tiefsten angeregten Singulett- und Triplett-Zuständen. Er beträgt z. B. für Benzophenon 20, für 1,3-Butadien dagegen 225 ± 30 kJ / mol (Abb. 29.3). Entsprechend zeigt Benzophenon 100, 1,3-Butadien 0 % Intersystem Crossing. Dazwischen liegen die Aromaten. Benzophenon ist somit leichter zu Photoreaktionen anregbar als Aromaten und 1,3-Diene. Die Energie des Triplett-Zustandes 3D eines leicht anregbaren "Donor"-Moleküls (D) kann jedoch auf ein schwieriger anregbares Akzeptor-Molekül (A) übertragen werden, wenn der TriplettZustand des Donors (D) mindestens 12 kJ / mol energiereicher ist als der des Akzeptors (A). Dann führt jeder Zusammenstoß zwischen 3D und A zur Energieübertragung nach folgendem Mechanismus: D

+

hp 1D

3D

+

A

Anregung Intersystem Crossing Sensiblisierung

3A

1D 3D

D

+

3A

Produkte

Man bezeichnet diese zur Reaktion führende diffusionskontrollierte Energieübertragung als Photosensibilisierung. Entstehen bei Bestrahlung des Donors (D) und Akzeptors (A) nur Reaktionsprodukte aus D, so spricht man dagegen von einer Lösch- oder Quench-Reaktion. Die präparative Bedeutung der Photosensibilisierung erkennt man an einem Beispiel. 1,3-Butadien reagiert aus dem Singulett-Zustand elektrocyclisch zu Cyclobuten (neben Bicyclo[1.1.0]butan): 1

rr*

+ Cyclobuten

Eine Dimerisierung zu cis- und trans-1,2-Divinylcyclobutan ([2+2]-Cycloaddition) oder zu 4Vinylcyclohexen ([4+2]-Cycloaddition) ist dagegen nur aus dem Triplett-Zustand möglich: 3

+ sowie

[ 2+2 ] transcis1,2-Divinylcyclobutan

3

+ [ 4+2 ] 4-Vinylcyclohexen

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554

29 Photoreaktionen

Die UV-Bestrahlung von 1,3-Butadien in Lösung ergibt neben Cyclobuten und Bicyclo[1.1.0]butan sehr wenig Dimere, da 1,3-Butadien wegen des zu großen Energieunterschieds zwischen S1und T1-Zustand nach Abb. 29.3 kein Intersystem Crossing eingeht und daher aus dem rr*angeregten Singulett-Zustand abreagiert. In Gegenwart von Benzophenon führt die UV-Bestrahlung jedoch zu einem Dimeren-Gemisch (trans- neben wenig cis-1,2-Divinylcyclobutan sowie 4-Vinylcyclohexen), weil Benzophenon die Dimerisierung photosensibilisiert: Das Keton geht zunächst durch nr*-Anregung in einem angeregten Singulett-Zustand über, der strahlungslos zum langlebigen Triplett desaktiviert. (C6H 5)2CO

366 nm , nr*

1 [(C

6H 5)2CO]

3 [(C

6H 5)2CO]

Intersystem Crossing 1 [(C

6H 5)2CO]

Da der Triplett-Zustand des Benzophenons um über 30 kJ / mol energiereicher ist als der des 1,3Butadiens (Abb. 29.3), findet eine diffusionskontrollierte Energieübertragung auf 1,3-Butadien statt: Sensibilisierung 3 [(C

6H 5)2CO]

(C6H 5)2CO +

+

3

Das so entstandene Triplett-Butadien cycloaddiert ausschließlich zu Dimeren.

29.3 Quantenausbeute Ein Maß für die Ergiebigkeit einer Photoreaktion ist die Quantenausbeute (H). Man kann sie auf den Umsatz an Ausgangsverbindung oder auf die Produktmenge beziehen und entsprechend definieren: HUmsatz =

Anzahl der umgesetzten Eduktmoleküle

HProdukt =

Anzahl der gebildeten Produktmoleküle

Anzahl der absorbierten Lichtquanten

(29.2) Anzahl der absorbierten Lichtquanten

HUmsatz und HProdukt sind identisch, wenn die Photoreaktion nur ein Produkt ergibt. Entstehen mehrere Produkte, so summieren sich alle Produktausbeuten zur Umsatzausbeute (UHProdukt = HUmsatz). Quantenausbeuten werden u. a. aus dem Einfluß einer Löschsubstanz (Quencher) auf die Geschwindigkeitskonstante der Photoreaktion bestimmt. Als (Triplett-) Löscher wirken dabei freie Radikale, z. B. Di-t-butylnitroxid: Di-t-butylnitroxid

(H3C)3C _ _ N O _ (H3C)3C

Photoreaktionen, die einen Kettenmechanismus auslösen, z. B. Photohalogenierungen von Alkanen (Abschn. 3), können mit Quantenausbeuten von einigen Tausend ablaufen. Bei allen anderen Photoreaktionen liegen die Quantenausbeuten dagegen zwischen 0 und 1.

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29.4

Blitzlicht-Photolyse

555

29.4 Blitzlicht-Photolyse Während präparative Photoreaktionen unter kontinuierlicher Bestrahlung ablaufen, wird bei der Blitzlicht-Photolyse nur sehr kurzzeitig durch einen Blitz der Dauer 10/4 bis 10/5 s angeregt, den man in einer Gasentladungsröhre erzeugt. In verschiedenen Zeitabständen nach dem Blitz werden die UV-Spektren der Photolyseprodukte (photographisch) registriert. Auf diese Weise gelingt es, UV-Spektren und Lebensdauer kurzlebiger Moleküle zu messen. Die Blitzlicht-Photolyse des Benzendiazonium-2-carboxylats und des 2-Iodphenylquecksilberiodids ergab für Dehydrobenzen das Absorptionsmaximum von nmax = 240 nm und eine Lebensdauer von 10/5 bis 10/4 s, innerhalb der es zu Biphenylen dimerisiert. HgI

hp - Blitz

2

/ 2 Hg I 2

I

N2

hp - Blitz

2

/ 2 CO2 , / 2 N2

2-Iodphenylquecksilberiodid

2 CO2 Benzendiazonium2-carboxylat

Biphenylen

29.5 Präparative Photochemie Photoreaktionen haben viele Synthesen bis in den technischen Bereich einfacher oder überhaupt erst durchführbar gemacht. Der folgende Abschnitt gibt eine Auswahl typischer Beispiele. Dabei werden mehr präparative Anwendungen als die teilweise noch ungeklärten Mechanismen betont.

29.5.1

Photoinduzierte Einführung funktioneller Gruppen

Photohalogenierung Die Photohalogenierung von Alkanen ist eine technisch anwendbare Methode zur Herstellung von Halogenalkanen (Abschn. 2.7.4; 13.3.1). Die Regioselektivität der Reaktion nimmt mit zunehmender Temperatur ab, ist jedoch bei genügend tiefen Temperaturen so groß, daß eine gezielte Herstellung bestimmter Halogenalkane über die stabilsten Radikale als reaktive Zwischenstufen möglich ist, z. B.: H3C CH2 CH 3

+

Cl2

hp (/60 °C)

73 %

H 3C CH CH 3

+

HCl

+

HBr

Cl 2-Chlorpropan

CH 3 H3C

CH C CH 3 CH3 CH 3

Br CH 3

hp (80 °C)

+

Br2

>90 %

H 3C

C C CH3

H 3C CH 3 2-Brom-2,3,3-trimethylbutan

Photobromierungen werden durch Sauerstoff und Peroxide beschleunigt, sie gelingen auch gut mit N-Bromsuccinimid. Gute Photochlorierungs-Reagenzien sind Sulfuryl-, Trichlormethansulfonylund Trifluormethansulfonylchlorid.

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556

29 Photoreaktionen

Photocyanierung Alkane und Ether werden mit Chlorcyan zu Nitrilen photocyaniert: +

Cl CN

hp

CN

+

HCl

Cyanocyclohexan

H3C CH2 O CH 2 CH 3

+

Cl CN

hp

H3C CH2 O CH CH 3

+

HCl

CN 2-Ethoxypropannitril

Photonitrosierung und Photooximierung Die Photoreaktion von Gemischen aus Stickoxid und Chlor mit Cycloalkanen ergibt je nach Zusammensetzung des Reaktionsgemisches 1-Chlor-1-nitrosocycloalkane oder Cycloalkanoxime: Cl + Cl2

+ NO

hp , / HCl

Cl + 1/2 O2 (HNO3)

NO 1-Chlor-1-nitrosocyclohexan

Cl2 : NO = 1 : 8

NO2 1-Chlor-1-nitrocyclohexan

hp

H

N

O

[H+]

OH

NO

BECKMANNUmlagerung

Cyclohexanonoxim

N H g-Caprolactam

Die Photooximierung des Cyclohexans ist von technischer Bedeutung, da Cyclohexanonoxim eine BECKMANN-Umlagerung (Abschn. 22.4.9) zu g-Caprolactam eingeht, welches Ausgangsprodukt zur Synthese der Polyamid-Faser "Perlon" ist. Eine weitere Methode zur photoinduzierten Einführung einer Nitroso-Gruppe am KohlenstoffAtom ist die BARTON-Reaktion der aus Distickstofftrioxid und Alkoholen gut zugänglichen Alkylnitrite. Die Photolyse der Alkyl/O/N-Bindung ergibt zunächst ein Alkoxy-Radikal und Stickoxid. Durch i-Wasserstoffübertragung lagert sich das Alkoxy-Radikal zum Alkyl-Radikal um, welches mit Stickoxid zum 4-Nitrosoalkanol kombiniert: N O

O hp

H

O

NO H

OH

i-H-Übertragung

NO

R

R

OH NO

R

Alkylnitrit

R 4-Nitrosoalkanol

Das Nitrosoalkanol liegt im Tautomeriegleichgewicht mit dem entsprechenden Oxim vor. Letzteres läßt sich zur Carbonyl-Verbindung hydrolysieren. Hierauf beruht die präparative Bedeutung der BARTON-Reaktion. N O

O hp

H R

Alkylnitrit

OH NO R

OH OH N R

+ H2O (H3O+) / NH2OH

OH O R i-HydroxycarbonylVerbindung

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29.5

Präparative Photochemie

557

Photosulfoxidation Neben der lichtinduzierten Sulfochlorierung (Abschn. 2.7.5) ist die Photosulfoxidation der Alkane und Cycloalkane eine brauchbare Methode zur Herstellung von Sulfonsäuren, z. B.: hp (15 - 25 °C)

+ SO2

+ 1/2 O2

SO3H

80 - 90 % Cyclohexansulfonsäure

29.5.2

Photofragmentierungen

Bei einer Photofragmentierung zerfällt eine Verbindung lichtinduziert in zwei oder mehr stabile Folgeprodukte. Aldehyde und Ketone neigen zu solchen Fragmentierungen, die als NORRISHReaktionen bekannt sind. NORRISH-Typ-I-Reaktionen sind c-Spaltungen; sie brechen die Bindung zwischen CarbonylGruppe und c-C-Atom. Nach der Absorption des Photons kann die Spaltung von Singulett- und Triplett-Zuständen ausgehen; Arylketone spalten wegen des schnellen Intersystem-crossings meist aus dem Triplett-Zustand. Folgereaktionen der NORRISH-Typ-I-Reaktion sind neben der Rekombination der Radikale die Decarbonylierung zu einem Alkan und eine Wasserstoff-Verschiebung zwischen den Radikalen unter Bildung eines Ketens. NORRISH-Typ- II

NORRISH-Typ- I O H

C

O

hp

H

C

C

.

C

+

.C

O

H

hp

O

.

R

H

.

R

/""CO

OH C

C

O

+ H C

H

C

O

R

C

H +

R

Ketone mit i-ständigem H-Atom neigen zu den NORRISH-Typ-II-Reaktionen über einen sechsgliedrigen Übergangszustand. Dabei entsteht ein 1,4-Biradikal. Folgereaktionen sind die Kombination zum Cyclobutanol oder, wie bei der MCLAFFERTY-Umlagerung (Abschn. 28.7.5), die dSpaltung in ein Alken und ein zum Keton tautomerisierendes Enol. Cycloalkanone decarbonylieren nach der NORRISH-Typ-I-Spaltung unter Ringverengung um ein CAtom. 3,5-Cycloheptadienon öffnet sich dagegen über ein Bis-Allyl-Radikal zum 1,3,5-Hexatrien: hp , nr*

/ CO

O

O

In 1,3-Diphenyl-2-indanonen erschwert die benzoide Mesomeriestabilisierung eine 1,3-DienBildung; daher führt die Photodecarbonylierung quantitativ zu Benzocyclobuten-Derivaten: H hp , / CO

1,2-Diphenylbenzocyclobuten

sowie

O

1,3-Diphenyl-2-indanon

H cis-

trans-

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558

29 Photoreaktionen

29.5.3

Photoisomerisierungen

Di- -Methan-Umlagerung Die Photoisomerisierung von 3,3-Dialkyl-1,4-dienen zu Vinylcyclopropanen ist als Di-r-MethanUmlagerung bekannt. Reaktive Zwischenstufen sind Diradikale, welche durch die Substituenten in 3-Stellung stabilisiert werden. hp 3,3-Dialkyl-1,4-dien

2,2-Dialkyl-1-vinylcyclopropan

Bei der Di-r-Methan-Umlagerung der Allybenzene erübrigen sich die Alkyl-Gruppen, da die Intermediate mesomeriestabilisierte Allyl-Radikale sind: hp

Allylbenzen

Cyclopropylbenzen

trans-cis-Isomerisierungen Sperrig substituierte Alkene sind präparativ bevorzugt als (E)- oder trans-Isomere zugänglich. Durch Bestrahlung mit UV-Licht in Gegenwart eines Photosensibilisators (Benzophenon, Benzil) ist häufig eine trans-cis-Isomerisierung aus dem langlebigen angeregten Triplett-Zustand des Alkens möglich. Dieser reaktive Zustand wird durch Energieübertragung entsprechend dem bereits skizzierten Sensibilisierungsmechanismus (Abschn. 29.2) erreicht: H Intersystem Crossing

hp , n r* 1 [(C

(C 6H 5)2CO

R

+ C C 3 [(C

6H 5)2CO]

6H 5)2CO]

R

3

H

H

R C

/ (C6 H5) 2 CO

R

Isomerisierung

R

R C

C

H

H

C

H

Phenyl-Reste (R), Carbonyl-Gruppen sowie deren Heteroanaloga verlängern die Lebensdauer des Triplett-Zustands infolge Mesomeriestabilisierung, was die Ausbeuten der Isomerisierung steigert. N H

hp , ( Benzophenon)

H

N H

H

hp , ( Benzil) 80 %

H

H

N

cis-Stilben

N H

H

cis-2,2'-Diazastilben

Ist die Carbonyl-Gruppe ein Rest R, so gelingt die Photoisomerisierung ohne Photosensibilisator: H 3CO

H 3CO H H

CO2H

hp

74 %

CO2H H

H

cis-4-Methoxyzimtsäure

Analog photoisomerisieren Azobenzen-Derivate (Abschn. 23.8.1) und Oxime.

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29.5

Präparative Photochemie

559

Valenztautomerisierung cyclischer 1,3-Diene Die photoinduzierte Valenztautomerisierung cyclischer 1,3-Diene ist ein allgemeines Prinzip zur Darstellung bicyclischer Cyclobuten-Derivate:

7

O

O

1

hp , ( Ether)

hp , ( Ether)

4

6

6

1

Bicyclo[4.2.0]oct-7-en

2

OCH3 1-Methoxybicyclo[3.2.0]hepta-2,6-dien-4-on

H 3CO

Bicyclisierung höhergliedriger Cycloalkanone Bei Bestrahlung höhergliedriger Cycloalkanone entstehen in präparativ brauchbaren Ausbeuten am Brückenkopf hydroxylierte Bicyclen unter trans-annularer Wasserstoff-Verschiebung: O

OH hp

OH sowie

H

H

64 % cis11 % transBicyclo[8.2.0]dodecan-1-ol

Cyclododecanon

Cyclodecanon bicyclisiert auf diese Weise zum cis-Decahydro-4a-naphthol, während die analoge Reaktion des 1,2-Cyclodecandions das bicyclische Acyloin 1-Hydroxybicylo[6.2.0]decan-10-on ergibt: O 4

hp

O

HO

4a 5

6

3

2

O

8a 1 8

OH hp

7

cis-Decahydro-4a-naphthol

29.5.4

O

1-Hydroxybicyclo[6.2.0]decan-10-on

Photodehydrocyclisierungen

In Gegenwart von Oxidationsmitteln [Eisen(III)-chlorid, Iod, Luft-Sauerstoff] dehydrocyclisieren trans-Stilbene über die cis-Isomeren zu Phenanthren-Derivaten: hp

R

R

R

subst. trans-Stilben

hp

(I2 oder FeCl3)

R

/ 2 [H+] , / 2 e0

/

H

R

H

H

R

H

subst. Phenanthren

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560

29 Photoreaktionen

Das Ringschlußprinzip ist auf Heteroanaloge des Stilbens übertragbar. Aus Benzalanilinen entstehen z. B. Phenanthridine, aus Azobenzenen entsprechend Benzo[c]cinnoline: R R

hp

N

R N

/ 2 [H +] , / 2 e0

N

/

Phenanthridin

R = H , C 6H5

N

hp

N

/ 2 [H +] , / 2 e0

N

/

R

Benzo[c]cinnolin

R = H , CO2CH 3

Auch N-Alkyl- oder N-Arylcarbazole sind durch Photodehydrocyclisierung von Diphenylalkyloder Triphenylaminen zugänglich, z. B.: CH 3

CH3

N

N

hp

N

(Luft-O2)

I

/ 2 [H+] , / 2 e0

H H

Methyldiphenylamin

29.5.5

CH3

/

N-Methylcarbazol

Photoadditionen

Addition an CC-Mehrfachbindungen Eine präparative Methode zur Einführung von Trichlor- und Trifluormethyl-Gruppen ist die Photoaddition von Tetrahalogenmethanen (BrCCl3; ICF3). Die Addition folgt einem Radikal-Kettenmechanismus, wobei primär Trihalogenmethyl-Radikale an die Mehrfachbindung addieren: hp

Z

Z CX3 +

R CH CH2 R CH CH2 CX3

+

+

CX3

CX3

R CH CH 2 CX3

Z CX3

R CH CH 2 CX3 Z

X = Br, Cl, F ; Z = Br, I

+

CX3

Anwendungen dieser Photoaddition sind die Herstellung des 1,1,1,3-Tetrabromnonans aus 1Octen und Tetrabrommethan, C6H 13

CH CH 2

+

CBr4

hp

88 %

C6H 13

CH CH 2 CBr3 Br

1,1,1,3-Tetrabromnonan

und der 4,4,4-Trifluor-2-butensäure (E und Z) aus Acrylnitril über 2-Iod-4,4,4-trifluorbutyronitril: H2C CH CN

+

F 3C I

hp

+ KOH

F 3C CH2 CH CN I

F 3C CH CH CN

/ K K ", / H2O

+ H2O , + H3O+

/ NH4+

F 3C CH CH CO2H

Die Photoaddition von Perhalogenalkanen an Alkine ist ebenfalls möglich.

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29.5

Präparative Photochemie

561

Eine milde Methode zur Einführung der Carboxamid-Funktion ist die Photoaddition von Formamiden an Vinyl-Verbindungen, z. B.: O C5H 11

+

CH CH 2

hp

H C

60 %

NH 2

1-Hepten

C 5H11

O CH2 CH2 C NH 2

Octansäureamid

Addition von Aldehyden an Chinone Während die Photoaddition von Aldehyden an o-Chinone O-Acylbrenzcatechine ergibt, O + O

O H C R

O

hp

C

R

OHO O-Acylbrenzcatechin (2-Acyloxyphenol)

führt die entsprechende Reaktion der p-Chinone zu einem C-acylierten Hydrochinon, z. B.: OH O C

O +

O H C CH3

hp

O

CH3

OH 2,5-Dihydroxyacetophenon

29.5.6

Photocycloadditionen

[2+2]-Cycloadditionen zu Cyclobutan-Derivaten Die [2+2]-Cycloaddition substituierter Ethene ist eine bekannte und vielseitige CyclobutanSynthese, welche sowohl thermisch als auch photochemisch möglich und Orbitalsymmetrieerlaubt ist (Abschn. 27.3.2). Sie führt zu cis-trans-Isomerengemischen. H5C 6 H5C 6

H 5C6 H5C 6

hp

C 6H5 C 6H5

H5C 6

C6H 5

sowie

C 6H5 C6H 5 cis-trans-cis(Hauptprodukt)

H5C 6

C6H 5

trans-trans-trans(Nebenprodukt)

1,2,3,4-Tetraphenylcyclobutan

und ist auf Cycloalkene übertragbar, wobei tricyclische Cyclobutan-Derivate entstehen, z. B.: 2

hp Sensibilisator 55 %

trans-Tricyclo[5.3.0.0 2,6 ]decan

Bei s-cis-1,3-Dienen konkurriert die [4+2]-Cycloaddition (DIELS-ALDER-Reaktion).

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562

29 Photoreaktionen

[2+2]-Cycloadditionen zu Oxetan-Derivaten (PATERNO-BÜCHI-Reaktion) Die mit vergleichsweise wenig Energie nr*-anregbaren Ketone und Aldehyde (Benzophenone, Acetophenone, Benzaldehyde) cycloaddieren an Alkene unter Bildung von Oxetanen (PATERNOBÜCHI-Reaktion). Besonders gute Ausbeuten erhält man aus Benzophenonen und mehrfach verzweigten oder cyclischen sowie heterocyclischen Ethen-Derivaten: O H 5C 6

H3C

C

C6H 5

+ H3C

C C

CH3

CH3

hp

O

CH3

O C

C6H 5

C6H6 , hp

+

O

H 5C6 4,4-Diphenyl-3-oxatricyclo[4.2.1.0 2,5]nonan C 6H 5

H 5C6

O

C6H 5

C

H 5C6

80 % Bicyclo[2.2.1]hept-2-en

H 5C 6

CH 3

H5C 6 CH3 4,4-Diphenyl-2,2,3,3-tetramethyloxetan

2,3-Dimethylbuten

H 5C 6

CH 3

H 5C 6

70 %

hp

+

O

O

94 %

O

Furan

6,6,Diphenyl-4,7-dioxabicyclo[3.2.0]hept-2-en

Die Orientierung der Cycloaddition läßt sich oft durch Stabilitätsbetrachtungen des als Zwischenstufe zu erwartenden Biradikals vorhersagen (Abb. 29.3). Das Biradikal entsteht wahrscheinlich durch Zerfall eines als "Exciplex" bezeichneten, sehr schnell entstehenden Komplexes aus Alken und Triplett-Zustand des angeregten Ketons (Abb. 29.4). Einen Hinweis darauf liefern die im Vergleich zu anderen Photoadditionen meist erheblich höheren Geschwindigkeitskonstanten der PATERNO-BÜCHI-Reaktion. Ar Ar

weniger stabil

C H Ar

O

CR 2

C

H

Ar C O Ar

hp

Ar

Intersystem

C O Ar

Crossing

3

H

R

+ C C

Ar C O

R

R

Nebenprodukt

R C

C

C

O

R Ar

R

Ar

O

H R R

R

1

Ar

R

Exciplex

Ar

Ar stabiler (höher alkyliertes Biradikal)

Ar C R Ar

O

CHR

C R

Ar

O R

R R H

Hauptprodukt

Abb. 29.4. Zum Mechanismus der PATERNO-BÜCHI-Reaktion

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29.5

Präparative Photochemie

563

Die PATERNO-BÜCHI-Reaktion von Alkinen mit Diarylketonen führt / wahrscheinlich über Oxetene / zu c.d-ungesättigten Ketonen, z. B.:

(C 6H5)2CO

+

C 4H9

hp

C 4H9 C C C4H 9

O

O H5C 6

C4H 9

H 5C6

C 6H5 C 4H9

C4H 9 C6H 5

2-Butyl-1,1-diphenyl-1-hepten-3-on

Die [2+2]-Cycloaddition elektronegativ substituierter Alkene mit Ketonen folgt nicht dem in Abb. 29.4 skizzierten Biradikal-Mechanismus. Zwischenstufe ist vielmehr ein nucleophiler nr*-angeregter Singulett-Zustand. Zwar sind die Ausbeuten weniger gut, jedoch ermöglichen solche Cycloadditionen die Einführung funktioneller Gruppen in das Oxetan-System: H3C

H3C

+ O

CN

H 3C

C

O , hp

CN

CN

CN

H3C

NC

H3C

+

C

O , hp

O

H3C

CN

H3C

CN

CN

H 3C cis-2,3-Dicyano-4,4-dimethyloxetan

trans-2,3-Dicyano-3,3-dimethyloxetan

[4+2]- und andere Cycloadditionen von Dien-Systemen Die Photodimerisierung cisoider 1,3-Dien-Systeme verläuft unter Konkurrenz von [2+2]- und [4+2]-Cycloadditionen, wie bereits das Beispiel des 1,3-Butadiens zeigt. Bei Bestrahlung von Benzen mit Maleinsäureanhydrid entsteht zunächst ein Bicyclus durch [2+2]-Cycloaddition, der mit weiterem Dienophil durch [4+2]-Cycloaddition zum tricyclischen Dianhydrid abreagiert: O O +

2

O

O O

[2+2]

O

O

O +

O

7 6

hp

O

8

O

1 5

10

[4+2]

9

O

4

O

2 3

O O Tricyclo[4.2.2.01,6 ]dec-9-en-exo,endo3,4:7,8-tetracarbonsäuredianhydrid

Die Photodimerisierung kondensierter Aromaten und Heteroaromaten erfolgt oft als [4+4]-Cycloaddition und führt dann zu Achtringen, wie die Beispiele illustrieren: R 2

R

R R

hp

2

[4+4]

R 9,10,11,16-Tetrahydro-9,10[9',10']anthracenoanthracen-Derivate

N

N

hp

N

[4+4]

R 2,6-Diazatricyclo[4.2.2 1,4.2 5,8 ]dodeca-2,6,9,11-tetraen-Derivate

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564

29 Photoreaktionen

[4+2]-Cycloadditionen von 1,2-Dicarbonyl-Verbindungen Ungesättigte 1,2-Dicarbonyl-Verbindungen photocycloaddieren an Alkene (Stilbene, Styrene). Die Reaktion ist eine heteroanaloge [4+2]-Cycloaddition und eröffnet einen Zugang zu zahlreichen Derivaten des 1,4-Dioxins, z. B.:

+

62 %

O 9,10-Phenanthrenchinon

O

hp

O

O

O

O

Ethylvinylether

2-Ethoxy-2,3-dihydrophenanthro[9,10-b]1,4-dioxin

Cycloreversionen Eine Umkehrung der [2+2]-Cycloaddition (Retro-Cycloaddition, Cycloreversion) kann interessante Ringsysteme zugänglich machen, wenn die Reaktion energetisch von der Bildung eines besonders stabilen Nebenproduktes profitiert. Ein bekanntes Beispiel ist die ergiebige Synthese von Bullvalen durch Photolyse des Cyclooctatetraen-Dimeren unter Benzen-Abspaltung: hp", 24 h

+

80 % Bullvalen Cyclooctatetraen-Dimer

29.5.7

Photooxidation mit und Photoaddition von Sauerstoff

Dehydrierungen Durch Photodehydrierung von Alkenen mit Chinonen (9,10-Phenanthrenchinon, Tetrachlor-pbenzochinon) ist die Einführung einer CC-Doppelbindung möglich. Die Dehydrierung gelingt gut, wenn bestehende r-Systeme um eine zusätzliche konjugierte r-Bindung erweitert oder aromatisiert werden, z. B.: O

OH

hp

+

+ OH

O Tetrahydronaphthalen (Tetralin)

Dihydronaphthalen

C6H 5

Cl

+ H5C 6

C6H 5 C6H 5

1,2,3,4,5-Pentaphenyl-1,3-cyclohexadien

Cl

Cl O

OH

C6H 5

O Cl

H5C 6

hp

Cl

H5C 6

Cl

+ H5C 6

C6H 5 C6H 5

Cl

Cl OH

Pentaphenylbenzen

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29.5

Präparative Photochemie

565

Hydroperoxidation Vor allem sekundäre Alkohole und offenkettige sowie cyclische Ether neigen zur Photohydroperoxidation in c-Stellung zum Sauerstoff: CH3 HO C H

CH3

hp", Benzophenon

+

O2

25 %

R

O +

HO C OOH

O2

O

hp", Benzophenon

OOH

46 %

R

2-Hydroperoxytetrahydrofuran

R = CH3 : 2-Hydroperoxy-2-propanol

Die entstandenen Hydroperoxide sind meist explosiv. Hydroperoxide des Typs R2CH/OOH reagieren mit Wasser zu den entsprechenden Carbonyl-Verbindungen R2CO und Wasserstoffperoxid.

Transannular-Peroxidation Transannulare Peroxide (Dihydro-1,2-dioxine) entstehen durch sensibilisierte Photocycloaddition von Sauerstoff an substituierte und kondensierte 1,3-Dien-Systeme. Ein bis zur technischen Reife entwickeltes Beispiel ist die Synthese des Wurmmittels Ascaridol aus c-Terpinen. Gut gelingt die Transannular-Peroxidation auch bei 9,10-disubstituierten Anthracenen. Die gebildeten Epidioxide zerfallen beim Erhitzen oft in die Edukte.

+

O2

hp", Chlorophyll

O

c-Terpinen

hp", CS2

O

+

O2

O

> 200 °C

O

Ascaridol 9,10-Diphenylanthracen

9,10-Epidioxy-9,10-diphenylanthracen

Photooxidation von Schwefel-Verbindungen Sauerstoff oxidiert Sulfoxide in Gegenwart eines Sensibilisators zu Sulfonen: 2 R1

SO R2

+

O2

Dialkylsulfoxid

hp", Sensibilisator > 90 %

2 R1

SO2 R 2 Dialkylsulfon

Die Photoaddition von Sauerstoff an Thioharnstoff führt zur entsprechenden Sulfinsäure: HN

H 2N

C SH

C S H 2N

H 2N Thioharnstoff-Tautomere

+ O2 / hp", Sensibilisator 60 %

HN

O C S

OH H2N Aminoiminomethansulfinsäure

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566

29 Photoreaktionen

29.5.8

Photoreduktionen

Reduktion von Phenonen Benzophenone werden in 2-Propanol bei Gegenwart von etwas Natrium-i-propanolat photochemisch zu Benzhydrolen reduziert: H OH

O C +

C

hp" / Alkoholat

(H3C)2CHOH

+

90 %

H3CO

(H 3C)2CO

H3CO

4-Methoxybenzophenon

4-Methoxybenzhydrol

Die Photoreduktion von Benzophenonen mit Benzhydrolen in Benzen als Lösemittel ist eine lange bekannte Methode zur Herstellung von Tetraaryl-1,2-ethandiole: Ar

H C O

+

Ar C

HO

Ar

HO OH

hp" (C6H6)

Ar C C Ar

Ar

Ar Ar

Der Mechanismus dieser Photoreduktion ist gut untersucht. Nach nr*-Anregung des Benzophenons und Intersystem Crossing wird Wasserstoff vom Benzhydrol auf den angeregten TriplettZustand des Benzophenons übertragen. Dabei entstehen zwei Diphenylhydroxymethyl-Radikale, die zum Tetraaryl-1,2-ethandiol kombinieren: H

+ Ar C O

hp

1

Ar

Intersystem

C O

Ar

3

Crossing

Ar

Ar

Ar C

HO

Ar

C O

HO OH

Ar 2

Ar

C OH

Ar

Ar

C C Ar Ar Ar

Reduktion von Iminen Auch Imine können photochemisch durch sekundäre Alkohole als Wasserstoff-Donatoren zu Aminen reduziert werden. Diese Photoreduktion bewährt sich bei der Synthese mancher hydrierter Heterocyclen, z. B. zur Herstellung des Hexahydrocarbazols aus dem Tetrahydro-Derivat: N +

(H3C)2CHOH

H N

hp

+

CH 3

(H 3C)2CO

CH 3 4a-Methyl-1,2,3,4,4a,9a-hexahydrocarbazol

Hydrierung von CC-Doppelbindungen Die Photohydrierung von CC-Doppelbindungen in Gegenwart von Wasserstoff-Donatoren wie 2Propanol oder Diphenylmethan ist im wesentlichen auf c.d-ungesättigte Carbonyl-Verbindungen beschränkt. 1-Phenalenon wird z. B. durch 2-Propanol zu 2,3-Dihydro-1-phenalenon reduziert: O

O +

(H3C)2CHOH

hp

+

(H3C)2CO

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29.6

Biologische Photoreaktionen

567

29.6 Biologische Photoreaktionen 29.6.1

Sehvorgang

Der lichtempfindliche Farbstoff der Sehzellen des Auges ist der Sehpurpur Rhodopsin. Rhodopsin ist die SCHIFFsche Base aus einem Lysin-Rest des Proteins Opsin und 11-cis-Retinal. Schlüsselreaktion des Sehvorganges ist die Isomerisierung des labilen 11-cis-Retinal-Opsins zum stabilen trans-Retinal-Opsin, sobald die Sehzellen von einem Lichtquant getroffen werden. Diese cistrans-Isomerisierung hat Konformationsänderungen des Opsins zur Folge, welche in der Sehzelle über eine Enzymkette einen Nervenimpuls auslösen. Das all-trans-Retinal (Abschn. 42.2.3) wird innerhalb des Proteins enzymatisch zu 11-cis-Retinal regeneriert. hp

N (CH2)4

Rhodopsin (SCHIFFsche Base aus Opsin und 11- cis-Retinal)

29.6.2

Opsin

Nervenimpuls

N (CH 2)4 Opsin

Photosynthese

In den Chloroplasten der Pflanzen liegt Chlorophyll (Abschn. 34.7.6) an ein Protein gebunden als Chloroplastin vor. Bei der Photosynthese von Kohlenhydraten in Pflanzenzellen wirkt das grüne Chloroplastin als Photosensibilisator, welcher die photolytische Spaltung des Wassers energetisch möglich macht. Dabei wird Sauerstoff freigesetzt; ein Wasserstoff-Atom wird an das Coenzym Nicotinamid-Adenin-Dinucleotid (NAD) gebunden, das andere als Proton abgespalten: H

O C

H2O +

H H NH2

O C

hp""(Chloroplasten)

N

N

R NAD

R NADH

NH2

NH2

N + [H ]

Adenin

+ 1/2 O2 O

R=

O

N

O P O P O HO

O

OH OH OH Diphosphorsäure

D-Ribose

N

N O

O HO

O P OH

D-Ribose

OH

Das Coenzym im reduzierten Zustand NADH ist dann das eigentliche Reduktionsmittel des Kohlendioxids. Dieses carboxyliert zunächst eine Ketose zur 3-Phosphoglycerinsäure, welche durch das (NADH + H+)-System zum 3-Phosphoglycerinaldehyd reduziert wird (Dunkelreaktion): CH 2 O P C O H C OH

+ CO2 , + H2O

CH 2 O P

NAD+

CH 2 O P

H C OH CO2H

R Ketosephosphat

NADH + [H+]

3-Phosphoglycerinsäure

H C OH H2O

CHO

O P =O P OH

OH

3-Phosphoglycerinaldehyd

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568

29 Photoreaktionen

29.7 Chemilumineszenz Licht kann einerseits durch Elektronenanregung Photoreaktionen entfachen. Andererseits gibt es Reaktionen, die ohne äußere Energiezufuhr sichtbares Licht (n"= 770 - 380 nm) erzeugen. Bei diesem als Chemilumineszenz bezeichneten Vorgang setzt die chemilumineszente Reaktion Energiebeträge frei, die zur Elektronenanregung ausreichen (154 - 315 kJ/mol). Während sie in den Grundzustand übergehen, emittieren die angeregten Moleküle sichtbares Licht wie bei der Fluoreszenz (Abschn. 29.1.2). Chemilumineszenz ist somit chemisch angeregte Fluoreszenz und kann auftreten, wenn bei einer Reaktion fluoreszierende Verbindungen zugegen sind oder entstehen. Chemilumineszenz wird beim Zerfall einiger organischer Peroxide beobachtet. Ein Beispiel ist die durch Eisen(III)-Komplexe katalysierte Oxidation des aus 3-Nitrophthalsäureanhydrid zugänglichen 3-Aminophthalsäurehydrazids (Luminol) mit Wasserstoffperoxid in alkalischer Lösung. Über intermediäre Peroxide entsteht am Ende das (fluoreszierende) 3-Aminophthalat im angeregten Zustand, der unter Emission blauen Lichts (n = 425 nm) in den Grundzustand übergeht. H2N

O

H2N

O NH NH

+ 4 OH

, + H2O2 (Fe3

)

O

/ 4 H2O , /"N2 ,"/ 2 e0

O

O

*

O 3-Aminophthalat im angeregten Zustand

3-Aminophthalsäurehydrazid (Luminol)

3-Aminophthalsäurehydrazid ist als Bislactam eine zweibasige NH-Säure. Ihre Neutralisation mit Natronlauge führt zum Dianion, das katalytisch durch Wasserstoffperoxid zum Phthalazin-1,4dion oxidiert wird. Die nucleophile Addition von Wasserstoffperoxid an eine der CarbonylFunktionen ergibt ein Peroxyhydrat, welches sich nach Deprotonierung zum Dianion der Acyldiazenperoxycarbonsäure öffnet. Das durch intramolekulare nucleophile Addition des Peroxycarboxylats an die andere Carbonyl-Funktion entstehende Intermediat entaromatisiert unter Abspaltung von Stickstoff zum Endoperoxid. Dessen elektrocyclische Rearomatisierung unter simultaner Bildung zweier Carbonyl-Gruppen liefert die Energie zur Anregung des 3-Aminophthalats. H2N

Deprotonierung

O

H2N

NH

Oxidation

O

+ 2 OH

NH

/ 2 H 2O

O 3-Aminophthalsäurehydrazid

N

H 2O2 (Fe 3

N

/ 2 e0

H2N

O

)

N N

O

O Phthalazin-1,4-dion

nucleophile Addition

O

H2N

O

O

O O

N

H2N

N

N

N O Acyldiazenperoxycarbonsäure (Dianion)

O

O

O O

H2N

O O

N N

/ N2

HO

Deprotonierung

O

+ 2 OH

H

N

H2N

/ 2 H2O

O

N

O Phthalazin-1,4-dion-peroxyhydrat

O

H2N

O

+ H2O2

elektrocyclische Rearomatisierung

H2N

O O O

O O Endoperoxid

*

O 3-Aminophthalsäure-Dianion (angeregt)

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29.7

Chemilumineszenz

569

Eisen(III)-Komplexe wie Hämin (aus Blut, Abschn. 34.7.6) oder Kaliumhexacyanoferrat(III) sind die Katalysatoren dieser chemilumineszenten Oxidation (Umschlagfoto). Die Reaktion findet zum Nachweis verborgener Blutspuren bei der Verbrechensaufklärung Anwendung. Die Perhydrolyse von Oxalsäurediarylestern mit Aryl-Resten, welche durch elektronenziehende Gruppen substituiert sind, entfacht in Gegenwart fluoreszierender Arene eine sensibilisierte Chemilumineszenz, welche in Form chemischer Leuchtröhren ("light sticks") zu Beleuchtungszwecken angewendet wird. Das "kalte Licht" entsteht nach RAUHUT wahrscheinlich durch Perhydrolyse des Diesters über 1,2-Dioxetandion; dessen Cycloreversion zu Kohlendioxid liefert die durch gleichzeitige Genese zweier Carbonyl-Gruppen erzeugte Energie zur Anregung eines fluoreszierenden Aromaten Arf wie 5,6,11,12-Tetraphenylnaphthacen (Rubren). Beim Übergang in seinen Grundzustand emittiert der angeregte Aromat Arf* intensiv gelbes Licht. Andere Sensibilisatoren Arf ändern die Farbe des emittierten Lichts (9,10-Diphenylanthracen: blau). O

O

O C C Ar

O

+

O C

H 2O2

O Ar

C

O

+

OC5 H11

2 Ar OH

O

Cl

O

1,2-Dioxetandion

Ar =

+ Ar f 2 CO2

C

+

Ar f

Cl ; Ar f = Cl

*

Biolumineszenz ist eine enzymatische Chemilumineszenz in vivo, die Bakterien, Insekten, Pilze und Meerestiere (Fische, Krebse, Quallen, Schwämme, Würmer) zum Leuchten bringt, um Artgenossen zu erkennen, zur Paarung anzulocken oder Fraßfeinde abzuschrecken. Dabei werden die meist heterocyclischen Luciferine in Gegenwart der als Luciferasen bezeichneten Enzyme mit Sauerstoff zu Primärprodukten im angeregten Zustand oxidiert. Das Licht, mit dem die Weibchen der Leuchtkäfer Photinus pyralis ("firefly" in Amerika) und Lampyris noctiluca ("Glühwürmchen" in Europa) die Männchen zur Paarung anlocken, entstammt z. B. der Oxidation des Photinus-Luciferins, (R)-4,5-Dihydro-2-(6-hydroxy-2-benzothiazolyl)-4thiazolcarbonsäure, mit dem Sauerstoff der Luft zu einem instabilen c-Peroxylacton (1,2-Dioxetan-3-on) durch die Photinus-Luciferase in Gegenwart von Magnesium-Ionen. Als Energielieferant wirkt Adenosintriphosphat (ATP, Abschn. 40.3.1), das zu Adenosinmonophosphat (AMP) und Diphosphorsäure abreagiert. Das Endprodukt, 4,5-Dihydro-2-(6-hydroxy-2-benzothiazolyl)thiazol-4-on, bildet sich durch Cycloreversion des c-Peroxylactons im angeregten Zustand und emittiert gelbgrünes Licht (n = 562 nm).

HO

N

N

S

S

CO2H

O

+ O2 + ATP

Luciferase , Mg2+

N

N

/ AMP , / H4P2O7

S

S

HO

C

O

OH OH O

C O / H2O

HO

N

N

S

S

Photinus-Luciferin

O

/ CO2

HO

N

N

S

S

*

O

4,5-Dihydro-2-(6-hydroxy-2-benzothiazolyl)thiazol-4-on

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570

30 Nichtbenzoide Aromaten

30 Nichtbenzoide Aromaten 30.1 Übersicht Unter nichtbenzoiden Aromaten versteht man ionische oder neutrale Cyclopolyene, die benzenähnliche physikalische Eigenschaften und Reaktivitäten aufweisen. Die Anzahl ihrer r-Elektronen folgt der (4n+2)-Regel nach HÜCKEL (Abschn. 9.6). Ihre r-Bindungen sind bei koplanarer Anordnung aller Ring-C-Atome cyclisch durchkonjugiert. Die Verschiebungen ihrer Protonen in den 1HNMR-Spektren lassen sich durch den als experimentelles Aromatizitätskriterium bekannten Ringstrom-Effekt (Abb. 28.23) erklären. Tab. 30.1 vermittelt eine Übersicht nichtbenzoider Aromaten. Die folgenden Abschnitte behandeln Herstellung, Bindungsverhältnisse und ggf. typische Reaktionen der monocyclischen aromatischen Ionen und Annulene. Zusammenfassend werden für jede der beiden Stoffklassen NMR-spektroskopische Eigenschaften skizziert, welche die Verbindungen als Aromaten kennzeichnen.

30.2 Cyclopropenium-Kationen 30.2.1

Synthese

Das Cyclopropenium-Ion entsteht in Form des stabilen Hexachlorantimonats bei der Reaktion von 3-Chlorcyclopropen mit Antimonpentachlorid. 3-Chlorcyclopropen erhält man neben weiteren Mono- und Dichlorcyclopropenen durch Reduktion von Tetrachlorcyclopropen mit Tributylzinnhydrid. Cl

Cl 3H

/ 3 Cl

Cl

+ SbCl5

(C4H9) 3SnH

+

[ SbCl6 ]

/

Cl

Cl

H

Cyclopropeniumhexachlorantimonat

Das Triphenyl-Derivat bildet sich bei der Einwirkung von Bortrifluorid-Etherat auf 1,2,3Triphenylcyclopropen-3-carbonitril, welches durch [2+1]-Cycloaddition von Phenyldiazoacetonitril an Diphenylethin zugänglich ist: C6H 5 + C6H 5

CN IN _ N C C 6H5

/ N2

H5C 6

H 5C6 CN C 6H5 H 5C6

+ H 2 O / BF3 O(C 2 H 5 ) 2

C6H 5

/ HCN

H5C 6

BF 3OH

Triphenylcyclopropeniumhydroxytrifluorborat

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30.2

Cyclopropenium-Kationen

571

Tab. 30.1. Übersicht nichtbenzoider Aromaten. Die angegebenen Formeln beschreiben nur einen mesomeren Grenzzustand sowie das cyclisch delokalisierte r-Elektronensystem

monocyclisches aromatisches Ion

mesomere Grenzformeln

Cyclopropenium-Kation

Cyclopentadienid-Anion

_

Cycloheptatrienium-Kation

Cyclooctatetraendiid-Dianion

2

n

2r

2

0

6r

6

1

6r

6

1

10r 2

10

2

10

2

10r

Cyclononatetraenid-Anion

Anzahl der r-Elektronen (4n+2)

_

Annulen

30.2.2

mesomere Grenzformel

Anzahl der r-Elektronen (4n+2)

n

[10]-Annulen

10

2

[14]-Annulen (Anthracen-Typ)

14

3

[14]-Annulen (Pyren-Typ)

14

3

[18]-Annulen

18

4

[22]-Annulen

22

5

Molekülorbital-Modell und Strukturmerkmale

Das C-NMR-Spektrum des Cyclopropenium-Ions zeigt ein Signal bei fC = 177, wie es einem Carbokation mit delokalisierter positiver Ladung entspricht. Die 13C-1H-Kopplungskonstante spiegelt mit 265 Hz einen sehr hohen s-Charakter der C/H-Bindungsorbitale wider. Dementsprechend erklärt man den Bindungszustand durch das in Abb. 30.1a skizzierte Molekülorbital-Modell: Zur Knüpfung der u-Bindungen benutzt das C-Atom ein sp-Orbital für eine CH-Bindung und zwei 13

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572

30 Nichtbenzoide Aromaten

sp2-Orbitale, um den Ring über CC-Bindungen zu schließen. An jedem Ring-C-Atom verbleibt ein nicht hybridisiertes p-Orbital senkrecht auf der u-Bindungsebene, welches zum delokalisierten rSystem beiträgt. Die RÖNTGEN-Strukturanalyse des 1,2,3-Triphenylcyclopropenium-Ions ergab nicht nur dessen symmetrische Struktur, sondern zeigte auch, daß sich die Phenyl-Ringe um 21° aus der Dreiringebene herausdrehen (Abb. 30.1 b). Dieser Umstand behindert eine völlige Delokalisierung der positiven Ladung über die drei Phenyl-Ringe.

Abb. 30.1. Cyclopropenium-Ion (a) Molekülorbital-Modell, (b) Struktur des Triphenylcyclopropenium-Kations nach SUNDARALINGHAM, M., JENSEN, L. H. (1966), J. Am. Chem. Soc. 88, 198

30.2.3

Reaktivität

Das Triphenylcyclopropenium reagiert elektrophil, z. B. mit Methanol zu Methoxytriphenylcyclopropen, läßt sich jedoch häufig aus den Additionsprodukten regenerieren: H5C 6 - CH3OH

C6H 5 H5C 6

H5C 6 OCH 3

/ CH3OH

X

+

HX

C 6H5 H5C 6

30.3 Cyclopentadienid 30.3.1

Herstellung

Das Cyclopentadienid-Anion bildet sich leicht durch Deprotonierung des Cyclopentadiens in Gegenwart von Alkalimetallen oder Alkalihydroxiden: / [H+]

_ H

30.3.2

H

H

Strukturmerkmale

Entsprechend der durch die Mesomerie erklärbaren Gleichwertigkeit aller Ring-Methin-Gruppen H

H oder

H

6r

H

H

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30.3

Cyclopentadienid

573

zeigen die 1H- und 13C-NMR-Spektren des Cyclopentadienid-Anions jeweils nur ein Signal (1H : fH = 5.57; 13C : fC = 102). Die Verschiebungen sind wegen der erhöhten negativen Ladungsdichte (6 / 5 Elektronen pro C) erheblich kleiner als die für Benzen gemessenen Werte (fH = 7.28, fC = 128.5). Im Molekül-Orbital-Modell entstehen die koplanaren CC- und CH-"u-Bindungen durch sp2Hybrid-Orbitale des Kohlenstoffs. Die senkrecht auf der u-Bindungsebene stehenden, koaxialen pz-Orbitale überlappen seitlich und führen zu einer dem Benzen analogen 6r-Elektronenwolke, die sich jedoch nur über fünf Ring-C-Atome verteilt.

30.3.3

Reaktivität

Elektrophile Additionen Elektrophile Reagenzien addieren leicht an das Cyclopentadienid. Alkyl- und Arylhalogenide alkylieren bzw. arylieren, und Kohlendioxid carboxyliert. Bei beiden Reaktionen cycloaddieren die Primärprodukte zu DIELS-ALDER-Dimeren. Die Addition an Carbonyl-Verbindungen (KNOEVENAGEL-Alkenylierung) führt dagegen zu den Fulvenen, welche nicht dimerisieren: CO2H

H

H

CO2H

CO2H

2

H

CH3

H

CH 3

2

/2I

H H

+ 2 CH3I

+ 2 C6H5Br

6r

2

/

/ 2 Br

2

/

C 6H5

H

+ 2 CO2 , + 2 [H+]

C6H 5 H H

CH3

+ 2 R2C=O , + 2 [H+]

/"2 H2O

C 6H5

R 2

R = H , Alkyl , Aryl

C R

Mit p-Tosylazid reagiert das Cyclopentadienid zum Diazocyclopentadien: 6r

_ N _ SO2

+ _ N N

CH3

Ether

H

_ N _ SO2

CH 3

N

H Li

N N

N _ N

Li

SO2 / H3 C

CH 3

/

SO2 NH Li+

N N

N N _I

Diazocyclopentadien (rot)

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574

30 Nichtbenzoide Aromaten

Das stabile Diazocyclopentadien läßt sich als Diazoniumcyclopentadienid und als FulvenAnalogon formulieren. Man kann es nitrieren, bromieren, mercurieren und mit AryldiazoniumSalzen kuppeln, z. B.: 6r

N _

+

_ N

6r

CH3OH / H2O , 0 °C / HBF4

BF 4

N N

N2 2-Phenylazodiazocyclopentadien

N2

Diazocyclopentadien gehört zur Klasse der Cyclopentadienylide, die sich durch hohe Dipolmomente und eine beachtliche Stabilität auszeichnen: 6r 6r

6r

N P(C 6H5)3

N(CH 3)3 Trimethylammonium-

Pyridiniumcyclopentadienylid

Triphenylphosphonium-

Bildung von -Komplexen (Metallocene) Cyclopentadienide reagieren mit verschiedenen Übergangsmetall-Salzen zu Metallocenen. Mit Eisen(II)-Salzen entsteht z. B. das orange Ferrocen: von vorn

von oben

+ FeCl2 (THF, N2)

6r

Na

Fe

Fe

/ 2 NaCl

Ferrocen

Die antiprismatische, auch als "Sandwich" bezeichnete Struktur des Ferrocens und anderer Metallocene, bei der die C-Atome der beiden Fünfringe auf Lücke stehen, wurde durch RÖNTGENDiffraktometrie bestätigt. Im Molekül-Orbital-Modell erklärt man die Bindung zwischen MetallKation und r-System durch Überlappung der p-Orbitale des Kohlenstoffs mit den 3d-Orbitalen des Metalls. Während die Cyclopentadienid-Ringe im kristallinen Zustand die SandwichKonfiguration einnehmen, sind sie in Lösung frei drehbar. Die Reaktionen der Metallocene sind denen des Benzens weitgehend analog. Häufigster Reaktionstyp ist die elektrophile Substitution, wie eine Auswahl in Abb. 30.2 zeigt.

H

Fe

O C H

C O Ferrocen-1,1'-dialdehyd

H 3C

Fe

H2SO4 , CH3CO2H

Fe HO3S Ferrocen-1,1'-disulfonsäure

O C CH 3

C O 1,1'-Diacetylferrocen

SO3H (H3C) 2N/CH=O POCl3

(CH3CO) 2O , AlCl3

Fe HgCl2

HgCl Fe ClHg Ferrocen-1,1'-diquecksilberchlorid

Abb. 30.2. Elektrophile Substitutionen des Ferrocens

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30.4

Cyloheptatrienium-Kationen

575

Die direkte Nitrierung oder Halogenierung des Ferrocens scheitert an der Oxidation von Eisen(II) zu Eisen(III) durch Salpetersäure bzw. Halogen. Dabei entsteht reversibel das im Gegensatz zu Ferrocen paramagnetische und blaugrüne Ferricenium-Ion: / e0

/

Fe + e0

Fe

/

Ferrocen

Ferricenium-Ion

30.4 Cyloheptatrienium-Kationen 30.4.1

Strukturmerkmale und Formulierung

Im Cycloheptatrienium-Kation (C7H7¸, Tropylium-Ion) verteilt sich ein r-Elektronensextett auf sieben koplanare C-Atome, deren chemische Äquivalenz aus dem 1H- und 13C-NMR-Spektrum hervorgeht: Es erscheint jeweils nur ein Signal, das infolge der geringen r-Elektronendichte pro C-Atom (6r"/ 7C) gegenüber den Benzen-Resonanzen (6r"/ 6C) deutlich größere Verschiebungswerte aufweist (fH = 9.2; fC = 155.4). Dementsprechend wird das Cycloheptatrienium-Ion durch sieben energiegleiche mesomere Grenzformeln beschrieben, die sich in einer Formel mit delokalisiertem r-Elektronensextett und delokalisierter positiver Ladung zusammenfassen lassen: 6r Cycloheptatrienium-Ion

30.4.2

Herstellungsmethoden

Cycloheptatrienium-Salze Die meisten Synthesen des Cycloheptatrienium-Kations sind Hydrid-Abspaltungen aus Cycloheptatrien, z. B. durch Carbokationen, wie man sie aus Trityl- und tert-Butylchlorid sowie Tetrachlormethan erhält, meist in Gegenwart von LEWIS-Säuren. Ein weiteres allgemeines Herstellungsprinzip ist die 1,4-Addition von Brom an Cycloheptatrien unter anschließender thermischer Dehydrobromierung. 1.) (H5C6) 3C/Cl (CH3CN) 2.) (H3C) 3C/Cl (AlCl3) 3.) CCl4 (PCl3)

H

H

6r

F , / HBr

X

Br H

H Br

+ Br 2

X = Cl , Br

Cycloheptatrieniumoxid (Tropyliumoxid) Aufgrund seines sehr hohen Dipolmoments und seiner Spektren liegt Cycloheptatrienon als Cycloheptatrienium- oder Tropyliumoxid vor. Es entsteht durch photoinduzierte Homologisierung des Brombenzens mit Diazomethan. Nach 1,4-Addition von Brom an das gebildete 1-Brom-1,3,5-

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576

30 Nichtbenzoide Aromaten

cycloheptatrien und anschließender Brom-Abspaltung erhält man Bromcycloheptatrieniumbromid, das zum Cycloheptatrienon hydrolysiert wird: Br

_ OI _

Br

Br + CH2N2 (hp)

+ Br 2

/ N2

/ HBr

6r

+ H2O

O

6r

/ HBr

Cycloheptatrienium-oxid (Cycloheptatrienon)

-Hydroxycycloheptatrieniumoxid (Tropolon) 2-Hydroxycycloheptatrienon (Tropolon) zeigt aufgrund seiner Spektren und Reaktionen eine Äquivalenz der Kohlenstoff-Paare 1 / 2 , 3 / 7 sowie 4 / 6. Offensichtlich tauscht das HydroxyProton so rasch zwischen Hydroxy- und Carbonyl-Gruppe aus, daß diese nicht unterscheidbar sind. Dieser Zustand wird am besten durch die Formulierung als c-Hydroxycycloheptatrieniumoxid erklärt: O

O

O

6r

H

H

H

O

O

O Tropolon

Die Synthese des Tropolons gelingt durch Oxidation des Cycloheptanons mit Selendioxid zum 1,2-Cycloheptandion. Anschließende Bromierung und Dehydrobromierung führt zum Bromtropolon, dessen Brom durch Wasserstoff abhydriert wird: O

+ SeO2

/ Se, /"H 2O

O O

+ 3 Br 2

OH

6r

/ 4 HBr

OH

/

( OH )

O

/ HBr

OH

Br

+ H2 / Pd

6r

/ HBr

O H O

Br

In guten Ausbeuten wird Tropolon durch Hydrolyse der Tetrafluorcycloheptadien-Isomeren hergestellt. Letztere bilden sich bei der Cycloaddition von Tetrafluorethen an Cyclopentadien und anschließender Thermolyse des Cycloaddukts: +

30.4.3

CF 2

CF 2

CF 2

CF 2

700 °C

CF 2 CF 2

sowie

CF 2

+ 2 H 2O (CH3 CO2 H / CH3 CO2 K)

CF 2

/ 4 HF

6r

O H O

Reaktivität

Reaktion mit Nucleophilen Als Elektrophil reagiert das Tropylium-Kation mit zahlreichen Nucleophilen, wie eine Auswahl in Abb. 30.3 zeigt. Mit Kohlenstoff-Nucleophilen wie Cyanid, Phenyllithium und Alkylmagnesiumhalogenid erhält man auf diese Weise Cyano-, Aryl- und Alkylcycloheptatriene.

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30.5

Cyclooctatetraendiid

577

O

Ditropylether

S

H2O

H CN

CN

/

H2S Ditropylsulfid

7-Cyano-1,3,5cycloheptatrien

6r

H

NH3

C6H5Li

N

H C6H 5

N

in (C2H5) 2O

RMgX

7-Phenyl-1,3,5cycloheptatrien

Ditropylamin

Tritropylamin

H R 7-Alkyl-1,3,5-cycloheptatrien

Abb. 30.3. Nucleophile Substitutionen am Tropylium-Kation

Ringverengungen zu Benzen-Derivaten Starke Oxidationsmittel oxidieren das Tropylium-Kation unter Ringverengung über Benzaldehyd zu Benzoesäure, in welche sich Tropolon auch durch Erhitzen auf 200 °C umlagert: O 6r

+ [ O ] (Cr 2O72/ , CH3CO2H)

C

O H

+ [O]

C

200 °C

OH

6r

O H O

Bildung von -Komplexen Die aus Cycloheptatrien und Chrom- bzw. Molybdänhexacarbonyl entstehenden r-Komplexe reagieren mit Triphenylchlormethan unter Hydrid-Abspaltung zu Tropylium-r-Komplexen: +

(H5C 6)3C X

M(CO)3

X M = Cr, Mo

+

(H5C6)3CH

M(CO)3

30.5 Cyclooctatetraendiid 30.5.1

Bildung

Als nicht ebenes 8r-Elektronensystem ist Cyclooctatetraen kein Aromat. Die Reduktion des Cyclooctatetraens mit Alkalimetallen in Ether oder Tetrahydrofuran führt jedoch unter Einebnung des Achtringes zum aromatischen 10r-Elektronensystem, dem Cyclooctatetraendiid (Cyclooctatet-

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578

30 Nichtbenzoide Aromaten

raen-Dianion). Die Reduktion ist das Ergebnis zweier Einelektronen-Übertragungen; die erste führt unter Ringeinebnung zum Radikalanion; dieses disproportioniert schnell zu Cyclooctatetraen und seinem Dianion: + e0

30.5.2

/

+ e0

/

10r 2

NMR-Daten

Ein r-Elektronenüberschuß von 1/4 pro C-Atom sollte sowohl die 1H- als auch die 13C-Kerne in den NMR-Spektren deutlich abschirmen. Dementsprechend beobachtet man kleine Verschiebungswerte (fH = 5.7;"fC = 85.3). Die 1H-Verschiebungen des Cyclooctatetraens und seines Dianions sind nahezu gleich, weil die Abschirmung durch den r-Elektronenüberschuß den Ringstromeffekt des r-Elektronendezetts ausgleicht.

30.5.3

Reaktionen

Das Cyclooctatetraenyl-Dianion reduziert z. B. Tropyliumbromid zu Bitropyl: 10r 2

+

2

H

6r

+ H

Andererseits reagiert es als bifunktionelles Nucleophil und wird daher durch Methyliodid zu den (E-/Z-)-Isomeren des 1,2-Dimethyl-3,5,7- und 1,4-Dimethyl-2,5,7-cyclooctatriens dialkyliert: 2

10r 2

CH3 +

H3C +

4 CH3 I

CH3 +

4I

CH3

Auch Sandwich-r-Komplexe mit Uran und Thorium sind bekannt. Die RÖNTGEN-Struktur zeigt, daß im Uran-Komplex die beiden Achtringe ekliptisch angeordnet sind: U

30.6 Cyclononatetraenid 30.6.1

Bildung

Das Cyclononatetraenid-Anion entsteht bei der Disproportionierung von Cyclononatetraen, z. B. mit Kalium-2-methyl-2-propanolat, sowie durch elektrocyclische Ringerweiterung von Bicyclo-

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30.7

Vergleich der chemischen Verschiebungen

579

[6.1.0]nonatrien-Derivaten mit Alkalimetallen (X = Cl, OCH3) oder starken Basen, z. B. mit den Alkalisalzen des CH-aciden Dimethylsulfoxids (X = H): + MOC(CH3) 3

+ 2 M (THF)

10r

M

/ (H3C) 3COH

+ M

ICH2SOCH3

X

/ MX

/ (H3C) 2SO

M = Li, Na, K

H

30.6.2

NMR-Daten

Das in Form des kristallinen Tetramethylammonium-Salzes isolierbare Cyclononatetraenid zeigt wegen des geringeren r-Elektronenüberschusses pro Kohlenstoff-Atom größere 1H- und 13CVerschiebungen (fH = 7;"fC = 109) als das Cyclooctatetraendiid.

30.6.3

Reaktionen

Als Elektronenpaar-Donor reagiert Cyclononatetraenid wie eine LEWIS-Base. Die Reaktion mit Wasser führt zu Cyclononatetraen, das sich thermisch zu cis-8,9-Dihydroinden umlagert. Dieser elektrocyclische Ringschluß ist auch eine Folgereaktion der Alkylierung und Carboxylierung des Cyclononatetraenid-Anions. H F

H + H2O

/ OH

cis-3a,7a-Dihydroinden

/

H H CH3

H H CO2 + CH3I /I

H cis-1-Methyl-3a,7a-dihydroinden

10r

+ CO2

/

H cis-3a,7a-Dihydroinden1-carboxylat

30.7 Vergleich der chemischen Verschiebungen Bekanntlich nimmt mit abnehmender Elektronendichte am Kohlenstoff sowohl die 1H- als auch die 13C-Verschiebung zu (Abschn. 28.5.6, 28.6.2). In Abb. 30.4 sind hierzu die 1H- und 13CVerschiebungen der aromatischen Ionen als Funktion der r-Elektronendichte (Ft) pro C-Atom aufgetragen. Dabei kommt Benzen als Referenz der Wert Ft"= 1.0 zu, weil sich hier sechs r-

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30 Nichtbenzoide Aromaten

Elektronen auf ebensoviele Ring-C-Atome verteilen. Entsprechend hat das Tropylium-Kation ein Elektronendefizit von Ft"= 6 / 7 , das Cyclopentadienid-Anion dagegen einen Elektronenüberschuß von Ft"= 6 / 5. Für die 1H-Verschiebungen der Ionen C3H3+, C5H5/ und C7H7+ erkennt man in Abb. 30.4 a den erwarteten linearen Zusammenhang zwischen Verschiebung und r-Ladungsdichte. Die 10rElektronen-Ionen zeigen jedoch deutliche Abweichungen von der Linearität. Man führt dies auf diamagnetische Ringströme zurück, die stärker sind als in den 2r- und 6r-Elektronen-Aromaten. Da Ringstromfelder die Ring-C-Atome praktisch nicht beeinflussen, beobachtet man für die 13CVerschiebungen deutlich geringere Abweichungen von der Linearität (Abb. 30.4 b).

Abb. 30.4. (a) H- und (b) C-Verschiebung aromatischer Ionen als Funktion der r-Ladungsdichte (Ft) 1

13

30.8 Azulen 30.8.1

Formulierung und physikalische Eigenschaften

Azulen ist ein tiefblauer Kohlenwasserstoff, in dem Cyclopentadien mit Cycloheptatrien fulvenartig kondensiert ist. Sein Bindungszustand kann dementsprechend durch eine Mesomerie formuliert werden, wobei der Fünfring eine negative, der Siebenring eine positive Ladung übernimmt. Diese Formulierung erklärt das Dipolmoment des Moleküls und seine Reaktivität. 8

1

8a

3

3a

7 6

2 4

5

Den Beitrag dipolarer Grenzformeln erkennt man im 13C-NMR-Spektrum des Azulens (Abb. 30.5a) an einer deutlichen Abschirmung der C-Atome C-1 und C-5 (fC = 118 - 123) sowie einer Entschirmung von C-4 und C-6 (fC = 137) im Vergleich zu den Ring-C-Atomen des isomeren Naphthalens (Abb. 30.5 b).

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30.8

Azulen

581

1

13

Abb. 30.5. H-breitbandentkoppelte C-NMR-Spektren (20 MHz) des Azulens (a) und des isomeren Naphthalens (b) in Deuteriochloroform

30.8.2

Azulen-Synthese

Eine Synthese des Azulens startet mit 5-(N-Methyl-N-phenyl)-amino-2,4-pentadienal ("ZINCKEAldehyd"), das durch Reaktion von 1-(2,4-Dinitrophenyl)-pyridiniumchlorid mit N-Methylanilin über das KÖNIGsche Salz entsteht: H3C

N Cl NO2 + 2 N H NO2

N

Cl

N

CH3

+ NaOH

NH2

CH3

NO2

/ NO2

O

H

N

CH 3

NHCH3

/

.""/"NaCl

ZINCKE-Aldehyd

KÖNIGsches Salz

Die KNOEVENAGEL-Kondensation des "ZINCKE-Aldehyds" mit Cyclopentadien liefert ein FulvenDerivat, dessen Pyrolyse unter Abspaltung von N-Methylanilin zum Azulen führt: H +

O

(NaOH)

250 °C (Vakuum)

/ H2O

H 3C N

NHCH3

H 3C N

/

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30.8.3

30 Nichtbenzoide Aromaten

Reaktionen

Der bereits formulierten r-Elektronenverteilung (Abschn. 30.8.1) folgend wird der Siebenring des Azulens bevorzugt nucleophil, der Fünfring indessen vorwiegend elektrophil angegriffen. Nucleophile Reaktionen am Azulen sind wegen dessen Alkali-Empfindlichkeit wenig untersucht. Die elektrophile Halogenierung, Nitrierung, Sulfonierung, Acylierung und Azo-Kupplung des Azulens gelingt in der 1,3-Stellung. Y 1

/ [H+]

+ [Y ]

2 3

Y = Halogen , NO2 , SO3H , COR , /N=N/C6H5

In saurer Lösung addiert ein Proton an C-1 (3) unter Bildung des blaßgelben Azulenium-Kations, dessen Stabilität auf das 6r-Elektronen-System des Cycloheptatrienium-Ions zurückgeht: H

1

H 6r

+ [H ]

2 3

Bei hohen Temperaturen isomerisiert Azulen zum stärker mesomeriestabilisierten und isoelektrischen Naphthalen, dessen 13C-Verschiebungen (Abb. 30.6 b) den mehr benzoiden, im Vergleich zum Azulen weniger polarisierten Zustand der Ring-C-Atome reflektieren. > 350 °C

200 kJ / mol

Mesomerieenergie

250 kJ / mol

30.9 Definition aromatischer Annulene Unter [n]-Annulenen versteht man monocyclische vollständig konjugierte Kohlenwasserstoffe der allgemeinen Formel CnHn (n "4). Die vorangestellte eckig eingeklammerte Zahl kennzeichnet Ringgröße und Anzahl der r-Elektronen. Der kleinste Vertreter ist Cyclobutadien; die nächsten Homologen sind Benzen, Cyclooctatetraen, Cyclodecapentaen oder [10]-Annulen, sowie [12]-, [14]-, [16]-, [18]-, [20]-, [22]-Annulen, usw. Aromatisches Verhalten ist nur von ebenen Annulenen zu erwarten, deren r-Elektronenzahl der HÜCKELschen (4n + 2)-Regel gehorcht. HÜCKELAromaten sind außer Benzen z. B. [10]-, [14]-, [18]- und [22]-Annulen (Tab. 30.1). Von diesen verhalten sich nur die ebenen Ringe nachweisbar aromatisch, wie die folgenden Beispiele zeigen.

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30.10 [10]-Annulen

583

30.10 [10]-Annulen 30.10.1 Stabilität Für [10]-Annulen können drei Konfigurationsisomere formuliert werden:

H all-cis-

H

mono-trans[10]-Annulen

H

bis-trans-

Die all-cis-Konfiguration wird durch eine zu große Bindungswinkelspannung destabilisiert. Der innere Winkel ist mit 144° erheblich größer als der optimale sp2-Interorbitalwinkel von 120°. In der mono-trans-Konfiguration hat sich eine Molekülhälfte entspannt; in der anderen wirkt nach wie vor die Winkelspannung. Die bis-trans-Form hat zwar keine Winkelspannung, wird aber durch die starke sterische Wechselwirkung der beiden inneren H-Atome destabilisiert. Aus diesen Gründen ist [10]-Annulen selbst bis jetzt nicht faßbar.

30.10.2 Synthese überbrückter [10]-Annulene Dagegen gelang die Synthese 1,6-überbrückter bis-trans-[10]-Annulene, in denen die sterische Wechselwirkung der Wasserstoff-Atome in 1,6-Stellung wegfällt. X dargestellte überbrückte [10]-Annulene X = CH2 , O , NH

1,6-Methano-[10]-annulen entsteht nach VOGEL in drei Schritten aus 1,4,5,8-Tetrahydronaphthalen, welches durch BIRCH-Reduktion (Na, flüssiges NH3) von Naphthalen zugänglich ist. Die Addition von Dichlorcarben und anschließende Reduktion liefert das Tricyclo[4.4.1.01,6]undeca-3,8-dien. Das mit Brom entstehende Tetrabrom-Addukt geht durch doppelte Dehydrobromierung in das nicht faßbare Tricyclo[4.4.1.01,6]undeca-2,4,7,9-tetraen über, welches zum bicyclischen 1,6-Methano-[10]-annulen valenztautomerisiert: + ICCl2 (CHCl3 , KOH)

+ 4H (Na / NH3)

Cl

Cl + 4H (Na / NH3) / 2 HCl

Tricyclo[4.4.1.01,6 ]undeca-3,8-dien

+ Br2

Br Br

Br

/ 4 HBr (KOH)

Br 1,6-Methano-[10]-annulen

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584

30 Nichtbenzoide Aromaten

30.10.3 Aromatizität des 1,6-Methano-[10]-annulens Im 1H-NMR-Spektrum weist das Signal bei fH = 7.1 für die acht Zehnring-Protonen auf einen benzenähnlichen Ringstrom hin. Die elektrophile Substitution des 1,6-Methano-[10]-annulens gelingt leicht in Position 2, während die [4+2]-Cycloaddition mit Maleinsäureanhydrid unterbleibt. 1,6-Methano-[10]-annulen zeigt also das für einen Aromaten typische regenerative Verhalten. Y

+ [ Y+ ] / [ H+ ]

Y = Br , NO2 , COCH3

30.11 [14]-Annulene 30.11.1 Sterische Spannung von [14]-Annulenen Für [14]-Annulen können zwei Isomere formuliert werden, die frei von Winkelspannung sind. Es handelt sich um den Pyren- und Anthracen-Typ:

Pyren-Typ

HH HH

Anthracen-Typ

H

H

H

H

Sowohl im Pyren- als auch im Anthracen-Typ wird die sterische Wechselwirkung der inneren HAtome eine völlige Koplanarität der Ringe verhindern, so daß aromatisches Verhalten zunächst nicht zu erwarten ist.

30.11.2 Synthese des [14]-Annulens vom Pyren-Typ [14]-Annulen wurde durch Cyclodehydrierung von 4,10-Tetradecadien-1,7,13-triin (GLASERKupplung) und anschließender katalytischer Hydrierung hergestellt: 13 10

1.) Cu(CH3CO2) 2 , Pyridin 2.) KOC(CH3) 3 , HOC(CH3) 3 / H2

7

HH HH

1 4

[14]-Annulen wird als kristallisiertes Gemisch zweier Konfigurationsisomerer isoliert. Das bevorzugt entstandene Isomer ist aufgrund der RÖNTGEN-Strukturanalyse annähernd eben und besitzt die pyrenanaloge Geometrie.

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30.11 [14]-Annulene

585

30.11.3 Synthese überbrückter [14]-Annulene Überbrückte [14]-Annulene vom Anthracen-Typ entstehen durch Cycloaddition von Peroxycarbonsäuren oder Carben an das durch BIRCH-Reduktion des Anthracens zugängliche 1,4,5,6,9,10Hexahydroanthracen, Bromierung der Cycloaddukte mit N-Bromsuccinimid und Dehydrobromierung mit Kalium-t-butanolat: O

+ 6 Na , + 6 NH3

O

+ 2 C6H5CO3H

/ 6 NaNH2

/ 2 C6H5CO2H

+ 2 Br 2 (NBS)

/ 4 HBr [KOC(CH3) 3]

O

O

Entsprechend wurden C-überbrückte [14]-Annulene dargestellt, z. B. das anti-1,6:8,13-Bis(methano)-[14]-annulen, während die Synthese des syn-Isomers bisher nicht gelang, vermutlich infolge zu starker sterischer Wechselwirkung der Methylen-Protonen, die durch eine zusätzliche Methylen-Brücke beseitigt werden kann: H H H

HH

H

H

H

Ethanoüberbrückte [14]-Annulene vom Pyren-Typ sind durch photochemische und thermische Umlagerung von Bisdehydrometacyclophanen zugänglich, z. B.: H hp

R R

H

F R

hp R R = CH3

30.11.4 Aromatizität der [14]-Annulene Im 1H-NMR-Spektrum des [14]-Annulens erscheint bei Raumtemperatur nur ein Signal, dessen Verschiebung (fH = 5.58) zunächst auf keine Aromatizität hinweist. Bei Abkühlung verbreitert es sich, bis bei /60 °C zwei neue Signale auftauchen, deren Verschiebungen (fH = 7.6 für H10 außen und fH = 0 für H4 innen) eine Entschirmung der zehn äußeren und eine Abschirmung der vier inneren Protonen durch einen aromatischen Ringstrom anzeigen. Bei Raumtemperatur tauschen innere und äußere Protonen durch Konformationswechsel zu rasch aus, so daß ein zeitlich gemitteltes Signal registriert wird. Von den überbrückten [14]-Annulenen des Anthracen- und Pyren-Typs erwiesen sich aufgrund der 1H-NMR-Spektren nur die syn-überbrückten [14]-Annulene vom Anthracen-Typ und die

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586

30 Nichtbenzoide Aromaten

15,16-Dihydropyrene als aromatisch, während die Verschiebungen der Vierzehnring-Protonen des anti-1,6:8,13-Bis-(methano)-[14]-annulens (fH = 5.7 – 6.6) keine Aromatizität erkennen lassen, weil das Molekül nicht eben ist.

H

H H fH = 0.6 - 1.2 H

R fH = 8.2

fH = 7.6 - 7.9

R = CH3 : f"H = 4

fH = 5.7 - 6.6

R

30.12 [18]-Annulen 30.12.1 Konformationen Im [18]-Annulen ist die der Koplanarität des Moleküls entgegenwirkende sterische Wechselwirkung so gering, daß Aromatizität möglich wird. Allerdings ist durch Konformationsänderungen ein Austausch zwischen den sechs inneren und den zwölf äußeren H-Atomen denkbar: B

C

A

A

B

B

C C

A

C C

A

C C

B

B A

A

B

B

B C

A A

B

C

A A

B

A A

C

C

C

B B B

C B

B

A

A

C

C

A

A B

B B

C

C

A A

C

Ein NMR-spektroskopischer Nachweis der Aromatizität (Entschirmung der äußeren, Abschirmung der inneren Protonen) gelingt daher nur, wenn die Aktivierungsbarriere der Konformationsumwandlung hinreichend groß ist.

30.12.2 Synthese Nach SONDHEIMER entsteht das C-Skelett des [18]-Annulens / neben anderen Produkten / durch Cyclodehydrierung (GLASER-Kupplung) von drei Äquivalenten 1,5-Hexadiin über 1,3,7,9,13,15Cyclooctadecahexain. Dieses isomerisiert basenkatalysiert zum voll durchkonjugierten Cyclooctadecahexaentriin, dessen katalytische Teilhydrierung [18]-Annulen als rotbraune Kristalle liefert:

Cu(CH 3CO2 ) 2 / Pyridin

3

+

/ 6 [H ] , / 6 e0

/

KOC(CH3 ) 3

+ 3 H2

(CH 3) 3 COH / C6 H6

Pd / C in C6 H6

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30.12 [18]-Annulen

587

30.12.3 Aromatizitätskriterien [18]-Annulen läßt sich nitrieren und acylieren, obschon diese Reaktionen möglicherweise nicht nach dem für benzoide Aromaten bekannten elektrophilen Substitutionsmechanismus ablaufen. Die annähernde Koplanarität des [18]-Annulens konnte durch RÖNTGEN-Strukturanalyse nachgewiesen werden. Dabei ergab sich allerdings, daß die cisoiden Bindungen etwas länger als die transoiden sind, so daß keine perfekte Bindungsalternanz (wie im Benzen) vorliegt:

18r

cisoid : 141.9 pm transoid : 138.2 pm

Im 1H-NMR-Spektrum findet man bei und unterhalb 20 °C zwei Signale mit dem Intensitätsverhältnis 2 : 1. Das intensive Signal bei fH = 8.9 gehört zu den zwölf äußeren, das schwächere bei fH = /1.8 zu den sechs inneren Protonen (Abb. 28.23, S. 500). Diese Verschiebungswerte sind durch den Ringstromeffekt erklärbar und spiegeln so die Aromatizität des [18]-Annulens wider. Jedoch ist das 1H-NMR-Spektrum wegen des besprochenen Austausches der inneren und äußeren HAtome temperaturabhängig. Bei 110 °C ist dieser Austausch so rasch, daß nur ein 1H-NMR-Signal bei der gemittelten Verschiebung fH = 5.45 gemessen wird.

30.12.4 Heteroüberbrückte [18]-Annulene und höhere Annulene Die im [18]-Annulen noch geringfügig vorhandene sterische Wechselwirkung der inneren HAtome entfällt, wenn man die drei Wasserstoff-Paare durch je ein Schwefel- oder SauerstoffAtom ersetzt. Diese Furan- und Thiophen-Derivate konnten hergestellt werden. Während die durch Sauerstoff überbrückten Makrocyclen [18]-Annulen-analoge 1H-Verschiebungen aufweisen, stehen die durch Schwefel überbrückten Derivate aufgrund der Spektren dem Thiophen näher als dem [18]-Annulen. Offensichtlich behindern die voluminösen Schwefel-Brücken eine Koplanarität des [18]-Annulen-Systems. heteroüberbrückte [18]-Annulene S

O S

O

S

O [18]-Annulen-analog

Thiophen-analog

Als Homologe des [18]-Annulens wurden [22]- und [30]-Annulen hergestellt. Das 1H-NMRSpektrum des [22]-Annulens (Tab. 30.1) ist temperaturabhängig und zeigt bei /90 °C die auf einen Ringstrom hinweisenden Verschiebungswerte von fH = 8.5 bis 9.6 für die äußeren und /0.4 bis /1.2 für die inneren H-Atome.

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588

30 Nichtbenzoide Aromaten

30.13 Natürliche nichtbenzoide Aromaten 30.13.1 Natürliche Tropolone Substituierte Tropolone kommen natürlich vor. Beispiele sind Stipitatsäure, die Thujaplicine, Purpurogallin sowie Colchicin, das als Zellteilungsgift wirkende Hauptalkaloid der Herbstzeitlose (Colchicum autumnale). O

O

O

O

HO OH

OH

CH(CH 3)2

HO2C

c-

Stipitatsäure (aus Schimmelpilzen)

CH(CH3)2 d-

i-

H 3CO

Purpurogallin OH (als Glucosid aus der Erbsengalle)

O

OH (H3C)2CH

Thujaplicin (aus dem Holz der roten Zeder)

OH

HO

OH

Colchicin H 3CO (Alkaloid der Herbstzeitlose)

NHCOCH 3 H

H 3CO

OH

O OCH 3

30.13.2 Azulene natürlicher Herkunft Alkylierte und hydrierte Azulene der Sesquiterpen-Reihe (Abschn. 42.2.2) kommen in etherischen Ölen vor. Sie entstehen in einigen Pflanzen und Pilzen durch Cyclisierung offenkettiger Sesquiterpene, z. B. von Farnesol und aromatisieren bei der Verarbeitung, so daß Azulene oft als Artefakte entstehen:

HO Farnesol

Vetivazulen (violett

30.14 Antiaromatizität Als aromatisch gilt ein cyclisch konjugiertes Polyen, wenn seine Mesomerieenergie erheblich größer ist als die eines offenkettig konjugierten Analogen, wenn seine 1H-Verschiebungen durch den Ringstrom-Effekt erklärbar sind (Beispiel: Benzen im Vergleich zu 1,3,5-Hexatrien), und wenn seine Reaktionen bevorzugt unter Erhaltung des r-Elektronensystems (regenerativ) ablaufen (Substitution statt Addition). Nicht aromatisch ist ein konjugiertes Cyclopolyen, wenn seine Mesomerieenergie und 1H-Verschiebungen sich nicht oder nur wenig von den Daten eines vergleichbaren acyclisch konjugierten

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30.14 Antiaromatizität

589

Polyens unterscheiden (Beispiel: Cyclooctatetraen im Vergleich zu 1,3,5,7-Octatetraen). Obwohl diese Abgrenzungen kritisierbar sind, haben sie sich praktisch bewährt. Eine Weiterentwicklung dieser Vergleiche führte zum Begriff der Antiaromatizität für konjugierte Cyclopolyene, deren Mesomerieenergie kleiner ist als jene der offenkettig konjugierten Analogen. Durch cyclische Konjugation wird ein Antiaromat also nicht stabilisiert, sondern destabilisiert. Den aromatischen (4n+2)"r-Elektronen-Ionen aus Tab. 30.1 können zunächst formal antiaromatische (4n)"r-Elektronen-Ionen gegenübergestellt werden, deren einfachster Vertreter das Cyclopropenid-Anion ist:

_

_ antiaromatische (4n) r-Elektronen-Ionen

Das Cycloheptatrienid-Anion, ein aromatisches 8r-Elektronen-System, wird z. B. als Zwischenstufe des basenkatalysierten Deuterium-Austauschs von Cycloheptatrien vermutet. Bei /20 °C kann es in Tetrahydrofuran durch Reaktion von Triphenylmethylcycloheptatrien mit NatriumKalium-Legierung in Form einer tiefblauen Lösung kurzzeitig erhalten und elektrophil protoniert oder deuteriert werden: / [H+]

- [D+]

_ H H

H D

H /" (C6H5) 3C

+

K / Na / THF

H C(C 6H5)3

Das nur in Form seiner Komplexe stabile Cyclobutadien ist ein kurzlebiges, als antiaromatisch bezeichnetes 4r-Elektronensystem mit rechteckiger Geometrie im Grundzustand. Es bildet sich u. a. bei der Oxidation seines Eisentricarbonyl-r-Komplexes und kann durch Dienophile abgefangen werden. Dabei entstehen Bicyclo[2.2.0]hexadiene ("DEWAR-Benzene"), die sich thermisch zu den stabileren Benzen-Derivaten umlagern, z. B.: CO2CH3 Ce4+

Fe(CO)3 Cyclobutadieneisentricarbonyl

+ CO2CH 3

CO2CH 3

2-Methoxycarbonylbicyclo[2.2.0]hexa-2,5-dien

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590

31 Organometall-Verbindungen

31 Organometall-Verbindungen 31.1 Definition und Nomenklatur In einer metallorganischen Verbindung sind organische Gruppen (Alkyl- oder Aryl-) mit einem Metall verknüpft. Man bezeichnet die Verbindungen als Alkyl- oder Arylmetalle, z. B.: Li

H3C CH2 CH 2 CH 2 Li Butyllithium

Phenyllithium

Sind mehrere organische Reste an das Metall gebunden, so kommt dies durch die Präfixe Di-, Tri-, Tetra-, Penta- usw. zum Ausdruck: (H 3C CH 2 CH2 CH2)2 Zn

(H3C CH2 CH 2)3 Al

(H3C CH2)4 Pb

Dibutylzink

Tripropylaluminium

Tetraethylblei

Bor-, silicium- und zinnorganische Verbindungen bezeichnet man als Derivate der Hydride Boran (BH3), Silan (SiH4) und Stannan (SnH4): (C6H 5)3 B Triphenylboran

(H3C CH2)4 Sn

(H 3C)4 Si Tetramethylsilan (TMS)

Tetraethylstannan

Alkylmetall-halogen-Verbindungen, von denen die GRIGNARD-Reagenzien am bekanntesten sind, nennt man Alkylmetallhalogenide: H3C CH2 Mg Br Ethylmagnesiumbromid

(H3C CH2)2 Al Cl Diethylaluminiumchlorid

H5C 6 Hg Cl Phenylquecksilberchlorid

Zu den Organometall-Verbindungen im weiteren Sinne gehören auch die in Kap. 30 bereits erwähnten Metall-r-Komplexe sowie die Metallchelate. N N Dibenzenchrom (ein r-Komplex)

2

N

Ni

Cr

2 Cl N

Bis-(2,2´-bipyridyl)-nickel(II)-dichlorid (ein Metallchelat)

31.2 Bindungszustand 31.2.1

Übersicht

Metalle sind elektropositiv; ihre Elektronegativitätswerte EM sind kleiner (EM 2) als die des Kohlenstoffs (EC = 2.5). Daher ist das C-Atom einer C-Metall-Bindung carbanionisch und damit nucleophil im Sinne der folgenden Schreibweisen:

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31.2

Bindungszustand

591

R

M

R

+

f/ R

oder

M

f+ M

Das Ausmaß der Bindungspolarisierung nimmt mit abnehmender Elektronegativität des Metalls zu. Entsprechend liegen die alkali- und erdalkaliorganischen Verbindungen (EM < 1.5) überwiegend ionisch vor. Die metallischen Elemente der Hauptgruppen (EM > 1.5) bilden indessen weniger polarisierte, mehr kovalente Bindungen zu Kohlenstoff. Übergangsmetalle, Lanthaniden und Actiniden neigen in der Mehrzahl zur Bildung von r-Komplexen mit Alkenen und Aromaten. Bei den Edelmetallen gibt es sowohl r-Komplex- (Pd, Pt) als auch Metallorganyl-Bildner (Cu, Ag, Au, Hg) mit vorwiegend kovalenten Metall-Kohlenstoff-Bindungen. Tab. 31.1 skizziert diese Verhältnisse. Tab. 31.1. Charakter von Metall-Kohlenstoff-Bindungen H

He

Li

Be

B

C

N

O

F

Ne

Na

Mg

Al

Si

P

S

Cl

Ar

K

Ca

Sc

Ti

V

Cr

Mn

Fe

Co

Ni

Cu

Zn

Ga

Ge

As

Se

Br

Kr

Rb

Sr

Y

Zr

Nb

Mo

Tc

Ru

Rh

Pd

Ag

Cd

In

Sn

Sb

Te

I

Xe

Cs

Ba

La

Hf

Ta

W

Re

Os

Ir

Pt

Au

Hg

Tl

Pb

Bi

Po

At

Rn

Fr

Ra

Ac Ce

Pr

Nd

Pm

Sm

Eu

Gd

Tb

Dy

Ho

Er

Tm

Yb

Lu

Th

Pa

U

Np

Pu

Am

Cm

Bk

Cf

Es

Fm Md

No

Lr

überwiegend ionisch

31.2.2

überwiegend r-Komplexbildner

überwiegend kovalent

Molekülorbital-Modelle

Im Molekülorbital-Modell käme die Alkalimetall-Kohlenstoff-Bindung durch Überlappung der Hybridorbitale des Kohlenstoffs mit dem kugelsymmetrischen voluminösen s-Orbital des Alkalimetalls zustande. Eine solche Überlappung wäre wenig effektiv, die entsprechende kovalente Alkalimetall-Kohlenstoff-Bindung somit schwach (Abb. 31.1 a); der tatsächliche Bindungszustand ist überwiegend ionisch. Dagegen bilden im anderen Extremfall die schweren Elemente der vierten Hauptgruppe (Si, Ge, Sn, Pb) wenig polare kovalente Alkylmetall-Bindungen, die durch intensive räumlich gerichtete Überlappung von sp3-Hybridorbitalen entstehen (Abb. 31.1 b).

Abb. 31.1. Schwache 2sp3/2s-Überlappung im Methyllithium (a) und starke 2sp3/6sp3-Überlappung im Tetramethylplumban ( b) mit kovalenter Kohlenstoff-Blei-Bindung

H H

C H

CH3 CH 3 Pb

H Li H

a

C H

b

CH3

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592

31 Organometall-Verbindungen

Die r-Komplexbildung vieler Übergangsmetalle und ihrer Kationen wird durch Überlappung besetzter r-Molekülorbitale des Alkens, Polyens oder Aromaten mit leeren d-Orbitalen der Metalle oder Metall-Kationen erklärt. In einer der fünf mesomeren Grenzformeln des CyclopentadienidAnions C5H5/ (Abschn. 30.3.2) resultieren die beiden r-Bindungen z. B. aus der Überlappung je zweier pz-Orbitale gleicher Vorzeichensymmetrie (Abb. 31.2 a,b). Das unbesetzte dyz-Orbital hat die hierzu passende Symmetrie, so daß eine dative pr-dr-Überlappung zustande kommt, durch welche man die Bindung des Eisen(II)-Ions an zwei Cyclopentadienid-Anionen im Ferrocen erklärt. z

Abb. 31.2. (a) Überlappende pz-Orbitale des Cyclopentadienids und ( b) dyz-Orbitale des Eisen(II)-Ions mit kompatibler Vorzeichensymmetrie

a

y z

b

y

Metall-Kohlenstoff-Doppelbindungen klassischer Prägung sind nicht bekannt, selbst nicht mit Silicium, dem kohlenstoffähnlichsten Element. Jedoch gibt es dative r-Bindungen, welche durch seitliche Überlappung zwischen besetzten p-Orbitalen des Benzens (Donator) und vakanten dOrbitalen eines Metalls wie Zinn (Akzeptor) erklärt werden (Abb. 31.3).

Abb. 31.3. Bildung des Molekülorbitals einer dativen pr"-"dr"-Bindung von Kohlenstoff ( a) an Zinn (b) in Tetraphenylstannan (zur Vereinfachung wurde nur eine der vier C-Sn-Bindungen gezeichnet) b

a

31.3 Eigenschaften metallorganischer Verbindungen 31.3.1

Alkylmetalle

Die alkali- und erdalkaliorganischen Verbindungen mit überwiegend ionischer Bindung sind salzartig, dementsprechend schwer flüchtig und wenig löslich in unpolaren Lösemitteln. Durch Wasser werden sie rasch hydrolysiert. An der Luft entflammen sie oft spontan.

31.3.2

Metallorganische Elektronenmangel-Verbindungen

Die Trialkyl- und Triarylmetall-Verbindungen der dritten Hauptgruppe des Periodensystems sind infolge ihres Elektronen-Defizits starke Elektronen-Akzeptoren (LEWIS-Basen). Dementsprechend bilden die Trialkyl-Derivate des Bors und Aluminiums in Analogie zu ihren Hydriden Dimere, welche durch Dreizentren-Bindungen miteinander verknüpft sind, z. B.: Trimethylaluminium-Dimer Schmp. 15 °C

H 3C H 3C

Al

H3C CH3

Al

CH 3 CH 3

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31.4

Allgemeine Methoden zur Herstellung

593

Auch die leichten Metalle der zweiten Hauptgruppe des Periodensystems, vor allem Beryllium, weniger Magnesium, bilden Dialkyl-Derivate, welche aufgrund ihrer Elektronenlücken Dreizentren-Bindungen knüpfen können. Ein bekanntes Beispiel ist Dimethylberyllium, das selbst im Dampfzustand polymer vorliegt: Dimethylberyllium-Polymer Sublimationspunkt : 217 °C Bindungssymmetrie an Be : tetraedrisch

H3C

Be

CH 3

H 3C CH3

H3C

Be

CH 3

Die Organometall-Verbindungen der dritten (B, Al, ...), vierten (Si, Ge, ...), fünften (As, Sb, Bi) und sechsten Hauptgruppe (Te) des Periodensystems mit überwiegend kovalenter Bindung sind dagegen flüchtig und lösen sich gut in unpolaren organischen Lösemitteln. Hydrolysiert werden sie weniger heftig (Trialkylborane) oder überhaupt nicht (Tetraalkylsilane).

31.3.3

GRIGNARD-Verbindungen

Alkylmagnesiumhalogenide lösen sich in Ethern, weil sie als LEWIS-Säuren durch Koordination mit den Ether-Sauerstoff-Atomen als LEWIS-Basen ihr Oktett am Magnesium auffüllen können. R

Elekronenlücke

R

Mg

R

X

R

Elekronenlücke

O Mg O

R X

AlkylmagnesiumhalogenidEther-Komplex

R

Mit 1,4-Dioxan reagieren GRIGNARD-Verbindungen in Diethylether zu schwer löslichen Komplexen. NMR-spektroskopisch wurde nachgewiesen, daß sich die Alkylmagnesiumhalogenide im SCHLENK-Gleichgewicht befinden, wobei ein Halogen-Alkyl-Austausch stattfindet: R 2 Mg . Mg X2

2 R Mg X

Die Verknüpfung zu diesen Dimeren erfolgt über zwei Mg---X---Mg-Dreizentren-Bindungen. Auch die Dimeren lösen sich in Ethern, wobei das positiver geladene Magnesium die Komplexierung der Ether-Moleküle übernimmt: X

R Mg R

OR 2 Mg

X

OR2 OR2

OR 2

31.4 Allgemeine Methoden zur Herstellung 31.4.1

Reaktion von Kohlenwasserstoff und Metall

Alkalimetalle addieren an Stilbene unter Bildung tieffarbiger Salze: H C

H C H

+

2 Na

C

C

+ 2 Na

H

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594

31 Organometall-Verbindungen

CH-Säuren reagieren mit Alkalimetallen unter Wasserstoff-Entwicklung zu den entsprechenden Salzen: 2 (H 5C6)3CH

2 H C C H

+

2 K

2 (H5C 6)3C K + Kaliumtriphenylmethylid

H2

2 H C C

H2

+ 2 Na

Na

+

Natriumethinylid

31.4.2

Reaktion von Halogenalkan und Metall

Die Metallierung von Halogenalkanen ist die am häufigsten angewandte Methode zur Herstellung metallorganischer Verbindungen, wobei die Iod- und Bromalkane am besten reagieren (I>Br>Cl>>F). Da die meisten Organometall-Verbindungen luft- und feuchtigkeitsempfindlich sind und mit vielen Lösemitteln (z. B. Ethanol und Aceton) reagieren, müssen die Reaktionen in inerten, wasserfreien Lösemitteln (Ether, Tetrahydrofuran, Kohlenwasserstoffe) unter Luftausschluß durchgeführt werden. Folgende Beispiele geben eine kleine Auswahl: H3C CH 2 CH2 CH2 Br

+

2 Li

Ether

H3C CH2 CH 2 CH 2 Li

+

LiBr

Butyllithium

H5C 6 Br 2 H3C CH 2

I

+

2 Li

+

2 Zn

H 5C6 Li + Phenyllithium

LiBr

(H 3C CH2)2 Zn

+

ZnI2

Diethylzink

(H3C)2CH Br

+

Mg

(H 3C)2CH MgBr i-Propylmagnesiumbromid

Organokalium- und -natrium-Verbindungen können nicht auf diese Weise hergestellt werden, da diese durch WURTZ-Reaktion zu Alkanen (Abschn. 2.6.3) weiterreagieren: R R

Br

+

M

+

2 M R Br

R

M

+

MBr

R

R

+

MBr

( M = Na , K )

Metall-Legierungen reagieren mitunter besser als die reinen Metalle. Bekannte Beispiele sind die Herstellungsverfahren von Dimethylquecksilber und Tetraethylblei (Tetraethylplumban). 2 CH3

I

4 H 3C CH2 Cl

+

HgNa2

(H3C)2 Hg

+

+

PbNa4

(H3C CH 2)4 Pb

2 NaI +

4 NaCl

Tetraethylblei wurde früher als Antiklopf-Additiv im Benzin verwendet. Die Antiklopfwirkung beruht auf einer thermischen Homolyse (PbR4 › R3Pb‚ + R‚) in Radikale, die ihrerseits bei der Verbrennung entstehende Radikale binden.

31.4.3

Reaktion von Organometall-Verbindung und Metallhalogenid

Die Reaktion einer Organometall-Verbindung / oft ein GRIGNARD-Reagenz / mit Metallhalogeniden in Ether, Tetrahydrofuran oder Benzen als Lösemittel ist ein weitere vielseitige Synthese.

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31.4

Allgemeine Methoden zur Herstellung

595

Zugrunde liegt ein Gleichgewicht, dessen Lage vom Normalpotential der beiden Metalle abhängt. Bevorzugt entsteht die Organometall-Verbindung des weniger elektropositiven, edleren Metalls: H3C CH2 CH 2 CH 2 Li

+

H3C CH2 CH2 CH 2 HgBr

HgBr2

+

LiBr

n-Butylquecksilberbromid

R CH CH MgCl

+

HgCl2

R CH CH HgCl

+

MgCl2

Alkenylquecksilberchlorid

2 C2H 5 MgBr

+

(C2H 5 )2 Cd Diethylcadmium

CdBr2

+

2 MgBr2

Die Darstellung der Silane, Germane und Stannane folgt diesem Prinzip:

31.4.4

4 CH3 MgCl

+

SiCl4

4 CH3 MgCl

+

SnCl4

(H3C)4 Si + Tetramethylsilan

4 MgCl2

(H3C)4 Sn + Tetramethylstannan

4 MgCl2

Metall-Metall-Austausch

Auch zwischen einer Organometall-Verbindung (RM1) und einem Metall (M2) stellt sich ein Gleichgewicht zugunsten des weniger elektropositiven ("edleren") Metalles (M1) ein, R M1

+

M2

R M2

+

M1

das sich gelegentlich zur Herstellung einer Organometall-Verbindung nutzen läßt, z. B.: ( 65 °C , 3 Tage , Ligroin )

(C 2H5 )2 Hg

31.4.5

+

2 Li

2 C 2H5 Li

+

Hg

Halogen-Metall-Austausch

Alkyl-Gruppen sind labiler an Metalle gebunden als Aryl-, Vinyl- und Alkinyl-Reste. Offensichtlich nimmt die Elektronegativität des Kohlenstoffs mit zunehmendem s-Charakter seiner Bindungs-Hybridorbitale zu. Hierauf beruht die Herstellung einiger Aryl- und Alkenylmetalle nach dem Schema R X

+

R Li

R' Li

+

R'

X

R = Aryl-, Alkenyl-, Alkinyl- ; R' = Alkyl- ; X = I > Br > Cl

Ein Beispiel ist die Herstellung von p-Chlorphenyllithium aus p-Chlorbrombenzen: Cl

Br

+

H 3C CH 2 CH 2 CH2 Li

Cl

Li

+

H 3C

CH 2 CH2 CH2 Br

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596

31.4.6

31 Organometall-Verbindungen

Wasserstoff-Metall-Austausch

Der Wasserstoff-Metall-Austausch ist eine gängige Methode zur Herstellung von GRIGNARDVerbindungen aus CH-Säuren, indem man diese mit einem gut zugänglichen Alkylmagnesiumhalogenid reagieren läßt. Cyclopentadienyl- und Alkinylmagnesiumbromide werden z. B. auf diesem Weg hergestellt: H

31.4.7

CH2

+

R C C H

+

H3C CH2 MgBr

+

C 2H6

MgBr

H3C CH2 MgBr

R C C MgBr

+

C 2H6

Addition von Metallhydriden an Alkene

Hydride der dritten Hauptgruppe wie Boran addieren als Elektronenmangel-Verbindungen glatt an Alkene: R CH CH2 + H MH2

+ 2R

CH CH2

R CH 2 CH 2 MH2

(R CH 2 CH 2)3 M

M = B , Al

Trialkylaluminium und die präparativ vielseitig anwendbaren Trialkylborane (Hydroborierung, Abschn. 15.4.4) sind auf diese Weise zugänglich.

31.5 Reaktionen von Alkyl- und Arylmetall-Verbindungen 31.5.1

Reaktion mit Sauerstoff

Zahlreiche Alkyl- und Arylmetall-Verbindungen reagieren mit Sauerstoff. Alkaliorganyle, Trialkylborane, Trialkylammonium-Verbindungen sowie Dialkylzink-Verbindungen entzünden sich spontan an der Luft und können dementsprechend nur unter Schutzgas (Stickstoff, Argon) aufbewahrt bzw. umgesetzt werden: Zn(C2H 5)2

+

7 O2

ZnO

+

4 CO2

+

5 H2O

Dagegen sind die Tetraalkylsilane, -germane, -stannane und -plumbane an der Luft stabile Flüssigkeiten, die erst nach Zündung oder Erhitzen entflammen.

31.5.2

Reaktion mit Halogen

Mit Halogen reagieren die meisten Organometall-Verbindungen unter Bildung von Halogenalkanen und Metallhalogenid: RM

+

X2

R X

+

MX

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31.5

Reaktionen von Alkyl- und Arylmetall-Verbindungen

597

Diese präparativ unbedeutende Reaktion ist eine elektrophile Substitution am Alkyl-C-Atom, die bei ionischen Organometall-Verbindungen mono-, bei wenig polaren dagegen bimolekular abläuft: f/ f-

X X

31.5.3

f/ f-

+

SE2

R M

langsam

f/

f-

X.... X.... R .... M

R X

schnell

+

MX

Hydrolyse und Alkoholyse

Organometall-Verbindungen reagieren mit Wasser umso heftiger, je elektropositiver das Metall ist. Dabei entstehen Alkan und Metallhydroxid durch SE-Protonierung des Alkyl-C-Atoms: f/ f-

HO H

f/ f-

+

Zn(C2H 5)2

H3C Li +

2 H2O

CH 4

+

2 C2H 6

LiOH +

Zn(OH)2

Auch mit Alkoholen, Phenolen, Carbonsäuren, Thiolen und Aminen erfolgt die entsprechende Solvolyse: C 2H5OH

C4H 10 +

[(H 3C)2CH] 2NH

C4H 10 +

C4H 9 Li

C4H 9 Li

+

+

C2H 5O Li Lithiumethanolat

[(H3C)2CH] 2N Li Lithium-N,N-diisopropylamid (LDA)

Hierauf beruht die quantitative Bestimmung des "aktiven Wasserstoffs" (/OH, /NH/) einer Verbindung mit Methylmagnesiumbromid oder -iodid durch gasvolumetrische Messung des freigesetzten Methans (ZEREWITINOFF-Verfahren): R XH

+

CH3 Mg I

R XMg I

+

CH4

X = O , S , NH , NR

Präparative Bedeutung hat die Hydrolyse metallorganischer Verbindungen durch Deuteriumoxid, weil dabei spezifisch deuterierte Alkane entstehen (Deuterium-Markierung): H 3C

CH2 Mg Br

+

D2O

H 3C

CH 2 D

+

DO Mg Br

c-Deuterio-p-xylen

p-Xylylmagnesiumbromid

Tetraalkylsilane, -germane, -stannane und -plumbane sowie quecksilberorganische Verbindungen sind in Wasser stabil. Jedoch reagieren sie mit Halogenwasserstoffen sowie in saurer Lösung, z. B.: (H 3C)4Si

+

4 HCl

SiCl4

+

4 CH 4

Mit Halogenwasserstoff setzen fast alle Alkylmetalle den entsprechenden Kohlenwasserstoff frei: RM

+

HX

MX

+

RH

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598

31.5.4

31 Organometall-Verbindungen

Reaktion mit CH-Säuren

Die leicht zugänglichen Arylmagnesium- und Aryllithium-Verbindungen reagieren mit CHSäuren unter Bildung der entsprechenden Salze, z. B.: R C C H

+

H5C 6 MgBr

R C C

MgBr

+

C 6H6

Auf diese Weise gelingt die Metallierung schwacher CH-Säuren.

31.5.5

Reaktionen zwischen Organometall-Verbindungen

Als Elektronenmangel-Verbindungen (Akzeptoren) reagieren die Trialkyl-Derivate des Bors und Aluminiums mit alkaliorganischen Verbindungen als Donoren zu Tetraalkylboraten und -aluminaten, z. B.: (H 3C)3 B

+

H3C Li

[(H3C)4 B]

Li

Lithiumtetramethylborat

(H 5C6)3 B

+

H5C 6 Na

[(H5C 6)4 B]

Na

Natriumtetraphenylborat

(H 5C2)3 Al

+

H5C 2 Li

[(H5C 2)4 Al]

Li

Lithiumtetraethylaluminat

Die entstehenden Komplexe zeigen Elektrolyt-Charakter. Natriumtetraphenylborat ("Kalignost") reagiert mit Kalium-Salzen in wäßriger Lösung unter Fällung von Kaliumtetraphenylborat, worauf eine quantitative Kalium-Bestimmung beruhte. Als neuere Synthesereagenzien, u. a. zur Herstellung von Ketonen aus Säurehalogeniden, spielen die Lithiumdialkylcuprate eine Rolle: O 2R C Cl

+

O 2R C R'

R'2Cu Li

+

CuCl

+

LiCl

Sie entstehen durch Reaktion von Alkyllithium- und Alkylkupfer-Verbindungen Li R

+

Cu R

R2 Cu Li

oder einfacher aus Kupfer(I)-iodid und zwei Äquivalenten Alkyllithium, z. B.: 2 C4H 9 Li

+

Cu I

/ Li I

C 4H9 Cu

+

C 4H9 Li

(C 4H9)2 Cu Li Lithium-dibutylcuprat

Der erste Schritt ist ein Metall-Metall-Austausch (Abschn. 31.4.4), getrieben durch die Tendenz des elektropositiven Lithiums, ein Salz zu bilden.

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31.5

Reaktionen von Alkyl- und Arylmetall-Verbindungen

31.5.6

599

Reaktion mit Carbonsäurehalogeniden

Viele Organometall-Verbindungen reagieren mit Carbonsäurechloriden zu Ketonen. Bekannt sind die Keton-Synthesen mit Dialkylcadmium (Abschn. 20.6.5) und Lithiumdialkylcupraten. c.dUngesättigte Ketone entstehen durch Reaktion von Alkenylquecksilberhalogeniden mit Carbonsäurehalogeniden: R

O

H +

C C H

R

CH2Cl2 , AlCl3

Cl

HgCl

H C C

C R´ H

+

HgCl2

C O R'

31.5.7

Addition an CC-Doppelbindungen

Die Addition metallorganischer Verbindungen an Alkene ist präparativ ohne Bedeutung, denn die Hydrolyse der Primäraddukte führt zu Alkanen: R C C

+

R Mg X

R

+ H2O

C

C

C

/

/ OH / Mg 2+ / / Br

Mg X

C H

Alkane sind einfacher durch direkte katalytische Hydrierung der Alkene zugänglich. Dagegen ist die stereoselektive, wahrscheinlich konzertiert ablaufende Addition von Iodmethylzinkiodid an Alkene (SIMMONS-SMITH-Reaktion) eine bekannte Cyclopropan-Synthese: CH 2I2 + Zn Ether

R H

31.5.8

C C

H

R

ZnI +

H 2C

R

C

H

H ZnI

R

I

H

+

CH 2

K

H

C

R

ZnI2

R

Addition an CX-Doppelbindungen

GRIGNARD-Synthesen Metallorganische Verbindungen addieren nucleophil an Carbonyl-Verbindungen oder deren Heteroanaloga: C X

+

C XM

RM

X = O , S , NR' ; M = Li , MgBr

R

Das Primäraddukt hydrolysiert in Wasser, C R

XM

+

H 2O

C

XH

+

MOH

R

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600

31 Organometall-Verbindungen

wobei die ursprüngliche CX-Doppelbindung zur CRXH-Gruppe umfunktioniert wird. Die Addition der leicht zugänglichen GRIGNARD-Verbindungen an CX-Mehrfachbindungen findet viele präparative Anwendungen. Bekannte Beispiele sind ‚ Synthesen primärer, sekundärer und tertiärer Alkohole aus Formaldehyd, anderen Aldehyden und Ketonen: + H2O

C O

+

C O Mg Br

R Mg Br

‚

X +

R MgBr

R

X

+ [H+]

C XMg Br

X= O,S

/ Mg / / Br

R

2+

C XH

Synthesen sekundärer und tertiärer Amine aus Iminen und Immonium-Salzen: R'

R' +

C N

R MgBr

R' C N

+

Br

C N

/

MgBr

/ OH / Mg 2+ / / Br

R

H

NH

C

R'

/ MgBr 2

R MgBr

R'

+ H2O

C N R

C N

R'

‚

R

Synthesen von Carbonsäuren und Dithiocarbonsäuren aus Kohlendioxid und Schwefelkohlenstoff: X C X

‚

C OH

/

/ OH / Mg 2+ / / Br

R

R'

R

sowie Synthesen von N-Alkylcarbonsäureamiden aus Isocyanaten: R'

R' N C O

+

R MgBr

N

OMgBr C R

O

+ [H+] / Mg / / Br

R'

2+

R

Bei der Reaktion von GRIGNARD-Verbindungen mit Carbonsäureestern konkurrieren Addition an der Carbonyl-Doppelbindung und Substitution der Alkoxy-Gruppe. Als Endprodukt entsteht ein tertiärer Alkohol mit zwei gleichen Alkyl-Resten: O R1

O MgBr

+ H2O

+

C

2 R MgBr

R1 C

/

/ OR2 / Mg 2+ / / Br

OR 2

R

OH

+ H2O

R

R1 C

/

/ OH / Mg 2+ / / Br

R

R

Alkyl- und Arylalkali-Verbindungen sind meist noch reaktiver als die GRIGNARD-Verbindungen. Alkyllithium-Verbindungen lassen sich z. B. sehr gut carboxylieren: O R

Li

+

C O

O

O R

C O

C OLi

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31.5

Reaktionen von Alkyl- und Arylmetall-Verbindungen

601

REFORMATSKY-Synthesen Auch die Zink-Analoga der GRIGNARD-Verbindungen addieren an die Carbonyl-Doppelbindung. Hierauf beruht die REFORMATSKY-Synthese von d-Hydroxy- und c.d-ungesättigten Carbonsäureestern. Im ersten Schritt entstehen aus c-Halogenester und Zink mesomeriestabilisierte Alkylzinkhalogenide: Zn

+

f/ f-

Br

f- f/

Br Zn C CO2R

C CO2R

H

H

Diese addieren nucleophil an Aldehyde oder Ketone: C O

+

f- f/

Br Zn C CO2R

C

H

C CO2R

BrZnO

H

Im Gegensatz zu GRIGNARD-Verbindungen greifen die Alkylzinkhalogenide dabei nicht am EsterCarbonyl-C-Atom an. Die Hydrolyse des Primäradduktes führt zu d-Hydroxyestern (Abschn. 19.4.1), welche zu c.d-ungesättigten Estern dehydratisieren können, sofern ein c-WasserstoffAtom vorhanden ist: RO O C BrZnO

+ H2O

C C

/

/ OH / Zn2+ / / Br

OR

H

O C

C O

/ H2O

C C

C C

HO

OR

H

Eine Variante der REFORMATSKY-Reaktion erzeugt das Enolat-Anion mit Lithiumdiisopropylamid (LDA) bei tiefen Temperaturen. Nach Zugabe der Carbonyl-Verbindung entstehen d-Hydroxyester mit guten Ausbeuten, z. B.: O

O

+ LiNR2

H3C C OC 2H5

/ HNR2

H2C C

Li

+

O

O

H2C C OC 2H5

+ H2O

OH

/ LiOH

OC 2H5

CH2 CO2C2H 5 1-Ethoxycarbonylmethylcyclopentanol

R = CH(CH3) 2

31.5.9

Addition an CX-Dreifachbindungen

CC-Dreifachbindungen bleiben bei der Reaktion mit Organometall-Verbindungen meist intakt. Dagegen addieren GRIGNARD-Verbindungen leicht an Nitrile. Durch Hydrolyse der Primäraddukte entstehen Ketone (Abschn. 20.6.4): N MgBr R' C N

+

R MgBr

R'

C R

O

+ 2 H2O

/ NH 3 /

/ OH 2+ / Mg / Br

R'

C R

/

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602

31 Organometall-Verbindungen

Die Darstellung des c-Methoxyacetophenons aus Methoxyacetonitril und Phenylmagnesiumbromid ist eine Anwendung: O

+ 2 H2O

H3CO CH 2

C N

+

C 6H5 MgBr

/ NH3 / / OH / Mg 2+ / / Br

H3CO CH 2 C C6H 5

Eine analoge Keton-Synthese gelingt mit Alkyllithium-Verbindungen: N Li R' C N

+

R'

R Li

C

O

+ 2 H2O

R'

/ NH3 / LiOH

R

C R

31.5.10 Nucleophile Öffnung von Oxiran- und Oxetan-Ringen Alkylmetalle, vor allem Lithium-Derivate und GRIGNARD-Verbindungen, reagieren mit Oxiranen und Oxetanen unter nucleophiler Ringöffnung: f/ f-

RM

O

+

+ H2O

R

O M

R

OH

/ MOH

Die Reaktion ist eine Methode zur Einführung von Hydroxyethyl- bzw. Hydroxypropyl-Gruppen durch Oxiran (Ethylenoxid) bzw. Oxetan. So gelingt die Synthese von 3-(2-Pyridyl)-propanol aus metalliertem 2-Methylpyridin (c-Picolin) und Oxiran: N

CH 2 Li +

Ether

O

N

O "Li

+ H2O

N

OH

/ MOH

31.5.11 Nucleophile Substitution Nucleophile Alkylierungen durch GRIGNARD-Reagenzien gelingen am besten mit Allyl- und Benzylhalogeniden als Substraten. Die Reaktionen haben die Kennzeichen von SN2-Substitutionen, wobei mesomeriestabilisierte Übergangszustände durchlaufen werden: H2C CH CH 2

X

+

f/ f-

H2C

R Mg X

CH

R CH 2

/ MgX2

H2C CH CH 2

R

X Mg X

Nach diesem Prinzip kann man Allyl-Gruppen einführen, z. B.: Ether

Br

+

Br Mg

/ MgBr 2

Allylcyclohexan

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31.6 Organosilicium-Verbindungen

603

Die dabei konkurrierende Bildung des 1,5-Hexadiens aus Allylbromid und Allymagnesiumbromid läßt sich nur durch hohe Verdünnung unterdrücken. Ether

Br

+

Br Mg

/ MgBr 2

1,5-Hexadien

Eine weitere nucleophile Substitution von präparativer Bedeutung ist die Alkylierung des Orthoameisensäuretriethylesters durch Alkylmagnesiumhalogenide: OC2H 5

f- f/

X Mg R

+

H C OC2H 5 OC2H 5

O

+ H2O

R CH(OC 2H5)2

2+

/ Mg / /X / / C2H5O

/ 2 C 2 H 5 OH

R C H

Die Reaktion ermöglicht elegante Synthesen aliphatischer und aromatischer Aldehyde, z. B. des 3,3-Dimethylbutanals aus 1-Brom-2,2-dimethylpropan: (H 3C)3C CH 2 CH O

(H 3C)3C CH 2 Br + Mg

+ H2O

/ 2 C 2 H 5 OH

+ CH(OC 2 H 5 ) 3

(H 3C)3C CH 2 Mg Br

(H3C)3C CH2 CH(OC2H 5)2

2+

/ Mg / /X / / C2H5O

Als Beispiele nucleophiler Substitutionen am aromatischen bzw. heteroaromatischen KohlenstoffAtom sind Alkylierungen und Phenylierungen des Pyridins und der Azine durch Alkyl- und Aryllithium bekannt (Abschn. 33.12.4). Enthält der elektrophile Aromat jedoch eine CH-acide Gruppe, so findet deren Metallierung viel leichter statt: H 5C6

N

CH 3

N +

LiH

CH3

N +

Li C6H 5

CH2 Li

C 6H6 +

31.6 Organosilicium-Verbindungen 31.6.1

Vergleichender Überblick

Organosilicium-Verbindungen kann man auch den Organonichtmetall-Verbindungen zuordnen, weil einige Vertreter ähnliche Eigenschaften aufweisen wie die Kohlenstoff-Analogen. Tetramethylsilan, der NMR-Standard (Abschn. 28.5.4), hat z. B. die tetraedrische Molekülgeometrie und das inerte Reaktionsverhalten des vergleichbaren Kohlenwasserstoffs Neopentan (Tab. 31.2).

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604

31 Organometall-Verbindungen

Bei asymmetrisch substituierten Silanen wie Methyl-c-naphthylphenylsilan gelingt die Trennung in optisch aktive Enantiomere: R3

R3 R4 R1

Si S

R2

R2

enantiomere Silane

Si

z. B. R1 = 1-Naphthyl-, R2 = Phenyl-, R3 = Methyl-, R4 = H

R4 R1

R

Im Gegensatz zu den Alkanen CnH2n+2 entflammen die einfachen Silane SinH2n+2 spontan an der Luft. Die Herstellung der Alkylsilane gelingt nach der für typische Alkylmetalle beschriebenen Methode (Abschn. 31.4). Während Halogenmethane gegen Wasser inert sind, werden Siliciumhalogenide rasch hydrolysiert. Die Bindung zwischen Silicium und Elektronendonor-Heteroatomen (Halogene, Sauerstoff, Schwefel, Stickstoff) hat nicht den normalen u-Charakter. Vielmehr erfolgt unter Beteiligung unbesetzter 3d-Orbitale des Siliciums eine pr/dr-Rückbindung: Si

X

Si

X = Cl , Br , OR , SR , NR

X

Tab. 31.2. Ausgewählte Organosilicium-Verbindungen und ihre Kohlenstoff-Analogen Organosilicium-Verbindung Klasse Bezeichnung Formel Silane

Silan Disilan Methylsilan Tetramethylsilan

Halogen- Dichlorsilan silane Trichlorsilan Siliciumtetrachlorid Methyltrichlorsilan Chlortrimethylsilan Silanole

SiH 4 H 3Si SiH 3 H 3C SiH 3 (CH 3)4Si SiH 2Cl2 SiHCl3 SiCl4 H 3C SiCl3 (H 3C)3SiCl

Trimethylsilanol Dimethylsilandiol

(CH 3)3SiOH (CH 3)2Si(OH)2

Siloxane

Dimethylsiloxan Methyltrimethylsilylether

(CH 3SiH 2)2O (CH 3)3SiOCH 3

Silazane

Trimethyltrisilazan Hexamethylsilazan

(CH 3SiH 2)3N [(CH 3)3Si] 2NH

Sdp. °C

Kohlenstoff-Analogon Sdp. °C Formel Bezeichnung

(1013 mbar)

(1013 mbar)

/ 112 / 14.5 / 57.5 27

/ 162 / 88.3

8.3 33 57.6 65.7 57

40 61 76.8 74 51

9.5

98.6 100 (Schmp.) 34.5 56 109 126

82.8 ""/ 35 106

CH 4 H 3C CH 3

Methan Ethan

(CH 3)4C

Neopentan

CH 2Cl2 CHCl3 CCl4 H 3C CCl3 (H 3C)3CCl

Dichlormethan Halogenalkane Trichlormethan Tetrachlormethan 1,1,1-Trichlorethan 2-Chlor-2-methylpropan

(CH 3)3COH (CH 3)2C(OH)2

2-Methyl-2-propanol Acetonhydrat (instabil)

Diethylether (CH 3CH 2)2O (CH 3)3COCH 3 t-Butylmethylether

89.5

Klasse

(CH 3CH 2)3N [(CH 3)3C] 2NH

Triethylamin Di-t-butylamin

Alkane

Alkohole Ketonhydrate Ether

Amine

Entsprechend erhält die SiX-Bindung partiellen r-Charakter. Im Einklang damit stehen eine größere Bindungsenergie (FH), ein kleineres Dipolmoment o und deshalb tiefere Siedepunkte der SiX- im Vergleich zu den CX-Verbindungen: Bindungsenergie FH [kJ / mol] Dipolmoment o" [Debye] Siedepunkt [°C , 1013 mbar]

Si/Cl : 380 1.28

H3Si/Cl : SiHCl3 :

33

C/Cl : 340 1.87

H 3C/Cl :

CHCl3 : 61

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31.6 Organosilicium-Verbindungen

605

Im Unterschied zu Kohlenstoff gibt es hexavalentes Silicium wie das Komplex-Ion SiF62/. Stabile Mehrfachbindungen zwischen Silicium und anderen Atomen, z. B. ,

Si Si

Si C

,

,

Si O

Si C

,

die durch seitliche Überlappung koaxialer p-Orbitale erklärt werden können, waren lange nicht bekannt. So existieren Silicium-Analoga der Ketone nur als Hydrate (Tab. 31.2). Dagegen gibt es jetzt Silylen-Metallkomplexe mit Metall-Silicium-Doppelbindungen, z. B. R2Si=Cr(CO)5, die u. a. mit Carbonyl-Verbindungen Sila-WITTIG-Alkenylierungen eingehen. Tab. 31.2. gibt einen Überblick der Nomenklatur und Siedepunkte einiger OrganosiliciumVerbindungen im Vergleich zu den Kohlenstoff-Analogen.

31.6.2

Herstellung der Halogensilane

Die wichtigsten Ausgangsprodukte zur Synthese fast aller siliciumorganischer Verbindungen sind die Halogensilane. Man erhält sie allgemein durch GRIGNARD-Alkylierung des Siliciumtetrachlorids z. B.: SiCl4

+

C6H 5 Mg Cl

C6H 5SiCl3 + Trichlorphenylsilan

MgCl2

C6H 5SiCl3

+

C6H 5 Mg Cl

(C 6H5)2SiCl2 + Dichlordiphenylsilan

MgCl2

(C 6H5)2SiCl2

+

C6H 5 Mg Cl

(C6H 5)3SiCl + Chlortriphenylsilan

MgCl2

Halogensilane werden technisch nach MÜLLER-ROCHOW durch Reaktion von Chlormethan mit Silicium in Gegenwart von Kupferpulver hergestellt: (Cu-Pulver, 300 - 400 °C)

2 CH 3Cl

+

Si

(H3C)2SiCl2

Das primär entstehende Dichlordimethylsilan disproportioniert, 2 (H 3C)2SiCl2

(H3C)3SiCl

+

H 3CSiCl3

so daß die Synthese auch Chlortrimethylsilan und Methyltrichlorsilan liefert.

31.6.3

Reaktionen der Halogensilane

Nucleophile Substitution am Silicium Das Halogen der Halogensilane ist leicht nucleophil substituierbar. Da es keine experimentellen Beweise für die Existenz von Siliconium-Ionen als Analoga der Carbokationen gibt, geht man davon aus, daß die nucleophile Substitution des Halogens einem SN2-Mechanismus folgt, wobei im Übergangszustand 3d-Orbitale des Siliciums zur Bindung beitragen.

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606

31 Organometall-Verbindungen

Wie üblich kann das Nucleophil hinter der Abgangsgruppe angreifen: Nu B Nu

+

A

langsam

C

Si

B A

Nu

Si

C

Si

B

X

+

C

A

X

X

Dementsprechend erwartet man bei enantiomeren Substraten stets eine Inversion der Konfiguration am Silicium. Tatsächlich gibt es aber Reaktionen, die unter Retention ablaufen, was durch einen flankierenden Angriff des Nucleophils erklärt wird: C B Nu

+

A

Si

langsam

C

A

Si

B

B

A

Nu

X

C

Si

+

X

Nu

X

Die meisten funktionellen Organosilicium-Verbindungen sind durch SN-Reaktionen der Halogensilane zugänglich, wie einige Reaktionen des Chlortrimethylsilans zeigen. ‚ Mit Hydrid als Nucleophil entsteht Trimethylsilan: LiAlH4 in Ether

(H 3C)3SiCl

‚

+

H

/ Cl

(H3C)3SiH

/

Alkylmagnesiumhalogenide alkylieren zum Alkyltrimethylsilan: Ether

Ether

(H 3C)3SiCl + Cl Mg

/ MgCl2

(H 3C)3SiCl + Cl Mg

(H 3C)3Si

(H 3C)3Si

/ MgCl2

Allyltrimethylsilan

Trimethylsilylcyclopropan

‚

Wasser als Nucleophil hydrolysiert zu Trimethylsilanol, welches wie ein Alkohol bimolekular zum Hexamethyldisiloxan dehydratisieren kann: (H 3C)3SiCl

+

H 2O

/ HCl

[H+]

(H 3C)3Si

OH

2 (H3C)3Si

OH

Trimethylsilanol

‚

/ H2O

(H3C)3Si

O Si(CH 3)3

Hexamethyldisiloxan

Mit Alkoholen entstehen bei Gegenwart einer Hilfsbase wie Triethylamin Alkyltrimethylsilylether. Diese der WILLIAMSONschen Ether-Synthese entsprechende Reaktion wird angewendet, um die Hydroxy-Funktion durch Trimethylsilylierung zu schützen. N(C2H5) 3

(H 3C)3SiCl

‚

+

HO R

/ HCl

(H 3C)3Si

O R

Alkyltrimethylsilylether

Enolisierbare Ketone reagieren mit Chlortrimethylsilan zu Silylenolethern, besonders gut bei Gegenwart von Kalium-nonafluorbutansulfonat ("Nonaflat") und Triethylamin: O (H 3C)3SiCl

+

OH CH 2

/

[C4F9SO3 K+ , N(C2H5) 3

H

/ HCl

O

Si(CH 3)3 H

Silylenolether

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31.6 Organosilicium-Verbindungen

‚

607

Auch Epoxide reagieren als Sauerstoff-Nucleophile. Unter Öffnung des Oxiran-Ringes bilden sich d-Chloralkyltrimethylsilylether: (H 3C)3SiCl

O

+

Cl

(H 3C)3SiO

2-Chlorethyltrimethylsilylether

‚

Ammoniak als Stickstoff-Nucleophil gibt vorwiegend Hexamethyldisilazan: / NH4Cl

(H3C)3SiCl

+

2 NH3

(H 3C)3Si NH 2 Trimethylsilylamin + NH3

(H 3C)3SiCl

‚

+ H 2N Si(CH 3)3

(H3C)3Si

/ NH4Cl

NH Si(CH 3)3

Hexamethyldisilazan

Amino-Gruppen, auch in Heterocyclen, werden durch Chlortrimethylsilan und Hexamethyldisilazan zu flüchtigen Derivaten trimethylsilyliert (Schutz der Amino-Funktion): Si(CH 3)3

H N

/ NH3

2

+ N

(H3C)3Si

NH Si(CH3)3

N 2 N 1-Trimethylsilylimidazol

‚

Natriumazid reagiert mit Chlortrimethylsilan in Chinolin zum auffallend thermostabilen Trimethylsilylazid: / NaCl

(H 3C)3SiCl

‚

+

(H3C)3Si N 3 Trimethylsilylazid

Na N3

Typische C-Nucleophile wie Natriumcyanid und Natriumalkinylide reagieren mit Trimethylchlorsilan zu Trimethylsilylcyanid bzw. Trimethylsilylalkinen: N

(H 3C)3SiCl

31.6.4

+

NaCN

O

CH3

(H 3C)3Si CN Trimethylsilylcyanid

/ NaCl

Präparative Bedeutung einiger Organosilicium-Verbindungen

Reagenzien zur Einführung der Trimethylsilyl-Schutzgruppe Neben Chlormethylsilan und Hexamethyldisilazan eignet sich N-Methyl-N-trimethylsilylacetamid sehr gut zur Trimethylsilylierung von XH-Funktionen (X = O, S, NH), wenn man diese bei Synthesen vor unerwünschten Reaktionen schützen muß, z. B.: O H3C C N Si(CH3)3 H3C

O

R

/ H3C C

R

NHCH 3

+

H 3N CH CO2

(H 3C)3Si

NH CH CO2H N-Trimethylsilylaminosäure

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608

31 Organometall-Verbindungen

Trimethylsilylazid als Ersatzreagenz Das thermostabile Trimethylsilylazid ersetzt die explosiven Alkylazide und Stickstoffwasserstoffsäure, u. a. bei 1,3-dipolaren Cycloadditionen: Si(CH 3)3

R1 + R2

Si(CH3)3 N N N

R1

N N N

R2

1-Trimethylsilyl-1,2,3-triazol

Carbonsäurechloride und Trimethylsilylazid reagieren mit hohen Ausbeuten zu Carbonsäureaziden, deren CURTIUS-Abbau Isocyanate ergibt (Abschn. 22.4.9). O R

C Cl

+ (H3C) 3Si / (H3C) 3Si

O

N3

R Cl

C

50 - 80 °C , / N2

R N C O

> 90 %

N3

Das Verfahren ist eine bequeme Alternative zur Phosgenierung der Amine (Abschn. 25.2.2), wenn an deren Stelle die Carbonsäurechloride zugänglich sind.

Silylenolether als Synthesereagenzien Enolisierbare Ketone lassen sich über die Siloxyalkene (Silylenolether) in c-Stellung substituieren. c-Hydroxyenone erhält man z. B. durch Epoxidation von 2-Trimethylsiloxydienen mit 3-Chlorperoxybenzoesäure und anschließende Hydrolyse des Oxirans in wässriger Säure: OSi(CH 3)3 O

OSi(CH3)3

O

O OH

+ RCO3H

+ H2O

/ RCO2H

/ (CH3) 3SiOH

Cl R=

c-Methylenketone entstehen aus Silylenolethern und Chlordimethylether (starkes Cancerogen)

über das d-Methoxyketon als Primärprodukt: OSi(CH3)3

O H3C

C5H 11

H3C

C 5H11

+ ClCH2OCH 3 (Zn , CuCl , CH2Cl2) / ClSi(CH3) 3

O H3C H3CO

O C 5H11 CH 2

KHSO4 , 100 °C / CH3OH

H 3C

C5H11

CH2 3-Methylen-octan-2-on

Die c-tert-Alkylierung von Ketonen gelingt, wenn man Silylenolether bei tiefen Temperaturen mit einem tertiären Halogenalkan in Gegenwart einer starken LEWIS-Säure wie Zinkchlorid, Eisen(III)-chlorid oder Titantetrachlorid umsetzt. Selbst Verbindungen mit zwei benachbarten quar-

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31.6 Organosilicium-Verbindungen

609

ternären Kohlenstoff-Atomen wie 2-t-Butyl-2-methylcyclohexanon sind auf diese Weise mit hoher Regioselektivität zugänglich: O

OSi(CH 3)3 CH 3

O + (H3C) 3CCl (TiCl4 , / 40 °C)

CH 3

CH 3 C(CH3)3

/ (H3C) 3SiCl

Im Gegensatz hierzu werden Carbonyl-Enolate durch tertiäre Halogenalkane nicht c-alkyliert: O

O + R/X

C

/

C

R = /C(CH3)3 ;

/""X

;

CH3

R

SAKURAI-Reaktion der Allylsilane Die CC-Doppelbindung von Allylsilanen ist nucleophil. Sie addiert an die elektronenarme CCDoppelbindung c,d-ungesättigter Carbonyl-Verbindungen in Gegenwart von Titantetrachlorid als LEWIS-Säure, die das Carbonyl-O-Atom komplexiert. Intermediär bildet sich ein CarbeniumEnolat-Zwitterion, das mit Wasser zur f,g-ungesättigten Carbonyl-Verbindung abreagiert (SAKURAI-Reaktion). 5-Pentenal wird auf diese Weise aus Acrolein und Allylsilan zugänglich. + TiCl4

TiCl4

O

O

Si(CH3)3

Si(CH3)3

O

+ 3 H2O

+

O

Allylsilan + Acrolein

31.6.5

"""""""/ TiO2, / HOSi(CH3)3, / 4 HCl

5-Pentenal

Silicone

Dialkyldichlorsilane (Abschn. 31.6.2) hydrolysieren in Wasser und wäßrigen organischen Lösemitteln zu Dialkylsilandiolen. Unter Katalyse der dabei gebildeten Salzsäure polykondensieren die Silandiole zu hochmolekularen Polydialkylsiloxanen: R n Cl

Si R

+ 2n H2O

Cl

/ 2n HCl

R n HO Si

/ n H2O

OH

R Dialkylsilandiol

R Si

O

R

n Polydialkylsiloxan

Die als "Silicone" besser bekannten Polydialkylsiloxane sind vielseitig anwendbare Werkstoffe. Aus Dialkyldichlorsilanen entstehen ölige Polymere, die wegen ihrer Temperaturbeständigkeit als Heizflüssigkeiten verwendet werden. Da sie wasserabweisend wirken, verwendet man sie auch zur Imprägnierung von Textilien sowie zum Korrosionsschutz. Polyphenylalkylsiloxane sind wachsbis fettartig und finden als Hochtemperaturschmiermittel und Hochvakuumfett Verwendung. Vernetzte Silicone erhält man durch Mischpolykondensation von Silandi- und -triolen. Je nach rela-

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610

31 Organometall-Verbindungen

tiver Molekülmasse und Vernetzungsgrad entstehen plastische, elastische und harte Silicone, die als Werkstoffe in der plastischen Chirurgie, Kautschuk-Ersatz und Isolatoren verwendet werden.

31.7 Metall- -Komplexe 31.7.1

Bindungszustand und Struktur von Sandwich-Komplexen

Bei den bisher besprochenen Organometall-Verbindungen waren die Metalle überwiegend ionisch oder kovalent an bestimmte C-Atome gebunden. Dagegen bestehen bei den Metall-r-Komplexen keine lokalisierten Bindungen zwischen Metall und bestimmten Kohlenstoff-Atomen. Metall und r-System bilden vielmehr ein Molekül definierter Geometrie, wobei r-Elektronen eines Aromaten oder Polyens vakante d-, p- und s-Orbitale des Übergangsmetalls oder -metallions auffüllen. Neben Ferrocen (Abschn. 30.3.3) ist Dibenzenchrom ein bekanntes Beispiel. In beiden Verbindungen werden die sechs vakanten d 2sp3-Hybrid-Orbitale des Eisen(II)-Ions und des Chroms durch die beiden r-Elektronensextette der beiden Aromaten (Cyclopentadienid und Benzen) zur stabilen Krypton-Elektronenkonfiguration aufgefüllt (Abb. 31.4). d 2 sp 3 - Hybridorbitale 2

2r 2r

Fe

b

2r

2r 2r 2r

a

Cr°

c

Abb. 31.4. Elektronen-Konfiguration (a) von Ferrocen (b) und Dibenzenchrom (c)

Ferrocen und Dibenzenchrom sind ihrer Elektronenkonfiguration (Abb. 31.4 a) zufolge diamagnetisch. Dibenzenvanadin hat dagegen ein Elektron weniger im 3d-Zustand und ist daher paramagnetisch. Metallocene wie Ferrocen sowie Dibenzenchrom werden aufgrund ihrer Struktur (Abb. 31.4 b, c) als "Sandwich"-Komplexe bezeichnet. Im Ferrocen stehen die Ring-C-Atome auf Lücke, im Dibenzenchrom dagegen verdeckt. Die Fünfringe des Ferrocens bilden eine Ebene, die Sechsringe des Dibenzenchroms dagegen einen flachen Sessel, wie durch Neutronenbeugung nachgewiesen wurde.

31.7.2

Herstellung und Eigenschaften einiger Übergangsmetall- -Komplexe

Aromaten- -Komplexe Metall-r-Komplexe des Benzens entstehen unter reduzierenden und FRIEDEL-CRAFTS-analogen Bedingungen. Zur Herstellung des Dibenzenchroms wird z. B. wasserfreies Chrom(III)-chlorid, Aluminiumchlorid und Aluminiumpulver mit Benzen erhitzt. Das zunächst gebildete Dibenzenchrom(I)-Ion wird durch zusätzliches Reduktionsmittel (Hypophosphit) zum tiefbraunen, unter Luftausschluß bis 300 °C stabilen Dibenzenchrom(0) reduziert. 2 C6H 6

+

Cr 3

+

2 e0

CrCl3 , AlCl3 , Al , 180 °C

/

(C6H 6)2Cr

+ e0 (H3PO2)

(C 6H6)2Cr

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31.7

Metall-(-Komplexe

611

Die als Metallocene bekannten Sandwich-r-Komplexe mit Cyclopentadienid erhält man allgemein durch Reaktion der wasserfreien Metallhalogenide mit zwei Äquivalenten Cyclopentadienylmagnesiumbromid: 2 C5H 5

MgBr

+

MgBr2

M

+

2 MgBr2

Tripeldecker-Sandwich-r-Komplexe mit zwei verschiedenen Metallen bilden sich u. a. aus Metallocen und Cyclopentadienyl-Metall(II)-tetrafluoroboraten: Ni (C 5H5)2Ni

+

[C 5H5Pd]

BF 4

BF 4 Pd

Alken- und Allyl- -Komplexe Zur Bildung von Alken- und Allyl-r-Komplexen neigen vor allem die Dihalogenide der Platinmetalle. Das seit 1827 bekannte ZEISE-Salz erhält man z. B. durch Einleiten von Ethen in eine Lösung von Tetrachlorplatin(II)-säure und Kaliumchlorid in Ethanol:

H2C CH2

+

H2PtCl4

+

KCl

Cl Cl

/ 2 HCl

Pt

Cl

CH2 K CH2

ZEISE - Salz

Allyl-r-Komplexe bilden sich aus Allylmagnesiumbromid und den wasserfreien Metallhalogeniden. Das gelborange, kristalline, an der Luft entflammende Bis-r-allyl-nickel entsteht z. B. aus wasserfreiem Nickelbromid und Alkylmagnesiumbromid in wasserfreiem Diethylether unter Schutzgas bei /10 °C: H 2C Ether , / 10 °C

2 H2C CH CH 2 MgBr

+

NiBr2

/ MgBr 2

H 2C HC

CH Ni CH 2 CH 2

Cyclopolyen- -Komplexe Cyclopolyen-r-Komplexe der Übergangsmetalle bilden sich aus den Metallhalogeniden und Cyclopolyenen, z. B.: +

PtCl2

PtCl2 Cyclooctadien-platindichlorid (farblos, krist., stabil bis 220 °C)

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612

31 Organometall-Verbindungen

Eine weitere Methode ist die Kohlenmonoxid-Verdrängung aus Metallcarbonylen durch das Cyclopolyen. So entsteht aus Molybdänhexacarbonyl und Cycloheptatrien der Halbsandwich-rKomplex Cycloheptatrienmolybdäntricarbonyl:

+

Mo(CO)6

+

3 CO

Mo(CO)3

Auf ähnlichem Weg kann auch das an sich nicht faßbare Tetramethylcyclobutadien als Nickelkomplex abgefangen werden. Er entsteht durch Reaktion von Dichlortetramethylcyclobuten und Nickeltetracarbonyl unter Inertbedingungen. Bei der Enthalogenierung mit Alkaliamalgamen bilden sich dagegen die Cyclobutadien-Dimeren.

+ 2 LiHg , Ether

H3C H3C

CH3

H 3C

CH3

H 3C H 3C

Cl

H3C

Cl / 4 CO

CH3

H3C

CH3

CH 3

CH3

H 3C

+ Ni(CO)4

CH3

CH 3

1/2

/ 2 LiCl , / 2 Hg

CH3

H 3C

H 3C

CH 3 NiCl2

Unter reduzierenden Bedingungen gelingt die Herstellung einiger Metall(0)-r-Komplexe aus Metallsalzen oder Metallkomplexen und Cyclopolyenen. Ein Beispiel ist die Reaktion von all-trans1,5,9-Cyclododecatrien mit Nickelacetylacetonat in Gegenwart von Trialkylaluminium als Reduktionsmittel. Es entsteht all-trans-1,5,9-Cyclododecatrien-centro-nickel(0):

+ Ni 2

Ni(C5H7O2) 2 , AlR3

+

2 e0

Ni

all-trans-1,5,9-Cyclododecatrien-centro-nickel(0) (tiefrot, beständig unter N2 bis 140 °C)

Übergangsmetall-Carben-Komplexe Die nucleophile Addition von Lithiumalkylen an Metallcarbonyle ist eine Möglichkeit zur Darstellung von Übergangsmetall-Carben-Komplexen: CO OC OC

M CO

CO CO CO

+ LiR , (C2H5)2O

OC OC R

M C

/

CO

+ [(H3C) 3O]+ BF4

CO

/ LiF , / BF3 , / (H3C) 2O

O

Li

CO OC OC R

M C

CO CO OCH 3

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31.7

Metall-(-Komplexe

31.7.3

613

Präparative Bedeutung von Übergangsmetall- -Komplexen

Übergangsmetall-r-Komplexe finden hauptsächlich als Katalysatoren Anwendung. So gelingt die Hydroformylierung terminaler Alkene (=CH2) in Anwesenheit von Ferrocen oder des Rhodiumcyclooctadienchlorid-Dimeren: R CH CH 2

+

CO

+

H2

+

CO +

H2

Kat.

R CH2 CH 2 CH O

Kat. =

Fe

Cl

Kat.

Kat. =

O

2,6-Dimethyl-1,5-heptadien

Rh

Rh Cl

Citronellal

Cyclodi- und -trimerisierungen des Butadiens werden durch Bis-(cyclooctadien)-nickel(0) katalysiert. Auf diese Weise entstehen vier-, fünf-, sechs-, acht- und zwölfgliedrige Alicyclen (Abb. 31.5).

cis-cis-1,5-Cyclooctadien

4-Vinylcyclohhexen

.2

.2

Kat. =

Ni

.2 .3

1-Vinyl-3-methylencyclopentan

all-trans-1,5,9-Cyclododecatrien

.2

1,2-Divinylcyclobutan

Abb. 31.5. Katalytische Cyclodi- und trimerisierungen des 1,3-Butadiens

Die stereoselektive Polymerisation des 1,3-Butadiens zu cis-Polybutadien gelingt in Anwesenheit von all-trans-1,5,9-Cyclododecatrien-centro-nickel(0) als Katalysator: Ni

97 % cis-

n

n

Als Methode der CC-Verknüpfung bewährt sich die als HECK-Reaktion (Abschn. 4.5.11) bekannte Vinylierung von Arylhalogeniden (X = Cl, Br) oder Triflaten (X = O/SO2/CF3) durch Alkene in Gegenwart von Pd(0)-Komplexen [L2Pd(0)] als Katalysator und einer Base als "Protonenschwamm": X +

Base , L2Pd(0) / HX

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614

31 Organometall-Verbindungen

Mit Cycloalkenen und deren Heteroanaloga wird die HECK-Reaktion chirogen, weil das Intermediat für die d-Eliminierung nur ein syn-ständiges H-Atom bereitstellt. Enantioselektive HECK-Reaktionen gelingen dementsprechend mit Pd(0)-Komplexen aus chiralen Liganden L. H H

*

X +

/ HX , - L2Pd(0)

L2 Pd X

L2Pd(0)

Eine elegante Steroid-Synthese wird durch den Halbsandwich-Komplex Dicarbonyl-cobalt-cyclopentadienid katalysiert. Basis dieser Synthese ist eine Alkin-Cyclotrimerisierung zum Benzocylobuten, dessen elektrocyclische Ringöffnung und anschließende, orbitalsymmetrie-kontrollierte Recyclisierung 2,3-Bis-(trimethylsilyl)-1,3,5-estratrien-17-on ergibt (Abb. 31.6). O

1.) TosCl 2.) NaI

OH

K O LiNH2 / NH3

O

1.) MgBr / Cu I 2.) (H3C)3SiCl

H3C

H 3C

OSi(CH 3)3

Si(CH 3)3 Kat. =

Kat. Co(CO) 2

+ Si(CH 3)3

O

O O

(H 3C)3Si

Kat.

(H 3C)3Si

(H 3C)3Si

(H 3C)3Si

(H 3C)3Si

(H 3C)3Si

Abb. 31.6. r-Komplex-katalysierte Steroid-Synthese nach FUNk und VOLLHARDT

Übergangsmetall-Carben-Komplexe setzen zwar keine Carbene frei, eignen sich jedoch als (elektrophile) Carben-Überträger für CC-Verknüpfungen und Cyclisierungen. So aromatisiert Pentacarbonyl[methoxy(phenyl)carben]chrom (Abschn. 31.7.2) nach DÖTZ unter milden Bedingungen mit Alkinen zum 4-Methoxynaphthol-tricarbonyl-r-Komplex (Abschn. 12.5.4). CO OC OC

Cr C

CO CO 50 °C , / CO

OCH 3

+

R1 C C R2

OCH 3 R1 Cr(CO)3 R2 OH

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31.8

Metallchelate

615

31.8 Metallchelate 31.8.1

Bauprinzip

Donor-Moleküle wie Ammoniak und Wasser können Metall-Kationen koordinativ binden. Dabei füllen die nichtbindenden (n-) Elektronenpaare des Donors vakante Hybridorbitale des MetallKations. So werden bei einer Koordinationszahl von sechs und Oktaeder-Konfiguration sechs d 2sp3-Hybridorbitale durch sechs Donoren-Elektronenpaare aufgefüllt. Unter bestimmten Bedingungen entstehen die Komplex-Ionen des stärkeren Donors. In wäßriger Lösung ist z. B. Ammoniak der stärkere Donor und verdrängt das Wasser aus den Hexaaquo-Komplexen: NH3 6 INH3

+

stärker

H3NI

[ Ni(OH 2)6 ] 2

H3NI

schwächer

INH 3 M INH 3 _ NH3

2

+

6 H2O

Metallchelate entstehen aus Metall-Kation und Molekülen mit mindestens zwei Donor-Gruppen. Häufige Donor-Gruppen sind Amino-, Imino- und Carbonyl-Funktionen. NH _ 2

,

C N _

,

_ C O _

Je nach Anzahl der Donor-Gruppen unterscheidet man zwei-, drei- und mehrzähnige Chelatliganden. Entsprechend bilden sie mit einem Metall-Kation zwei- oder mehr Donor-Bindungen, nehmen das Kation also zwei- oder mehrfach in die Zange. Daraus folgte die Bezeichnung Chelate (griech. egng" = Krebsschere). Bekannte zweizähnige Liganden sind z. B. 1,2-Diamine (Ethylendiamin = 1,2-Diaminoethan), 1,2-Diimine [Butandion-dioxim = Biacetyl-dioxim = Bis-(2,3dihydroxyimino)-butan] und 1,3-Diketon-Enole (Acetylaceton = 2,4-Pentandion): H3C H2 N

O 2

Cu N H2

H2 N N H2

Bis-(ethylendiamin)-kupfer(II)-Ion (blauviolett)

H3C

N

H 2

O N

CH 3

H3C

Ni H3C

N O

N H

CH 3

O

Bis-(butandion-dioxim)-nickel(II) (rot)

H3C

CH 3

O O O

Cr O

O O CH3

H3C Chrom(III)-acetylacetonat (rotviolett)

Die entstehenden Metallchelat-Ringe sind fünf- und sechsgliedrig; Neutralliganden wie Ethylendiamin geben Metallchelat-Ionen, anionische Liganden, wie das Acetylaceton-Enolat führen zu Neutralchelaten, sofern sich entgegengesetzte Ladungen intramolekular kompensieren. Definiert man als metallorganisch nur Verbindungen mit Metall-Kohlenstoff-Bindungen, so sind Metallchelate nicht metallorganisch. Dennoch werden Metallchelate häufig bei den OrganometallVerbindungen eingeordnet.

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616

31.8.2

31 Organometall-Verbindungen

Metallchelat-Effekt

Komplexierungen und Chelat-Bildungen sind Gleichgewichtsreaktionen. Die Verdrängung von Wasser aus Hexaaquo-Komplexionen durch Ethylendiamin (abgek. en) verläuft z. B. in drei Gleichgewichten mit den Konstanten K1, K2 und K3 (wobei in wäßrigen Lösungen die Änderung der H2O-Konzentration vernachlässigt wird). [ Ni(OH 2)6 ] 2

+

en

[ Ni(OH2)4 en ] 2

+

2 H 2O

K1 =

[ Ni(OH2)4 en ] 2

+

en

[ Ni(OH2)2 en2 ] 2

+

2 H 2O

K1 =

[ Ni(OH2)2 en2 ] 2

+

en

[ Ni en3 ] 2

+

2 H 2O

K1 =

c [Ni(OH2) 4 en ] 2+ c [Ni(OH2) 6 ] 2+ c en c [Ni(OH2) 2 en 2 ] 2+ c [Ni(OH2) 4 en ] 2+ c en c [Ni en 3 ] 2+ c [Ni(OH2) 3 en 2 ] 2+ c en

Die Komplexbildungskonstante ergibt sich rechnerisch als Produkt aller Gleichgewichtskonstanten. d = K1 K2 K3

Das Tris-(ethylendiamin)-nickel(II)-Ion als Metallchelat hat eine um 10 Zehnerpotenzen größere Komplexbildungskonstante als das Komplexion [Ni(NH3)6 ]2+: [ Ni(OH 2)6 ] 2 [ Ni(OH 2)6 ]

2

+ +

[ Ni(NH 3)6 ] 2

6 NH3 3 en

[ Ni en3 ]

2

+

6 H 2O

: d = 10 9

(1)

+

6 H 2O

: d = 1019

(2)

Diese gegenüber vergleichbaren Metallkomplexen wesentlich erhöhte Stabilität von Metallchelaten ist als Chelat-Effekt bekannt. Der Chelat-Effekt beruht auf einer viel stärkeren Entropiezunahme bei der Chelat-Bildung, weil hier die Anzahl der unabhängig beweglichen Moleküle stark zunimmt. Die Komplex-Bildung (1) verläuft z. B. mit der Molekülbilanz 0 (aus sieben Molekülen entstehen sieben); bei der Chelat-Bildung (2) entstehen dagegen aus vier Eduktmolekülen sieben Produktmoleküle. Besonders groß wird der Chelat-Effekt, wenn Koordinationszahl des Metallions und Zähnigkeit des Liganden zusammenpassen. So paßt Tris-(2-aminoethyl)-amin zu Metall-Kationen der Koordinationszahl vier mit tetraedrischer oder quadratisch planarer Konfiguration der Donor-Gruppe: N N NH2

NH2

M NH2

H 2N

M

NH 2 NH 2

Sechszähnige Chelat-Liganden wie Tetrakis-(2-aminoethyl)-ethylendiamin oder Ethylendiamintetraacetat (EDTA) komplexieren Metall-Kationen mit der sehr häufigen Koordinationszahl sechs:

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31.8

Metallchelate

617

O 2

2

O

NH2

O N

M

N

NH2

N

NH 2

N

NH2

M O

O O O

O Tetrakis-(2-aminoethyl)-ethylendiamin-Metall(II)-chelat

31.8.3

EDTA-Metall(II)-chelat

Metalltemplate-Effekt

Viele Makroheterocyclen und ihre Metallchelate verdanken ihre Entstehung dem die Ausbeute erhöhenden kinetischen Metalltemplate-Effekt. Er beruht darauf, daß ein Metall-Kation die EduktMoleküle wie eine Schablone durch Chelat-Bildung in einer für den Ringschluß günstigen Geometrie fixiert (template = Schablone). Ein übersichtliches Beispiel ist die Synthese der 1,8Dihydro-1,4,8,11-tetraaza[14]-annulen-2,3,9,10-tetranitrile aus Diaminomaleinsäuredinitril und 3Ethoxyacrolein (Abb. 31.7): NC

NH 2

NC

NH 2

+

M 2 X2

R

R R

NC NC

N

HN

NH

N

CN CN

R 70 pm > rM > 70 pm

+ 2 H5C2O "/ 2 C2H5OH , / 2 H2O , / MX

O

NC

H2 N

2

H2 N

R

CN

M NC

N H2

X2

N H2

CN

+ 2 H5C2O

O

/ 2 C2H5OH , "/ 2 H2O

NC

N

N

CN

N

CN

M NC

N

R rM = 70 pm

Abb. 31.7. Synthese von 1,8-Dihydro-1,4,8,11-tetraaza[14]annulen-2,3,9,10-tetranitrilen und ihrer Metallchelate unter Ausnutzung des Metalltemplate-Effekts

Infolge von Konkurrenzreaktionen, z. B. Polykondensationen, liegen die Ausbeuten je nach Lösemittel zwischen 0 und höchstens 30 %. Führt man den Ringschluß indessen bei Gegenwart von Nickel(II)-acetat durch, so entsteht das Nickel(II)-chelat mit 90 % Ausbeute. Offensichtlich zwingt Nickel(II) zwei Moleküle Ausgangs-Diamin durch Chelat-Bildung in eine für den Ringschluß optimale Anordnung (Abb. 31.7). Verwendet man Chrom(III)-sulfat anstelle von Nickel(II)-acetat als Template-Salz, so bildet sich der metallfreie Makroheterocyclus mit 60 % Ausbeute. Wieder wird das Ausgangs-Diamin für den Ringschluß günstig orientiert. Aber das Templat-Ion paßt nicht mehr in den für Ionen mit Radius um rM = 70 pm selektiven Hohlraum; es ist zu klein (rCr3+ = 63 pm). Deshalb entsteht der freie Ligand, aber mit dem Ausbeutebonus des Metalltemplate-Effekts (Abb. 31.7).

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618

31 Organometall-Verbindungen

31.8.4

Metallchelate makrocyclischer N4-Liganden

Metallchelate des Porphyrins und Chlorins erfüllen als Häm und Chlorophyll biologische Funktionen bei Atmung und Photosynthese (Abschn. 34.7.6). Bedeutende synthetische N4-Liganden sind die Tetrabenzotetraazaporphine (Phthalocyanine, Abschn. 34.7.4), die Dihydrotetraaza[14]annulene sowie das durch Selbstkondensation von 2-Aminobenzaldehyd in Gegenwart von Nikkel(II)-perchlorat als Template-Salz entstehende Tetrabenzotetraaza[16]annulen.

N

N

N

M N

N

N

Porphin-Metallchelate M = Fe, Co, Ni, Zn

31.8.5

N

N

2

N

Ni

Ni N

N

Dibenzo[b,i]dihydrotetraaza[14]-annulen-nickel(II)-chelat

2 ClO4 N

Tetrabenzotetraaza-[16]-annulennickel(II)-perchlorat

Bedeutung von Metallchelaten

Metallanalytik, Metalltrennung Nicht nur als Farbstoffe (Abschn. 34.7.2) und bei einigen Verfahren der Textilfärbung (Abschn. 34.3.3), sondern auch in der Metallanalytik und bei Metalltrennungen spielen Metallchelate eine bedeutende Rolle. Selektive Chelat-Liganden wie Butandion-dioxim oder 8-Hydroxychinolin sind seit langem als Fällungsreagenzien bei gravimetrischen Metall-Bestimmungen bekannt. Auf der Bildung von EDTA-Metallchelaten mit Ethylendiamintetraacetat beruht die komplexometrische Titration der Metall-Kationen. Die tiefe Farbe einiger Metallchelate, d. h. die hohe Intensität ihrer Lichtabsorptionsmaxima im sichtbaren Bereich, ermöglicht empfindliche photometrische Bestimmungen vieler Metall-Kationen unter Anwendung des LAMBERT-BEERschen Gesetzes (Abschn. 28.2.6). Ein bekanntes Beispiel ist die quantitative Bestimmung des Eisen(II)-Ions mit 2,2'-Bipyridin als tiefrotes c-Diimin-Chelat (Abschn. 33.12.1). OH H3C

N

H3C

N

O

H N

F 3C N

N

CF 3 O

H

O

OH Butandion-dioxim (Biacetyldioxim)

8-Hydroxychinolin ("Oxin")

2,2-Bipyridin (2,2'-Bipyridyl)

Hexafluoracetylaceton

Mit Hilfe von Ethylendiamintetraacetat als Elutions-Reagenz gelang die Trennung der Lanthaniden durch Ionenaustausch-Chromatographie. Mit Hexafluoracetylaceton entstehen flüchtige Metallchelate. Hierauf stützen sich Verfahren zur gaschromatographischen Trennung von Metallen. Metallkomplexe und Metallchelate als Katalysatoren Bei vielen Reaktionen werden Metallkomplexe mit organischen Liganden als Katalysatoren eingesetzt. Tris-(triphenylphosphan)-rhodiumchlorid ist z. B. ein Katalysator, der aufgrund seiner Lös-

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31.8

Metallchelate

619

lichkeit in organischen Lösemitteln bei Hydrierungen, Hydroformylierungen und Cyclisierungen in homogener Phase vielseitig Anwendung findet: H 3C

O

H 3C

H3C

O CH CH2 C CH 3 H3C

(H5C6) 3PRhCl

CH C

+

H2

CH 3

4-Methyl-2-pentanon

(H5C6) 3PRhCl

C4H 9

CH CH2

+

CO

+

H2

C 4H9

O CH C H CH

3 2-Methylhexanal

(H5C6) 3PRhCl

O

H

O Cyclopentanon

Zur Herstellung heterogener Rhodium-Komplexe verwendet man polymere Liganden mit Polystyren-Gerüst. Auf diese Weise gelingt eine sparsamere Nutzung des Katalysators: CH

L

CH

CH2

Cl

OC

+ CH CH2

Rh(CO)2Cl

CO

L

Rh(CO)2Cl

Rh

Rh

CO

Cl

OC

L

CH 2

L

CH

L = /NR 2 , /PR2 , /SH

CH 2

Übergangsmetallchelate sind selten katalytisch aktiv. Häufig werden katalytische Eigenschaften der Metalle, ihrer Salze oder r-Komplexe sogar durch Chelat-Bildung unterdrückt. Ein Beispiel ist die SCHIFFsche Base aus Salicylaldehyd und 1,2-Diaminopropan. Sie komplexiert MetallKationen (Co2+, Fe2+), welche die Autoxidation von Kohlenwasserstoffen in Verbrennungsmotoren katalysieren. Aus diesem Grund wird Bis-(2-hydroxyphenylmethyliden)-1,2-diaminopropan als Benzinstabilisator in Konzentrationen von 10/2 omol / L Benzin verwendet. OH 2

O

+

H2N

NH2

OH

/ 2 H2O

N H

H3C

H

HO N H

H3C Bis-(2-hydroxyphenylmethyliden)1,2-diaminopropan

Diese Inhibierung der Kohlenwasserstoff-Autoxidation beruht wahrscheinlich auf einer Oxygenierung der Metallchelate: Die als Salcomine oder Cosalene (Abkürzungsvarianten aus Cobalt, Salicylaldehyd und Ethylendiamin) bekannten Cobalt(II)-Chelate der SCHIFFschen Basen aus Salicylaldehyd und 1,2- sowie 1,3-Diaminen komplexieren Sauerstoff, besonders gut bei Gegenwart von Pyridin als Zusatzligand.

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620

32 Heteroalicyclen

32 Heteroalicyclen 32.1 Übersicht und Ring-Nomenklatur Heteroalicyclen sind cyclische Analoga von Ethern, Enolethern, Thioethern, Aminen und Enaminen, aber auch von Estern (Lactone) und Amiden (Lactame). Im weitesten Sinne kann man sie als Organoelement-Alicyclen auffassen, zu deren Bezeichnung ein für das Heteroatom stehender Präfix vor den Namen des analogen Cycloalkans gestellt wird, z. B.: X

X=O S Se Te

: : : :

OxaThiaSelenaTellura-

X = NR PR AsR SiR2

: : : :

AzaPhosphaArsaSilacyclohexan

Für die am weitesten verbreiteten Heteroatome Sauerstoff, Schwefel und Stickstoff gelten die in Tab. 32.1 zusammengestellten Endungen, welche man den Heteroatom-Präfix (Aza-, Oxa-, Thiafür N, O, S) anschließt, wobei das End-"a" entfällt, weil die Endungen mit einem Vokal beginnen. Aziridin, Azetidin, Oxiran, Oxetan, Thiiran, Thietan sind demnach die Bezeichnungen für Dreiund Vierringe mit Stickstoff, Sauerstoff und Schwefel als Heteroatom (Tab. 32.2). Für zwei- oder drei gleiche Heteroatome stehen die zusätzlichen Vorsilben Di- und Tri-. Oft wird der Heteroalicyclus auch als hydriertes Derivat der ungesättigten Heterocyclen bzw. der Heteroaromaten bezeichnet (z. B. Tetrahydrofuran, Tetrahydrothiophen, Tab. 32.2). Tab. 32.1. Nomenklatur von Heteroalicyclen, Endungen (HANTZSCH-WIDMANN-System; die in Klammern angegebenen Endungen gelten für Stickstoff als Heteroatom) Ringgröße

max. ungesättigt

max. gesättigt

Ringgröße

max. ungesättigt

max. gesättigt

3

iren (irin)

iran (iridin)

4

et

etan (etidin)

7

epin

epan

8

ocin

5

ol

ocan

ol (olidin)

9

onin

6

in

onan

an (inan)

10

ecin

ecan

32.2 Molekülgeometrie Wie Tab. 32.3 zeigt, sind die Atomabstände und die äußeren H/C/H-Bindungswinkel der heteroalicyclischen Dreiringe mit den Daten des Cyclopropans und acyclischer Ether, Thioether und Amine weitgehend vergleichbar. Im Gegensatz zu Cyclobutan sind Oxetan und Thietan eben, was als Folge verminderter sterischer Wechselwirkung bei Ersatz einer Methylen-Gruppe durch ein zweibindiges Heteroatom erklärt wird. Entsprechende Änderungen der Molekülgeometrie aufgrund des Wegfalls ekliptischer Wechselwirkungen sind auch bei Fünfring-Heteroalicyclen denkbar, jedoch wenig untersucht.

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32.2

Molekülgeometrie

621

Tab. 32.2. Nomenklatur von Heteroalicyclen, einfache Beispiele

Ringgröße

Heteroatom O

S

max. ungesättigt

3

gesättigt

N

max. ungesättigt

gesättigt

max. ungesättigt

gesättigt

O

O

S

S

N

H N

H N

Oxiren

Oxiran

Thiiren

Thiiran

2H-Azirin

1H-Azirin

Aziran (Aziridin)

O

O

S

S

N

Oxet

Oxetan

Thiet

Thietan

Azet

Azetan (Azetidin)

O

O

S

S

H N

H N

Furan

Tetrahydrofuran

Thiophen

Tetrahydrothiophen

Pyrrol (Azol)

Pyrrolidin

S

H N

H N

H N

4

5

O

S

O 1,3-Dioxolan

O

O

O

2H-Pyran

4H-Pyran

Tetrahydropyran

N

1,3-Dithiolan

S

S

NH

Imidazol (1,3-Diazol)

Imidazolidin (1,3-Diazolidin)

H N

H N

1,4-Dihydropyridin

Piperidin

N

S

6 2H-Thiapyran 4H-Thiapyran Tetrahydrothiapyran

O

O

S

S

O

O

1,4-Dioxin

1,4-Dioxan

1,4-Dithiin

O

O

S

S

Oxepin

Oxepan

Thiepin

Thiepan

H N

N

S

S

Pyridin

1,4-Dithian

N

N H

Pyrazin

Piperazin

H N

N

H N

2H-Azepin

Azepan

7 1H-Azepin

Tab. 32.3. Bindungsdaten von Dreiringen und acyclischen Ethern, Thioethern und Aminen Ring

O NH S

äußere H/C/H-Bindungswinkel

A t o m a b s t ä n d e [pm] cyclisch offenkettig

116°

143

116.4°

147

144

142

116.6°

148

148

147

116°

149

182

181

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622

32 Heteroalicyclen

Sechsring-Heteroalicyclen liegen wie Cyclohexan als Sessel-Konformere vor. Dementsprechend sind Ring-Inversionen und / bei Piperidin-Derivaten / zusätzlich Inversionen am Ring-Stickstoff möglich, wie temperaturabhängige NMR-Messungen zeigen: R N R

R

N

N

N

R Inversion am Stickstoff

Ringinversion

32.3 Allgemeine Syntheseprinzipien 32.3.1

Intramolekulare Cyclisierungen

DARZENS-Reaktion Oxiran-2-carbonsäureester (Glycidester) bilden sich bei der DARZENS-Reaktion von c-Halogencarbonsäureestern mit Carbonyl-Verbindungen in Gegenwart von Alkoholat. Das Alkoholat deprotoniert den c-Halogenester zum nucleophilen Carbanion, das mit dem elektrophilen Carbonyl-C-Atom eine CC-Bindung knüpft. Das intermediäre Alkoholat-Anion schließt durch SNReaktion den Oxiran-Ring.

̈"

Cl CH 2 CO2C2H 5 /" C2H5OH

+ C2H5O

R1

R 2 Cl

R2 + Cl CH CO2C2H 5

R1

C

O

CH

R2

/" Cl

CO2C2H 5

R1

O

H CO2C2H 5

O

2-Ethoxycarbonyl-3,3-dialkyloxiran

Intramolekulare Alken-Metathese Die intramolekulare Alken-Metathese (Abschn. 4.5.14) von Diallylethern, Diallylsulfiden und Diallylamiden führt zu den entsprechenden Fünfring-Heterocycloalkenen. Die Metathese des N,NDiallyl-p-tosylamids in Gegenwart von Ruthenium-Komplexen ergibt z. B. N-Tosyl-3-pyrrolin: Ts

Ts

N

N

Kat.

+

Ts =

SO2

CH3

Cyclische Ether aus Diolen und -Halogenalkoholen Die intramolekulare MITSUNOBU-Reaktion (Abschn. 23.4.2) von Diolen macht drei- bis siebengliedrige cyclische Ether zugänglich: CO2 C2 H5 HO (CH 2)n OH

N N

+

H5 C2 O2C

CO2 C2 H5

H +

(C6 H5 )3 P

(CH2)n O

n=2-6

N N

+

H5 C2 O2 C

+

H

(C6 H5 )3 P O

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32.3

Allgemeine Syntheseprinzipien

623

Viele cyclische Ether entstehen nach dem Prinzip der WILLIAMSON-Ether-Synthese (Abschn. 16.3.2) durch intramolekulare Halogenwasserstoff-Abspaltung aus y-Halogenalkoholen:

Br

Ausbeuten n = 2 (Oxiran) n = 3 (Oxetan) n = 4 (Tetrahydrofuran) n = 5 und größer

/ HBr (NaOH)

(CH2)n OH

(CH2)n O

: gut : mäßig : gut : mäßig bis schlecht

Die Ergiebigkeit solcher Cyclisierungen hängt von Ringspannung und Ringschlußwahrscheinlichkeit ab, wie es auch von den Cycloalkan-Synthesen (Abschn. 8.6) bekannt ist. Eine intermolekulare Variante dieses Ringschlußprinzips kommt häufig bei der Synthese makrocyclischer Poly- oder Kronenether zur Anwendung. Dibenzo[18]krone-6, ein symmetrisch benzokondensierter 18-gliedriger Ring mit sechs O-Atomen, wird z. B. aus Brenzcatechin und Bis-(2-chlorethyl)-ether in Gegenwart von Natronlauge unter Verdünnungsbedingungen hergestellt: O

OH 2

O +

2 Cl

Cl

O

+ 4 NaOH / 4 NaCl / 4 H2O

OH

O

O

O O

Dibenzo[18]krone-6

Cyclische Thioether aus -Halogenthiolen In Analogie zu cyclischen Ethern können cyclische Thioether durch intramolekulare Dehydrohalogenierung aus y-Halogenthiolen erhalten werden. Dabei entsteht das y-Halogenthiol oft erst im Reaktionsverlauf und wird dann nicht isoliert: Cl SH

NaHCO3 / HCl

SH

+ H2S

S

O

CH2Cl HO

S

Ba(OH) 2

CH2

Cl

/ HCl

Thiabicyclo[3.1.0]hexan

HO 3-Hydroxythietan

Cyclische Amine aus -Halogenalkylaminen Die intramolekulare Dehydrohalogenierung aus y-Halogenalkylaminen liefert aufgrund geringer Ringspannung und günstiger Ringschlußwahrscheinlichkeit für Pyrrolidine (n = 4) die größten Ausbeuten, wie ein Vergleich der Ringschluß-Geschwindigkeitskonstanten zeigt: n

Br

(CH2)n NH 2

/ HBr (NaOH)

(CH2)n NH

relative Geschwindigkeitskonstante

2 3 4 5 6

70 1 60 000 1 000 2

Aus diesem Vergleich folgt auch, daß Dreiringe leichter entstehen als Vierringe, wenn das Edukt beide Ringschlüsse zuläßt, z. B.: H 3C

/ HBr (NaOH)

SO2 NH CH 2 CH CH 2Br Br

CH 2Br H 3C

SO2 N

2-Brommethyl-1-p-tosylaziran (kein Azetan)

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624

32 Heteroalicyclen

32.3.2

Cycloadditionen

[2+1]-Cycloadditionen Heterocyclische Dreiringe bilden sich durch [2+1]-Cycloadditionen. Dabei kann ein Heteroatom an eine (elektronenreiche) CC- oder CX-Doppelbindung addieren. Beispiele hierzu sind Epoxidationen von Alkenen und Iminen durch Persäuren (PRILEZHAEV-Epoxidation, Abschn. 16.4.3): H 3C

H +

O

C

O

H 3C

H 3C

/ RCO2H

O

H +

O

R

(Z)-2-Buten

H3C (H3C)3C

H 3C

O

N

/ RCO2H

O C

O

H3C N

R

O

(H 3C)3C

cis-2,3-Dimethyloxiran

cis-2-t-Butyl3-methyloxaziridin

Als C1-Baustein werden oft Carbene aus Diazomethanen eingesetzt. An Ketone, Thioketone und Imine als CX-Komponenten cycloaddieren sie zu Oxiranen, Thiiranen und Aziridinen: R2 R1

C

R2

+

CH2N2

F , / N2

R2

R1

R1 O

O

N

C

C6H5

+

(H 5C 6)2CN2

F , / N2

+

CH2N2

F , / N2

R1 N R3

R3

2,2-Dialkyloxiran

H5C 6

C

R2

1,2,2-Trialkylaziran

C6H5 C6H5

H 5C 6

S

C6H5 Tetraphenylthiiran

S

[2+2]-Cycloadditionen Oxetane bilden sich in guten Ausbeuten durch [2+2]-Photocycloaddition von Ketonen an Alkene (PATERNO-BÜCHI-Reaktion, Abschn. 29.5.6): +

hp O

O

d-Lactam-Ringe, die Strukturelemente der Penicilline, bilden sich durch [2+2]-Cycloaddition von Keten an Imine: R1 R1

C C O R1

+

R2

R2

N R2

C N R2

O

R1

R3

R3

Azetidin-2-on (d-Lactam)

[3+2]-Cycloadditionen Die Cycloaddition eines 1,3-Dipols an eine CC- oder CX-Mehrfachbindung (1,3-dipolare Cycloaddition) führt zu ungesättigten stickstoffhaltigen Fünfringen. Diazoalkane und Azide als 1,3-

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32.3

Allgemeine Syntheseprinzipien

625

Dipole cycloaddieren an Alkene z. B. zu Pyrazolinen und Triazolinen. Diese neigen in der Hitze zu Stickstoff-Abspaltungen, was sich zur Synthese von Dreiringen ausnutzen läßt: Diazomethan

Phenylazid

N H 2C

R

N

N R

R

(Z)-Alken

N

H5C6

F , / N2

R

R

N N

H5C6 N N N

N

R

cis-2,3-Dialkylcyclopropan

N H5C 6

H5C 6

H5C 6

cis-3,4-Dialkylpyrazolin

C6H 5

F , / N2

Styren

1,5-Diphenyltriazolin

1,2-Diphenylaziran

[4+1]-Cycloaddition Heteroalicyclische Fünfringe bilden sich durch [4+1]-Cycloaddition. 2,5-Dihydrothiophen-1,1-dioxide werden auf diese Weise aus 1,3-Dienen und Schwefeldioxid dargestellt. Die thermische Cycloreversion setzt die 1,3-Diene wieder frei, z. B. für DIELS-ALDER-Reaktionen. H 3C

H3C +

SO2

SO2 3-Methyl-2,5-dihydrothiophen-1,1-dioxid (maskiertes Isopren)

[4+2]-Cycloadditionen Pyran-Derivate und deren Heteroanaloga sind durch [4+2]-Cycloaddition aktivierter Alkene an Heterodiene zugänglich. Die technisch durchgeführte "Dimerisation" des Acroleins zu 2-Formyl2,3-dihydro-4H-pyran folgt diesem Konzept, + H

6r

H

O

H

O

O

H

O O

O

das auch auf r-Systeme mit zwei Heteroatomen, z. B. Nitroso-Verbindungen, übertragbar ist: +

N

C 6H5

N

C6H 5

O

O

2-Phenyl-3,6-dihydro2H-1,2-oxazin

32.3.3

Ringerweiterung von Carbocyclen durch Stickstoff

Die Ringerweiterung von Cyclohexylaziden durch eine Variante der CURTIUS-Umlagerung (Abschn. 22.4.9) ermöglicht die Herstellung von Azepin-Derivaten: N N N R

/ N2

N

R N

( + wenig

N

)

R R 2-Alkyltetrahydro-7H -azepin

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626

32 Heteroalicyclen

Die Thermolyse des 3-Azido-1,2,3-tri-t-butylcyclopropens ergibt nach demselben Prinzip Tri-tbutylazet (Tri-t-butylazacyclobutadien). Dessen thermische [2+2]-Cycloreversion ist Symmetrieverboten (Abschn. 27.3.2), und die t-Butyl-Gruppen schützen das Molekül vor der Polymerisation. R

R

R

N

R

R

R

/ N2

N N N

N

R

R

R Tri-t-butylazet

R = C(CH3) 3

Auch bei der BECKMANN-Umlagerung von Cyclohexanonoxim und der K.F. SCHMIDT-Reaktion von Cyclohexanon zu g-Caprolactam (Abschn. 22.4.9) wird der Cyclohexan-Ring durch Stickstoff erweitert: + HN3

NH

N

O

/ N2

OH O g-Caprolactam

32.3.5

Katalytische Hydrierung von Heteroaromaten

Die katalytische Hydrierung leicht zugänglicher Heteroaromaten öffnet den Weg zu zahlreichen Heteroalicyclen. Substituierte Piperidine werden z. B. bequem durch katalytische Hydrierung der Pyridine hergestellt: N R

32.3.5

+ 3 H2 / Kat.

R

NH

Carbonyl-Derivatisierung

Fünf- und sechsgliedrige Heteroalicyclen mit zwei Heteroatomen in 1,3-Stellung bilden sich durch Derivatisierung von Aldehyden und Ketonen mit Diolen, Dithiolen, Diaminen, Aminoalkoholen und Aminothiolen: XH (CH2)n YH

+

[H+] , / H2O

O C

X (CH 2)n Y

X O O S S NH O S

Y O O S S NH NH NH

n 2 3 2 3 2 2 2

Heteroalicyclus 1,3-Dioxolan 1,3-Dioxan 1,3-Dithiolan 1,3-Dithian Imidazolidin Oxazolidin Thiazolidin

1,3-Dioxolane sowie 1,3-Dithiolane und 1,3-Dithiane sind in Analogie zu den Acetalen und Ketalen vorzügliche Carbonyl-Schutzgruppen, wenn bei Synthesen Carbonyl-Reaktionen verhindert werden müssen.

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32.4

Funktionelle Reaktionen

627

32.4 Funktionelle Reaktionen 32.4.1

Heteroatom als Nucleophil

Mit Ausnahme der Oxirane zeigen die meisten Heteroalicyclen die für Ether, Thioether und Amine typischen Reaktionen. So läßt sich Thietan durch Wasserstoffperoxid zum Sulfoxid und Sulfon oxidieren und durch Iodmethan zum Sulfonium-Salz alkylieren. LiAlH4

S

CH3

+ CH3 I

S

I

+ H2O2

O

O

+ H2O2

S

/ H2O

S O

/ H2O

Aziridin reagiert als Stickstoff-Nucleophil mit Halogenalkanen und addiert an aktivierte CCDoppelbindungen (MICHAEL-Addition): / HBr (Base)

NH NH

+

+

1-Alkylaziran

N R

R Br

N CH 2 CH 2 C N

H2C CH C N

1-(2-Cyanoethyl)-aziran

Der Oxiran-Ring neigt dagegen nicht nur infolge hoher Ringspannung, sondern auch durch den elektronegativen Sauerstoff besonders leicht zu Ringöffnungen. So addiert Aziran nucleophil unter Erhaltung seines Ringes an Oxiran, das sich hierbei öffnet: NH

+

O

N CH 2 CH 2 OH 1-(2-Hydroxyethyl)-aziran

32.4.2

Carbonyl-Umpolung durch 1,3-Dithian-Derivatisierung

Präparativ nützlich ist, daß die H-Atome in Position 2 des 1,3-Dithiolan- oder 1,3-Dithian-Ringes gegenüber starken Basen wie Butyllithium sauer sind, weil das verbleibende Carbanion unter Beteiligung der d-Orbitale des Schwefels mesomeriestabilisiert wird (Abschn. 20.8.2). Das ursprünglich elektrophile Carbonyl-C-Atom eines Aldehyds wird somit durch 1,3-Dithian-Derivatisierung und anschließende Metallierung zu einem carbanionischen und damit nucleophilen C-Atom umgepolt (Carbonyl-Umpolung nach COREY-SEEBACH, Abschn. 20.8.2), das an elektrophile Substrate addiert. Danach läßt sich die 1,3-Dithianyl-Gruppe mit Quecksilber(II)-Salz oder N-Bromsuccinimid abspalten. 1,3-Dithian läßt sich zweimal metallieren und alkylieren, worauf eine elegante CycloalkanonSynthese beruht. Cyclobutanon entsteht z. B. aus 1,3-Dithian und 1-Brom-3-chlorpropan: S _ H Li S

+

Br

(CH2)3 Cl

/ LiBr

H S

(CH2)3 Br S

+ LiC4H9 / C4H10 / LiCl

+ HgCl 2 , + H2 O

S S

S /

O Hg ."/"2 HCl S

Cyclobutanon

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628

32 Heteroalicyclen

Aldehyde werden über die entsprechenden 1,3-Dithiane zu Ketonen alkyliert (Abschn. 20.8.2). Carbonyl-Verbindungen als Elektrophile ergeben Acyloine, und mit Kohlendioxid entstehen cOxosäuren: S _ R Li

+

R1 O C R2

R S

S

O Li C

S

S _ R Li

+

R1 R2

S /

R

/ LiX

O C O

OH + HgCl2 , + H2O

S

S

R

Hg ."/ LiOH S

O

S

S

/

C

R2 R1

Acyloin

+ HgCl2 , + H2O

CO2 Li

C

R C

Hg .""/ LiCl , / HCl S

CO2H

O c-Oxosäure

32.5 Ringöffnungen In Analogie zum Cyclopropan sind vor allem die Dreiring-Heteroalicyclen nucleophilen Ringöffnungen zugänglich, wobei das Nucleophil rückwärtig zum Heteroatom angreift und dieses als intramolekulare Abgangsgruppe abstößt (SN2-Stoßmechanismus): Nu Nu

Nu

+ X

X

X

Bei unsymmetrisch substituierten Dreiringen wird das Nucleophil, z. B. ein GRIGNARD-Reagenz, an der sterisch zugänglichsten Stelle angreifen: O CH 3 Methyloxiran

OH

+ H2O

+

H 5C6 Mg Br

/

/ Mg 2+ , / OH , / Br

/

H 5C6

CH 2 CH CH 3

1-Phenyl-2-propanol

Viele Dreiringspaltungen verlaufen säurekatalysiert. Treibende Kraft ist dann das protonierte Heteroatom, welches seine Bindung im Ring löst und so ein Nucleophil von der Rückseite anzieht: -"[H+]

Nu

+ NuH +

X

X

/ [H ]

XH

H

Dem SN2-Zugmechanismus folgt z. B. die säurekatalysierte Oxiran-Spaltung zu trans-1,2-Diolen (Abschn. 4.5.8). Die Ringöffnungstendenz vier- und höhergliedriger Ringe ist erheblich geringer. Sulfone neigen jedoch bei höheren Temperaturen zu ringverengenden Schwefeldioxid-Extrusionen. Diese Pyrolyse von Cyclosulfonen ("Sulfonpyrolyse") ist eine Methode zur Synthese spezieller Cycloalkane, z. B. in der Cyclophan-Reihe. (CH 2)n SO2

F

(CH2)n

+

SO2

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32.6

Ringöffnende Ringerweiterungen

629

32.6 Ringöffnende Ringerweiterungen Die thermische Umlagerung von Vinylcyclopropan zu Cyclopenten F

ist auf manche heterocyclische Dreiringe übertragbar, auch wenn anstelle der Vinyl- eine Carbonyl-Gruppe tritt, z. B.: R

R N

F

F

N N

O

N

R 1-Alkyl-2-vinylaziran

1-Alkyl-3-pyrrolin

O R

1-Acylaziran

2-Alkyl-2-oxazolin

Da die treibende Kraft der Ringspannung bei Vierring-Heteroalicyclen geringer ist, erfordern deren ringerweiternde Öffnungen schärfere Bedingungen: HCl (10 Tage)

N

S

S N

H 5C6 1-Thiobenzoylazetan

C6H 5

2-Phenyl-5,6-dihydro-4 H-thiazin

Die COPE-Umlagerung des instabilen 1,2-Divinylcyclopropans zu 1,4-Cycloheptadien (Abschn. 8.6.5, 26.4) ist auf 2,3-Divinyloxiran übertragbar und öffnet den Zugang zu Oxepin-Derivaten: F O

O 1,2-Divinyloxiran

4,5-Dihydrooxepin

Technisch von Bedeutung ist die katalytische, unter Wasserabspaltung verlaufende Ringerweiterung des 2-Hydroxymethyltetrahydrofurans (Tetrahydrofurfurylalkohol) zu 5,6-Dihydro-4H-pyran: Al2O3 , 35 °C , / H2O

H O

CH2OH

O 5,6-Dihydro-4H-pyran

32.7 Additionen an ungesättigte Heteroalicyclen Die Polarisierung der Doppelbindung durch das Heteroatom aktiviert cyclische Enamine und Enolether zu Additionen: + X

H Y

H Y

X

X = O , NR

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630

32 Heteroalicyclen

Alkohole addieren z. B. sehr leicht an 5,6-Dihydro-4H-pyran zu einem cyclischen Acetal: Br

OH

+

Br

O

4-Brombutanol

O

O

O-Tetrahydro-4H-pyranyl-4-brombutanol

Eine intermediär eingeführte Tetrahydropyranyl-Gruppe schützt die Alkohol-Funktion vor nucleophilen Substitutionen, wenn diese selektiv, z. B. an der Brommethyl-Gruppe des 4-Brombutanols, durchgeführt werden müssen. Milde Hydrolyse in wäßriger Säure regeneriert den Alkohol. Während monocyclische Enamine wie ihre offenkettige Analoga säurelabil sind, widerstehen bicyclische Enamine wie Chinucliden infolge der BREDTschen Regel der Hydrolyse in Säuren:

N

N

32.8 Komplexierung durch Kronenether und Cryptanden Die als Kronenether bekannten makrocyclischen Polyether können in ihrem zentralen Hohlraum Alkalimetall-Ionen durch Ionen-Dipol-Wechselwirkung komplexieren (Abb. 32.1). Dabei hängt die Spezifität und Stabilität der Komplexbildung vom Radius des Kations im Verhältnis zum Hohlraum des Kronenethers ab.

Abb. 32.1. Struktur des Komplexes aus Kaliumiodid und Dibenzo[30]krone-10

Alkalisalze, wie Kaliumpermanganat, Kaliumrhodanid oder Kaliumphthalimid, lösen sich nach Zusatz von Kronenethern (KE) in unpolaren organischen Lösemitteln. Daher sind Kaliumpermanganat-Oxidationen oder Substitutionen mit unsolvatisierten ("nackten") Nucleophilen, deren Kation (z. B. K+) durch den Kronenether komplexiert wird, in organischen Lösemitteln unter milden Bedingungen möglich (Anionen-Aktivierung). Ein Beispiel unter vielen ist die Herstellung des Benzylthiocyanats aus Benzylchlorid und Kaliumrhodanid in Gegenwart von Dibenzo[18]krone-6 (Abschn. 32.3.1); diese Reaktion würde mit dem solvatisierten Rhodanid-Anion nicht gelingen. O O CH2 Cl + [ KEK]

SCN

CH2 SCN Benzylthiocyanat

+ [ KEK]

Cl

O

KE = O

O O

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32.9

Mesomerieeffekte und Aromatizität

631

Bicyclische Aminopolyether sind als Cryptanden bekannt und bilden mit in den Hohlraum passenden Kationen Cryptate, jedoch nur in neutraler bis alkalischer Lösung. In saurem Medium entstehen bicyclische Ammonium-Ionen, die das Metall-Kation elektrostatisch und sterisch abstoßen. Makrobicyclische Ammonium-Ionen ohne Polyether-Brücken schließen Anionen wie Chlorid ein und sind insofern die Gegenspieler der Kronenether und Cryptanden. Man bezeichnet die makrocyclischen Ammonium-Ionen auch als Catapinanden, weil sie Anionen wie Cl/ in ihren Hohlräumen verschlingen (griech. mcvcrkpgkp = verschlingen). Entsprechend sind die entstehenden Einschlußverbindungen auch als Catapinate bekannt.

N

N O

O

O

O

N

H O

H

O

Rb O

O

Cl O

O

N

H

O

H

O

N

N

Rubidium-Cryptat

Cryptand in saurer Lösung

Chlorid-Catapinat

32.9 Mesomerieeffekte und Aromatizität Bei acht- bis zehngliedrigen stickstoffheteroalicyclischen Ketonen 1 wurde die "transannulare Amid-Resonanz" formuliert: O

O

N

N

R 1

R 2

Eine zusätzliche längerwellige Carbonyl-Absorption im Infrarotspektrum weist auf den Beitrag des dipolaren Zustandes 2 hin, der in polaren Lösemitteln stabilisiert wird. Die auffallend große 1H-Verschiebung (fH 10) des olefinischen Protons von 2-Methyl-1,1thiirendioxid, welche dem für 2-Methylcyclopropenon gemessenen Wert sehr nahe kommt, spricht für ein heteroaromatisches 2r-Elektronensystem: 2r

CH 3 S O

CH3

CH3

2r

CH3

S O

O

2-Methylthiiren-1,1-dioxid

O

O

O 2-Methylcyclopropenon

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632

33 Heteroaromaten

33 Heteroaromaten 33.1 Definition, Nomenklatur, Übersicht 33.1.1

Monocyclische Heteroaromaten

Die meisten Fünf- und Sechsring-Heteroaromaten stammen formal vom Cyclopentadienid(-Anion) sowie vom Benzen ab: Anstelle von Ring-CH-Fragmenten treten Heteroatome, meist Stickstoff, Sauerstoff oder Schwefel, z. B.: H N

N 6r

Pyrrol

6r

6r

Pyridin

6r

Pyrylium-Ion

6r

Thiapyrylium-Ion

6r

Benzen

CyclopentadienidAnion

O

O Furan

6r

Thiophen

6r

S

S

Zur Bezeichnung der monocyclischen Heteroaromaten haben sich überwiegend Trivialnamen durchgesetzt, die häufig mit der natürlichen Herkunft der Verbindungen zusammenhängen. Systematisch ist die Unterscheidung zwischen Fünf- und Sechsringen mit Stickstoff und weiteren Heteroatomen im Ring: Die Fünfringe werden als Azole, die Sechsringe als Azine bezeichnet. Tab. 33.1 stellt die Bezeichnungen einiger monocyclischer Heteroaromaten zusammen.

33.1.2

Benzokondensierte Heteroaromaten

Auch für benzokondensierte (benzologe) Heteroaromaten gelten überwiegend Trivialnamen. Tab. 33.2 (S. 635) gibt eine Auswahl. Steht kein Trivialname zur Verfügung, so wird die verknüpfende Bindung durch einen eckig eingeklammerten Kleinbuchstaben gekennzeichnet, der den kürzesten Abstand zur Position 1 des Stammheterocyclus angibt, z. B.: 8 7 6

g

8a

h 4a

8

a d c

f e 5

1

N2

b

g

N

3

6

4

Isochinolin

7

g

f e 5

Benzo[g]isochinolin

1 8a

N a

h 4a

d c

N

2

b

N3

f

N

4

Chinazolin

Benzo[f]chinazolin

Benzo-kondensierte Stickstoff-Sechsring-Heteroaromaten werden manchmal auch als AzaDerivate der kondensierten Aromaten gleicher Geometrie bezeichnet (z. B. 2-Azaanthracen anstelle von Benzo[g]isochinolin).

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33.1

Definition, Nomenklatur, Übersicht

633

Tab. 33.1. Übersicht monocyclischer Heteroaromaten

a) Fünfringe ein Heteroatom

H N1

5 4

O

S

Se

Furan

Thiophen

Selenophen

O

S

2 3

Pyrrol

mehrere Heteroatome

H N1 N2

N

Pyrazol

Isoxazol

Isothiazol

H N1

O

S

N3

N

N

Oxazol

Thiazol

O

S

N

1,2,4-Triazol

1,2,4-Oxadiazol

H N

H N

N N N Tetrazol

N

5

N

1,2,4-Thiadiazol

N

N N Pentazol

1

N

N Selenazol

N

N

4N

6

Se

Imidazol

H N1 N2

b) Sechsringe ein Heteroatom

N

P

O

S

Phosphabenzen

Pyrylium-Ion

Thiapyrylium-Ion

2 3

4

Pyridin

mehrere Heteroatome

1

1

N

1

N

N2

N N3

N 4

Pyridazin (1,2-Diazin)

Pyrimidin (1,3-Diazin)

1

N

Pyrazin (1,4-Diazin)

1

N

N2 N3

N

1

N

N2 3

5N

N3

4

1,2,3-Triazin

1,2,4-Triazin 1

1

N N

1,3,5-Triazin

N2 N3

1,2,3,4-Tetrazin

N 5N

1

N2 N3

N 5N

N2

N 4

1,2,3,5-Tetrazin

1,2,4,5-Tetrazin

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634

33 Heteroaromaten

Tab. 33.2. Übersicht benzo-kondensierter Heteroaromaten

a) Benzo-kondensierte Fünfring-Heteroaromaten ein Heteroatom, ein Benzen-Ring

H N1

7a

O

S

2 3a

4

3

Benzo[b]pyrrol (Indol)

ein Heteroatom, zwei Benzen-Ringe

H N9

8a

Benzo[b]furan (Cumaron)

Benzo[b]thiophen (Thionaphthen)

O

S

Dibenzofuran

Dibenzothiophen

1 2

4b 4a

3

4

Carbazol (Dibenzopyrrol)

zwei Heteroatome, ein Benzen-Ring

7a

4

H N1 N2

3a

O

S N

N

3

Benzo[d]pyrazol (1H-Indazol)

Benzo[d]isoxazol (Indoxazol)

Benzo[d]isothiazol

N O Benzo[c]isoxazol (Anthranil) 7a

H N1

S

O 2

4

3a

N3

b) Benzo-kondensierte Sechsring-Heteroaromaten ein Heteroatom, ein Benzen-Ring

8

5

Benzoxazol

1

8a

4a

N

N

Benzimidazol

Benzothiazol

1

N

O

N2

2

S

3 4

Chinolin

Isochinolin

Benzopyrylium-Ion

Thiabenzopyrylium-Ion 1

ein Heteroatom, zwei Benzen-Ringe

9

9a

10

10a

1

1 g

b 6

5a

N

4a

5

1

N

N5 Benzo[g]chinolin

Benzo[g]isochinolin

1

8a

4a

N

3

5a

N 10a N 5

N

Phthalazin 1

N

Chinazolin

N g

b 6

N

4

10 9a

Phenanthridin (Benzo[c]chinolin)

N

N N

N2

Cinnolin 9

4 4a

4

Acridin (Benzo[b]chinolin, Dibenzo[b,e]pyridin)

zwei Heteroatome

c

N2

g

N

Chinoxalin

N

N

g

g

N

4a 4

Phenazin (Benzo[b]chinoxalin)

Benzo[g]cinnolin

Benzo[g]chinazolin

N Benzo[g]chinoxalin

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33.1

Definition, Nomenklatur, Übersicht

33.1.3

635

Heterokondensierte Heteroaromaten

Für manche mit Heterocyclen kondensierte (heterokondensierte) Heteroaromaten werden Trivialnamen bevorzugt. Pyrido[b]- und [c]pyridine sind z. B. als Naphthyridine, Pyrido[g]chinoline als Phenanthroline bekannt. Auch für einige heterocyclisch kondensierte Heteroaromaten, von denen sich viele Naturstoffe und Pharmaka ableiten, sind eher Trivialnamen als systematische Bezeichnungen in Gebrauch (Tab. 33.3). Tab. 33.3. Übliche Bezeichnungen einiger heterocyclisch kondensierter Heteroaromaten a) Pyrido[b]- und [c]pyridine 1

8

6

N 5

N

8a

7

N

2

N

N

N

N

N

4a

N

N

N

N 4

1,5-

1,6-

1,71,8Naphthyridin

2,6-

2,7-

a) Pyrido[h]chinoline

N 7

4

N N

N

4a

h 6a

N

N

1N 10 10b

N

5 6

1,7-

1,8-

Phenanthrolin

1,9-

1,10-

c) Naturstoff-Grundskelette

7

NH

8

1

7a

N

N

4

6

N

5

4

3

Purin

H N7 N9

9a

1

5

Indolizin

N 5

1

8a

4a

N

2 4

H N

O

Pteridin

Alloxazin

O NH

N

4

N H

3

c-Carbolin

N N3

1

N

4b 4a 4

4H-Chinolizin

8

N

H N9

8a

N

4

3

3H-Pyrrolizin

1N

9

1

8a

Ergolin

H N

N

O NH

N O

Isoalloxazin (Flavin)

Zur systematischen Nomenklatur heterokondensierter Heteroaromaten wird zunächst der Stammheterocyclus ausgewählt und die vom Heteroatom ausgehende, der Kondensationsstelle am nächsten stehende Bindung mit a, die folgenden mit b, c, d usw. markiert. Soll z. B. ein Pyridin-Ring als Stammheterocyclus an den Positionen 2 und 3 kondensiert werden, so handelt es sich um ein "[b]pyridin": 1

N

a b

2

3

Den Verknüpfungspositionen des ankondensierten Ringes werden die geringstmöglichen Ziffern zugeordnet. Soll z. B. ein Pyrrol mit den Kohlenstoff-Atomen C-2 und C-3 an die b-Bindung des Pyridins geknüpft werden, so ergibt sich als Bezeichnung Pyrrolo[2,3-b]pyridin:

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636

33 Heteroaromaten

N b

-b]pyridin

2 3

H N

H N

N

Pyrrolo[2,3-

Pyrrolo[2,3-b]pyridin

Zur Unterscheidung von Konstitutionsisomeren ist die gleichsinnige vom Stammheterocyclus definierte Folge von Buchstaben und Ziffern an der verknüpfenden Bindung wesentlich, z. B.: N

2

H N

N

3

Pyrrolo[2,3-b]pyridin im Gegensatz zu Pyrrolo[3,2-b]pyridin 3

2

N H

Stammheterocyclus ist 1. der größtmögliche benennbare Stickstoff-Heterocyclus, z. B.: a

b

N Benzo[h]chinolin (nicht Pyrido[2,3-a]naphthalen)

h

e

g

2.

c d f

der Heterocyclus mit dem höher bewerteten Heteroatom, wenn kein N vorhanden ist, z. B.: Se

Selenopheno[3,2-b]furan (nicht Furo[3,2-b]selenophen)

2 b

O

3

Die Prioritätenfolge der wichtigsten Heteroatome ist O > S > Se > Te > N > P > As > Si > Ge > Sn. 3.

der Heterocyclus mit der größten Anzahl kondensierter Ringe, z. B.: N 2

N

Pyrazino[2,3-a]phenazin (nicht Chinoxalino[5,6-b]chinoxalin)

a

N 3

N

4.

der Heterocyclus mit dem größten Einzelring, z. B.: N

2

Pyrrolo[2,3-b]pyridin (nicht Pyrido[2,3-b]pyrrol)

H N

b 3

5.

der Heterocyclus mit der größten Anzahl von Heteroatomen, z. B.: Pyrido[2,3-d]pyrimidin (nicht Pyrimido[4,5-b]pyridin)

6.

N a

N

d

N

2 3

der Heterocyclus mit der größten Vielfalt von Heteroatomen, z. B.: 1H-Pyrazolo[4,3-d]thiazol (nicht Thiazolo[5,4-c]1H-pyrazol)

S

3

N

H N N

d 4

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33.1

7.

Definition, Nomenklatur, Übersicht

637

der Heterocyclus mit der größten Anzahl der höher bewerteten Heteroatome, z. B.: O

Thiazolo[4,5-f]benzoxazol (nicht Oxazolo[5,4-f]benzothiazol

N

8.

N

2

N

N

N

3

N

besteht Auswahl zwischen den Regeln 1 bis 8, so gilt 1 vor 2 vor 3 usw., z. B.: 4

N

b

N

S

5

für einige ankondensierte Heterocyclen sind gekürzte Präfixe üblich, wie Furo- (nicht Furano-), Thieno-, Imidazo-, Pyrido-, Pyrimido-, Chino-, Isochino-, z. B.:

Thieno[2,3-d]pyrimidin (nicht Thiopheno...)

S

3

N

2

Pyrido[2,3-c]cinnolin (nicht Pyridino-...)

d

N

3

11.

4

c

Isothiazolo[5,4-b]chinolin (nicht Chino[3,2-d]isothiazol, Regel 1 gilt vor 7)

10.

S

der Heterocyclus, welcher an sich die am geringsten bezifferten Heteroatome enthält, wenn zwei Stammheterocyclen gleicher Größe, Art und Anzahl von Heteroatomen zur Wahl stehen, z. B.: Pyrazino[2,3-c]pyridazin (nicht Pyridazino[3,4-b]pyrazin)

9.

5

f

N c

2

N

N

verknüpfende Heteroatome werden beiden Einzelringen zugeordnet, z. B.: 2 N N

N

Pyrazolo[2,3-c]pyrimidin

c

3

12.

Bezifferung a) Heteroatomen wird die geringstmögliche Ziffer unter Beachtung der Prioritätenfolge (Regel 2) zugeordnet, z. B.: Thieno[3,2-d]oxazol

6S

O1

4

N3

5

2

b) verknüpfenden C-Atomen wird die kleinere Nachbarziffer unter Zusatz des Buchstabens "a" zugeordnet; dabei ist die durch die Priorität der Heteroatome definierte Bezifferungsfolge maßgebend, z. B.: 6

S

Thieno[3,2-d]oxazol

6a

O1

5

2 3a

4

, nicht

6

S

1a

O1

4

3a

N3

5

N3

2

c) verknüpfende Heteroatome werden durchgehend und ohne "a" beziffert, z. B.: 5

Imidazo[1,2-c]pyrimidin

6N

4

N

7 8

8a

4

3 2

N1

, nicht

5N

3a

N

6 7

7a

3 2

N1

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638

33 Heteroaromaten

d) NH-Wasserstoff-Atomen des Pyrrols, Pyrazols oder Imidazols wird die geringstmögliche Ziffer zugeordnet, z. B.: C6H 5

H N1 N

1H-Pyrazolo[4,3-b]pyridin

N

1-Phenyl1H-pyrazolo[4,3-b]pyridin

N N

N

e) bei dreifacher Kondensation wird die zusätzliche verknüpfende Bindung gestrichen beziffert, z. B.: N

N

a

2

Furo[2,3-b]chinolin

b

Chinolin

N

O 5

3

c

O

Pyrido[4´,3´:4,5]furo2,3-b]chinolin

5 3´ 4´ 4

4

2´

N 1´

33.2 Tautomerie der Heteroaromaten 33.2.1

Tautomerie ohne Beteiligung von Substituenten

Für Pyrazol und Imidazol sind identische NH-Tautomere formulierbar, während CH2-Formen nur als substituierte tautomerieunfähige Derivate bekannt sind: Pyrazol

H N

Imidazol

N N

NH

H N

N NH

N 1H-Tautomer

2H-Tautomer

N

1H-Tautomer

identisch

3H-Tautomer

CH3

N

CH2 N

N

2H-Tautomer (unbekannt)

CH3

2,2-Dimethyl2H-imidazol (bekannt)

identisch

Die Triazole sowie das Tetrazol existieren in physikalisch nachweisbaren Tautomerie-Gleichgewichten. 1,2,3-Triazol liegt bevorzugt in der 2H-Form vor; dagegen überwiegt im 1,2,4-Isomeren sowie im Tetrazol die 1H-Form: 1,2,3-Tri azol

H N

N N N

1H-

33.2.2

1,2,4-Tri azol

NH N

2H-Tautomer

H N

N N

N 1H-

Tetrazol

N

HN 4H-Tautomer

H N

N N N 1H-

N

NH N N 2H-Tautomer

Tautomerie unter Beteiligung von Substituenten

Fünfring-Heteroaromaten Bei Fünfring-Heteroaromaten mit einem Heteroatom kann für Substituenten des Typs /XH (X = O, S, NH, NR) die Oxo-Enol-, Thioketo-Thioenol- und Imin-Enamin-Tautomerie auftreten: CH2

CH

C O

C OH

Oxo-

Enol-

CH2

CH

CH2

C S

C SH

C NR

Thioketo-

Enthiol-

Imino-

CH C NHR EnaminoTautomer

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33.2

Tautomerie der Heteroaromaten

639

Dementsprechend sind für in 2-Stellung durch XH substituierte Furane (Y = O), Thiophene (Y = S) und Pyrrole (Y = NR) drei, für 3-substituierte Derivate dagegen zwei Tautomere formulierbar: Y

Y

XH

H

1

H

X

H

Y

Y

X

H

Y

X

2

3

H H X

4

5

Obwohl Enol-, Thioenol- und Enamin-Form die Aromatizität des Furans, Thiophens und Pyrrols erhalten, existieren viele XH-substituierte Fünfring-Heteroaromaten in den Carbonyl- oder Heterocarbonyl-Formen. So liegt 2-Hydroxyfuran (X = Y = O) in Naturstoffen als Lacton 2 und 3 vor. 2Hydroxythiophene und 2-Hydroxypyrrole wurden als Oxo-Formen identifiziert. Ebenso existieren 2- und 3-Hydroxyindole aufgrund ihrer Spektren als Oxo-Formen. Das Phenol-Tautomer kann jedoch wie im 2-Acetyl-3-hydroxyindol durch eine intramolekulare H-Brücke stabilisiert werden: H

H

H

N

N

N

CH3

O O O H 2-Acetyl-3-hydroxyindol

O 2-Hydroxyindol (Oxindol)

3-Hydroxyindol (Indoxyl)

Während Thiophen-2- und 3-thiole aufgrund ihrer NMR-Spektren heteroaromatische Thiophenole sind, kann 3-Aminofuran als Enamin und Imin reagieren: O

O

NH2

H H NH

Zusätzliche Stickstoff-Atome im Ring können sich an der Tautomerie beteiligen. So ist in 5-Oxo4,5-dihydropyrazolen (5-Pyrazolonen) bei der 1,3-Dicarbonyl-analogen Oxo-Enol-Tautomerie (CH- und OH-Form) zusätzlich eine NH- oder Enon-Form möglich:

O H

H

R1

R1

N

N

N R2

CH(Oxo-)

HO

R1 N R2

H OH(Enol-)

N

O H

NH R2

NH-Tautomer (Enon-Form)

Dieses Tautomerie-Gleichgewicht ist durch NMR nachweisbar (Abb. 33.1). Seine Lage hängt vom Lösemittel ab. In Chloroform überwiegt beim 3-Methyl-1-phenyl-Derivat (R1 = C6H5, R2 = CH3) die CH-Form. In Dimethylsulfoxid dominiert die OH-, in Wasser dagegen die NH-Form.

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640

33 Heteroaromaten

13

Abb. 33.1. Protonen-breitbandentkoppelte C-NMR-Spektren (20 MHz) des 3-Methyl-5-oxo-1-phenyl-4,5dihydropyrazols. In Hexadeuteriodimethylsulfoxid (Spektrum a) liegen etwa 90 % OH- und 10 % CH-Form vor. In Deuteriochloroform (Spektrum b) ist nur die CH-Form erkennbar

Sechsring-Heteroaromaten Ersetzt ein Stickstoff- das C-Atom in c-Position eines Enols, so ergibt sich formal ein Lactim ("Azaenol"), wie es z. B. im 2-Hydroxypyridin vorliegt: H C

H C

Enol-

OH

H

H C

C

Oxo-

O

N

C

OH

Azaenol-

N

H C

O

OH

2-Hydroxypyridin (Lactim)

C

O

Amid-Tautomer (Amid-Mesomerie)

H N

N

N

H O

N

O

1,2-Dihydro-2-oxo-pyridin (2-Pyridon, Lactam, dominant)

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33.2

Tautomerie der Heteroaromaten

641

Im Infrarotspektrum des 2-Hydroxypyridins spricht eine Carbonyl-Bande bei 1680 cm/1 für die Oxo-analoge Amid-Form. Das Amid-Tautomer ist mesomeriestabilisiert. Die Amid-Resonanz konserviert das r-Elektronensextett und damit die Aromatizität des 2-Hydroxypyridins. Auch 4Hydroxypyridin liegt aufgrund seines IR-Spektrums (pCO 1630 cm/1) als vinyloges mesomeriestabilisiertes Amid vor: H

H

N

N

N

OH

O

O

4-Hydroxypyridin

Die größere Stabilität der Amid-Form des 2-Hydroxypyridins im Vergleich zur gekreuzt konjugierten vinylogen Amid-Form des 4-Hydroxypyridins zeigt sich daran, daß 2,4-Dihydroxypyridin als 4-Hydroxy-2-pyridon existiert. Letzteres ist zugleich der ausgedehntere Chromophor: H OH

N

H O

N

2,4-Dihydroxypyridin

OH

N nicht

OH

O

OH

Die Oxo-Formen des 3-Hydroxypyridins sind keine mesomeriefähigen Amide. Im IR-Spektrum fehlt die Carbonyl-Absorption. Daher liegt 3-Hydroxypyridin als Phenol vor, wobei es Hinweise auf eine zwitterionische Form gibt. H N

N O

N O

N O

N OH

O

3-Hydroxypyridin

Zusätzliche Stickstoff-Atome im Ring erhöhen die Anzahl der Tautomeren wie im Falle des 4Hydroxypyrimidins. Dessen Spektren sprechen für das Amid-Tautomer a. Offenbar ist der ausgedehntere Chromophor des Lactams a stabiler als das gekreuzt konjugierte vinyloge Lactam b: H N

N 4-Hydroxypyrimidin

N NH

N

N

O a

OH

O b

Im stabilsten Tautomer ist demnach erstrangig die Amid-Resonanz und zweitrangig die längstmögliche Konjugation realisiert. Entsprechend kann man die dominanten Tautomeren des 2-Hydroxypyrimidins, Uracils, der Barbitur- und Cyanursäure vorhersagen: O N N H

O NH

NH O

2-Hydroxypyrimidin

N H Uracil

O

O

O

N H

O

Barbitursäure

HN O

NH N H

O

Cyanursäure

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642

33 Heteroaromaten

Das Konzept ist auch auf benzo- und heterocyclisch kondensierte Pyrimidine übertragbar, z. B.: O NH N H

O

O N

O

N

2,4-Dihydroxychinazolin (Bislactam-Tautomer)

HN

NH N H

O N

O

O

N H

N H

2,4-Dihydroxypteridin (Bislactam-Tautomer)

HN O

Xanthin

H N O

N H

N H

Harnsäure

In Analogie zu den Hydroxypyrimidinen und Pyrimidinen liegen Pyridin-2-thiol und Pyrimidin-2thiol als Thioamide (Thioxo-Tautomere) vor, während Pyridin-3-thiol ein heterocyclisches Thiophenol ist: H N

H N

S

S

N

N 2-Thioxo-1,2-dihydropyridin

SH

2-Thioxo-1,2-dihydropyrimidin

Pyridin-3-thiol

Die Amine des Pyridins und Pyrimidins bilden keine Imino-Tautomere (Amidine). So zeigt das IR-Spektrum des 2-Aminopyridins die symmetrische und asymmetrische NH-Valenzschwingung (pas 3450 cm/1, psym 3300 cm/1), wie es zur primären Amino-Gruppe paßt. Entsprechendes gilt für Aminopyrimidine und Triazine: N

N

NH 2

H2N

NH 2 N

N

NH 2 2,4-Diaminopyrimidin

2-Aminopyridin

NH 2

N N

NH2 Triamino-1,3,5-triazin (Melamin)

Ein hoher Anteil der Imino-Form konnte dagegen im Benzensulfonamid des 2-Aminopyridins nachgewiesen werden. Offenbar stabilisiert die Phenylsulfonyl-Gruppe das Imin durch Konjugation: N

H N

O NH S

O N

O

S O

2-(Phenylsulfonylamino)pyridin

33.3 Aromatizität und Struktur von Fünfring-Heteroaromaten 33.3.1

-Elektronendichte-Verteilung

Furan, Pyrrol und Thiophen (Tab. 33.1) sind formale Analoga des Cyclopentadienid-Anions, wobei ein Heteroatom (X = O, NH, S) an die Stelle eines carbanionischen Ring-C-Atoms tritt. Das nichtbindende Elektronenpaar des Heteroatoms ist dann Teil des r-Elektronensextetts, welches

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33.3

Aromatizität und Struktur von Fünfring-Heteroaromaten

643

sich wie im Cyclopentadienid-Anion (Abschn. 30.3.2) im Sinne der folgenden mesomeren Grenzformeln auf fünf Ring-Atome verteilt: _X

X

X

/

\

X

X

X oder

\

6r

/

Auf Kosten des Heteroatoms erhöht sich die r-Elektronendichte an den Ring-C-Atomen. Aus diesem Grund bezeichnet man Furan und seine Heteroanalogen auch als r-ElektronenüberschußHeteroaromaten. In Einklang damit ergeben Molekülorbital-Berechnungen für die Ring-C-Atome des Pyrrols eine erhöhte (negative) r-Ladungsdichte (qr"< 0) im Vergleich zu Benzen (qr = 0): + 0.32

o = 1.84 D

H N

/ 0.1

Pyrrol

/ 0.06

Dipolmoment

H N

/ 0.1 / 0.06

r-Ladungsdichte-Verteilung ( Bezug : Benzen mit qr = 0 )

Dementsprechend zeigen die Protonen und Kohlenstoff-Kerne des Pyrrols im 1H- und 13C-NMRSpektrum trotz des elektronegativen Ring-Stickstoffs kleinere Verschiebungswerte als in Benzen (Tab. 33.4, S. 644). Ferner weist der Dipolmoment-Vektor des Pyrrols vom Stickstoff zum Ring.

33.3.2

Molekülorbital-Modelle

Im Molekülorbital-Modell des Furans und Pyrrols entstehen die vom Heteroatom ausgehenden uBindungen durch sp2-Hybridorbital-Überlappung. Ein doppelt besetztes unhybridisiertes p-Orbital des Heteroatoms überlappt seitlich mit den koaxialen einfach besetzten p-Orbitalen der vier RingC-Atome, so daß sich sechs r-Elektronen auf fünf überlappende Orbitale verteilen:

Überlappung der p-Orbitale in Furan und Pyrrol

X

Im Molekülorbital-Modell des Thiophens können auch 3d-Orbitale des Schwefels an der Hybridisierung teilnehmen: Zwei von drei pd2-Hybridorbitalen des Schwefels überlappen mit den vier einfach besetzten r-Orbitalen der Ring-C-Atome. Dann verteilen sich wie im Benzen sechs rElektronen auf sechs überlappende Orbitale. Die Benzen-Analogie des r-Elektronensextetts wird u. a. durch die auffallend benzenähnlichen 1H- und 13C-Verschiebungen des Thiophens (Tab. 33.4) unterstrichen. In der Valenzstrichschreibweise bringt man dies durch eine zusätzliche Grenzformel mit vierbindigem Schwefel zum Ausdruck: S

S \

\

/

S

S

S

S

/

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644

33 Heteroaromaten

33.3.3

Bindungsausgleich und Mesomerieenergie

Im Vergleich zu den Tetrahydro-Derivaten haben Furan, Pyrrol und Thiophen kleinere C/XBindungsabstände (Tab. 33.4). Die Kohlenstoff-Heteroatom-Bindung hat also partiellen rCharakter, wie er in den mesomeren Grenzformeln zum Ausdruck kommt. Auch die C/CBindungslängen (Tab. 33.4) sind ähnlich und liegen wie im Benzen zwischen Doppel- und Einfachbindung. Das Verhältnis der Atomabstände, C-2/C-3 : C-3/C-4, nimmt parallel zur Mesomerieenergie in der Folge Thiophen > Pyrrol > Furan zu (Tab. 33.4). Weitestgehender Bindungsausgleich und höchste Mesomerieenergie weisen wiederum Thiophen als benzenähnlichsten Fünfring-Heteroaromaten aus. Das weniger aromatische Verhalten von Pyrrol und Furan ergibt sich auch als Folge der im Vergleich zum Schwefel elektronegativeren Heteroatome: Stickstoff und insbesondere Sauerstoff lokalisieren das zur Bildung des r-Elektronensextetts notwendige n-Elektronenpaar stärker als Schwefel. Tab. 33.4. Strukturmerkmale und Aromatizitätskriterien der Fünfring-Heteroaromaten A t o m a b s t ä n d e [ pm ] Verbindung

X/C

C-2/C-3

C-3/C-4

Tetrahydrofuran Furan Pyrrolidin Pyrrol Tetrahydrothiophen Thiophen

143 136 147 138 182 171

154 136 154 137 154 137

154 143 154 143 154 142

Benzen

C-2/C-3 : C-3/C-4

Mesomerieenergie [ kJ/mol ]

0.951

7.42

6.37

142.7 109.6

71

0.958

6.68

6.22

116.5 106.5

92

0.964

7.30

7.10

124.4 126.2

126

128.5

151

1.000

139

chemische Verschiebung fH fC 2-H 3-H C-2 C-3

7.28

33.4 Aromatizität und Struktur von Sechsring-Heteroaromaten 33.4.1

-Elektronendichte-Verteilung, Mesomerie und Bindungsausgleich

Pyridin und die Azine (Tab. 33.1) leiten sich vom Benzen ab, wobei trivalente Stickstoff-Atome die Ring-Kohlenstoffe ersetzen. Das r-Elektronensextett des Benzens sollte demnach erhalten bleiben. Der elektronegative Stickstoff stört jedoch die Gleichverteilung der r-Elektronen, indem er in c- und i-Stellung positiv polarisiert, wie es die mesomeren Grenzformeln beschreiben: _ N

_ N

_ N _

_ N _

_ N _

Im Gegensatz zu Pyrrol ist Pyridin demnach ein r-Elektronenmangel-Heteroaromat. Dementsprechend ergeben Molekülorbital-Berechnungen für die Ring-C-Atome C-2,6 und C-4 eine zugunsten

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33.4

Aromatizität und Struktur von Sechsring-Heteroaromaten

645

des Stickstoff verminderte r-Ladungsdichte. Diese erklärt ein zum Stickstoff gerichtetes Dipolmoment sowie erhöhte chemische Verschiebungswerte der Ring-C-Atome C-2,6 und C-4 bzw. der mit ihnen verknüpften H-Atome in den 13C- und 1H-NMR-Spektren. Der induktive Effekt des Stickstoffs verstärkt die positive Polarisierung in c-Stellung. / 0.50

N

N

+ 0.15

N o = 2.2 D

+ 0.05

N

149.6 124.2

+ 0.10

H 7.0

136.2

r-Ladungsdichte-Verteilung

H 8.6

H 7.6 fC fH chemische Verschiebungen

Dipolmoment

Die aus den Hydrierwärmen zugänglichen Mesomerieenergien des Pyridins und der Azine sind im Vergleich zu Benzen (151 kJ / Mol) geringer: N

N

N N

FH res = 133

N 100 kJ / mol

110

Für einen benzenanalogen Bindungsausgleich im Pyridin spricht dennoch, daß der C/NAtomabstand mit 134 pm zwischen CN-Doppel- (128 pm) und CN-Einfachbindung (147 pm) liegt, und alle CC-Bindungen des Ringes den vom Benzen bekannten Wert (139 pm) aufweisen.

33.4.2

Molekülorbital-Modell des Pyridins

Im Molekülorbital-Modell des Pyridins entstehen die vom Stickstoff ausgehenden u-Bindungen durch sp2-Hybridorbital-Überlappung. Das dritte sp2-Hybridorbital des Stickstoffs wird von dessen nicht bindendem Elektronenpaar besetzt. Das p-Orbital des sp2-hybridisierten Pyridin-NAtoms überlappt seitlich und cyclisch fortlaufend mit den fünf koaxialen p-Orbitalen der Ring-CAtome, so daß sich wie im Benzen sechs r-Elektronen auf drei bindende Molekülorbitale verteilen (Abschn. 9.3, 9.4).

33.4.3

Sechsring-Heterocyclen mit zweibindigen Heteroatomen

Zweibindige Elemente der sechsten Gruppe des Periodensystems (X = O, S) können in den benzoiden Sechsring eingebaut werden, wenn sie eines ihrer n-Elektronenpaare zum r-Elektronensextett beisteuern und dadurch eine positive Ladung übernehmen. Beispiele hierzu sind Pyryliumund Thiapyrylium-Ionen sowie c- und i-Pyrone bzw. Thiapyrone, deren Carbonyl-Gruppe eher Phenol- als Carbonyl-Funktion hat: X

X

X

O

X

O

X

O X = O : Pyrylium-Ion X = S : Thiapyrylium-Ion

X = O : c-Pyron X = S : c-Thiapyron

X

O X = O : i-Pyron X = S : i-Thiapyron

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646

33 Heteroaromaten

Da Schwefel unter Beteiligung seiner d-Orbitale tetravalent wird, sind Thiabenzen-Derivate denkbar. Die Spektren der S-Methyl-Verbindung sprechen jedoch für das Vorliegen des Ylid-Zustands mit dreibindigem Schwefel: CH3

CH 3

CH 3

CH3

CH3

S

S

S

S

S

H 5C6

C6H 5

H5C 6

C6H 5

H 5C6

C 6H5

H 5C6

C 6H5

H 5C6

C 6H5

33.5 Synthese monocyclischer Fünfring-Heteroaromaten 33.5.1

Allgemeine Methoden

Heterocyclisierung von 1,4-Dicarbonyl-Verbindungen 1,4-Dicarbonyl-Verbindungen cyclokondensieren unter Säurekatalyse zu Furan-Derivaten (PAALKNORR-Synthese). Zwischenstufen sind wahrscheinlich die Dienole. 2,5-Hexandion (Acetonylaceton, R1 = R4 = CH3; R2 = R3 =H) cyclokondensiert z. B. zu 2,5-Dimethylfuran. R3

R3

R2

R2

R3

[H+] , / H2O

R4

R4

R1

R1

O O

O O H H

Dioxo-Tautomer

Diendiol-Tautomer

R4

R2

O

R1

In Gegenwart von Ammoniak oder primären Aminen entstehen aus 1,4-Dicarbonyl-Verbindungen Pyrrole; mit Tetraphosphorheptasulfid erhält man Thiophene. Das Ringschlußprinzip ist auf cAcylaminoketone übertragbar und öffnet dann den Zugang zu 1,3-Azolen wie Imidazol, Oxazol und Thiazol: N Furan

Oxazol

O

O [H+]

P4S7

R

[H+]

N

R NH2

S

O O

N R

H

Thiophen

1,4-Dicarbonyl-Verbindung

Pyrrol

Imidazol

N

NH3

R

NH

N

P4 S10

R O O

S

c-Acylaminoketon

Thiazol

R

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33.5

Synthese monocyclischer Fünfring-Heteroaromaten

647

Heterocyclisierung von 1,3-Dicarbonyl-Verbindungen 1,2-Azole wie Pyrazole und Isoxazole entstehen mit guten Ausbeuten aus 1,3-Diketonen über deren Enol-Form (Abschn. 20.12) und Hydrazinen bzw. Hydroxylamin: R1 R2

O O R1

R1 + R3 NH NH2

R2

N

N

R2

/ 2 H2O

R3

R1 + HO NH2

O

R2

/ 2 H2O

OH

O

N

R3 = H, Alky l, Ary l

Pyrazol

Isoxazol

Diesem Ringschlußprinzip folgt auch die Synthese von 5-Oxo-4,5-dihydropyrazolen (5-Pyrazolonen) aus d-Oxoestern (19.5.1) und Hydrazinen, z. B.: CH3 O

O OC2H 5

CH 3 +

/ C2 H5 OH , / H2 O

NH 2

HN

O

C 6H5 Acetessigsäureethylester

N

N

C6H 5 3-Methyl-5-oxo-1-phenyl4,5-dihydropyrazol

Phenylhydrazin

Heterocyclisierung von 1,2-Dicarbonyl-Verbindungen Edukte der Thiophen-Synthese nach HINSBERG sind 1,2-Diketone (Abschn. 20.6.2) und 3-Thiaglutarsäurediester: R1

R2 R1

O R3O2C H2C

+ S

R2

(Base) , / 2 H2O

O

R 3O2C

CH 2 CO2R 3

CO2R 3

S

Thiophen-2,5-dicarbonsäurediester

Die Cyclokondensation von 1,2-Dicarbonyl-Verbindungen mit Ammoniak und Aldehyden ergibt Imidazole (RADZISZEWSKI-Synthese): R1

R1

O

H +

R2

O

2 NH 3

+

O R3

/ 3 H2O

N R2

N H

R3

Diesem Ringschlußprinzip folgt die erstmalige Synthese des unsubstituierten Imidazols (Glyoxalin, R1 = R2 = R3 = H) aus Glyoxal, Ammoniak und Formaldehyd.

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648

33 Heteroaromaten

Heterocyclisierung von Acyloinen Anstelle der 1,2-Diketone cyclokondensieren nach BREDERECK auch c-Hydroxyketone (Acyloine) mit Formamid in guten Ausbeuten zu Imidazolen. Folgende Schritte führen zum Ringschluß: R1 R2

O

R1

N

OH

R2

N H

H O + H

/ HCO2H

C NH2

CHO

CHO

NH R1

OH

R2

OH

/ H2O

H

O

CHO

R1

NH

R1

NH

R2

OH

R2

O

+ H

R1

NH2

CHO

CHO

H

C

NH

R2

/ H2O

OH

R1

NH

R2

NH CHO

NH CHO

H

Die Cyclokondensation O-acylierter Acyloine mit Ammoniak aus Ammoniumacetat ist ein ergiebiger Weg zu Oxazol-Derivaten: R1

R1

C OO C

R2 H

C O

/

N

+ NH3 (CH3CO2 NH4+ , CH3CO2H)

R3

R2

/ 2 H2O

O

R3

Heterocyclisierung von -Halogenketonen Die Furan-Synthese nach FEIST-BENARY aus c-Halogenketon und 1,3-Dicarbonyl-Verbindung verläuft über ein Aldol-Addukt, das unter Chlorwasserstoff- und Wasser-Abspaltung cyclisiert: R1

H

O +

R2

H

Cl

H O

HO R1

COR3

R2

R4

COR3 H

COR3

R2

R4

COR3

R1

/ H2O , /"HCl

R2

R4

Cl O

H

HO R1

H Cl HO

O

R4

Aldol-Addukt

Bei der Pyrrol-Synthese nach HANTZSCH wird der aus d-Oxoester und Ammoniak entstehende dEnaminoester durch das c-Halogenketon C-alkyliert. Das intermediäre Enaminoketon cyclokondensiert zum Pyrrol: R1

H

H

Cl

CO2R3

+ R2

O

H2N

/ Cl

R4

/

R1 H R2

H CO R3 2

O H2N

R4

-

/ [H _

R1 H R2

O H2N

CO2R3 R4

/ H 2O

CO2R3

R1 R2

N H

R4

- NH3 , /"H2O

H H O

CO2R3 R4

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33.5

Synthese monocyclischer Fünfring-Heteroaromaten

649

Mit Amiden, Thioamiden und Amidinen cyclisieren c-Halogenketone zu Oxazolen, Thiazolen und Imidazolen. H2N

+

R2 N R1

H2N C

R3

R2

S

Cl

C

R3

N

/ HCl, / H2O

R1

subst. Thiazol

R2

O

/ HCl, / H2O

R3

S

+

H

O

R1

O

R3

subst. Oxazol

H2N / HCl, / H2O

+

R3

C HN

R2 N R1

R4

N H

subst. Imidazol

Heterocyclisierung von Acetylendicarbonsäurediestern Furan, Pyrrol und Thiophen entstehen durch MICHAEL-Addition von c-Hydroxy-, c-Amino- und c-Mercaptocarbonyl-Verbindungen an Acetylendicarbonsäurediester und anschließende Cyclokondensation: R1

CO2R 3

O

O H

R1

+ R2

H

R1

CO2R3

OH CO R 3 2

R2

XH

R2

CO2R 3

X H

H

R3

CO2

X

R1

CO2R3

/ H2O

CO2R 3

R2

X

CO2R3

X = O , NH , S

1,3-Dipolare Cycloadditionen Die 1,3-dipolare Cycloaddition ist eine allgemeine Methode zur Herstellung von Azolen aus Alkinen oder Nitrilen als Dipolarophile und Nitriloxiden, Diazoalkanen sowie Aziden als 1,3Dipole. Passende Cycloadditionspartner ergeben sich aus dem gewünschten Heterocyclus, z. B.: Alkinon

R1

C C COR2

R1

COR2

+ O

Nitriloxid

Alkinon

R1

N

4-Acyl-3,5-dialkylisoxazol

C

O R3

C C COR2

R3

N

R1

COR2

R1

COR 2

+ Diazoalkan

R3

CH

N

R3

N

H

N

N

R3

N

NH

5-Acyl-3,4dialkylpyrazol

Alkin

R1

C C

R2

R1

R2

+ Azid

R3 Nitril

N

R1

N

1,4,5-Trialkyl-1,2,3-triazol

N

C N +

Azid

R2

N

N

N

R2 N N N R1 N R2 N N N

1,5-Dialkyltetrazol

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650

33 Heteroaromaten

33.5.2

Spezielle Methoden

Furan-Derivate Furan-2-aldehyd (Furfural) entsteht in technischem Maßstab durch säurekatalysierte Dehydratisierung aus Pentosen, z. B. bei der Destillation von Kleie (lat.: furfur) mit verdünnter Schwefelsäure. Furan selbst wird technisch durch thermische Decarbonylierung des Aldehyds gewonnen. Es entsteht auch bei der Decarboxylierung der Furan-2-carbonsäure (Brenzschleimsäure). ZnO , Cr 2O3 , 400 °C , / CO

HO

OH O

HO HO

[H+] , / 3 H2O

H

/ CO2

+ 1/2 O2

O

H

O

CO2H

O

O

Pentose (aus Kleie)

Furan-2-aldehyd

Furan-2-carbonsäure

Pyrrol-Derivate Technisch wird Pyrrol durch Erhitzen von 2-Butin-1,4-diol mit Ammoniak unter Druck oder aus Furan und Ammoniak hergestellt: HO CH2 C C CH2 OH +

/ H2O

NH3

/ H2O

N H

O

+ NH 3

Das Prinzip der vielseitig anwendbaren Pyrrol-Synthese nach KNORR ist die Cyclokondensation von d-Oxoestern mit c-Aminocarbonyl-Verbindungen. Letztere bilden sich aus den d-Oxoestern durch Nitrosierung der c-Methylen-Gruppe und nachfolgende Reduktion der Isonitroso-Funktion. R1

R1 O

R2O2C

CH2

+ HNO2 / H2O

O R2O2C Zn , CH3CO2H

N

OH /

+

+ 4 [H ] , + 4 e0 .""/"H2O

O H R 2O2C

R1

CO2R2

R1

NH 2

+

H2C O

/ 2 H2O

R1

CO2R 2

R1

CO2R2

H R 2O2C

N

R1

R2O2C

N H

R1

3,5-Dialkoxycarbonyl2,4-dialkylpyrrol

Aus Acetessigsäureethylester (R1 = CH3, R2 = C2H5) kann man auf diese Weise 3,5-Diethoxycarbonyl-2,4-dimethylpyrrol herstellen, dessen Ester-Verseifung und Decarboxylierung 2,4-Dimethylpyrrol ergibt. Thiophen-Derivate Thiophen wird in technischem Maßstab aus Butan und Schwefel in der Dampfphase hergestellt: 500 - 600 °C

H3C CH2 CH 2 CH 3

+

4S

/ 3 H2S

S

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33.5

Synthese monocyclischer Fünfring-Heteroaromaten

651

2,5-Dialkyl-Derivate entstehen durch Addition von Schwefelwasserstoff an 1,3-Diine in alkalischem Medium: OH

R 1 C C C C R2

+

/

H2S

R1

R2

S

Pyrazole, Isoxazole und Isothiazole aus -Aminocrotonsäurenitril d-Aminocrotonsäurenitril, das durch basenkatalysierte aldolanaloge Dimerisierung von Acetonitril hergestellt wird, H H3C C N

+

H 3C

H CH2 C N

C

H3C

CH2 C N

NH

C

C

CN

NH2 d-Aminocrotonsäurenitril (3-Amino-2-butennitril)

heterocyclisiert mit Hydrazinen nach MICHAEL-Addition und Ammoniak-Abspaltung zu 5-Aminopyrazol-Derivaten: CH 3 H

CH3 C

+

C

C

H 2N NH R

H 2N

NH2

R = H , Alkyl , Phenyl

N CH 3 C

R

CH 3

C C

NH HN

N

N

HN

HN

N

R

R

N

CH3

/ NH3

C NH2 N

N

N

R

Die entsprechende Reaktion mit Hydroxylamin führt zu 5-Amino-3-methylisoxazol: CH 3 H

CH3 C

C

+

C

H 2N OH

/ NH3

H 2N

NH2

O

N

N

5-Amino-3-methylisothiazol erhält man durch oxidativen Ringschluß des d-Aminocrotonsäurenitrils mit Schwefelwasserstoff: H

CH3 C

C N

H +

C NH2

H 2S

CH 3

H

C C H2N

C

C C NH 2

S

CH 3

H2N

C

NH

CH 3

- H2O2 / 2 H2O

H 2N

S

N

SH

d-Aminocrotonsäurethioamid (3-Amino-2-butensäurethioamid)

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652

33 Heteroaromaten

1,2,4-Triazole und Tetrazole aus Aminoguanidin 3-Amino-1,2,4-triazol, ein Herbizid, wird durch Erhitzen von Aminoguanidin (Abschn. 25.7.3) mit Ameisensäure in Gegenwart von Alkalihydroxid hergestellt: HN

C HN

NH 2

O +

/ H2O

C H

C HN

HO

NH 2

HN

NH2 O

( OH +

C

/ H2O

N H

/

H

Formylaminoguanidin

H2N

N N N H

3-Amino-1,2,4-triazol

5-Aminotetrazol entsteht durch Diazotierung des Aminoguanidins und oxidativen Ringschluß: NH H 2N

C

N N

+ HNO2

N H

NH 2

/ 2 H2O

N

H 2N

N H

N N

+ HNO2 / 2 H2O

N N

+ C2H5OH

N

N2

N

/ CH3/CHO / N2

N

N H

5-Aminotetrazol

Die weitere Diazotierung des 5-Aminotetrazols führt zum Diazonium-Zwitterion, das durch Ethanol zum Tetrazol reduziert wird.

33.6 Synthese benzo-kondensierter Fünfring-Heteroaromaten 33.6.1

Benzo[b]furan (Cumaron)

Benzo[b]furane (Cumarone) werden durch Ringverengung der Cumarine hergestellt. Teilschritte dieser Synthese sind Brom-Addition, Dehydrobromierung, Lacton-Ringspaltung, Cyclodehydrohalogenierung und Decarboxylierung der zunächst entstandenen Cumarilsäure (2-Carboxybenzo[b]furan): R

subst. Cumarin

O

subst. Cumaron

R O

O

/ CO2

+ Br 2

Br Br R O

O

(KOH, Kälte) / HBr

Br R

(KOH , F) + H2O

CO2H R

O

O

Br OH

(KOH) / HBr

CO2H

R O

subst. Cumarilsäure

Ein bequemerer Weg zum Cumaron ist die intramolekulare Cyclokondensation von 2-Acylphenoxyessigsäureestern: R1

R1 O

OH

/

(Base)

+

Cl

CH2 CO2R 2

/ HCl

O

O CH2 CO2R 2

R1

( OR ") / H2O

CO2R2 O

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33.6

Synthese benzo-kondensierter Fünfring-Heteroaromaten

33.6.2

653

Benzo[b]thiophen (Thionaphthen)

Das naphthalenähnliche Benzo[b]thiophen (Thionaphthen) wird technisch durch katalysierte Cyclodehydrierung von Styren und Schwefelwasserstoff hergestellt. Im Labormaßstab entsteht es durch oxidative Heterocyclisierung von 2-Mercaptozimtsäure: / CO2

600 °C , Fe2S3 / Al2O3

+ H 2S

33.6.3

/ 2 H2

CO2H

K3[Fe(CN) 6]

CO2H

/ 2 [H+] , / 2 e0

S

S

/

SH

Benzo[b]pyrrol (Indol)

Die Indol-Synthese nach FISCHER aus Phenylhydrazin und 2-Alkanon verläuft über das Phenylhydrazon, dessen Tautomer 1 durch [3,3]-sigmatrope Verschiebung (Diaza-COPE-Umlagerung) in das 1,4-Diimin 2 übergeht. Das nach Rearomatisierung entstehende d-(o-Aminophenyl)iminoethan 3 cyclisiert zum 2-Amino-2,3-dihydroindol 4. Letzteres eliminiert Ammoniak. Daß der d-Stickstoff des Phenylhydrazins als Ammoniak abgeht, ist erwiesen, weil mit 15Nd-angereichertem Phenylhydrazin (vgl. Stern-Markierung) 15N-freies Indol entsteht. R3

R3 H2C N H

R1 / H2O

C *N

R1

Kat.

R3 H

R2

R2

1

N H

H R3 R2

* NH NH2

* NH NH

*NH R1

2

H R3

R2

R1

R1

3

N H

4

R2 * NH

2

* 3 / NH

Kat. = ZnCl 2 , H2SO4 oder BF3

R3 R3

R1

N H

*NH2 +

substituiertes Phenylhydrazin

H 2C

C

R2

R2 N H

R1

O """""""c-Methylencarbonyl-Verbindung

Indol

Neben dieser vielseitig anwendbaren Methode sind weitere Verfahren bekannt, z. B. die Reduktion von Indoxyl (Abschn. 33.2.2) sowie die Cyclokondensation von N-Formyl-o-toluidin (MADELUNGSynthese): O +

/

/

/

(RO , N2 , 350 °C)

+ 2 [H ] , + 2 e0 ( Zn , OH )

N H Indoxyl

/ H2O

N H

/ H2O

+

CH3 O N H

H 3C

C O

H

O

C O

/ CH3CO2H

H

CH 3 NH 2

N-Formyl-o-toluidin

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654

33 Heteroaromaten

33.6.4

Benzo-1,2-azole (Indazol, Benzoisoxazol, Benzoisothiazol)

Der Indazol-Ring kann auf drei Wegen a - c geschlossen werden: N

N N

N N

N

a

b

c

Auf Weg a entstehen Indazole (Benzopyrazole) durch Heterocyclisierung diazotierter o-Toluidine: CH 3

CH3

+ HNO2 , / 2 H2O

R

/ [H+]

R

N

R

NH 3

N H

N2

Ein Beispiel zum Ringschlußprinzip b ist die intramolekulare Cyclokondensation von 2-Aminophenonoximen: R2

R2 + H2N

O

R1

OH , / H2O

R2 / H2O

N

R1 N H2

NH2

R1

OH

N N H

Weg c wird bei der intramolekularen nucleophilen Substitution von 2-Chlorphenonhydrazonen realisiert, besonders wenn (/)-M-Substituenten in o- oder p-Stellung zum Halogen die cyclisierende SN-Reaktion erleichtern: R

R O2N

+

O

O2N

/ H2O

H2N

HN Cl C 6H5

HN

Cl

R (Base)

N

C6H 5

O2N N

/ HCl

N C6H 5 3-Alkyl-5-nitro1-phenylindazol

Benzoisoxazole entstehen entsprechend aus 2-Bromphenonoximen in Gegenwart einer Base, R

Br

R N

(KOH)

OH

/ HBr

N O

und nach Weg b verläuft die Synthese von Benzoisothiazolen aus 2-Acylphenylsulfenylbromid und Ammoniak: R O2N

R O

S

Br

+ NH3 , / H2 O

O2N

R NH

S

Br

+ NH3 , / NH4 Br

O2N N S 3-Alkyl-5-nitrobenzoisothiazol

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33.6

Synthese benzo-kondensierter Fünfring-Heteroaromaten

33.6.5

655

Benzo-1,3-azole (Benzimidazol, Benzoxazol, Benzothiazol)

Benzimidazol-Derivate werden in technischem Maßstab durch Kondensation von o-Phenylendiamin mit wasserfreien Carbonsäuren hergestellt: NH 2

HO +

R1

H N

/ 2 H2O

C R2

NH 2

R1

R2 N

O

Das einfache Verfahren ermöglicht auch die Synthese von Benzoxazolen und Benzothiazolen: NH 2

O +

R1 XH

R1

R2 X

Y Y = OR , Cl ; R2 = H , Alkyl , Aryl

X=O,S

33.6.6

N

/ H2O , / HY

C R2

X = O : subst. Benzoxazol X = S : subst. Benzothiazol

Benzotriazol

Benzotriazole als cyclische Triazene (Abschn. 23.8.2) entstehen durch intramolekulare Cyclisierung diazotierter o-Phenylendiamine: N N

N

NH 2

NH 2

/ [H+]

N

N N N H 1H-Benzotriazol

2-Phenyl-2H-benzotriazol bildet sich bei der Reduktion von 2-Nitroazobenzen mit Triethylphosphit, wobei Nitrene (Abschn. 22.4.9) als Zwischenstufen diskutiert werden: N

+ 2 P(OC2 H5 ) 3

N

/ 2 O=P(OC2 H5 ) 3

N

N

NO2

N 2-Phenyl-2H-benzotriazol

33.6.7

Carbazol

Carbazol (Dibenzopyrrol) und seine substituierten Derivate werden nach GRAEBE-ULLMANN durch (radikalische) Photodediazotierung von 1-Phenylbenzotriazolen hergestellt. 1-Phenylbenzotriazole sind durch intramolekulare Kupplung von diazotierten o-Aminodiphenylaminen zugänglich. NH 2 R2

R1 NH

+ HNO2 / 2 H2O

hp , / N2

N R1

N N

R1

R2 N H

R2

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656

33 Heteroaromaten

Eine neuere einfache Synthese ist die reduzierende Cyclisierung von 2-Nitrobiphenyl-Derivaten mit Triethylphosphit: + 2 P(OC2H5) 3 / 2 O=P(OC2H5) 3

N H

NO2

33.7 Reaktionen monocyclischer Fünfring-Heteroaromaten 33.7.1

Basizität und Reaktionen am nichtbindenden Elektronenpaar

Pyrrol ist eine sehr schwache Base, weil es bei der Protonierung sein r-Elektronensextett und damit seine Aromatizität verlieren würde: H

H

H N

N 6r

Dementsprechend gering ist der pKa-Wert des Pyrrols (/3.8) im Vergleich zum Pyrrolidin (pKa = 11.27) oder Anilin (4.63), obwohl sich sein r-Elektronenpaar an der Mesomerie beteiligt. NMRMessungen ergeben, daß Pyrrol nicht am Stickstoff, sondern an den Ring-C-Atomen protoniert wird. Die Kationen oligo- und polymerisieren zu roten Harzen. H H N

+

H

sowie

[H ]

H

N

N

H

H

H

Auch Furan wird durch Säuren an den Ring-Kohlenstoff-Atomen protoniert und polymerisiert. Bei der säurekatalysierten Hydrolyse unter sehr milden Bedingungen erhält man Butandial (Succindialdehyd). Thiophen ist dagegen ziemlich säurestabil; nur sehr starke Säuren führen zur Oligomerisation. H H O

+

H3O

O

/ [H+]

+

H2O

H

H O O

Die 1,2- und 1,3-Azole sind wegen des zusätzlichen Ring-Stickstoffs mit seinem n-Elektronenpaar erheblich stärker basisch als Pyrrol. Die schwache Acidität des Imidazols (pKa = 6.95) im Vergleich zu anderen 1,3-Azolen (z. B. Triazol: pKa = 2.44) oder Pyrazol (pKa = 2.50) wird als Folge der cyclischen Amidin-Struktur erklärt. Diese erhöht nicht nur die Nucleophilie des zweiten Ring-

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33.7

Reaktionen monocyclischer Fünfring-Heteroaromaten

657

Stickstoffs im Sinne zwitterionischer Grenzformeln, sondern ermöglicht auch eine optimale Delokalisierung der positiven Ladung im Kation: N

- [H+]

N

NH

NH

6r

oder

N H

N H

N H

NH

N H

N H

N-Alkylpyrrole können nicht erschöpfend alkyliert werden. Dagegen lassen sich N-alkylierte Pyrazole und Imidazole ohne Störung des r-Elektronensextetts quaternisieren. Auch die N-Alkylimmonium-Salze der Sauerstoff- und Schwefel-Analogen wurden hergestellt. R

R

N N

N R

N

N

X

N R

X X=O,S

R

R

Im Gegensatz zu Furan reagiert Thiophen mit Trimethyloxonium-tetrafluorborat ("MEERWEINSalz") zum S-Methylthiophenium-Ion, welches als Hexafluorphosphat isolierbar ist. + (H3C) 3O+BF4

S

/

+ PF6

/ (H3C) 2O , /"BF3

/F

S F CH 3

/

/

S PF 6 CH 3

Als cyclisches Sulfid wird Thiophen durch Persäuren zum Thiophen-1,1-dioxid mit Dien-Eigenschaften oxidiert: Persäure

+

S

[O2 ]

S O

33.7.2

O

Acidität

Pyrrol und seine Aza-Analogen (Pyrazol, Imidazol, Triazole) sind schwache Säuren im Sinne des Gleichgewichts Ka

N

+

[H ]

N

H

Die Acidität des Pyrrols entspricht etwa der des Methanols. Demzufolge reagiert Pyrrol mit Alkalimetallen oder Alkalimetallhydriden zu Salzen (Alkalipyrrolide oder "Pyrrylmetalle"), die durch Wasser in Analogie zu den Alkoholaten hydrolysiert werden: + K (LiH)

N H

/ 1/2 H2 (/ H2)

+ H2O

+

KOH (+ LiOH)

N

N K (Li )

H

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658

33 Heteroaromaten

Mit GRIGNARD-Verbindungen reagiert Pyrrol aufgrund seines "aktiven Wasserstoff-Atoms" zu salzartigen Pyrrylmagnesiumhalogeniden und Alkanen (ZEREWITTINOFF-Reaktion). +

R Mg X

MgBr

+

RH

N

N H

Pyrrylmagnesiumbromid

(/)-M-Substituenten oder ein zweiter Stickstoff in Position 3 des Pyrrols erhöhen dessen NHAcidität, da sie die negative Ladung des Anions delokalisieren. 3-Nitropyrrol und Imidazol sind daher stärker sauer als Pyrrol: O

O N O

NO2

N O N

Ka

N

N

N

N

3-Nitropyrrolid-Anion

H

N

N

Ka

N

N Imidazolid-Anion

H

Die Mesomerie des Pyrrol-Anions gleicht der des Cyclopentadienids (Abschn. 30.3.2): N

N

N

N

N

Sie erklärt die ambidente Reaktivität des Anions, z. B. daß N- und C-Alkylierung konkurrieren. So führt die Alkylierung des 2,3,4,5-Tetramethylpyrrolid-Anions mit Methyliodid nicht zum Pentamethylpyrrol, sondern zum nicht aromatischen 2,2,3,4,5-Pentamethyl-2H-pyrrol: H3C

H3C

CH 3

CH 3

H3C + CH3 I , /"I

+ CH3 Mg Br

H 3C

N H

CH 3

/ CH4 , / Mg 2+, /Br

/

H3C

N

CH3

/

CH3

CH3 H3C

N

CH3 2,2,3,4,5-Pentamethyl2H-pyrrol

Als Stickstoff-Analogon des Cyclopentadienids bildet Pyrrol mit Cyclopentadien und Eisen(II)chlorid in Gegenwart von Kalium das rote Azaferrocen (vgl. Abschn. 30.3.3): + 2 K , + FeCl2

+

Fe

/ 2 KCl , / H2

N H

N Azaferrocen

33.7.3

Dien-Reaktionen

Die Abnahme des aromatischen Verhaltens in der Folge Thiophen > Pyrrol > Furan (Abschn. 33.3.3) erklärt einige typische 1,3-Dien-Eigenschaften des Furans. Seine Reaktion mit Brom in Methanol zum 2,5-Dimethoxy-2,5-dihydrofuran entspricht der 1,4-Addition an 1,3-Diene: + Br 2 , + CH3 OH

O

/ 2 HBr

H 3CO

O

OCH 3

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33.7

Reaktionen monocyclischer Fünfring-Heteroaromaten

659

Wie 1,3-Diene cycloaddieren Furan und einige N-substituierte Pyrrole an Acetylendicarbonsäurediester unter Bildung der 7-Oxa- bzw. 7-Azabicyclo[2.2.1]hepta-2,5-dien-Derivate: CO2R X

X [4-2]-Cycloaddition

CO2R

+

CO2R

CO2R

X = O , NCO2R , nicht S

[4+2]-Cycloadditionen einiger Oxazol-Derivate sind ebenfalls bekannt, wobei die SauerstoffBrücke der zur Aromatisierung neigenden Addukte säurelabil ist: O OCH 3

OCH3

OH

CO2C2H 5 N

O

CO2C 2H5

+

[H ] , / CH3OH

+

N

CO2C2H 5

N

CO2C2H 5 CO2C2H 5

2,3-Diethoxycarbonyl-1-methoxy5-aza-7-oxabicyclo[2.2.1]hept-5-en

CO2C 2H5

3-Hydroxypyridin-4,5dicarbonsäurediethylester

Thiophen cycloaddiert unter Normalbedingungen nicht an Dienophile. Thiophen-1,1-dioxid, dem ein Elektronenpaar zum r-Elektronensextett fehlt, reagiert dagegen als Dien und Dienophil: Es cycloaddiert unter Schwefeldioxid-Extrusion zum 4-Thiabicyclo[4.3.0]nona-2,6,8-trien-4,4-dioxid: SO2 [4-2]-Cycloaddition

O +

S

S

O O

33.7.4

H / SO2

O

S H O2

O2S

Elektrophile Substitution

Übersicht Als r-Überschuß-Heteroaromaten (Abschn. 33.3.1) verhalten sich Thiophen, Pyrrol und Furan wie Benzen mit einem elektronenschiebenden Substituenten. Gegenüber Elektrophilen sind sie daher reaktiver als unsubstituiertes Benzen. Die positive Ladung der u-Komplexe verteilt sich bei 2Substitution auf drei, bei 3-Substitution nur auf zwei mesomere Grenzformeln; in Einklang damit ist die c- oder 2(5)-Substitution bevorzugt: H

H Y

X +

Y

Y

/ [H+]

X

X

3- oder d-Substitution

[Y ]

X H X

Y

H X

Y

H X

Y

/ [H+]

X

Y

2- oder c-Substitution

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660

33 Heteroaromaten

Daß die elektrophile Substitution vom Elektronenschub des Heteroatoms mehr begünstigt wird als von der Aromatizität, zeigt ein Vergleich der Geschwindigkeitskonstanten: Sie sind für NMethylpyrrol am größten und für Thiophen bzw. Benzen am kleinsten: N-Methylpyrrol > Pyrrol > Furan > Thiophen > Benzen

Daher läßt sich Thiophen unter den für Benzen bekannten Bedingungen elektrophil substituieren. Die säurelabilen Heteroaromaten Furan und Pyrrol können dagegen nur mit möglichst neutralen Elektrophilen substitutiert werden. Die elektrophile Bromierung und Acetylierung des Pyrrols gelingt z. B. bereits ohne LEWIS-Säuren als Katalysatoren. Zur Nitrierung wird Nitroniumacetat, zur Sulfonierung das Pyridin-Schwefeltrioxid-Addukt verwendet (Abb. 33.2).

2-Nitropyrrol , 2-Nitrofuran

NO2

X Br

/"CH3CO2H

+ CH3CO2 NO2

Br

Pyrrol- und Furan-2-sulfonsäure

Br

X

Br

+

N

SO3

+ 4 Br 2 / 4 HBr

2,3,4,5-Tetrabrompyrrol (X = NH)

SO3H

X

/

N O

X

+

+ (CH3CO) 2O / CH3CO2H

X

C

O

O

O

CH3 H3C CH3 C + O

O 2-Acetylpyrrol (X = NH)

X

/ H2O

H 3C

X X

X X

CH3 CH3

oder

O

X

O

O

O

2-Pyrrylbernsteinsäureanhydrid X = NH

H 3C CH 3

H 3C

O

7-Oxabicyclo[2.2.1]hept-5-en2,3-dicarbonsäureanhydrid X=O

Octamethylhexahydroporphyrin (X = NH) Octamethylhexahydrotetraoxaporphyrin (X = O)

H 3C CH 3

Abb. 33.2. Einige elektrophile Substitutionen des Pyrrols und Furans

Selbst schwache Elektrophile wie Aceton und andere Carbonyl-Verbindungen können Pyrrol substituieren. Der Ringschluß des Pyrrols mit Aceton zum Octamethylhexahydroporphyrin (Abb. 33.2) sowie des Pyrrol-2-aldehyds zum unsubstituierten Porphyrin (= Porphin) sind Beispiele. Dipyrrylmethen-2-aldehyd

H + N H

O

H N H

HCO2H / H2O

HCO2H

NH

/ 2 H2O

N

O

H O

Pyrrol-2-aldehyd

NH N

N HN

2 Porphin

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33.7

Reaktionen monocyclischer Fünfring-Heteroaromaten

661

Während Maleinsäureanhydrid sich gegenüber Pyrrol als Elektrophil verhält, reagiert es mit Furan als Dienophil (Abb. 33.2). Die im Vergleich zu Pyrrol und Thiophen größere Tendenz des Furans zur Addition kommt auch am Additions-Eliminierungs-Mechanismus zur Geltung, wie er für die Nitrierung dieses Heteroaromaten begründet wird: +

CH 3CO2 " NO2

H

O

O

C O

/ CH3CO2H

H O

O

NO2

NO2

H 3C

Substituenteneffekte Beim Benzen leiten elektronenschiebende Gruppen D (wie Donor) den Zweitsubstituenten in ortho- und para-Position. Elektronenziehende Erstsubstituenten A (wie Akzeptor) dirigieren dagegen in die meta-Stellung. Diese Orientierungsregeln kann man zunächst auf die FünfringHeteroaromaten übertragen, wenn das Heteroatom formal an die Stelle einer CC-Doppelbindung des Benzens tritt (Abb. 33.3): D D X a

D

X b

Abb. 33.3. Durch Pfeile angedeutete Orientierung der Zweitsubstitution am Benzen und an Fünfring-Heteroaromaten

A A X c

A

X d

Die tatsächliche Orientierung (Regioselektivität) der Zweitsubstitution wird durch das Zusammenwirken von Erstsubstituent und Heteroatom bestimmt: a

Ein schiebender Substituent in Stellung 2 (Abb. 33.3 a) verstärkt den (-)-M-Effekt des Heteroatoms auf die Position 5, welche somit bevorzugt substituiert wird, z. B.: NO2 + [NO2+]

S

/ [H+]

CH 3

O2N

S

2-Methyl-5-nitrothiophen (70 %)

b

+

CH3

S

CH3

2-Methyl-3-nitrothiophen (30 %)

Ein schiebender Substituent in Stellung 3 (Abb. 33.3 b) unterstützt in Position 2 den (-)-MEffekt des Heteroatoms, so daß ein 2,3-disubstituiertes Derivat als Hauptprodukt anfällt: CH 3

CH 3 + (H3C/CO) 2O

O

/ CH3CO2H

CH 3 O O 2-Acetyl-3-methylfuran

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662

33 Heteroaromaten

Wird die Substitution in Position 2 sterisch behindert, so dominiert die c-dirigierende Wirkung des Heteroatoms, z. B.: C(CH 3)3

C(CH 3)3 + (H3C/CO) 2O

H 3C

/ CH3CO2H

S

S O 2-Acetyl-4-t-butylthiophen

Ein ziehender Substituent in Stellung 2 (Abb. 33.3 c) dirigiert den Zweitsubstituenten in Stellung 4 wie bei der Nitrierung des 2-Acetylpyrrols, wenn unter den Reaktionsbedingungen der c-dirigierende Einfluß des Heteroatoms nicht überwiegt, wie bei der Nitrierung des 2-Nitrofurans:

c

O2N CH3 N H

+ [NO2+]

+ [NO2+]

CH 3

/ [H+]

NO2

O

N H

O

/ [H+]

O2N

O

O

NO2

2,5-Dinitrofuran

2-Acetyl-4-nitropyrrol

Das Zusammenwirken eines ziehenden Substituenten in Stellung 3 und der c-dirigierende Effekt des Heteroatoms (Abb. 33.3 d) begünstigen die Zweitsubstitution in Position 5, wie bei der Nitrierung des Furan-3-aldehyds:

d

CH O

CH O +

+ [NO2 ] +

/ [H ]

O

O2N

O

4-Formyl-2-nitrofuran

Die Drittsubstitution 2,3- und 2,4-disubstituierter Furane, Pyrrole und Thiophene erfolgt unter dem vorherrschenden Einfluß des Heteroatoms an der noch freien c-Stellung: D

X

D D

A

X

D

X

A D

A

X

Einfluß zusätzlicher N-Atome im Ring Die Einführung eines zusätzlichen Ring-N-Atoms in Furan, Pyrrol und Thiophen wirkt wie ein elektronenziehender Substituent an der betreffenden Stelle. So führt die Nitrierung des Pyrazols und Imidazols zu den 4-Nitro-Derivaten: +

+ [NO2 ] HNO3 / H2SO4

N H

N

+

/ [H ]

+

O2N

N N H

N

4-Nitropyrazol

N H

+ [NO2 ] HNO3 / H2SO4 +

/ [H ]

NH

N O2N

N H

O2N

N

4-Nitroimidazol

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33.7

Reaktionen monocyclischer Fünfring-Heteroaromaten

663

Die Reaktivität gegenüber Elektrophilen sinkt in der Folge N > O > S und ist bei den 1,3-Azolen größer als bei den 1,2-Isomeren, die trotzdem immer noch reaktiver sind als das unsubstituierte Benzen: Imidazol > Oxazol > Thiazol, Pyrazol > Isoxazol > Isothiazol > Benzen

In Gegenwart starker Basen werden die CH-aciden 1,3-Azole in 2-Stellung elektrophil substituiert, z. B. deuteriert: /

N

N

+B

/ [H ]

H

X

+ [D+]

N

+

X

D

X

Triazole, Oxadiazole und Thiadiazole können nur dann elektrophil substituiert werden, wenn ein starker Elektronendonor Erstsubstituent ist. Lediglich die Halogenierung des 1,2,4-Triazols in Gegenwart von Basen ist bekannt: Br

/

N NH

N N

+ 3 Br 2 (OH ) / 3 HBr

N

Br

Br

N

1,3,5-Tribrom1,2,4-triazol

33.7.5

Nucleophile Substitutionen

Halogene an Furan, Pyrrol und Thiophen sind ebenso schwierig nucleophil substituierbar wie am Benzen-Ring. Jedoch kann ein elektronenziehender Substituent in einer ortho- oder para-analogen Position wie bei Benzen eine SN-Reaktion ermöglichen. So reagiert 2-Brom-5-nitrothiophen mit Methanolat zum 2-Methoxy-Derivat, während sich 2-Bromthiophen inert verhält: + KOCH3

O2N

Br

S

/ KBr

O2N

OCH 3

S

zum Vergleich : O2N

Br

+ KOCH3

/ KBr

2-Methoxy-5-nitrothiophen

O2N

OCH 3 p-Nitroanisol

An die Stelle des Akzeptor-Substituenten kann auch ein Azamethin-Ring-Stickstoff treten. 2Chlorthiazol geht z. B. bei der milden Aminolyse in 2-Alkylaminothiazol über: NO2 N S

N

+ 2 R/NH2

Cl

/ R/NH3+Cl

/

zum Vergleich :

S

Cl

NHR

NO2 + 2 R/NH2 / R/NH3+Cl

/

2-Alkylaminothiazol

33.7.6

NHR N-Alkyl-2-nitroanilin

Carben-Cycloadditionen

Carbene cycloaddieren an Furan, Thiophen und N-Acylpyrrol unter Bildung von Heterobicyclen: H

/ N2

+ N2 X X = O , S , NCOR

CH CO2C 2H5 X

CO2C 2H5

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664

33 Heteroaromaten

Die Cycloaddition von Dichlorcarben an unsubstituiertes Pyrrol führt unter Ringerweiterung und Heteroaromatisierung zum 3-Chlorpyridin in Konkurrenz zur Bildung des Pyrrol-2-aldehyds nach der REIMER-TIEMANN-Formylierung (Abschn. 20.5.12). Cl +

N

N

H

H

H

Cl

/ HCl

CHCl3 , KOH

CCl2

Cl

N 3-Chlorpyridin

+ H2O

N

CHCl2

H

/ 2 HCl

N

H

H

C O

Pyrrol-2-aldehyd

33.7.7

Ringöffnungen

Eine Umkehrung der PAAL-KNORR-Synthese (Abschn. 33.5.1) ist die säurekatalysierte Ringöffnung von Furan- und Oxazol-Derivaten zu 1,4-Dicarbonyl-Verbindungen: + H3O+

R

O

+

/ [H ]

R

+ H3O+

N R

R

R

O O

/ [H ]

R

O

NH R

+

R O O

Auch der Pyrrol-Ring kann in saurer Ethanol-Lösung durch Hydroxylamin geöffnet werden. Als Derivat des Bernsteinsäuredialdehyds entsteht dabei das Dioxim: + 2 NH2OH / NH3 , / H2O

N

N OH

H

N OH

Thiophen läßt sich nicht hydrolytisch öffnen. Jedoch gelingt seine Entschwefelung bei der Hydrierung mit RANEY-Nickel als Katalysator: RANEY-Ni

H 5C6

S

C6H 5

+

3 H2

H5C 6

2,5-Diphenylthiophen

C6H 5

+

H 2S

1,4-Diphenylbutan

Isoxazole öffnen sich unter Basenkatalyse zu d-Oxonitrilen. Diese entstehen auch durch Decarboxylierung der Isoxazol-3-carbonsäuren in saurer Lösung: H+ B R

O

N

O C O

/ HB + [H+]

C N R

O

+ H3O+ / CO2 , / H2O

R

O

N

3-Oxonitril (d-Ketonitril)

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33.7

Reaktionen monocyclischer Fünfring-Heteroaromaten

665

Die katalytische Hydrierung des Isoxazols führt dagegen zum 3-Aminoacrolein: H

O

+

N

H2

Pd

H

H

NH2 O

3-Aminoacrolein

33.7.8

Besondere Reaktionen von Substituenten

N-Acyl-Gruppen Die Reduktion der Carbonsäureimidazolide mit Lithiumaluminiumhydrid wurde bereits als Methode zur Herstellung von Aldehyden beschrieben (Abschn. 20.5.4).

̈"

-Alkyl-Gruppen Die c-Methyl-Gruppen des Furans, Thiophens und Pyrrols sind schwierig substituierbar. So wird durch Brom bevorzugt am Ring bromiert; eine Seitenkettenbromierung gelingt nur mit N-Bromsuccinimid. Die c-Methyl-H-Atome sind nicht acide, so daß Aldehyde elektrophil am Ring substituieren, wie die Reaktion des Benzaldehyds mit 2-Methylthiophen zeigt: ̈"

O

+

2 H3C

C

H

ZnCl2

H3C

/ H2O

S

H S

S

C

CH3

2-Methylthiophen

Bis-(5-methylthien-2-yl)phenylmethan

Ein zusätzliches Imino-N-Atom in 3-Stellung acidifiziert dagegen die c-Methyl-Gruppe, so daß eine KNOEVENAGEL-Alkenylierung stattfinden kann wie im Fall des 2-Methylthiazols: H

N S

CH 3

+

O

C

H

N H3PO4

S

/ H2O

H (E)-2-Styrylthiazol

Die katalytisch wirksame Phosphorsäure protoniert den Stickstoff, der dabei elektronegativer wird und so das carbanionische Methyl-C-Atom zusätzlich stabilisiert. Denselben Einfluß hat die Quaternisierung; dementsprechend gelingt die KNOEVENAGEL-Alkenylierung des 2,3-Dimethylthiazolium-Ions bereits in Gegenwart von Pyridin: CH 3

H

N S

CH 3

+

O

C

N N

CH3

S

/ H2 O (E)-3-Methyl-2-styrylthiazolium-Ion

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666

33 Heteroaromaten

̈" -Hydroxymethyl-Gruppen Die Hydroxy-Gruppe des c-Hydroxymethylfurans, -thiophens und -pyrrols spaltet sich nach der Protonierung als Wasser leicht ab, weil das verbleibende Kation durch den (-)-M-Effekt des Heteroatoms stabilisiert wird: / H2O

X

CH 2 OH

+ [H ]

X

CH2

X

CH 2

Als Elektrophil kann das Kation die andere c-Stellung substituieren. Auf diese Weise entstehen Polymere. Äquimolare Mengen 2-Hydroxymethylpyrrol und Pyrrol reagieren aus diesen Gründen säurekatalysiert zum 2,2´-Dipyrrylmethan: [H+]

N H

+

CH 2 OH

N H

/ H2O

NH HN 2,2'-Dipyrrylmethan

Carbonyl- und Carboxy-Gruppen Während sich die Aciditäten der Benzoe-, Furan- und Thiophencarbonsäuren nicht wesentlich unterscheiden, ist Pyrrol-3-carbonsäure als vinyloge Carbamidsäure (Abschn. 25.5) eine sehr schwache Säure, weil die undissoziierte Form mesomeriestabilisiert wird:

̈"

HO C O

HO C O

N H

N H

Dagegen ist Pyrrol-2-aldehyd ein doppelt vinyloges Formamid und geht daher im Gegensatz zu den Furan- und Thiophen-2-aldehyden meist nicht die typischen Aldehyd-Derivatisierungen ein. Entsprechendes gilt auch für 2-Acetylpyrrol. H N H

O

H N H

O

33.8 Reaktionen benzologer Fünfring-Heteroaromaten 33.8.1

Prognose

Man unterscheidet zwischen den häufigeren Benzo[b]- und den selteneren Benzo[c]-kondensierten Furanen, Pyrrolen und Thiophenen: B e n z o [b ] - D e r i v a t e X=O : Cumaron X = NH , NR : Indol X=S : Thionaphthen

X

B e n z o [c ] - D e r i v a t e X=O : Isocumaron X = NH , NR : Isoindol X=S : Isothionaphthen

X

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33.8 Reaktionen benzologer Fünfring-Heteroaromaten

667

Benzo[c]-Derivate sind nicht mehr benzoid, sondern haben als o-chinoide Verbindungen mehr scis-1,3-Dien-Charakter. Die Mesomerie der Benzo[b]-Derivate läßt nur eine zwitterionische Grenzformel zu, bei der das r-Elektronensextett des ankondensierten Benzen-Ringes ungestört bleibt.

X

X

Aus diesen Gründen zeigen die Benzo[b]- und [c]-kondensierten Derivate oft verschiedene Reaktivitäten und Regioselektivitäten.

33.8.2

Heteroatom-spezifische Reaktionen

Der ankondensierte Benzen-Ring macht Indol noch schwächer basisch (pKa = /3.5) als Pyrrol (pKa = / 0.27), und eine Protonierung erfolgt in Position 3 unter Erhaltung des benzoiden r-Elektronensextetts, wie 1H-NMR-Messungen gezeigt haben: H

H

H nicht

+ [H ] N H

N H

N H

H

Thionaphthen (Benzo[b]thiophen) kann wie Thiophen zum Dioxid oxidiert werden, das wegen des ankondensierten Benzen-Ringes jedoch erst bei sehr hoher Temperatur cycloaddiert: / SO2

> 200 °C

SO2 +

SO2

SO2

SO2

SO2

Thionaphthen-S,S-dioxid

33.8.3

2,3-Dihydronaphtho[b]thionaphthen-S,S-dioxid

Elektrophile Substitutionen

Die elektrophile Substitution des Indols (sowie des Benzo[b]thiophens) gelingt ausnahmslos in Stellung 3, wie Abb. 33.4 (S. 668) zeigt. Mit Alkylmagnesiumhalogeniden reagiert Indol zum mesomeriestabilisierten Anion, an dem Elektrophile wie Kohlendioxid bevorzugt in Position 3 angreifen: CO2H 1.) + CO2 , 2.) + [H+]

+ R Mg X ,

N H

/ RH , / Mg 2+ , / Br

/

N

N

N H Indol-3-carbonsäure

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668

33 Heteroaromaten

Im Gegensatz zum Indol und Thionaphthen wird Cumaron in Position 2 substituiert, was man teilweise auf die geringere Donorwirkung des elektronegativen Sauerstoffs zurückführt: /

/ [H+]

S

/

NO2

(CH3CO2 " NO2+) + [NO2+]

(CH3CO2 " NO2+) + [NO2+]

NO2

/ [H+]

O

S

O

3-Nitrobenzo[b]thiophen

2-Nitrobenzo[b]furan

Benzo-1,2-diazole wie Indazol werden wie Indol in Position 3 substituiert, während der Angriff bei Benzo-1,3-diazolen wie Benzimidazol in 4- und 5-Stellung, d.h. am Benzen-Ring stattfindet. SO3H Indol-3-sulfonsäure

N H +

H

C O

N

SO3

/

N MANNICHAminoalkylierung

+ O=CH/N(CH3) 2 (POCl3) / HN(CH3) 2

N H

/ H2O

N H

VILSMEIERFormylierung

Indol-3-aldehyd

CH2 N(CH3)2

+ H2CO , + HN(CH3) 2

MICHAELAddition

N H 3-(N,N-Dimethylamino)methylindol

O + H2C CH

C CH3

CH2 CH2 C O 4-(3-Indolyl)-2-butanon H3C

N H

Abb. 33.4. Beispiele zur elektrophilen Substitution des Indols

33.8.4

Cycloadditionen

Am Indol, Benzo[b]furan und -thiophen sind Carben-Cycloadditionen in 2,3-Stellung möglich. Als Folgereaktionen konkurrieren Ringerweiterungen und Ringöffnungen der Primäraddukte. So führt die Cycloaddition von Dichlorcarben an 2,3-Dimethylindol zu 3-Chlor-2,4-dimethylchinolin und 3-Dichlormethyl-2,3-dimethylindol: H 3C Cl

CH 3

CH 3 Cl

CHCl3 , KOH

CH 3

CH 3

N

N H

H

H3C

CCl2 H

Cl

/ HCl

N CH 3 3-Chlor-2,4-dimethylchinolin

H 3C

CHCl2

CH3 N

CH 3 N 3-Dichlormethyl-2,3-dimethylindol

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33.8 Reaktionen benzologer Fünfring-Heteroaromaten

669

[4+2]-Cycloadditionen sind von den o-chinoiden Benzo[c]-Derivaten zu erwarten. Als Dienophil reagiert z. B. Maleinsäureanhydrid; treibende Kraft dieser Cycloaddition ist die Regeneration des benzoiden Ringes. X

O X

+

O

O

O

O O 7-Thiabenzobicyclo[2.2.1]heptan-2,3-dicarbonsäureanhydrid (X=S)

33.8.5

Reaktionen der 2- und 3-Hydroxy-Derivate

2- und 3-Hydroxy-substituierte Benzo[b]pyrrole, -furane und -thiophene können als Phenol- und Oxo-Tautomere vorliegen: OH OH

O

O

X

X

X 2-Oxo-Tautomer

X 3-Oxo-Tautomer

Die 2-Oxo-Tautomeren reagieren wie Lactame (X = NH: Oxindol), Lactone (X = O) und Thiolactone (X = S). Dagegen reagieren 3-Oxo-Tautomere wie Ketone; sie können alkyliert und mit Aldehyden der KNOEVENAGEL-Alkenylierung unterzogen werden. H + O

O

N H

O

O CH 3

+ 2 CH3I (NaOH)

CH 3

/ 2 HI

2,2-Dimethyl-3-oxo2,3-dihydroindol

H / H2O

N H

N H 2-Benzyliden-3-oxo2,3-dihydroindol

3-Oxo-2,3-dihydroindol (Indoxyl)

Die Methylen-Gruppe des als "Indoxyl" (Abschn. 33.2.2) bekannten "3-Hydroxyindols" kann leicht oxidiert werden. Dabei entsteht Isatin, welches die Methylen-Gruppe des "Indoxyls" zu Indirubin, einem Regioisomer des Indigo (Abschn. 34.6), nach KNOEVENAGEL alkenyliert:

O O

O + O2

N H

/ H2O

+ O

O N H Isatin

/ H2O

NH

NH

O N H Indirubin

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670

33 Heteroaromaten

Auch Phenol-Reaktionen der 3-Hydroxy-Derivate sind bekannt. Mit Dimethylsulfat in wäßrigem Medium gelingt z. B. die Herstellung von Methylethern: OCH3

OH

O

+ (CH3O) 2SO2 (NaOH) / H3COSO3H

N H

N H

N H

33.9 Mesoionische Fünfring-Heteroaromaten Als mesoionische Verbindungen werden / meist fünfgliedrige / Heteroaromaten bezeichnet, deren Zustand sich nur durch zwitterionische Grenzformeln beschreiben läßt.

33.9.1

Mesoionische 1,2,3-Oxadiazol-Derivate

Besonders bekannt sind mesoionische 1,2,3-Oxadiazole, welche nach ihrem Entdeckungsort Sydney auch Sydnone genannt werden. Sie entstehen beim Erhitzen von N-Alkyl- oder N-Aryl-N-nitrosoglycinen in Acetanhydrid. Die N-Nitrosoglycine werden durch Alkylierung eines primären Amins mit Chloressigsäureestern, anschließender Esterhydrolyse und Nitrosierung hergestellt. R / HCl

R NH 2 + Cl CH 2 CO2R'

R

N O

a

O

O

b

O

O HO N-Nitrosoglycin

N

N

O

O

/ H2 O

N

R N

N

N

- HNO2

R NH CH 2 CO2H

/ ROH

N

N

/"2" CH3CO2H

R NH CH 2 CO2R'

R

R - (CH3CO) 2O

- H2O

O

c

N O

O

d

N-Alkyl- und N-Arylsydnon

Die beiden Grenzformeln c und d, in denen der Fünfring die positive, der Oxo-Sauerstoff die negative Ladung übernimmt, werden meist in der r-Elektronensextett-Schreibweise zusammengefaßt: R 4

3N

5

2N

O

O 1

Für einen Beitrag des dipolaren Zustands a spricht die 1,3-dipolare Cycloaddition einiger 3,4disubstituierter Sydnone an Acetylendicarbonsäurediester. Die Decarboxylierung der Cycloaddukte ist eine Methode zur Herstellung einiger Pyrazol-Derivate: H3C

H5C 6

O

N

O N

CO2C2H 5

H 3C

+ H 5C6 CO2C2H 5

N

O

CO2C 2H5

O N

H3C

CO2C2H 5

/ CO2

CO2C 2H5

H5C 6 N N

CO2C2H 5

5-Methyl-1-phenyl-pyrazol3,4-dicarbonsäurediethylester

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33.9

Mesoionische Fünfring-Heteroaromaten

671

Präparative Bedeutung hat auch die saure Hydrolyse der N-Alkylsydnone zu Alkylhydrazinen: O [H+]

N

R

H N

+ 2 H2O

O

R

N

N-Alkylsydnon

33.9.2

+

HCO2H

NH 2

+

CO2

Alkylhydrazin

Mesoionische Triazol-Derivate

Durch Cyclokondensation von 1,3-Diphenyl-2-phenylaminoguanidin mit Ameisensäure bildet sich ein mesoionisches 1,2,4-Triazol-Derivat: N HN

C

H N

C 6H 5

C6H 5 C 6H5

O +

NH

/ H 2O

C H

N N

H N

/ H2 O

H

N N

N N C 6H 5 C 6H 5

N

OH C6H 5 C 6H 5

HO

C 6H 5 C 6H 5

C6H 5

N N

N N C 6H 5 C 6H 5

Nitron

Die gut wasserlösliche Verbindung bildet mit Salpetersäure ein schwerlösliches Nitrat. Diese zur quantitativen Bestimmung der Salpetersäure geeignete Reaktion führte zur Bezeichnung "Nitron".

33.9.3

Mesoionische Oxazol- und Thiazol-Derivate

Auch mesoionische Oxazolone a und Thiazolthione b sind bekannt: R

R

Ar R = Alkyl , Ar = Aryl

5

Ar

Ar

3N

3N

O

O

5

Ar

1

S

S

1

a

b

Die nach HUISGEN als Münchnone bezeichneten mesoionischen Oxazolone bilden sich durch Cyclodehydratisierung von N-Acyl-c-aminosäuren mit Acetanhydrid. Als 1,3-Dipole cycloaddieren die Münchnone wie die Sydnone an Acetylendicarbonsäurediester; die Cycloaddukte decarboxylieren zu Pyrrolen mit dem durch die Edukte festgelegten Substitutionsmuster. H HN H 5C6

C O

C

H 3C

C 6H5 2,5-Diphenyl-1-methylpyrrol3,4-dicarbonsäurediethylester

N-Benzoylphenylglycin

O HO

C6H 5 N

H5C 6

CO2C2H 5 CO2C 2H5

/ H2O

H N H5C 6

O

C6H 5 O

/ CO2

CO2C2H5

H3C / HI

C 6H5 N

+ CH3I (NaOH)

H5C 6

+

H 3C

O

O

C6H 5 N

CO2C2H5

H 5C6

C O O

CO2C 2H5

CO2C2H 5

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672

33 Heteroaromaten

33.10 Synthese monocyclischer Sechsring-Heteroaromaten 33.10.1 Pyridin Pyridin und seine Methyl-Derivate wie die Picoline, Lutidine und das Collidin CH3

CH3

N i-

2,4-

CH3

CH 3 N c-

N d-

CH3

N

CH 3

H3C

N

CH 3

H3C

N

CH 3

2,6-

Picolin

Lutidin

Collidin

werden in technischem Maßstab bei der fraktionierten Destillation des Braun- und Steinkohlenteers gewonnen. Einige Synthesen mit einleuchtenden Konzepten haben präparative Bedeutung:

Cyclokondensation von -Oxoestern mit Ammoniak und Aldehyden Symmetrisch substituierte Pyridine werden durch Cyclokondensation von d-Oxoestern mit Aldehyden und Ammoniak unter oxidierenden Bedingungen hergestellt (HANTZSCH-Synthese). Die zunächst entstehenden d-Enaminoester und c,d-ungesättigten Ketone cyclisieren zum 1,4Dihydropyridin-Derivat, welches zum Heteroaromaten oxidiert wird. R3 R2 O2C R1

CH C

H

NH 2 +

C O

R3 C C

CO2R 2 R1

/ H2O

CO2R 2 2C H C C H C

R2 O

R1

C

N

/ 2 H2O

R1

CH + H C

C

C

CO2R2

R3

R3

H O + H2C

OH + NH 3 + O

R1

/ 2 H2O

R3 R 2 O2C

C

R 2 O2C

CO2R2

+

R1

R1

N

R1

R 2 O2C

HNO3 / 2 (H ] , / 2 e0

CO2R 2

/

R1

N

R1

H

Acetessigsäureethylester (R1 = CH3; R2 = C2H5), Acetaldehyd (R3 = CH3) und Ammoniak liefern z. B. Collidindicarbonsäurediethylester, aus dem nach Verseifung und Decarboxylierung Collidin (2,4,6-Trimethylpyridin) zugänglich ist.

Cyclokondensation von 1,3-Diketonen mit Cyanacetamid Die Cyclokondensation von 1,3-Diketonen mit Cyanacetamid liefert 3-Cyano-2-pyridone (GUARESCHI-Synthese). Nachfolgende Hydrolyse in wäßriger Säure, Decarboxylierung, Chlorierung und katalytische Hydrierung ergibt 2,4-Dialkylpyridine.

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33.10 Synthese monocyclischer Sechsring-Heteroaromaten

R 4,6-Dialkyl-3-cyano-2-pyridon

R

N

R

- 2 H2 O (H3O+)

CN

/ NH 3

O

673

R

N

- PCl5

/ CO2

O

R

O

O

R

Cl

-" H2 (Kat.)

/ HCl

R O

R

N

4,6-Dialkyl-2-pyridon

R O

R

/ POCl3 / HCl

H

/ 2 H2O

R

N

H

H

R

R CO2H

H2C

+

H2N

OH

CN O

R

N

2,4-Dialkylpyridin

Cyclokondensation von 3-Aminoacroleinen mit -Methylenketonen Eine naheliegende Methode zur Synthese von Pyridin-Derivaten ist die Cyclokondensation von 3Aminoacroleinen mit c-Methylencarbonyl-Verbindungen: R1

O

+

H 2C O

NH2 R1 = CH3 3-Amino-2-methylacrolein

R3

CH3CO2

/ +

R1

NH4

/ 2 H2O

R2

R3 R2

N

R2 = CH3 , R3 = COCH3 Acetylaceton

R1 = R2 = CH3 , R3 = COCH3 3-Acetyl-2,5-dimethylpyridin

3-Aminoacroleine sind aus den Malondialdehydtetraacetalen über 3-Alkoxyacroleine und deren Ammonolyse zugänglich: H R1

CH(OR)2

+ H2O [H+]

R1

O

/ 3 ROH

CH(OR)2 Alkylmalondialdehydtetraalkylacetal

OR

R1

+ NH3 / ROH

O

NH2 3-Amino-2-alkylacrolein

3-Alkoxy-2-alkylacrolein

Cyclisierung von Ethin und Nitrilen Ein neueres Verfahren ist die durch Cobalt-r-Komplexe, z. B. Cyclopentadienyl-Cobalt-Cyclooctadien, katalysierte Cyclisierung von Alkinen mit Nitrilen: +

Kat. Kat. =

R N

N

Co

R

Auf diese Weise kann z. B. das als Chelatbildner für Eisen(II)-Ionen bekannte c,c'- oder 2,2'Bipyridin aus Ethin und 2-Cyanopyridin hergestellt werden: Kat. (s.o.)

+ N

N

95 %

N N 2,2'-Bipyridin

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674

33 Heteroaromaten

33.10.2 Phosphor-, Sauerstoff- und Schwefel-Analoge des Pyridins Phosphabenzen Phospha-, Arsa-, Stiba- und Bismabenzen entstehen aus 1,4-Pentadiin und Dibutylzinnhydrid, wenn der primär gebildete Zinn-Heterocyclus mit den Trihalogeniden der einzuführenden Heteroatome behandelt wird. + XBr 3

+

/ (C4H9) 2SnBr 2 / HBr

Sn

(C 4H9)2SnH 2 H9C 4

C4H 9

X=P X = As X = Sb X = Bi

X

: Phosphabenzen : Arsabenzen : Stibabenzen : Bismabenzen

2,4,6-Triphenylphosphabenzen ist durch Reaktion des Pyryliumtetrafluorborats mit Tris-(hydroxymethyl)-phosphan zugänglich: C6H 5 + H 5C6

O

C 6H5

C 6H5

/ CH2O / HBF4

P(CH2OH)3

C 6H5

H5C 6

BF 4

O

C6H 5 P(CH2OH)2

H5C 6

/"4" CH2O

C6H 5 O P(CH2 OH)2

/ H2O

C6H 5 2,4,6-Triphenylphosphabenzen

H 5C6

P

C 6H5

Pyrylium- und Thiapyrylium-Ionen Pyrylium-Ionen bilden sich bei der Cyclokondensation meist aromatisch substituierter 1,5-Diketone unter oxidierenden Bedingungen. Als Oxidationsmittel eignet sich u. a. Eisen(III)-chlorid. C 6H 5

C 6H 5

C 6H 5

C 6H 5 (CH3 CO) 2 O

H 5C 6

O O

C 6H 5

H 5C 6

/ H2O

C 6H 5

O O H H

FeCl3

H 5C 6

O

+

/ [H ] , / 2 e0

C 6H 5

/

H 5C 6

O

C 6H 5

2,4,6-Triphenylpyrylium-Ion

Nach Zusatz von Perchlorsäure lassen sich die kristallinen Pyryliumperchlorate isolieren, die nach einem neueren Verfahren auch durch Cyclokondensation von 1,3-Diketonen mit Acetophenon in Gegenwart von Perchlorsäure entstehen: R

R CH3 C

O

+ HClO4

O + HO

R

1,3-Diketon (Enol-Tautomer)

/"2 H2O

H5C 6

O

R ClO4

4,6-Dialkyl-2-phenylpyrylium-perchlorat

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33.10 Synthese monocyclischer Sechsring-Heteroaromaten

675

Führt man die Cyclokondensation der 1,5-Diketone unter Einleiten von Schwefelwasserstoff durch, so entstehen Thiapyrylium-Salze: C6H 5

C 6H5

H C6H 5

+ H2S (CH3CO) 2O

H5C 6

/"2 H2O / / [H+] , / 2 e0

C6H 5

O O

Nebenprodukt :

H 5C6

S

C 6H5

H 5C6

S

C 6H5

2,4,6-Triphenylthiapyrylium-Ion

Thiapyrylium-Salze bilden sich auch bei der Thiierung der Pyrylium-Salze nach LAWESSON (Abschn. 24.6) sowie durch Dehydrierung von Thiacyclohexan-Derivaten mit Tritylium-acetat: + 5 (C6H5) 3C+ CH3CO2 / + ClO4

H 5C6

S

/

/""5 (C6H5) 3CH, / 5 CH3CO2H

C 6H5

H 5C6 S C 6H5 ClO4 2,6-Diphenylthiapyrylium-perchlorat

-Pyrone und -Thiapyrone i-Pyrone, in denen als Folge der Mesomerie das Pyrylium-System verwirklicht ist, erhält man durch Kondensation von d-Oxoestern. Das zunächst entstehende d,d'-Dioxolacton wird unter Säurekatalyse zur d-Oxosäure geöffnet, welche über ihre Enol-Form zur i-Pyron-d-carbonsäure recyclokondensiert. Durch Decarboxylierung entsteht schließlich das 2,6-Dialkyl-i-pyron, dessen Carbonyl-Gruppe eher Phenolat- als Keton-Funktion aufweist, wie die zwitterionische Grenzformel mit r-Elektronensextett zeigt. O

O

O R

R

O

- H2O

O CO2H

R R

O

CO2H OH

R

OHO

R

R

O

+

H2C

C

O R

d-Oxoester

O

2,6-Dialkyl-i-pyron

CO2C2H 5

OH

R / CO2

O OC2H5

CO2H

/ H2O

/ 2 C2H 5OH

NaHCO3

O

R

O

O

R

O

R

R

O

R

" i-Thiapyrone entstehen durch Dehydrierung der i-Thiapyranone mit Phosphorpentahalogeniden, i-Thiapyranone durch DIECKMANN-Kondensation von Bis-(2-ethoxycarbonylethyl)-sulfan. O OC2H 5 CO2C 2H5 R H

S

R H

O

O CO2C2H 5

Na / C2H5OH

R

S

R

+

- H2O (H3O ) / C2H5OH , / CO2

R

S

R

Bis-(2-ethoxycarbonylethyl)-sulfan PCl5

/""4 [H+] , / 4 e0

O

R

S

/

O

R

R

S

R

2,6-Dialkyl- oder 2,6-Diaryl- i"-thiapyron

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676

33 Heteroaromaten

33.10.3 Diazine Pyridazine (1,2-Diazine) Ein naheliegender Weg zu Pyridazinen ist die Cyclokondensation von 1,4-Diketonen mit Hydrazin unter oxidierenden Bedingungen: R R

O

O

R

/ 2 H2O

+

NH 2

H2N

R

N

R

Oxidationsmittel +

/""2 [H ] , / 2 e0

N

/

R

N

N

Unsubstituiertes Pyridazin entsteht aus 3-Hydroxy-6-oxopyrazin (Maleinsäurehydrazid) durch Halogenierung und anschließende Abhydrierung des Halogens. O

O

OH

+ H2N/NH2

NH

/ H2O

NH

O O

O

Cl

N

+ 2 PCl5

N

- 2 H2 (Pd)

N

NH

/ 2 POCl3 / 2 HCl

N

/ 2 HCl

N

O

Maleinsäurehydrazid

Cl

3-Hydroxy-6-oxopyridazin

3,6-Dichlorpyridazin

Pyrimidine (1,3-Diazine) Die über d-Enaminoketone verlaufende Cyclokondensation von 1,3-Dicarbonyl-Verbindungen und deren Derivaten mit Formamid ist eine vielseitig anwendbare Methode zur Herstellung von Pyrimidinen (BREDERECK-GOMPPER-Synthese): R O R

O

R

NH2

O

O

R

OH

- H2O

O

/ H2O

R

R

NH2

N

/ 2 H2O

NH2

d-Enaminocarbonyl-Verbindung

O

R

+H C

O

/ HCO2H

NH H

1,3-Dicarbonyl-Verbindung

O

R

R

+H C

R

N

4,6-Dialkylpyrimidin

Nach einem analogen Konzept gelingt die Einführung funktioneller Gruppen in Stellung 2: R R R

R NH 2

O NH2

+

R = H , Alkyl

HN

C

/ H2O , / NH3

N R

X

X = Alkyl : Amidin X = NH2 : Guanidin X = SH : Thioharnstoff

N

X

2-Alkyl2-Amino2-Mercaptopyrimidin

Viele Pyrimidine werden auch über die aus Malonsäurediethylester und Harnstoff zugängliche Barbitursäure hergestellt: O C O

C

O NH 2

OC2H 5

OC2H 5 +

H2N

C

O

Cl NH

/ 2 C2H5OH

O

N H

O

Barbitursäure

N

+ POCl3 / H3PO4

Cl

N

Cl

2,4,6-Trichlorpyrimidin

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33.10 Synthese monocyclischer Sechsring-Heteroaromaten

677

Pyrazine (1,4-Diazine) Pyrazine bilden sich durch Selbstkondensation von c-Aminoketonen an der Luft. c-Aminoketone sind durch katalytische Hydrierung der Diazoketone (Abschn. 18.5.6, 23.3) zugänglich: HC 2 R

C

N2

- 6 H2 (Pd) /"2 NH3

O

R

O

NH 2

H2C

+

C

H2N

O

C

R

N

/"2 H2O

CH 2

R

R

N

+ 1/2 O2

/"H2O

N

R

R

N

2,5-Dialkylpyrazin

Einfacher ist die Herstellung von Pyrazinen aus 1,2-Dicarbonyl-Verbindungen und 1,2-Diaminen unter oxidierenden Bedingungen: H R1

NH 2

R2

O +

R1 H

NH 2

H

/"2 H2O

R1

R2

O

R2

N

R1

/""2 [H+] , / 2 e0

R2

N

H

Oxidationsmittel

R1

N

R2

R1

N

R2

/

R1 = R2 = CH3 2,3-Diaminobutan Butandion

Tetramethylpyrazin

33.10.4 Oxazine und Thiazine Oxazinium- und Thiazinium-Salze 1,3-Oxazinium-Salze entstehen durch Cycloaddition von Nitrilen an d-Chlorvinylketone oder von Alkinen an N-Acylimidoylchloride: R1

R4

O

R1

R1

O Cl R 4

+ Cl

R2

R4

O +

N

N

R2

R3

R3

d-Chlorvinylketon

N

Cl R2

1,3-Oxazinium-chlorid

R3 N-Acylimidoylchlorid

1,3-Oxazinium- und 1,3-Thiazinium-Salze sind präparativ vielseitig anwendbare Elektrophile. Besonders stabil sind phenylsubstituierte Derivate sowie die Perchlorate. 1,3-Thiazinium-Salze bilden sich durch Addition von Schwefelwasserstoff an 1,3-Oxazinium-Salze: R2

R1

O

-" H2S

R2 HS

/""[H ]

N

R1

O

+

S O

R2

N

NH

R2

-" HClO4

R1

S

/" H2O

N ClO4

R3

R3

R3

R1

R3 2,4,6-trisubstituiertes 1,3-Thiazinium-perchlorat

Partiell hydrierte Derivate Partiell hydrierte 1,2-Oxazine und 1,2-Thiazine erhält man durch [4+2]-Cycloadditionen: + O

N

C6H 5

Nitrosobenzen

O

N

+ C 6H5

2-Phenyl-2,3-dihydro6 H-1,2-oxazin

O

S

N

CO2R

N-Sulfinylcarbamat

S

N

CO2R

O 2-Alkoxycarbonyl-2,3dihydro-6 H-1,2-thiazin-1-oxid

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678

33 Heteroaromaten

Ein allgemeines Verfahren zur Herstellung von 1,3-Oxazin-Derivaten ist die Dehydratisierung der d-Acylaminoketone: NH R2

R1

O O

R2

N

P2O5

N

/ H2O

R1

O O H H

R2

O

R1

2,6-Dialkyl-4 H-1,3-oxazin

Dihydro-1,3-thiazine bilden sich durch Cyclisierung von 1,3-Dihalogenalkanen mit Thioamiden, X

NH 2

+

X

C

S

/ 2 HX

N S

R

X = Cl , Br

R

2-Alkyl-5,6-dihydro-4 H-1,3-thiazin

oder von i-Halogen- sowie i-Hydroxyaminen mit Isothiocyanaten: NH2

+ S

X

C

N R

/ HX

N S

X = Cl , OH

NHR

2-Alkylamino-5,6-dihydro-4H-1,3-thiazin

Von einigen speziellen Synthesen des 1,4-Oxazin- und 1,4-Thiazin-Ringes ist die Cyclodehydrohalogenierung von Cysteamin mit 2,3-Dibromalkansäureestern erwähnenswert: NH2

Br

R2

H2 N R 2 Br

Br

CO2R 1

S Br

+ SH

H

/ HBr

CO2R1

H N

H N R2 Br S

H

CO2R 1 Br

S

R2

/ HBr

CO2R2 H

H N

R2

S

CO2R1

2-Alkoxycarbonyl-3-alkyl5,6-dihydro-4H-thiazin

Nach allgemeineren Verfahren zugänglich sind dagegen die gesättigten Derivate 1,4-Oxazan und 1,4-Thiazan (Morpholin und Thiomorpholin): X

/ 2 HCl

+

X

H2N R N

ClCl

R Bis-(2-chloralkyl)-ether (X = O) bzw. -thioether (X = S)

X = O : subst. Morpholin X = S : subst. Thiomorpholin

33.10.5 Triazine Von den drei konstitutionsisomeren Triazinen hat das 1,3,5- oder s-Triazin beachtliche Bedeutung: N

N N

1,2,3- oder vic-

N

N

N

N 1,2,4- oder asymTriazin

N

N

1,3,5- oder sym-

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33.11 Synthese benzo-kondensierter Pyridine und Azine

679

1,3,5-Triazin erhält man durch säurekatalysierte Trimerisierung von Blausäure, die am besten bei der Reaktion aus geeigneten Vorstufen, z. B. Formamidin-Hydrochlorid, erzeugt wird: H NH2 C Cl NH2

3H

/ 3 NH4Cl

N

N

+

N

[H+]

H

N

N

H

N

Entsprechend wird das bei der Reaktivfärbung (Abschn. 34.3.3) benötigte Trichlor-1,3,5-triazin durch Trimerisierung von Chlorcyan hergestellt.

33.10.6 Tetrazine Von den drei konstitutionsisomeren Tetrazinen N

N

N N

N

N

1,2,3,4-

N

N N

N

1,2,3,5Tetrazin

N

N

1,2,4,5-

ist das 1,2,4,5-Isomer durch 1,3-dipolare Cycloaddition des Diazoessigsäureethylesters in alkalischer Lösung zugänglich: N RO2C

N

H +

H

N

CO2R

/

(OH )

N

N RO2C

H N N H

CO2R

/

+ 2 H2O (OH ) / 2 ROH

N

N HO2C

H N N H

CO2H

+ 1/2 O2 / 2 CO2 / H2O

N

N

N N

N

1,2,4,5-Tetrazin (violett)

33.11 Synthese benzo-kondensierter Pyridine und Azine 33.11.1 Chinoline (Benzo[b]pyridine) Cyclokondensation von Anilin mit , -ungesättigten Carbonyl-Verbindungen Chinoline entstehen durch MICHAEL-Addition von Anilin an c,d-ungesättigte Aldehyde oder Ketone sowie anschließendem elektrophilem Ringschluß und Oxidation des zunächst entstandenen 1,2-Dihydrochinolins (SKRAUP-Synthese): R3

O

ZnCl2 / FeCl3

H

HO R3

R2

R2 N H

N H R1 H

R3

H

R2

/ H2O

R1

N H / 2 [H+] , / 2 e0

R3 + NH 2

O

/

FeCl3 oder C6H5NO2

R3

R2

R2

R1 = R2 = R3 = H , Alkyl , Aryl

R1

R1

N

R1

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680

33 Heteroaromaten

Chinolin selbst wird durch Erhitzen von Anilin, wasserfreiem Glycerol, konz. Schwefelsäure und Eisen(II)-sulfat in Nitrobenzen als Dehydrierungsmittel hergestellt. Die Dehydratisierung des Glycerols liefert dabei Acrolein als den c,d-ungesättigten Aldehyd. Cyclokondensation von Anilin mit 1,3-Dicarbonyl-Verbindungen Der SKRAUP-Synthese analog verläuft die Cyclokondensation von Anilin mit 1,3-Diketonen bzw. Malonsäurediestern zu 2,4-Dialkyl- und 4-Hydroxy-2-oxo-1,2-dihydrochinolinen: R2 +

H 2SO4 , F

O

NH 2

O

R2

O

+

/ 2 H 2O

R1

N

R1

OH F

RO

NH 2

RO

O

/ 2 ROH

2,4-Dialkylchinolin

N H

O

4-Hydroxy-2-oxo1,2-dihydrochinolin

Cyclisierung von 2-Aminophenyl- mit -Methylencarbonyl-Verbindungen 2-Aminophenone sowie 2-Aminobenzaldehyd cyclokondensieren mit c-MethylencarbonylVerbindungen zu Chinolinen (FRIEDLÄNDER-Synthese): R1

R1 O

+

NH 2

H 2C O

R2

R2

+

[H ] / 2 H2O

R3

R1 = R2 = R3 = CH3 2-Aminoacetophenon Butanon

N

R3

2,3,4-Trimethylchinolin

Anstelle der 2-Aminoacylbenzene kann auch Isatin (2,3-Dioxo-2,3-dihydroindol) eingesetzt werden, welches sich in alkalischer Lösung zur 2-Aminophenylglyoxylsäure öffnet: CO2

CO2

O + OH

/

O

O N H

+

NH 2

H2C O

R1 R2

R1

[H+] / 2 H2 O

N

R2

R1

[H+] /" CO2

N

R2

2,3-Dialkylchinolin

Isatin

33.11.2 Isochinoline (Benzo[c]pyridine) Heterocyclisierung von 2-Phenylethylamin-Derivaten N-Acyl-2-phenylethylamine cyclisieren in Gegenwart von LEWIS-Säuren zu 3,4-Dihydroisochinolinen, deren Dehydrierung Isochinoline ergibt (BISCHLER-NAPIERALSKI-Synthese): O +R C Cl

NH2

/ HCl

NH O R

2-Phenylethylamin

/ 2 [H+] , / 2 e0

PCl5

/

N

/ H2O

R

N R 1-Alkylisochinolin

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33.11 Synthese benzo-kondensierter Pyridine und Azine

681

Demselben Prinzip folgt die elektrophile Cyclisierung von N-Alkyliden-2-phenylethylamin (PICTET-SPENGLER-Synthese), welche man u. a. zur Herstellung von Tetrahydroisochinolin-Alkaloiden (Abschn. 38.5.4) anwendet: O C

+R

[H+]

H

NH2

/ 4 [H+] , / 4 e0

NH

N

/ H2O

/

N

R

R

R

N-Alkyliden-2-phenylethylamin

1-Alkylisochinolin

Heterocyclisierung aromatischer Aldehyde mit Aminoacetaldehyddiacetal Aminoacetaldehyddiethylacetal kondensiert mit Benzaldehyden zu Iminen, die in saurer Lösung elektrophil den Isochinolin-Ring schließen (POMERANZ-FRITSCH-Synthese), z. B.: OC 2H5

H3CO [H+]

OC 2H5

H

N

H

H

HO

- H2O (H2SO4)

O

/ 2 C2H5OH

N

H3CO

[H+]

/ H2O

N

H 3CO / H2O

OC 2H5

O

H3CO

+ H 2N

H

OC 2H5

Aminoacetaldehyddiethylacetal

H 3-Methoxybenzaldehyd

N

H 3CO

7-Methoxyisochinolin

33.11.3 Benzochinoline Acridin (Benzo[b]chinolin) ist durch Oxidation des Acridans zugänglich. Acridan entsteht bei der Reduktion des Acridons, dem Cyclisierungsprodukt der Diphenylamin-2-carbonsäure: O C OH

O

N H

/ H2O

+

N H

+

- 4 [H ], - 4 e0

H 2SO4

/"2 [H ],

/

/ 2 e0

/ H 2O

Acridon

/

N H

N

Acridan

Acridin

Phenanthridin (Benzo[c]chinolin) wird in Analogie zur Isochinolin-Synthese nach BISCHLER-NAPIERALSKI durch intramolekulare elektrophile Cyclisierung von 2-Formylaminobiphenyl hergestellt:

/ H2O

PCl5

N H

CH O

2-Formylaminobiphenyl

N H

OH H

N Phenanthridin

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682

33 Heteroaromaten

33.11.4 Benzopyridazine Cinnoline (Benzo[c]pyridazine) erhält man am bequemsten durch intramolekulare Cyclisierung diazotierter 2-Aminostyren-Derivate: R1

R1 R2

NH 2

R1

R1 H

R2

+

- HNO2, + [H ] / H2O

N

/ [H ]

R2

N

N

R2

+

N

N

subst. 2-Aminostyren

N

subst. Cinnolin

Phthalazine (Benzo[d]pyridazine) sind die Diazine der 1,2-Diacylbenzene sowie der o-Phthaldialdehyde und bilden sich dementsprechend bei deren Kondensation mit Hydrazin: R

R O O

+

H 2N

/"2 H2O

N N

H 2N

R

R

R = H , Alkyl , Aryl

subst. Phthalazin

33.11.5 Chinazoline 2-Aminophenone cyclokondensieren mit Amiden zu Chinazolinen (Benzo[d]pyrimidine): R1

R1 O

+

NH 2

/"2 H2O

H 2N O

C

N R2

N

R2

2-Aminophenon

subst. Chinazolin

Demselben Prinzip folgt die Synthese von 3H-Chinazolin-4-onen aus Anthranilsäure und Carbonsäureamiden, z. B.: O

O OH

+

NH 2

/"2 H2O

H2N O

C

NH N

R

R

2-Alkyl-3H-chinazolin-4-on

Geht man von Anthranilamiden aus, so schließt sich der 3H-Chinazolin-4-on-Ring bereits mit einer Carbonsäure als C1-Elektrophil, z. B.: O

O NHCH3

NH 2

/"2 H2O

OH

+ O

C

R

N N

CH3 R

3-Methyl-3H-chinazolin-4-on

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33.11 Synthese benzo-kondensierter Pyridine und Azine

683

33.11.6 Chinoxaline und Phenazine Chinoxaline (Benzo[b]pyridazine) sowie Phenazine (Dibenzo[b,e]pyridazine) bilden sich durch Kondensation von o-Phenylendiaminen mit 1,2-Dicarbonyl-Verbindungen bzw. o-Chinonen: NH 2

O

R

O

R

/"2 H2O

+ NH 2

R = H , Alkyl , Aryl

NH 2

R

N

R

2,3-Dialkylchinoxalin

O

N

/"2 H2O

+ O

NH 2

N

N

o-Benzochinon

Phenazin

Auch die milde Oxidation des o-Phenylendiamins führt zum Phenazin-System: NH 2

NH 2

- 6 Fe3+(CH3CO2H)

+

2+

/ 6 Fe

NH 2

NH 2

N

NH2

N

NH2

+

, / 6 [H ]

2,3-Diaminophenazin

33.11.7 Benzopyrone und Benzopyrylium-Salze Das als Cumarin bezeichnete Benzo[b]-c-pyron ist der Riechstoff des Waldmeisters und Grundskelett der cancerogenen Aflatoxine aus Schimmelpilzen (Aspergillus flavus). Benzo[b]-i-pyron ist als Chromon bekannt; es verkörpert das Grundskelett der Flavone (2-Phenylchromone) und Isoflavone (3-Phenylchromone). Glycoside der Polyhydroxyflavone und Isoflavone kommen als gelbe Farbstoffe (lat. flavus = gelb) in Pflanzen und deren Blüten vor. OCH3

O

O

O

O

O

O

O O

O

Cumarin Benzo[b]-c-pyron

O O

O O R R = H : Aflatoxin B 1 R = OH : Aflatoxin M1

Chromon Benzo[b]-i-pyron

Flavon

Isoflavon

In Analogie zur Chinolin-Synthese aus Anilin und 1,3-Dicarbonyl-Verbindungen (Abschn. 33.11.1) bilden sich Cumarine aus Phenolen und Malonsäurediestern (FRIEDLÄNDER-PECHMANNSynthese), O + OH

OH [H+] , F

RO RO

O

/ 2 ROH

O

O

4-Hydroxycumarin

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684

33 Heteroaromaten

oder aus 2-Hydroxyphenonen und c-Methylencarbonsäureestern, z. B.: O

CH 3 O

H2C

+

OH

C

H 5C2O

2-Hydroxyacetophenon

CH3 O CH 3

C

+

[H ] , F / H2O , / C2H5OH

O

Acetessigester

O

CH 3

O

3-Acetyl-4-methylcumarin

Chromone sind durch elektrophile Cyclisierung von Phenolen mit d-Oxoestern zugänglich. Flavone (2-Phenylchromone), deren Hydroxy-Derivate in Form von Glycosiden als gelbe Farbstoffe in vielen Blüten, Hölzern, Rinden und Wurzeln vorkommen, erhält man z. B. aus Phenolen und Benzoylessigsäureethylester (SIMONIS-Synthese): O H5C 2O

+ OH

C

O H

P2O5 / H2O , / C2H5OH

HO Benzoylessigsäureethylester (Enol-Tautomer)

O Flavon (2-Phenylchromon)

Eine einfache Synthese der ebenfalls in Pflanzen (Sojabohne) vorkommenden Isoflavone (3Phenylchromone) ist die Formylierung von o-Hydroxydesoxybenzoinen mit Orthoameisensäuretriethylester als C1-Baustein und die anschließende elektrophile Cyclisierung: O

O Base

C H2

+

HC(OC 2H5)3

OH

/ 3 C2H5OH

o-Hydroxydesoxybenzoin

O Isoflavon (3-Phenylchromon)

Benzopyrylium- oder Flavylium-Salze kommen als Komponenten blauer und roter Farbstoffe (Anthocyanidine) in vielen Früchten und Blüten vor. Ihre Synthese gelingt durch KNOEVENAGELKondensation von Salicylaldehyden mit c-Methoxyacetophenonen. Das Primärprodukt cyclisiert zum Halbketal, dem c-Flavanol (Oxo-Cyclo-Tautomerie), welches nach Zusatz von Säure unter Aromatisierung zum Flavylium-Salz dehydratisiert (ROBINSON-Synthese): OCH3

OCH 3

OCH3

OCH 3

H3CO OHO

OCH 3

O

H3CO

OH OCH3

Oxo-Cyclo-Tautomerie

/ H2O

H3CO

H

+ HCl

OCH 3 O

H3CO

/ H2O

(HCl)

OH

+

H2C O

OCH 3

OCH 3

C

H3CO OCH 3

O Cl

OCH3

Pelargonidinium-chlorid-tetramethylether

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33.12 Reaktionen monocyclischer Sechsring-Heteroaromaten

685

33.11.8 Phenoxazine und Phenothiazine Phenoxazin (Dibenzo[b,e]4H-1,4-oxazin) ist durch Erhitzen von 2-Aminophenol und dessen Hydrochlorid zugänglich (GILMAN-MOORE-Synthese): NH 2

Cl H3N

H N

/ H2O , / NH4Cl

+ OH

O

HO

Phenoxazin

Phenothiazin (Dibenzo[b,e]4H-1,4-thiazin) entsteht beim Schmelzen von Diphenylamin und Schwefel: H N

H N

+ 2 S , / H2S

S Phenothiazin

Phenoxazin und Phenothiazin sind Grundskelette synthetischer und natürlicher Farbstoffe (Abschn. 34.5.2, 34.5.4).

33.12 Reaktionen monocyclischer Sechsring-Heteroaromaten 33.12.1 Reaktionen am Imino-Stickstoff Basizität In aliphatischen Aminen besetzt das nicht bindende Elektronenpaar am Stickstoff ein sp3-, in Pyridin und seinen Analogen dagegen ein sp2-Hybridorbital. Da die Reichweite der sp2-Orbitale etwas kleiner ist (Abschn. 1.6), liegen die n-Elektronen des Pyridins und seiner Analogen näher am NAtom und sind elektrophilen Angriffen / etwa durch ein Proton / weniger zugänglich als in aliphatischen Aminen. Dies erklärt die im Vergleich zu aliphatischen Aminen (pKa 10) kleinere Basizität des Pyridins (pKa = 5.25). Andererseits gehört das n-Elektronenpaar des Pyridin-N-Atoms nicht zum r-Elektronensextett wie im Pyrrol. Daher ist Pyridin viel stärker basisch als Pyrrol. Elektronenschiebende Substituenten (z. B. /NH2) in 2- und vor allem in 4-Stellung des Pyridins erhöhen die Basizität, während elektronenziehende Gruppen (z. B. /CHO) das Gegenteil bewirken: NH2

NH2 H

N N

N

4-Aminopyridin : pKa = 9.11

H

N

O

O

Pyridin-2-aldehyd : pKa = 3.80

Auf der durch den (-)-M-Effekt der Dimethylamino-Gruppe stark erhöhten Basizität des 4-Dimethylaminopyridins (DMAP) beruht dessen Anwendung als hochwirksamer Acylierungskatalysator. Zusätzliche Imino-Stickstoff-Atome im Ring wirken wie (/)-M-Substituenten. Daher

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686

33 Heteroaromaten

sind Pyridazin, Pyrimidin und Pyrazin deutlich schwächere Basen als Pyridin (pKa = 5.25), wobei (-)-M-Substituenten die Basizität reaktivieren können: N

N N

N

pKa = 2.24

N

N

pKa = 1.30

pKa = 0.65

N

N N

NH2

N

pKa = 3.45

NHCH3

pKa = 3.39

Imino-Stickstoff als Donor und Nucleophil Pyridin und seine Derivate komplexieren Metall-Kationen. Besonders bekannt ist das beim Nachweis von Eisen(II)-Ionen mit 2,2´-Bipyridin entstehende tiefrote Chelat: 2

N

N

N

N

2

+

3

Fe

Fe

N

N

N

N Tris-(2,2'-bipyridin)eisen(II)-Ion (Hauptprodukt)

Mit Halogenalkanen und Dialkylsulfaten reagiert Pyridin zu N-Alkylpyridinium-Salzen. Diazine werden meist monoalkyliert, wobei die Orientierung durch Substituenten gesteuert wird: CH3

CH3 + N

CH3 I N

N

I

N

+

CH3 nicht

CH3 I

N I CH3 N

CH 3

N

N CH3 I

Auch gegenüber Carbonsäurehalogeniden, Bromcyan, Distickstoffpentoxid und Schwefeltrioxid verhält sich Pyridin als Stickstoff-Nucleophil:

N

NO3

+ N2O5

1-Nitropyridiniumnitrat

N

+ RCOCl

NO2

O + SO3

N

+ BrCN

C

Cl R

1-Acetylpyridiniumchlorid

N

N

SO3

CN

Pyridinium-1-sulfonat

1-Cyanopyridiniumbromid

Br

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33.12 Reaktionen monocyclischer Sechsring-Heteroaromaten

687

Die dabei entstehenden Pyridinium-Salze sind milde Acylierungs-, Cyanierungs-, Nitrierungs- und Sulfonierungs-Reagenzien, z. B.: O N C

O

Cl

+

R'

OH

R

+

C

N

OR'

R

Cl

H

N-Oxidation Mit Peroxiden und Peroxysäuren reagieren Pyridin und die Diazine zu N-Oxiden, in denen die Mesomerie eine Umkehrung der Polarisierung des Ringes beschreibt:

̈

O +

R

/ RCO2H

C O OH

N

N

N

N

N

O

O

O

O

Diese "Umpolung" der c- und i-C-Atome begünstigt die elektrophile Substitution des Pyridins in 2- und 4-Stellung. Die Regeneration des Pyridin-Ringes aus dem N-Oxid gelingt mit Triphenylphosphan oder Phosphortrichlorid. Iodalkane regenerieren ebenfalls und werden dabei zu Aldehyden umfunktioniert. + R /CH2/I

+ (C6H5) 3P oder PCl3

N

/ (C6H5) 3PO oder POCl3

Base , / H I

+ N

N

I

O

O

R C H

N

O

C

R

H

H

33.12.2 Cycloadditionen c-Pyrone neigen zu [4+2]-Cycloadditionen, z. B. mit Maleinsäureanhydrid, O O

O

O +

O

O

O

O

8-Oxo-7-oxabicyclo[2.2.2]oct5-en-2,3-dicarbonsäureanhydrid

O O

während von i-Pyronen [2+2]-Photocycloadditionen bekannt sind, die zu "Vogelkäfig-Verbindungen" (Dioxaasteranen) führen: O H3C

O

CH 3

hp

+ H 3C O

O

H3C O H 3C

CH3 O

O

CH3 O CH3

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688

33 Heteroaromaten

33.12.3 Nucleophile Additionen, Ringöffnungen, Umheterocyclisierungen Pyrylium- und Thiapyrylium-Salze sind nucleophilen Additionen in Stellung 2 und 4 gut zugänglich, wie die Reaktion des Thiapyrylium-Ions mit komplexen Hydriden zeigt: H H LiAlH4

+

[H

]

sowie

S

S

S

4H-

H H

2H-Thiapyran

Entsprechend verhalten sich Pyridinium-Salze: LiAlH4

+

[H

]

N

N

R

R

H H

Aus Pyridinen selbst entstehen dagegen die 1,2,5,6-Tetrahydro-Derivate, und die RANEY-NickelHydrierung ergibt bereits unter Normaldruck Piperidine (Abschn. 32.3.4). Die nucleophile Addition von Benzylmagnesiumbromid an N-Alkylpyridinium-Salze führt zu 1,2Dialkyl-1,2-dihydropyridinen, z. B.: C 6H5 +

H2C

/ MgBr2

Mg Br

N

N

CH 3 Br

H CH 2 C6H 5

CH 3 2-Benzyl-1-methyl-1,2-dihydropyridin

Mit Hydroxid als Nucleophil erhält man unter oxidierenden Bedingungen 1-Alkyl-2-pyridone: +

K3[Fe(CN) 6]

OH

N

N

CH 3

CH3

/"2"] H+] , /"2 e0

H OH

/

N

O

CH3 1-Methyl-2-pyridon

Als Folgereaktionen nucleophiler Additionen werden häufig Ringöffnungen beobachtet. So ergibt die nucleophile Addition von Cyanid an Pyrylium-Salze 5-Cyano-1,3-dienone: CN + O

CN O

CN

O

Mit Ammoniak und primären Aminen führt die nucleophile Ringöffnung zu Umheterocyclisierungen. Aus Pyrylium-Salzen entstehen so Pyridin-Derivate, und die Ammonolyse von 1,3-Oxazinium-Salzen öfnnet einen weitereren Weg zu Pyrimidinen:

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33.12 Reaktionen monocyclischer Sechsring-Heteroaromaten

+

689

/ H2O

NH 2 R

H 2N R

O

O

O

NH 2 R

N R N-Alkylpyridinium-Ion

N

+

/ H3O+

NH3

N

O

substituiertes Pyrimidin

N

Die Synthese des 2,4,6-Triphenylphosphabenzens gelingt nach diesem Konzept aus 2,4,6-Triphenylpyryliumtetrafluoroborat und Trihydroxymethylphosphan (Abschn. 33.10.2). Auf der nucleophilen Ringöffnung des 1,3,5-Triazins beruht dessen Verwendung als Methinylierungsreagenz, u. a. bei der Synthese des Benzothiazols aus 2-Aminothiophenol: N

N

SH +

S

3

+

3

N 1,3,5-Triazin

3 NH3

N

NH 2 2-Aminothiophenol

Benzothiazol

33.12.4 Nucleophile Substitutionen Hydrid als Abgangsgruppe Die mesomeren Grenzformeln des Pyridins (Abschn. 33.4.1) zeigen eine positive Polarisierung der c- und i-C-Atome. Dementsprechend läßt sich Pyridin durch das Amid-Ion als Nucleophil in Position 2 aminieren (TSCHITSCHIBABIN-Reaktion). Das sich abspaltende Hydrid-Anion bildet mit einem Proton der eingeführten Amino-Gruppe Wasserstoff. Die Weiterreaktion führt zu 2,6-Diaminopyridin. Die Einführung der Amino-Gruppe in Position 4 gelingt nur, wenn die Stellungen 2 und 6 bereits substituiert sind. + Na

/ H2

"NH2

N

N

H NH2

- H 2O

Na

N

NH Na

/ NaOH

Natrium-2-pyridylamid

N

NH 2

2-Aminopyridin

Nucleophile Alkylierungen und Arylierungen durch Alkyllithium und Phenyllithium verlaufen ebenfalls unter Hydrid-Abspaltung, z. B.: / LiH

+ N

Li N

H C6H 5

Li

N

2-Phenylpyridin

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690

33 Heteroaromaten

Zusätzliche Stickstoff-Atome im Ring fördern aufgrund ihres (/)-M-Effekts die nucleophile Substituierbarkeit. Daher lassen sich auch die Diazine nucleophil alkylieren, arylieren und aminieren. C6H 5

N

+

N

C 4H9

/ LiH

Li C4H 9

N

N

N

+

Li C 6H5

/ LiH

N N

N

3-Butylpyridazin

4-Phenylpyridin

N +

LiNH2

N

/ LiH

NH 2

N

N

2-Aminopyrazin

Halogenid als Abgangsgruppe Die nucleophile Substitution des Halogenids in 2-Stellung verläuft unter milden Bedingungen: / NaCl

+ N

ZnCl2

NaOCH 3

+

Cl

N

N OCH3 2-Methoxypyridin

NaNH 2

Br

/ NaBr

N NH 2 2-Aminopyridin

In 4-Stellung gelingt die Substitution von Halogenid mit Natriumamid über 3,4-Dehydropyridin (Pyridyn). Dementsprechend wird ein Gemisch aus 3- und 4-Aminopyridin isoliert: NH 2

Cl H

- NaNH2 / NaCl / NH3

N

H2N

- NH3

N

sowie

N

N

Aktivierung der nucleophilen Substitution Durch O-Alkylierung von Pyridin-N-oxid (Abschn. 33.12.1) erhält man N-AlkoxypyridiniumSalze, die leichter substituierbar sind als Pyridin selbst. So ergibt die Reaktion von Cyanid mit dem N-Methoxypyridinium-Ion ein Gemisch aus 2- und 4-Cyanopyridin nach einem AdditionsEliminierungs-Mechanismus. CN

H CN + CH 3

I

+ CN

N

N

O

O

/I

/

/ CH 3OH sowie

/

I CH 3

N OCH3

sowie

H N CN OCH3

N

N

CN

33.12.5 Elektrophile Substitutionen Allgemeiner Trend Die positive Polarisierung der c- und i-C-Atome des Pyridin-Ringes im Sinne seiner mesomeren Grenzformeln (Abschn. 33.4.1) läßt für elektrophile Angriffe nur die d-Position zu. Demzufolge gelingen elektrophile Substitutionen wie Bromierung, Nitrierung und Sulfonierung des Pyridins nur in 3,5-Stellung und unter verschärften Bedingungen.

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33.12 Reaktionen monocyclischer Sechsring-Heteroaromaten

H2S2O7 / H2SO4

SO3H

691

KNO3 / H2SO4 (370 °C)

N

NO2 N

N

Pyridin-3-sulfonsäure

3-Nitropyridin Br 2

300 °C

Br

Br

Br

sowie

N

N

3-Brom-

3,5-Dibrompyridin

Einfluß von Substituenten und weiteren Ring-N-Atomen Elektronenziehende Substituenten und weitere Ring-N-Atome führen zu einer zusätzlichen Desaktivierung. Elektronenschiebende Substituenten reaktivieren dagegen die elektrophile Substituierbarkeit, wie die folgenden Beispiele zeigen. In Position 3 dirigieren sie in 2-Stellung, während 2-substituierte Pyridine und Pyrimidine in 5-Stellung angegriffen werden. NHCH 3

NHCH 3

- [NO2+] , /"[H+]

HNO3 / H2SO4

N

N NO2 3-Methylamino-2-nitropyridin O2N

- [NO2+] , /"[H+]

N

HNO3 / H2SO4

NH 2

Br

- Br 2 , /"HBr

N N

N NH 2 2-Amino-5-nitropyridin N

N NH 2 2-Amino-5-brompyrimidin

NH 2

Die relativ leichte Bromierung der i-Pyrone wird dem phenolatanalogen (-)-M-Einfluß der Carbonyl-Funktion zugeschrieben: O

O

O

O

O

O

O

Br

- 2 Br 2 , /"2 "HBr

O

Br

Br

O

Br O

3,5-Dibrom-i-pyron

Reaktivierung durch N-Oxidation Auch die N-Oxidation reaktiviert den Pyridin-Ring zur elektrophilen Substitution in 2-, 4- und 6Stellung, wie die bereits formulierte Mesomerie der N-Oxide zeigt (Abschn. 33.12.1). Allerdings behindert die elektrostatische Abstoßung des positiven Ring-N-Atoms elektrophile Angriffe in cStellung, so daß bevorzugt am i-C substituiert wird, selbst bei Anwesenheit schwacher Elektronendonoren wie Alkyl-Gruppen in c-Stellung: NO2 - [NO2+] , /"[H+]

N O

CH 3

HNO3 / H2SO4

N

CH3

O 2-Methyl-4-nitropyridin- N-oxid

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33 Heteroaromaten

Starke (-)-M-Substituenten wie die Dimethylamino-Gruppe dirigieren dagegen in eine "p"Position: O2N

- [NO2+] , /"[H+]

N

HNO3 / H2SO4

N(CH 3)2

N

O

N(CH3)2

O 2-(N,N-Dimethylamino)-5-nitropyridin- N-oxid

N-Oxide der Diazine sind ebenfalls milder substituierbar als die freien Heteroaromaten: NO2 - [NO2+] , /"[H+]

N

N

HNO3 / H2SO4

N

O

N

O 4-Nitropyridazin-1-oxid

Die Abspaltung des N-Oxid-Sauerstoff-Atoms gelingt am besten mit Triphenylphosphan oder Phosphortrichlorid.

33.12.6 Besondere Reaktionen von Substituenten CH-Acidität von Alkyl-Gruppen 2- und 4-Methylpyridine verkörpern heteroanaloge Methylketone und deren Vinyloge: H2C N

wie

CH 2

O

H + B 2-Methylpyridin

H + B

H 2C

H + B

wie

CH 2 N

H + B Methylketon

O

4-Methylpyridin

vinyloges Methylketon

2- und 4-Methyl-Gruppen am Pyridin-Ring sind daher CH-acide und deprotonieren mit Basen zu nucleophilen Carbanionen. Dementsprechend gelingt nach Metallierung mit Phenyllithium die Carboxylierung der 2-Methyl-Gruppe: 1.) + O=C=O 2.) + H2O , / LiOH

- C6H5 Li

N

/ C6H6

CH 3

Li N

CH2

N

CH2

N CH2 CO2H 2-Pyridylessigsäure

Aldehyde alkenylieren die Methyl-Gruppen in 2- und 4-Stellung nach KNOEVENAGEL: R R

CH3 + N

H

C

ZnCl2

C H H2C OH

R

/ H2O

O N

N

R=H : 4-Vinylpyridin R = C6H5 : 4-Stryrylpyridin (E+Z)

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33.12 Reaktionen monocyclischer Sechsring-Heteroaromaten

693

Entsprechend reagieren auch die Methyl-Gruppen der Diazine, z. B.: R CH3

R

N H3C

+

N

3H

C

ZnCl2

O

/ 3 H2O

CH3

R = C6H5 :

N N

R

2,4,6-Tristyrylpyrimidin

R

Auch der verhältnismäßig leichte Deuterium-Austausch von 2,4,6-Trimethylpyrylium-Salzen geht auf CH-acide Methyl-Gruppen zurück. CD3

CH 3 -""9 D2O

H3C

O

/""9 HDO

CH 3

D 3C

O

CD 3

2,4,6-Tris-(trideuteriomethyl)pyrylium-Ion

Wie Methyl- und Methylen-Gruppen c zu einer Carbonyl-Funktion lassen sich 2-Methyl-Gruppen am Pyridin-Ring leicht zu Aldehyd-Funktionen oxidieren (SAUERMILCH-Oxidation): Luft , V2O5

+ N

O2

CH 3

/ H2O

N

C

H

O Pyridin-2-aldehyd

-Vinyl-Gruppen als Elektrophile 2-Vinylpyridin ist in Analogie zu c,d-ungesättigten Carbonyl-Verbindungen der nucleophilen Addition (MICHAEL-Addition) zugänglich: CO2C 2H5 O

+

O

CO2C 2H5 CO2C 2H5

N

NaOR

H C H

+

CO2C 2H5 C H CO2C 2H5

NaOR

H C H

N

CO2C 2H5

CO2C 2H5 C H CO2C 2H5

2-(2-Pyridyl)ethyl-malonsäurediethylester

Oxo- und Hydroxy-Gruppen Die Carbonyl-Funktion in i-Pyronen und i-Thiapyronen hat mehr Phenolat- als CarbonylCharakter. Aus diesem Grund reagiert sie nicht zu Oximen oder Hydrazonen wie Aldehyde und Ketone. Dagegen gelingt die O-Alkylierung wie bei Phenolaten, z. B.: O

O

OCH3 +

H 3C

O

CH3

H 3C

O

CH3

CH 3 I H3C

O

I CH 3

2,6-Dimethyl-4-methoxypyrylium-iodid

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694

33 Heteroaromaten

33.13 Reaktionen benzologer Sechsring-Heteroaromaten 33.13.1 Reaktionen am Ring-Stickstoff Der ankondensierte Benzen-Ring führt nur im Falle des Chinazolins zu einer deutlichen Erhöhung der Basizität im Vergleich zum Monocyclus. Offenbar kompensiert der Benzen-Ring den (/)-MEffekt des zweiten Pyrimidin-N-Atoms. Daß sich der c-Stickstoff tatsächlich an der Mesomerie des Benzen-Ringes beteiligt, zeigt sich daran, daß Chinolin etwas schwächer, Isochinolin geringfügig stärker basisch ist als Pyridin. Chinolin

Isochinolin

N

Cinnolin

N

N

Chinazolin

Chinoxalin

N

N

N N

pKa = 4.90 (5.25)

5.42 (5.25)

2.37 (2.24)

N

3.43 (1.30)

0.56 (0.65)

(eingeklammert sind die pKa -Werte der Monoheterocyclen)

Wie die Monocyclen (Abschn. 33.12.1) bilden die benzokondensierten Derivate quartäre Immonium-Salze und N-Oxide.

33.13.2 Katalytische Hydrierung und oxidative Ringöffnung Chinolin und Isochinolin werden katalytisch unter Erhaltung des Benzen-Ringes zu den 1,2,3,4Tetrahydro-Derivaten hydriert: + 2 H2

Pd

N

N H

N

+ 2 H2

Pd

1,2,3,4-Tetrahydrochinolin

NH 1,2,3,4-Tetrahydroisochinolin

Dagegen greifen Oxidationsmittel bevorzugt den Benzen-Ring an, da dieser elektronenreicher ist als der Pyridin-Ring mit Elektronen-Defizit. So führt die Permanganat-Oxidation des Chinolins und Isochinolins zu Pyridin-2,3- bzw. Pyridin-3,4-dicarbonsäure: CO2H N

CO2H

Pyridin-2,3dicarbonsäure aus Chinolin

Pyridin-3,4dicarbonsäure aus Isochinolin

CO2H CO2H N

33.13.3 Nucleophile Additionen Am elektronenarmen Pyridin-Ring des Chinolins und Isochinolins finden nucleophile Additionen verhältnismäßig leicht statt. So führt die Reduktion des Chinolins mit komplexen Metallhydriden (Hydrid-Anion als Nucleophil) zu 1,2-Dihydrochinolin. Die Quaternisierung des Pyridin-N-Atoms stimuliert Chinolin und Isochinolin zur nucleophilen Addition, wie einige Beispiele zeigen:

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33.13 Reaktionen benzologer Sechsring-Heteroaromaten

695

H CN + CN

N

4-Cyano-1-methyl1,4-dihydrochinolin

N

N

CH 3

CH 3

+ RCOCl / Cl

/

+ CN

/

/

N

N O

C

H CN

O

R

C

R = C6H5 : 1-Benzoyl-2-cyano1,2-dihydrochinolin

R

+ CH3 Mg I

N

CH3

/ Mg 2+ , / I

/

N

1,2-Dimethyl-1,2dihydroisochinolin

CH3 H CH 3

Ebenso sind Benzopyrylium-Salze nucleophilen Additionen in 2-Stellung zugänglich: + O

/ HX

HN

N

O

X

H

2-Piperidyl-2 H-chromen

Ist die Position 2 sterisch gesperrt, so wird in 4-Stellung addiert: H OC 2H5 +

OC 2H 5

O

O

Flavylium-Ion

4-Ethoxy-2-phenyl-4 H-chromen

33.13.4 Nucleophile Substitutionen Auch nucleophile Substitutionen benzokondensierter Pyridine, z. B. durch das Amid-Anion oder durch Alkyl- und Aryllithium, finden ausschließlich am elektronenarmen Pyridin-Ring statt. Chinoline werden bevorzugt in 2-, Isochinoline dagegen in 1-Stellung substituiert: / NaH

2-Aminochinolin

+ NaNH2 N

N

NH 2

/ NaH

N

+ NaNH2

1-Aminoisochinolin

N NH2 / Li H

N

+ H 9C4Li

1-Butylisochinolin

N C 4H9

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696

33 Heteroaromaten

Außer Hydrid- sind Halogenid-Ionen gute Abgangsgruppen. Auf diese Weise können 2-Chlorchinoline umfunktioniert werden, z. B. durch Wasser, Alkoholat oder WITTIG-Ylide als Nucleophile: + H2O

N H

O

+ NaOC2H5

/ HCl

N

2-Chinolon + R

CH P(C6H5) 3

/ NaCl

Cl

/ HCl

R'

+ H2O ( OH ")

CH2

2-Alkylchinolin

OC 2H5

+ O C

/

N

N

2-Ethoxychinolin

R'

R'

/ OP(C6H5) 3

P(C 6H5)3

N

/ OP(C6H5) 3

N

R' R

R

R

2-Alkenylchinolin

33.13.5 Elektrophile Substitutionen Elektrophile Substitutionen benzo-kondensierter Pyridine und Diazine erfolgen durchweg am elektronenreicheren Benzen-Ring. Chinolin wird meist in Stellung 5 und 8, sehr selten in Stellung 3, Isochinolin fast ausschließlich in Position 5 substituiert: NO2 NO2

/ -

CH3CO2 "" NO2

HNO3 / H2SO4

N

sowie

N

N

3-Nitrochinolin

N NO2

SO3 / H2SO4

5-Nitrochinolin

8-Nitrochinolin

Chinolin-8-sulfonsäure

N SO3H

Die Benzodiazine werden ebenfalls ausschließlich am Benzen-Ring substituiert: NO2 HNO3 / H2SO4

N

N

N

N

5-Nitrocinnolin

sowie

N

N

NO2 8-Nitrocinnolin

NO2 N

HNO3 / H2SO4

N N

N

5-Nitrochinazolin

Wie im Falle des Pyridins erleichtert die N-Oxidation (Abschn. 33.12.5) elektrophile Substitutionen. Dennoch wird unter milden Bedingungen bevorzugt am Benzen-Ring substituiert: NO2 - [NO2+] , /"[H+]

N NO2 O 8-Nitrochinolin-N-oxid

HNO3 / H2SO4 , < 10 °C

- [NO2+] , /"[H+]

N O

HNO3 / H2SO4 , > 60 °C

N O 4-Nitrochinolin-N-oxid

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33.13 Reaktionen benzologer Sechsring-Heteroaromaten

697

Entsprechendes gilt für Isochinolin: NO2

- [NO2+] , /"[H+] HNO3 / H2SO4

N

N

O

O

5-Nitroisochinolin- N-oxid

33.13.6 CH-Acidität und andere Reaktionen von Methyl-Gruppen Methyl-Gruppen in 2- und 4-Stellung zum Heteroatom benzo-kondensierter Sechsring-Heteroaromaten sind CH-acide und gehen KNOEVENAGEL-Alkenylierungen und Esterkondensationen ein. Sowohl Benzopyrylium-Salze, H O

CH 3

+

ZnCl2

O

O

/ H2O

2-Styrylbenzopyrylium-Ion

als auch Chinoline und Isochinoline reagieren dementsprechend mit Carbonyl-Verbindungen: H

N CH 3

+

N ZnCl2

O

/ H2O

1-Styrylisochinolin

O N

CH 3

+

H5C 2O

C

NaOC2H5

C

OC2H 5

O

/ C2H5OH

N

O

CO2C 2H5

2-Chinolylbrenztraubensäureethylester

Analoge Reaktionen sind mit den 2-Methyl-Gruppen der Benzodiazine möglich. 4-Methylchinazolin und 4-Nitrobenzaldehyd kondensieren z. B. zu 4-(4-Nitrostyryl)-chinazolin. Eine Besonderheit ist die [4+2]-Cycloaddition des Chinodimethen-Tautomers von 2,3-Dimethylchinoxalin an Maleinsäureanhydrid. Diese Reaktion reflektiert die im Vergleich zum Benzen-Ring schwächere Aromatizität des Pyrazin-Systems. O + N

CH 3

N

CH 3

H N N H

CH 2 CH 2

O O

H N

H

O O

N H

H

O

1,2,3,4,5,10-Hexahydrophenazin2,3-dicarbonsäureanhydrid

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698

33 Heteroaromaten

33.14 Heterokondensierte Heteroaromaten Die große, bereits in Abschn. 33.1.3 erkennbare Vielfalt bicyclischer Heteroaromaten mit Heteroatomen in beiden Ringen zwingt zu einer Auswahl der Heterobicyclen, welche als solche oder hydriert die Grundskelette bedeutender Naturstoffklassen und einiger Arzneimittel bilden.

33.14.1 Heterobicyclen mit Stickstoff als Brückenkopf Die einfachsten aromatischen Heterobicyclen mit Stickstoff als beide Ringe verknüpfendes Heteroatom sind Dehydropyrrolizinium- und Dehydrochinolizinium-Ion sowie Indolizin: 7 6

7a 4

N 3H-Pyrrolizin

2

N

5

8

1

6

9

8a

8 2

N 4

3

Dehydropyrrolizinium-Ion

9a

2

5N 6

Indolizin

N 4

Dehydrochinolizinium-Ion

9aH-Chinolizin

Die vollständig hydrierten Derivate Pyrrolizidin, Indolizidin und Chinolizidin sind Grundgerüste einiger Alkaloide (Abschn. 38.2.3): N

N

Pyrrolizidin

N

Indolizidin

Chinolizidin

Indolizine 2-Alkylindolizine werden nach TSCHITSCHIBABIN aus c-Halogenketonen durch KNOEVENAGELAlkenylierung und Dehydrohalogenierung der zunächst entstandenen N-2-OxoalkylpyridiniumSalze hergestellt: O

CH3 N

C

+

CH3 N

R

Br c-Picolin

Br

c-Bromketon

O

NaHCO3 / HBr , / H2O

R

N

R 2-Alkylindolizin

Pyrrolizin-Derivate Pyrrolizine sind in Form partiell oder vollständig hydrierter sowie kondensierter Derivate stabil. Pyrrolo[2,1,5-c,d]indolizin (Cycl[3.2.2]azin) bildet sich nach BOECKELHEIDE durch Formylierung von metalliertem 5-Methylindolizin und anschließendem elektrophilen Ringschluß: H3C

+ N

CH2 Li

H N

H3C

O

C O

/ LiN(CH3)2

N

H

HO N

H

2

/ H2O

2a

3 4

1 7a

N

4a 5

7 6

Cycl[3.2.2]azin

Chinolizin-Derivate Chinolizin entsteht in Form des 9aH-Tetracarbonsäureesters durch 1,4-dipolare Cycloaddition von Acetylendiester an Pyridin:

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33.14 Heterokondensierte Heteroaromaten

699

O N

OCH3

C

+

N

CO2CH 3

H3CO2C CO2CH 3

CO2CH 3 CO2CH3

CO2CH 3

H3CO2C CO2CH 3

+

N

CO2CH3

9aH-Chinolizin-1,2,3,4-tetracarbonsäuretetramethylester

CO2CH 3

N

H3CO2C

CO2CH3 CO2CH 3

Ein weiterer Weg zu 2-Alkyldehydrochinolizinium-Salzen ist die Cyclisierung metallierter c-Picoline mit 2,2-Dimethoxyethylketonen: O Li R N

OH R

- HBr / LiBr

CH(OCH3)2

N H3CO

H

OH R

- HBr / 2 CH3OH

N Br

OCH3

/ 2 CH3CO2H

+ (CH3CO) 2O

O

CH2 Li +

N

(H 3CO)2CH

C

R

R

2-Alkyldehydrochinolizinium-bromid

N

CH2

Br

33.14.2 Purine Die als Purine bekannten Imidazo[4,5-d]pyrimidine kommen als Nucleobasen der Nucleinsäuren, als Phytohormone, Harnsäure und Xanthin-Derivate natürlich vor (Tab. 33.5). Sie können in Form der 9H- und 7H-Tautomeren vorliegen: 6 1N

N 9

N

H N

7 5

4

3

N

8

N H

7

N

N

9H-Purin

9

7H-Purin

Der letzte Schritt fast aller Purin-Synthesen ist, in Analogie zur Benzimidazol-Synthese, ein Ringschluß von 4,5-Diaminopyrimidin-Derivaten mit einem Ameisensäure-Derivat als C1-Elektrophil: R

R O

NH2

N

+ N

NH2

/ H2O

C H HO

N N

H N

R C O

NH 2

H

N N

H N N H

R H OH

/ H2O

N

N N

N H

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700

33 Heteroaromaten

Tab. 33.5. Purin-Derivate natürlicher Herkunft NH2 Nucleobasen (aus Nucleinsäuren)

O N

N N

O N

HN

N H

H2N

N H

N

Adenin

HN N

N

N H

N Zeatin

O

N N H

N H

O

Purin-Stimulantien O

O N

N

O N H

N H

Harnsäure (Harn- , Blasen- , Nierensteine, Gelenkablagerungen bei Gicht)

O N

H N

HN

Xanthin (Blut, Harn, Leber)

H 3C

N H

O

O Stoffwechselprodukte

CH 2OH N

N

Kinetin

HN

N H

Hypoxanthin

CH 3

HN N

N

Guanin

O Phytohormone (Zellteilung, Pflanzenwachstum)

N

HN

HN

N H

O

N

H 3C

N

O

CH 3 N

N N

N

CH 3

CH3

Theobromin (Tee , Kakao , Colanuß)

Coffein (Tee , Kaffee , Mate)

CH3 Theophyllin (Tee)

O

CH3 N

Bei der Guanin-Synthese nach TRAUBE werden Guanidin und Cyanessigsäureethylester zum 2,4Diamino-6-oxo-1,6-dihydropyrimidin cyclisiert. Anschließende Nitrosierung und Reduktion führt zum 6-Oxo-2,4,5-triamino-1,6-dihydropyrimidin, das mit Ameisensäure zu Guanin cyclokondensiert: O H5C 2O NH H 2N

C

C +

O CH2 C

NH 2 N

NaOC2H5 / C2H5OH

O NaNO2

HN H 2N

N

NH 2

-""[NO+] , /"] H+]

NO

HN H2N

N

-""6"[H+] , -""4 e0

NH4SH oder Na2S2O4

O N

HN H 2N

N Guanin

N H

+ HCO2H (CH3CO) 2O / 2 H2O

NH2 /

/"6 H2O

O NH2

HN H2N

N

NH2

Zur Synthese des Adenins nach TODD cyclisiert man Formamidin mit Phenylazomalodinitril zu 4,6-Diamino-5-phenylazopyrimidin, hydriert letzteres zum 4,5,6-Triaminopyrimidin und schließt den Imidazol-Ring mit Dithioformiat:

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33.14 Heterokondensierte Heteroaromaten

N NH H

C

NH 2

H C +

C

701

N

N

C6H 5

/

C4H9O

N

N

C

N

C6H 5 4,6-Diamino-5-phenylazopyrimidin

NH2

N

NH2 N

/ C6H5NH2

+ H2 / Ni

S

NH 2

+H

NH2

N N

NH 2

C S Na

N

/ NaSH

NH2

H N

NH2 C

H

/ H2S

S NH 2

N

N

N N

4,5,6-Triaminopyrimidin

N H

Adenin

33.14.3 Pteridine Derivate der Pteridine (Pyrazino[2,3-d]pyrimidine) finden sich als Flügelpigmente einiger Schmetterlinge sowie als Wirkstoffe der Vitamin-B-Gruppe mit Pterin-Grundskelett (Tab. 33.6). O

5 4a

3N

N Pteridin

N 1

8a

N

H 2N

8

N

HN

Pterin

N

N

Tab. 33.6. Pteridin-Derivate natürlicher Herkunft H

O Flügelpigmente von Schmetterlingen

Xanthopterin weiß (Kohlweißling)

HN H 2N

O

N N

O

Leucopterin gelb (Zitronenfalter)

N

HN H2N

N

H N

O

N

O

H O Wirkstoffe der Vitamin-B-Reihe

6-Methylpterin

C

O Folsäure (Spinat , Leber, Bakterienwuchsstoff)

N

HN H2N

N

C

O

C

N

HN N

CO2H

H O

O

H2N

N H

N

N H

N-Formyltetrahydrofolsäure , Folinsäure , Citrovorum-Faktor (Wachstumsfaktor , Coenzym F, C1-Überträger , "F" steht für Formylierung)

CO2H

CO2H N H

N

CO2H

H

N

p-Aminobenzoesäure

H

L-Glutaminsäure

5-Formyl-6-methyl5,6,7,8-tetrahydropterin

R Vitamin-B2 , Riboflavin (Milch , Eiklar , Baustein von Enzymen der Atmungskette)

H3C

N

H3C

N

CH2OH N

O NH

O 7,8-Dimethyl-10-ribitylisoalloxazin (7,8-Dimethyl-2,4-dioxo-10-ribityl2,3,4,10-tetrahydrobenzo[g]pterin

HO C H R = HO C H HO C H CH2 (Ribityl-)

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702

33 Heteroaromaten

In Analogie zur Synthese der Chinoxaline und Phenazine (Abschn. 33.11.6) erhält man Pteridine durch Cyclokondensation von 4,5-Diaminopyrimidinen mit 1,2-Dicarbonyl-Verbindungen: NH 2

N

O

R1

O

R2

/ 2 H2O

+ N

NH 2

N N

N

R1

N

R2

Entsprechend gelingt die Synthese von 10-Alkylisoalloxazinen aus o-Phenylendiaminen und Alloxan, das man durch oxidative Spaltung der Harnsäure mit Salpetersäure erhält (Abschn. 33.15.2): CH 3

CH 3 H3C

NH

HO +

H3C

NH 2

O

N

/ 2 H2O

NH

O

H3C

N

H3C

N

N

NH O

O N,4,5-Trimethyl-o-phenylendiamin

O

Alloxan

7,8,10-Trimethylisoalloxazin

7,8,10-Trimethylisoalloxazin (Lumiriboflavin) entsteht auch durch UV-Bestrahlung des Riboflavins. Diese Photoreaktion trug zur Klärung der Riboflavin-Struktur bei.

33.15 Reaktionen heterokondensierter Heteroaromaten 33.15.1 Basizität und Acidität Während der pK-Wert des Purins (pKa = 2.30) zwischen den Werten des Pyrimidins und Imidazols liegt, ist Pteridin stärker basisch (pKa = 4.05) als Pyrimidin und Pyrazin. Purin ist außerdem eine relativ starke NH-Säure (pKa = 8.96), weil sich die negative Ladung des Anions auf alle vier Ring-N-Atome verteilen kann: 6 1N

5

7

9

N 3

4

/ [H+]

N 8

N H

N

N N

N

N

N N

N

N

N

N

N

N

N

N

N

Purin-Anion

Alkylierungen des Purins erfolgen leicht in Stellung 9. Quaternisierungen des Pteridins finden bevorzugt am Pyrimidin-Ring statt.

33.15.2 Ringspaltungen Nucleophile wie Alkylmagnesiumhalogenide öffnen die Dehydrochinolizinium-Salze: R

/ MgBr 2

N Br

+

R Mg Br

N R = CH3 : 1-(2-Pyridyl)-1,3-pentadien

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33.15 Reaktionen heterokondensierter Heteroaromaten

703

Bei der Spaltung von Pteridinen in saurer oder alkalischer Lösung öffnet sich bevorzugt der Pyrimidin-Ring; dabei bilden sich Imino-Derivate des 2-Aminopyrazin-3-aldehyds: N

N

HO +

N

N

N

H2N OH

N

N H 2N

N H

Die Ringöffnung von Purinen gelingt nur oxidativ. Welcher Ring gespalten wird, hängt vom Oxidationsmittel ab, wie das Beispiel der Harnsäure zeigt: O

O H2N O

H N

O

PbO2

O

HN

N H

N H

H N

O

Allantoin

HNO3

O N H

O

HN

N H

O

N H

O

Alloxan

Harnsäure

33.15.3 Nucleophile Additionen Nucleophilen Additionen sind vor allem Pteridin-Derivate zugänglich. Dabei wird der PyrimidinRing bereits von schwachen Nucleophilen angegriffen, z. B. durch Wasser oder durch Malonat als C-Nucleophil: HO H N

N

+ N

N

HN

H 2O

N

N

N

Pteridin-Hydrat

N

N O

CO2C 2H5

Base

+ H2C N H

CH2C 2H5

N

H CH(CO2C 2H5)2 N

HN O

N H

N

4-(Diethoxycarbonylmethyl)-2-oxo1,2,3,4-tetrahydropteridin

Komplexe Metallhydride reduzieren selektiv den 1,2-Dicarbonyl-analogen Pyrazin-Ring des Pteridins: R

R N

N R

LiAlH4

+ N

N

N

4[H] R

N

H N N H

2,4-Dialkyl-5,6,7,8tetrahydropteridin

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704

33 Heteroaromaten

33.15.4 Nucleophile Substitutionen Halogenpteridine und Halogenpurine lassen sich nucleophil substituieren. Purine werden fast nur in Stellung 6 und 2 substituiert (6 > 2 >> 8): Cl

O H N

HN O

+ 3 PCl 5

O N H

N H

O N

N

/ 3 POCl 3 / 3 HCl

Cl

Harnsäure

+ OH

Cl N H

N

/ Cl

/

O N

HN

+ NH3

Cl

/

Cl

/ HCl

N H

N

H2N

2,8-Dichlorhypoxanthin

2,6,8-Trichlorpurin

N

HN

Cl N

N H

8-Chlorguanin

33.15.5 Elektrophile Substitutionen Elektrophile Substitutionen an heterocyclisch kondensierten Heteroaromaten sind selten. Sie gelingen / wenn überhaupt / nur am elektronenreicheren Fünfring, z. B. in Stellung 8 des Purins. So kann man 9-Methylxanthin zum 8-Nitro-Derivat nitrieren: O

O N

HN O

HNO3

+

[NO2 ]

N

N H

N

HN

NO2

+

/ [H ]

O

N H

CH3

N CH3

9-Methyl-8-nitroxanthin

33.15.6 CH-Acidität von Methyl-Gruppen Auch die zum Stickstoff c- und i-ständigen Methyl- und Methylen-Gruppen heterocyclisch kondensierter Pyridine sind CH-acide. 2-Methyldehydrochinolizinium-Salze kondensieren z. B. mit Benzaldehyden nach KNOEVENAGEL zu Styryldehydrochinolizinium-Salzen: N(CH3)2

N(CH 3)2 CH 3 N

Br

+

O

/ H2O

C H

N

Br

2-[4-(N,N-Dimethylamino)styryl]dehydrochinolizinium-bromid

33.16 Höhergliedrige Heterocyclen und Heteroaromaten 33.16.1 Ringvinyloge der Fünfring-Heteroaromaten Eine Übersicht in Tab. 33.7 zeigt, daß die kleineren und größeren Ringhomologen des Furans, Pyrrols und Thiophens 4, 8, 10,..."r-Elektronensysteme sind, wenn man ein nichtbindendes Elektronenpaar des Heteroatoms mit einbezieht. Die dreigliedrigen Ringe Oxiren, 1H-Azirin und Thiiren sollten als 4r-Elektronensysteme nicht aromatisch sein. Sie wurden bisher nicht dargestellt. 2H-Azirine, von denen einige Vertreter bekannt sind, lagern sich nicht in die 1H-Tautomeren um.

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33.16 Höhergliedrige Heterocyclen und Heteroaromaten

705

Tab. 33.7. Einige Ringhomologe der Fünfring-Heteroaromaten (CH CH)m

Allgemeine Formel 1 2

Anzahl der CC-Doppelbindungen Anzahl der r-Elektronen

Formel

X

2 6

X 3 8

4 10

X

X

X

Oxepin Azepin Thiepin

Oxonin Azonin Thionin

....... .......

8 18

X

Bezeichnung

Oxiren 1H-Azirin Thiiren

X=O X = NH X=S

Furan Pyrrol Thiophen

Oxa[17]annulen 1H-Aza[17]annulen Thia[17]annulen

Als 8r-Elektronensysteme und Heteroanaloga des Cycloheptatrienid-Anions sind alle "Epine" nicht aromatisch; sie liegen als nicht planare, rasch invertierende Pseudo-Wannenformen vor, z. B.: O Ringinversion des Oxepins

O

Oxepine, Thiepine, Azepine Von den Siebenringen wurden Oxepine, Thiepine sowie einige N-substituierte Azepine dargestellt. Oxepin ist das Valenztautomer des Benzenoxids; dementsprechend gelingt seine Synthese: + R/CO3H

O

/"R/CO2H

Br

+ Br 2

O

CH3ONa

4,5-Epoxycyclohexen

O

/"2 HBr

Br 4,5-Dibrom-1,2-epoxycyclohexan

O

Benzenoxid (5,6-Epoxy-1,3-cyclohexadien)

Oxepin

Thiepine entstehen durch [2+2]-Cycloaddition von Ethindicarbonsäurediestern an 3-N,N-Dialkylaminothiophene und elektrocyclische Öffnung des intermediären Thiabicyclo[3.2.0]heptadiens:

CO2R

N

N

N

CO2R

CO2R

CO2R

+ S

S

CO2R

CO2R

S 3,4-Diethoxycarbonyl-5-(1-pyrrolidinyl)thiepin

Azepine bilden sich aus Arenen durch [2+1]-Cycloaddition elektronenarmer Nitrene, die in situ aus der Photolyse Akzeptor-substituierter Azide hervorgehen. Das primär entstehende Azanorcaradien isomerisiert durch COPE-Umlagerung zum Azepin: R

+

R

N A hp"""

R

N A

/ N2

N N N A

N A

N-(p-Methoxybenzyloxycarbonyl)1H-azepin

A=

CO O CH2

OCH3

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706

33 Heteroaromaten

Diazepine 1,2-, 1,3- und 1,4-Diazepine sind Ring-Vinyloge des Pyrazols und Imidazols. Von diesen bilden die 1,2-Diazepine 1H-, 3H- und 4H-Tautomere; das 5H-Tautomer existiert allerdings nur in Form des valenztautomeren Diazanorcaradiens. N

H

N 1H-

N

N

N

N

N

N

N

N

3H4HTautomere des 1,2-Diazepins

N

H

N

5H-

Diazanorcaradien

1H-1,3-Diazepin

N

H

N 1H-1,4-Diazepin

Benzo[b]-1,4-diazepine sind bequem aus Aren-1,2-diaminen und 1,3-Dicarbonyl-Verbindungen zugänglich: H

R NH 2

O +

NH 2

/ 2 H2O

O

R

N

(CH3CO2H)

N

R

R

2,4-Dialkylbenzo[b]1,4-diazepin

Benzo[e]-1,4-diazepin ist Stammheterocyclus des Diazepams und anderer von diesem abgeleiteten Psychopharmaka. Diazepam wird durch Cyclokondensation des 5-Chlor-2-aminobenzophenons mit Glycinethylester als Hydrochlorid in Pyridin und nachfolgende N-Methylierung hergestellt. H

O NH2 Cl

O

H5C 2O + H 2N

Pyridin / C2H5OH / H2O

CH 3

O

N

+ CH3 / HI

N

Cl

C 6H5

Cl

C6H 5

O

N

I

N C6H 5 Diazepam

Oxonine, Thionine, Azonine Die Neunringe Oxonin, Thionin und Azonin können als 10r-Elektronensysteme aromatisch sein. Oxonin und Azonin sowie benzo-kondensierte Thionine sind faßbar. Oxonin entsteht bei der Belichtung des Epoxycyclooctatriens bei tiefer Temperatur in Form eines cis-trans-Isomerengemisches. Beide Isomere lagern sich bei höherer Temperatur zu cis- bzw. trans-3a,7a-Dihydrocumaron um, wobei das cis-Isomer etwas thermostabiler ist: mono-trans-

cishp"."/"" 80 °C

O

O

Oxonin

O / 15 °C

30 °C

H

H

O

O

H cis-

H 3a,7a-Dihydrocumaron

trans-

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33.16 Höhergliedrige Heterocyclen und Heteroaromaten

707

Azonin entsteht als N-Ethoxycarbonyl-Derivat bei der Belichtung von N-Ethoxycarbonyl-9azabicyclo[6.1.0]nona-2,4,6-trien. Die Verseifung und Decarboxylierung liefert das unsubstituierte Azonin, dessen katalytische Hydrierung Azacyclononan ergibt: + KOC(CH3) 3 THF

hp"

N CO2C2H 5

N CO2C2H 5 N-Ethoxycarbonylazonin

/"CO2 /"(H3C) 2C=CH2 /"KOC2H5

+ 4 H2 , Kat.

NH

NH

Azonin

Azacyclononan

Im Gegensatz zu Oxonin ist Azonin bis 50 °C stabil. Sein Protonenresonanz-Spektrum zeigt drei Signale zwischen fH = 5.75 und 7.15; Stabilität und 1H-Verschiebungswerte deuten auf die Aromatizität des 10r-Elektronensystems hin. Hetero[17]annulene Als makrocyclische Ringhomologe der Fünfring-Heteroaromaten wurden die Oxa- und Aza[17]annulene durch Belichtung der Epoxide und Aziridine des Cyclooctatetraen-Dimers erhalten: hp"."/"" 90 °C

X X X=O : Oxa[17]annulen X = N/CO2C2H5 : N-Ethoxycarbonylaza[17]annulen

Die 1H-Verschiebungen sprechen allerdings gegen eine Aromatizität dieser Heteromakrocyclen.

33.16.2 Ringvinyloge des Pyridins Von den in Tab. 33.8 ausgewählten Ringvinylogen des Pyridins wurde das Azaanalogon des Cyclobutadiens in Gestalt des Tri-t-butylazets (Abschn. 32.3.3) bereits erwähnt. Dagegen gelang die Herstellung von Derivaten des Azocins und des Aza[10]annulens, Polyaza[18]annulen-Systeme sind in den Porphyrinen und Phthalocyaninen verwirklicht (Abschn. 34.7). Tab. 33.8. Einige Ringhomologe (Vinyloge) des Pyridins Anzahl der r-Elektronen

4

6

8

10

.......

18 N

Formel

Bezeichnung

N

Azet

N Pyridin

N Azocin

N Aza[10]annulen

Aza[18]annulen

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708

33 Heteroaromaten

Azocin Während das unsubstituierte Azocin sich oberhalb 50 °C zersetzt, ist das 2-Methoxy-Derivat eine beständige Verbindung, die man nach PAQUETTE durch Allylbromierung und anschließende Dehydrobromierung des 8-Methoxy-7-azabicyclo[4.2.0]octa-3,7-diens erhält: +

N

SO2Cl

N

C

SO2Cl

+ H2 , Kat.

NH

/"SO2 /"HCl

O

O

+ (H3C) 3O+ BF4

O

/

N

/"(H3C) 2O /"HF , / BF3

Chlorsulfonylisocyanat

OCH 3

NBS-Bromierung in CCl4

N

KOC(CH3) 3

N

OCH3

N

/"HBr

Br

OCH 3

2-Methoxyazocin

OCH 3

2-Methoxyazocin bildet wahrscheinlich eine Wannenform. Seine 1H-Verschiebungen sprechen für ein Azacyclopolyen. Die katalytische Hydrierung liefert 2-Methoxy-1-azacycloocten. Elektrochemisch oder durch Alkalimetalle wird es zum planaren Azocin-Dianion reduziert. Aza[10]annulene Nicht überbrückte Aza[10]annulene ebnen sich wegen der inneren H-Atome ebenso wenig ein wie die [10]Annulene (Abschn. 30.10.1); sie sind daher keine Aromaten und bisher unzugänglich. Methano-überbrückte Aza[10]annulene bilden sich dagegen nach VOGEL aus Cycloheptatrien-1,6dialdehyd im Verlauf einer sechsstufigen Synthese. Überzeugendstes Argument für die Aromatizität dieses 10r-Elektronensystems sind die den Ringstromeffekt widerspiegelnden chinolinähnlichen 1H-Verschiebungen.

O O

1.) + (C 6H5) 3P=CH2 2.) + As2O

1.) + SOCl2 2.) + NaN3

1.) /"(C 6H5) 3P=O 2.) / 2 As

1.) /"SO2 , /"HCl 2.) / NaCl

CO2H

CON 3 Toluen , F

N H

N

O

/ N2

N

O

C

O

+ H 3C/C6H 4/SO2Cl / KOH / HCl 0.4 ; 0.65

11 7 9

1

6

5

N

3

+ H2 , Kat.

OTs

/"TsOH

7.38

6.6 - 7.2 7.38

6.5

N

8.23

1,6-Methano-2-aza[10]annulen mit Protonen-Verschiebungen

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34.1

Farbigkeit von Verbindungen

709

34 Organische Farbstoffe 34.1 Farbigkeit von Verbindungen 34.1.1

Absorbiertes Licht und Farbe

Absorbiert eine Verbindung einen bestimmten Bereich des sichtbaren Spektrums (380 - 770 nm, Abb. 28.1), so ist sie farbig. Vom menschlichen Auge wird der nicht absorbierte, gestreute und reflektierte Teil des Spektrums wahrgenommen. Er entspricht der Komplementärfarbe des absorbierten Lichts (Tab. 34.1). Tab. 34.1. Absorbiertes und gestreutes Licht farbiger Verbindungen (Komplementärfarben) absorbiertes Licht Wellenlängenbereich [nm] 380 - 430 430 - 480 480 - 490 490 - 500 500 - 560 560 - 580 580 - 595 595 - 605 605 - 750 750 - 770

34.1.2

zugehörige Farbe violett blau grünblau blaugrün grün gelbgrün gelb orange rot purpur

gestreutes und reflektiertes Licht wahrgenommene Farbe

gelbgrün gelb orange rot purpur violett blau grünblau blaugrün grün

Farbstoffe und Pigmente

Ein Farbstoff ist eine farbige Verbindung, welche aufgrund ihrer funktionellen Gruppen oder ihres Molekülbaus mit einem Träger (Substrat) chemisch reagiert, an ihm absorbiert wird oder in ihn hineindiffundiert. Der Farbstoff überträgt dabei seine Eigenfarbe auf den Träger, er färbt z. B. eine Textilfaser. Pigmente sind Substanzen, deren Eigenfarbe man durch Beimischen oder Beschichten auf einem Träger mechanisch verankert. Die optischen Eigenschaften eines Pigments hängen von seinem Absorptions- und Streuvermögen ab; Weißpigmente adsorbieren im gesamten sichtbaren Bereich sehr wenig, streuen dagegen stark. Umgekehrt ist bei Schwarzpigmenten die Absorption sehr groß gegen die Streuung. Buntpigmente absorbieren selektiv.

34.2 Bauprinzip von Farbstoffen Um farbig zu sein, muß eine Verbindung bekanntlich mehrere konjugierte Chromophore enthalten (Abschn. 28.2.5). Farbstoff ist eine Verbindung jedoch erst, wenn sie an einem Trägermaterial, z. B. einer Faser, so haftet, daß dieses dauerhaft gefärbt wird. Ein Farbstoff wird vom Träger somit fest adsorbiert oder chemisch gebunden. Chemische Bindungen sind am einfachsten mit funktio-

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710

34 Organische Farbstoffe

nellen Gruppen knüpfbar, z. B. den Nucleophilen /NH2, /NHR, /NR2, /OH. Diese reaktiven Gruppen sind häufig zugleich Auxochrome (Abschn. 28.2.4): Sie verschieben die Lichtabsorption weiter in den sichtbaren Bereich. Azobenzen, die Stammverbindung der Azofarbstoffe, ist z. B. eine farbige Verbindung. Ihre Farbigkeit beruht hauptsächlich auf einer sehr intensiven rr*- und einer wesentlich schwächeren nr*-Anregung (Tab. 34.2). Da Azo-Gruppe und Phenyl-Ringe an sich nicht reaktiv sind, ist Azobenzen selbst kein Farbstoff. Erst durch Einführung einer auxochromen Gruppe wie /N(CH3)2 in p-Stellung entsteht ein Azofarbstoff, das als "Buttergelb" bekannte 4-(Dimethylamino)azobenzen. Die basische Dimethylamino-Funktion kann z. B. mit sauren Gruppen einer Faser Salze bilden und auf diese Weise färben. Zusätzlich verschiebt die Dimethylamino-Gruppe die intensive rr*Bande nach längeren Wellen, wo sie die weniger zur Lichtabsorption beitragende nr*-Bande überdeckt (Tab. 34.2). Die Einführung einer Nitro-Gruppe als Chromophor in p'-Stellung ergibt schließlich eine weitere Bathochromverschiebung (Tab. 34.2). Tab. 34.2. Farbverursachende Lichtabsorptionsbanden von Azobenzen-Derivaten Verbindung

N Azobenzen

N N

4-(Dimethylamino)azobenzen

4-(Dimethylamino)4'-nitroazobenzen

nmax

Emax [mol/1 cm/1]

Übergang

[nm]

n-Hexan

330 450

17000 465

rr* nr*

Ethanol

408

27500

rr*

Ethanol

478

33100

rr*

Lösemittel

N(CH3)2

N N O2N

N(CH3)2

N

An den in Tab. 34.2 beschriebenen Azobenzen-Derivaten erkennt man das Bauprinzip eines Farbstoffs: Die Farbigkeit verursacht ein System konjugierter Chromophorer, das Chromogen. Die Farbstoffeigenschaft erzeugt eine reaktive Gruppe wie /N(CH3)2, welche zugleich Auxochrom ist und sich an der Mesomerie des r-Systems beteiligen kann. Ein zusätzlicher Chromophor am anderen Ende des r-Systems wie die Nitro-Gruppe gleicht den Elektronendruck des Auxochroms aus, übernimmt dessen eingebrachte negative Ladung, erweitert so das r-System und verschiebt das Lichtabsorptionsmaximum nach längeren Wellen. Farbstoffe sind somit ausgedehnte "push-pull"Systeme, wie die Mesomerie des 4-(Dimethylamino)-4´-nitroazobenzens zeigt: O O

O

N

O N

N

N N

N(CH 3)2

N N(CH3)2

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34.3

Azofarbstoffe

711

In das Bauprinzip "Elektronendonator-konjugiertes-r-System-Elektronenakzeptor" oder gleichbedeutend "Auxochrom-Chromogen-Chromophor" lassen sich alle im folgenden besprochenen Farbstoffklassen einordnen.

34.3 Azofarbstoffe 34.3.1

Tautomerie

Azofarbstoffe existieren meist als trans-Azobenzen-Derivate (Abschn. 23.8.1), die in 2-Aminound 2-Hydroxyazobenzenen durch eine intramolekulare Wasserstoffbrücke stabilisiert werden. Zusätzlich liegt ein Tautomerie-Gleichgewicht zwischen Azo- und Hydrazon-Form vor, z. B.: O

H

O H N

N

N

N

Azo-Tautomer 1-Phenylazo-2-naphthol

34.3.2

Hydrazon-Tautomer

Herstellung

Eine allgemeine Methode zur Herstellung von Azofarbstoffen ist die Azo-Kupplung von Aryldiazonium-Salzen mit Aromaten (Abschn. 23.8), die durch Elektronendonoren (Auxochrome) zur elektrophilen Substitution aktiviert werden, also nucleophil sind. Heterocyclische Azofarbstoffe entstehen durch oxidative Kupplung. Hierbei wird ein heterocyclisches Amidrazon zum elektrophilen Azenium-Ion oxidiert. Dieses kuppelt mit Nucleophilen zum Hydrazon, dessen Oxidation zur Azo-Verbindung führt. Amidrazone sind u. a. durch Hydrazinolyse heterocyclischer Thioether zugänglich, z. B.: S

S S

+ 2 (H3CO) 2 SO2

SH

N H

N

/ H3COSO3H

S SCH 3 N

+ N2H4

S

/ CH3 SH

N

CH 3 CH 3OSO3

N NH 2 H CH 3 CH 3OSO3

/ H3 COSO3 H

H

H N

S

N(CH 3)2

+

N(CH3 ) 2

NH

S

N

N

N

/ [H+] , / 2 e0

/

N

CH 3

N N

CH 3

CH 3 Amidrazon

Azenium-Ion

+

NH 2

S

/ [H ]

H N

S N N CH 3

/

N(CH 3)2 +

/ [H ] , / 2 e0

N

S

+X

N(CH 3)2

N

/

N CH 3 X

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712

34 Organische Farbstoffe

Das Prinzip der oxidativen Kupplung des Hydrazino-Heterocyclus mit dem Nucleophil INuH läßt sich in folgendem Schema zusammenfassen: H

H N

N

+ NuH

N

N

/ [H+] , / 2 e0

N

34.3.3

N

N

N

Nu

H

/ [H+]

H

N

/

/ [H+] , / 2 e0

NH 2

N

N

Nu

/

N

N

N

Nu

Methoden der Textilfärbung mit Azofarbstoffen

Direkt-Färbung Eine hauptsächlich für Baumwollgewebe (Cellulose, Abschn. 39.9.1) anwendbare Färbemethode ist die Direkt- oder Substantiv-Färbung. Wie die Kristallstrukturanalyse zeigt, ordnen sich die kettenförmigen Makromoleküle des Polysaccharids Cellulose zu Bündeln an. In die Hohlräume dieser Bündel lagern sich die zunächst wasserlöslichen langgestreckten Moleküle der Substantiv-Farbstoffe ein. Dort aggregieren sie und sind dann nicht mehr auswaschbar (waschechte Färbung). Als Substantiv-Farbstoffe werden langgestreckte Bisazo-Verbindungen auf Basis der bisdiazotierten 4,4'-Diaminostilben-2,2'-disulfonsäure eingesetzt, so z. B. das gelbe Chrysophenin. Die als rote Substantiv-Farbstoffe ("Kongorot") bekannten Kupplungsprodukte des bisdiazotierten Benzidins mit Naphthylamin-Derivaten werden infolge der Carcinogenität von Benzidin und Naphthylaminen nicht mehr verwendet. SO3 H3N NH3 O3S + 2 HNO2

/ 2 H2O

SO3H

SO3 + 2

N2

OC2H5

H5C2O

N N N

N2

N O3S

Chrysophenin

OC2H5

HO3S

4,4´-Diaminostilben-Derivate werden wegen ihrer intensiv blauen Fluoreszenz auch vielen Waschmitteln als optische Aufheller beigemischt. Dispersions-Färbung Dispersions-Farbstoffe enthalten keine dissoziierenden Funktionen wie /SO3H oder /COOH, sondern hydrophobe Gruppen wie /OR, /NR2, /NO2, /CN, die oft auch Wasserstoffbrücken-

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34.3

Azofarbstoffe

713

Donoren oder Akzeptoren sind. Dementsprechend lösen sich diese Farbstoffe nur wenig in Wasser, ohne jedoch ganz unlöslich zu sein. Farbstoffe mit diesen Eigenschaften eignen sich zum Färben hydrophober Fasern (Polyester, Acetylcellulose). Sie ziehen aus wäßriger Dispersion auf die Faser und haften dort, wahrscheinlich infolge von Wasserstoffbrücken, Dipol-Dipol- und VAN DER WAALS-Kräften zwischen Faser und Farbstoff. Dispersion ist ein Verteilungszustand zwischen kolloider Lösung und Suspension. Viele gelbe bis rote Dispersionsfarbstoffe sind 4-Dialkylamino-4´-nitroazobenzene. Wasserlöslichkeit bzw. Hydrophobie lassen sich durch hydrophobe oder hydrophile N-Alkyl-Gruppen (/C2H5 und /CH2/CH2/CN bzw. /CH2/CH2/OH) beeinflussen. Zur Herstellung der DiazoniumSalze geht man von Nitro-amino-substituierten Aromaten bzw. Heteroaromaten aus, z. B.: CN O2N

O2N

NH 2

O2N

NH 2

S

NH 2 N

4-Nitroanilin

2-Amino-5-nitrobenzonitril

2-Amino-5-nitrothiazol

Nucleophile Kupplungsreagenzien sind meist Derivate des N,N-Diethylanilins, z. B.: C 2H5

C 2H5 CH 3

N

CH 2 CH 2 CN

N

CH 2 CH 2 C

N CH2 CH2 OH

CH 2 CH2 OH

O N-Ethyl-N-(3-oxobutyl)anilin

N-Ethyl-N-(2-hydroxyethyl)anilin

N-(2-Cyanoethyl)-N-(2-hydroxyethyl)anilin

Ein einfaches Beispiel ist das durch Kupplung von diazotiertem 4-Nitroanilin mit N-Ethyl-N-(2hydroxyethyl)anilin zugängliche Cellithonscharlach B: Cellithonscharlach B

O2N

C2H5

N N

N CH2

CH2

OH

Ionenaustausch-Färbung Ionenaustausch-Farbstoffe sind wasserlöslich und enthalten einen oder mehrere ionische Substituenten wie Sulfo- oder Carboxy-Gruppen. Sie werden hauptsächlich zum Färben von Protein- und Polyamid-Fasern aus wäßrigen Lösungen verwendet. Die Makromoleküle dieser Fasern enthalten Amino- und Carboxy-Funktionen, die wie Aminosäuren meist zwitterionisch vorliegen: H3N

CO2

Zur Färbung einer Protein- oder Polyamid-Faser neutralisiert man die Carboxylat-Gruppen teilweise durch Zugabe einer Säure HX (X = Cl, CH3COO) und erhält auf diese Weise ein makromolekulares Ammonium-Salz. Der Färbevorgang ist ein Ionenaustausch von X/ gegen ein FarbstoffAnion (Sulfonat oder Carboxylat). H3N X

CO2H

+

Farbstoff

H3N CO2H Farbstoff

+

X

Ionenaustausch-Farbstoffe müssen alkali- und säureecht sein. Phenolische Hydroxy-Gruppen schützt man daher durch Alkylierung, wenn sie nicht durch intramolekulare Wasserstoffbrücken stabilisiert sind. Amino-Gruppen werden meist durch Acylierung geschützt. Aminonaphtholrot ist

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714

34 Organische Farbstoffe

z. B. ein Ionenaustausch-Azofarbstoff, in dem die Hydroxy-Funktion durch eine Wasserstoffbrücke, die Amino-Gruppe durch Acetylierung gegen moderate pH-Veränderungen geschützt ist. O N

H

O

HN

C

CH3

N

Aminonaphtholrot (Dinatrium-Salz)

NaO3S

SO3Na

Entwicklungs-Färbung Bei der Entwicklungs-Färbung werden die Azo-Farbstoffe durch Azo-Kupplung auf der Faser gebildet. Hierzu wird eine Kupplungskomponente verwendet, die als Anion wasserlöslich ist, als Neutralmolekül jedoch auf Cellulose-Fasern infolge zwischenmolekularer Kräfte haftet, das 2Hydroxy-3-naphthoesäureanilid ("Naphthol AS"). Nach dem "Aufziehen" dieser Kupplungskomponente wird auf der Faser mit einem Diazonium-Salz zu einem weitgehend wasserunlöslichen Farbstoff gekuppelt. Die Wasserunlöslichkeit ist die Folge des Fehlens saurer und basischer Funktionen, einer die Acidität schwächenden, intramolekularen Wasserstoffbrücke der phenolischen Hydroxy-Gruppe mit der Azo-Funktion und zusätzlicher hydrophober Gruppen (AlkoxyarylReste). Ein typischer Entwicklungsfarbstoff ist Variaminblau, das durch Kupplung von diazotiertem 4-Amino-4´-methoxydiphenylamin mit Naphthol AS auf dem Gewebe entsteht: OCH3 HN

OH H3CO

NH

N2 X

+ C

/ HX

H N

N

H O

O 4-Amino-4´-methoxydiphenylamin, diazotiert

N

"Naphthol AS"

C

H N

Variaminblau O

Färbung durch Komplexbildung Die Färbung durch Komplexierung beruht darauf, daß viele Fasern Donorgruppen enthalten (Cellulose: D = /OH; Proteine: D = /NH2), die unter Mitwirkung eines zur Chelatbildung befähigten Farbstoffs ein Metallion (vorzugsweise Cr3+ mit der Koordinationszahl 6) komplexieren. Zur Färbung wird das Gewebe entweder mit Chrom(III)-Salzen oder mit Dichromat, welches durch die Faser zu Cr3+ reduziert wird, behandelt. Nach dieser "Chromierung" wird mit einem chelatbildenden Azofarbstoff gefärbt. Chelatbildende Azo-Farbstoffe sind Derivate der 5-Phenylazosalicylsäure, z. B.: D

O

H O

O2N

N N

O

O

N

Cr O D

N

NO2

O

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34.3

Azofarbstoffe

715

In 2,2'-Dihydroxyazo-Verbindungen beteiligt sich auch die Azo-Gruppe an der Ausbildung der Chelat-Ringe, z. B. in Neolanblau ZG. D O3 S

O3S

OH

OH + Cr 3+, + 2 D

N

OH

NH

SO3

N

O

HO3 S

O

SO3

N

N

Cr

D SO3H

O

N Neolanblau ZG

D

Beizenfärbung Bei der an Bedeutung verlierenden Beizenfärbung wird auf dem Gewebe mit Hilfe hydrolysierbarer Salze [Al(III)-; Cr(III)-; Fe(III)-acetate] ein Metallhydroxid gefällt. Das basische Metallhydroxid kann mit sauren Farbstoffen, z. B. mit Polyhydroxyanthrachinonen, "Farblacke" (Metallchelate) bilden. Umgekehrt kann man "sauer beizen", z. B. die Polyphenole der Gerbstoffe auf der Gewebeoberfläche ausfällen. Derart präparierte Gewebe binden basische Farbstoffe. Die Gerbstoffe (Tannine) leiten sich von 3,4,5-Trihydroxybenzoesäure, der Gallussäure ab. Ein saurer Azofarbstoff, der zur Färbung hydroxidgebeizter Baumwolle verwendet wurde, ist z. B. d-Naphthylorange (Abschn. 23.8.2). Zur Färbung tanningebeizter Materialien (Baumwolle, Leder, Papier) wurde der erste synthetische Azofarbstoff, das orange Chrysoidin, verwendet: H

H2N N2

X

NH2

+

H N

/ HX

N NH2

N Chrysoidin

Reaktiv-Färbung Die Reaktiv-Färbung ist eine vielseitige und moderne Färbemethode für Gewebe. Dabei reagieren Farbstoff und Faser unter Knüpfung einer kovalenten Bindung. Die zur Bindung führende Reaktion ist entweder eine nucleophile Substitution oder eine nucleophile Addition. Der nucleophilen Substitution gut zugängliche Reaktiv-Gruppen sind 2,4,6-Trichlortriazin (Cyanurchlorid) mit der Imidochlorid-Funktion im heterocyclischen Ring sowie 4,5-Dichlor-1,6dihydropyridazin-6-on: H Cl

N N

N

O

Cl N

N

Cl

HO

N

Cl

Cl

Cl

2,4,6-Trichlortriazin

N

Cl

4,5-Dichlor-1,6-dihydropyridazin-6-on (Tautomere)

Diese Reaktiv-Gruppen werden in einen Farbstoff eingeführt, der als Nucleophil z. B. eine Amino-Gruppe enthält: Cl

F

NH2

+

N N

Cl N

Cl

Base / HCl

F

NH

N N

Cl N

Cl

+ H2NR / Base / HCl

F

NH

N N

Cl N

NHR Reaktiv-Farbstoff auf 2,4,6-Trichlortriazin-Basis

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716

34 Organische Farbstoffe

Der so entstandene Reaktiv-Farbstoff reagiert beim Färbeprozeß mit nucleophilen Gruppen der Faser (Hydroxy bei Cellulose-, Amino bei Polyamid- und Polypeptid-Fasern): Base

F

NH

N N

Cl

+

HO Cellulose

F

/ HCl

NH

N

O Cellulose

N N

NHR

N NHR

Base

F

NH

N N

Cl

+

H 2N Polyamid

F

/ HCl

NH N

N

NH Polyamid

N N NHR

NHR

Ein Azo-Reaktivfarbstoff mit 2,4,6-Trichlortriazin-"Anker" ist z. B. das Cibacronbrillantrot 3B, in dem vier Sulfonat-Gruppen eine für die Anwendung ausreichende Wasserlöslichkeit bewirken: Cl NaO3S

O C

N

H

O

H

N

N

N

N

H

N

N H Cibacronbrillantrot 3B

SO3Na

NaO3S

SO3Na

N

Der nucleophilen Addition zugängliche Reaktiv-Gruppen sind die Vinylsulfonyl- und AcrylamidFunktionen: O SO2 CH CH 2

NH C CH CH2

Vinylsulfon

Acrylamid

Acrylamid-Farbstoffe können durch Aminolyse von Acrylsäure-Derivaten hergestellt werden. F

NH2

+

X C CH CH 2 O

/ HX

F

X = /OR , /Cl

NH C CH CH 2 O

Vinylsulfonyl-Gruppen werden in den Farbstoff (oder eine Farbstoff-Vorstufe) eingeführt, z. B. durch nucleophile Addition eines Farbstoff-Thiols an Oxiran, anschließende Oxidation des dHydroxysulfids zum d-Hydroxysulfon, Veresterung der Hydroxy-Funktion zum Hydrogensulfat und thermische d-Eliminierung von Schwefelsäure: +

F

SH

O

+ 2 H2O2

F

S CH2 CH2 OH

/ 2 H2O

F

SO2 + H2SO4

F

SO2

CH CH2

F / H2SO4

F

SO2

CH2 CH2 OH / H2O

CH2 CH2 OSO3H

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34.4

Polymethin-Farbstoffe

717

Die Knüpfung der Bindung zwischen Vinylsulfonyl- oder Acrylamid-Farbstoff und Faser erfolgt als MICHAEL-Addition eines Fasernucleophils an die aktivierte Vinyl-Gruppe: F

Z

CH CH 2

+

HO Cellulose

F

Z

CH2 CH 2 O Cellulose

F

Z

CH2 CH 2 NH Polyamid

Z = SO2 , NHCO

F

Z

CH CH 2

+

H2N Polyamid

Ein wasserlöslicher Reaktiv-Farbstoff mit Vinylsulfon-"Anker" ist das durch Kupplung von diazotiertem 4-Amino-2,5-dimethoxyphenyl-2-hydroxyethylsulfon mit 1-(2-Chlor-6-methyl-4-sulfophenyl)-3-methyl-5-pyrazolon und nachfolgende Veresterung mit konz. Schwefelsäure entstehende Remazolgoldgelb G: HO3SO

CH2

CH2

SO2

OCH3 CH3

H3CO

N H

Remazolgoldgelb G

N N N

O

CH3

Cl

SO3H

Die reaktive Vinylsulfonyl-Gruppe wird meist erst beim Färbevorgang erzeugt, der dann ein Eliminierungs-Additions-Prozeß ist.

34.4 Polymethin-Farbstoffe 34.4.1

Bauprinzip

Unter Polymethin-Farbstoffen versteht man konjugierte Polyene, in denen ein Elektronenakzeptor X über eine ungeradzahlige Kette von Methin-Gruppen mit dem Elektronendonor Y verknüpft ist. Durch Mesomerie können X und Y ihre Rollen als Akzeptor bzw. Donor tauschen: q

X

X

nY

nY

Man erkennt deutlich das in Abschn. 34.2 besprochene Bauprinzip eines Farbstoffs. Meist sind die Doppelbindungen sowie die Substituenten X und Y Teil eines heterocyclischen Ringes, z. B. des Chinolins im blauvioletten Pinacyanol:

N

N

C 2H5

C 2H5

Pinacyanol

N

N

C 2H5

C 2H5

I

Man unterscheidet kationische (q positiv), anionische (q negativ) und neutrale Polymethine (keine Ladung, q = 0). Kationische Polyene werden als Cyanine bezeichnet, wenn X und Y Teile je eines heterocylischen Ringes sind. Ist nur X oder Y Teil eines Heterocyclus, so liegt ein Hemicyanin

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718

34 Organische Farbstoffe

vor. Streptocyanine sind dagegen offenkettig. Neutrale Polymethine sind als Neutro- oder Merocyanine bekannt. Anionische Polymethin-Farbstoffe sind Vinyloge des Carboxylat-Ions und werden als Oxonole bezeichnet. Tab. 34.3 gibt die allgemeinen Formeln sowie typische Vertreter der wichtigsten Polymethin-Farbstoffklassen wieder. Tab. 34.3. Polymethin-Farbstoffe (in Azacyaninen tritt anstelle der CC- eine CN-Doppelbindung) Bezeichnung

Bauprinzip

Streptocyanin

N

Beispiel H3C

N

nN

X

N

CH 3

CH3

Z

Hemicyanin

N Astrazonrot

N X

nN

Z

Cyanin

N,N,N,N-Tetramethyl5-amino-2,4-pentadienylimmonium-perchlorat

CH 3

ClO4

H3C

CH 3

N CH3 H3C CH3

Z

N X

N

n

Cl CH3 CH3

Astraphloxin

N H C N 3 CH3 OC 2H5

Merocyanin (Neutrocyanin)

X

O

mY

n

Cl

C CN

N

O

X

O

n

O

34.4.2

O N

HN

Oxonol O

Cellitonechtgelb

N H

O O

NH4 NH N H

Murexid

O

Ausgewählte Methoden zur Herstellung

Ein Ausgangsprodukt mehrerer Polymethin-Farbstoffe ist das als FISCHER-Base bekannte 2Methylen-1,3,3-trimethyl-2,3-dihydroindol, sowie dessen Vorstufe, das 1,2,3,3-Tetramethyl-3Hindolium-Salz. Die Herstellung dieser Verbindungen gelingt durch FISCHER-Indol-Synthese aus Phenylhydrazin und Methylethyl- oder Methylisopropylketon: H 3C H 3C N H

/ H2O

NH 2 + O

N H

/ NH3

N

CH 3 N + (CH3O) 2SO2 """""/ CH3OSO3

H3C 2-Methylen-1,3,3-trimethyl2,3-dihydroindol (FISCHER-Base)

CH3

CH(CH3)2

H3C

CH(CH 3)2

CH3

H3C

CH3

CH3

Base

CH2 N

H 3C

CH 3 CH 2

N CH3

/ [H+]

/

CH 2 H N CH 3

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34.4

Polymethin-Farbstoffe

719

Weitere Vorstufen sind u. a. stickstoff- und schwefelhaltige Heterocyclen mit aciden MethylGruppen, z. B. 2- und 4-Methylchinoline sowie 2-Methylbenzothiazole, meist in Form ihrer NAlkylammoniumiodide: CH3

R N I

N

S

CH3 N

I

CH 3

R

I

R

2-Methylchinolin

4-Methylchinolin (N-Alkylimmonium-iodide)

2-Methylbenzothiazol

Die Verknüpfung der Heterocyclen durch eine Polyen-Kette gelingt für n = 1 mit AmeisensäureDerivaten, z. B. Orthoameiseisensäuretriethylester in Gegenwart einer Base: OC2H5 Base , / [H+]

N

+ HC(OC2H5) 2

CH2

N

CH2

N

CH2

N

CH2 CH(OC 2H 5)2

H + H2O """""/ 2 C2H5OH + H3C

N

N

N

/ H3O+

N

OH

N

CH2 CH O

Demnach erhält man z. B. Pinacyanol aus 1-Ethyl-2-methylchinoliniumiodid und Orthoameisensäuretriethylester in Gegenwart von Pyridin als Base: + N

CH3

HC(OC2H 5)3

Pyridin / 3 CH2H5OH / HI

C2H 5 I

N C 2H5

N I

C 2H5

Pinacyanol

Analog entsteht Astraphloxin aus dem 1,2,3,3-Tetramethyl-3H-indolium-Salz und Orthoameisensäuretriethylester in Acetanhydrid oder Pyridin. Zum Einbau längerer Polymethin-Ketten werden vinyloge Ameisensäure-Derivate eingesetzt.

34.4.3

Anwendung von Polymethin-Farbstoffen

Textilfärbung Polymethin-Farbstoffe sind nicht sehr lichtecht. Insofern werden sie nur sehr vereinzelt zur Textilfärbung verwendet. So ist Astraphloxin (Tab. 34.3) ein fluoreszierender roter Farbstoff, der aus leicht alkalischer Lösung gut auf Wolle und Polyamid-Fasern zieht (Ionenaustausch-Färbung). Einige Merocyanine wie Cellitonechtgelb 7G (Tab. 34.3) werden zur Dispersionsfärbung von Polyesterfasern eingesetzt. Polymethin-Farbstoffe als Sensibilisatoren in der Photographie Zur Photographie verwendet man einen mit einer lichtempfindlichen Schicht belegten Film. Als lichtempfindliche Schicht dient eine Silberhalogenid-Emulsion, welche proportional zur Intensität des einfallenden Lichtes geschwärzt wird. An sich sprechen Silberhalogenide nur auf ultraviolettes

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720

34 Organische Farbstoffe

und blaues Licht an. Andererseits liegt der Lichtempfindlichkeitsbereich des menschlichen Auges zwischen 400 und 800 nm mit einem Maximum bei 555 nm. Um ein Bild zu erhalten, welches einen für den Menschen natürlichen Schwarz-Weiß- und Farbeindruck gibt, muß der Empfindlichkeitsbereich der Silberhalogenid-Schicht auf den sichtbaren Spektralbereich ausgedehnt werden. Zu dieser spektralen Sensibilisierung verwendet man überwiegend Cyanine und Merocyanine (Tab. 34.3), weil bei diesen Farbstoffen durch Verlängerung der Polymethin-Kette die Absorptionsmaxima bis ins Infrarote verschoben werden können (120 nm pro /CH=CH-Gruppe):

H 5C2 N

CH CH n CH

H 5C2 N

N C 2H5

längstwelliges Absorptionsmaximum :

n 0 1 2

CH CH nCH

N C2H 5

nmax 590 710 930

Die Polymethin-Farbstoffe werden an den Silberhalogenid-Kristallen adsorbiert. Bei Belichtung des Films absorbieren sie Licht und geben die absorbierte Lichtenergie nach einem noch nicht vollständig geklärten Mechanismus an das Silberhalogenid ab. Letzteres wird dabei im Absorptionsbereich des Farbstoffs lichtempfindlich. Durch Adsorption mehrerer Cyanine mit Maxima über den gesamten Spektralbereich kann die Empfindlichkeit des Silberhalogenids dem menschlichen Auge weitgehend angepaßt werden. In der Farbphotographie werden die Farben des photographierten Gegenstandes zunächst in die drei Grundfarben blau, grün und rot zerlegt. Auf diese Weise entstehen drei Teilfarbbilder, die bei der Entwicklung wieder zum Gesamtbild vereint werden. Die Farbzerlegung gelingt, indem das Objekt gleichzeitig auf drei verschiedene Silberhalogenid-Schichten photographiert wird, von denen je eine für blau, grün und rot sensibilisiert ist. Auch für die hierzu notwendige selektive Sensibilisierung werden überwiegend Cyanine und Merocyanine verwendet. Photochrome Polymethine Einige Hemicyanine zeigen Photochromie, d. h. die reversible, mindestens in einer Richtung lichtinduzierte Umwandlung zweier Formen einer Verbindung. Da die beiden Formen unterschiedliche Lichtabsorptionsspektren aufweisen, ist die Umwandlung mit einer Farbänderung verbunden. Einen photochromen Polymethin-Farbstoff erhält man z. B. durch Reaktion von 5-Nitrosalicylaldehyd mit der FISCHER-Base: NO2 H 3C

CH 3

N

O CH 2 + HO

CH 3

H3C

H

CH 3

/ H2 O

NO2

N

O

CH 3

H 3C

CH 3

hp , UV

NO2 hp , sichtbar

N

O

CH3 1,3,3-Trimethyl-2,3-dihydroindol-2-spiro-2´-(6-nitro-2 H-chromen)

Photochrome Polymethin-Farbstoffe werden als dekorative Zusätze in Gläsern und PolymerWerkstoffen sowie in der Datenspeicher- und Lasertechnologie verwendet.

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34.4

Polymethin-Farbstoffe

34.4.4

721

Natürliche Polymethin-Farbstoffe

Neben den Carotenoiden, die als terpenoide Polyene klassifiziert werden (Abschn. 42.2.5), kann man die Flavone (Synthese: Abschn. 33.11.7) und Anthocyanidine (Synthese: Abschn. 33.11.7) als Polymethin-Derivate auffassen. Diese Pflanzenfarbstoffe sind Derivate des 4H-Chromens und zählen zur Klasse der Hemioxonole, in denen phenolische, d. h. nicht heterocylische Hydroxyoder Hydroxylat-Gruppen zur vinylogen Carboxylat-Konstitution beitragen. O

O

O OH

O

O Chromon

O

Flavon (2-Phenylchromon)

Flavonol

Flavonole sind 3-Hydroxy-Derivate des 2-Phenylchromons. Das Quercetin genannte 5,7,3',4'Tetrahydroxyflavonol kommt z. B. frei und als 3-Glucosid in der Eichenrinde (lat. Quercus = Eiche) sowie in gelben Blüten vor (Goldlack, Stiefmütterchen, Löwenmaul, Rose). Durch Reduktion des Pyron-Rings im Quercetin bildet sich das zu den Gerbstoffen gehörende Catechol. O

H

O

O

H O

H

OH HO

OH OH

OH OH

O

HO

O

O

HO

OH

O

H O

OH

OH

Quercetin , Tautomere

Catechol (frühere Bez.: Catechin)

Anthocyanidine sind hydroxylierte Derivate des vom 2-Phenyl-4H-chromen abstammenden mesomeriestabilisierten Flavylium-Ions:

O

O

O

2-Phenyl-4H-chromen

Flavylium-Ion

Sie sind als Glycoside (Abschn. 39.4.4) sowie als Glycosid-Metallchelate (Fe3+, Al3+) die Farbträger zahlreicher roter, violetter und blauer Blüten (Rose, Malve, Kornblume) und Früchte (Kirsche). Nach saurer oder enzymatischer Spaltung dieser Chromosaccharide isoliert man die freien Flavylium-chloride als Aglyca (Abschn. 39.4.4). Je nach Hydroxylierungsgrad des Phenyl-Rings unterscheidet man zwischen Pelargonidin-, Cyanidin- und Delphinidin-chlorid: OH

OH

OH

OH : Pelargonidinrotorange R1 = R2 = H rotviolett R1 = OH , R2 = H : Cyanidin: Delphinidinchlorid blauviolett R1 = R2 = OH

HO

R2

O

HO

R2

O

Cl OH

OH R1

R1

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722

34 Organische Farbstoffe

34.5 Phenyloge Methin- und Azamethin-Farbstoffe 34.5.1

Übersicht

Phenyloge Methin- und Azamethin-Farbstoffe sind Derivate des Di- und Triphenylmethans sowie des Di- und Triphenylamins. Da die phenylogen Methin-Farbstoffe als Carbenium-Ionen mit delokalisierter positiver Ladung vorliegen, nennt man sie auch Di- und TriphenylcarbeniumFarbstoffe (n = 0 bzw. 1). Die Verbindungen lassen sich allgemeinen als Hybride mehrere mesomerer Grenzformeln beschreiben, wobei die Gesamtladung q positiv, negativ oder null sein kann (Tab. 34.4). U' U

U' U X

Y

Y

X

Z

Z

Y Z

V

V

W

U' U

X

n

V

n

W

n=0,1

n

W

Phenyloge Methin- und Azamethin-Derivate folgen dem in Abschn. 34.2 skizzierten Bauprinzip eines Farbstoffs: Die Substituenten X, Y und W sind Elektronendonoren. Der Elektronenakzeptor Z ist ein trigonales C- oder N-Atom. N

N

Als Chromogene wirken chinoide und benzoide r-Systeme. Die wichtigsten Vertreter phenyloger Methin- und Azamethin-Farbstoffe lassen sich von der allgemeinen Formel herleiten. Je nach Substituenten und Heteroatomen U, V, W, X, Y und Z unterscheidet man zwischen den in Tab. 34.4 aufgeführten Derivaten.

34.5.2

Allgemeine Methoden zur Herstellung

Di- und Triphenylmethan-Derivate Di- und Triphenylmethan-Farbstoffe werden durch elektrophile Substitution nucleophiler Aromaten aufgebaut. Als nucleophile Aromaten kommen hauptsächlich Phenol- und Anilin-Derivate in Betracht. Geeignete Vorstufen von Elektrophilen sind Tetrachlormethan, Chloroform und phenyloge Amidchloride, : Tetrachlormethan R1 = R2 = R3 = R4 = Cl R1 = R2 = R3 = Cl , R4 =H : Chloroform R1 = (CH3)2N/C6H4/ , : 4-(N,N-Dimethylamino)benzalchlorid R2 = R3 = Cl , R4 =H

R2

R2

R1 C R3

R1 C

+

R3

R4

R4

oder Carbonyl-Verbindungen, z. B. Formaldehyd, Phosgen, aromatische Aldehyde und Ketone: : Formaldehyd R1 = R2 = H : Phosgen R1 = R2 = Cl R1 = H, R2 = Aryl : Arenaldehyd : subst. Benzophenon R1 = R2 = Aryl

R1

+ [H+]

R1

C O R2

H C O

R2

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34.5

Phenyloge Methin- und Azamethin-Farbstoffe

723

Tab. 34.4. Typische Vertreter der phenylogen Methin- und Azamethin-Farbstoffe; zur Vereinfachung wird nur eine mesomere Grenzformel gezeichnet; Substituenten und Heteroatome werden nach der allgemeinen Formel, Abschn. 34.5.1, benannt. -Farbstoff

n

q

Diphenylmethan-

0

+

Chinonimina) IndaminTyp

0

b) IndanilinTyp

0

c) IndophenolTyp

0

+

Substituenten, Heteroatome

typisches Beispiel

X = Y = NR2 U = U´ = H Z= C

(H3C)2N

X = Y = NR2 U = U´ = H Z= N

(H3C)2N

N(CH3)2

Cl

Auramin-O (gelb) C NH 2 N(CH3)2

Cl

Bindschedler-Grün N O

Triphenylmethana) MalachitgrünTyp

1

0

0

+

N(CH3)2

X = O , Y = NR2 U = U´ = H Z= N X = O , Y = OH U = U´ = H Z= N X = Y = NR2 U = U´ = V = W = H Z=C

Fettblau Z

N O

OH Indophenol N

(H3C)2N

N(CH3)2

Cl

Malachitgrün C C6H5 (H3C)2N

b) KristallviolettTyp

1

c) FuchsonTyp

1

+

N(CH3)2

Cl

X = Y = W = NR 2 U = U´ = V = H Z=C

Kristallviolett

C

N(CH3)2 0

X = Y = O , OH U = U´ = V = W = H Z=C

O

OH Benzaurin C C6H5

O c) PhthaleinTyp

(Thio-) Xanthen(Heterophthalein-)

Acridin-

Azina) PhenazinTyp

b) PhenoxazinTyp

c) PhenothiazinTyp

1

0

2/

/

od. 1

meist 0

meist 0

meist 0

meist 0

+

+

+

+

O

X=Y=O,O U = U´ = V = H V = CO2 Z=C

CO2

Br X=Y=O,O U , U´ = O oder S V = CO2 Z=C

X = Y = NH2 , NR2 U , U´ = NR Z = CH , C

X = Y = OH od. NR2 U , U´ = NR Z=N

Phenolphthalein

C

O Br

Br O

OH

C

Br CO2

Eosin (rot) ohne Brom: Fluorescein (orange)

CH3 Cl H2N

N

NH 2 Acridiniumgelb

H3C

CH 3 C 6H5 Cl

H2N

N

NH 2

H3C

N

CH 3

O

N(CH 3)2

Safranin T (rot) OH

X = Y = OH od. NR2 U , U´ = O Z=N

X = Y = NR2 U , U´ = S Z=N

HO

Cl

Gallocyanin (blau)

N CO2H (H 3C)2N

S

N(CH 3)2 Cl

Methylenblau

N

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724

34 Organische Farbstoffe

Die elektrophile Substitution läßt sich je nach Elektrophilie des zentralen C-Atoms bis zu dreimal wiederholen. R2

R2

/ [H+]

+ H

R1 C

X

+ H

R4

R2

X

X

R1 C

X

/ R1 H

R4

X

C R4

Ist das Elektrophil eine aromatische Carbonyl-Verbindung, so verläuft die Substitution über ein Benzhydrol. Diese "Leukobase" dissoziiert in saurer Lösung glatt zum Triphenylcarbenium-Farbstoff: R1 + H

C OH

R2

/ [H+]

X

R1

R2

R1

- [H+]

X

C

/ H2O

OH

R1 = R2 = Aryl

R1 X

C

Benzhydrol (Leukobase)

X

C

R2

R2

mesomeriestabilisiertes Triphenylcarbenium-Ion

Häufig läßt sich ein Triphenylmethan-Farbstoff auf beiden Wegen herstellen. So entsteht Kristallviolett entweder aus N,N-Dimethylanilin und Tetrachlorkohlenstoff über die phenylogen Amidchloride (Weg 1) oder aus Phosgen und N,N-Dimethylanilin über N,N-Dimethylaminobenzoylchlorid, MICHLER-Keton und MICHLER- Hydrol (Weg 2). N(CH3) 2

N(CH3) 2

N(CH3) 2

+

N(CH3) 2

+

N(CH3) 2 H

H C

/ HCl

Cl (H3C) 2N

(H3C) 2N

CCl3

C

/ HCl

Cl Cl

N(CH3) 2

+ CCl4 / ZnCl2 , /"HCl

Weg 1

N(CH3) 2 N(CH3) 2

Kristallviolett

Cl

C

H (H3C) 2N + O=CCl2 , / HCl

Weg 2

N(CH3) 2

+

C

Cl

O

N(CH3) 2

N(CH3) 2

H

C

+ H

C

/ H2O

- HCl

N(CH3) 2 N(CH3) 2

N(CH3) 2

O

(H3C) 2N MICHLER-Keton

OH (H3C) 2N

N(CH3) 2 MICHLER-Hydrol

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34.5

Phenyloge Methin- und Azamethin-Farbstoffe

725

Bei der Synthese von Phthaleinen, z. B. des Phenolphthaleins, reagiert Phthalsäureanhydrid als elektrophile Carbonyl-Verbindung, und p-unsubstituierte Phenole sind die nucleophilen Aromaten. Dabei entsteht zunächst die farblose Lacton-Form. In alkalischer Lösung (pH > 8) dissoziieren die phenolischen Hydroxy-Protonen. Der (-)-M-Effekt der Phenolat-Gruppe öffnet den Lacton-Ring zur mesomeriestabilisierten chinoiden Form, dem roten Triphenylmethan-Farbstoff. Zugabe von Mineralsäure regeneriert die farblose Lacton-Form. Auf diesem reversiblen Farbumschlag beruht die Anwendung des Phenolphthaleins als Farbindikator bei Säure-Base-Titrationen. HO

OH

HO

/ 2 [H+]

/ H2O

H + H

O

OH C

O O

O

O

C

C

- 2 [H+]

O

O

CO2

CO2

O Phenolphthalein farblose Lacton-Form (Phthalid) in saurer Lösung

O

rote chinoide Form in alkalischer Lösung

Der Phthalein-Synthese analog verläuft die Bildung der Xanthene: Anstelle von Phenol wird ein m-Diphenol eingesetzt (Resorcin › Fluorescein, Tab. 34.4); das gebildete o,o'-Dihydroxyphthalein cyclodehydratisiert zum Xanthen-Ring.

Chinonimin-Derivate Chinonimin-Farbstoffe entstehen bei der Substitution eines Phenols oder Anilins (als nucleophile Aromaten) durch die elektrophile Nitroso-Funktion eines N,N-Dialkyl-4-nitrosoanilins oder 4Nitrosophenols und einer Dehydratisierung als Folgereaktion: XH

XH

X

X

[H+]

+ O

/ H2O

H N O

N

H N HO Y

Y

X = O : Phenol ,Y = NR2 : N,N-Dialkyl-4-nitrosoanilin X = O : Phenol , Y = OH : 4-Nitrosophenol

Y

N Y X = O , Y = NR2 X = O , Y = OH

: Indanilin : Indophenol

Chinonimin-Farbstoffe bilden sich im Laufe der Entwicklung von Farbfilmen, z. B. durch Oxidation eines 1,4-Diaminoarens zum p-Chinondiimin mit Silber-Ionen in Gegenwart von metallischem Silber als Katalysator. SO3 p-Chinondiimin

NR 2

NR 2 + 2 Ag

NR 2

+

R' OH

+

/ [H ] / 2 Ag

NH 2

R 2N

+

R 2N N

H + 2 Ag

N

/ 2 [H ] / 2 Ag

/ SO3

NH

+

+

NH

R' OH

R' O

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726

34 Organische Farbstoffe

Das Chinondiimin kuppelt unter elektrophiler Substitution mit 4-Hydroxynaphthalensulfonat, wobei sich Schwefeltrioxid ablöst. Die dabei entstandene Leukoform wird durch weitere SilberIonen zum Indanilin-Farbstoff oxidiert. Acridin- und Azin-Derivate Phenazin-, Phenoxazin- und Phenothiazin-Farbstoffe werden meist durch oxidativen Ringschluß o-substituierter Chinonimine hergestellt. Das Heteroatom U wird durch nucleophile Substitution des Chinonimins eingeführt. R X

Y

+

+ RUH , / [H ]

RU H

X

N

X

Y

U N H

N

+

/ [H ] , / 2 e0

R

R X

U

Y

X

U

N

Y

+

/ [H ] , / 2 e0

/

/

R

R

H

X

Y

U

N

X

Y

U

Y

N

N

So bildet sich Methylenblau [X = Y = N(CH3)2 , UR = S, Tab. 34.4] aus 4-Amino-N,N-dimethylanilin und Natriumthiosulfat (Einführung des Schwefels) in Gegenwart von Zinkchlorid, Salzsäure und Dichromat als Oxidationsmittel. Safranin T (Tab. 34.4) entsteht analog aus 2,5-Diaminotoluen, 2-Aminotoluen und Anilin in Gegenwart von Dichromat. Ein allgemeiner Weg zu Acridin-Farbstoffen ist die elektrophile Substitution von m-substituierten Anilinen durch einen Aldehyd. Der Ringschluß zum 9,10-Dihydroacridin erfolgt unter intramolekularer Ammoniak-Abspaltung. Anschließend wird zum Acridinium-System oxidiert.

X

R

R NH

H2N

Y

O

R

+ R

H

C

/ H2O

R

NHNH2 X R

Y H R'

/ NH3

R

X

N

R

Y R

H R'

R / [H+] , / 2 e0

/

R Acridinium-Farbstoff ( X = Y = NH2 , R = CH3 : Acridiniumgelb)

X

N

R

Y R

R

34.5.3

Anwendung phenyloger Methin- und Azamethin-Farbstoffe

Textil- und Polymer-Färbung Triphenylmethan-Farbstoffe wie Kristallviolett und Malachitgrün sind nicht sehr lichtecht. Man verwendet sie hauptsächlich zur Anfärbung von Polymeren, die zur Herstellung von Folien (Bürobedarf, Verpackungen) benötigt werden. Die meist stark fluoreszierenden Xanthen-Farbstoffe wie

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34.5

Phenyloge Methin- und Azamethin-Farbstoffe

727

Eosin und Fluorescein finden als Signalfarben für Verkehrsmarkierungen und Plakate Verwendung. Zur Färbung von Seide, Wolle, Papier sowie zur Herstellung von Druckfarben dienen u. a. die lichtechten kationischen Phenothiazin-Farbstoffe wie Methylenblau. Farbindikatoren Phenolphthalein und seine Derivate werden als Farbindikatoren in der Acidimetrie verwendet. Der Farbumschlag beruht auf der reversiblen Umwandlung der farblosen Lacton-Form in den meist roten Triphenylmethan-Farbstoff (Abschn. 34.5.2). Das Xanthen-Derivat Eosin (Tab. 34.4) hat in Lösung eine andere Farbe (rot) als im adsorbierten Zustand (rotviolett). Hierauf beruht seine Anwendung als Adsorptionsindikator der HalogenidTitration mit Silbernitrat: Unmittelbar nach dem Äquivalenzpunkt laden überschüssige SilberIonen den Silberhalogenid-Niederschlag positiv auf. Infolgedessen wird das Eosin-Anion auf der Oberfläche des Niederschlags durch COULOMB-Kräfte adsorbiert. Eine damit verbundene schlagartige Farbänderung des Niederschlags markiert den Äquivalenzpunkt. Druckempfindliche Kopierpapiere Einige Triphenylcarbinole und Lactone der Phthalein- und Xanthen-Reihe reagieren im Kontakt mit sauer oder basisch imprägniertem Papier zu den Triphenylcarbenium-Farbstoffen. Hierauf beruht ihre Anwendung zur Herstellung druckempfindlicher Kopierpapiere für Formulare. Biologische und medizinische Anwendungen Eosin und Methylenblau finden in der medizinischen Diagnostik Anwendung; Eosin färbt Leukozyten und Gewebe; Methylenblau färbt als Vitalfarbstoff selektiv die graue Substanz des peripheren Nervensystems. Einige Triphenylmethan-Farbstoffe vom Kristallviolett-Typ wirken bakterizid und werden zur Desinfektion von Wunden eingesetzt.

34.5.4

Natürliche Phenoxazin-Farbstoffe

Chinoniminartige Derivate des Phenoxazins, die Phenoxazone, bilden die Chromophore der toxischen aber stark antibiotisch und cytostatisch wirkenden Actinomycine (Abschn. 37.7.2). Actinomycine sind Stoffwechselprodukte der Actinomyceten. Phenoxazone wurden ferner als Ommochrom-Farbstoffe aus Augen-, Haut- und Flügelpigmenten sowie aus Sekreten von Insekten isoliert, z. B. Xanthommatin aus dem Schlupfsekret des kleinen Fuchses. R HN

R C

O

O

C

HO2C

NH

N

NH2

O

O

H3C

H

H 2C Actinomycin D ( R ist ein Pentapeptid-Lacton-Ring )

NH 2 C

O HO

CO2H

N

Xanthommatin

CH3

O

O

Das beiden Naturstoffen zugrunde liegende 2-Amino-3-phenoxazon-System ist durch milde Oxidation von 2-Aminophenolen mit p-Benzochinon oder Luft-Sauerstoff zugänglich. R

R NH2 + OH

R'

+

/"6 [H ] , / 6 e0

/

N

OH R'

R

R NH2

NH 2

O R , R' = H , Alkyl , CO2H

R'

O R'

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728

34 Organische Farbstoffe

34.6 Carbonyl-Farbstoffe 34.6.1

Übersicht

Carbonyl-Farbstoffe enthalten als wesentliches Bauelement zwei über eine oder mehrere rBindungen in Konjugation stehende Carbonyl-Gruppen: X C C O

C

O

O

O

Y

X

C meist

n

n=1

X

X O Indigo-Farbstoff

O Anthrachinon-Farbstoff

X = NH , O , S , Se

Y ist ein Donor-Substituent

Sind die Substituenten X Heteroatome (X = NH, O, S, Se) als Teile von Fünfring-Heterocyclen, so liegen Indigo-Derivate vor. Anstelle der Substituenten X können auch weitere CC-Doppelbindungen im Verband aromatischer Ringe mit (-)-M-Substituenten YI treten; dann handelt es sich um Chinon-Farbstoffe. Von diesen haben vor allem die 9,10-Anthrachinon-Derivate technische Bedeutung. In beiden Farbstoff-Typen ist wieder die Sequenz Elektronendonor-r-SystemAkzeptor (Abschn. 34.2) verwirklicht. Als Akzeptoren wirken die Carbonyl-Gruppen. Heteroatome (X) bzw. Substituenten (YI ) sind die Donoren, wie es mesomere Grenzformeln beschreiben: O

O

X

O

X X

X X

O

X

O

O

Indigo O

Y

O

O

Y

O donor-substituiertes Anthrachinon

34.6.2

Lichtabsorption der Carbonyl-Farbstoffe

Das Anthrachinon-System (nmax = 327 nm) wird bereits durch Einführung eines Elektronendonors zum Farbstoff (nmax 400 nm). Je nach Stärke der Donoren YI (OH < NH2 < NR2 < NHAryl) und ihrer Anzahl erhält man verschiedenfarbige Verbindungen, die fast in jedem gewünschten Teil des sichtbaren Spektrums absorbieren (Tab. 34.5). Bei Indigo-Derivaten hängt das Lichtabsorptionsmaximum nicht nur vom Heteroatom X, sondern auch von Art und und Position des Substituenten an den Benzen-Ringen ab (Tab. 34.6). Dies erklärt die Farbenvielfalt der Indigo-Derivate. Die Abhängigkeit der Lichtabsorption von der Substituenten-Stellung an den Benzen-Ringen in Anthrachinon- und Indigo-Derivaten (Tab. 34.5, 34.6) folgt dem Verteilungssatz der Auxochrome:

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34.6

Carbonyl-Farbstoffe

729

Enthält ein Benzen-Derivat einen Elektronen-Akzeptor A in Stellung 1 sowie einen Donor D, so verschiebt ein weiterer Donor das längstwellige Absorptionsmaximum bathochrom in der Folge 1,4- < 1,2,4- < 1,3,4- < 1,2,5- (Tab. 34.7). O 8

Tab. 34.5. Längstwellige Absorptionsbanden substituierter Anthrachinone in Dichlormethan

1

7

9

6

10

2

Y

3 4

5

O

Y

an

C-1

C-2

C-4

nmax [nm]

C-5

405 465 504 508

OH NH2 N(CH3)2 NHC 6H5

OH NH2

OH NH 2 N(CH 3)2

365 410 470

OH NH 2

416 480

OH NH2 NHC 6H5

476 550 620

OH NH2 NHC 6H5

OH NH2

428 480

OH NH 2

7

Tab. 34.6. Längstwellige Absorptionsbanden einiger Indigo-Derivate in Ethanol

6 5

1

O

X

3'

3 4

O

4' 5

X 1'

6

Y

7

nmax [nm]

Einfluß

Verbindung

X

Y

Heteroatom Heteroatom Heteroatom Heteroatom Heteroatom

Oxindigo Thioindigo Selenindigo Indigo N,N´-Dimethylindigo

O S Se NH NCH3

H H H H H

432 543 562 606 656

Position des Substituenten am BenzenRing

6,6´-Dichlorindigo 7,7´-Dichlorindigo 4,4´-Dichlorindigo 5,5´-Dichlorindigo

NH NH NH NH

Cl Cl Cl Cl

570 590 612 615

Da die Energie eines Moleküls im angeregten Zustand nicht durch Resonanzbetrachtungen vorhersagbar ist, kann man den Verteilungssatz der Auxochrome nicht anhand mesomerer Grenzformeln, sondern besser durch quantenmechanische Rechnungen erklären. Letztere haben auch gezeigt, daß die zur blauen Farbe des Indigos führende Lichtabsorption allein auf das bis jetzt nicht dargestellte push-pull-System des "Ur-Indigos" zurückgeht. O H

C

Ur-Indigo

NH2 C

C

H2N

C

H

O

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730

34 Organische Farbstoffe

Tab. 34.7. Verteilungssatz der Auxochrome bei Anthrachinon- und Indigo-Derivaten Bathochromie D

D Verteilungssatz der Auxochrome

A

A

A

<

D

A

<

<

D

D

D D O

O

NH 2 O

O

NH 2

NH 2

410 nm

480 nm

550 nm

NH

NH O

O

Indigo-Derivate

NH 2

NH 2

O

Anthrachinone

O

Cl 570 nm

34.6.3

615 nm Cl

Synthese von Anthrachinon-Farbstoffen

Ausgangsprodukt zur Herstellung zahlreicher Anthrachinon-Farbstoffe ist die Stammverbindung, welche durch FRIEDEL-CRAFTS-Acylierung von Benzen mit Phthalsäureanhydrid über Benzoylbenzoesäure zugänglich ist (Abschn. 21.8.3). Eine weitere technische Synthese geht von Styren aus. Dessen säurekatalysierte Dimerisierung führt zu 1-Methyl-3-phenylindan, das katalytisch durch Luftsauerstoff zu 9,10-Anthrachinon oxidiert wird. O +

H3PO4

+ 5 O2 (V2O5)

+ 2 CO2 + 4 H2O

CH3

O

Abb. 34.1 skizziert Synthesen bedeutender Anthrachinon-Farbstoffe aus Anthrachinonsulfonsäuren. Die nucleophile Substitution der Sulfonsäure-Funktion mit Wasser oder Ammoniak ergibt die 1- und 2-Hydroxy- sowie Aminoanthrachinone. Umweltfreundlichere Synthesen (ohne Quecksilbersalz-Katalyse) der 1-Hydroxy- bzw. 1-Amino-Derivate verlaufen über 1-Chloranthrachinon, das aus Phthalsäureanhydrid und Chlorbenzen hergestellt wird. Die nucleophile Substituierbarkeit des Chlorid-Ions und anderer Abgangsgruppen wird durch den (/)-M-Effekt der chinoiden Carbonyl-Gruppen erleichtert. Eine weitere Erklärung ist, daß die substituierten Anthrachinone vinyloge Carbonsäure-Derivate sind: O

X

O X

O

O

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34.6

Carbonyl-Farbstoffe

731

O

H

O

H

O

O O O H H Alizarincyanin (blaugrün) + 2 O2 (H 2S2O7 / H3BO3) O

H

O

O

O

H

O OH

OH

O 1-Hydroxyanthrachinon (gelb)

/"Na2SO3 , /"H 2 O

+ 1/2 O2

- 2 NaOH

O

X

O

O Alizarin (rot)

O 2-Hydroxyanthrachinon (gelb)

- 2 NaOH

O

SO3H

O

+ SO3

O +

/"Na2SO3 , /"H 2O

SO3H

+ SO3

2+

(Hg ) O

/"H 2O

/"(NH 4 ) 2 SO3

( AlCl3 )

O

O

O Anthrachinon-1-sulfonsäure

X

/"H2 O

+ 3 NH3

O

H

N

H +

-""NH 3

+ 6 [H ] / + 6 e0

/ HX

/"4"H 2O

O

O 1-Aminoanthrachinon (rot)

O Anthrachinon-2-sulfonsäure

-"HNO3

/"(NH 4) 2SO3

NO2

O

O NH 2

O

O 2-Aminoanthrachinon (rot)

-""H 2 O".""-"1/2 O2 (H 2 SO4 / H3 BO3 ) / HX

KOH , KNO3 , > 200 °C

O

H

O

CH 3

40+"-"4"SO3 3.) - 2 NaOH

O

H

H

O

SO3Na

O

O

H

N

SO3Na H

O

N N

O

/"H 2O

N

/"4 H 2O O

AlCl 3 , > 250 °C

-"1/2 O2 , /"H 2O CH 3

1.) + 2 H2N

+ 3 NH3

H

O

N

N O

O

CH 3 Chinizarin (rot)

Alizarincyaningrün

Indanthren (blau)

Flavanthren (gelb)

Abb. 34.1. Synthese ausgewählter Anthrachinon-Farbstoffe

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732

34 Organische Farbstoffe

In Gegenwart von Oxidationsmitteln (Luft-Sauerstoff, Schwefeltrioxid) und Katalysatoren (Borsäure) erhält man als Produkt der Alkalischmelze die Polyhydroxyanthrachinone Alizarin, Chinizarin und Alizarincyanin, in welchen die Hydroxy-Funktionen wiederum durch Nucleophile, z. B. Amine, substituierbar sind. Auf diese Weise ist Alizarincyaningrün zugänglich (Abb. 34.1).

34.6.4

Indigo-Synthesen

Abb. 34.2 skizziert die wichtigsten Synthesen des Indigos. Alle Wege führen über ein 3-Oxo-2,3dihydroindol (Indoxyl) als Intermediat, welches durch Luft-Sauerstoff (Indigo) oder Schwefel (Thioindigo) zum Indigo-Farbstoff oxidiert wird. Von den als HEUMANN-Synthesen bekannten Verfahren 1 und 2 dient die Variante 1a zur Herstellung vieler substituierter und anellierter Indigo-Derivate in technischem Maßstab. Thioindigo-Derivate (X = S) sind vor allem auf Weg 2 zugänglich, während Weg 3 eine spezielle aber ergiebige Synthese des Indigos (R = H) selbst ist. SO3Na

SO3Na R

OH /"H2O

X

1a

+ H2C

R XH

-""NaCN"."/"Na2SO3

1

CN

-"4"H2O

X

/ NH3

R

CO2H R X

1

/"H2O (NaNH2)

O

O /"2"NaH

R

-""Cl /"CH2 /"CO2H , / HCl

O /"2 [H+] , / 2 e0

R

/

X 1/2 R

X

N

R X O

Indoxyl-Derivat

3

"-""2"NaNH2 , / 2 NH3

2 OH R

/"CO2

O H

R N H

3

Indigo-Derivat

+

X O

CO2H

NaOHSchmelze /"H2O

2

CO2H R X

-""Cl /"CH2 /"CO2H

CO2H

/ HCl

CO2H R

R NH2

XH

Abb. 34.2. Allgemeine Indigo-Synthesen

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34.6

Carbonyl-Farbstoffe

34.6.5

733

Textilfärbung mit Indigo- und Anthrachinon-Derivaten

Auf Anthrachinon-Derivate sind nahezu alle bereits besprochenen Färbetechniken anwendbar. Besonders verbreitet sind Aminoanthrachinone als Ionenaustausch-, Dispersions- und ReaktivFarbstoffe, wie die folgende Auswahl zeigt: O

H

N

H

H

O

O

H

OH

N

O

H

N

H

SO3 Na

SO3Na NHR N

O

H

N

O

C12 H25 Carbolanblau (Ionenaustauschfarbstoff für Protein- und Polyamid-Fasern)

H

O

H

N

O

OH

H

N

N

NH N SO3Na

Cellitonechtblaugrün (Dispersionsfarbstoff)

NH2

Anthrachinon-Reaktiv-Farbstoff

Als roter Beizenfarbstoff vor allem für Baumwolle hatte Alizarin früher erhebliche Bedeutung. Es bildet wie alle Polyhydroxyanthrachinone mit Aluminiumhydroxid ein tiefrotes Metallchelat ("Farblack") und zieht daher auf Baumwolle, die mit Aluminiumhydroxid gebeizt wurde. Cellulose O

O Al

Bindung zwischen Cellulose und Alizarin bei der Beizenfärbung mit Aluminiumhydroxid

O

O OH

O

Eine für Indigo- und Anthrachinon-Derivate typische Färbetechnologie ist die Küpenfärbung. Sie beruht auf der reversiblen Reduktion der meist wasserunlöslichen Carbonyl-Farbstoffe zu den häufig farblosen "Leukoverbindungen", die als Alkali-Salze gut wasserlöslich sind. Reduktion (Verküpung) eines Carbonyl-Farbstoff

O

+ 2 e0

O n

/ 2 e0

/

/

Carbonyl-Farbstoff

O

O

n

Polyendiolat-Dianion ("Leukoverbindung")

Indigo- und Anthrachinon-Derivate werden z. B. durch Natriumdithionit in alkalischer Lösung reduziert (verküpt): O

H

R

R N H

O

O

Na2S2O4 / NaOH / + 2 e0

N

/ 2 e0 O2

/

H N R

R N H

O

Indigweiß- (Leukoindigo-) Dianion

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734

34 Organische Farbstoffe

O

O

Na2S2O4 / NaOH / + 2 e0

R

R

/ 2 e0 O2

O

R

/

R O

9,10-AnthrahydrochinonDianion

Die bei der Verküpung entstehenden Diendiolat-Anionen ziehen aus wäßriger Lösung (Küpe) auf Baumwoll-Fasern. Zur Haftung auf der Faser tragen hauptsächlich Wasserstoffbrücken und IonenDipol-Kräfte bei. Durch "Verhängen" der mit Küpe getränkten Faser an der Luft werden die Dianionen der Leukoverbindungen reoxidiert. Hierbei entsteht der Farbstoff direkt auf der Faser in feinster Verteilung. Da fast alle Indigo- und Anthrachinon-Derivate nicht lichtempfindlich und wenig wasserlöslich sind, erhält man licht- und fast waschechte Färbungen.

34.6.6

Höher anellierte Carbonyl-Farbstoffe

Einige sehr langwellig absorbierende, höher anellierte Anthrachinon-Derivate sind weitere technisch anwendbare Küpenfarbstoffe. Dazu gehören u. a. kondensierte Derivate des Benzanthrons. Man erhält sie über FRIEDEL-CRAFTS-Cyclisierungen der aus aromatischen Carbonsäuren entstehenden Acylium-Ionen. Auf diesem Weg entstehen z. B. Anthanthron-Derivate aus 1,1'-Binaphthyl-8,8'-dicarbonsäuren:

CO2H HO2C

X

X

X

+ [H+] / H2O

CO2H O

CO2H

H

C

X

/ [H+]

O

X

X

X

CO2H O

X / H2O

X

O

Anthron Benzanthron (Stammverbindungen)

O

Anthanthron ( X = H , Halogen , OH )

O

O

X

Heteroanaloge Anthron-Derivate, die anellierten Acridone, bilden intermolekulare Wasserstoffbrücken. Die Assoziate sind äußerst schwer löslich. Infolgedessen gewinnen anellierte Acridone Bedeutung als lösemittelechte Pigmente, so z. B. das rotviolette linear anellierte Chinacridon. O

H N

Chinacridon N H

O

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34.6

Carbonyl-Farbstoffe

34.6.7

735

Natürliche Carbonyl-Farbstoffe

Indigo ist seit langem bekannt und wurde früher aus dem im Indigostrauch (Indigofera tinctoria) und Färberwaid (Isatis tinctoria) vorkommenden Glucosid (Abschn. 39.4.4) Indican gewonnen. OH CH2OH

OH HO O

Indoxyl-Tautomere

O

OH

O

+ H2O (H3O+) / D-Glucose

N H

N

Indican

Indigo (vgl. Abb. 34.2)

N

H

H

Der rotviolette 6,6'-Dibromindigo wurde bereits in der Antike aus Purpurschnecken (z. B. Murex brandaris) des Mittelmeerraums isoliert (antiker Purpur). O

H Br

N 6,6´-Dibromindigo N

Br

H

O

Terpenoide Derivate des 2,3-Dimethoxy-5-methylbenzochinons wirken als Hilfssubstrate der Atmungskette; die Koagulationsvitamine der K-Reihe (Abschn. 42.2.6) leiten sich vom 2-Methyl1,4-naphthochinon (Menadion) ab. Auch Flechten und Pilze enthalten Chinone. Das Terphenylchinon Polyporsäure kommt z. B. in Flechten und Porlingen vor, und die vom Dihydro-2H-pyran2,5-dion ableitbaren Grevilline sind die leuchtend gelben Farbstoffe der Röhrlinge. O

O H3CO

CH3

H3CO

R

H

OH

O O

O

H

2,3-Dimethoxy-5-methyl-p-benzochinon

O

HO

O

O

O

O

H

Grevillin A

Polyporsäure

Naphthochinone, Anthrachinone und Tetracenchinone sind als natürliche Farb- und Wirkstoffe weit verbreitet. Sie zählen ebenso wie die Flavonoide (Abschn. 34.4.4), Cumarine und Aflatoxine (Abschn. 33.11.7) zu den Polyketiden, weil sie sich durch Kondensation aus Acetat- oder Malonat-Einheiten über Poly-d-ketosäuren bilden. 5-Hydroxy-1,4-naphthochinon (Juglon) entsteht z. B. in den Fruchtschalen der Walnüsse (Juglans regia) an der Luft und färbt die Haut braunschwarz. 3-Methyl- und 3-Hydroxymethyl-1,6,8-trihydroxyanthrachinone (Emodine) sind die laxierenden Wirk- und Farbstoffe von Aloe und Faulbaumrinde. Von Tetracen (Abschn. 12.1) bzw. Tetracenchinonen leiten sich die gelben, antibiotisch wirkenden Tetracycline aus Streptomyces-Arten ab. O

OH

O

O

OH

OH

CH3

R O

H

O

Juglon

O 2-Methyl-1,4-naphthochinon

O

OH O OH

O NH2

HO

R O

R = CH3 : Frangula-Emodin R = CH2OH : Aloe-Emodin

OH H H N(CH3) 2 R HO CH3 R' R = R' = H : Tetracyclin (Achromycin) R = H, R' = OH : Oxytetracylin (Terramycin) R = Cl, R' = H : Chlortetracyclin (Aureomycin)

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736

34 Organische Farbstoffe

34.7 Polyaza[18]annulen-Farbstoffe 34.7.1

Bauprinzip

Unter Polyaza[18]annulen-Farbstoffen versteht man Porphyrine natürlicher und synthetischer Herkunft sowie deren Metallchelate. In der Stammverbindung Porphin schließen vier PyrrolRinge in den c,c´-Stellungen mit insgesamt vier Methin-Gruppen einen Ring. Tetraazaporphyrine (Phthalocyanine) enthalten vier Imino-N-Atome anstelle der Methin-Brücken. Als Chelatliganden komplexieren Porphyrine und ihre Tetraaza-Derivate Metall-Kationen mit Ionenradien um 70 pm. R

R

R

X

R

R X

H

R

X

/ 2 [H+]

N

N

N

+ M 2+

H

X

R

N

N

R

34.7.2

X

M

R

N R

X

R

R

X = CH : Porphyrine X = N : Tetraazaporphyrine (Phthalocyanine mit R /"R =

R N

N

R

X

R X

R

X = CH : Porphyrin-Metallchelat X = N : Phthalocyanin-Metallchelat

)

Mesomerie der Porphyrine und ihrer Metallchelate

Im H-NMR-Spektrum des Pyrrols erscheinen die CH-Protonen bei fH = 6 - 7, die NH-Protonen bei fH = 8. Dagegen zeigt Porphin (R = H, X = CH) 1H-Verschiebungen von fH = 9 - 10 für die äußeren Ring-CH-Protonen und fH = /4 für die inneren NH-Protonen. Dieselbe Aromatizitätscharakteristik zeigen die äußeren und inneren Protonen des HÜCKEL-Aromaten [18]-Annulen (Abschn. 30.12.3). Porphyrine (X = CH) und ihre Metallchelate entpuppen sich somit als aromatische 18r-Elektronensysteme vom Typ der Diaza[18]annulene; Phthalocyanine (X = N) sind dementsprechend Hexaaza[18]annulene. 1

R

R

R

X

R N

R X R

R

R

R

R

X

X R

R

R

R

R

R

X

X R

R Metallchelate mit M

X

M N

R

R N

N

X

Porphyrine (X = CH) , Phthalocyanine (X = N)

R X

N

N

X

R

N

M

N

R

R X N

H N

X

R

H

X

N

N

R

N

N

H

R

R

N

H

X

R X

N

R

X R

R

2+

Die besonders intensive SORET-Bande (nmax 410 nm) in den Lichtabsorptionsspektren der Porphyrine sowie noch längerwellige Absorptionen (nmax > 500 nm) können durch eine tetramere cyclisch konjugierte Anordnung des 3-Aminoacroleinimin-Fragments erklärt werden, 3-AminoacroleiniminTeilstruktur

N

N

4

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34.7

Polyaza[18]annulen-Farbstoffe

737

einem weiteren Beispiel zum push-pull-Bauprinzip der Farbstoffe: Die Amino-Funktion schiebt, die über eine r-Bindung verknüpfte Imino-Gruppe zieht, und diese Wechselwirkung pflanzt sich cyclisch fort. Porphyrine fluoreszieren in Lösung rot und bilden metallisch glänzende, dunkelrote bis violette Kristalle. Der Kupfer(II)-Komplex des Tetrabenzotetraazaporphins (Kupfer-Phthalocyanin, Abschn. 34.7.4) ist eine tiefblaue Verbindung (nmax = 678 nm, lg g = 5.3, Dampfzustand).

34.7.3

Porphyrin-Synthesen

Zur Darstellung substituierter Porphyrine eignen sich die in Abb. 34.3 formulierten oxidativen Cyclisierungen. Edukte der Monopyrrol-Synthesen sind Hydroxymethyl- bzw. Aminomethylpyrrole [X = OH, NH2, N(CH3)2] als Vorstufen elektrophiler Carbenium-Ionen sowie alternativ 2,2´-unsubstituiertes Pyrrol und ein Arenaldehyd (ROTHEMUND-TREIBS-Cyclisierung), wobei die Arenaldehyde meso-Tetraarylporphyrine ergeben. Meso-Tetraphenylporphyrin wird z. B. aus Pyrrol und Benzaldehyd in siedendem Eisessig unter Luft-Sauerstoff hergestellt. H H

O

O N

N

N

2 + 2Methoden

H H

H H

+

N

N

N H + H H H

2,2'-Dipyrrylmethan ("Dipyrran" , "2")

N

N

O H

O

H / 2 H2O , / 2 [H+] , /"4 e0

MonopyrrolSynthesen

biomimetisch "/ 4 HX ,

4

X

N

/"6 e0

H

/

N

N

"/ 4 H2O ,

H H

+

/ 4 [H ] ,

/

N

/ 2 H2O , / 2 [H+] , /"4 e0

/"6 e0

+ 4

4

/ 4 [H+] ,

N

N

/

H

O

H

/

O O

H

N

N 3 + 1Methoden

H H

O H

+

N

N H HH

+H

H N

N

N H HH

5-(2-Pyrryl)-methyl-2,2'-dipyrrylmethan O ("Tripyrran", "3")

N

Abb. 34.3. Porphyrin-Synthesen

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738

34 Organische Farbstoffe

Cyclisierungen der 2,2´-Dipyrrylmethane (2-2-Methoden) gelingen entweder mit 2,2´-Dipyrrylmethan-5,5´-dialdehyden (MCDONALD-Cyclisierung) oder mit zwei Äquivalenten eines Arenaldehyds in Gegenwart von Chinonen (2,3-Dichlor-5,6-dicyano-p-benzochinon = DDQ oder Tetrachlor-p-benzochinon = Chloranil) als Oxidationsmittel. Zu den 3-1-Methoden gehören die Cyclisierung der als "Tripyrrane" bekannten 5-(2-Pyrrylmethyl)-2,2´-dipyrrylmethane mit Pyrrol-2,5dialdehyden bzw. der Tripyrran-5,5´-dialdehyde mit 2,5-unsubstiuierten Pyrrolen in Gegenwart von DDQ oder Chloranil) als Oxidationsmittel (Abb. 34.3). 2,2´-Dipyrrylmethane bilden sich u. a. aus 3,4-Dialkylpyrrol-2- und 2-Acetoxymethyl-3,4-dialkylpyrrol-5-carbonsäureestern, Vorstufen der als Elektrophil benötigten Carbenium-Ionen, anschließende Verseifung und Decarboxylierung zur Entfernung der zur Blockierung von Nebenreaktionen notwendig gewesenen AlkoxycarbonylGruppen. O H 3C

O

H

1.) + 2 H2O / 2 ROH

[H+]

+

N RO2C

C

N

/ CH3CO2H

N H

RO2C

CO2R

2.) F"."/ 2 CO2

N HH

N

2,2´-Dipyrrylmethan-5,5´-dicarbonsäurediester

N HH

CO2R

2,2´-Dipyrrylmethan

Ringvinyloge und Isomere des Porphyrins sind bekannt. Die zu den Porphyrinen isomeren Porphycene entstehen nach VOGEL durch doppelte MCMURRY-Reaktion (Abschn. 20.11.5) des 2,2'Bipyrrol-5,5'-dialdehyds und anschließende DDQ-Oxidation zum Diaza[18]annulen-Aromaten mit ausgeprägtem Ringstrom-Effekt im NMR-Spektrum und extrem intensiver Lichtabsorption.

H

N H O O

O O

+ H N

H

H

N H H N

+ 2 Ti (TiCl 4 , LiAlH4 ) / 2 TiO2

N H H N

H

2,2´-Bipyrrol-5,5´-dialdehyd

34.7.4

N H H N

DDQ +

/ 2 [H ] , / 2 e0

/

N H N

N H N

N H N

N H N

Porphycen-Tautomere

Phthalocyanin-Synthesen

Die Synthese der Phthalocyanine verläuft aufgrund isolierter Intermediate wahrscheinlich nach dem in Abb. 34.4 skizzierten Schema. Edukte sind entweder Phthalsäureanhydrid oder die daraus zugänglichen Derivate Phthalimid und Phthalodinitril. Phthalodinitril kann zu einem zwitterionischen 3H-Isoindol-Derivat cycloaddieren, welches oligomerisiert. Das Tetramer schließt unter dem reduzierenden und orientierenden Einfluß der Kupfer(I)-Ionen (Metalltemplate-Effekt) den Phthalocyanin-Ring. Eine andere färbetechnisch anwendbare Methode führt über 1-Amino-3imino-3H-isoindol. Dieses ist aus Phthalsäureanhydrid über Phthalimid und 1,3,3-Trichlor-3Hisoindol zugänglich (Abb. 34.4). 1-Amino-3-imino-3H-isoindol kann unter Ammoniak-Abspaltung oligomerisieren. Der Ringschluß des Tetrameren zum Phthalocyanin-Metallchelat gelingt in Gegenwart von Metallsalzen unter oxidierenden Bedingungen (Abb. 34.4).

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34.7

Polyaza[18]annulen-Farbstoffe

739

Substituierte Phthalocyanine und ihre Metallchelate entstehen nach Abb. 34.4 aus substituierten Phthalimiden. Durch Substitution am Benzen-Ring (/Cl, /SH, /C6H5 ) ändert sich die Eigenfarbe der Kupfer(II)-Chelate von blau nach grün. Ersatz des Benzen-Rings durch 1,4-Dithian führt zu roten Phthalocyaninen. + O=C(NH 2) 2

O

O + NH3 , / H2O

O

/ NH3 , / CO2

NH

O

O

O

C

C

N H CO2H

NH2

O

Phthalsäureanhydrid

Phthalimid

+ NH 3 , / 2 H 2O

/ H2O

+ NH 3

OH CN

/ H2O

+ 2 PCl5 , / 2 POCl3 , /"HCl

Cl

O

N

N

NH

CN NH

Phthalodinitril

NH

Cl -" 2 NH3

N

Cl / 3 HCl

NH2

NH + NH3

N

N

NH NH

NH 1-Amino-3-imino-3H-isoindol

4

/ 3 NH3

4

N N

N

N

N

N

N + M 2+ , + 2 e0

N 2

N

N

/

+ M 2+ , / 3 [H +] , / e0

H

N

N

NH 2

N

M N

N

/

4

N Phthalocyanin (M = 2 H) bzw. Metallchelat (M = Metall(II)-Ion)

Abb. 34.4. Phthalocyanin-Synthesen

34.7.5

Färbung mit Phthalocyanin-Derivaten

Phthalocyanin-Metallchelate werden wegen ihrer guten Wasch-, Licht- und Temperatur-Echtheit als Pigment-, Mineral-, Druck- und Lackfarben verwendet. Phthalocyaninsulfonsäure-Metallchelate eignen sich zur türkisblauen Direktfärbung von Cellulose-Fasern. Reaktiv-Färbungen mit Vinylsulfon-Ankern sind ebenfalls möglich. Im Baumwoll-Textildruck bildet sich das Phthalocyanin-Metallchelat auf der Faser (PhthalogenFärbung). Hierzu wird eine Paste aus 1-Amino-3-imino-3H-isoindol, Metallsalz und Lösemitteln (N,N-Dimethylformamid, Triethanolamin, Glykole) auf das Gewebe gedruckt. Der Farbdruck entwickelt sich auf den Gewebeflächen beim Erhitzen auf 120 - 150 °C.

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740

34 Organische Farbstoffe

34.7.6

Natürliche Porphyrinoide

Im Hämoglobin der roten Blutkörperchen ist der farbtragende, funktionelle Molekülteil (die prosthetische Gruppe "Häm") ein substituierter Eisen(II)-Porphyrin-Komplex. Hämoglobin übernimmt im Blutkreislauf den Sauerstoff-Transport von der Lunge zu den Geweben. Es bindet reversibel (vom O2-Partialdruck abhängig) enzymatisch aktivierten Sauerstoff an die sechste Koordinationsstelle des Eisen(II)-Porphyrin-Protein-Komplexes in der schützenden hydrophoben "Tasche", die das gebundene Protein bildet. Hämin (Abb. 34.5) ist der proteinfreie Porphyrin-Eisen(III)-Komplex, der beim Einfließen von Blut in mit Natriumchlorid gesättigten, heißen Eisessig kristallisiert.

N

N

N

N

N

N

N

H

H

N

N

N

Porphin (Stammskelett der Porphyrine)

Chlorin (Stammskelett des Chlorophylls)

Hämin

Chlorophyll a CH 3 H 3C

N

N

N CH3

N

H 3C

N CH 3

H

CO2H

CH 3

CONH2

Co N

N

CH 3

CH 3 CH 3

O

CONH2 NH

CH 3

R = C20H 39 =

CONH 2

CH 3

H O CO2CH 3 CO2R

N

N CN N

H 2NOC

H

H

Corrin (Decahydrocorrol) (N4-Ligand des Vitamins B12)

H2NOC H 3C H3C H

Mg

Cl HO2C

N

Vitamin B 12 CONH 2 CH 3 CH 3

N

N

Fe

N

N

Corrol

C 2H5

N

N

H

CH 3

H 3C

H 3C

N

H

H

CH 3 2

CH 3

H 3C

O

O P O H

Phytyl-Rest

HO

O

N

CH 3

N

CH 3

O HOH 2C

Abb. 34.5. Natürliche Porphyrinoide

Der grüne Chloroplasten-Farbstoff Chlorophyll liegt als Magnesium(II)-Chelat des Chlorins (Abb. 34.5) vor. Chlorin ist ein einfach hydriertes Porphin. In den Chloroplasten der grünen Pflanzen ist Chlorophyll an ein Protein gebunden (Chloroplastin). In diesem Zustand wirkt es bei der Photosynthese. Natürliches Chlorphyll besteht aus zwei chromatographisch trennbaren Komponenten a und b. In Chlorophyll b ersetzt eine Aldehyd-Funktion die vom Ethyl-Rest flankierte MethylGruppe des Chlorophylls a (Abb. 34.5). Die Veresterung mit dem Diterpenalkohol Phytol verleiht dem Chlorophyll eine wachsartige Konsistenz. Vitamin B12 ist ein Cobalt(II)-Chelat eines substituierten Corrins (Abb. 34.5). Das vom nicht aromatischen Corrol abgeleitete Corrin verkörpert ein 15-gliedriges Ringsystem, in dem alle vier Pyrrol-Ringe teilhydriert und zwei Pyrrol-Ringe direkt verknüpft sind. Die fünfte und sechste Koordinationsstelle des Cobalt(II)-Ions werden durch ein Cyanid-Ion sowie das nucleotidartig kovalent gebundene 5,6-Dimethylbenzimidazol belegt. Vitamin B12 bildet dunkelrote Kristalle. Es wirkt gegen perniciöse Anämie und kann aus Leber, Milchpulver und Fleischextrakten isoliert werden.

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35.1

Monomere, Oligomere, Polymere

741

35 Synthetische Polymere 35.1 Monomere, Oligomere, Polymere Unter bestimmten Bedingungen (Hitze, Druck, Katalysator) entsteht aus dem Gas Ethen / formal über Di-, Tri-, Tetramere, usw. / der feste "Kunststoff" Polyethen (frühere Bezeichnung Polyethylen): n 2

n H 2C CH 2

CH 2 CH2

Ethen (Ethylen) Monomer

n 3

2

CH 2 CH 2

CH 2 CH 2

3

n

Polyethen (Polyethylen) Polymer

Ol igomere

Bei diesem als Polymerisation bezeichneten Vorgang verknüpft sich Ethen mit seinesgleichen zur makromolekularen Verbindung Polyethen. Ethen wird als das Monomer bezeichnet. Polyethen ist dementsprechend das Polymer. Die dazwischenliegenden Stufen, Di-, Tri-, Tetra-, Pentamere usw., werden unter dem Begriff Oligomere zusammengefaßt. Monomere (M) bilden die sich wiederholenden Einheiten der Oligo- und Polymeren, wie es die allgemeine Gleichung einer Polymerisation formuliert: n 2

nM

n MMM 3

MM

. . . MMMMMMMM . . .

Neben der Polymerisation führen auch andere Reaktionstypen wie Polyadditionen und Polykondensationen zu Polymeren.

35.2 Polymerisationen 35.2.1

Übersicht

Verbindungen mit mindestens einer CC-Doppelbindung können polymerisieren. Die VinylPolymerisation führt zu einem gesättigten Polymer: H n

H C

Vinyl-Polymerisation

CH

C

R H Vinyl-Verbindung

CH2 n

R Vinyl-Polymer

Dagegen entstehen bei der 1,3-Dien-Polymerisation durch 1,4-Verknüpfung ungesättigte Polymere, an deren Doppelbindungen Additionen möglich sind. R n

R

1,3-Dien-Polymerisation

CH2 1,3-Dien

C

CH

CH2

n

Dien-Polymer (cis- und trans-Konfiguration möglich)

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742

35 Synthetische Polymere

Polymerisationen sind Kettenreaktionen, die in der Schrittfolge Start-, Wachstums- und AbbruchReaktionen ohne Bildung von Nebenprodukten und ohne Skelettumlagerung ablaufen. Man unterscheidet je nach den verwendeten Katalysatoren zwischen radikalischer, ionischer und koordinativer Polymerisation.

35.2.2

Radikalische Polymerisation

Start Startreaktion radikalischer Polymerisationen ist die Erzeugung von Initiator-Radikalen. Da die Spaltung der Monomeren in Radikale erst bei sehr hohen Temperaturen oder durch kurzwellige Strahlung (i-Strahlen) einsetzt, wird die Polymerisation meist durch Zusatz von Initiatoren gestartet. Diese zerfallen unter milden Bedingungen (< 100 °C, UV-Licht) in Radikale. Wichtige Starter sind Diacylperoxide und Azo-Verbindungen. O Diacylperoxid

R

O

C

C O

O

F

R

2 R

/ 2 CO2

C

2 R O

O

R = CH3 : Spaltung bei 100 - 120 °C R = C6H5 : Spaltung bei 70 - 80 °C

H3C Azobisisobutyronitril

C H3C NC

N N

H3C

H3C

ab 40 °C

CN CH3 C

C

/" N2

C

N

C

H3C

C

N

H3C

CH3

Zum Starten einer Vinyl-Polymerisation setzt man den Starter dem reinen oder gelösten Monomer zu und bringt die Reaktion durch gelindes Erhitzen in Gang. Kettenwachstum Nach der Startreaktion, In2 › 2 In. , addiert das Initiator-Radikal (In.) an die Doppelbindung des Alken-Monomers. Dabei bildet sich ein neues Radikal. Im Falle nicht symmetrisch substituierter Alkene addiert das Initiator-Radikal am sterisch zugänglicheren C-Atom der Doppelbindung, so daß bevorzugt das höher alkylierte Folgeradikal entsteht: R CH2

C

ungünstig

In

R In

+

H2C

bevorzugt

C

R In

CH2

C

H

H

H

Die Addition des Folgeradikals an ein weiteres Alken erzeugt ein dimeres Radikal. Sukzessive Wiederholung dieses Schrittes führt über oligomere zu polymeren Radikalen (Makroradikale): R In

CH2

C H

+ H2C

CHR

R In

CH2

C H

R CH2

C

+ H2C

CHR

R In

CH2

H

R

C 2

CH2

C H

H

+ ( n/2) H2C R Makroradikal

In

CH2

C H

CHR

R n

CH2

C H

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35.2

Polymerisationen

743

Da die Reaktivität der Oligo- und Makroradikale bereits nach wenigen Wachstumsschritten unabhängig von der Kettenlänge wird, ist das Kettenwachstum praktisch eine Reaktion. Die Kettenlänge wird weniger durch die Temperatur als durch Kettenabbruch-Reaktionen begrenzt. Kettenabbruch Kettenabbrüche desaktivieren die Makroradikale und beenden das Kettenwachstum, meist durch Kombination und Disproportionierung. Unter Kombination versteht man die Verknüpfung zweier aktiver Oligo- oder Makroradikale zu einem inerten Polymer: R In

CH2

x

CH2

+

C

R

R

R

R

CH

C

CH2

CH

CH2

y

In

In

CH2

CH

x

CH2

R

R

CH

CH

H H aktiv

R CH2

CH

CH2

y

In

inert

Als Disproportionierung wird die Übertragung eines Wasserstoff-Atoms von einem zum anderen Oligo- oder Makroradikal bezeichnet. Dabei entsteht ein gesättigtes (Hydrierung) und ein endständig ungesättigtes Oligo- oder Polymer (Dehydrierung): R In

CH2

CH

R

R x

CH H

+

CH2

R

CH

H

CH2

CH

x

+

R

R C

In

Dehydrierung

C

CH2

y

In

Hydrierung

R

CH2

CH2

CH

C H

R CH

CH2

y

In

H

Kettenübertragung Bei der Kettenübertragung reagiert ein Makroradikal mit einem Monomer R'/H unter Wasserstoff-Übertragung zu Makromolekül und Radikal R'., welches seinerseits eine neue Kette startet: R Ende der alten Kette

In

CH2

CH

R

R x

CH2

+

C

H

R'

In

CH2

CH

x

CH2

CH2

R

+

R'

H R R'

Start einer neuen Kette

+

H2C

R

C

CH2

R'

C

H

H

Kettenüberträger sind demnach Verbindungen, die / wie Thiole / leicht Radikale bilden: R

SH

+

C

C

H

+

R

S

polymeres Radikal

Sie begrenzen die Kettenlänge der Polymeren und können zu diesem Zweck den Monomeren zugesetzt werden. Verändern diese Zusätze die Polymerisationsgeschwindigkeit nicht, so bezeichnet man sie als Regler (Beispiel: Thiole). Wird dagegen die Polymerisation durch Zusätze verzögert oder beendet, so nennt man diese Inhibitoren bzw. Stabilisatoren. Um Vinyl-Monomere längere Zeit haltbar zu machen, versetzt man sie u. a. mit etwas Hydrochinon als Stabilisator.

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744

35 Synthetische Polymere

Praktische Durchführung radikalischer Polymerisationen Homogene Polymerisationen laufen in Substanz oder Lösung in homogener Phase ab. Bei der Substanz- oder Massenpolymerisation wird das unverdünnte reine Monomer eingesetzt. Substanzpolymerisationen sind auch im kristallinen Zustand möglich und verlaufen dann gitterkontrolliert. Eine Lösungspolymerisation spielt sich ab, wenn in einem Lösemittel polymerisiert wird, welches Mono- und Polymer löst. Heterogene Polymerisationen verlaufen in heterogener Phase. Geschieht die Polymerisation in einem Lösemittel, in dem das Polymer ausfällt, so spricht man von Fällungspolymerisation. Polymerisiert das Monomer in Form kleiner Tröpfchen, die in Wasser durch starkes Rühren und Zusätze (Dispergatoren, Schutzkolloide) an der Koagulation gehindert werden, so handelt es sich um eine Perlpolymerisation. Die Perlpolymerisation ist eine "Substanzpolymerisation mit Wasserkühlung", denn das Wasser führt die Polymerisationswärme ab. Als Produkt erhält man ein Perlpolymerisat (Kügelchen). Besonders feinkörnige Polymerisate (Durchmesser 40 - 400 nm) entstehen durch Emulsionspolymerisation. Dabei polymerisiert das wasserunlösliche Monomer in Wasser, welches einen Emulgator (z. B. Kieselgel / Ethanol) und den Initiator enthält. Die zunächst entstehenden Polymer-Micellen wirken als Keime, an denen sich das Polymerisat abscheidet. Wird das Monomer schließlich als Gas polymerisiert, so spricht man von einer Gasphasen-Polymerisation. Nach diesem Verfahren wird z. B. Hochdruckpolyethen bei 3000 bar und 300 °C technisch hergestellt.

35.2.3

Ionische Polymerisation

Vinyl-Polymerisationen sind auch mit sauren oder basischen Katalysatoren möglich. Je nach dem Vorzeichen der Ladung des Starter-Ions handelt es sich um eine kationische oder anionische Polymerisation. Kationische Polymerisation Kationische Polymerisationen werden durch Säuren (H2SO4, KHSO4) oder durch Komplexe aus LEWIS-Säuren und Wasser bzw. Alkoholen als Cokatalysator gestartet. Häufig verwendet wird z. B. das System Bortrifluorid / Alkohol. R

R O

+

O

BF3

BF3

H

H

Als Starter-Ion wirkt das Proton der komplexen Säure: Es addiert an das Vinyl-Monomer. Dabei entsteht im ersten Schritt der Wachstumsreaktionen das (stabilere) Carbenium-Ion, an welches sich nacheinander weitere Monomere binden: R [H

]

+

H2 C

C

R

bevorzugt

H3C H

C

+ H2C

R

CHR H3C

H

C

R CH2

C H

H + n H2C R Makrokation

H3C

C H

R CH2

C H

CHR R

n

CH2

C H

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35.2

Polymerisationen

745

Diese Wachstumsschritte erzeugen ein Makrokation, dessen Vergrößerung durch KettenabbruchReaktionen begrenzt wird. Kettenabbrüche können nicht durch Disproportionierung oder Kombination, sondern durch zugesetzte polare Verbindungen, z. B. Alkohole oder Wasser, ausgelöst werden. Diese reagieren mit den Makrokationen zu neutralen Polymeren, z. B.: R H3C

C

R CH2

H

C

R n

CH2

H3C

/ [H+]

H

H

R

+ R'OH

C

R

R

C

CH2

H

C

n

CH2

C

OR'

H

H

Anionische Polymerisation Anionische Polymerisationen werden durch Addition eines Anions an die Doppelbindung des Monomeren gestartet. Als Starter-Anionen werden neben Hydroxid- und Amid-Anionen vorwiegend Carbanionen aus metallorganischen Verbindungen (z. B. Butyllithium) verwendet. Im ersten Wachstumsschritt addiert dann ein Metallorganyl an die Vinyl-Gruppe unter Bildung des stabileren Carbanions; das Primär-Carbanion addiert an weitere Moleküle des Vinyl-Monomers, so daß ein Makroanion ensteht: R R' Li

+

H2C

R

C

R'

CH2

C

H

+ n H2C

Li

R

CHR R'

CH2

H

R

C

n

CH2

C

H Makroanion

Carbanion

Li H

Zugesetzte polare Verbindungen brechen unter Bildung eines neutralen Polymers die Kette ab: R R'

CH2

C

n

C

H

R

R

R CH2

Li

+

H2O

R'

CH2

H

C

n

CH2

H

C

H

+

Li OH

H

Kettenübertragungen beenden auch bei der anionischen und kationischen Polymerisation das Wachstum. Dabei wird die Ladung vom Makroion auf ein Monomer übertragen, wodurch eine neue Kette startet.

35.2.4

Koordinative Polymerisation

Koordinative Polymerisationen werden durch Metall-Komplexe mit freier Koordinationsstelle gestartet (ZIEGLER-NATTA-Katalysatoren). Ein gut untersuchter Katalysator-Komplex entsteht z. B. durch Reaktion von Titan-dicyclopentadienid-dichlorid mit Diethylaluminiumchlorid in Toluen unter Stickstoff als Inertgas: H3C Cp

+

Ti Cp

Cp

H2C

(Toluen , N2)

Cl

Cl

(C2H5) 2AlCl

Al

CH2 Ti

CH3

Cp =

Cl

Cl Cl

Cp

freie Koordinationsstelle

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746

35 Synthetische Polymere

Erster Schritt (a) der Polymerisation ist die r-Komplexierung des Alken-Monomers an der freien Koordinationsstelle des Katalysator-Komplexes: CH3

CH2 Ti

+

CH3

CH2 Ti

a

r-Komplex

Durch nucleophilen Angriff des r-komplexierten Ethens am Titan(IV) und der benachbarten Ethyl-Gruppe am Ethen wird eine freie Koordinationsstelle zum Angriff des nächsten AlkenMoleküls regeneriert (b): neue freie Koordinationsstelle CH2

CH3

Ti

b

Ti CH2

CH3

u-Komplex

Die Kette wächst, indem sich die Schritte a und b unter fortlaufendem Wechsel der Koordinationsstelle wiederholen: + Ti C 2H 5

C2H5

a,b

+

Ti

Ti

a,b

C 2H 5

Da sich das neue Alken-Monomer jeweils zwischen die im vorhergegangenen Schritt gebildete Alkyl-Titan-Bindung einschiebt, nennt man die koordinative Polymerisation auch Polyinsertion. Während bei radikalischen und ionischen Polymerisationen der Initiator seine Funktion (Elektron oder Ladung) an die wachsende Kette überträgt, regeneriert jeder Wachstumsschritt der koordinativen Polymerisation die Koordinationsfähigkeit des Starter-Komplexes. Kettenabbrüche werden durch Homolyse der Alkyltitan-Bindung oder durch Hydrid-Übertragung von der Alkyl-Kette zum Titan unter Bildung eines terminalen Alkens ausgelöst. H Ti

H Ti

+

Die Bedingungen der koordinativen Polymerisation sind sehr mild: Unter Stickstoff als Inertgas wird eine Lösung des Monomers einer Suspension (heterogene Katalyse) oder Lösung (homogene Katalyse) des Katalysatorkomplexes zugesetzt. Die Polymerisation findet bereits unter Normaldruck bei /70 °C statt.

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35.2

Polymerisationen

35.2.5

747

Polymerisation durch Alken-Metathese

Ein spezielleres Verfahren der Polymerisation ist die Alken-Metathese (Abschn. 4.5.13). Diese Art der Umalkylidenierung gestattet nicht nur die ringerweiternde Oligomerisierung (Makrocyclisierung) von Cycloalkenen, +

Cyclopenten

Kat. 1,6-Cyclohexadien

Dodecahydro[20]annulen

sondern auch deren ringöffnende Polymerisation. Dabei entstehen Polyalkene: (CH2) x

n

CH

(CH2) x

CH

x = 2 , 3 , 5 , 6 , ... (nicht 4)

35.2.6

CH

CH

n

x = 3 : Polypententamer

Epoxid-Polymerisation

Neben Vinyl- und Dien-Monomeren sind die Epoxide polymerisierbar. Sie polymerisieren in Gegenwart von Säuren oder Basen als Starter zu Polyethern nach Mechanismen, die denen der kationischen und anionischen Polymerisation von Alkenen weitgehend analog sind: + HO CH2 CH2

O

+n

HO CH2 CH2 O CH 2 CH2

O

(Wachstum)

HO CH 2 CH 2

O CH2 CH2 + H2O

Säurekatalyse

O

HO CH 2 CH 2

O

/ [H+] (Kettenabbruch)

+n

Basenkatalyse OR

O CH2 CH2

n

O CH2 CH2 OH

Polyether

RO CH2 CH 2 O CH 2 CH2 O

O

O CH2 CH2

+ [H+]

H

+

n

+

O

(Wachstum)

RO CH 2 CH2

+ ROH

O

RO CH 2 CH2 O

O CH 2 CH2

RO CH 2 CH2

n

O CH2 CH 2 O

/ [RO ] (Kettenabbruch)

O CH 2 CH2

n

O CH2 CH 2 OH

Polyether

35.2.7

Hetero- und Homopolymere

Das bei der Epoxid-Polymerisation entstehende Polyethylenoxid [weitere Bezeichnungen: Polyoxyethylen (POE), Polyethylenglycol (PEG)] enthält zwei Arten von Kettenatomen (C, O) und wird daher als Heteropolymer eingeordnet. Dagegen bestehen die Hauptketten der Vinyl-

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748

35 Synthetische Polymere

Polymeren nur aus Kohlenstoff. Vinyl-Polymere wie Polyethen, Polystyren, Polyvinylchlorid oder Polyacrylnitril bezeichnet man daher als Homopolymere: Heteropolymer HO CH2 CH 2

O CH2 CH2

n

Homopolymer O CH2 CH2 OH

n

R

Polyethylenoxid

35.2.8

CH2 CH R=H R = C6H5 R = Cl R = CN

: : : :

Polyethen Polystyren Polyvinylchlorid Polyacrylnitril

Uni- und Multipolymere

Alle bisher besprochenen Polymeren haben sich aus einem Monomer gebildet und werden daher als Unipolymere klassifiziert. Beteiligen sich zwei oder mehr Monomere an der Polymerisation, so spricht man von Multi- oder Copolymeren. Copolymere aus zwei Monomeren A und B, sog. Bipolymere, haben eine große anwendungstechnische Bedeutung. Man unterteilt sie in alternierende und statistische Copolymere, sowie in Block-, Pfropf- und vernetzte Polymere. In alternierenden Copolymeren wechseln die Bausteine A und B regelmäßig ab entsprechend der Sequenz ...ABABAB... . Alternierende Copolymere werden gezielt durch Metathese unsymmetrisch substituierter Cyclodiene hergestellt, z. B.: n

CH2 CH CH CH2

CH2 CH C CH 2

n

CH 3 CH 3

Butadien-Einheit A

Isopren-Einheit B

Statistische Copolymere enthalten die Monomer-Bausteine in statistischer Folge entsprechend der Sequenz ...ABBABABBBAABAAA... . Sie entstehen durch Mischpolymerisation verschiedener Monomerer, z. B. von 1,3-Butadien und Isopren. Block- oder Sequenzpolymere bestehen aus Ketten, deren Bausteine A und B in Blöcken aufeinander folgen im Sinne der Sequenz ...AAAA...BBBBBB... . Blockpolymere entstehen durch Mehrschritt-Polymerisation. Dabei wird einem frisch durchpolymerisierten Ansatz des Monomers A, bestehend aus Makroradikalen (...AAA...A.) oder Makroionen (...AAA...A+), das Monomer B zugesetzt. Die Kettenübertragung (Abschn. 35.2.2) führt zur Anpolymerisation des Monomers B. Pfropfpolymere sind verzweigte Copolymere, bei denen auf eine Hauptkette der MonomerBausteine A Seitenzweige eines oder mehrerer anderer Monomeren B gepfropft werden: ...AAAAAAAAAAA... B B B B B B B B .. B . .. .

Vernetzte Copolymere entstehen durch Mischpolymerisation mono- und bifunktioneller Monomerer. Dabei werden die Ketten des monofunktionellen Monomers in statistischer Folge durch Einheiten des bifunktionellen Monomers verknüpft (Vernetzung): A : aus monofunktionellem Monomer B : aus bifunktionellem Monomer

...AAAAAAAAAAA... B B ...AAAAAAAAAAAAA...

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35.3

Polyadditionen

749

Ein technisch bedeutendes Beispiel ist die Copolymerisation des Styrens mit 1,4-Divinylbenzen:

...

CH CH 2

CH CH2 CH CH2

...

CH CH 2

zwei durch eine Divinylbenzen-Einheit vernetzte Polystyren-Ketten

...

CH CH 2

CH CH2 CH CH2

CH CH 2

...

Der Vernetzungsgrad, von dem Löslichkeit, Quellbarkeit und mechanisches Verhalten abhängen, wächst mit dem Prozentsatz an 1,4-Divinylbenzen. Die Vernetzung bereits bestehender Polymer-Ketten mit reaktiven Gruppen (Doppelbindungen) zu großen Polymernetzen hoher mechanischer Resistenz bezeichnet man als Härtung. Ein Spezialfall der Härtung ist die Vulkanisation von Polydienen. Dabei addiert Schwefel an die Doppelbindungen der Polydiene und verknüpft deren Ketten durch Sulfid-Brücken:

S8

S S

Polydien

S S vulkanisiertes Polydien

Dieser Prozeß macht aus den meist klebrig-plastischen Dien-Polymeren elastische Werkstoffe, wie sie in Gummi- und Reifenindustrie verwendet werden. Aus Natur- oder synthetischem Kautschuk (cis-Polyisopren) entsteht z. B. je nach Vulkanisationsgrad, der mit zunehmendem SchwefelGehalt steigt, Weich- oder Hartgummi.

35.3 Polyadditionen Unter Polyaddition versteht man die Reaktion zweier verschiedener bi- oder mehrfunktioneller Verbindungen zu Polyaddukten ohne Abspaltung von Nebenprodukten.

35.3.1

Polyurethane

Die bekannte Addition von Alkoholen oder Phenolen an Isocyanate zu Urethanen (Abschn. 25.5) H R1 O C N

+

_ HO _ R2

N R1 O C OR2 Urethan

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750

35 Synthetische Polymere

läßt sich auch bifunktionell durchführen. Diese technisch bedeutende Polyaddition von Diolen oder Diphenolen an Diisocyanate führt zu Polyurethanen. O nO C

N

R

N C O

+

n HO

Diisocyanat

R'

OH

O C N

R

Diol

N

C

O O

R'

O

C

H

O R

N

N

H

C

H

O

R'

OH

n/1

Polyurethan (mit reaktiven Endgruppen) R =

(CH2) x

;

R' =

(CH2) x

;

35.3.2

CH2

;

Polyharnstoffe

In Analogie zu den Polyurethanen entstehen Polyharnstoffe durch Polyaddition von Diaminen an Diisocyanate: O nO C

N

R

N C O

+

n H 2N

Diisocyanat

R'

NH 2

O C N

Diamin

R

N H

O

C

N H

R'

N H

C

O N H

R

N H

C

N H

R'

NH 2

n/1

Polyharnstoff (mit reaktiven Endgruppen)

An der Bildung von Polyurethanen und Polyharnstoffen sind nur zwei Arten von bifunktionellen Ausgangsmolekülen beteiligt. Man spricht daher von Unipolyadditionen. Da die entstandenen Unipolyaddukte jedoch reaktive Endgruppen tragen, können sie mit anderen Primäraddukten unterschiedlicher Größe zu Blockpolyaddukten weiterreagieren. Mit weiterem Diamin oder Diol reagieren die Primäraddukte unter Kettenverlängerung, mit trifunktionellen Aminen oder Diolen unter Vernetzung.

35.4 Polykondensationen Als Polykondensation wird die Reaktion bi- oder mehrfunktioneller Verbindungen zu Polykondensaten unter Abspaltung eines Nebenprodukts definiert. Polykondensationen an sich verlaufen unter Abspaltung von Wasser. Ähnliche Reaktionen sind Polyumesterungen unter Abspaltung leicht flüchtiger Alkohole sowie Polyacylierungen unter Freisetzung von Halogenwasserstoff. Da diese Reaktionen Gleichgewichte sind, muß man die Nebenprodukte abtrennen oder chemisch binden.

35.4.1

Polyester

Polyester können durch Selbstkondensation einer y-Hydroxyalkansäure, O n HO

(CH2) x

C

OH y-Hydroxyalkansäure

O

/ (n/1) H2O H

O

(CH2) x

C

O O

n/1

(CH2) x

C OH

Polyester (aus einer Einheit)

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35.4

Polykondensationen

751

oder durch Kondensation von Disäuren mit Diolen oder Biphenolen hergestellt werden.

n HO

O

O

C

C

R

OH

+

n HO

Disäure R =

(CH2) x

R' =

(CH2) y

R'

/ (2n/1) H2O HO

OH

O

O

C

C

R

Diol, Biphenol

O O

R'

C

O

O C

R

R

O

OH

n/1

Polyester (aus zwei Einheiten)

; CH3 C

;

CH3

Meist ist eine Säure als Katalysator und ein höher siedendes Lösemittel (Toluen) als Schlepper notwendig, um das Reaktionswasser azeotrop abzudestillieren. Wird anstelle des Diols ein Triol (z. B. Glycerol) eingesetzt, so liefert die Polykondensation einen vernetzten Polyester. Häufig werden Polyester durch Polyumesterung eines Diesters aus einem flüchtigen Alkohol (Methanol, Ethanol) mit einem Di- oder Triol hergestellt. Auch diese Reaktion verläuft säurekatalysiert. Der freigesetzte flüchtige Alkohol wird kontinuierlich abdestilliert.

n R2 O

O

O

C

C

R1

OR2

+

n HO

Diester

R

/ (2n/1) ROH OH

R2 O

O

O

C

C

R1

O R

O

Diol

O

C

O

R1

C

O

R

n/1

OH

Polyester

Terephthalsäuredimethylester (R1 = p-C6H4 , R2 = /CH3 ) wird z. B. mit Glykol (R = /CH2/CH2/) zu dem als Terylen oder Dacron bekannten Terephthalsäurepolyglykolester umgeestert. Eine dritte Methode zur Herstellung von Polyestern ist die Polyacylierung von Dihydroxy-Verbindungen mit Disäuredichloriden in Gegenwart einer Base:

n X

O

O

C

C

R

X

+

n HO

R'

/ (2n/1) HX X

OH

O

O

C

C

R

O O

Disäuredihalogenid (meist X = Cl , Br)

R'

O

C

Polyester

O R

C

O

R

OH

n/1

Polycarbonate wie Makrolon werden nach diesem Prinzip durch Phosgenierung von Diolen oder Diphenolen hergestellt, z. B.: O

CH3 n HO

C

OH

+

CH3 2,2-Bis-(4-hydroxyphenyl)-propan (Bisphenol A)

35.4.2

n Cl

C

Cl

/ (2n/1) NaCl / (2n/1) H2O

O

CH3

+ 2n NaOH H

O

C

O

CH3 Makrolon (ein Polycarbonat)

C

OH n

Polyamide

Polyamide bilden sich nach Verfahren, die denen der Polyester-Synthese analog sind. Das als Perlon bekannte Polyamid wird technisch durch Selbstkondensation der 6-Aminohexansäure (g-

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752

35 Synthetische Polymere

Aminocapronsäure) hergestellt. Letztere ist durch BECKMANN-Umlagerung (Abschn. 22.4.9) von Cyclohexanonoxim über g-Caprolactam zugänglich.

n H2N

C

/ (n/1) H2O

OH

H2N

C

O

H N

C

N H

CO2H

n/2

O

O 6-Aminohexansäure (g-Aminocapronsäure)

Perlon

Durch Polykondensation der Adipinsäure mit Hexamethylendiamin entsteht die Synthesefaser Nylon: O n HO

C

C

OH

/ (n/1) H2O

O HO

Nylon

C

C

NH2

+ n H 2N

O

H N

N H

O

O C

C

NH2

N H

n/2

O

Daneben können Polyamide durch Polyaminolyse von Diestern mit Diaminen oder durch Polyacylierung von Diaminen mit Disäuredichloriden hergestellt werden. Reaktive Endgruppen der Polyester und Polyamide (/COOH, /OH, /NH2) ermöglichen die Anwendung einiger der in Abschn. 34.3.3 skizzierten Färbemethoden, die Vernetzung mit Diisocyanaten sowie die Herstellung von Block-Copolykondensaten.

35.4.3

Phenoplaste

Die Phenoplaste (Bakelite u. a.) sind seit 1907 bekannt und werden bis heute zu Formteilen verarbeitet. Sie entstehen durch eine in mehreren Schritten ablaufende Polykondensation von Phenolen mit Formaldehyd. Erster Schritt ist die mehrfach elektrophile Substitution des Phenols durch Formaldehyd: O

H

OH

OH CH2OH

+

2 CH 2 O

CH 2OH +

CH2 O CH2OH

In der zweiten Phase spaltet ein Teil der hydroxymethylierten Phenole intramolekular Wasser ab: O

H

O CH 2OH

HO

CH 2

CH2OH

/ H2O

CH2

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35.4

Polykondensationen

753

Das entstandene Chinonmethin verknüpft sich im dritten Schritt mit einem weiteren Phenol im Sinne einer MICHAEL-analogen Addition: OH

O CH 2OH O

H CH 2OH

CH2

H

+

OH CH 2OH

CH 2OH

O

OH CH 2OH

CH 2OH

CH2OH CH 2OH

CH 2OH

Mehrfache Wiederholung des zweiten und dritten Schrittes führt im sauren Medium zu den zweidimensional vernetzten, schmelzbaren Novolacken, in alkalischer Lösung überwiegend zu dreidimensional vernetzten, harten und schmelzbaren Resiten (Bakelite, Abb. 35.1). OH

OH

OH

OH

OH

HO

OH

OH

OH

OH

OH

a

OH

OH

b

Abb. 35.1. Phenoplast-Netzwerk-Ausschnitte der Bakelite, (a) Novolack, (b) Resit

35.4.4

Aminoplaste

Aminoplaste sind Polykondensationsprodukte aus Formaldehyd und Harnstoff-Derivaten. Dabei werden die Amino-Gruppen durch Formaldehyd zunächst hydroxymethyliert: NH 2

NH CH2OH + CH 2 O

O C

O C

NH 2

NH 2

Der gebildete Hydroxymethylharnstoff polykondensiert zu einer Polyharnstoff-Kette: O

O / (n/1) H2O

C n H2N

N H

OH

O

C H2N

N H

C N N OH H H n /1 Polyharnstoff

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754

35 Synthetische Polymere

Die Ketten werden durch überschüssigen Formaldehyd vernetzt. Dabei erhält man Werkstoffe, wie sie u. a. zur Schall- und Wärmedämmung benötigt werden: O

O

C

C N H

N H x

H N

+

2 x CH2

N

/ 2x H2O

O

H N

N

CH2

CH2

N

N C

C O

O x vernetztes Formaldehyd-Harnstoff-Polykondensat

x

Auch das aus Harnstoff zugängliche, als Melamin bekannte Triamino-1,3,5-triazin läßt sich mit Formaldehyd über die N-Hydroxymethyl-Derivate zu den Melaminharzen polykondensieren. Melaminharze werden zu Isolatoren und Gebrauchsgegenständen verarbeitet. NH2 / 3 H2O

N

(Kat.) H2N

O H2N

N

NH2

O NH2 NH2 + O

H2N

NH2

O

+ CH2

N N

N

(Überschuß)

NH2

N

N N

N

N N

N

N N

N

Melamin Melamin-Harz-Teilstruktur

35.4.5

Epoxidharze

Epoxidharze bilden sich durch eine Folge von Additions-Eliminierungs-Schritten aus Epichlorhydrin und Diphenolen. Im ersten Schritt öffnet das Diphenol zwei Oxiran-Ringe. Dann eliminiert das entstandene Bis-chlorhydrin zweimal Chlorwasserstoff. Dabei regeneriert sich ein Diepoxid, an welches weitere Moleküle Diphenol addieren können (Abb. 35.2). CH3 n Cl

CH2

O

+

n HO

C

OH

+

n

CH2

O

Cl

CH3 Additionsschritte

CH3 n Cl

CH2

CH

CH2

O

C

OH

O

CH2

CH

(NaOH , 100 °C) / 2n HCl

Cl

CH2

OH

CH3 Eliminierungsschritte

CH3 n

CH2

O

O

C

O

CH2

O

CH3 CH3 C

+ n HO Ar OH , Ar =

CH3

O

CH2

O

Ar

O

CH2

CH OH

CH2

O

Ar

O 2n/1

CH2

CH

CH2

O

Ar

OH

O

CH2

O

Abb. 35.2. Schema der Bildung eines Epoxidharzes

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35.5

Molekülstruktur von Polymeren

755

Die schließlich entstandenen makromolekularen Diepoxide haben eine verhältnismäßig kleine mittlere Molekülmasse, lassen sich jedoch mit difunktionellen Verbindungen (Diamine, Dicarbonsäuren) verknüpfen bzw. vernetzen und dadurch härten. Sie finden u. a. als Lackrohstoffe (Einbrennlacke), Klebstoffe und Gießharze Verwendung.

35.5 Molekülstruktur von Polymeren 35.5.1

Mittlere Molekülmasse

Die mittlere Molekülmasse von Polymeren, mithin ihre Molekülgröße, kann aus der Viskosität, dem Diffusionskoeffizienten, dem osmotischen Druck und der Lichtstreuung der PolymerLösungen bestimmt werden. Oft wird die relative Molekülmasse aus der Sedimentationsgeschwindigkeit ermittelt. Dabei wird die Lösung, Dispersion oder Suspension des Polymers in der Ultrazentrifuge sehr starken Zentrifugalbeschleunigungen (105 - 106 g , g = 9.8 ms/2 ) ausgesetzt. Die Zentrifugalkraft auf ein Molekül, seine Sedimentationsgeschwindigkeit, hängt u. a. von seiner Masse ab. Da die Moleküle eines Polymers verschieden groß sind, ergibt die Auswertung der Sedimentationsgeschwindigkeiten eine Molekülmassen-Verteilungskurve, deren Maximum die häufigste Molekülmasse ist. In Einzelfällen gestatten RÖNTGEN-Struktur und Elektronenmikroskopie fester Polymerproben eine direkte Abbildung der Makromoleküle.

35.5.2

Stellungsisomerie

Monomere mit geringerer Symmetrie als Ethen, wie Vinyl- oder Vinyliden-Verbindungen, H

H

H C

H

R C

C

C

H R Vinyliden-Monomer

R Vinyl-

haben "leichte" und "schwere" Alken-C-Atome, die als "Schwanz" (=CH2 ) und "Kopf" (=CHR, =CR2 ) bezeichnet werden. Bei der Polymerisation sind zunächst Kopf-Schwanz-(KS) und KopfKopf- bzw. Schwanz-Schwanz- (KK; SS)-Verknüpfungen möglich: CH2

CH R K

CH2

CH

S

R K

CH2

CH

S

R K

CH2

CH

S

R K

CH2

CH

CH

R K

R K

CH2 S

CH2

CH

CH

S

R K

R K

CH2

Diese beiden Verknüpfungsarten sind ein Beispiel der Konstitutionsisomerie von Polymeren. Aus sterischen und energetischen Gründen ist die Kopf-Schwanz-Verknüpfung viel häufiger. Andererseits führt die als Abbruchreaktion bedeutende Kombination (Abschn. 35.2.2) von Makroradikalen zwangsläufig zu einer Kopf-Kopf-Verknüpfung. Ein weiteres Beispiel von Stellungs- oder Konstitutionsisomerie ist die bei den Dien-Polymeren mögliche 1,2- und 1,4-Verknüpfung:

1,2-Verknüpfung

1,4-Verknüpfung

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756

35 Synthetische Polymere

35.5.3

Verzweigungsgrad

Polymere aus demselben Monomer können sich nicht nur durch relative Molekülmasse und Verknüpfungsart, sondern auch durch den Verzweigungsgrad unterscheiden. Eine Kurzketten-Verzweigung entsteht häufig durch intramolekulare Wasserstoff-Verschiebung: H Kette

H

Kette

CH2

H

+ x H2C

CH2

Kette

CH3

CH2

CH

CH2

(CH2) 3

CH2

CH2

x/1

CH3

Da fünfgliedrige Übergangszustände spannungsfrei und daher stabil sind, treten beim HochdruckPolyethen häufig Butyl-Gruppen als Kurzketten-Verzweigungen auf. Langketten-Verzweigungen entstehen durch Reaktion eines Radikals (Initiator- oder Makroradikal) mit einem Makromolekül und Anpfropfung weiterer Monomerer: R Kette1

CH2

CH

Kette 2

+M / MH

R Kette1

CH2

+ x H2C

C

R

R

CHR Kette1

CH2

Kette 2

CH2

C

CH

R CH2

x/1

Kette 2

C H

Ein Spezialfall der Verzweigung ist die Vernetzung von Polymer-Ketten (Abschn. 35.2.8).

35.5.4

Relative Konfigurationsisomerie von Polyalkenen

Polyalkene, die sich durch 1,4-Polymerisation von Dienen (1,3-Butadien, Chloropren, Isopren) bilden, können als cis-trans-Isomere [(Z)-(E)-Isomere] auftreten: cis-1,4-Polybutadien

trans-1,4-Polybutadien

Natürlich vorkommende cis-trans-Isomere des Polyisoprens sind Naturkautschuk und Guttapercha (Abschn. 42.2.7) mit sehr verschiedenen Eigenschaften.

35.5.5

Taktizität von Polyalkanen

Die Polymerisation aller nicht symmetrischer Vinyl-Monomerer führt asymmetrische KohlenstoffAtome in die Polymerkette ein: nR

CH CH2

* CH R

CH2

x

* CH R

CH2

* CH

CH2

y

R

Den beiden relativen Konfigurationen benachbarter asymmetrischer Kohlenstoff-Atome entsprechend definiert man zwei stereoisomere Polymerketten (Abb. 35.3): Ist die relative Konfiguration aller asymmetrischer Kohlenstoff-Atome gleich, so nennt man die Kette rein isotaktisch. Alterniert die Konfiguration dagegen regelmäßig, so ist die Kette rein syndiotaktisch.

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35.5

Molekülstruktur von Polymeren

757

Neben iso- und syndiotaktischen Sequenzen gibt es noch Ketten geringerer Stereoregularität. Ketten ohne jegliche Stereoregularität, also mit statistisch wechselnden Konfigurationen, bezeichnet man als ataktisch.

C

von der Seite

C

C R

C

C R

C

C R

R

C

C

C

C

C

C

R

R

C

C

C

C C

R R

C C

R R

R

R

von oben R

R

R

R

R

R

R

isotaktisch

R

syndiotaktisch

Abb. 35.3. Iso- und syndiotaktische Polyalkan-Ketten

Zur Unterscheidung der Konfiguration von Vinylpolymeren des Typs [/CHR/CH2/]n definiert man meso- oder m-Diaden mit gleicher und racemische- oder r-Diaden mit entgegengesetzter Konfiguration aufeinanderfolgender asymmetrischer C-Atome: R

m-Diade

r-Diade R

R

R

13

Abb. 35.4. Protonen-breitbandentkoppelte C-NMR-Spektren gesättigter Lösungen von linearem Polystyren in Deuteriochloroform bei 20.115 MHz; (a) isotaktische, (b) ataktische Probe

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758

35 Synthetische Polymere

In beiden Diaden unterscheiden sich die chemische Umgebungen der mittleren Methylen-Gruppe. Die zugehörigen Kerne (1H; 13C) haben somit unterschiedliche Verschiebungswerte in den Kernresonanzspektren, wie die Gegenüberstellung der 13C-NMR-Spektren von iso- und ataktischem Polystyren zeigt (Abb. 35.4). Für isotaktisches Polystyren mit der einheitlichen Sequenz ...mmm... wird nur ein Signal für jede Kohlenstoff-Sorte registriert (Abb. 35.4 a). Dagegen zeigt die ataktische Probe für die den Asymmetriezentren benachbarten C-Atome (Methylen und Phenyl-C-1') mehrere Signale (Abb. 35.4 b). Zur Erklärung zeichnet man alle im ataktischen Polystyren möglichen Triaden, die Dreierfolgen asymmetrischer C-Atome, auf. Von den insgesamt möglichen vier Triaden sind zwei, nämlich mr und rm, ununterscheidbar (Abb. 35.5). Infolgedessen beobachtet man für die den Asymmetriezentren benachbarten C-Atome mindestens drei Signale, mindestens, weil auch alle möglichen Tetraden, Pentaden usw. sowie ihre statistischen Gewichte berücksichtigt werden müßten. R R

R

R

R

mm

R

mr

R

R

R

R R

rm

R

rr

Abb. 35.5. Triaden eines ataktischen Vinyl-Polymers [ (CHR/CH2 )n , z. B. Polystyren mit R = /C6 H5 ]

Die Taktizität der Vinyl-Polymeren hängt von der Polymerisationsart ab. Überwiegend ataktische Polyalkane entstehen bei der radikalischen Polymerisation. Dagegen führt die koordinative Polymerisation zu überwiegend isotaktischen Polymerisaten.

35.5.6

Rotationsisomerie

Bekanntlich gibt es bei den Ethan-Derivaten des Typs R/CH2/CH2/R drei Rotationsisomere mit gestaffelter Anordnung der Substituenten R (Abschn. 2.4): Zweimal stehen die Substituenten synclinal (gauche), einmal liegen sie antiperiplanar (trans) zueinander. Dank schwächerer sterischer Wechselwirkung ist das anti-Konformer stabiler. Entsprechend ist die all-trans- oder gestreckte Zick-Zack-Form der Hauptkette eines Polyalkans (Abb. 35.6) am stabilsten.

Abb. 35.6. Rotationsisomere Polyalkan-Ketten

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35.6

Anwendungstechnisch relevante Eigenschaften

759

Ordnen sich die C-Atome der Polymerkette dagegen regelmäßig schraubenförmig an, so spricht man von einer Helix. Helices bilden sich als Sekundärstrukturen von Polyamiden und Polypeptiden (Abschn. 37.3.2). Sie werden überwiegend durch Wasserstoffbrücken zwischen benachbarten Amid-Gruppen zusammengehalten. O

H N

C N

H

O

C

Gitterfehler in Polymerkristallen gehen u. a. auf Rotationsisomere zurück, die zu einer Versetzung (f) der Polymerketten-Längsachsen führen. Ist die Versetzung (f) kleiner als der Gitterabstand (d) der Ketten im Polymerkristall, so spricht man von einer Kinke im Gegensatz zum Jog, für den f"> d gilt. Kinken sind eine Folge zweier, Jogs eine Folge zweier oder mehrerer gauche-Konformationen in einer all-trans-Kette (Abb. 35.6).

35.6 Anwendungstechnisch relevante Eigenschaften 35.6.1

Kristallinität

Manche Polymere erstarren aus der Schmelze glasartig, sobald bei der Abkühlung eine bestimmte "Einfriertemperatur" unterschritten wird. Da die RÖNTGEN-Struktur keine Ordnung erkennen läßt, spricht man von amorphen Polymeren. Beispiele sind ataktisches Polystyren und Polymethylmethacrylat. CH3 Polymethylmethacrylat-Einheit

CH2

C n CO2CH3

Wenn verschiedene Bereiche des festen Polymers parallele Ketten zeigen, jedoch ohne einheitliche Richtung, so spricht man von nicht orientierter Teilkristallinität (Abb. 35.7 a). Durch Verstrecken läßt sich oft ein Zustand orientierter Teilkristallinität (Abb. 35.7 b) erreichen. Dieser Prozeß findet bei manchen teilkristallinen Polyesterfasern Anwendung.

Abb. 35.7. Teilkristalline Polymerketten

In kristallinen Polymeren ordnen sich die Makromoleküle zu einem dreidimensional-periodischen Kristallgitter an. Voraussetzungen hierzu sind u. a. ̈ eine möglichst lineare Struktur, ̈ wenig Kurzketten-Verzweigungen und ̈ hohe Taktizität bei Polymeren mit Stereoisomerie.

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760

35 Synthetische Polymere

Abb. 35.8 skizziert die Idealstruktur des Polyethens, dessen orthorhombische Modifikation durch die Elementarzelle mit den Gitterkonstanten c0 = 736 pm, d0 = 492 pm und i0 = 253 pm gekennzeichnet ist. Allerdings wird die Kristallinität im Realfall durch mehrere Gitterfehler gestört. Gitterfehler werden u. a. durch Kinken, abgebrochene Ketten und dadurch induzierte Jogs verursacht (Abb. 35.9).

a

b

Abb. 35.8. Idealstruktur des Polyethens; (a) Schrägprojektion, (b) Aufsicht (Kettenpackung)

Abb. 35.9. (a) Ungestörtes Gitter; (b) Gitterdefekt durch eine Kinke; (c) Gitterdefekt durch Kettenende und induzierten Jog-Block d

a

35.6.2

b

c

Plastizität

Polymere mit schwachen intermolekularen Wechselwirkungen, z. B. Dien-Polymere, sind bei Raumtemperatur oft plastisch, behalten also jede mechanisch erzwungene Form bei. Wird die Plastizität erst bei höheren Temperaturen erreicht (> 60 °C), so spricht man von Thermoplastizität. Fast alle Polyalkane, Polyalkene, Polyester, Pheno- und Aminoplaste werden zwischen 60 °C und 150 °C thermoplastisch und lassen sich dann zu Gebrauchsgegenständen formen.

35.6.3

Elastizität

Etwas vernetzte Polymere mit schwachen Wechselwirkungen zwischen den Ketten sind bei Raumtemperatur oft elastisch, gehen also nach mechanisch erzwungener Verformung in den Ausgangszustand zurück. Aus plastischen Dien-Polymeren entstehen durch Vernetzung (z. B. mit Schwefel bei der Vulkanisation von Kautschuk) elastische gummiartige Werkstoffe. Die Elastizität nimmt mit sinkender Temperatur ab. Zeigt sie sich erst bei höheren Temperaturen, so spricht man von Thermoelastizität. Elastische Polymere nennt man Elastomere.

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35.7

Reaktionen von Polymeren

35.6.4

761

Löslichkeit und Quellbarkeit

Viele Polymere lösen sich in organischen Lösemitteln. Lineares (nicht quervernetztes) Polystyren löst sich z. B. in Toluen und Chloroform. Mit solchen Polymeren können in Lösung Reaktionen durchgeführt werden (Homogene Reaktionen). Andere Polymere lösen sich zwar nicht, können aber in bestimmten Lösemitteln quellen. Polystyren-Divinylbenzen-Copolymere (98 : 2 %) lösen sich nicht, aber quellen in Chloroform, weil die kleinen Lösemittel-Moleküle in das Netzwerk eindringen. Durch die Quellung vergrößert sich die Oberfläche, was Reaktionen in heterogener Phase etwas erleichtert. Wird der Vernetzungsgrad durch höhere Divinylbenzen-Konzentrationen erhöht, so nimmt die Quellfähigkeit des Copolymers rasch ab.

35.7 Reaktionen von Polymeren 35.7.1

Depolymerisationen

Als Depolymerisation wird der Abbau von Polymeren zu den Monomeren bezeichnet. Manche Polyalkene (Dienpolymere) lassen sich z. B. durch Metathese-Reaktionen zu niedermolekularen Alkenen abbauen. Depolymerisationen werden thermisch (> 450 °C), seltener durch Ultraschall oder mechanische Beanspruchung ausgelöst. Meist konkurrieren dabei Nebenreaktionen, welche nur zurückgedrängt werden, wenn die Bindungen in der Hauptkette weniger stabil als in der Seitenkette sind, und zudem ein mesomeriestabilisiertes Monomer entsteht. Polymethylmethacrylat als passendes Beispiel depolymerisiert bei 450 °C fast quantitativ zum Monomer: CH3 CH2 H3CO

35.7.2

C

CH3

450 °C n H2C

n

C C

C O

O

H3CO

Reaktionen unter Erhaltung der Polymerkette

Reaktionen unter Erhaltung der Polymerkette werden auch als "polymeranaloge Reaktionen" bezeichnet. Technisch wichtige Reaktionen an Polymerketten sind Umfunktionierungen von Seitenketten wie die Verseifung des Polyvinylacetates zu Polyvinylalkohol, den man nicht durch Polymerisation von Vinylalkohol herstellen kann, da dieser nur in Form des Acetaldehyd-Tautomers existiert. CH2

CH

+

n

KOH

CH2

H3C

C

CH

+

n

CH3CO2K

OH

O

Polyvinylalkohol O

Von technischer Bedeutung sind elektrophile Substitutionen an den Phenyl-Ringen von Polystyren-Divinylbenzen-Perl-Copolymerisaten: CH2

CH

n

+

[Y ]

Kat.

CH2

CH

Y

n

+

[H ]

substituierte Polystyren-Einheit

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762

35 Synthetische Polymere

Tab. 35.1 gibt eine Auswahl der am Polystyren und seinen Copolymeren durchführbaren elektrophilen Substitutionen. Tab. 35.1. Elektrophile Substitutionen an Polystyren und Polystyren-Divinylbenzen-Copolymeren Reaktion

Reagenz

Elektrophil [Y ]

Sulfonierung

H2SO4 / SO3

SO3

Nitrierung

HNO3 / H2SO4

[NO2 ]

Substituent Y

Verwendung

/SO3H

Kationenaustauscher

/NO2

Ausgangsprodukt zur Herstellung polymerer Pigmente

Reduktion

/NH2

Chlormethylierung Cl/CH2/OCH3 / SnCl4

/CH2Cl

[ CH2Cl SnCl5 ]

Träger für FestphasenSynthesen; Ausgangsprodukt zur Herstellung von Anionenaustauschern

35.8 Funktionelle Polymere 35.8.1

Ionenaustauscher

Sulfonierte Polystyren-Divinylbenzen-Perl-Copolymerisate ("PS-DVB") finden als Kationenaustauscher Verwendung. Der Ionenaustausch beruht auf den folgenden Gleichgewichten: Austausch

SO3H

+

M

+

M

Regeneration

SO3 M

+

[H ]

SO3 M

+

Na

: Polymer Austausch

SO3 Na

Regeneration

Weitere Kationenaustauscher sind Phenolsulfonsäure-Formaldehyd-Polykondensate (Wofatite) oder Phenol-Formaldehyd-Harze mit Methylensulfonsäure-Funktionen (Amberlite). Polymere Ammoniumhydroxide werden als Anionenaustauscher eingesetzt. Man erhält sie durch Hydroxyalkylierungen polymerer Amine (Aminoplaste, Aminomethylpolystyren-DivinylbenzenCopolymere) mit Oxiran: CH2 + 2 R2NH

Chlormethyl-Polystyren-Divinylbenzen-Copolymer

Cl

/ 2 R2NH2 Cl R CH2

N

+

O

CH2

R polymeres Trialkylamin

N

R R

+ H2O

CH2

CH2

CH2

N

R R

OH CH2 CH2 OH polymeres Tetralkylammonium-hydroxid

O

Anionenaustausch und Regeneration vollziehen sich im Gleichgewicht zwischen Hydroxid und Salz: CH2

N

R R CH2

Austausch

OH CH2

OH

+

A Regeneration

CH2

N

R R CH2

A CH2

+

OH

OH

polymeres Tetralkylammonium-Salz

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35.8

Funktionelle Polymere

763

Eine Vollentsalzung oder Demineralisierung des Wassers erreicht man durch aufeinanderfolgenden Anionen- und Kationenaustausch.

35.8.2

Elektronenaustauscher

Makromolekulare p-Benzochinon-Hydrochinon-Systeme, z. B. auf Polystyren-Basis, sind als Elektronenaustauscher oder Redoxite bekannt: CH2

CH

n

+

CH2

M

CH

O

+

n

M3

O O

O

Man erhält sie u. a. durch Reduktion von Nitropolystyrenen, Diazotierung der Amine, Reaktion der makromolekularen Diazonium-Salze mit Natriumazid und Umsetzung des Polystyrylazids mit p-Benzochinon: O + Reduktion

NaNO2 / HCl

NO2

NH2

=

35.8.3

CH2

CH

n

NaN3 N2

Cl

Polystyryldiazoniumchlorid

O N3 Polystyrylazid

/ HN3

O O Polystyrylp-benzochinon

Polymere Träger

Polymere Träger sind Polymere mit funktionellen Gruppen, die durch Reaktion andere Moleküle an sich binden. Am häufigsten werden funktionalisierte Copolymere aus Polystyren und Divinylbenzen (1 %) in Form von Perlpolymerisaten eingesetzt. Die Polymerkügelchen (engl. beads) mit etwa 100 om Durchmesser quellen in organischen Lösemitteln, ohne sich dabei zu lösen. Polymere Träger werden zu Festphasen-Reaktionen in der kombinatorischen Synthese (Abschn. 37.4.4) angewendet, eine Methodik, die sich aus der Festphasen-Peptidsynthese nach MERRIFIELD entwickelte. Dabei wird die C-terminale Aminosäure mit dem Chlormethyl-Copolymer verestert und die Peptid-Sequenz vom C-Terminus aus aufgebaut (Abschn. 37.4.3). Die ChlormethylGruppen werden durch elektrophile Chlormethylierung der Phenyl-Ringe des PolystryrenDivinylbenzen-Copolymers in Gegenwart einer LEWIS-Säure (SnCl4) eingeführt (Tab. 35.1). Anstelle des festen Chlormethylpolystyrens können Polyethylenoxide (mit Hydroxy-Gruppen) als lösliche Trägerpolymere für Peptid- und andere Synthesen in homogener Phase eingesetzt werden. Durch Knüpfung von Enantiomeren an flüssige oder feste Polymere entstehen chirale Phasen, mit deren Hilfe chromatographische Racemattrennungen gelingen. Entsprechend kann man polymergebundene Enzyme herstellen, die einfacher handhabbar, oft stabiler und so aktiv sind wie die freien Enzyme.

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764

35 Synthetische Polymere

Der Vorteil organischer Festphasen-Synthesen liegt in der automatisierbaren Aufreinigung des trägergebundenen Produkts durch einfaches Abfiltrieren und Waschen. Außerdem kann durch zwei- bis zehnfachen Überschuß der löslichen Edukte oft eine fast quantitative Umsetzung am festen Träger erreicht werden. Auch mehrstufige Synthesen sind automatisiert und in parallelen Ansätzen durchführbar. Während der verschiedenen Syntheseschritte muß die Bindung zum Polymerträger stabil bleiben. Am Ende der Synthese muß das Produkt unzersetzt abspaltbar sein. Deshalb wird statt der ursprünglich von MERRIFIELD eingesetzten Benzyl-Verknüpfung eine breite Palette spezieller "Linker" zwischen Polymer und Synthesesubstrat angeboten, die für viele gängige Synthesebedingungen maßgeschneidert sind. Als Linker bieten sich alle aus der Schutzgruppenchemie bekannten, kovalent mit dem Träger verknüpfbaren Gruppen an. Ein typisches Beispiel ist die Festphasen-Synthese regioisomerer 1,3,5-Trialkylpyrazol-5-carbonsäuren nach Abb. 35.10, die den Aufbau kombinatorischer Verbindungskollektionen in guten Ausbeuten und Reinheiten möglich macht. Die Synthese wird an einem p-AlkoxybenzylalkoholPolystyren-Divinylbenzen-Copolymer (1 % Divinylbenzen, Beladung 1.1 mmol OH-Gruppen pro g Polymer) durchgeführt, das die Synthesebedingungen toleriert und die Produktabspaltung mit Trifluoressigsäure zuläßt. Kombinierbare Edukte für tausende verschiedener Pyrazole sind dKetoester zur Harzbeladung durch Umesterung, aliphatische und aromatische Aldehyde zur KNOEVENAGEL-Alkenylierung im zweiten Schritt sowie Phenylhydrazine zum Ringschluß.

Polystyren

O

CH2

CH2 OH

Linker

OH O R1

H3CO

Umesterung

O O R2

O R1

O

O H

R1

O

KNOEVENAGEL-

O

Reaktion

R2

Hydrazon-Bildung

H2N

NH

MICHAEL-Addition

R3

O

O R1

O R2

O

N N

O R1

O R2

N

R2 N

HN

R3

R3

O R1

O

O NH R3

R2

O

R1 N N

H

CF3CO2H

R2

CF3CO2H

R1

HO2C

R1

HO2C

N

R2

N R3

R3

N N

R3

1,3,5-Trialkylpyrazol-4-carbonsäuren

Abb. 35.10. Darstellung regioisomerer 1,3,5-Trialkylpyrazol-4-carbonsäuren am polymeren Träger

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35.9

Anwendungsformen der Polymeren

35.8.4

765

Makromolekulare Chelatbildner

Durch Reaktion chlormethylierter Styren-Divinylbenzen-Copolymerer mit Polyaminen erhält man mehrzähnige makromolekulare Amin-Liganden, deren Zähnigkeit durch Weiterreaktion mit Chloressigsäure erhöht werden kann: CH2

Cl

+

CH2

CH2

NH2

CH2

CH2

NH2

HN sieben- und sechszähniger Ligand

/ HCl CH2 CH2

CH2

CH2

NH2

+ 4 Cl

CH2

CH2 CH2

N

NH2

CH2

CH2

CH2

CO2H

CH2

CO2H

CH2

CO2H

CH2

CO2H

N

CO2H

N

CH2

CH2

N

dreizähnger Ligand

Auch Kronenether und andere makrocyclische Chelat-Liganden wurden mit Polystyren-Divinylbenzen-Copolymerisaten verknüpft. Die makromolekularen Komplexbildner eignen sich zur Extraktion von Metall-Kationen aus Lösungen.

35.9 Anwendungsformen der Polymeren Polymere sind unentbehrliche Werkstoffe, die sich zu zahlreichen Gebrauchsgegenständen und Bauteilen verarbeiten lassen. Tab. 35.2 gibt eine abschließende Auswahl häufig verarbeiteter Polymerer und ihrer Verwendung. Die meisten synthetischen Polymeren sind thermoplastisch und lassen sich bei Temperaturen oberhalb 60 °C zu Gefäßen und Gegenständen formen. Einige Polymere mit Faserstruktur, z. B. Perlon, müssen vor dem Verspinnen erst verstreckt werden, damit durch Kristallit-Bildung (Abb. 35.7) die Faser verfestigt wird. Spröde oder harte Polymere werden durch Zusatz von Weichmachern, welche die Wechselwirkungen zwischen den Makromolekülen schwächen, plastisch und damit formbar. Außer Polyethylenoxiden werden Phthalsäuredialkylester als Weichmacher verwendet. Polyethen kann z. B. erst nach Zusatz von Diisooctylphthalat zu Schläuchen verarbeitet werden. O C Dialkylphthalate als Weichmacher C

R= OR

CH2 CH2

OR

CH2 CH

CH2 CH2

(Butyl-)

CH3 CH2

CH2

CH3

(Isooctyl-)

CH2 CH3

O

Schaumstoffe erhält man durch Zusatz treibgasbildender Hilfsstoffe bei der Polymerisation, Polyaddition oder Polymeren-Verarbeitung. Vulkanisiert man Kautschuk oder Dien-Polymere z. B. unter Zusatz von Azobisisobutyronitril, so entwickelt sich Stickstoff als Treibgas, und man erhält Schaumgummi. Polyurethan-Schaumstoffe, die als Polsterfüllung und zur Schall- und Wärmedämmung verarbeitet werden, entstehen, wenn bei der Polyurethan-Bildung Wasser zugesetzt wird. Das Wasser reagiert mit den Diisocyanaten über die entsprechenden Dicarbamidsäuren unter Entwicklung von Kohlendioxid als Treibgas: R

R N

C

O + H2O

N

CO2H

R

NH2

+

CO2

H N-Alkylcarbamidsäure

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766

35 Synthetische Polymere

Tab. 35.2. Auswahl vielseitig anwendbarer synthetischer Polymerer, Teil 1: Vinyl-Polymere Klasse

Monomer(e)

Polymer-Einheit

Vinyl- oder H2C CH2 AlkenH Polymere (Polyalkane) H2C C

Eigenschaften

Anwendungsformen

PE

Baylon, Lupolen, Hostalen, Vestolen

amorph bis kristallin

Formteile, Folien, Rohre, Schläuche

Kürzel

CH2

CH2

Polyethen (Polyethylen)

CH2

CH

Polypropen (Polypropylen)

PP

Novolen, Hostalen PP, Vestolen PP

amorph bis kristallin ataktisch bis isotaktisch

Formteile, Folien, Rohre, Schläuche

Polyisobuten (Polyisobutylen)

PIB

Oppanol, Vistanex

vorwiegend amorph

Beschichtungen

PS

Polystyrol, Hostyren, amorph bis Vestyron, Styropor kristallin ataktisch bis isotaktisch

leichte Formteile und Verpackungen, Wärmedämmplatten

Vinoflex, Hostalit, Trosiplast

vorwiegend ataktisch und teilkristallin

Behälter, Folien, Beschichtungen, Rohre, Schläuche, Bodenbeläge

CH3

CH3 CH3

CH3 H2C

Handelsbezeichnungen

Bezeichnung

CH2

C CH3

C CH3

H H2C

C

H2C

C

CH2

CH

Polystyren (Polystyrol)

CH2

CH

Polychlorethen PVC (Polyvinylchlorid)

H Cl

F2 C

CF2

H2C

C

Cl

CF2

CF2

Polytetrafluorethen (Polytetrafluorethylen)

PTFE

Teflon, Hostaflon

teilkristallin, hochschmelzend, chemikalienresistent

Folien, Dichtungen, Ventile, Hähne, Beschichtungen, Behälter

CH2

CH

Polyacrylnitril

PAN

Dralon, Dolan, Orlon

vorwiegend ataktisch und teilkristallin, Faserstruktur

Formteile, Fasern

Polymethylmethacrylat

PMMA Degalan, Plexiglas

vorwiegend ataktisch, amorph, glasartig

Formteile, Glasersatz

Polyvinylacetat

PVAC

Movilith, Vinapas

vorwiegend ataktisch, amorph

Bindemittel, Klebstoffe, Lacke

Polyvinylalkohol

PVAL

Moviol, Polyviol

amorph

Klebstoffe, Lacke

StyrenButadienCopolymer

SB, SBR

Buna-Hüls, Kraton

amorph, elastisch

GummiErsatz

StyrenAcrylnitrilCopolymer

SAN

Novodur, Terluran

überwiegend amorph

Formteile, Isolatoren

Styren1,4-DivinylbenzenCopolymer

PSDVB

Lewatite

teilvernetztes Perlpolymerisat, quellbar

Edukt zur Herstellung von Ionenaustauschern und polymeren Trägern

Viton

überwiegend amorph, elastisch

GummiErsatz

H CN

CN CH3

CH3 H2C

CH2

C CO2 CH3

C CO2 CH3

H H2C

C

CH2 OCOCH3

CH OCOCH3

CH2

CH OH

H VinylCopolymere H2C C

H2 C CH

CH2

CH

CH2

CH

teilvernetzt

CH CH2

CH2

CH

CH2

CH

CN

CH 2

CH

CH CH2

H H2C

H2C

C

CH

CN

H H2C

C

CH2

H2 C CH

H 2C

CF2

F2 C

CF

CH CH2

CH

CH CH2

CF3

CH2

CF2

CF

CF2

CF3

1,1-DifluorethenHexafluorpropenCopolymer

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35.9

Anwendungsformen der Polymeren

767

Tab. 35.2. Teil 2: Dien-Polymere, Polyadditions- und Polykondensationsprodukte Klasse

Monomer(e)

DienPolymere

Polymer-Einheit

H CH2

C

C

H2C H

Anwendungsformen

CH 2

Polybutadien

PB

Buna CB

überwiegend amorph

NaturkautschukErsatz, Gummi

cisPolyisopren

PI

Natsyn

klebrig, elastisch

NaturkautschukErsatz, Gummi

Baypren, Neopren

überwiegend amorph, elastisch

NaturkautschukErsatz

H H

C

CH2

C

C

H3C

CH 2

koordinative Polymerisation

C

CH2

CH 2

H

H C

H 2C

Eigenschaften

C

H H 3C

Kürzel Handelsnamen

H C

H 2C

Bezeichnung

CH2

C

C

H2C

C

O

CH2

Cl

CH 2

Polychloropren

Cl

Polyether O

CH 3

O

CH2

O

CH2

CH

PEG

terminale OH-Gruppen

Polyethylenoxid, (Polyethylenglykol)

terminale OH-Gruppen

Polypropylen- PPO oxid

terminale OH-Gruppen

Polyoxymethylen

Polywachs flüssig bis wachsartig, je nach Polymerisationsgrad Polywachs

CH3

H2 C O

H2 C

O

Weichmacher, Textil- und LackHilfsstoffe

Weichmacher flüssig bis fest, je nach Polymerisationsgrad

POM

Hostaform, amorph bis Ultraform, kristallin, durchsichtig Delrin

Fasern, Folien

EP

Araldit, Lekutherm Epikote

zähflüssig bis fest, je nach Härtungsgrad

Kleb- und Lackrohstoffe (Epoxidlacke)

Bisphenol-Apolycarbonat

PC

Makrolon, Lexan, Merlon

amorph, glasartig

Formteile (Haushaltsartikel)

Polyethylenglykolterephthalat

PETP Diolen, Pocan, Trevira, Vetsan

amorph, teilkristallin, faserartig

Synthesefasern, Folien

Vulcollan, Corfam

überwiegend kristallin, elastisch, hohe mechanische Resistenz

Synthesefasern (Perlon U), Dichtungen, Bremsbeläge, Lederersatz

PA Polyadipinsäurehexamethylendiamid

Nylon-6,6

teilkristallin, faserartig, hochschmelzend

Synthesefasern, Schläuche, Formteile

Polysebacin- PA säurehexamethylendiamid

Nylon-6,10

teilkristallin, faserartig, hochschmelzend

Synthesefasern, Schläuche, Formteile

g-Aminocapronsäurepolyamid

Perlon, Trogamid, Vestamid

teilkristallin, faserartig, hochschmelzend

Synthesefasern, Schläuche, Formteile

CH 2Cl

Epoxidharze

O

vgl. Abb 35.2

CH 3 C CH3

NaO

ONa O

Polyester

CH 3

C

Cl

Cl CH 3

HO

C CH 3

O

C CH3 O OH

O O

HO

CH 2

C

CH 2

OH

H 3CO2C

O C

C O

CO2CH3

H2C CH2

HO

CH 2

CH

H 3CO2 C

OH (CH 2) 4

O C N

Ar

Ar =

CH 2

OH

O

CH2

CH

CH2

O O

OH

C

(CH 2) 4

O

O Polyglyceroladipat PGA

CO2CH3

N C

O

O

CH 2

CH

CH 2

O

C

(CH 2) 4

C

O

urethanvernetztes Polyglyceroladipat

HN

Polyamide

H2N

(CH 2) 6

NH2

HO2 C

(CH 2) 4

CO2 H

H2N

(CH 2) 6

NH2

HO2 C

(CH 2) 8

CO2 H

HN

HN

(CH 2) 6 NH C zwei Bausteine O

(CH2 ) 4

(CH 2) 6 NH C zwei Bausteine O

(CH2 ) 8

H 2N (CH 2) 5

CO2 H

C O

O NH

C O

O

O

CH 2

C

(CH 2) 5 NH C ein Baustein O

C O

PA

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768

36 Aminosäuren

36 Aminosäuren 36.1 Proteinaminosäuren Aminosäuren sind aliphatische und aromatische Carbon- und Sulfonsäuren, welche mindestens eine c-, d-, i- bzw. o-, m-, p-ständige Amino-Gruppe tragen. Sie gehören zu den Ampholyten, deren Eigenschaften durch die Präsenz einer sauren und basischen Gruppe geprägt werden. H 3C

C

H2N

CH 3

H CO2H

H 2N C CO2H

H 2N

SO3H

H2N CH2 CH2 CO2H

CO2H

H

NH2 (S)-2-Aminopropansäure

L-Alanin (eine c-Aminosäure)

3-Aminopropansäure (d-Alanin, eine d -Aminosäure)

3-Aminobenzensulfonsäure (m-Aminobenzensulfonsäure)

4-Aminobenzoesäure (p-Aminobenzoesäure)

Die natürlichen c-Aminosäuren bilden sich durch Hydrolyse der Proteine. Diese Proteinaminosäuren werden nach IUPAC mit ihren herkömmlichen Namen und deren Drei- oder Ein-Buchstaben-Symbolen bezeichnet (Tab. 36.1). Sie werden vereinfacht als Aminocarbonsäuren formuliert, obwohl sie im neutralen pH-Bereich als Zwitterionen existieren, R

R

H 2N C CO2H

H 3N C CO2

H

H

übliche Schreibweise

Zwitterionen-Form

und unterscheiden sich in ihrer sogenannten Seitenkette R (Tab. 36.1). Anhand dieser Seitenkette lassen sich die zwanzig Proteinaminosäuren zu folgenden Gruppen zusammenfassen: ̈ aliphatische Aminosäuren: Gly, Ala, Val, Leu, Ile; ̈ Hydroxyaminosäuren: Ser, Thr; ̈ Aminodicarbonsäuren und deren y-Amide: Asp, Asn, Glu, Gln; ̈ basische Aminosäuren: Lys, Arg, His; ̈ schwefelhaltige Aminosäuren: Cys, Met; ̈ cyclische Aminosäuren: Pro; ̈ aromatische bzw. heteroaromatische Aminosäuren: Phe, Tyr, Try. Zu den Guanidylaminosäuren gehört die Proteinaminosäure Arginin (Arg, Tab. 36.1). Eine vom N-Methylglycin (Sarkosin) abgeleitete Guanidylcarbonsäure ist die als Kreatin bezeichnete NMethylguanidylessigsäure aus dem Muskelsaft der Wirbeltiere. Kreatinin, neben Harnstoff ein Proteinabbauprodukt im Urin, bildet sich durch säurekatalysierte Cyclodehydratisierung des Kreatins. H N

NH2 HN H3C

NH

CH2

CO2H

/ H2O

C N

CH2

H3C N-Methylglycin (Sarkosin)

Kreatin

CO2H

HN

O C

C N

CH2

H3C Kreatinin

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36.1

Proteinaminosäuren

769

Tab. 36.1. Formeln der Proteinaminosäuren, ihre Bezeichnungen und Drei- sowie Einbuchstaben-Symbole H

H3N CH2

H3N C CO2

Glycin

Gly

G

CH2

H

CH2

CH3

CH2

H3N C CO2

Alanin

Ala

A

H3N C CO2

CH(CH 3)2 H3N C CO2

Lys

K

Arginin

Arg

R

Histidin

His

H

Cystein

Cys

C

Methionin

Met

M

Phenylalanin

Phe

F

Tyrosin

Tyr

Y

Tryptophan Trp

W

H2N Valin

Val

V

C

NH CH2

H2N

H

CH2 CH2

CH(CH 3)2

H3N C CO2

CH2 H3N C CO2

Leucin

Leu

H

L N

H

NH

C2H5

CH2

CH CH3 H3N C CO2

Isoleucin

Ile

I

H3N C CO2 H

H

N H2

Lysin

H

H

CO2

Prolin

Pro

P

H3N C CO2

OH

H

CH2 H3N C CO2

SH CH2

Serin

Ser

S

CH3

H

S

OH

CH2 CH2

CH CH3 H3N C CO2

Threonin

Thr

T

H3N C CO2 H

H CO2 CH2 H3N C CO2 H

Asparaginsäure

Asp

D CH2 H3N C CO2

CONH2

H

CH2 H3N C CO2

Asparagin

Asn

N

OH

H CO2H CH2

CH2

CH2 H3N C CO2 H

H3N C CO2 Glutaminsäure

Glu

E

H NH

CONH2 CH2

CH2

CH2 H3N C CO2 H

Glutamin

Gln

Q

H3N C CO2 H

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770

36 Aminosäuren

36.2 Physiologische Bedeutung Pflanzen sowie verschiedene Mikroorganismen (Algen, einige Bakterien) sind in der Lage, Aminosäuren aus CO2, H2O, NO3/, NH4+, N2, SO42/ aufzubauen. Der tierische Organismus kann dagegen nicht jede der 20 c-Aminosäuren selbst synthetisieren und ist deshalb auf Proteinzufuhr in Form eiweißreicher Nahrung angewiesen. Man unterscheidet somit zwischen essentiellen Aminosäuren wie Lys, Leu, Val, Phe, Ile, Thr, Met, His, Try, die für die menschliche Ernährung notwendig sind, und den nicht essentiellen wie Gly, Ala, Pro, die der Körper selbst aufbauen kann. Im Körper werden laufend Proteine durch Endo- und Exopeptidasen in Aminosäuren gespalten. Diese Aminosäuren werden wieder zum Proteinaufbau verwendet oder durch Reaktionen wie ̈" ̈" ̈" ̈"

Seitenkettenumbau unter Erhaltung des Aminosäure-Rumpfes, Decarboxylierung zu biogenen Aminen, Transaminierung zu c-Oxocarbonsäuren, oxidative Deamininierung zu c-Oxocarbonsäuren

umgewandelt. Als Endprodukt des Stoffwechsels erscheint der Aminosäure-Stickstoff schließlich in Form von Harnstoff und Harnsäure in den Ausscheidungsprodukten. Für Aminosäuren sind in den Zellmembranen bestimmte Transportsysteme vorhanden. Sie bestehen aus in die LipidSchicht eingebetteten Proteinkomplexen. Aminosäuren haben im Körper nicht nur zentrale Bedeutung als Energiequelle in Form des mit der Nahrung zugeführten Proteins; sie sind auch funktionelle Bausteine in Peptidhormonen und Enzymen sowie wichtige Vorstufen für andere Verbindungen. Die über den genetischen Code gesteuerte Proteinbiosynthese gewährleistet eine unvorstellbar große Variationsmöglichkeit der Sequenz und eine exakte Reproduzierbarkeit. Bestimmte ungewöhnliche Aminosäuren, die zum Teil von Mikroorganismen produziert oder chemisch synthetisiert werden, finden als Antibiotika Verwendung. Sie können u. a. als spezifische Inhibitoren von Enzymen wirken und so in den Stoffwechsel von Bakterien eingreifen.

36.3 Absolute Konfiguration Mit Ausnahme des achiralen Glycins besitzen alle Proteinaminosäuren vier verschiedene Substituenten am c-C-Atom. Aufgrund dieses Asymmetriezentrums sind sie chiral und bilden optisch aktive (R )- und (S)-Enantiomere. Zur Bezeichnung der absoluten Konfiguration von Aminosäuren ist die FISCHER-Konvention (D und L) üblich. Sie beruht auf der ursprünglich willkürlich festgelegten Konfiguration der beiden enantiomeren Glyceraldehyde als Bezugsverbindungen (DGlyceraldehyd = (R)-Glyceraldehyd, Abschn. 17.4). Optisch aktive c-Aminosäuren lassen sich stereospezifisch in einen der beiden Glyceraldehyde umwandeln und auch stereospezifisch aus dem D-oder L-Glyceraldehyd synthetisieren. Nachdem die absolute Konfiguration der Glyceraldehyde über die RÖNTGEN-Strukturanalyse der Weinsäure (Abschn. 17.4) bekannt war, konnte das (S)-Enantiomer des Alanins als L-Alanin bezeichnet werden. CO2H H2N C H

H H3C

CH3 L-Alanin

=

CO2H

CO2H

C

C NH2

(S)-Alanin

H 2N

CO2H H C NH2

H CH3

D-Alanin

CH3 =

(R)-Alanin

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36.4

Physikalische Eigenschaften

771

In den Proteinen aller Pflanzen und Tiere findet man nur c-Aminosäuren der absoluten Konfiguration L bzw. (S). L-Cystein und sein Disulfid L-Cystin müssen allerdings wegen der höheren Priorität des Schwefels an dem d-C-Atom gegenüber den Carboxy-O-Atomen als (R)-Cystein bzw. (R)-Cystin bezeichnet werden (Abschn. 17.4.2). CO2H

CO2H H2N C H CH2

C L-Cystein

=

(R)-Cystein

SH

H2C SH

H NH 2

CO2H

CO2H

H2N C H H2N C H CH2 S S CH 2 L-Cystin = (R)-Cystin

D-Aminosäuren findet man häufig in Peptidantibiotika, die als Stoffwechselprodukte einiger Bakterien und Pilze isoliert werden (Abschn. 37.7.3). D-Glutaminsäure und D-Alanin sind Bausteine des Mureins, ein Biopolymer, das einen Teil der Zellwand von Bakterien aufbaut. Wie alle Enantiomere zeigen D- und L-c-Aminosäuren identische physikalische und chemische Eigenschaften mit zwei Ausnahmen: ̈" ̈"

D- und L-c-Aminosäuren drehen die Ebene des linear polarisierten Lichts um den gleichen Betrag aber mit verschiedenen Vorzeichen. D- und L-Aminosäuren reagieren verschieden schnell mit anderen chiralen Molekülen.

Diese zweite Eigenschaft ist von fundamentaler Bedeutung: Da die aus Aminosäuren aufgebauten Enzyme ebenfalls chiral sind, können sie enantiomere Substrate unterscheiden. Meist wird nur ein Enantiomer erkannt und ist biologisch aktiv; das andere kann inaktiv sein oder sogar als Hemmstoff (Inhibitor) wirken. Im Zusammenhang mit der Evolution stellt sich die Frage nach dem Ursprung der als Homochiralität bezeichneten Dominanz von L-Aminosäuren in der belebten Natur. Man nimmt heute an, daß vor den Proteinen die Nucleinsäuren als autokatalytisch sich selbst über die Doppelhelix (Abschn. 40.3.6, 40.5) vervielfachende Moleküle entstanden sein müssen. Viele Experimente zur "Urzeugung" zeigten, daß sich racemische c-Aminosäuren unter primitiven Bedingungen aus einfachen C,H,O,N-haltigen Gasen durch Einwirkung elektrischer Entladungen bzw. von Strahlungsenergie bildeten. Die Dominanz der L-Konfiguration ist nach vorherrschender Ansicht ein Zufall. D- und L-System hätten sich auch parallel entwickeln können; das L-System hat zufällig durch günstigere präbiotische Umgebungsbedingungen gewonnen. Über den genetischen Code sind die Proteinaminosäuren in außerordentlich stabiler Weise sowohl in der Zahl zwanzig als auch in ihrer Struktur (Konstitution, absolute Konfiguration) festgelegt. Die Biosynthese der Proteine erforderte eine einheitliche Konfiguration, sonst wären sowohl die Synthesemechanismen als auch die Produkte und ihr biologischer Abbau viel zu komplex geworden, um in der Evolution zu überleben.

36.4 Physikalische Eigenschaften 36.4.1

Dissoziationsgleichgewichte

Fast alle für die Aminosäuren typischen Eigenschaften sind vom Dissoziationszustand der Aminound Carboxy-Gruppen und damit vom pH der wäßrigen Lösung abhängig. Die c-Aminosäuren mit

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772

36 Aminosäuren

c-Alkyl-Seitenketten zeigen aufgrund ihrer c-Carboxy-Funktion einen pK zwischen 1.5 und 2.5 und aufgrund ihrer c-Amino-Funktion einen pK zwischen 8 und 10 (Tab. 36.2). R

+

R

+

H 3N C CO2

/ [H ]

C CO2H

H3N

+ [H ]

H

R

+

H2N C CO2

+ [H ]

H

protonierte Aminosäure Aminosäure-Kation

+

/ [H ]

"neutrale" Aminosäure Zwitterion

H deprotonierte Aminosäure Aminosäure-Anion

Im neutralen pH-Bereich liegen somit die meisten Aminosäure-Moleküle als Zwitterionen vor, d. h. sie tragen sowohl eine positive als auch eine negative Ladung. Die Dissoziationsgleichungen zeigen eindeutig, daß bei keinem pH (auch nicht im Festzustand) Aminosäuren die ungeladene Form H2N/CHR/CO2H annehmen. Diese übliche Formel ist daher nicht korrekt; freie Aminosäuren tragen permanent Ladungen. Mit potentiometrischen Titriergeräten unter Verwendung von Mikrostab-Elektroden lassen sich innerhalb von Minuten im Mikromolbereich Titrationskurven von Aminosäuren aufnehmen (Abb. 36.1).

12

H2N CH 2 CO2 Amino-Form (Anion)

pK2 = 9.78

10 8 pI = 6.07

6

isoelektrischer Punkt

H3N CH 2 CO2 Zwitterion (neutral)

pH 4 2

pK1 = 2.35

0

H3N CH 2 CO2H 1

0.5 mol HCl

0.5 mol NaOH

0

1

Ammonium-Form (Kation)

Abb. 36.1. Titrationskurve der c-Aminosäure Glycin (als Zeichenhilfe wurden auch die pK-Werte bei 0.1 und 0.9 mol Lauge oder Säure eingezeichnet)

Im Bereich zwischen pH = 4 und 7 gibt es einen pH-Wert, bei dem neben der Zwitterionenform gleiche Mengen an Kationen und Anionen vorhanden sind. Diesen Punkt in der Titrationskurve bezeichnet man aufgrund der dabei insgesamt auftretenden Ladungsneutralität als isoelektrischen Punkt und den dazugehörenden pH-Wert als pI (Abb. 36.1). Für bifunktionelle Aminosäuren kann der pI aus den Dissoziationskonstanten K1 und K2 wie folgt berechnet werden. K1 = c(H3O-) c(Zwitterion) / c(Kation) (1) ; K2 = c(H3O-) c(Anion) / c(Zwitterion) (2) .

.

Gleichung (1) löst man nach c(Zwitterion) auf und setzt das Ergebnis in Gleichung (2) ein: K1 K2 = c(H3O-) c(Anion) / c(Kation) (3) 2.

.

Wegen c(Anion) = c(Kation) gilt am isoelektrischen Punkt pI: K1 K2 = c (H3O-) oder c(H3O-) = (K1 K2) .

2

.

1/2

oder pH = pI = 1/2 (pK1 - pK2)

(4) .

Sind die beiden pK-Werte bekannt, so läßt sich der pI nach Gl. (4) berechnen.

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36.5

Chromatographische Trennung

773

Mehrfunktionelle Aminosäuren, z. B. Glutaminsäure, Lysin, Histidin und Cystein, zeigen aufgrund ihrer zusätzlichen dissoziablen Gruppen weitere pK-Werte. Bei gleichzeitigem Vorliegen zweier Carboxy-Gruppen (Glu und Asp) oder zweier Amino-Gruppen (Lys) besitzen diese jeweils unterschiedliche, jedoch relativ nahe beieinander liegende pK-Werte. Deshalb läßt sich z. B. Lysin nur dann selektiv an der Seitenkettenfunktion (/NH2-Gruppe) zur Reaktion bringen, wenn die cAmino-Gruppe z. B. durch Komplexbildung mit Cu2+ geschützt ist. Tab. 36.2. pK- und pI-Werte einiger Aminosäuren

36.4.2

Aminosäure

pK1

pK2

pI

Aminosäure

pK1

pK2

Gly Ala Ser Pro Asn Gln Phe

2.3 2.3 2.2 2.0 2.0 2.2 1.8

9.6 9.7 9.2 10.6 8.8 9.1 9.1

6.0 6.0 5.7 6.3 5.4 5.7 5.5

Cys Lys Arg His Asp Glu Tyr

1.7 2.2 2.2 1.8 1.9 2.2 2.2

8.3 SH 9.1 c 9.0 c 6.0 im 3.7 d 4.3 i 9.1 c

pK3 10.8 10.5 g 12.8 g 9.2 9.6 10.0 10.1

pI 5.0 9.8 10.8 7.6 2.8 3.2 5.7

Schmelzpunkt und Löslichkeit

Von allen Carbonsäuren zeigen die Aminosäuren die höchsten Schmelzpunkte. Mit durchschnittlich 350 °C liegen sie zwischen den Schmelzpunkten organischer Verbindungen (Essigsäure, Schmp. 16.6 °C) und anorganischer Salze (Natriumchlorid, Schmp. 803 °C). Wäßrige Lösungen der Monoaminomonocarbonsäuren reagieren neutral und zeigen hohe Dielektrizitätskonstanten. In neutraler Lösung besitzen die Aminosäuren somit aufgrund ihrer Zwitterionenstruktur ein hohes Dipolmoment. Die meisten Protein-Aminosäuren sind in Alkoholen weniger löslich als in Wasser. Wie anorganische Salze sind sie in unpolaren Lösemitteln praktisch unlöslich: Glycin Alanin Valin Cystin

253 g / L H2O 167 74 0.1

0.4 g / L C2H5OH 1.6 6 unlöslich

Individuelle Unterschiede dieser Eigenschaften sind wichtig für die Isolierung und Trennung von Aminosäuren in präparativem Maßstab durch Umfällen und Umkristallisieren. Die Löslichkeit hängt vom pH und der Temperatur ab; am isoelektrischen Punkt (Abb. 36.1) ist sie am geringsten.

36.5 Chromatographische Trennung 36.5.1

Ionenaustausch-Chromatographie im Aminosäuren-Analysator

Die mit Abstand wichtigste quantitative Analysenmethode für Aminosäuren war die Aminosäuren-Analyse nach STEIN und MOORE (1958). Dazu wird eine Proteinprobe mit 6 N HCl 24 h auf 110 °C erhitzt. Nach Abdampfen der Salzsäure wird das so gewonnene Totalhydrolysat im automatischen Aminosäuren-Analysator durch Säulenchromatographie an Polystyren-Ionenaustauschharzen mit Sulfonsäure-Gruppen getrennt. Die Aminosäuren werden dabei mit Puffern von stei-

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774

36 Aminosäuren

gendem pH und steigender Ionenstärke primär aufgrund ihrer unterschiedlichen pK-Werte, aber auch anderer Wechselwirkungen chromatographiert. Dem Eluat wird Ninhydrin-Reagenz zugepumpt. Die Aminosäure-Ninhydrin-Mischung wird dann zur Entwicklung der blauvioletten Farbe mittels einer langen Kapillare (Reaktionsschleife) durch ein 100 °C heißes Bad geführt. Die dabei ablaufende Ninhydrin-Reaktion führt zu einem blauen Imin: O OH OH

R

+

H 3N CH CO2

R

O / 2 H2O

CH CO2H N

O

O / CO2

H N CH R O

O

Ninhydrin (Indantrion-Hydrat)

+ H2O

/ R

CH O

O OH OH

+

OH O

O O

O H

O

N

N O

H

/ 2 H2O

O

O

O

NH 2 O

blaues Imin

Anschließend wird die Farbintensität (Extinktion bei 550 nm) kolorimetrisch im Durchflußphotometer gemessen und aufgezeichnet. Ein typisches Aminosäuren-Chromatogramm oder Elutionsprofil (Abb. 36.2) zeigt, daß zunächst die mehr sauren Aminosäuren, dann die neutralen cAlkylaminosäuren und nach den aromatischen die basischen Aminosäuren eluiert werden. Zu Routineanalysen werden Mengen von etwa 20 nmol bei Ninhydrin-Detektion benötigt. Bei Trennung auf Kapillarsäulen und Detektion durch fluoreszierende Derivate genügen sogar picomolare Mengen. Nach jeder Trennung wird die Säule automatisch regeneriert.

Abb. 36.2. Chromatogramm einer Aminosäuren-Analyse (Fluoreszenzdetektion)

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36.5

Chromatographische Trennung

775

Tryptophan zersetzt sich unter den stark sauren Reaktionsbedingungen durch Hydrolyse am IndolHeterocyclus und ist nur nach alkalischer Proteinhydrolyse durch 5 N Bariumhydroxid-Lösung erfaßbar. Glutamin und Asparagin verlieren bei der Hydrolyse Ammoniak und erscheinen deshalb als Glutaminsäure und Asparaginsäure. Das labile Cystein muß vorher mit Perameisensäure zur stabilen Cysteinsäure (/SH › /SO3H) oxidiert werden, um Schwefelwasserstoff-Eliminierungen zu vermeiden. Prolin gibt mit Ninhydrin einen gelben Farbstoff und wird im Eluat bei einer zusätzlichen Wellenlänge gemessen. Durch Einsatz von Standardmischungen bekannter Aminosäure-Zusammensetzung wird die Effizienz und Reproduzierbarkeit (etwa 3 %) der einstündigen Trennung überprüft. Zur spektrometrischen Detektion der Aminosäuren eignen sich einige Derivatisierungen. Gelbe 2,4-Dinitrophenyl-Derivate (DNP-Aminosäuren) werden z. B. durch Arylierung der AminoFunktion mit 2,4-Dinitrofluorbenzen (DNFB, SANGER-Reagenz) erzeugt: CH(CH3)2 O2N

F

+

H 2N CH CO2

CH(CH 3)2

pH = 8 /F

O2N

NH CH CO2H

NO2 DNP-Valin [N-(2,4-Dinitrophenyl)-valin]

NO2

Stark fluoreszierende Derivate zur Detektion im subnanomolaren Bereich erhält man durch Dansylierung mit 5-N,N-Dimethylaminonaphthalensulfonsäurechlorid (Dansylchlorid). Diese Derivate eignen sich auch zur quantitativen Analyse von Aminosäuren-Mischungen durch Hochdruckflüssigkeitschromatographie (High-Performance-Liquid-Chromatography, HPLC). Alle DansylDerivate sind hydrolysestabiler, und ihr Nachweis ist im Vergleich zu DNP-Aminosäuren um den Faktor 100 empfindlicher. (H3C)2N

CH 3 SO2 Cl

+

H 2N CH CO2

Dansylchlorid 5-(N,N-Dimethylamino)naphthalensulfonsäurechlorid

(H 3C)2N / Cl

CH3 SO2

NH CH CO2H

Dansylalanin

Dinitrophenylierung und Dansylierung werden besonders zur Bestimmung der N-terminalen Aminosäure in Peptiden eingesetzt (Endgruppenbestimmung, Abschn. 37.5.3). Für trifunktionelle Aminosäuren wie Cystein, Histidin oder Arginin gibt es verschiedene spezifische Nachweismethoden, bei denen die Seitenfunktionen mit selektiven Reagenzien umgesetzt werden.

36.5.2

Kapillarzonen-Elektrophorese

Die Elektrophorese wird als Dünnschicht- oder Kapillarzonen-Elektrophorese weniger für Aminosäuren als für Peptide eingesetzt. Das Prinzip ist jedoch gleich. Eine Aminosäuren-Mischung zeigt im elektrischen Feld unterschiedliche Wanderungsrichtungen und -geschwindigkeiten, je nachdem, ob basische, saure oder neutrale Aminosäuren vorliegen, und welcher pH in der ElektrolytLösung eingestellt ist. Ein Aminosäure-Anion wie Glutamat bei pH = 7 wird zur Anode, ein Aminosäure-Kation wie Lysin wird zur Kathode, und ein Zwitterion wie Alanin wird wenig vom Startfleck weg wandern.

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776

36 Aminosäuren

36.5.3

Gaschromatographie

Die gaschromatographische Trennung von Aminosäuren nützt u. a. bei der Strukturaufklärung von Peptidantibiotika, die unbekannte Aminosäuren enthalten. Da die Zwitterionen im Peptidhydrolysat nicht flüchtig sind, müssen sie durch Veresterung der Carboxy-Gruppe und Acylierung der Amino-Funktion in flüchtige Derivate übergeführt werden. Besonders bewährt hat sich die Gaschromatographie von N-Trifluoracetylaminosäurebutylestern an Glaskapillarsäulen und die Kopplung der Trennsäule an ein Massenspektrometer (GC-MS-Kopplung). R

HCl , 100 °C

H3N C CO2

+

C4H 9OH

/ H2O

H

R

H 2N CH CO2C4H 9

+ (F3C/CO) 2O / F3C/CO2H

R

O

C NH CH CO2C 4H9 F 3C N-Trifluoracetylaminosäurebutylester

Bei Trennzeiten von etwa 1 h können von jeder unbekannten Fraktion (Elutionspeak) zur Identifizierung der vielleicht neuen Aminosäure Massenspektren aufgenommen werden. Mit Hilfe einer chiralen stationären GC-Phase lassen sich auch Enantiomere quantitativ bestimmen (Abb. 36.5).

36.6 Synthesen Früher beanspruchten chemische Aminosäure-Synthesen rein akademisches Interesse, da die Isolierung aus natürlichen Quellen meist weitaus billiger war. Das gilt auch heute noch für Aminosäuren wie Cystin, Histidin und Leucin. Daneben hat sich eine Aminosäure-Industrie entwickelt, die z. B. großtechnische Synthesen von DL-Glutaminsäure aus Acrylnitril mit nachfolgender Racemattrennung durchführt. Chemisch synthetisierte Aminosäuren und Derivate werden außer in der Futtermittel- und Nahrungsmittelindustrie als Therapeutika sowie als Rohstoffe in der chemischen Industrie (Tenside, Polymere) benötigt. Industriell werden Aminosäuren durch ̈" ̈" ̈"

Extraktion natürlicher Aminosäuren aus Proteinhydrolysaten, mikrobiologisch durch Fermentation und enzymatisch sowie durch chemische Synthesen der Struktur +H3N/CHR/CO2/ produziert.

Da fast jede industriell produzierte Aminosäure enantiomerenrein vorliegen muß, sind ökonomische Methoden der Racemat-Trennung unerläßlich.

36.6.1

STRECKER-Synthese

Nach STRECKER (1850) werden c-Aminosäuren durch Addition von Ammoniak und Blausäure an Aldehyde hergestellt. Durch Addition von Ammoniak an den Aldehyd entsteht dabei zunächst das Aldimin (Abschn. 20.8.4). Dessen Cyanhydrin-Reaktion (Abschn. 20.10.4) ergibt anschließend das c-Aminonitril, das zur c-Aminosäure hydrolysiert wird. H R C O

+ NH3 / H2O

H R C NH Aldimin

+ HCN

H R C CN NH 2 c-Aminonitril

+ 2 H2O / NH3

H R C CO2 NH3 c-Aminocarbonsäure

Diesem Konzept folgt die industrielle Herstellung der Glutaminsäure. Dabei wird Acrylnitril durch Oxo-Synthese in 3-Cyanopropanal übergeführt. Letzteres reagiert mit Ammoniak und Blau-

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36 Aminosäuren

36.5.3

Gaschromatographie

Die gaschromatographische Trennung von Aminosäuren nützt u. a. bei der Strukturaufklärung von Peptidantibiotika, die unbekannte Aminosäuren enthalten. Da die Zwitterionen im Peptidhydrolysat nicht flüchtig sind, müssen sie durch Veresterung der Carboxy-Gruppe und Acylierung der Amino-Funktion in flüchtige Derivate übergeführt werden. Besonders bewährt hat sich die Gaschromatographie von N-Trifluoracetylaminosäurebutylestern an Glaskapillarsäulen und die Kopplung der Trennsäule an ein Massenspektrometer (GC-MS-Kopplung). R

HCl , 100 °C

H3N C CO2

+

C4H 9OH

/ H2O

H

R

H 2N CH CO2C4H 9

+ (F3C/CO) 2O / F3C/CO2H

R

O

C NH CH CO2C 4H9 F 3C N-Trifluoracetylaminosäurebutylester

Bei Trennzeiten von etwa 1 h können von jeder unbekannten Fraktion (Elutionspeak) zur Identifizierung der vielleicht neuen Aminosäure Massenspektren aufgenommen werden. Mit Hilfe einer chiralen stationären GC-Phase lassen sich auch Enantiomere quantitativ bestimmen (Abb. 36.5).

36.6 Synthesen Früher beanspruchten chemische Aminosäure-Synthesen rein akademisches Interesse, da die Isolierung aus natürlichen Quellen meist weitaus billiger war. Das gilt auch heute noch für Aminosäuren wie Cystin, Histidin und Leucin. Daneben hat sich eine Aminosäure-Industrie entwickelt, die z. B. großtechnische Synthesen von DL-Glutaminsäure aus Acrylnitril mit nachfolgender Racemattrennung durchführt. Chemisch synthetisierte Aminosäuren und Derivate werden außer in der Futtermittel- und Nahrungsmittelindustrie als Therapeutika sowie als Rohstoffe in der chemischen Industrie (Tenside, Polymere) benötigt. Industriell werden Aminosäuren durch ̈" ̈" ̈"

Extraktion natürlicher Aminosäuren aus Proteinhydrolysaten, mikrobiologisch durch Fermentation und enzymatisch sowie durch chemische Synthesen der Struktur +H3N/CHR/CO2/ produziert.

Da fast jede industriell produzierte Aminosäure enantiomerenrein vorliegen muß, sind ökonomische Methoden der Racemat-Trennung unerläßlich.

36.6.1

STRECKER-Synthese

Nach STRECKER (1850) werden c-Aminosäuren durch Addition von Ammoniak und Blausäure an Aldehyde hergestellt. Durch Addition von Ammoniak an den Aldehyd entsteht dabei zunächst das Aldimin (Abschn. 20.8.4). Dessen Cyanhydrin-Reaktion (Abschn. 20.10.4) ergibt anschließend das c-Aminonitril, das zur c-Aminosäure hydrolysiert wird. H R C O

+ NH3 / H2O

H R C NH Aldimin

+ HCN

H R C CN NH 2 c-Aminonitril

+ 2 H2O / NH3

H R C CO2 NH3 c-Aminocarbonsäure

Diesem Konzept folgt die industrielle Herstellung der Glutaminsäure. Dabei wird Acrylnitril durch Oxo-Synthese in 3-Cyanopropanal übergeführt. Letzteres reagiert mit Ammoniak und Blau-

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36.6

Synthesen

777

säure zum 2-Aminopentandinitril. Die neben Mononatriumglutamat anfallenden Hydrolyseprodukte, Ammoniak und racemisierte D-Glutaminsäure, werden dem Prozeß wieder zugeführt. OxoSynthese

O C CH 2 CH2 CN

CO + H 2 + H 2C CH C N

d-Cyanopropionaldehyd (3-Cyanopropanal)

H -""NH3 , / H2O c-Aminoglutarsäuredinitril (2-Aminopentandinitril)

NC CH CH 2 CH2 CN

NH4CN + O2 , CH4 (partielle Oxidation)

NH 2

+ 2 H2O (NaOH), / 2 NH3

O2C CH CH 2 CH2 CO2H NH 3

H2SO4 (30-50 %) 170 -190 °C Racemisierung

DL-Glutaminsäure Racemattrennung durch bevorzugte Kristallisation

D-Glutaminsäure

36.6.2

L-Glutaminsäure

BUCHERER-Synthese

Aldehyde lassen sich nach BUCHERER mit Blausäure und Ammoniumcarbonat über Aminonitrile in stabile kristallisierbare Hydantoin-Derivate überführen, die mit Hydroxid unter Druck und höherer Temperatur zu c-Aminosäuren hydrolysierbar sind. H R C O

(NH4) 2CO3 , NaCN

H N

R

O

+ H2O

NH

NH3 R

CH CO2

O Hydantoin

Industriell wird über diese modifizierte STRECKER-Synthese DL-Methionin aus Acrolein hergestellt, das auch ohne vorherige Racemattrennung als Nahrungs- oder Futtermittel Verwendung findet. H3C + H3C/SH

H

C

O

MICHAELAddition

H3C

S

H 2C H

CH2 C

(NH4) 2CO3 , NaCN

O

H 3C

S

H2C

/

+ H2O (OH )

CH2 O

HN

S

H 2C

CH 2

H3N CH CO2

NH Acrolein

36.6.3

d-Methylthiopropionaldehyd (3-Methylthiopropanal)

O

DL-Methionin

5-Methylthioethylhydantoin

ERLENMEYER-Synthese

Vorzugsweise Arenaldehyde lassen sich nach ERLENMEYER (1893) mit CH-aciden MethylenGruppen alkenylieren (KNOEVENAGEL-Alkenylierung), wobei Essigsäureanhydrid als Lösemittel

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778

36 Aminosäuren

und Natriumacetat als basischer Katalysator eingesetzt werden. Katalytische Hydrierung des entstandenen Alkens und anschließende Hydrolyse führt zur Aminosäure. O

H Ar

C

+ H 2C

O

X

N

Arenaldehyd

H Kat.

Ar

/ H2O

+ H2 / Kat.

O

C C N

O Ar

+ H2O

CH2 CH C

X

/ HX

X

N

Ar

CH2 CH CO2 N

H

Methylenkomponente

N-Acetylglycin, Azlactone, Hydantoine, Dioxopiperazine und Thiohydantoine eignen sich als Methylen-Komponenten: O H2C

HN

C

C

O OH

H2C

O

H2C

O

N

R

CH3 N-Acetylglycin

H2C

NH

HN

NH

HN

H2C

NH

HN

CH2

S

O

Azlacton

O

O

O

Hydantoin

O

Thiohydantoin

Dioxopiperazin

Ein Beispiel ist die Synthese des DL-Phenylalanins aus Benzaldehyd und N-Acetylglycin: O H +

C O

H2C N H

O

CH3CO2Na (CH3CO) 2O

OH O

Benzyliden-azlacton (4-Benzyliden-2-methyl5-oxo-4,5-dihydrooxazol)

O

CH

/ 2 H2O

N

CH3

CH3

+ NaOH

+ H2 (RANEY-Ni)

O CH

CO2 Na O N H CH 3

N + 2 H2O (H3O+)

+ H2 (RANEY-Ni)

CH2

36.6.4

CO2 Na O N H CH 3

O

CH 2

+ H2O (H3O+) / CH3CO2Na

CH3

/ CH3CO2H

CO2 CH 2

CH NH3

DL-Phenylalanin

Aminierung von -Halogencarbonsäuren

Die Aminierung von c-Halogencarbonsäuren (Abschn. 19.3.2) wird seit 1858 zur Synthese von Glycin durch Umsetzung von Chloressigsäure mit Ammoniak benützt. Dieses Verfahren wurde auch zur Herstellung von d-Hydroxy-c-aminosäuren verwendet, da c-Brom-d-hydroxysäuren leicht durch Addition von Hypobromid an c,d-ungesättigte Carbonsäuren zugänglich sind (Halohydrin-Reaktion). Die wasserlöslichen d-Hydroxy-c-aminosäuren werden vom anorganischen Salz über Ionenaustauscher befreit. + 2 NH3

+ HOBr

R CH CH CO2H

R CH CH CO2H OH Br

/ NH4Br

R CH CH CO2 OH NH 3

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780

36 Aminosäuren

Bei der technischen Tryptophan-Synthese geht man vom 3-Cyanopropanal aus, überführt dieses in das 5-(3-Cyanoethyl)-hydantoin und schließt mit Phenylhydrazin den Indol-Ring nach dem Prinzip der FISCHER-Indol-Synthese. O

CN CH2

CH O

CH 2

+ NH4 CN

H 2C

HN

H2C

/ 2 NH3 / H2O

CN

NH

CH2

+ (NH4) 2CO3

NH2

H2C

/ H2O

CN

CH

3-Cyanopropanal

-""H2O / NH3

+ H2 (RANEY-Ni)

O CH2

HN

+ 3 NaOH

CO2 Na

/ Na2CO3 , / NH3

N H

O NH

CH2

CH NH2

O

CN

NH NH2

O

HN

H2C

/ H2O , / NH3

N H

NH

CH2

+

O

C H O

DL-Tryptophan, Na-Salz

Serin läßt sich durch Addition von Acetylaminomalonsäurediethylester an Formaldehyd herstellen: CO2C2H 5

H O C

+ H

36.6.7

CO2C2H 5

/

(OH )

HO CH2

H C NH COCH3 CO2C 2H5

+ 3 H2O (H3O+)

C NH COCH3

/"4 C2H5OH /" CH3CO2H /" CO2

CO2C2H 5

CO2 HO CH2 CH NH 3 DL-Serin

Enantioselektive Synthese von Aminosäuren

Die asymmetrische Hydrierung von (Z)-Acylaminoacrylsäure-Derivaten mit chiralen Rhodium-1,2diphosphionopropan-Komplexen führt nach BRUNNER mit hoher chemischer Ausbeute und grossem Enantiomerenüberschuß zu den (S)-N-Acylaminosäuren. Diesem Prinzip folgt u. a. die Synthese des (S)-Dihydroxyphenylalanins [(S)-Dopa, R1 = 3,4-Dihydroxyphenyl-, MONSANTO-Prozeß].

H

CO2H +

R1

H2

Kat., 1 bar, Raumtemp. Ethanol

H5C6

CO2H R 1 CH2 C H NHCOR2

NHCOR 2

Kat. = H C 5 6

P H

(S)-N-Acylaminosäure

(Z)-2-Acylaminoacrylsäure

Rh

P

H3C

C6H5

C6H5

Nach HARTWIG und SCHÖLLKOPF wird aus L-Valin und Glycin über das Dioxopiperazin mit Trimethyloxonium-tetrafluorborat (MEERWEIN-Salz) der Bislactimether hergestellt; nach Deprotonierung wird am prochiralen Glycin-c-C mit Halogenalkan alkyliert, wobei die gegenüberliegende sperrige i-Propyl-Gruppe des Valins die Seitendifferenzierung bewirkt. Die Hydrolyse des diastereospezifisch alkylierten Bislactimethers führt zum Aminosäure-Enantiomer: OCH 3

O NH HN

(H3C) 3OBF4

CH2

O Dioxopiperazin aus L-Valin und Glycin (Bislactam)

N N

CH2

OCH 3 Bislactimether

OCH3 1.) + Base 2.) + R/X , / HX

+ 3 H2O (H3O+)

N N

R OCH3

C-alkylierter Bislactimether

/"4 CH3OH /" L-Valin

NH3 O2C

R H

(R)-Aminosäure

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36.7

Racemattrennung

781

Einer analog sterisch bedingten, asymmetrischen Induktion folgt die enantioselektive Synthese von Aminosäuren über (S)-1-t-Butyloxycarbonyl-2-t-butyl-3-methyl-1,3-imidazolidin-4-on ("BocBMI") nach SEEBACH: CH3 N Boc N

O

"/"[H+] (Base)

CH 3 N Boc N

O

CH3

+ R/X / HX

N Boc N H

O R

H3O+

H 3N H

CO2 R

(S)-Aminosäure

36.7 Racemattrennung Da asymmetrische Synthesen (diastereospezifische oder enantioselektive Synthesen) nicht für alle Aminosäuren technisch ausgereift sind, müssen nach chemischen Aminosäure-Synthesen oft Racemattrennungen durchgeführt werden. Ferner ist eine in den Syntheseprozeß integrierte Racemisierung des unerwünschten Enantiomers mit Rückführung des Racemats in die Trennungsoperation erforderlich, wie das Beispiel der Glutaminsäure-Synthese bereits zeigte (Abschn. 36.6.1).

36.7.1

Selektive Kristallisation

Die selektive Kristallisation ist die bei weitem günstigste Trennung im technischen Maßstab. Dabei wird eine übersättigte Lösung der racemischen Aminosäure mit Kristallen des gewünschten Enantiomers angeimpft. Diese Methode führt allerdings nur zum Erfolg, wenn die Löslichkeit des Racemats größer ist als die der Enantiomeren, bzw. wenn das Racemat als Konglomerat kristallisiert (Mischung aus Kristallen des D- und L-Enantiomers). Entstehen jedoch racemische Verbindungen durch Einbau von D- und L-Molekülen in denselben Einkristall, so gelingt keine Trennung. Durch selektive Kristallisation wurden u. a. Asparagin, Histidin, Glutaminsäure, Threonin, Valin-Hydrochlorid und Asparaginsäure in die Enantiomeren getrennt.

36.7.2

Trennung von Diastereomeren

Zur Trennung racemischer Aminosäuren im Labormaßstab hat sich die fraktionierte Kristallisation diastereomerer Salze bewährt, wie Abb. 36.3 zeigt. Unter den vielen Varianten der Bildung und fraktionierten Kristallisation von Diastereomeren finden sich z. B. die Trennungen des N-Benzoyl-DL-alanins als Brucin- und Strychnin-Salze, Trennungen von Salzen des DL-Lysins und DL-Histidins mit (+)-Weinsäure sowie von Salzen des DL-Prolins, DL-Isoleucins mit L-Tyrosin-hydrazid. Die industrielle Herstellung von L-Lysin aus g-Caprolactam über das DL-Nitro- und DL-Amino-Derivat kombiniert chemische Synthese und Racemattrennung (Abb. 36.4).

36.7.3

Enzymatische Methoden

Mit enzymatischen Methoden lassen sich viele DL-Aminosäuren trennen, wobei chirale Substrate selektiv sowohl auf- als auch abgebaut werden können. Beispiele hierzu sind:

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782

36 Aminosäuren

̈

die asymmetrische Synthese von Acyl-L-aminosäureaniliden mit dem Enzym Papain aus Acyl-DL-aminosäuren und Anilin, sowie asymmetrische Hydrolysen von DL-Aminosäureestern durch Esterasen, von DLAminosäureamiden durch Amidasen und von Acyl-DL-aminosäuren durch Aminoacylasen.

̈

CO2H

Enantiomere gemischt

CO2H

H3CCO NH C H

H C NH COCH3

CH 3 (S)-(+)-N-Acetylalanin

CH 3 (R)-(/)-N-Acetylalanin

Racemat in Wasser gelöst

Zugabe von (S)- (/)-Phenylethylamin

diastereomere Salze Trennung durch fraktionierte Kristallisation

Diastereomere gemischt

Diastereomere getrennt

CO2

CO2

H 3N CH C 6H5

CH 3 H3CCO NH C H (S/S)-Salz

CH 3

CH 3

/ (S)-PhenylethylaminHydrochlorid

+ HCl

+ HCl

CO2H

Enantiomere getrennt

H 3N CH C 6H5

H C NH COCH3 CH 3 (R/S)-Salz

/ (S)-PhenylethylaminHydrochlorid

CO2H

H3CCO NH C H

H C NH COCH3

CH 3 (S)-(+)-N-Acetylalanin (enantiomerenrein)

CH 3 (R)-(/)-N-Acetylalanin (enantiomerenrein)

Abb. 36.3. Racemattrennung von DL-Alanin [(R,S)-Alanin] durch fraktionierte Kristallisation der diastereomeren N-Acetyl-L- und -D-Alanin-(S)-phenylethylammonium-Salze

Cl

H N

O + COCl2

C N

O

H Cl

N

+ HNO3 (H2SO4) / CO2 , / 2 Cl

g-Caprolactam

/

O NO2

g-DL-c-Nitrocaprolactam

/"2 H2O

+ 3 H2

H N

O NH 2

Racemisierung durch Erhitzen

g-DL-c-Aminocaprolactam

L-5-Pyrrolidinon-2-carbonsäure O

D / L - Salz g-D-c-Aminocaprolactam

H N

CO2H

L / L - Salz g-L-c-Aminocaprolactam

(H3O+)

H3N

(CH 2)4 CH CO2 L-Lysin

NH3

Abb. 36.4. Synthese von L-Lysin über diastereomere g-DL-Aminocaprolactam / L-5-Pyrrolidon-2-carbonsäureSalze

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36.8

Reaktionen

783

Die Aminoacylase-Spaltung (Abschn. 17.7.3) ist sehr breit einsetzbar. Auch mit immobilisierten Enzymen (Enzyme, die an unlösliche polymere Träger kovalent fixiert sind) werden diese Acylabspaltungen im Säulendurchlaufverfahren durchgeführt.

36.7.4

Chromatographische Methoden

Die analytische Trennung enantiomerer Aminosäuren sowie die Identifizierung ihrer absoluten Konfiguration gelingt durch Gaschromatographie. Dazu werden flüchtige N-trifluoracetylierte Aminosäureisopropylester auf einer Kapillarsäule, die mit einer chiralen stationären Phase belegt ist, chromatographiert (Abb. 36.5). Gaschromatographische Trennungen flüchtiger, diastereomerer Aminosäure-Derivate gelingen an achiralen Trennsäulen. Günstige Trennfaktoren werden z. B. bei der Trennung der diastereomeren N-Trifluoracetyl-D- und -L-aminosäure-(/)-2-butylester erhalten. Verstärkt setzen sich Racemattrennungen mit Hilfe der Hochleistungs-Flüssigkeitschromatographie (HPLC) durch, wobei u. a. modifizierte Cyclodextrine (Abschn. 39.8.2) als Trennphasen eingesetzt werden.

Abb. 36.5. Gaschromatogramm einer Standardmischung von N-Pentafluorpropionyl-DL® aminosäureisopropylester (Trennbedingungen: Glaskapillare belegt mit Chirasil-Val = N-Propionyl-L-valin-tbutylamid-polysiloxan, Temp. 90 - 200 °C, 4 °C / min, Flammenionisationsdetektor)

36.8 Reaktionen 36.8.1

Bildung von Salzen und Komplexen

Als Ampholyte bilden Aminosäuren sowohl mit Säuren als auch mit Laugen Salze. CH 3

+ HCl

CH3

H3N CH CO2H Cl

H 3N CH CO2

Alanin-hydrochlorid

Alanin

+ NaOH / H2O

CH3 H 2N CH CO2 ""Na Alanin-Natriumsalz

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784

36 Aminosäuren

Trifunktionelle basische Aminosäuren wie Lysin, Histidin, aber auch Cystein kommen weniger als Basen, sondern meist in Form der stabileren Hydrochloride in den Handel, während Glutaminsäure meist als "Glutamat" (Mononatriumsalz) gehandelt wird. Beim Erhitzen wäßriger Aminosäure-Lösungen mit Kupfer(II)-oxid oder Kupfer(II)-Salzen kristallisieren tiefblaue Komplexsalze. O

H2 N

O

O

H2 N

O

NH2

Cu

Cu N O O H2 Diglycin-Kupfer(II)-Komplex

N O O H2 Dilysin-Kupfer(II)-Komplex

H2N

Diese Komplexierung kann man z. B. beim Lysin für selektive Reaktionen an der g-Amino-Gruppe ausnützen, da durch den im alkalischen pH-Bereich stabilen Komplex die c-Amino- und c-Carboxy-Funktionen geschützt sind. Für die Wasserenthärtung bzw. zu Titrationen setzt man die polyvalenten Aminosäuren und Komplexbildner Nitrilotriessigsäure [Trilon A, Tris-[carboxymethyl)amin, N(CH2COOH)3] und Ethylendiamintetraessigsäure (EDTA, Trilon B, Titriplex III) ein. Beide bilden im Gegensatz zu den Proteinaminosäuren auch mit Calcium(II)- und Magnesium(II)-Ionen stabile, wasserlösliche und farblose Komplexe. H2N CH 2 CH2 NH2 + 4 CH2O , + 4 HCN

Ethylendiamin

STRECKER-Synthese 1.) + 8 H2O , / 4 NH3 2.) + 4 NaOH , / 4 H2O

CH2 CN

NC H 2C N CH 2 CH2 N

CH2 CN Ethylendiamintetraessigsäurenitril

N CH 2 CH2 N CH2 CO2 Na Ethylendiamintetraessigsäure-Tetranatriumsalz

NC H 2C

36.8.2

CH2 CO2 Na

Na O2C H 2C Na O2C H 2C

Veresterung

Von den Estern der Aminosäuren sind die Methyl-, Ethyl-, t-Butyl- und Benzylester von Bedeutung. Als stabile Ammonium-Salze sind sie nach üblichen Methoden zugänglich, z. B.: CH 3 H3N CH CO2

CH 2 CO2 + 2 C2H 5OH

Asparaginsäure

CH 2 OH H3N CH CO2 Serin

Benzylalkohol

CH(CH 3)2 H3N CH CO2 Valin

Alaninmethylester-hydrochlorid

CH 2 CO2C 2H 5

+ 2 SOCl2 / HCl , / 2 SO2

+ H3C

+ HO CH2

H3N CH CO2CH3 Cl

/ H2 O

Alanin

H3N CH CO2

CH 3

+ HCl

+ CH3OH

SO3H

/ H2 O azeotrope Destillation

H2SO4 (konz.)

+

H3N CH CO2C2H5 Cl Asparaginsäurediethylesterhydrochlorid

CH 2 OH H3N CH CO2CH2

H 3C

SO3

Serinbenzylester-tosylat

CH(CH 3)2

H2C C(CH 3)2

H3N CH CO2C(CH3)3 HSO4

Isobuten (Methylpropen)

Valin-t-butylester-hydrogensulfat

+ 2 NaOH (H2O) / Na2SO4

CH(CH 3)2 H2N CH CO2C(CH3)3 Valin-t-butylester

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36.8

Reaktionen

785

Freie t-Butylester sind aufgrund der sterisch abgeschirmten Ester-Gruppe im alkalischen Bereich stabil; sie können aber leicht durch Protonierung (z. B. mit Trifluoressigsäure) wieder in Isobuten, Kohlendioxid und Aminosäure zerlegt werden. Benzylester haben den Vorteil, daß sie durch katalytische Hydrierung (H2 / Pd) oder durch Bromwasserstoff / Eisessig spaltbar sind. Die Methyl-, Ethyl- und Benzylester besitzen als freie, farblose, ölige Basen einen charakteristischen Amin-Geruch und sind instabil. Sie dimerisieren unter Alkohol-Austritt zu Dioxopiperazinen oder polymerisieren. NH2 O

OC2H 5

H5C 2O +

O

H N

/ 2 C2H 5OH

H 2N

O

O

NH 3

/ 2 H2O

O

O

+ O

N H

O

H3N

2,5-Dioxopiperazin

36.8.3

Bildung von Lactamen

In Analogie zu i- und f-Hydroxysäuren, die intramolekular zu Lactonen (Abschn. 19.4.2) cyclokondensieren, entstehen i- und f-Lactame durch thermische Dehydratisierung bzw. Abspaltung von Alkoholen aus i- und f-Aminosäuren bzw. -estern. Die Peptidbindungen der Lactame liegen in der energiereichen cis-Konfiguration vor. In Gegenwart von Säuren oder Basen werden die Lactame zu den Aminosäuren hydrolysiert. H2N

OC2H 5

H N

/ C2H5OH

O

O

H 2N

- H2O

OH O

/ H2O i-Butyrolactam (2-Pyrrolidinon)

c- und d-Lactame können auf diesem Wege nicht erhalten werden. Der siebengliedrige Ring des

zur Polyamid-Herstellung benötigten g-Caprolactams entsteht aus Cyclohexanonoxim durch BECKMANN-Umlagerung (Abschn. 22.4.9).

36.8.4

N-Alkylierung und N-Arylierung

In basischem Medium wirkt die Amino-Gruppe von Aminosäuren als Nucleophil und kann das Halogenid in Alkylhalogeniden und aktivierten Arylhalogeniden ersetzen. R R'

X

+

R

- NaOH

H 2N CH CO2

/ H2O , / NaX

R'

NH CH CO2

N-Alkylaminosäure

Die Permethylierung der Amino-Gruppe liefert Betaine, "permanente" Zwitterionen, die nach dem Betain (Trimethylglycin) aus der Zuckerrübe (Beta vulgaris) benannt sind. -" 3 CH3I

H2N CH2 CO2

/ 3I

- N(CH3) 3

(H3C)3N CH 2 CO2 Betain

Cl / Cl

CH2 CO2

N-Benzylaminosäuren sind durch reduktive Aminierung von Benzaldehyden mit Aminosäureestern zugänglich. Die Arylierung von Amino-Gruppen mit 2,4-Dinitrofluorbenzen (DNFB) verläuft als nucleophile Substitution an diesem durch die Nitro-Gruppen aktivierten Fluoraren besonders leicht (Abschn. 11.2.2).

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786

36 Aminosäuren

36.8.5

N-Acylierung

Durch Säureanhydride, Säurehalogenide und aktivierte Ester lassen sich Aminosäuren in N-Acylaminosäuren überführen. O H3C

CH 3

C +

O H3C

C

/ CH3/CO2H N-Acetylierung

CH 3 O O

C

C NH C CO2H H3C CH3 N-Acetyl- c-aminoisobuttersäure O

(NaOH) + [H+]

+

H2N CH2 CO2

C NH CH 2

/ HCl N-Benzoylierung

Cl

CH3

O

Pyridin als Base

H 2N C CO2

CO2H

N-Benzoylglycin (Hippursäure)

Das als Hippursäure bekannte N-Benzoylglycin findet sich als Metabolit der Benzoesäure im Harn der Pferde (griech. jkrrqw"qwtqp = Pferdeharn) und anderer Pflanzenfresser. N-Acetyl-L-cystein spaltet die Disulfid-Brücken in den Mucoproteinen des Bronchialsekrets, senkt dadurch dessen Viskosität und wirkt daher als Sekretolytikum (Schleimlöser) bei Erkältungskrankheiten. Enterobactin, das Lacton-Cyclotrimer des N-(2,3-Dihydroxybenzoyl)-L-serins, wird von Coli-Bakterien (Escherichia coli), Salmonellen (Salmonella typhimurium) und Klebsiellen (Klebsiella pneumoniae) abgegeben, um bei Eisenmangel ("Stress") Eisen-Ionen aus der umgebenden Lösung durch die sechs O-Atome der drei Catechol-Reste in einem sehr stabilen, octaedrischen Komplex zu binden. HO

HO

OH

H3C

OH

O

O H H

N

H

N

N O

O O

SH

O

OH

O

OH OH

N-Acetylcystein

N

O

N-(2,3-Dihydroxybenzoyl)-L-serin

HO HO

N O

H

O O

O

O

OH

H Enterobactin

OH

Die Trifluoracetylierung der Aminosäuren liefert flüchtige und lipoidlösliche N-Trifluoracetylaminosäuren (Tfa-Aminosäuren). O F 3C

C

F 3C

C

CH 3 O O

+

H 3N CH CO2H

in CF3/CO2H / CH3/CO2H

O

CH3 C NH CH CO2H

F 3C N-Trifluoracetylalanin

Neben N-Trifluoracetyl- werden N-Benzyloxycarbonyl- (Z-Gruppe) und N-t-ButyloxycarbonylGruppen (Boc-Gruppe) zum Schutz der Amino-Funktion bei der Synthese von Peptiden angewendet (Abschn. 37.4.2). Zur Einführung der Boc-Gruppe wird anstelle des t-Butyloxycarbonylazids (Abschn. 25.9) der Pyrokohlensäuredi-t-butylester (Boc-Anhydrid) verwendet. Die Urethan-

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36.8

Reaktionen

787

Schutzgruppen (Z und Boc) können schonend und racemisierungsfrei eingeführt und leicht wieder abgespalten werden. O (H3C)3C O C O (H3C)3C O C O

O CO2

H

NaOH ( pH = 8 )

N

+

(H3C)3C O C

CO2 N

/ (H3C) 3C/OH N-t-Butoxycarbonyl-L-prolin (Anion)

Pyrokohlensäuredi -t-butylester

O

O CH2 CH(CH 3)2

CH 2 O C Cl

+

NaOH ( pH = 9 ) / NaCl , /"H2O

H 2N CH CO2

NH

Chlorkohlensäureester (Benzyloxycarbonylchlorid)

36.8.6

CH 2 CH(CH 3)2

CH 2 O C

CH CO2

N-Benzyloxycarbonylleucin

Abbau-Reaktionen und Umfunktionierungen

Salpetrige Säure diazotiert c-Aminosäuren zu den instabilen Diazosäuren, die in c-Hydroxysäuren und Stickstoff zerfallen (VAN SLYKE-Reaktion, Abschn. 23.2.1). Aus dem gasvolumetrisch gemessenen Stickstoff wurde früher der Gehalt an Aminosäuren bestimmt. Durch Diazotierung des Glycinethylester-hydrochlorids bildet sich der als Synthesereagenz nützliche mesomeriestabilisierte Diazoessigester (Abschn. 23.2.1). Beim Erhitzen mit wasserfreiem "Natronkalk" werden c-Aminosäuren zu Aminen decarboxyliert: R NaOH / CaO

H3N CH CO2

/ CO2

H2N CH 2 R

d-Aminosäuren eliminieren beim Erhitzen in der Schmelze Ammoniak. / NH3

H3N CH 2 CH2 CO2

- NH3

d-Alanin

H2C

CH

CO2H

Acrylsäure

Aminosäuren können durch Reduktion der Carboxy-Funktion mit Natriumborhydrid in Aminoalkohole übergeführt werden; diese sind auch aus Aminosäureestern mit Lithiumaluminiumhydrid zugänglich: R

NaBH4

R

LiAlH4

H 2N CH CH2OH

H3N CH CO2

R H3N CH CO2CH 3 Cl

Aminoalkohol

2-Aminoethanol [R = /H], L-Valinol [R = /CH(CH3)2] und L-Phenylalaninol [R = /CH2/C6H5] bilden den C-Terminus einiger Peptidantibiotika (Abschn. 37.7.2). Peroxyameisensäure oxidiert das Cystein zur Cysteinsäure. Der enzymatische oxidative Abbau des Cysteins im Säugetier-Organismus führt über Cysteinsäure durch deren Decarboxylierung zum Taurin, das als Taurocholsäure (Abschn. 42.5.2) in der Galle vorkommt. CO2 H3N C H CH 2 SH L-Cystein

+ 3 HCO3H / 3 HCO2H

CO2 H3N C H CH 2 SO3H L-Cysteinsäure

/ CO2

H 3N CH2 CH 2 SO3 Taurin (2-Aminoethansulfonsäure) Zwitterionen-Form

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788

36 Aminosäuren

36.8.7

Aminosäure-Derivate als chirale Auxiliare

Aminosäuren tragen chirale Information. Deshalb werden einige Aminosäure-Derivate als chirale Auxiliare bei asymmetrischen Synthesen eingesetzt. Der Bislactimether des Dioxopiperazins aus L-Valin und Glycin war ein Beispiel (Abschn. 36.6.7); ein weiteres ist das als SAMP bezeichnete Prolin-Derivat (S)-1-Amino-2-methoxymethylpyrrolidin und sein Enantiomer RAMP. SAMP wird aus (S)-Prolinmethylester durch eine vierstufige Synthese hergestellt: a

b

CO2CH3

N

N

CH2OH

N

H

H (S)-Prolinmethylester

c CH2OCH 3

H

(S)-Prolinol

d N

CH 2OCH3

NO

(S)-2-Methoxymethylpyrrolidin

CH2OCH 3

N

NH 2 (S)-1-Amino-2methoxymethylpyrrolidin "SAMP"

(S)-1-Nitroso-2methoxymethylpyrrolidin

a : LiAlH 4 , b : (H 3CO)2SO2 , c : NaNO2 / H 2SO4 , d : H2 / Pd / C

Mit SAMP und RAMP gelingt nach ENDERS u. a. die asymmetrische c-Alkylierung von Ketonen. Ein Beispiel ist die dreistufige Synthese des Alarmpheromons der Blattschneiderameise, (+)-(S)-4Methyl-3-heptanon. Hierbei wird 3-Pentanon mit SAMP zum SAMP-Hydrazon derivatisiert. Deprotonierung und Metallierung in c-Stellung zur Imino-Funktion des SAMP-Hydrazons gibt den intermediären Lithium-Komplex, der die diastereospezifische Alkylierung durch 1-Iodpropan steuert. Die Abspaltung des Auxiliars gelingt durch Hydrolyse des methylierten SAMP-Hydrazons mit wäßriger Salzsäure. Die Zielverbindung wird mit n-Pentan aus dem Ansatz extrahiert.

+ LiNR2 (LDA)

N N

OCH3 H H

SAMP-Hydrazon des 3-Pentanons

+

N

CH2OCH3

/ H2O

/ R2NH

+ n-C3H7 K

N N

OCH 3 Li

/ Li K asymmetrische Induktion

N OCH3

N

H SAMP-Hydrazon Li-Komplex

SAMP-Hydrazon des (S)-4-Methyl-3-heptanons 1.) + CH3 K 2.) + H2O (HCl) , Pentan

/

N

CH2OCH3

NH2CH3 I

NH2

O

O H H

3-Pentanon

H (S)-4-Methyl-3-heptanon

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37.1

Klassifizierung und Nomenklatur

789

37 Peptide und Proteine 37.1 Klassifizierung und Nomenklatur Peptide entstehen durch Verknüpfungen von Aminosäuren über Peptidbindungen (Amid-Gruppen, /CO/NH/) zu einem Polyamid. Peptide aus 2 - 9 Aminosäuren (Di-, Tri-, Tetra- bis Nonapeptide) bezeichnet man als Oligopeptide. 10 - 100 Aminosäure-Bausteine bilden Polypeptide, und Proteine bestehen aus mehr als 100 Aminosäure-Resten. Für kleinere Peptidhormone und Peptidantibiotika werden Drei-Buchstaben-Symbole für Aminosäuren verwendet. Proteinsequenzen werden mit den Ein-Buchstaben-Symbolen angegeben (Tab. 36.1). Die Nomenklatur der Peptide läßt sich am Beispiel eines Tetrapeptids mit N-terminalem Alanin, C-terminalem Cystein, Serin in Position 2 und Glutaminsäure in Position 3 zeigen: Seitenketten

CO2 CH 2 CH3

N -Terminus CH (protonierte H3N C Amino-Gruppe) O

H

O

CH 2

N

C

CH

H N

CH

N

C

CH

CH2

H

O

CH2

C -Terminus CO2 (Carboxylat-Gruppe)

SH

OH

Peptid-Bindungen

Ala

Ser

Glu

Cys

Typisch für Peptide aus c-Aminosäuren ist demnach eine Polyamid-Kette mit verschiedenen Seitenketten. Die Kette ohne die Reste R wird als Rumpf oder Rückgrat (engl. backbone) bezeichnet. Die Reihenfolge der Aminosäuren ausgehend vom N-Terminus bezeichnet man als Sequenz des Peptids; bei Proteinen wird die Sequenz auch als Primärstruktur bezeichnet. Die BeispielSequenz läßt sich mit vollem Namen oder abgekürzt schreiben: Alanyl-seryl-glutamyl-cystein bzw. Ala-Ser-Glu-Cys oder A S E C. Vor der C-terminalen Aminosäure stehende AminosäureReste werden somit N-Acyl-Gruppen entsprechend mit den Endungen -yl versehen. Läßt man die Konfigurationsbezeichnung weg, so bedeutet dies, daß alle c-Aminosäuren L-Konfiguration besitzen. Kommen wie in Peptidantibiotika D-Konfigurationen vor, so werden diese entsprechend gekennzeichnet, z. B. Thr-D-Glu-Val. Besonders bezeichnet werden auch selten vorkommende Verknüpfungen über Seitenkettenfunktionen, wie z. B. über die i-Carboxy-Gruppe der Glutaminsäure im Glutathion: i-L-Glutamyl-cysteinyl-glycin, Glu-i-Cys-Gly oder H-Glu(Cys-Gly)-OH. Ionisationszustand oder Derivatisierung von funktionellen Gruppen an N- oder C-Termini bzw. an Seitenketten können entsprechend gekennzeichnet werden: -" H2-Ala-Ser-Val-OH -" H2-Ala-Ser-Val-O/ /

H-Ala-Ser-Val-O H3C-CO-Ala-Ser-Val-OCH3 Ac-Ala-Ser-Val-OMe

oder

protoniertes Tripeptid Zwitterionenform Tripeptid-Anion N-acetylierter Tripeptidmethylester

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790

37 Peptide und Proteine

37.2 Struktur der Peptidbindung RÖNTGEN-Strukturanalysen von Peptiden ergeben in der Amid-Ebene meist eine trans-Konfiguration der c-C-Atome von zwei über eine Peptidbindung c-C-CONH-c-C verknüpften cAminosäuren (Abb. 37.1). In der (E/Z)-Nomenklatur hat die trans-Peptidbindung (Z)-Konfiguration bezüglich des im Vergleich zum c-C-Atom höherrangigen Carbonyl-O-Atoms. Die cisKonfiguration ist weniger günstig; sie wird oft in Prolylpeptiden gefunden.

Abb. 37.1. Bindungslängen (in nm) und Bindungswinkel der trans-Peptidbindung

Die planare Anordnung, Bindungswinkel um 120° sowie eine CN-Bindungslänge von 132.5 pm (CN-Einfachbindung 148.7 pm, CN-Doppelbindung 127 pm) machen deutlich, daß die PeptidBindung partiellen Doppelbindungscharakter besitzt. Eine (E)/(Z)-Isomerisierung benötigt daher eine Aktivierungsenergie von etwa 90 kJ / mol. 1

Cc

H C

O

FE ~ 90 kJ / mol

1

2

Cc

Cc C

N 2

E/Z-Isomere

cis (E) selten

H C

H

O

Cc

trans (Z) begünstigt

Cc

N O

Cc

N

H C

Cc

O

N Cc

mesomere Grenzformeln

Die Elektronendichteverteilung läßt sich durch zwei mesomere Grenzformeln bzw. ein r-Molekülorbital beschreiben. Dessen Knotenebene ist die Ebene der sechs Atome einer Peptid-Bindung, der Teilstruktur c-C/CONH/c-C mit sp2-Hybridisierung des Carbonyl-C- und Amid-N-Atoms. Wie andere Carbonsäureamide oder Ester sind Peptide in stark sauren oder alkalischen Lösungen hydrolyseempfindlich. Dies ist aufgrund der leichten Protonierbarkeit des Carbonyl-O- bzw. dem durch Nucleophile angreifbaren Carbonyl-C-Atom verständlich.

37.3 Konformation (Sekundärstruktur) von Polypeptid-Ketten 37.3.1

RAMACHANDRAN-Diagramme

Die relativ starre, planare trans-Konfiguration der Peptidbindung und eingeschränkte Rotationsfreiheiten bei Drehung um die c-CN-Bindung (Parameter: Interplanarwinkel l) sowie um die cCC-Bindung (Parameter: Interplanarwinkel {) führen zu bevorzugten räumlichen Strukturen von Polypeptidketten.

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37.3

Konformation (Sekundärstruktur) von Polypeptid-Ketten

791

Abb. 37.2. Rotationen um die c-CN- und c-CC-Bindung einer Aminosäure in einer Peptidkette

Abb. 37.3. RAMACHANDRAN-{"1"l -Diagramm (vereinfacht) mit erlaubten (dunkel) und verbotenen (weiß) Winkelgebieten: cR rechtsgängige (z. B. Myoglobin) und cL linksgängige c-Helix; d antiparalleles d-Faltblatt wie in Seide; C-Tripelhelix wie in Kollagen; P Polyprolin-Helix; 310-Helix und r-Helix

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792

37 Peptide und Proteine

Betrachtet man bei einem Tripeptid die Rotationen l und {, welche vom c-C-Atom der zentralen Aminosäure aus gesehen jeweils im Uhrzeigersinn möglich sind, so ergeben sich bei einer Reihe von Winkelkombinationen energetisch besonders ungünstige Konformationen. Es überlappen sich z. B. bei { = 0°, l = 180° die Berührungsradien der beiden Carbonyl-O-Atome, bei { = 180°, l = 0° dagegen die an N gebundenen H-Atome (Abb. 37.2). Begünstigte Konformationen resultieren andererseits bei l- und {-Winkeln um 120°. Mit Hilfe von Modellrechnungen unter Berücksichtigung der VAN DER WAALS-Radien lassen sich alle Winkelkombinationen untersuchen. Es resultiert ein {/l-Diagramm (RAMACHANDRAN-Diagramm), das erlaubte und verbotene Winkelkombinationen darstellt (Abb. 37.3). Eine Peptidkette einer bestimmten Sequenz (Primärstruktur) ist somit entsprechend der Art ihrer Bausteine in den Freiheitsgraden der Rotationen um c-C/N und c-C/C eingeschränkt. Es bilden sich neben "ungeordneten" Bereichen energetisch besonders stabile Strukturen aus. Ausgehend von diesen geordneten Sekundärstrukturen kann eine Peptidkette bei ihrer durch Wärme, Lösemittel oder Salze induzierten Auffaltung eine t-Konformation (t von random = zufällig; statistisches Knäuel) einnehmen. Polypeptid-Ketten aus gleichen Bausteinen (Homopolypeptide) kehren bei Wiederherstellung der früheren Parameter (Temperatur, Lösemittel, Salzkonzentration, pH u. a.) wieder in die energetisch günstigere, geordnete Konformation zurück. Auch viele natürliche Proteine sind zu solchen reversiblen Konformationsänderungen befähigt. Zwei dieser geordneten Sekundärstrukturen, c-Helix und d-Faltblatt, sind von besonderer Bedeutung.

37.3.2

-Helix

Polypeptid-Ketten können sich in verschiedenen Typen von Helices (schraubenförmige Konformationen) anordnen. Die c-Helix als rechtsgängige Schraube (Abb. 37.4) tritt häufig auf, z. B. im Keratin der Haare und in vielen Proteinen wie Hämoglobin, Myoglobin und Enzymen. Vier, genau genommen 3.6 Aminosäure-Reste beteiligen sich an einer Windung der c-Helix. Die planaren Peptidbindungen sind so angeordnet, daß sich die Dipole aller Carbonyl-Gruppen in gleicher Richtung entlang der Helixachse erstrecken, während sich alle N/H-Bindungen entgegengesetzt ausrichten (Abb. 37.4). Dies ermöglicht eine spannungsfreie stabile Konformation, die durch Wasserstoffbrücken stabilisiert wird. Jede Wasserstoffbrücke schließt einen 13-gliedrigen Ring (Abb. 37.5, 37.6). Systematisch wird die c-Helix daher auch als 3.613-Helix bezeichnet.

Abb. 37.4. Stab- und Kugel-Stab-Modell der c-Helix des Tetrapeptids Ala-Gly-Ala-Gly. Das eingezeichnete Spiralband im Kugel-Stab-Modell zeigt, daß sich vier (3.6) Aminosäuren an einer Helixwindung beteiligen

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37.3

Konformation (Sekundärstruktur) von Polypeptid-Ketten

793

Abb. 37.5. Die c-Helix in zwei perspektivischen Ansichten. Links ist der 13-gliedrige Ring dieser 3.613-Helix durch Bezifferung der Ringglieder angedeutet (vgl. dazu Abb. 37.6, nach DICKERSON und GEIS)

Abb. 37.6. Schematische Darstellung einer der Wasserstoff-Brücken von einer Helixwindung zur nächsten bei verschiedenen Helixtypen (nach DICKERSON und GEIS)

37.3.3

-Keratin-Struktur

Mit Hilfe der Licht- und Elektronenmikroskopie und durch RÖNTGEN-Beugungsmuster ließ sich nachweisen, daß die längs in der Faser angeordneten, abgestorbenen Zellen eines Haares Makro-

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794

37 Peptide und Proteine

fibrillen enthalten (Abb. 37.7). Makrofibrillen sind Faserbündel, die aus Hunderten von Mikrofibrillen bestehen. Mikrofibrillen sind Kabel aus elf Strängen von Protofibrillen. Sie enthalten drei rechtsgängige c-Helices (Sekundärstruktur), die wie in einem Seil schraubenförmig umeinander gewunden sind. Diese supramolekulare Struktur verkörpert eine linksgängige Superhelix. Die Helices sind über Disulfid-Brücken von Cystin-Resten miteinander verbunden (Quervernetzung in der sog. Tertiärstruktur). Bei der elastischen Dehnung eines Haares werden die parallel zur Faserachse liegenden Helices gestreckt, bis die Wasserstoffbrücken (Abb. 37.65) brechen. Die Peptidketten können jedoch in ihre ursprüngliche Konformation zurückkehren, da sie über Disulfid-Brücken kovalent quervernetzt sind und so ihre Lage nicht allzu sehr verändern. Bei der Herstellung von Dauerwellen bleiben andererseits die Helices im Haar weitgehend intakt, die Disulfid-Brücken werden reduziert und ordnen sich entsprechend der äußeren Krafteinwirkung neu an. Die harten Keratine der Hörner, Krallen und Hufe enthalten besonders viel Cystin; Hautkeratine sind weniger stark quervernetzt.

Abb. 37.7. Schematischer Aufbau eines Haares mit Zellen, Makrofibrillen, Mikrofibrillen, Protofibrillen und chelikalem c-Keratin (nach DICKERSON und GEIS)

Auch im Kollagen von Haut und Sehnen bilden helikale Strukturen (Tropokollagen) die Grundelemente. Tropokollagen enthält drei linksgängige einsträngige Helices, die sich umeinander winden und eine Superhelix (Tripelhelix) bilden. Diese Kollagen-Tripelhelix besteht aus Sequenzen mit alternierenden Bausteinen, z. B. (/Gly/X/Pro/)n ; sie enthält oft auch Hydroxyprolin. Im Gegensatz zur c-Helix, die keinen Prolin-Einbau zuläßt, sind die Kollagen-Helices etwas gestreckt, und die Wasserstoffbrücken liegen zwischen den Helixsträngen.

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37.3

Konformation (Sekundärstruktur) von Polypeptid-Ketten

37.3.4

795

-Faltblatt

In der d-Faltblatt-Konformation ordnen sich Peptid-Bindungen und c-C-Atome wellblechartig an, so dass die Seitenketten alternierend auf oder unter dem "Wellblech" liegen (Abb. 37.8). Verbindet man zwei in einer Ebene parallel nebeneinander, aber mit entgegengesetzter Sequenzrichtung angeordnete Peptidketten durch Wasserstoffbrücken, so erhält man eine antiparallele Faltblattstruktur (Abb. 37.9). Auch diese Konformation erinnert an ein Wellblech, auf dessen schrägen Ebenen jeweils längs die Wasserstoffbrücken der Peptidbindungen liegen. Auf den Erhebungen und in den Rillen sitzen die c-C-Atome mit ihren nach oben bzw. unten abstehenden Seitenketten.

Abb. 37.8. Stab- und Kugel-Stab-Modell der d-Faltblatt-Konformation des Hexaalanins

Abb. 37.9. Antiparallele d-Faltblattstruktur (nach DICKERSON und GEIS)

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796

37 Peptide und Proteine

In natürlicher Seide sind viele wellblechartig angeordnete Monoschichten (Sekundärstruktur) zu sehr stabilen Proteinpolyschichten (Tertiärstruktur) übereinandergestapelt (Abb. 37.10). Da sich in der Seide die Sequenz /(Gly/Ser/Gly/Ala)n/ periodisch wiederholt, ergibt sich bei der dreidimensionalen Schichtung ein hoher Ordnungsgrad. Die Methyl-Gruppen von Alanin bzw. die H-Atome von Glycin liegen abwechselnd zwischen den "Wellblechen". Somit ergibt sich eine Verzahnung der Schichten durch VAN-DER-WAALS-Kräfte, aus der die Geschmeidigkeit der Seidenfaser herrührt. Aufgrund der bereits weitgehend ausgestreckten Peptidketten ist die Faser sehr kräftig, da die Zugbeanspruchung direkt auf die kovalenten Bindungen wirkt. Seidenfasern mit einem hohen Anteil an der erwähnten Sequenz und wenig sperrigen Gruppen zwischen den Schichten sind sehr elastisch und wenig dehnbar.

Abb. 37.10. Ineinandergreifen der Alanin-Seitenketten in der Monoschichten-Struktur der Seide (nach DICKERSON und GEIS)

37.3.5

Physikalische Methoden zur Strukturbestimmung

Aus der RÖNTGEN-Struktur von Kristallen und durch NMR-Spektroskopie von Lösungen der Peptide und Proteine folgt, daß die im Kristall gefundene Konformation in Lösung weitgehend erhalten bleibt. Es sei denn, man zerstört die Sekundärstruktur durch drastische Lösemittel- oder Temperatureinflüsse. Zur Konformationsbestimmung von Peptiden und Proteinen in Lösung eignet sich die hochauflösende, zwei- und dreidimensionale NMR-Spektroskopie (500 - 900 MHz). Die räumliche Nachbarschaft von Atomen bzw. Atomgruppen im (13C,15N-markierten) Protein ergibt sich durch quantitative Auswertung der Kern-OVERHAUSER-Effekte (NOE, Abschn. 28.5.11) und des H-Brückenmusters; der resultierende Datensatz ist die Basis einer Moleküldynamiksimulation des Proteins. Einfach und schnell gelingt die Konformationsanalyse von Polypeptiden mit dem Circulardichroismus (CD). Sofern sich in der Nachbarschaft eines Chromophors Asymmetriezentren befinden, wird links- und rechts circular polarisiertes Licht unterschiedlich stark absorbiert. Der CarbonylChromophor der Peptidbindung befindet sich in asymmetrischer Umgebung. Daher werden im UV zwei CD-aktive Elektronenübergänge, ein schwacher nr*-Übergang und ein starker rr*-Übergang

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37.4

Methoden der Peptidsynthese

797

beobachtet. Die Wechselwirkung des eingestrahlten circular polarisierten Lichts mit den Elektronen der Peptidcarbonyl-Gruppe hängt von der Lage der Carbonyl-Gruppe und damit der Konformation ab. CD-Banden werden als COTTON-Effekte bezeichnet.

a

b

Abb. 37.11. (a) Circulardichroismus-Spektren von Polypeptiden in c-helikaler 1, d-Faltblatt 2 und "ungeordneter" t-Konformation 3; (b) CD-Spektrum von Myoglobin aus Pottwal ( 70 % c-Helix)

Rechtsgängig c-helikale Polyaminosäuren liefern CD-Spektren (Abb. 37.11) mit einem negativen COTTON-Effekt bei n = 223 nm (nr*-Übergang), einer weiteren negativen CD-Bande bei 207 nm sowie einer positiven bei 193 nm. Die beiden kürzerwelligen CD-Banden gehören zum Carbonylrr*-Übergang, welcher infolge der Helix in zwei Komponenten aufspaltet ("exciton-splitting"). Polypeptide, die bei 215 - 220 nm ein Minimum (nr*-Übergang) und bei 195 nm ein Maximum (rr*-Übergang) besitzen, haben dagegen eine antiparallele d-Faltblatt-Konformation (Abb. 37.11 a). Auch die "ungeordnete" Konformation eines Peptids spiegelt sich in einem charakteristischen CD-Spektrum wider. Die Auswertung des CD-Spektrums eines Proteins erfolgt durch Vergleich mit Standards bekannter c, d, und t-Konformationen. Die Konformationsanteile in Prozent können berechnet werden.

37.4 Methoden der Peptidsynthese 37.4.1

Knüpfung der Peptidbindung

Eine Peptidbindung entsteht formal durch Kondensation der Carboxy-Gruppe einer Aminosäure mit Rest RA (= Carboxy-Komponente) und der Amino-Gruppe einer zweiten Aminosäure mit Rest

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798

37 Peptide und Proteine

RB (= Amino-Komponente). Bringt man eine N-terminal geschützte Carboxy-Komponente und eine carboxygeschützte Amino-Komponente zusammen, so bildet sich nur ein Salz: CH 3

O Ac-Gly-OH N-Acetylglycin

CH3

O

H3C C NH CH2 CO2H + H2N CH CO2CH 3

H 3C C NH CH 2 CO2 H 3N CH CO2CH 3 / Ac-Gly -O ""/ +H2-Ala-OMe

H-Ala-OMe Alaninmethylester

Die als Peptidkupplung bezeichnete Knüpfung einer kovalenten Peptidbindung erfolgt immer durch nucleophilen Angriff der Amino-Gruppe mit ihrem freien Elektronenpaar am elektronenarmen, "aktivierten" Carboxy-C-Atom. Stark elektronenziehende Reste am Carboxy-C-Atom bewirken diese Aktivierung durch Destabilisierung der CO-Acyl-Bindung, z. B. in Aziden, Aktivestern, gemischten Anhydriden und Carbodiimid-Addukten (Abb. 37.12). Bei der Kupplung der C-terminal über das Säureazid aktivierten Carboxy-Komponente mit einer Amino-Komponente wird das Azid-Ion freigesetzt. Aus Carboxy-Komponente und einem Chlorkohlensäurealkylester entstehen in Gegenwart einer tertiären Base gemischte Anhydride; als Kohlensäure-Derivate setzen diese bei der Peptidkupplung mit der Amin-Komponente Kohlendioxid und Alkohol frei. 2-Nitrophenylester aktivieren (positivieren) die Carboxy-Gruppe wegen des (/)M-Effekts der Nitro-Gruppe unter Mitwirkung des Carbonyl-Sauerstoff-Atoms, so daß die AminoGruppe das Phenolat leicht substituiert.

RA

+

C

N

O O

Aminolyse des Esters ("Kupplung")

H

O

RA

RB

H

O

H

C

N

O

H

RB

RA

H

C

N

O RB

RA

C

OH

N

RB

H

/ O2N

O2N

N

O

Peptid-Bindung

O

O

a

R

+ H2N/NH2

C

/ R'/OH

O R'

O

O

+ HO/N=O

C

R

NH NH2

R

/ 2 H2O

Azid

C N N N

O Cl

O

b

R

[( H5C2) 3N ]

+ R1 O C

C

/ HCl

O

O H

R

C

O

C

gemischtes Anhydrid

O R1

O R2

O

c

R

+

C O H

N C N

O R

R2

Carbodiimid-Addukt

N R2

C O C

NH R 2 F

O

d

R

F

+ HO

C O H

O F

F

F

R

C

F

F

O

Pentafluorphenylester F

F

F 1

Abb. 37.12. Methoden der Carboxy-Aktivierung zur Peptidkupplung (R : geschützter Peptid-Rest; R = i-Butyl-; 2 R = i-Propyl-)

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37.4

Methoden der Peptidsynthese

799

Vorteilhaft ist die Kombination von N,N'-Diisopropylcarbodiimid (DIC) kombiniert mit äquimolaren Mengen N-Hydroxysuccinimid (Abb. 37.13) oder l-Hydroxybenzotriazol (HOBt). Aus der Ngeschützten Carboxy-Komponente bildet sich dabei zuerst der 1-Hydroxybenzotriazol-Aktivester, der dann nucleophil durch die Amino-Komponente angegriffen wird. Diese Kombination unterdrückt die Racemisierung und gibt nach kürzeren Kupplungszeiten bessere Ausbeuten. H7C3

R X

NH

O

CH

+

C O H

HO

+

N N

R

N C

X

NH

O +

C O

N

N

CH

C3H7

1-Hydroxybenzotriazol (HOBt)

N N

N

O

NH

C3H7

NH

C3H7

C

HOBt-Ester DIC

Neue Kupplungsreagenzien auf der Basis von Uronium-Salzen wie 2-(1H-Benzotriazol-1-yl)1,1,3,3-tetramethyluronium-tetrafluoroborat (TBTU) reagieren ohne Zusatz von Carbodiimid direkt mit der N-geschützten Aminosäure zum HOBt-Aktivester und Harnstoff. (H3C) 2N TBTU

(H3C) 2N

C O

N

N

BF4

N

Aminosäuren sind di- und trifunktionell; deshalb müssen alle Gruppen, die nicht an der chemischen Kupplungsreaktion teilnehmen dürfen, vorübergehend durch Schutzgruppen blockiert werden. Eine chemische Peptidsynthese umfaßt somit folgende Schritte (Abb. 37.13, S. 800): ̈" ̈" ̈"

Einführung von Schutzgruppen, Aktivierung und Kupplung, Abspaltung der Schutzgruppen.

Bei der exemplarischen Dipeptidsynthese nach Abb. 37.13 werden die t-Butyloxycarbonyl-Gruppe (Amino-Schutzgruppe) und der Methylester (Carboxy-Schutzgruppe) eingesetzt. Die t-Butyloxycarbonyl-Schutzgruppe (Boc) hat den Vorteil, daß sie in saurem Medium quantitativ unter Freisetzung von gasförmigem Isobuten (Methylpropen) und Kohlendioxid abspaltbar ist. Peptidmethylester lassen sich wie andere Carbonsäureester mit 1 N NaOH in Dioxan verseifen. Entfernt man auf der Stufe des vollgeschützten Dipeptids selektiv nur die Methylester-Gruppe durch Verseifung, so kann das entstandene N-terminal geschützte und C-terminal freie Dipeptid nach Aktivierung seiner Carboxy-Gruppe mit einem weiteren Aminosäureester zum Tripeptid gekuppelt werden. Nach selektiver acidolytischer Entfernung der t-Butyloxycarbonyl-Gruppe wäre andererseits eine N-terminale Kettenverlängerung möglich.

37.4.2

Schutzgruppen

Die technische Herstellung eines größeren Peptids erfordert sorgfältige Überlegungen zur "Strategie" (Reihenfolge der Verknüpfungsstellen) und "Taktik" (Schutzgruppenkombinationen).

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800

37 Peptide und Proteine

N -terminale Aminosäure

C -terminale Aminosäure

CH 3

H 3N

H 3N

Einführung der Schutzgruppen

CO2 CH

CH CO2

CH(CH3)2

(H3C) 3C O +

C O

/ H2O

+ CH3OH [HCl]

pH = 8 - 10

(H3C) 3C O

CH3

H 3N

CO2CH3 CH

CH (H 3C)3C O CO N

CO2H

CH(CH3)2

H O

Aktivierung

- HO N

/ HCl

DIPEA

, DIC

O

CH3

O

CH (H 3C)3C O CO N

C

H

O

O

+

N

H 2N

CO2CH3 CH CH(CH3)2

O

N-Hydroxysuccinimidyl-Aktivester

O / HO N

Kupplung O

H

CH3

N

CH

CO2CH3

(H 3C)3C O CO N

C

CH

H

O

CH(CH3)2

N- und C- geschütztes Dipeptid

Abspaltung der Schutzgruppen

/

a) Hydrolyse [ OH _ b) Acidolyse [H+]

+ H2O , / CH3OH / CO2 , / (H3C) 2C=CH2

H

CH3

N

CH H3N

CO2

C

CH

O

CH(CH3)2

Abb. 37.13. Schema der Synthese des Dipeptids Alanyl-valin unter Verwendung des t-Butyloxycarbonyl- und Methylester-Schutzes sowie der Hydroxysuccinimid/Carbodiimid-Aktivester-Kupplung (DIC = N,N'-Diisopropylcarbodiimid; DIPEA = Diisopropylethylamin)

Die Amino-Funktion wird durch Urethan-Schutzgruppen wie t-Butyloxycarbonyl- (Boc), Benzyloxycarbonyl- (Z) und Fluorenylmethoxycarbonyl- (Fmoc), gelegentlich auch durch Acylierung (Trifluoracetyl, Tfa) geschützt (Tab. 37.1). Zum Schutz der Carboxy-Funktion bewährten sich die alkalisch verseifbaren Methyl- und besonders die Benzyl- (Bzl) und t-Butylester (tBu) (Tab. 37.2). Letztere sowie die Urethan-Schutzgruppen (Z und Boc) der Amino-Funktion lassen sich nach dem Peptidaufbau hydrogenolytisch (H2 / Pd) bzw. acidolytisch (HBr / CH3COOH oder HF) abspalten (Tab. 37.1 und 2); Piperidin eliminiert die Fmoc-Gruppe.

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37.4

Methoden der Peptidsynthese

801

Tab. 37.1. Die wichtigsten Schutzgruppen für die Amino-Funktion Reagenz zur Einführung

geschützte Aminosäure

Abspaltungsbedingungen starke Säuren

O

O F3 C

F3 C

O

C

NH

O C (Tfa)2O CF3

CH2

O

CH2

O

R

C

NH CH Benzyloxycarbonyl- , Z/

/

+

/

+

+

/

/

+

+

+

+

/

/

/

/

/

+

+

+

CO2H

O

(H3C) 3C O (H3C) 3C

C O

O

R

C

(H3C) 3C O

NH

Di-t-butylcarbonat, OC(OtBu)2

CO2H

O Fluorenyl

O C

CH

t-Butyloxycarbonyl- , Boc-

O CH2

/ CO2H

O C6H5

C

Cl Benzyloxycarbonylchlorid , Z /Cl

Fluorenyl

CH

Na / NH3

Trifluoracetyl- , Tfa-

O C6H5

R

C

schwache Alkali- H2 / Kat. Säuren hydroxid

CH2

O

R

C

Cl

NH CH CO2H Fluorenylmethoxycarbonylchlorid , Fmoc /Cl Fluorenylmethoxycarbonyl- , FmocFluorenyl =

Die Einführung der in Tab. 37.1 gezeigten Schutzgruppen gelingt in schwach basischen Medien unter nucleophilem Angriff der c-Amino-Gruppe am Carbonyl-C-Atom der Reagenzien. Die hydrogenolytische bzw. acidolytische Abspaltung der am häufigsten verwendeten Schutzgruppen Z und Boc setzt flüchtige Produkte frei (Toluen bzw. Isobuten und CO2). Bei der Abspaltung in saueren Medien intermediär auftretende Kationen (t-Butyl und Benzyl) werden durch Zusatz von Scavengern (Thioanisol, Ethandithiol) abgefangen, damit sie nicht die Seitenketten von Tyr und Trp alkylieren. Tab. 37.2. Carboxy-Schutzgruppen Reagenz zur Einführung

geschützte Aminosäure

Abspaltungsbedingungen starke schwache Alkali- H2 / Kat. Na / NH3 Säuren Säuren hydroxid

CH3OH / HCl oder SOCl2 CH2N2

O R

C O O

C2H5OH / HCl oder SOCl2

R

C O

C6H5/CH2OH, p-Toluensulfonsäure, in Toluen, 120 °C

R

(H3C) 2C=CH2 / H2SO4

R

/

/

+

/

Amid

/

/

+

/

Amid

+

/

+

+

+

+

+

/

/

/

OMe

CH3

CH2

CH3

OEt

CH2

C6H5

OBzl

O C O O C O

C(CH3) 3

OBut

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802

37 Peptide und Proteine

Zum Schutz trifunktioneller Aminosäuren mit Hydroxy-, Thiol- oder heterocyclischer AminoFunktion wie in Serin, Threonin, Tyrosin, Cystein und Histidin eignet sich die Benzyl-Gruppe [als Benzylether, -thioether, N-Benzylimidazolyl- (Nim-Bzl)]. Diese Seitenketten-Schutzgruppen (Tab. 37.3) müssen über viele Reaktionsschritte stabil bleiben. Andererseits sollen am Schluß der Synthese alle Schutzgruppen ohne Zerstörung des Peptids abspaltbar sein.

Tab. 37.3. Schutzgruppen für Hydroxy-, Thiol-, Imidazolyl- und Guanidino-Funktionen Seitenketten-Funktion

g e s c h ü t z t e Seitenketten-Funktion

Abspaltungsbedingungen

CO2 CH3

Ser , Thr , Tyr /OH

H3N

CH

H3N

CH

H3N

CH

H3N

CH

CH

O

C6H5

CH2

O-Benzylthreonin

H2 / Kat. oder HF oder HBr / CF3CO2H oder Na / NH3

O-t-Butylserin

CF3CO2H

O-Benzyltyrosin

H2 / Kat. oder HF oder HBr / CF3CO2H oder Na / NH3

S-Benzylcystein

nur Na in flüss. NH3

S-Tritylcystein

HCl oder CF3CO2H

S-Acetylaminomethylcystein

(SCN) 2

symmetrische Cystinpeptide

Thiolyse mit HS CH2 CH2 OH oder Dithioerythrit

Nim-Benzylhistidin

H2 / Pt oder Na / NH3

CO2 CH2

O

C(CH3) 3

CO2 O

CH2

CH2

C6H5

CO2

Cys /SH

CH2

S

CH2

C6H5

CH2

S

C(C6H5) 3

CH2

S

CH2

CO2 H3N

CH CO2

H3N

CH

O NH

C CH3

CO2 H3N

CH

H3N

CH

CO2 CH2

S

S

CO2

His

CH2

CH

CH2

C6H5

N

CH2 N

NH N

NH3

NO2

CO2 H3N

CH

N

CH2

NO2

N

Nim-Dinitrophenylhistidin

Thiolyse mit HS CH2 CH2 OH

O CO2 H3N

CH

C N

CH2

N

N CO2

Arg

H3N

CH

OH , H2O oder N2H4

Protonierung ( pK = 13.2)

entfällt

Ng -Nitroarginin

HF oder H2 / Pt

NH (CH2) 3

NH

C

NH NH

/

Nim-Piperidinocarbonylhistidin

NH3

C

CO2

NH2 H3N

CH

N (CH2) 3

NH

NO2

C NH2

Nim: N-Atom des Imidazolyl-Restes; N g : N-Atom der Guanidino-Gruppe

Schutzgruppen müssen folgende Bedingungen erfüllen:

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37.4

Methoden der Peptidsynthese

803

̈"

Die Synthese des geschützten, gut kristallisierbaren, lagerfähigen Aminosäure-Derivats muß racemisierungsfrei unter milden Bedingungen mit hoher Ausbeute und Reinheit ablaufen.

̈

Die Schutzgruppe muß unter Bedingungen abspaltbar sein, die keine Peptidbindungen spalten oder umlagern, oder die säureempfindliche Aminosäuren wie Tryptophan zerstören.

̈

Die Schutzgruppen für Seitenkettenfunktionen müssen die Bedingungen zur Abspaltung der c-Amino- und c-Carboxy-Schutzgruppen überstehen.

̈

Schließlich sollten Schutzgruppen nicht die Löslichkeit einer wachsenden Peptidkette in den bei der Synthese verwendeten Lösemitteln herabsetzen.

In der Peptidsynthese stehen für die Seitenkettenfunktionen der Glutaminsäure und Asparaginsäure oder des Lysins brauchbare Carboxy- bzw. Amino-Schutzgruppenkombinationen zur Verfügung (Tab. 37.1 und 37.2). Die Drittfunktionen von Serin, Threonin, Histidin, Tyrosin, Cystein und Arginin müssen ebenfalls geschützt werden (Tab. 37.3). Wegen der besseren Löslichkeit und zur Vermeidung von Wasserabspaltungen werden auch die Amid-Gruppen der Seitenketten von Asparagin und Glutamin geschützt, z. B. mit dem Trityl-Rest. Die in Tab. 37.1 - 3 beschriebenen Schutzgruppen bewähren sich auch bei Total- und Partialsynthesen von Peptidmimetika und anderen Naturstoffen. Abb. 37.14 verdeutlicht an einem Octapeptid den Aufwand zur Synthese einer relativ kurzen Sequenz, wenn mehrere trifunktionelle Aminosäuren unter Schutz der Seitenkettenfunktionen eingesetzt werden müssen (Tab. 37.3).

Schutz der Amino-Funktion

Schutz der Imidazol-Funktion

Schutz der PhenolHydroxy-Funktion

NH Z

H

O

CH 2

N

H

O

CH 2

H

N

C

H

O

CH 2 O

CH2

C

H

NH Trt

H

O

N

N O

CH 2

H

CH 2

Trt

N

N O

CH 2

Schutz der N-terminalen Amino-Funktion

S

N

N H

Bzl

N

CH2 Boc

Schutz der C-terminalen Carboxy-Funktion

N

CH2 CH2

O

Bzl

CH2

Schutz der Thiol-Funktion

OtBu

N O

CH2 O

H

O

CH2 CH2

t Bu O

NH NO2

C

Ot Bu

HN Schutz der Guanidino-Funktion

Schutz der Carboxamido-Funktion

Schutz der Alkohol-Funktion

Schutz der

y-Carboxy-Funktion

Lysyl /" Arginyl / Histidyl /" Asparaginyl / Tyrosyl / Seryl / Cysteinyl /" Glutaminsäure Abb. 37.14. Zu schützende funktionelle Gruppen der Aminosäuren zur Synthese eines Octapeptids t ( Bu = t-Butyl; Bzl = Benzyl; Trt = Trityl; Z = Benzyloxycarbonyl)

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804

37 Peptide und Proteine

37.4.3

Strategie und Taktik der Peptidsynthese

Fragmentkondensation in Lösung Größere Polypeptide werden durch Fragmentkondensation aufgebaut, d. h. man verknüpft geeignet geschützte Oligopeptide an günstigen Kupplungsstellen der Sequenz. Die Oligopeptide mit je 3 - 10 Aminosäure-Resten werden durch schrittweisen Anbau von carboxyaktivierten N-geschützten Bausteinen an die jeweils freigesetzten Amino-Komponenten synthetisiert. Diese konventionelle Peptid-Synthese ist die am häufigsten benutzte Strategie bei der technischen Synthese hochreiner Peptidwirkstoffe, da jedes Zwischenprodukt isoliert, gereinigt und analysiert werden kann. Die Grenzen dieser Methode liegen in nicht vorhersehbaren Löslichkeitsänderungen der wachsenden, meist vollgeschützten Peptidketten. Dem versucht man durch geeignete Kombinationen von solubilisierenden hydrophilen oder lipophilen Schutzgruppen zu begegnen. Ligation ungeschützter Peptide zum Aufbau von Proteinen Die Synthese von Proteinen gelingt durch Verknüpfung (Ligation) ungeschützter Peptid-Teilsequenzen unter der Voraussetzung, daß eines der Fragmente (Peptid II) N-terminales Cystein enthält. Dabei wird der Thiolester des Peptids I mit dem N-terminalen Cystein des Peptids II als Thiolat-Nucleophil im Einfang-Schritt (1) zum Peptid-Thiolester umgeestert, der als Aktivester unter SiN-Acyl-Verschiebung (2) die Peptid-Bindung zwischen den Fragmenten I und II knüpft. ̈"

O Carboxy-Komponente H2N Peptid I

S + S

R

Amino-Komponente

CH2

C6H5

N

Peptid II CO2H

NH 3 H

/ RSH

(1) O H2N Peptid I

R =

O

S

SH H

O

O N

NH 2 H Peptid-Thiolester

Peptid II CO2H

(2) H 2N Peptid I

N

N H

Peptid II CO2H

O

Synthese von Peptiden unter Verwendung von Polymer-Trägern Zur Synthese von Peptiden an fester Phase (Festphasen-Peptid-Synthese nach MERRIFIELD, 1963) wird die C-terminale Aminosäure mit einem in allen Lösemitteln unlöslichen Polymer-Träger (hydroxymethyliertes Polystyren, mit 1 % Divinylbenzen zur Quervernetzung, Abschn. 35.8.3) verestert. An diesen Aminosäure-Polymer-Ester wird eine Aminosäure nach der anderen geknüpft. Die schrittweise aufgebaute Peptidkette wird nach beendeter Synthese von dem polymeren Trägermaterial abgespalten (Abb. 37.15). Zwischen Träger und Peptid können Ankergruppen unterschiedlicher Reaktivität und Spezifität z. B. auch für eine Peptidamid-Synthese eingebaut werden. Eine Festphasen-Synthese bietet mehrere Vorteile: Die während der gesamten Synthese kovalent mit dem unlöslichen Polymer verbundene Peptidkette wird nach jedem Reaktionsschritt durch einfaches Abfiltrieren und Auswaschen von überschüssigen Reaktionskomponenten und Nebenprodukten befreit. Die Zugabe der Reagenzien und Lösemittel, das Schütteln der heterogenen Reaktionsmischung und das Abfiltrieren ist in einer automatischen Peptidsynthese-Apparatur programmier- und steuerbar.

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37.4

Methoden der Peptidsynthese

805

Unlöslicher Träger (Polystyren-Divinylbenzen-Copolymer, PS-DVB)

Einführung der Ankergruppe

Chlormethylierung

R1

ClCH 2

O CH 3 / SnCl4

CH (H3C)3C O CO NH

+

CO2 Cs

Veresterung der ersten Aminosäure mit dem Träger

(1)

Cl

CH 2

/ CsCl

R1 CH (H3C)3C O CO NH

C

O

CH 2

O Abspaltung der N-Schutzgruppe und Neutralisation

(2)

1.) + CF3CO2H , / CO2 , / (H3 C) 2C=CH2 2.) + N(C2H 5) 3 , / CF3CO2

/+

NH(C2H 5) 3

R1 (H3C)3C O CO NH CH

CH

CO2H

+

H2N

C

Kupplung der zweiten Aminosäure

(3)

1.) + H7 C3/"N=C=N/C3H 7(DIC) 2.) / H7 C3/NH/CO/NH/C 3H7

R1

O (H 3C)3C O CO NH

Aufbau der Sequenz durch Wiederholung der Schritte (2) und (3) mit jeweils neuer Aminosäure

CH

C CH

N

C

R2

H

O

(H 3C)3C O CO NH

C CH R2 - n

gleichzeitige Entfernung der N-Schutzgruppen und Abspaltung vom Träger

(4)

CO2

+

H NH

C CH R2 - n

CH 2

CH N

C

O

CH 2

nH

O

Br

CH 2

HBr / CF3CO2H

R1

O +

CH 3

O

R1

O

H2C C

CH 2

O

R2

CH 3

O

CH N

+ CO2H

nH

Abb. 37.15. Reaktionsschritte bei der Festphasen-Peptidsynthese nach MERRRIFIELD (1963). Ein Synthesezyklus zur Kettenverlängerung um eine Aminosäure (Reaktionsschritte 2 und 3) dauert etwa 20 min (PS-DVB = Polystyren, quervernetzt mit 1-2 % Divinylbenzen). Anstelle der Boc- werden zunehmend Fmoc-Aminosäuren bei Festphasen-Synthesen eingesetzt, da die Fmoc-Abspaltung mit Piperidin einen zusätzlichen Neutralisierungsschritt erspart

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806

37 Peptide und Proteine

Selbst bei einem Überschuß von Reagenzien sind quantitative Umsetzungen oft nicht erzielbar. Deshalb können durch unvollständige Kupplungsreaktionen laufend kürzere Fragmente entstehen; auch unkontrollierbare Nebenreaktionen an den Seitenketten laufen ab. Dies führt besonders beim Aufbau längerer Peptide (mehr als 40 Aminosäuren) zu einem nicht mehr zu reinigenden Peptidgemisch. Da die Synthesefehler zu sehr nahe verwandten Analoga der gewünschten Sequenz führen, ist ihre Detektion ausgesprochen schwierig. Hydrophile Polymerträger eignen sich sowohl für repetitive Synthesen als auch für Bioassays direkt am Harzkügelchen. Zur repetitiven Peptid-Synthese nach BAYER und RAPP wird Polyethylenglykol (PEG), H/[O/CH2/CH2/]nOH, am polymeren Träger Polystyren aufgepfropft, eingesetzt. Das in Wasser und fast allen organischen Lösemitteln, ausgenommen in Ether und Alkanen, lösliche PEG erfüllt die Funktion eines Peptid-Trägers mit solubilisierenden Eigenschaften auf die wachsende Peptidkette. Druckstabile Peptidträger dieser Art erlauben automatisierte Durchflußsynthesen von Peptiden und Oligonucleotiden mit Kupplungszeiten von nur wenigen Minuten. Das auf den ersten Blick überraschend einfache Festphasen-Syntheseprinzip bietet Möglichkeiten zur gleichzeitigen, automatisierten Herstellung von mehreren hundert definierten Peptiden (simultane bzw. multiple, parallele und kombinatorische Synthese von Peptiden).

37.4.4

Kombinatorische Synthese

Die Chance, ein neues als hochwirksames Medikament anwendbares Oligopeptid zu finden, ist gering; gleiches gilt für andere Wirkstoffklassen. Zahlreiche Varianten einer Leitstruktur müssen hierzu einzeln hergestellt, gereinigt und auf ihre Wirksamkeit geprüft werden. Dieses Vorgehen bei der Suche nach neuen Wirkstoffen ist ziemlich ineffizient. Eine zeitsparende Alternative ist die kombinatorische Synthese. Dieser Begriff steht für verschiedene Methoden zur simultanen Darstellung vieler Varianten eines Grundgerüstes ("Scaffolds"). Ziele solcher Synthesen sind kombinatorische "Verbindungsbibliotheken", die bezüglich ihrer Wirkungen auf ein biologisches Zielmolekül ("Target"), z. B. auf die Hemmung eines Enzyms, untersucht werden. Zeigt sich ein Test positiv, werden die wirksamen Verbindungen ("Hits") identifiziert und gezielt hergestellt. Die kombinatorische Synthese entwickelte sich aus der Festphasen-Synthese von Peptiden nach MERRIFIELD. Bei der "Split-Mix"-Methodik (Abb. 37.16) werden die Edukte A1, A2 und A3 in drei getrennten Reaktionen ("split") kovalent an ein Polymer ( ) gebunden. Es entstehen drei Produkte ( A1, A2, A3), die als Gemisch in drei getrennten Reaktionsgefäßen ("split") jeweils mit den Edukten B1, B2 und B3 zu neun neuen Produktvarianten des Typs AB reagieren. Diese werden erneut zusammengegeben ("mix") und in drei Reaktionsgefäßen in drei Reaktionen mit den Edukten C1, C2 und C3 zu 27 Produkten (neun pro Reaktionsgefäß) umgesetzt. Nach Abspaltung der Produkte vom Polymerträger erhält man eine "Bibliothek" von 27 Verbindungen. Die Durchführung einer kombinatorischen Festphasen-Peptid-Synthese würde z. B. aus neun Aminsäuren A1, A2, A3, B1, B2, B3 und C1, C2, C3 am Polystyren-Divinylbenzen-Träger nach kurzer Bearbeitungszeit (wenige Stunden) eine kombinatorische Bibliothek aus 27 Tripeptiden ergeben. Ein wichtiges Merkmal der Split-Mix-Methode ist, daß auf jedem Polymerkügelchen (engl. bead) nur ein Produkt entsteht ("one bead – one compound"), dessen Menge bereits für Tests und Analytik ausreicht. Somit können einzelne Polymerkügelchen auf ihre Wirksamkeit untersucht werden. Durch gleichzeitige Kupplung aller 20 Proteinaminosäuren in allen Positionen eines Hexapeptids sind 206 = 64.000.000 verschiedene Hexapeptide als Mischung herstellbar. Mit solchen Mischungen in Form von Subbibliotheken und mit Peptidmimetika wird systematisch nach neuen Leitstrukturen für die Pharmaentwicklung gesucht.

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37.5

Methoden der Peptid-Sequenzierung

807

Polymer 3 Reaktionen mit A1, A2, A3 3 Produkte in drei Kölbchen

" A1

" A2

" A3

3 Produkte in einem Kölbchen ("Mix")

" A1

" A2

" A3

3 Reaktionen mit B1, B2, B3 ("Split") 9 Produkte in drei Kölbchen

9 Produkte in einem Kölbchen ("Mix")

" A1B1 " A2B1 " A3B1

" A1B2 " A2B2 " A3B2

" A1B3 " A2B3 " A3B3

" A1B1 " A2B1 " A3B1

" A1B2 " A2B2 " A3B2

" A1B3 " A2B3 " A3B3

3 Reaktionen mit C1, C2, C3 ("Split")

27 Produkte in drei Kölbchen

Abspaltung vom Polymerträger

" A1B1C1 " A2B1C1 " A3B1C1 " A1B2C1 " A2B2C1 " A3B2C1 " A1B3C1 " A2B3C1 " A3B3C1

" A1B1C2 " A2B1C2 " A3B1C2 " A1B2C2 " A2B2C2 " A3B2C2 " A1B3C2 " A2B3C2 " A3B3C2

" A1B1C3 " A2B1C3 " A3B1C3 " A1B2C3 " A2B2C3 " A3B2C3 " A1B3C3 " A2B3C3 " A3B3C3

"Bibliothek aus 27 Verbindungen"

Abb. 37.16. Split-Mix-Methode zur kombinatorischen Synthese einer Bibliothek von 27 Verbindungen des Typs ABC. Schwarze Punkte bedeuten die als Perlpolymerisate eingesetzten Polymerträger, Rechteck-Umrandungen die Reaktionsgefäße.

37.5 Methoden der Peptid-Sequenzierung 37.5.1

Reinigung von Peptiden

Zur Aufklärung der Primärstruktur von Proteinen wurden spezielle Abbaumethoden und Endgruppenbestimmungen entwickelt. Vor jeder Sequenzierung müssen die Peptide mit verschiedenen Methoden gereinigt werden (Tab. 37.4). Der Erfolg der Reinigungsoperationen und die Detektion des Peptids in chromatographischen Fraktionen wird anhand seiner charakteristischen Eigenschaften verfolgt. Dazu eignen sich u. a. spezifische Seitengruppenreaktionen, die UV-Absorption, enzymatische oder andere biologische Eigenschaften, das Fragmentmuster nach der Hydrolyse, die

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808

37 Peptide und Proteine

Aminosäuren- und die Übergangsmetall-Analyse bei Metallproteinen sowie die HochleistungsFlüssigkeits-Chromatographie in Kombination mit massenspektroskopischen Methoden.

37.5.2

Selektive Spaltungen von Peptidketten

Die Sequenzierung von 10 - 100 pmol Peptid kann nur bis zu einer Kettenlänge von etwa 30 Aminosäuren mit genügender Sicherheit durchgeführt werden. Daher müssen größere Proteine vorher in einheitliche Spaltstücke, sog. Partialsequenzen bzw. Fragmente übergeführt werden. Diese sollten möglichst über einige Aminosäure-Reste in ihren Sequenzen überlappen. Zu dieser Fragmentierung werden proteolytische Enzyme, sog. Proteasen bzw. C/N-Hydrolasen herangezogen. Man unterscheidet Enzyme, die mittelständige Peptidbindungen spalten (Endopeptidasen), von solchen, die schrittweise nur vom N- oder C-Terminus her spalten (Exopeptidasen). Die Endopeptidase Trypsin spaltet z. B. nur hinter den basischen Aminosäuren Lysin und Arginin; Chymotrypsin spaltet bevorzugt hinter den aromatischen Aminosäuren Tyrosin und Phenylalanin, und Pepsin liefert Di- und Tripeptid-Fragmente. Carboxypeptidasen spalten als Exopeptidasen Cterminale CONH-Bindungen. Aminopeptidasen spalten als Exopeptidasen N-terminale CONHBindungen (mit Ausnahme des N-terminalen Prolins). Tab. 37.4. Die wichtigsten Methoden zur Isolierung und Reinigung von Peptiden und Proteinen M e t h o d e

P r i n z i p

Umfällen, Umkristallisieren

Löslichkeitsunterschiede aufgrund von pH, Lösemittel u. a.

Dialyse, Membranfiltration

Diffusion durch Membranporen aufgrund unterschiedlicher Molekülgröße, als sog. Elektrodialyse aufgrund von Ladung und Molekülgröße

Gelfiltration

Chromatographische Trennung auf Säulen aufgrund der Molekülgröße (Molekularsiebe auf Polyacrylamid- oder Polyglucosid-Basis)

Ionenaustauscher-Chromatographie

Säulenchromatographische Trennung aufgrund unterschiedlicher Ladungen, Elution mit Puffern unterschiedlicher pH-Werte und Tonizität

Elektrophorese

Trennung im elektrischen Feld aufgrund unterschiedlicher Ladungen auf Polyamidgelen und in Glaskapillaren

Multiplikative Gegenstromverteilung

Automatische Vielfach-Extraktion in der CRAIG-Apparatur aufgrund unterschiedlicher Verteilungskoeffizienten in zwei nicht mischbaren Lösemittelsystemen

Verteilungschromatographie

Übertragung des Prinzips der multiplikativen Gegenstromverteilung auf Säulen; ein hydrophiles Säulenfüllmaterial aus Cellulose oder Silicagel umgibt sich mit einer Hydrathülle und bildet die stationäre, wäßrige Phase, welche die polaren Moleküle länger festhält; lipophilere Moleküle wandern mit dem organischen Lösemittel rascher durch die Säule

Reversed Phase Chromatographie

Prinzip der Verteilungschromatographie, jedoch mit lipophiler stationärer Phase (z. B. alkyliertes Kieselgel), in Form der HPLC (High Performance Liquid Chromatography) als wichtigster Trennmethode

Ultrazentrifugation

Trennung der Partikel kolloidaler Proteinlösungen bei Gravitationsbeschleunigungen von 10 4 g

Affinitätschromatographie

Adsorptionschromatographie aufgrund starker spezifischer Wechselwirkungen eines zu reinigenden Enzyms mit dem z. B. an einem unlöslichen Träger kovalent gebundenen Inhibitor oder Antikörper

Chemische Partialhydrolysen unter sauren oder basischen Bedingungen liefern ein schwer trennbares Gemisch vieler Oligopeptide. Deshalb ist diese Art der Partialhydrolyse nur bei kurzen Peptiden erfolgreich. Größere Bedeutung haben einige nichtenzymatische, selektive chemische Fragmentierungen an bestimmten Aminosäuren, wie die Spaltung der C-ständigen Peptidbindung des Methionins mit Bromcyan (BrCN). Der Sulfid-Schwefel des Methionins wird durch Bromcyan

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37.5

Methoden der Peptid-Sequenzierung

809

zum stark Elektronen anziehenden Sulfonium-Schwefel oxidiert. Dadurch wird das i-C-Atom des Methionins positiviert und kann in einer nucleophilen Substitution mit dem Carbonyl-Sauerstoff cyclisieren. Die anschließende hydrolytische Spaltung liefert Fragmente, die an der Stelle des Methionins carboxyständiges Homoserin tragen. S

NC

CH3

CH 2 H2C

CH2 H 2C

R

O

C NH CH C

C NH CH

CH3

S

O

O

+ BrCN / Br

C NH CH

/

R

O

C NH CH C O

O

Methionyl-Peptid / H3C S C N

CH 2OH CH 2 C NH CH CO2H O

37.5.3

R +

H 3N CH C

Homoserin

O

R

O

+ 2 H2O

C NH CH C NH CH C

PeptidSpaltung

O

O

Endgruppenanalyse

Zur Identifizierung der N-terminalen Aminosäure kann das Peptid mit 2,4-Dinitrofluorbenzen (DNFB) oder mit 5-(Dimethylamino)-1-naphthalensulfonsäurechlorid (Dansylchlorid) umgesetzt werden (Abb. 37.17). Nach Totalhydrolyse lassen sich die hydrolysestabilen gelben 2,4Dinitrophenyl- bzw. die fluoreszierenden Dansylaminosäuren im Aminosäuren-Gemisch durch chromatographischen Vergleich mit bekannten Derivaten identifizieren. H / Ala / Ser / Val / Gly / OH

Dinitrophenylierung

+ DNFB

/ HF

Dansylierung

+ Dansyl-Cl

Hydrazinolyse

/ HCl

+ H2N/NH2 6 N HCl

110 °C

Dnp/Ala/OH und Ser, Val, Gly

6 N HCl

/"H2O

110 °C

Dansyl/Ala/OH und Ser, Val, Gly

Veresterung und Reduktion

+ CH2N2 + LiBH4 6 N HCl

Ala, Ser, Val /NHNH2 und Gly

/"N2

110 °C

Ala, Ser, Val und H 2N CH 2 CH 2 OH

Abb. 37.17. Endgruppenbestimmungen am Beispiel eines Tetrapeptids

C-terminale (Carboxy-ständige) Aminosäuren lassen sich dagegen durch Spaltung der Peptidbindungen mit wasserfreiem Hydrazin bestimmen. Diese Hydrazinolyse wandelt mit Ausnahme der C-terminalen alle Aminosäuren in Aminosäurehydrazide um (Abb. 37.17). Eine weitere Möglichkeit zur Bestimmung des C-Terminus besteht in der Methylierung des Peptids mit Diazomethan zum Peptidmethylester. Die Reduktion des Peptidmethylesters mit Lithiumborhydrid führt zum Cterminalen Aminoalkohol. Durch vergleichende Aminosäuren-Analysen von Totalhydrolysaten vor und nach der Reduktion kann dieser identifiziert werden.

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810

37.5.4

37 Peptide und Proteine

Schrittweiser Abbau nach EDMAN

Zur schnellen Peptid- und Protein-Sequenzierung ("Proteomics") werden chromatographische Trennverfahren (Gelelektrophorese, HPLC) in Kombination mit massenspektrometrischen Methoden eingesetzt [HPLC-Tandem-Electrospray-MS, matrixunterstützte Laserdesorptions-FlugzeitMassenspektrometrie (MALDI-TOF-MS) sowie HPLC-Ionencyclotron-Resonanz-MS]. Diese Methoden verdrängen die chemische Sequenzierung der Proteine in vollautomatischen Sequenatoren nach dem von EDMAN 1950 entwickelten, schrittweisen, N-terminalen Abbau. Beim EDMAN-Abbau wird das auf einer Glasmatrix fixierte Peptid zunächst mit Phenylisothiocyanat in das Phenylthiocarbamoylpeptid übergeführt. Die so modifizierte N-terminale Aminosäure spaltet durch Reaktion mit Trifluoressigsäure unter Cyclisierung ab. Das primär gebildete, instabile 2-Anilinothiazolin-5-on hydrolysiert in Trifluoressigsäure zur Phenylthiocarbamoylaminosäure, die zum 5-substituierten 3-Phenyl-2-thiohydantoin cyclisiert. Dieses von der Nterminalen Aminosäure abstammende Thiohydantoin wird extrahiert und chromatographisch identifiziert. Die nun um eine Aminosäure kürzere Peptidkette wird im nächsten Schritt des Abbaus erneut mit Phenylisothiocyanat umgesetzt. R2

H R1 R1

R2 Base

N

C S + H2N

CH

C

NH

CH

O

C

N

H

N N

Phenylisothiocyanat

CH

C O

O C

O

C

CH S

Phenylthiocarbamoylpeptid H (Phenylaminothiocarbonylpeptid)

Peptid-Spaltung

CF3CO2H

R1

N

H

S

S NH

R1 O 3-Phenyl-2-thiohydantoin aus der N-terminalen Aminosäure

/ H2O

C

N

R1

N C H O HO Phenylthiocarbamoylaminosäure

- H2O (H3O+)

R2 O

N S N

-"""""" H3N

CH

C

O verkürzte Peptid-Kette

H 2-Anilinothiazolin-5-on

37.6 Modifizierung von Seitenkettenfunktionen Um die Bedeutung einzelner Aminosäuren in der Sequenz eines Peptidhormons oder Enzyms bezüglich seiner Wirkung erkennen zu können, werden gentechnologisch Aminosäuren ausgetauscht oder trifunktionelle Aminosäuren chemisch modifiziert (Tab. 37.5). Bei der chemischen Modifikation versucht man, selektiv die Amino-Gruppe der Lysin-Seitenkette zu acylieren, Tyrosin zu nitrieren oder mit Diazonium-Salzen einer Azo-Kupplung zu unterziehen. Seitenkettenfunktionen können so in positiv oder negativ geladene, in neutrale oder lipophile Gruppen übergeführt werden. Danach mißt man die dadurch ausgelösten Veränderungen der Wirksamkeit.

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37.6

Modifizierung von Seitenkettenfunktionen

811

Tab. 37.5. Modifizierung von Aminosäure-Seitenketten in Proteinen (Auswahl) Aminosäure-Seitenketten-Funktion

Reagenz

modifizierte Aminosäure

NH2 Cl

Ly s :

(CH2) 4

NH 2

H5C 2

O

C

/ C2H 5OH , / HCl

R' Imidoester

O

pH > 9.5""."/ CH 3OH

C

O S

C

NH2 (CH 2) 4

NH

C

NH2 Guanidino-Gruppe

NH2 O-Methylisoharnstoff H5C 2

NH

R' Amidino-Gruppe

NH2 H3 C

NH (CH 2) 4

pH = 10 , / C 2H 5SH

C

O (CH 2) 4

NH

C

CF3 Trifluoracetyl-Derivat

CF3 Ethanthioltrifluoracetat

O

O

/

H

+ OH , / H2O

O

(CH 2) 4

NH

C H

H

O2C

O

H N-Maleinyl-Derivat

Maleinsäureanhydrid H O C

NH2

Arg :

(CH 2) 3

NH

1 m Na OH , / 2 H2O

NO2

C

C

N

H Nitromalondialdehyd (Anion) CH 2

His :

CH 2

(CH2) 2

CO2H

H2 N

CO2H

CH 2

5-Nitropyrimidinyl-Derivat EDC * , / 2 H 2O

CONH 2

Glycinamid

(CH 2) 1,2

CH2

CH2

CONH2

N

pH = 5 - 6 , / HI I

CO NH

Glycinamidpeptid

N NH

NO2

NH

O C

NH2

Asp : Glu :

N (CH 2) 4

CO2

CH 2

N

CH 2 CO2 3-Carboxymethyl-Derivat

Iodacetat

O

Met :

(CH2) 2

S CH 3

H 2O2

(CH 2) 2

O CH3 und

S

S-Oxid

I

Cy s :

CH 2

pH > 4

CH2 CONH2 Iodacetamid NH

pH = 8

Na2SO3

CH3 (CH 2) 2

S

CH 2

S

CH 2

O pH = 7

C 2H5

H O N-Ethylmaleinimid

S S

CH2

CONH 2

CH2

NH2

CH 2 S SO3 S-Sulfonat

O H

O2N

CH 3

S,S-Dioxid O

S-2-Aminoethyl-Derivat

Ethylenimin

N

S

Sulfonium-Salz pH = 8 - 9

SH

(CH2 ) 2

CH 2

N

S

C2 H5

O S-(1-Ethyl-3-succinyl)-Derivat

NO2

O2C CO2 Bis-(3-carboxy-4-nitrophenyl)-disulfan [3,3´-Dithiobis(6-nitrobenzoesäure), DTNB] ELLMAN-Reagenz

pH = 8 / Thiophenolat

CH 2

S

S

NO2

CO2 S-(3-Carboxy-4-nitrophenylthio)-Derivat

* EDC : wasserlösliches 3-(3-Dimethylaminopropyl)-1-ethylcarbodiimid [ H5C2/N=C=N/(CH2)3/N*CH3)2 ] zur Knüpfung der Peptid-Bindung

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812

37 Peptide und Proteine

Bei Proteinen gelingt eine Unterscheidung der Aminosäure-Reste an der Oberfläche von solchen, die im Proteininnern verborgen sind. Dazu läßt man vor der Sequenzierung gruppenspezifische Reagenzien zur Markierung (engl. label) einwirken, die zu hydrolysestabilen Derivaten führen. Bei der Sequenzierung werden dann die leicht zugänglichen Aminosäuren markiert erscheinen. Von Bedeutung sind auch Markierungsreagenzien, die stabile Radikale für Elektronenspinresonanz-Experimente oder fluoreszierende Gruppen zu Fluoreszenzmessungen einführen. Schließlich können "Affinitätslabel" eingebaut werden, die aufgrund spezifischer Wechselwirkungen, z. B. mit bestimmten Chromatographiematerialien, selektivere Trennungen ermöglichen. Die SH-spezifischen Reagenzien N-Ethylmaleimid und 3,3'-Dithiobis-(6-nitrobenzoat) (Tab. 37.5) eignen sich zur quantitativen spektrophotometrischen Thiol-Titration von Cystein-Seitenketten. In der modernen Proteinchemie können wichtige Informationen durch chemische Modifikation in Verbindung mit instrumentellen Methoden u. a. über substratspezifische Bereiche, Konformationsänderungen, sowie Energieübertragungen durch Photonen erhalten werden.

37.7 Ausgewählte Peptidwirkstoffe 37.7.1

Peptidhormone

Hormone sind hochaktive Regulatoren von Zellvorgängen, die aus endokrinen Drüsen (glanduläre Hormone, Drüsenhormone), von anderen Organen und aus Gewebeflüssigkeiten (Gewebshormone) abgegeben werden. Durch den Blutkreislauf werden sie ihrem Wirkort (Targetzelle) zugeführt. Dort lösen sie durch hochspezifische Wechselwirkungen mit Rezeptoren eine Veränderung der Permeabilität der Zellmembran aus oder können Enzymaktivitäten, z. B. eine Proteinphosphorylierung bewirken (Signaltransduktion). An der Zielzelle kann u. a. durch Hormon-RezeptorWechselwirkung das membrangebundene Adenylatcyclase-System aktiviert werden. Die Cyclisierung des AMP (Abschn. 40.1) löst im Inneren der Zelle den Hormoneffekt, z. B. eine sekretorische Aktivität, aus. Hormone werden anschließend rasch abgebaut, ausgeschieden bzw. inaktiviert. Peptid- und Proteinhormone bilden sich im Hypothalamus, in der Hypophyse, Nebenschilddrüse, Schilddrüse, Placenta und dem Pankreas (Tab. 37.6). Oligo- und Polypeptidhormone mit bis zu 40 Aminosäuren werden durch chemische Peptidsynthesen aufgebaut und in ihrer Struktur abgewandelt. Zahlreiche Peptidhormone sind industriell für Anwendungen in der Human- und Tiermedizin synthetisch oder biotechnologisch zugänglich. Adrenocorticotropes Hormon (ACTH) Durch Synthesen und Struktur-Aktivitätsuntersuchungen an einer großen Anzahl von ACTHAnaloga ist bekannt, daß mindestens ein N-terminales Tridecapeptidamid-Fragment vorhanden sein muß, um noch ACTH-Aktivität auszulösen. Synthetische Präparate der Sequenz 1 - 24 sind im Handel. 1

10

20

Ser/Tyr/Ser/Met/Glu/His/Phe/Arg/Trp/ Gly/Lys/Pro/Val/Gly/Lys/Lys/Arg/Arg/Pro/ Val/Lys/Val/Tyr/ Pro/Asn/Gly/Ala/Glu/Asp/Glu/Ser/Ala/Glu/Ala/Phe/Pro/Leu/Glu/Phe (ACTH)

Als essentiell gelten der Bereich 7 - 10 und der stark basische Abschnitt 15 - 18, da ein Aminosäure-Austausch hier zu erheblichen Aktivitätsverlusten führt. Aktivitätssteigerungen sind andererseits möglich, z. B. durch N-terminalen Einbau enzymatisch schwer abbaubarer Aminosäuren wie D-Serin, D-Alanin, d-Alanin oder 2-Methylalanin in Position 1.

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37.7

Ausgewählte Peptidwirkstoffe

813

Tab. 37.6. Ausgewählte Peptid- und Proteohormone Bezeichnung

Bildungsort

Wirkort : Wirkung

Charakterisierung

Follikelstimulierendes Hormon (FSH)

HypophysenVorderlappen

Ovar : Follikelwachstum Hoden : Spermatogenese

Glycoprotein mit zwei Untereinheiten

Prolactin Luteotropes Hormon (LTH)

Hypophyse

Milchdrüse : Wachstum und Milchsekretion

Protein mit 198 Aminosäuren

Somatotropin, Somatotropes Hormon (STH, Growth hormone)

HypophysenVorderlappen

Wachstum, Stimulation des zellulären Stoffwechsels, Nucleinsäure- und Protein-Biosynthese

Protein mit 191 Aminosäuren und zwei S-S-Brücken

Adrenocorticotropin (ACTH)

HypophysenVorderlappen

Nebenniere : Wachstum Glucocorticoid-Bildung

lineares Peptid mit 35 Aminosäuren

Oxytocin

HypophysenHinterlappen

Uterus und Milchdrüsen : Kontraktion

Nonapeptid mit Disulfid-Brücke

Vasopressin

HypophysenHinterlappen

Niere : antidiuretisch, blutdrucksteigernd

Nonapeptid mit Disulfid-Brücke

Releasing-Faktoren (RF) Hypothalamus FRF = FSH-RF; CRF = ACTH-RF u. a. Nervenzellen

Hypophysen-Vorderlappen : Ausschüttung von FSH, ACTH

Oligopeptide

Releasing-Inhibiting-Faktoren (RIF, z. B. PIF = LTH-RIF)

Hypothalamus

Hypothalamus : Hemmung der LTH-Ausschüttung

Peptid

Insulin

Pankreas als Preproinsulin

Leber, Fettgewebe, Muskel : Senkung des Blutzuckerspiegels

zwei durch S-S-Brücken verknüpfte Ketten A mit 21 und B mit 30 Aminosäuren

Glucagon

Pankreas

Blutzuckerspiegel : Mobilisierung Adenylatcyclase-Aktivierung

lineares Peptid mit 29 Aminosäuren

Parathormon

Nebenschilddrüse

Osteoklasten : BlutCalciumspiegel

lineares Peptid mit 84 Aminosäuren

Oxytocin Das Nonapeptidhormon Oxytocin (Strukturaufklärung und Synthese als erstes Peptidhormon von V. DU VIGNEAUD, 1953) stimuliert die Kontraktion der glatten Muskulatur der Gebärmutter und wird bei der Geburtshilfe eingesetzt. Oxytocin besitzt eine essentielle 20-gliedrige cyclische Struktur mit einer intrachenaren (in der Kette befindlichen) Cystin-Disulfidbrücke. S

S

H / Cy s / Ty r / Ile / Gln / Asn / Cy s / Pro / Leu / Gly / NH2

Hypothalamische Releasing Faktoren Die Releasing Faktoren (auch Releasing Hormone) sind vom Hypothalamus abgegebene Kontrollsubstanzen, welche die Sekretion von Hormonen der Adenohypophyse steuern. Um 1 mg Thyreoliberin (Thyreotropin Releasing Faktor, TRF oder TRH) zur Strukturaufklärung zu erhalten, mußten 270.000 Hypothalami vom Schaf aufgearbeitet werden (SCHALY, GUILLEMIN, 1969). H

O

N

N TRF

H

O

O

O N CH2

NH2 LH - RH

1Pyroglu

/ His / Trp / Ser / 5Tyr / Gly / Leu / Arg /"Pro"/ 10Gly / NH2

NH N

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814

37 Peptide und Proteine

TRF ist Pyroglutamyl-histidyl-prolinamid (Pyroglu/His/Pro/NH2). Der Luteinisierungs-HormonReleasing-Faktor (= LH/RH, Gonadoliberin) ist ein Decapeptidamid mit TRF-gleichem NTerminus. Insulin Unter den Hormonen des Pankreas kommt dem Insulin (Struktur von SANGER, 1955) größte Bedeutung zu, da viele Stoffwechselvorgänge (Kohlenhydrate, Fette, Proteine) insulinabhängig sind, und Patienten mit schwerer Diabetes Insulin zugeführt werden muß. Schematisch läßt sich die Insulin-Struktur (Abb. 37.18) anhand der beiden Peptidketten (A-Kette mit 21 und B-Kette mit 30 Aminosäuren) mit den Cystin-Disulfidbrücken skizzieren. 1

S

S

21

A -Kette H2N

B -Kette

1

1

H2N

S

S

S

S

SH

CO2H

Oxidation

SSO3

21

CO2H

Reduktion 30

SH

H2N

CO2H

1

H2N

SH

SH

SH

SH

Na2 SO3 30

CO2H

getrennte Ketten (Thiol-Form)

SSO3 CO2H

H2N Oxidation H2N

SSO3

SSO3

SSO3

SSO3 CO2H

getrennte Ketten (S-Sulfonat-Form)

Abb. 37.18. Primärstruktur von menschlichem Präproinsulin (Sequenz –24 bis 86) und enzymatische Spaltstellen: Signalpeptid (Sequenz –24 bis –1), Proinsulin (Sequenz 1 bis 86 mit C-Peptid 31 bis 65) sowie Insulin (A-Kette 1 bis 21 bzw. 66 bis 86 und B-Kette 1 bis 30)

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37.7

Ausgewählte Peptidwirkstoffe

815

Nach Reduktion der Cystin-Reste zum Cystein (Thiol-SH) oder S-Sulfonat (/S/SO3/), Trennung der A- und B-Ketten und Resynthese durch nachfolgende Oxidation kann Insulin in geringer Ausbeute (10 %) zurückerhalten werden. Die Insulin-Biosynthese aus dem Präproinsulin (110 Aminosäure-Reste) verläuft nach Abspaltung des Signalpeptids (/24 bis /1, Abb. 37.18) über den einkettigen Insulin-Vorläufer Proinsulin (STEINER, 1968) mit 86 Aminosäuren. Aus Proinsulin wird ein die spätere A- und B-Kette verbindendes Fragment, das C-Peptid (C steht für connecting) mit 35 Aminosäuren, enzymatisch herausgeschnitten. Mehrere chemische Insulin-Synthesen (erste Totalsynthese: ZAHN et al., 1963) sowie die biotechnologische Produktion im Tonnenmaßstab durch genetisch veränderte Mikroorganismen dokumentieren die Bedeutung dieses Peptidwirkstoffs. Gastrin Hormone, die den Verdauungsapparat steuern, werden im Magen-Darm-Trakt (gastrointestinale Hormone, Gewebshormone) und in den Schleimhäuten gebildet. Eines der wichtigsten ist Gastrin: Gastrin

1Pyroglu

/ Gly / Pro / Trp / Leu / (Glu)5 / 11Ala / Tyr / Gly / Trp / Met / Asp / 17Phe / NH2

Bereits das C-terminale Tetrapeptidamid entfaltet die physiologische Wirkung des Gastrins, d. h. eine Verstärkung der Magensäureproduktion, starke Enzymsekretion im Pankreas und Erhöhung der Magenmotilität. Aus der Schleimhaut des Zwölffingerdarms läßt sich Secretin, ein dem Glucagon sehr ähnliches Peptid isolieren, das die Produktion eines HCO3/"-haltigen Pankreassekrets und des Gallenflusses stimuliert. Bradykinin Im Gegensatz zu Angiotensin II sorgen die Bradykinine u. a. für Blutdrucksenkung. Auch diese Wirkstoffe werden, wie offensichtlich die meisten niedermolekularen Peptidhormone, aus inaktiven Proteinvorstufen (Prohormonen) freigesetzt. Bradykinin

H /1Arg / Pro / Pro / Gly /5Phe / Ser / Pro / Phe / 9Arg / OH

Angiotensine Aus einem Protein des Blutplasmas (Angiotensinogen in der c-Globulin-Fraktion) wird durch das Enzym Renin ein biologisch inaktiver Decapeptidhormon-Precursor, das Angiotensin I, abgespalten. Angiotensin wird durch enzymatische Abspaltung des Dipeptids His-Leu in das stark blutdrucksteigernde Angiotensin II umgewandelt. H /1Asp / Arg / Val / Ty r / Ile / His / Pro / Phe / His /10Leu / Leu /"Val /"Ty r"/"Ser . . . Angiotensinogen

Renin

H /1Asp / Arg / Val / Ty r / Ile / His / Pro / Phe / His /10Leu / OH Angiotensin I

Angiotensin converting enzyme (ACE)

H /1Asp / Arg / Val / Ty r / Ile / His / Pro /8Phe / OH Angiotensin II Angiotensinase inaktive Fragmente

Inhibitoren dieses "Angiotensin Converting" Enzyms (ACE-Inhibitoren) sind als Blutdrucksenker im Handel. Das Hormon Angiotensin II wird andererseits zur Blutdruckregulation bei postoperati-

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816

37 Peptide und Proteine

vem Kreislaufkollaps angewandt. Ein spezifisch Angiotensin II abbauendes Enzym (Angiotensinase) hydrolysiert zu inaktivem Material. Peptidanaloge Renin-Inhibitoren werden als HerzKreislauf-Therapeutika (Blutdrucksenker) entwickelt.

37.7.2

Peptidantibiotika

Mikroorganismen produzieren nicht ribosomal mit Hilfe großer Multienzymkomplexe antibiotisch wirksame Oligo- und Polypeptide mit oft ungewöhnlichen Aminosäure-Resten. Häufig besitzen diese Peptidantibiotika cyclische Strukturen und D-Aminosäuren; daher können sie nicht enzymatisch abgebaut werden. Viele enthalten auch nichtpeptidische Komponenten wie Hydroxycarbonsäuren, Fettsäuren, Zucker, Heterocyclen, phosphorhaltige Gruppen. Aufgrund der nichtribosomalen und somit weniger streng kontrollierten Biosynthese tritt häufig ein AminosäureAustausch auf, so daß vom gleichen Stamm eines Bakteriums oder Pilzes meist eine Reihe eng verwandter Analoga produziert werden. Penicilline und Cephalosporine aus Kulturen verschiedener Pilze sowie synthetische Analoga dieser d-Lactame gehören zu den wichtigsten therapeutisch eingesetzten Antibiotika. H H

H H S

R CO NH N O

CH 3 CH 3

Penicilline

Cephalosporine

R1 CO NH

S

N

R2

O

CO2H

CO2H

Die Farbe der etwa 30 als Actinomycine bezeichneten Chromopeptide aus Strahlenpilzen (Actinomyceten) prägt eine Phenoxazon-Dicarbonsäure, das rote Actinocin. Es z. B. im Actinomycin D mit zwei identischen Pentapeptidlactonen verknüpft, die N-Methylaminosäuren (Sarkosin und NMethylvalin) enthalten. Actinomycine wirken antibakteriell und cytostatisch; sie hemmen durch Einschub (Intercalation) in die DNA die (DNA-abhängige) RNA-Synthese. Sar MeVal Actinomycin D Sar = Sarkosin (N-Methylglycin) MeVal = N-Methylvalin

O

Pro

Pro D-Val

D-Val Thr HN

MeVal

Thr

C

O

O

C

O

NH

NH2

N O H 3C

Sar

O CH 3

Beispiele für lineare Polypeptidantibiotika sind Gramicidin A (aus Bacillus brevis) und Alamethicin (aus Trichoderma viride). Gramicidin A

Formyl-L-Val(L-Ile) / Gly / L-Ala / D-Leu /"L-Ala /"D-Val / L-Val / D-Val / L-Trp / D-Leu / L-Trp(L-Phe, L-Tyr) / D-Leu / L-Trp / D-Leu / L-Trp / Glycinol Alamethicin

Acetyl-Aib / L-Pro / Aib / L-Ala(Aib) /"Aib(L-Ala) /"L-Ala(Aib) / L-Gln / Aib / L-Val(Aib) / Aib / Gly /"L-Leu"/"Aib"/" L-Pro / L-Val / Aib(Val) / Aib(Val) / L-Glu(Gln) / L-Gln / Phenylalaninol ( Aib = c- Aminoisobuttersäure = 2-Methylalanin; eingeklammerte Aminosäuren kommen in natürlichen Analoga vor )

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37.7

Ausgewählte Peptidwirkstoffe

817

Beide Peptidantibiotika besitzen unterschiedliche helikale Konformationen und amphiphile Eigenschaften. Sie sind besonders wegen ihrer membranmodifizierenden Eigenschaften von Interesse, da sie in Lipid-Doppelschicht-Membranen spannungsabhängige, ionenleitende Strukturen in Form von K+-selektiven Kanälen (Gramicidin A) bzw. Poren variabler Größe (Alamethicin) ausbilden. Im Gegensatz dazu kann Valinomycin, ein cyclisches Peptidantibiotikum, hochselektiv KaliumKationen komplexieren und als Trägermolekül (Carrier) durch Lipidmembranen transportieren. Valinomycin ist ein aus L- und D-Valin, L-Milchsäure und D-c-Hydroxyvaleriansäure bestehendes Depsipeptid. Depsipeptide enthalten sowohl Peptid- als auch Esterbindungen und sind deshalb weniger hydrolysestabil als Peptide. Die Sauerstoff-Liganden des Valinomycins komplexieren Kalium-Ionen 50.000 mal stärker als Natrium-Ionen (Abb. 37.19). Valin

Milchsäure

CH3

CH3 H3C CH

Valin

CH3

H3C CH

c-Hydroxyisovaleriansäure

CH 3 H 3C CH

CH 3 H 3C CH

CH 3

HN CH CO O CH CO NH CH CO O CH CO NH CH CO Valinomycin

D

L

L

D

L

L

OC CH O OC CH HN OC CH O H3C CH CH3

H 3C CH CH 3

CH3

D D

OC CH HN H 3C CH CH 3

O

D

H 3C CH CH3

CO

L

D

OC CH

CH L

O

OC

CH

NH

H 3C CH CH 3

Abb. 37.19. Konformation des Kalium-Valinomycin-Komplexes (nach V.T. IVANOV, et al. (1969) Biochem. Biophys. Res. Commun. 34, 810).

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818

37 Peptide und Proteine

Gramicidin S aus Bacillus brevis ist ein Cyclodecapeptid-Antibiotikum, das keinerlei strukturelle Verwandtschaft mit Gramicidin A besitzt. Es setzt sich aus zwei identischen Pentapeptiden zusammen; vier intramolekulare Wasserstoffbrücken stabilisieren seine Konformation. Bei der enzymatischen Biosynthese des Gramicidin S erfolgt eine Cyclisierung aus den zwei identischen, antiparallel angeordneten Pentapeptiden, die bereits durch Wasserstoffbrücken konformativ fixiert sind. H

R

O

H

R

O

N H2 N CH

N

N

N O

H

R

CH O

H

R

CO 2H

frei beweglich

L-Val

biosynthetische Cyclisierung

R

L-Orn

L-Leu D-Phe

L-Pro

frei beweglich

R HO 2C CH

H

O

R

N

H

R

N

CH

O

N N

H

O

R

H

L- Pro

D-Phe L-Leu

NH 2

L-Val

Gramicidin-S

O

R

L-Orn

Das tricyclische Glycoheptapeptid Vancomycin aus dem Strahlenpilz Amycolatopsis orientalis mit fünf aromatischen Aminosäuren (A-E), L-Asparagin und N-Methyl-D-leucin sowie einem als Phenol-Glycosid verknüpften Disaccharid aus D-Glucose und Vancosamin wird als Notfall-Antibiotikum gegen Staphylokokken und weitere Gram-positive Bakterien eingesetzt, wenn andere Antibiotika wegen Resistenzentwicklung versagen. Vancomycin bindet reversibel an die Sequenz -Lys-D-Ala-D-Ala- des Peptidoglycans der Zellwand und stoppt infolgedessen das Wachstum der Bakterien. O

Zucker

O D

H

H CO2

N

B

37.7.3

OH OH

O O

O

H N

N O

A HO

O

N

N

HO HO HO

E

Cl H

O O

D-Glucose

O

C

HO

Zucker =

Cl

H O

N O

CH3 N H H

H

Vancosamin

H3C

HO

CH3 O NH2

NH2

Vancomycin

Peptidtoxine

Manche Schlangen, Unken, Skorpione und Insekten, ferner Pilze und Pflanzen produzieren Giftstoffe mit Peptid-Struktur und letaler Wirkung im Bereich von wenigen mg / kg Körpergewicht. Bis auf das Knollenblätterpilzgift sind sie oral unwirksam, da sie rasch hydrolysiert werden. Die aus Schlangengift isolierbaren Toxine sind Proteine mit neurotoxischer (Lähmung, Krämpfe, Blockierung des Atemzentrums) und cardiotoxischer Wirksamkeit (Kreislauf). Die komplexen Protein-Gemische entfalten zusätzlich hämolytische und enzymatische Aktivität. Auffallend ist ein hoher Vernetzungsgrad der Proteinketten über Disulfidbrücken. Aus dem grünen Knollenblätterpilz wurden von TH. WIELAND strukturell nahe verwandte bicyclische Peptidtoxine isoliert: Phallotoxine und Amatoxine. Die Giftwirkungen, z. B. der Toxinkomponenten Phalloidin und c-Amanitin, beginnen mit der Zerstörung des endoplasmatischen Reticulums der Leber (LD50 : 0.5 - 2 mg / kg Maus). Besonders interessant ist der ebenfalls im

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37.8

Proteine

819

grünen Knollenblätterpilz gefundene Peptidwirkstoff Antamanid. Dieses cyclische Decapeptid kann bei gleichzeitiger (!) Verabreichung die letale Wirkung von Phalloidin und c-Amanitin aufheben. Antamanid komplexiert auch Natrium-Ionen. CH 2OH CH 3 HC

CO

NH

CO

NH

CH 2

NH

HO

CH

CO

S

CH

CH2

N H

CH 2OH

HO CH

CH 2 C CH 3

H3C CH

CH

OH

HC

CO

NH

NH

CO

CH CH 3 HO

N OC CH HN OC CH HN OC

CO

NH

CH

CO

NH

H2C

NH CH 3 CH CH C 2H5

NH O S

CH N

CO

CH 2

NH

HO CH OC CH HN OC CH HN

CH 3

CH 2

OH CO

OC CH2

CH 2 Phalloidin

CONH 2

c-Amanitin

L-Pro /" L-Phe / L-Phe / L-Val / L-Pro L-Pro /" L-Phe / L-Phe / L-Ala / L-Pro Antamanid

Aus dem Bienengift sind neben Enzymen wie Hyaluronidase und Phospholipase B mehrere toxische Peptide isolierbar, darunter Melittin, ein helikales, amphiphiles und hämolytisch wirkendes Hexacosapeptid, Apamin, ein neurotoxisch wirkendes Octadecapeptid mit zwei Disulfid-Brücken sowie das Mastzellen degranulierende Peptid (MCD-Peptid). Melittin H / Gly / Ile / Gly / Ala / Val / Leu / Ly s / Val / Leu / Thr / Thr / Gly / Leu / Pro / Ala / Leu / Ile / Ser / Trp / Ile / Ly s / Arg / Ly s / Arg / Gln / Gln / NH 2 Apamin

S

S

H / Cy s / Asn / Cy s / Ly s / Ala / Pro / Glu / Thr / Ala / Leu / Cy s / Ala / Arg / Arg / Cy s / Gln / Gln / His / NH2 S MCD-Peptid

S

S

S

H / Ile / Ly s / Cy s / Asn / Cy s / Ly s / Arg / His / Val / Ile / Ly s / Pro / His / Ile / Cy s / Arg / Ly s / Ile / Cy s / Gly / Ly s / Asn / NH2 S S

37.8 Proteine 37.8.1

Klassifizierung von Proteinen

Die herkömmliche Klassifizierung der Proteine anhand ihrer Löslichkeit und aufgrund ihrer zusätzlichen Strukturkomponenten hat sich bewährt, da sich die meisten Proteine damit einordnen und grob charakterisieren lassen (Tab. 37.7). Diese Klassifizierung sagt allerdings wenig über die biologische Funktion aus. Eine weiterführende Klassifizierung müßte Strukturmerkmale wie Mo-

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820

37 Peptide und Proteine

lekülmasse, Aminosäuren-Zusammensetzung, Sekundärstruktur unter Einbeziehung der Funktion berücksichtigen (Gerüstproteine, Membranproteine, Enzyme, Antikörper, Hormone, Rezeptoren). Enzyme werden nach den sechs Reaktionstypen, die sie katalysieren, klassifiziert (Tab. 37.8). Die Funktion eines Enzyms läßt sich aus seinem systematischen dreiteiligen Namen ablesen. Dieser enthält im ersten Teil die Substratbezeichnung, im zweiten Teil das Cosubstrat oder die neue Verbindung und im dritten Teil die katalysierte Reaktion. So ist z. B. Lysozym eine N-Acetylmuramid : Glucano-Hydrolase (Abschn. 37.8.2), und eine Exopeptidase wäre eine Peptid : AminosäureHydrolase. Tab. 37.7. Einteilung der Proteine Nichtkonjugierte Proteine : enthalten nur Aminosäuren werden klassifiziert nach Löslichkeit

Konjugierte Proteine (Konjugate) : enthalten außer der Peptidkette z. B. Lipid, Kohlenhydrat , Heterocyclus

Albumine : wasserlöslich Globuline : löslich in verd. Salzlösung Prolamine : unlöslich in Wasser, löslich in 50 % Ethanol Gluteline : nur in Säuren und Basen löslich Scleroproteine : unlöslich Protamine : reagieren basisch (enthalten viel Arg) Histone : reagieren basisch

Nucleoproteine : Komplexe aus Nucleinsäuren und Protamine oder Histonen Lipoproteine : enthalten kovalent gebundene Lipide Glycoproteine : enthalten Kohlenhydrate Chromoproteine : enthalten Chromophore Metalloproteine : enthalten komplexierte Übergangsmetall-Kationen

Tab. 37.8. Enzyme und durch diese katalysierte Reaktionen Enzym

Katalysierte Reaktion

Oxidoreduktasen (Oxidasen, Reduktasen, Dehydrogenasen) Transferasen

Redox-Reaktionen mit Coenzymen

Hydrolasen Lyasen Isomerasen Ligasen (Synthetasen)

37.8.2

Gruppenübertragung von Donor auf Akzeptor, z. B. Transaminierung (Transaminasen), Transphosphorylierung (Kinasen) Hydrolyse von Estern ( Esterasen), Peptiden (Peptidasen), Proteinen (Proteasen), Glycosiden (Glycosidasen) Addition an Doppelbindungen und Eliminierungen (Decarboxylasen, Dehydratasen) Intramolekulare Umlagerungen (Racemasen, Epimerasen) Bildung von CO- , CN- , CC-Bindungen durch Kondensation unter Mitwirkung des Energielieferanten ATP

Struktur der Proteine Myoglobin und Lysozym

Die RÖNTGEN-Strukturanalysen der Proteine Myoglobin, Hämoglobin, Cytochrom C sowie der Enzyme Lysozym, Ribonuclease A und S, c-Chymotrypsin, Papain und Carboxypeptidase A lieferten Aussagen zur Erklärung der Funktion dieser Proteine bzw. der katalytischen Wirkung der Enzyme. Pottwal-Myoglobin mit 153 Aminosäuren war das erste Protein, dessen Struktur bestimmt wurde (KENDREW und PERUTZ, 1959). Es hat die Funktion eines Sauerstoff-Speicherproteins im Muskel und benützt dazu eine Häm-Gruppe. "Häm" ist eine prosthetische Gruppe (nichtpeptidische Strukturkomponente), die Sauerstoff unter Mitwirkung des Peptidteils reversibel binden kann (Abb. 37.20). Myoglobin hat die kastenförmigen Dimensionen 4.4 x 4.4 x 2.5 nm; seine Sekundärstruktur liegt zu über 70 % in Form von acht c-Helices vor (A bis H in Abb. 37.20). Strukturmerkmale des Myoglobins charakterisieren auch andere globuläre Proteine:

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37.8

̈ ̈ ̈" ̈"

Proteine

821

Polare Seitenketten der Aminosäuren befinden sich auf der Oberfläche. Nichtpolare Seitenketten sind im Innern des Proteins und nicht dem Wasser ausgesetzt. Es ist ein sehr kompaktes Molekül mit sehr wenig Wassermolekülen im Innern. Prolin-Reste und andere nicht helikogene (helixbildende) Aminosäuren kommen überwiegend an Knickstellen (d-Turns oder d-Bends) vor, welche die c-Helices und d-Faltblätter unterbrechen.

Die Faltung der Peptidketten im Raum (Myoglobin, Abb. 37.20) führt zur Tertiärstruktur des Proteins. Manche Proteine wie Hämoglobin, der Sauerstoff-Träger in den roten Blutkörperchen, bestehen zudem aus Untereinheiten. Diese Aggregate aus Oligomeren / beim Hämoglobin ist es ein Tetramer / bezeichnet man als Quartärstruktur eines Proteins (Abb. 37.21).

Abb. 37.20. Die Faltung der Peptidkette des Myoglobins, nach DICKERSON und GEIS

Sowohl beim Myoglobin als auch beim Hämoglobin haben die Peptidketten die Funktion, optimale Voraussetzungen für die sauerstoffbindende Funktion der Proteine zu schaffen. Die hydrophobe

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822

37 Peptide und Proteine

Tasche, in der die Häm-Gruppe sitzt, erlaubt reversible Oxygenierungen des Häms, ohne daß dieses wie in wäßriger Umgebung sofort zum Hämin oxidiert. Zwei hydrophile Histidin-Liganden koordinieren hierzu das Eisen(II) der Häm-Gruppe.

Abb. 37.21. Illustration der Begriffe Primär-, Sekundär-, Tertiär- und Quartärstruktur des Proteins Hämoglobin, nach DICKERSON und GEIS

Wechselwirkungen, welche die Konformation und Tertiärstruktur von Proteinen prägen, sind bereits in der Primärstruktur (und damit im genetischen Code auf DNA-Ebene, Genom) festgeschrieben und führen zu einer funktionsgerechten Anordnung der Ketten. Wasserstoffbrückenbindungen stabilisieren die Konformation (vgl. c- und d-Konformation, Abb. 37.5 und 37.8). Wasserstoffbrücken bilden sich aber auch zwischen polaren Seitengruppen aus.

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37.8

Proteine

823

Sie sind besonders stabil, wenn sie sich in nicht-wäßriger Umgebung im Innern des Proteins befinden. VAN DER WAALS-Kräfte zwischen nicht kovalent miteinander verbundenen Atomen verursachen im Innern von Proteinen starke Wechselwirkungen zwischen apolaren Seitengruppen im Abstand von etwa 0.3 nm. Elektrostatische Wechselwirkungen zwischen geladenen Gruppen besitzen große Reichweiten. Die ionischen Carboxylat-, Ammonium- und Guanidinium-Gruppen liegen selten im hydrophoben Innern eines Proteins, sondern in dessen hydrophiler Hülle. Die Disulfid-Brücken des Cystins werden oft als kovalente Verknüpfung der Proteinketten gefunden. Diese zusätzliche Stabilisierung des Proteingerüsts wird aber offensichtlich nicht bei Myoglobin, sondern nur bei den extrazellulären Plasmaproteinen oder Enzymen des Magen- und Darmtraktes benötigt. Ihr Einfluß auf die Konformation ist gering. Von großer Bedeutung für die Ausbildung von Proteinkonformationen ist die Wechselwirkung des Proteins mit dem umgebenden Wasser. Auch Proteinkristalle enthalten oft bis zu 30 % Wasser. Somit muß eine relativ starke Hydrathülle um die hydrophilen Gruppen vorhanden sein, die ihrerseits wieder hydrophobe Gruppen zusammendrängt. Als treibende Kraft dieser Wasser/Protein-Wechselwirkungen wird die Zunahme der freien Energie angesehen, die beim Übertritt einer apolaren Seitenkette aus dem Wasser in das Proteininnere auftritt ("hydrophober Kollaps"). Dabei werden ca. 20 kJ/mol überwiegend als Entropiezunahme frei. Insgesamt wird bei einer globulären Auffaltung von Peptidketten deren Oberfläche erheblich kleiner. Damit vermindert sich der Ordnungsgrad des Solvens; vorher geordnete (Nahordnung durch fixierte Cluster) und solvatisierende Wassermoleküle werden von der Peptidkette abgedrängt. Vergleicht man Myoglobin mit Enzymen, so fällt deren geringerer c-Helix- (< 30 %) und größerer d-Konformationsanteil auf. Ferner besitzen Enzyme eine Furche oder Vertiefung, in welche Substratmoleküle wie maßgeschneidert hineinpassen. Die Funktion der Enzyme beruht somit auf der Überführung des Substrats in eine relativ unpolare Umgebung, in der sehr spezifische Reaktionen über wenige funktionelle Gruppen ermöglicht werden. Dabei bildet sich intermediär ein EnzymSubstrat-Komplex. Enzym-Substrat-Komplex

Enzym + Substrat

Enzym + Produkt

Die räumliche Anordnung des Substrats in der Furche des Enzyms ("aktive Seite") konnte in vielen Fällen aufgeklärt werden. Substratanaloge Verbindungen (Inhibitoren), die sich mit relativ hoher Bindungskonstante an die aktive Seite anlagern, erlaubten die Darstellung kristalliner Inhibitor-Enzymkomplexe, deren RÖNTGEN-Strukturen untersucht wurden. Abb. 37.22 zeigt als Beispiel die Wirkungsweise des Polysaccharide spaltenden Enzyms Lysozym anhand des Enzym-Substrat-Komplexes. Man erkennt deutlich die Furche zur Aufnahme des Substrates, ein Hexasaccharid aus den Bausteinen NAG (= N-Acetylglucosamin, Ringe A, C, E) und NAM (= N-Acetylmuraminsäure, Ringe B, D, F, Abb. 37.22). CH2 OH OH

O

OH HO HO

HO

CH 2OH O NH

NH

COCH3

N-Acetylglucosamin (NAG) (2-N-Acetylamino-2-deoxy- d-glucopyranose)

O2 C OH COCH 3

CH3 CH2 OH OH CH O O HO NH

COCH3

CH2 OH O

HO H3 C

CH

O

CO2

NH

OH COCH3

N-Acetylmuraminsäure (NAM) (3-O-D-Lactatether des NAG)

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824

37 Peptide und Proteine

Abb. 37.22. Bindung des Hexasaccharids im Enzym-Substrat-Komplex (Blick von oben auf das in der Einkerbung liegende Substrat), nach außen zeigende Zucker-Ringkanten sind fett, der Enzymspalte zugewandte dünner gezeichnet, nach DICKERSON und GEIS

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37.8

Proteine

825

Für die Bindung des Hexasaccharids und die katalytische Wirkung wesentlich sind die bezeichneten Seitenketten von Asp- und Trp-Resten. Die Art der Wechselwirkungen bei der Substratbindung beruht hier vorwiegend auf Wasserstoffbrücken (Abb. 37.22). Das Substrat wird "in die Zange genommen" und von dem kompakten Enzym zerlegt. Sowohl bei der Bindung des Substrats, der Reaktion und der Produktablösung treten partielle Konformationsänderungen der Peptidketten auf (Allosterie, "induced fit"). Pro Enzymmolekül und pro Minute können bis zu 106 Substratmoleküle umgesetzt werden (Beispiel: Katalase). Normalerweise liegt diese Wechselzahl (turnover number) jedoch bei 103 bis 104. Die enzymkatalysierte Polysaccharid-Hydrolyse zwischen Ring D und E (Abb. 37.23) wird durch die Protonierung des Brückensauerstoff-Atoms durch das Proton und Glu35-i-COOH induziert (a). Die protonierte und damit geschwächte CO-Bindung öffnet sich unter Bildung des Kations an Ring D (Halbsessel-Konformer), das durch die benachbarte Asp52-Carboxylat-Gruppe stabilisiert wird (b). Eine besondere Fixierung des Substrats erniedrigt die Aktivierungsenergie für diesen Schritt. Das Proton von Glu35-i-COOH wird durch ein Wasserproton ersetzt, und das HydroxidAnion greift das Kation an (c). Das u. a. auch im Nasenschleim vorkommende Lysozym kann durch diese Katalyse die Auflösung (Lyse) der Mucopolysaccharid-Strukturen in der Zellwand von Bakterien bewirken. 52Asp

52Asp

O C

HO O

52Asp

O C

O

HO O

O C

O

D

D H

O

D O

O

O

O

H

H

H

HO O

H O

E

O H

OH

35Glu

O

H

OH H O

O

E

OH

35Glu

O

O

E

O

O

a

b

35Glu

OH O

c

Abb. 37.23. Reaktionsfolge bei der Spaltung der Polysaccharid-Bindung durch Lysozym

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826

38 Alkaloide

38 Alkaloide 38.1 Herkunft und Gewinnung der Alkaloide Als Alkaloide werden knapp 10000 stickstoffhaltige Verbindungen pflanzlicher, seltener tierischer Herkunft bezeichnet, die häufig alkalisch reagieren, bereits in kleinen Dosen pharmakologisch vielseitig wirksam sind und u. a. als Rausch-, Betäubungs- und Genußmittel Anwendung finden. Der Begriff "Alkaloide" steht für alkaliähnlich (von arabisch kalaja = brennen und griechisch gkfqu""= aussehen). Dennoch reagieren keineswegs alle Alkaloide alkalisch, und nicht alle stickstoffhaltigen, teilweise basischen Naturstoffe, z. B. Nucleotide, Purine, Pyrimidine, Aminosäuren, Peptide, Aminozucker sowie Antibiotika, gehören zu dieser Naturstoffklasse. Spezielle Peptide (Peptidalkaloide), einige Polyamine und mehrere Phenylethylamin-Derivate werden aufgrund ihrer berauschenden bis betäubenden Wirkung den Alkaloiden zugeordnet. Jedoch enthalten nicht alle Rausch- und Betäubungsmittel Stickstoff; Ethanol (Abschn. 15.4.2) und die Tetrahydrocannabinole (Abschn. 42.2.3) sind Beispiele. Die meisten Alkaloide enthalten einen Heterocyclus als Grundskelett. Man spricht von heterocyclischen Alkaloiden und unterteilt sie nach ihren Stammheterocyclen. Eine kleinere Gruppe bilden acyclische Amine, zu denen z. B. die Phenylethylamine gehören. Weitere durch ihr KohlenstoffGerüst ausgewiesene Klassen sind die Polyamin-, Peptid-, Diterpen- und Steroid-Alkaloide. Basische Alkaloide kommen in den Pflanzen selten als Glycoside, meist als Salze vor. Beteiligte Säuren sind häufig Essig-, Oxal-, Milch-, Äpfel-, Wein-, Citronen-, Aconit- und Chinasäure: CO2H HO C H CH2 CO2H

CO2H CH2 HO C CO2H CH 2 CO2H

L-(/)-Äpfelsäure

Citronensäure

H HO2C

C C

CO2H CH2 CO2H

Aconitsäure

HO HO

CO2H OH

OH

Chinasäure

Manche Alkaloidklassen sind als Inhaltsstoffe für bestimmte Pflanzenfamilien so typisch, daß sie als Bestimmungskriterium in der systematischen Botanik geeignet sind (Chemotaxonomie der Pflanzen). Zur Isolierung der Alkaloide werden die getrockneten Pflanzenteile (Blätter, Stiele, Rinde, Wurzeln, Samen) meist mit Methanol extrahiert. Der Methanol-Extrakt wird konzentriert. Das Konzentrat versetzt man mit einem Überschuß an wäßriger Säure. Aus der wäßrig sauren Lösung werden nicht basische organische Verbindungen durch Ether-Extraktion entfernt. Die verbleibende wäßrige Phase wird bis zur deutlich alkalischen Reaktion mit Natronlauge versetzt. Manchmal kristallisieren dabei die Alkaloide aus. Meistens muß man jedoch mit Chloroform oder Methylenchlorid extrahieren und den so erhaltenen Extrakt eindampfen. Die Auftrennung und Reinigung des Eindampf-Rückstandes erfolgt durch Gas-, Dünnschicht-, Säulen- sowie HochdruckFlüssigkeits-Chromatographie (HPLC). Die direkte Detektion von Alkaloiden in Pflanzenextrakten gelingt durch Kombination von HPLC und Massenspektrometrie.

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38.2

Übersicht heterocyclischer Alkaloide

827

38.2 Übersicht heterocyclischer Alkaloide 38.2.1

Pyrrolidin-, Piperidin- und Pyridin-Alkaloide

Einfache Derivate des Pyrrolidins kommen in Form des 3-Methoxyzimtsäureamids im schwarzen Pfeffer (Piper nigrum), sowie als Hygrin in den Blättern des Cocastrauches (Erythroxylon coca) vor. Inhaltsstoff des früher als Mesembryanthemum bezeichneten Eiskrautgewächses Sceletium tortuosum, das im Südwesten Afrikas zur Zubereitung der halluzinogenen Droge Channa verwendet wird, ist das bicyclische Pyrrolidin-Alkaloid Mesembrin. OCH 3 OCH 3

O N

OCH3

O

CH3

N CH3

H

N H3C H

H 3-Methoxyzimtsäurepyrrolid

O

(/)-Mesembrin

(+)-Hygrin

(-)-Coniin [(S)-(+)-2-Propylpiperidin] als einfachstes Piperidin-Alkaloid ist der infolge zentraler Atemlähmung zum Tod führende Inhaltsstoff des Schierlings (Conium maculatum). (/)-Lobelin, ein Derivat des P-Methylpiperidins, wird aus Lobelia inflata isoliert und zur Atemanregung sowie Tabakentwöhnung verwendet. Piperin, das Hauptalkaloid und zugleich der scharfe Geschmackstoff des schwarzen Pfeffers (Piper nigrum), ist das Piperidid der Piperinsäure. OH

O N

N

N

H

CH 3

(-)-Coniin

O

O

(/)-Lobelin

Piperin

O

Nicotin und Anabasin sind die bekanntesten Pyridin-Alkaloide. Beide kommen in den Blättern und Wurzeln des Tabaks (Nicotiana tabacum) vor. Das linksdrehende (/)-Nicotin regt das Nervensystem an und steigert den Blutdruck; die für den Menschen tödliche Dosis liegt bei 100 mg. In grossem Maßstab wird es aus Tabakabfällen isoliert und wie Anabasin zur Schädlingsbekämpfung verwendet. Das dem Nicotin und Anabasin ähnliche Epibatidin aus dem in Ecuador lebenden Giftfrosch Epipedobates tricolor wirkt viel stärker schmerzbetäubend als Morphin (Abschn. 38.2.5). Der als Arecolin bezeichnete N-Methyltetrahydronicotinsäuremethylester ist Inhaltsstoff der Betelnuß Areca catechu. Ricinusöl aus Ricinus communis enthält N-Methylpyridone wie Ricinin. CO2CH 3

NH N CH3

N (/)-Nicotin

38.2.2

N N

H

(/)-Anabasin

H Cl

N (/)-Epibatidin

OCH 3 CN

N

N

CH 3

CH3

Arecolin

Ricinin

O

Tropan-Alkaloide

Tropan-Alkaloide sind Derivate des 8-Methyl-8-azabicyclo[3.2.1]octans (Tropan) und kommen als Inhaltsstoffe einiger Erythroxylum-Arten und Solanaceen vor. Man unterteilt sie in die Atropin-

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828

38 Alkaloide

und Cocain-Gruppe. Die Bausteine der Atropin-Derivate sind Tropin (Tropan-3c-ol) und Tropasäure. H 3C N

H 3C N

H 3C N

HO2C CH

H3CN H

OH

OH Tropan-3c-ol

Tropan

CH 2OH

H Tropan-3d -ol

(R,S)-Tropasäure

Atropin, das Alkaloid der Tollkirsche (Atropa belladonna), ist der Ester aus Tropin und racemischer Tropasäure. In (/)-Hyoscyamin aus Bilsenkraut (Hyoscyamus niger) ist dagegen das (S)-(/)Enantiomer der Tropasäure mit Tropin verestert. Im Scopolamin (aus Scopolia-Arten) erweitert ein in 6,7-Stellung angeknüpfter Oxiran-Ring das Tropin-System des Atropins zum Heterocyclus. Atropin wurde in der Augenheilkunde zur Pupillenerweiterung, Scopolamin als Beruhigungsmittel und Narkotikum verwendet. H 3C N

H 3C N H O

CH 2OH

Atropin

Scopolamin

O

H O

CH2OH

O

O

Ein Derivat des Tropan-3d-ols ist das als (/)-Cocain wohlbekannte (2R,3S)-2d-Methoxycarbonyl3d-benzoyloxytropan. Als Hauptkomponente des Alkaloid-Gemisches der Blätter des Cocastrauches Erythroxylon coca kommt es als Hydrochlorid in den Drogenhandel. (/)-Cocain wirkt als Lokalanästhetikum und Rauschmittel mit hohem Suchtpotential. Seine Hydrolyse liefert Ecgonin (3d-Hydroxytropan-2d-carbonsäure), Methanol und Benzoesäure: CO2CH 3

H3C N

CO2H

H3C N

/

+ 2 H2O (OH )

OH

O H

O

(/)-Cocain

38.2.3

+

CH3OH

+

HO2C

H (/)-Ecgonin

Pyrrolizidin-, Indolizidin- und Chinolizidin-Alkaloide

Als teilweise krebserregende Naturstoffe verdienen die Pyrrolizidin-Alkaloide besondere Beachtung. Sie kommen in Asteraceen, Leguminosen, Boraginaceen und Orchideen vor. Substituierte Pyrrolizidine wie (/)-Tussilagin aus dem Huflattich Tussilago farfara treten selten auf. Viel häufiger sind Ester verschiedener 2-Hydroxymethylpyrrolizidine. Eines dieser Esteralkaloide ist Phalaenopsin aus der Orchidee Phalaenopsis amabilis, der Ester aus (/)-Trachelanthamidin und (R)2-Hydroxy-2-benzylbutandisäure. HO

H N Pyrrolizidin

N

CO2CH 3 OH CH3

(/)-Tussilagin

H

OH

N (/)-Trachelanthamidin

O

HO2C CO2H (R)-2-Hydroxy-2benzylbutandisäure

H

HO

O CO2CH3

N Phalaenopsin

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38.2

Übersicht heterocyclischer Alkaloide

829

Einige Indolizidin-Alkaloide wurden bekannt, weil sie das Tumorwachstum hemmen. Beispiele sind Slaframin und Swainsonin, Metaboliten des phytopathogenen Pilzes Rhizoctonia leguminicola, sowie das zu den Hauptalkaloiden des Baumes Tylophora crebriflora gehörende Tylocebrin. OCH3

O H

HO

O C

OH

H

CH3 N

H2N

Indolizidin

H3CO H OH

N

N

Slaframin

(/)-Swainsonin

N

H3CO H3CO

(/)-Tylocebrin

Chinolizidin-Alkaloide sind toxische Inhaltsstoffe zahlreicher Leguminosen. Hierzu gehört (/)Lupinin aus der Lupine und das ähnlich wie Nicotin wirkende Cytisin aus dem früher als Cytisus laburnum bezeichneten Goldregen Laburnum anagyroides. OH

NH N

N

N

N

H

H

H

OH (/)-Lupinin

Chinolizidin

38.2.4

H

O

(/)-Cytisin

Indol-Alkaloide

Es gibt mehr als 3000 Indol-Alkaloide. Sie leiten sich vom Indol und dessen teilhydrierten, hydroxylierten, benzo- und pyridokondensierten Derivaten ab. Zu den wichtigsten Indol-Alkaloiden gehören Tryptamine, d-Carboline und deren Tetrahydro-Derivate sowie die Ergoline. Tryptamine Von der Aminosäure Tryptophan über deren Decarboxylierungsprodukt Tryptamin stammen die als Tryptamine bezeichneten Indol-Alkaloide ab. Die 4-Hydroxytryptamin-Derivate Psilocin und dessen Phosphorsäureester Psilocybin sind die halluzinogenen Inhaltsstoffe des mexikanischen Zauberpilzes Psilocybe mexicana. Das als Serotonin bezeichnete 5-Hydroxytryptamin kommt im Blut sowie in Geweben des Menschen und der Säugetiere vor. Serotonin wirkt gefäßverengend. Seine N-Methyl-Derivate wirken halluzinogen, z. B. das als Bufotenin bekannte Hautabwehrsekret der Aga-Kröte Bufo marinus. NH3

NH2

O2C

N(CH3)2 OH

N H L-Tryptophan

N

HO N

H Tryptamin

O

H Psilocin

O P

NH(CH3)2

NH 2

N(CH3)2

O HO N H

Psilocybin

HO N

N

H

H

Serotonin

Bufotenin

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830

38 Alkaloide

Carbazole Carbazol-Alkaloide mit intakten Benzen-Ringen gehören zu den Raritäten der Pflanzeninhaltsstoffe. Beispiele sind die tumorhemmend wirkenden Pyridocarbazole Olivacin aus der Rinde von Aspidosperma olivaceum und sein Konstitutionsisomer Ellipticin aus Ochrosia elliptica in der gleichen Pflanzenfamilie (Apocynaceae). H 3C

H 3C

N

N

Olivacin

N H

Ellipticin

N H

CH 3

CH3

-Carboline Pyrido[3,4-b]indol (d-Carbolin) ist das Stammgerüst der d-Carbolin-Alkaloide. 1-Methyl-d-carbolin (Harman) findet sich in mehreren Pflanzenfamilien, z. B. in der Passionsblume. Das halluzinogen wirkende 1-Methyl-7-methoxy-d-carbolin (Harmin) und seine Dihydro-Derivate Harmalol und Harmalin sind Inhaltsstoffe der Steppenraute Peganum harmala. N

N N

N

N

H3CO N

CH3

H

H

d-Carbolin

Harman

N

RO N

CH 3

H

CH 3

H

Harmin

R = H : Harmalol R = CH3 : Harmalin

Polycyclische Monoterpen-Indol-Alkaloide Viele polycyclische Indol-Alkaloide setzen sich, auch biogenetisch, aus Tryptamin und einer Monoterpen-Einheit (C10, Abschn. 42.2.1) zusammen. Das gilt z. B. für die Alkaloide des Brechnußbaumes Strychnos nux vomica und anderer Strychnos-Arten wie das bitter schmeckende, in geringer Dosis euphorisierende, in höherer Dosis Muskelstarre erregende (/)-Strychnin. Sein schwächer wirkendes Dimethoxy-Derivat (/)-Brucin dient zur Trennung racemischer Säuren über diastereomere Salze (Abschn. 17.7.2). H R R = H : (/) - Strychnin R = OCH3 : (/) - Brucin

N H

R N

Monoterpen-Teilstrukturen fett

O

H N

NH H Tetrahydrod -carbolin

N N

N

N H3CO2C

H OH

(+)-Vincamin

CH 3

H

(+)-Yohimbin

H

O H 3CO

H3CO H

OH

OCH 3

H3CO N H N

H

H H3CO2C

H

H

H

H H 3CO2C

O

O

OCH3

(/)-Reserpin

Zu den polycyclischen monoterpenoiden Tryptaminen zählen auch Tetrahydro-d-carboline wie (+)-Vincamin, das Hauptalkaloid des Immergrüns Vinca minor; es wirkt blutdrucksenkend, regt

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38.2

Übersicht heterocyclischer Alkaloide

831

die cerebrale Durchblutung an und findet entsprechende Anwendung. (+)-Yohimbin, ein Alkaloid des Yohimehe-Baumes Coryanthe yohimbe, wird gegen Impotenz sowie als Aphrodisiakum in der Veterinärmedizin eingesetzt. (/)-Reserpin, eines der Alkaloide des Strauches Rauwolfia serpentina, wirkt blutdrucksenkend und beruhigend, allerdings auch depressiv verstimmend, potenzstörend und krebserregend. Ergoline Das als Mutterkorn bezeichnete Dauermycel des auf Getreide (Roggen) und Gräsern schmarotzenden Schlauchpilzes Claviceps purpurea enthält etwa 30 Alkaloide mit dem tetracyclischen Ergolin-Grundskelett, das auch biogenetisch vom Tryptamin und einer Isopren-Einheit abstammt. (/)-Ergotamin und (/)-Ergobasin sind die Hauptalkaloide des Mutterkorns, die in Form der Tartrate wegen ihrer wehenfördernden Wirkung in der Geburtshilfe und als Gefäßverenger gegen Migräneanfälle Verwendung finden. Beide Wirkstoffe werden industriell aus Mutterkorn gewonnen. (/)-Ergotamin ist ein Lysergsäurecyclotripeptidamid aus Phenylalanin, Prolin und c-Hydroxyalanin. Ergobasin ist das Amid aus Lysergsäure und L-2-Amino-1-propanol (L-Alaninol). (+)-Lysergsäure bildet sich bei der Hydrolyse des (/)-Ergotamins. Das unter dem Kürzel LSD bekannte (+)-Lysergsäure-N,N-diethylamid entsteht ebenfalls bei der Hydrolyse des (/)-Ergotamins sowie durch Aminolyse der (+)-Lysergsäure mit Diethylamin. Es ist ein bereits in sehr geringer Dosis (0.05 mg LSD-Tartrat) intensiv wirkendes, die Sinne verschmelzendes Halluzinogen. Phe

O

N N

CH3

HO2C

H

N H Ergolin (Isopren-Teilstruktur fett)

38.2.5

N

CH 3 H

N H (+)-Lysergsäure

O

N

CH3 H

N H (+)-LysergsäureN,N-diethylamid (LSD)

CH2OH H H N H3C O

N HO N

O

Pro

N

CH 3 H

N H

(/)-Ergobasin (Ergometrin)

N H O H3C O

H

(/)-Ergotamin

N

CH 3 H

N H

Isochinolin-Alkaloide

Die meisten der etwa 2500 bekannten Isochinolin-Alkaloide leiten sich vom 1,2,3,4-Tetrahydroisochinolin ab, sind N-methyliert und enthalten Methoxy-Gruppen oder 1,3-Dioxolan-(Methylendioxy-)Ringe. Zu den wichtigsten Vertretern gehören die 1-Benzylisochinolin-, Phthalidisochinolin-, Berbin-, Aporphin- und Proaporphin- sowie die Morphin-Alkaloide. Rohstoff vieler Isochinolin-Alkaloide ist die Droge Opium, das an der Luft verharzte Milchsaftkonzentrat, welches durch Anritzen unreifer Kapseln des Schlafmohns (Papaver somniferum) gewonnen wird. 1-Benzylisochinoline Vom 1-Benzylisochinolin leiten sich die meisten Isochinolin-Alkaloide ab. Das als Papaverin bekannte 3´,4´,6,7-Tetramethoxy-1-benzylisochinolin ist z. B. ein Inhaltsstoff des Opiums (Gehalt

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832

38 Alkaloide

bis zu 1 %); es wirkt gefäßerweiternd und als Muskelrelaxans. Weniger prominente OpiumAlkaloide sind die N-Methyl-1,2,3,4-tetrahydroisochinolin-Derivate (+)-Laudanosin und (+)-Reticulin, die als Zwischenstufen bei der Alkaloid-Biogenese im Schlafmohn auftreten. H3CO N

H 3CO N

H3CO

H 3CO N

H 3CO OCH3

CH 3

OCH 3

OCH3 Benzylisochinolin

N

HO

CH 3

OH

OCH 3

Papaverin

OCH 3

(S)-(+)-Laudanosin

(S)-(+)-Reticulin

In den Bisbenzylisochinolin-Alkaloiden sind zwei Benzylisochinolin-Reste über Ether-Brücken miteinander verknüpft. Bekanntestes Beispiel ist das (+)-Tubocurarinchlorid. Bezeichnet man die Tetrahydroisochinolin-Substruktur als "Kopf", den Benzyl-Rest als "Schwanz", so sind im Tubocurarinchlorid zwei Benzyltetrahydroisochinolin-Einheiten durch zwei Ether-Brücken KopfSchwanz- und Schwanz-Kopf verknüpft. Tubocurarinchlorid ist der Wirkstoff des sirupösen Pfeilgiftes Curare, den südamerikanische Indianerstämme aus der Liane Chondodendron tomentosum gewinnen. Das vom Pfeil getroffene Opfer wird durch Muskel- und Atemlähmung fluchtunfähig. Bei chirurgischen Eingriffen wird Tubocurarinchlorid intravenös als Muskelrelaxans gespritzt. H3CO

Kopf

O

N

CH 3

O H

(+)-Tubocurarinchlorid Schwanz

N(CH3)2 Cl

HO O

BisbenzylisochinolinAlkaloid (Bauprinzip)

Cl (H3C)2N

H HO O OCH3

Phthalidtetrahydroisochinoline In den Phthalidtetrahydroisochinolinen schließt sich ein Lacton-Ring zwischen Benzyl-Stellung und einer o-ständigen Carboxy-Funktion des Benzyltetrahydroisochinolins. Zwei Beispiele sind dHydrastin aus der Berberitze (Berberis vulgaris) und dem Hahnenfuß Hydrastis canadensis sowie das schmerzbetäubend und hustenstillend wirkende Opium-Alkaloid Narcotin (Noscapin). O N O O Phthalidtetrahydroisochinolin

O H

O O

N

H

CH3

O H 3CO

H

O H 3CO (/)-d-Hydrastin

OCH3

O

N

CH3

H

O H 3CO

OCH 3

(/)-Narcotin

Berbine Schließt eine Methylen-Gruppe vom N-Atom zur o-Position des Phenyl-Restes im 1-Benzyl1,2,3,4-tetrahydroisochinolin einen zusätzlichen Sechsring, so entsteht formal das Grundskelett Berbin der Berbin- oder Protoberberin-Alkaloide. Zu diesen gehören das (/)-Canadin aus kanadi-

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38.2

Übersicht heterocyclischer Alkaloide

833

schen Erdrauchgewächsen (Fumariaceae), das gelbe, antibakteriell, antipyretisch und gegen Malaria-Erreger wirkende Immonium-Hydroxid Berberin aus der Berberitze Berberis vulgaris sowie das ebenfalls gelbe Hauptalkaloid Coptisin des Schöllkrauts Chelidonium majus. O N

O N

O

O

H

OCH3 OCH3

(/)-Canadin

Berbin

O N OH

N OH

O OCH3

O O

OCH3

Berberin

Coptisin

Aporphine und Proaporphine Schließen beide benzoide Ringe des 1-Benzyl-1,2,3,4,-tetrahydroisochinolins durch eine Biphenyl-Bindung einen Sechsring, so entsteht formal das tetracyclische Grundskelett der AporphinAlkaloide. Wirkstoff der in Chile und Peru als "Boldo" gegen die Chagas-Infektion verwendeten Blätter von Peumus boldus ist das Aporphin-Alkaloid (+)-Boldin. (/)-Multifloramin aus einer Lilienart (Kreysigia) gehört zu den Homoaporphin-Alkaloiden mit zentralem Siebenring. HO NH

H3CO N

H 3CO

CH 3

NH

HO H3CO

N

CH 3

HO H 3CO

H3CO

OH Aporhin

(+)-Boldin

(/)-Multifloramin

Homoaporphin

In den Proaporphin-Alkaloiden ist der Phenyl-Ring des Benzyl-Restes entaromatisiert und spirocyclisch durch einen Fünfring mit beiden Ringen des Tetrahydroisochinolins verbunden. (+)-Pronuciferin, Inhaltsstoff einiger Wolfsmilch- und Mohnarten, verkörpert ein Proaporphin-Alkaloid. (+)-Bulbocodin aus Liliengewächsen gehört zu den Homoproaporphin-Alkaloiden mit homologisiertem Spirocyclus. H3CO NH

H3CO N

H3CO

CH3

NH

HO

N

CH3

O O Proaporphin

(+)-Pronuciferin

Homoproaporphin

(+)-Bulbocodin

Morphinane Eine 180°-Drehung des 1-Benzyldecahydroisochinolins um die C-1/C-8a-Bindung und Knüpfung einer zusätzlichen Bindung von C-4a nach C-2´ führt zum tetracyclischen Morphinan, dem Grundskelett des bekanntesten Alkaloids (/)-Morphin und seiner Derivate.

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834

38 Alkaloide

H '

' '

NH

'

H

NH

' '

'

H

'

N H

N H

H N

H (1R)-1-Benzyldecahydroisochinolin

Morphinan

Die Droge Opium aus Schlafmohn Papaver somniferum enthält bis zu 20 % (/)-Morphin als Hauptalkaloid. Der als (/)-Codein bekannte Monomethylphenylether des Morphins ist ein weiteres Opium-Alkaloid. Durch Acetylierung des (/)-Morphins entsteht das als (/)-Heroin bezeichnete, nicht genuine Diacetylmorphin. RO

OR

O

H

H

R = OCH 3 ; R' = H : (/) - Codein

O

N

H 3C

N

CH3

R'O

R = R' = H : (/) - Morphin

R = R' = COCH 3 : (/) - Heroin

OR'

ROBINSON-Formel

Stereoformel mit Ringbezifferung

(/)-Morphin war das erste, aus einer pflanzlichen Droge kristallisierte Alkaloid (SERTÜRNER 1806). Die von ROBINSON (1925) vorgeschlagene Strukturformel bringt die für die Wirkung wesentliche Molekülform nicht so deutlich zum Ausdruck wie die durch RÖNTGEN-Beugung bestätigte Stereoformel. (/)-Morphin und (/)-Codein sind die weltweit am häufigsten verschriebenen Wirkstoffe pflanzlicher Herkunft. Sie wirken schmerzbetäubend, verstopfend, euphorisierend, halluzinogen und hustenstillend wie (/)-Codein, bis atemlähmend bei höherer Dosierung wie (/)Morphin. Schnell und intensiv schmerzbetäubend bis berauschend wirkt das auf dem illegalen Rauschgiftmarkt begehrte (/)-Heroin mit seinem ausgeprägten Suchtpotential.

38.2.6

Chinolin-Alkaloide

Man kennt etwa 200 Alkaloide, die vom Chinolin und Furo[2,3-b]chinolin abstammen. Die pharmakologisch wichtigsten Chinolin-Alkaloide sind etwa 30 als China-Alkaloide bezeichnete Stereoisomere und Derivate des (/)-Chinins aus der Rinde des Cinchona-Baumes Cinchona officinals (Chinarinde).

HO CO2H H3CO

CrO3

+ N Chininsäure

H

H

RS

N

HO H N

S

R

N H

H3CO

R

R

O

H

N HO2C

H

Merochinen

N R = OCH3 : (/) - Chinin R = H : (/) - Cinchonidin

N R = OCH3 : (+) - Chinidin R = H : (+) - Cinchonin

N (+) - Chinotoxin

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38.3

Übersicht nicht heterocyclischer Alkaloide

835

Chinin besteht aus einem 6-Methoxychinolin-Ring, der in 4-Stellung über ein asymmetrisches CAtom (sekundärer Alkohol) mit 3-Vinylchinuclidin verknüpft ist. Sein Chromsäure-Abbau liefert Chininsäure und das Piperidin-Derivat Merochinen, woraus sich die durch Totalsynthese bewiesene Konstitution ergab (WOODWARD, 1945). Als Chinuclidin bezeichnet man 1-Azabicyclo[2.2.2]octan, das in einigen China-Alkaloiden geöffnet vorliegt, z. B. im (+)-Chinotoxin. (+)-Chinidin und (+)-Cinchonin sind Diastereomere des (/)-Chinins bzw. des (/)-Cinchonins. Das blaugrün fluoreszierende, angenehm bitter schmeckende Hauptalkaloid (/)-Chinin der Chinarinde (Gehalt bis zu 8 %) wirkt als Antipyreticum sowie gegen Malaria.

38.3 Übersicht nicht heterocyclischer Alkaloide Nicht heterocyclisch sind Alkaloide, die sich von den in Abschn. 42 besprochenen Terpenen und Steroiden, von Cyclopeptiden und offenkettigen Aminen ableiten. Als Leitstrukturen bedeutend sind die Phenylethylamine.

38.3.1

Phenylethylamine

Neben einigen Derivaten des Aminoethanols, die in Leguminosen vorkommen, spielen Phenylethylamine (Phenethylamine) aufgrund ihres Wirkungsspektrums eine herausragende Rolle. Ein Beispiel ist (/)-Ephedrin aus Meerträubel (Ephedra distachya) und anderen Ephedra-Arten, das antiasthmatisch, blutdrucksteigernd und stimulierend wirkt wie das in den Nebennieren gebildete (/)-Adrenalin, welches jedoch nicht als Alkaloid eingeordnet wird. Gleiches gilt für das Antibiotikum Chloramphenicol (Chloromycetin) aus dem Pilz Streptomyces venezuelae. OH

OH

OH CH3

HO HO

H

N

CH 3

(R)-(/)-Adrenalin

H

N

CH3

(1R,2S)-(/)-Ephedrin

CH2OH O2N

H

N

O

CHCl2 (1R,2R)-(/)-Chloramphenicol

Ein bekanntes Phenylethylamin pflanzlicher Herkunft ist das im Vergleich zu LSD schwach halluzinogen wirkende Mescalin aus dem in Mexico wachsenden und dort als "Peyotl" oder "Peyote" bezeichneten Kaktus Lophophora williamsii. Phenylethylamine sind durch einfache Synthesen gut zugänglich. Sie finden als suchterregende synthetische Weckamine, Appetitzügler und Halluzinogene ("Designer-Drogen" mit Phenylethylamin-Leitstruktur) illegale Anwendung. Bekannte Beispiele sind Amphetamin und seine als "Speed" und "Ecstasy" bekannten N-Methyl-Derivate. CH3

H3CO NH2

H3CO OCH3 Mescalin

H

N

R

R = H : rac. Amphetamin R = CH3 : rac. N-Methylamphetamin ("Speed")

CH3

O O

N

H CH 3 rac. 3,4-Methylendioxy-N-methylamphetamin ("Ecstasy")

Zu den Alkaloiden mit exocyclischem Stickstoff zählt auch das Tropolon-Derivat Colchicin (Abschn. 30.13.1), ein Alkaloid der Herbstzeitlose und anderer Liliaceen.

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836

38.3.2

38 Alkaloide

Amide und Lactame biogener Amine

Offenkettige sowie cyclische Fett- und Zimtsäureamide der biogenen Amine Putrescin, Spermidin und Spermin, finden sich als Inhaltsstoffe einiger Pflanzenfamilien (Leguminosen, Apocynaceen). Sie werden als Alkaloide eingeordnet. Blätter, Stengel und Wurzeln des indischen Hanfs Cannabis sativa var. indica enthalten z. B. neben den bekannten terpenoiden Cannabinolen (Abschn. 42) die bicyclischen SpermidinLactame (+)-Cannabisativin und (+)-Anhydrocannabisativin. H H2N

H2N

N

H

H2N

N

H

N N

O

H

H R NH2

NH2 Putrescin

H

Spermidin

N

NH 2

Spermin

R = HO C H H C OH C5H11 (+)-Cannabisativin

38.3.3

N

R = CH2 C O C5H11 (+)-Anhydrocannabisativin

Cyclopeptid-Alkaloide

Manche Mutterkornalkaloide, z. B. Ergotamin (Abschn. 38.2.4) kann man als Indol- und PeptidAlkaloide betrachten. Einige makrocyclische Cyclopeptidalkaloide mit p-Hydroxystyrylaminoder Phenylethylamin-Untereinheiten sind schwach antibiotisch und fungizid wirkende Inhaltsstoffe der Rhamnaceen. Der Makrocyclus dieser Alkaloide bildet sich einerseits durch eine d-Phenoxy-Ether-Bindung zur N-terminalen d-Hydroxyaminosäure (z. B. d-Hydroxy-L-valin, d-Hydroxy-L-phenylalanin) eines Dipeptids. Die Carboxy-Funktion der C-terminalen Aminosäure schließt andererseits mit der Styryl- bzw. der Phenylethylamino-Funktion den vierzehngliedrigen Cyclodipeptid-Ring. Eine dritte Aminosäure (z. B. N,N-Dimethylisoleucin oder N,N-Dimethylvalin) verbindet über eine dritte Peptidbindung die Seitenkette. Beispiele sind Frangulanin und Integerrin aus dem New Jersey-Tee Ceanothus americanus. d -HydroxyL-phenylalanin

N,N-Dimethyl-L-valin

N,N-Dimethyl-L-isoleucin d-Hydroxy-L-valin

O

(CH3)2N HN HN

HN

O O 4-Hydroxystyrylamin

O L-Leucin

O

(CH 3)2N

HN

Frangulanin

HN HN

O O O

L-Tryptophan

HN

Integerrin

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38.4

Zur Biogenese der Alkaloide in Pflanzen

837

38.4 Zur Biogenese der Alkaloide in Pflanzen 38.4.1

Aminosäuren als biogenetische Vorstufen der Alkaloide

Unter Alkaloid-Biogenese versteht man den Aufbau von Alkaloiden im pflanzlichen oder tierischen Organismus. Biosynthesewege werden durch Verfütterung 14C-markierter Vorstufen ("Precursors") an Pflanze oder Tier und nachfolgende Analyse der Markierungspositionen im Alkaloid verfolgt ("Tracer"-Technik). Alternativ baut man stabile Isotope wie 13C und 15N in die Vorstufen ein und lokalisiert die Markierungen im Naturstoff durch 13C- oder 15N-NMR. Biogenetische Vorstufen der meisten heterocyclischen Alkaloide sowie vieler Phenylethylamine sind die Aminosäuren L-Ornithin, L-Lysin, L-Tyrosin und L-Tryptophan. Abb. 38.1 orientiert über die biogenetische Herkunft der besprochenen Alkaloide. L-Orn

L-Lys

CO2H

AminosäureVorstufe

L-Trp NH2 CO2H

CO2H

NH2 H2N

L-Tyr

NH 2

O

HO2C

NH 2 N H

NH 2

N O N

N

N

N H

O Alkaloide

PyrrolidinPyrrolizidinTropan-

PiperidinPyridinIndolizidinChinolizidin-

"d -PhenylethylaminBenzylisochinolinPhthalidisochinolinBenzoisochinolinAporphinProapaorphinMorphinBisbenzylisochinolin-

TryptaminDihydroindolMonoterpenindolCarbazolß-CarbolinTetrahydro-ß-carbolinErgolinChinolin- A l k a l o i d e

Abb. 38.1. Aminosäure-Vorstufen heterocyclischer Alkaloide

38.4.2

Biogenese der Isochinolin-Alkaloide im Schlafmohn

Durch Markierungsexperimente und auf enzymatischer Ebene fast vollständig aufgeklärt wurde die Biosynthese der Benzylisochinolin-Alkaloide (Abb. 38.2) und des Morphins (Abb. 38.3) aus Tyrosin im Schlafmohn Papaver somniferum. Demnach wird Tyrosin einerseits zum 4-Hydroxyphenylacetaldehyd desaminiert und decarboxyliert, andererseits nach Decarboxylierung über Tyramin zu Dopamin (3,4-Dihydroxyphenylethylamin) hydroxyliert. 4-Hydroxyphenylacetaldehyd und Dopamin cyclisieren enzymatisch in Analogie zur Isochinolin-Synthese nach PICTET-SPENGLER (Abschn. 33.11.2) zum (S)-Norcoclaurin. Aus diesem entsteht nach drei Methylierungen und einer Hydroxylierung das (S)-(+)Reticulin, die Vorstufe der über 2500 bisher aufgeklärten Isochinolin-Alkaloide (Abb. 38.2).

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838

38 Alkaloide

HO 4-Hydroxyphenylbrenztraubensäure

HO 4-Hydroxyphenylacetaldehyd O

COOH

O

H HO

HO

NH2

(S)-Tyrosin

HO

COOH H

H

NH

HO (S)-Norcoclaurin HO

NH2

HO

NH2

HO Tyramin

HO

Dopamin

HO H

NH

H3CO (S)-Coclaurin

H3CO

HO

HO

HO

HO

HO H

N

H3CO

CH3

HO H

N

H3CO (S)-Reticulin

(S)-3'-HydroxyN-methylcoclaurin

CH3

HO H

N

CH3

H3CO (S)-N-Methylcoclaurin

Abb. 38.2. Biogenese des (S)-Reticulins als Vorstufe zahlreicher Isochinolin-Alkaloide

Im Schlafmohn wird das (S)-Reticulin über sein Dehydro-Derivat zum (R)-Enantiomer isomerisiert. Ein Cytochrom-P-450-Enzym cyclisiert das (R)-Reticulin durch oxidative Phenol-Kupplung zum Salutaridin (Abb. 38.3). Das Redox-Coenzym NADH+H+ reduziert Salutaridin zum Salutaridinol, nach dessen Acetylierung (Acetyl-Coenzym A) die Ether-Brücke des Thebains geknüpft wird. Demethylierung des Thebains führt über Neopinon zum Codeinon, nach Reduktion (NADH+H+) zum Codein und nach weiterer Demethylierung zum Morphin (Abb. 38.3). Wesentliche Schritte der Morphin-Biosynthese gaben sich nach Verfütterung 14C-markierter Zwischenstufen an die Pflanze zu erkennen. So wurden zum Beweis der für den sterischen Ablauf der Biosynthese notwendigen Konfigurationsumkehr von (S)- nach (R)-Reticulin beide Enantiomere in 1-Stellung mit Tritium markiert und dann verfüttert. Dabei ergab sich, daß (R)-1-3H-Reticulin in ein Morphin übergeht, welches 60 % der ursprünglichen Tritium-Konzentration enthält, während aus dem (S)-1-T-Enantiomer tritiumfreies Morphin entsteht. (S)-(-)-Reticulin muß demnach über das Dehydro-Derivat zum (R)-(/)-Enantiomer isomerisieren (Abb. 38.3), bevor es durch das Enzym zum (-)-Salutaridin mit (/)-Morphin-Konfiguration oxidiert werden kann. Die Irreversibilität einiger Stufen wurde durch weitere Einbauexperimente abgesichert. So demethyliert die Pflanze markiertes Morphin zu Normorphin; dagegen unterbleibt eine Remethylierung zu Codein. Als O- und N-Methylierungsmittel wurde durch zusätzliche Markierungsversuche die Aminosäure L-Methionin erkannt. Füttert man der Mohnpflanze 2-14C-markiertes Dopa, so ist in den isolierten Thebain-, Codein- und Morphin-Präparaten nur die 16-Stellung (CH2 neben N)

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38.5

Exemplarische Alkaloid-Synthesen

839

markiert. Demnach kann die Pflanze das Dopa in den Tetrahydroisochinolin-Teil einbauen aber nicht zum Phenylacetaldehyd umsetzen. H3CO

H3CO

H3CO

HO

HO HO H

N

CH3

HO

HO

N

CH3

H3CO

H3CO (S)-Reticulin

HO H (R)-Reticulin

H3CO

H3CO

HO

HO

HO

N CH3

H3CO

H

N CH3

H

H3CO

H3CO

H OH Salutaridinol

(R)-Reticulin

H3CO

H3CO

HO

O

O H

N CH3

H3CO

H

N CH3

Thebain

H3CO

O

O H

O

N CH3

H

N CH3

HO

HO Morphin

N CH3

Neopinon

H3CO

HO

H O

H3CO

H OCOCH3 Salutaridinol-7-O-acetat

N CH3

OH O Salutaridin

H3CO

CH3

H3CO

1,2-Dehydroreticulin

H3CO

H

N

H

N CH3

O Codein

Codeinon

Abb. 38.3. Morphin-Biogenese aus (S)-Reticulin im Schlafmohn

38.5 Exemplarische Alkaloid-Synthesen 38.5.1

Nicotin und Coniin

Die weitaus meisten Alkaloid-Synthesen dienten als Strukturbeweis. Sie gewannen infolge schlechter Gesamtausbeuten und schwieriger technischer Durchführbarkeit einzelner Stufen meist keine industrielle Bedeutung. So ist z. B. die Gewinnung des (/)-Nicotins aus Tabakabfällen viel wirtschaftlicher als alle bisher durchgeführten Synthesen. Das gilt auch für eine neuere biomimetische Synthese des racemischen Nicotins aus Glutardialdehyd, Ammoniak und N-Methyl-F1pyrrolinium-iodid über 1,4-Dihydropyridin:

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840

38 Alkaloide

L-Lysin

CO2H

/ CO2

+

Biosynthese

N

N

N

(aus Prolin)

H

N-Methylierung, Dehydrierung

N H

N N

H

(/)-Nicotin

1,4-Dihydronicotinsäure

biomimetische Synthese

N CH 3

+

N

N

N

H

CH 3

H

CH 3

/ 3 [H+] , / 2 e0

/

N N

CH 3

rac. Nicotin

1,4-Dihydropyridin + NH3

H

/ 2 H2O

O O

H

Glutardialdehyd

Historisch von Bedeutung als erste Alkaloid-Synthese (LADENBURG, 1886) ist die Herstellung des racemischen Coniins durch KNOEVENAGEL-Kondensation von c-Picolin (2-Methylpyridin) mit Acetaldehyd zu 2-Propenylpyridin und dessen katalytische Hydrierung. / H2O

H N CH 3 2-Methylpyridin (c-Picolin)

38.5.2

+

O

+ 4 H2 (Kat.)

N

CH 3

N H

2-Propenylpyridin

rac. Coniin

Tropan

Ein Beispiel zur Synthese eines Alkaloid-Grundskeletts unter Bedingungen, wie sie auch die Pflanzenzelle bietet, ist der Ringschluß durch doppelte MANNICH-Reaktion von Succindialdehyd, Methylamin und Acetondicarbonsäure zum Tropan-3-on bei pH = 5 - 6 und Zimmertemperatur (ROBINSON, SCHÖPF). Die Reduktion des Tropinons mit komplexem Metallhydrid gibt Tropan-3cund Tropan-3d-ol. H 3C H

CO2H O O

pH = 5-6

+

H2N CH3

H Succindialdehyd

+

O CO2H

Acetondicarbonsäure

/ 2 H2O / 2 CO2

H 3C N

LiAlH4

O

N

HO Tropan-3c-ol

H 3C N

Tropan-3-on Tropan-3d-ol

38.5.3

OH

Tryptamine

Einige Indol-Alkaloide lassen sich nach dem Prinzip der FISCHER-Indol-Synthese (Abschn. 33.6.3) darstellen. Ein Beispiel ist die einstufige Synthese des dem Bufotamin der Aga-Kröte sehr

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38.5

Exemplarische Alkaloid-Synthesen

841

ähnlichen synthetischen Halluzinogens 5-Methoxy-N,N-dimethyltryptamin aus 4-Methoxyphenylhydrazin und 4-(Dimethylamino)butanal-dimethylacetal: N(CH 3)2

H 3CO

OCH 3 N H

38.5.4

N(CH 3)2

NH 2

+

H 3CO

/ 2 CH3 OH , / NH3

H 3CO

N H 5-Methoxy-N,Ndimethyltryptamin

Benzyltetrahydroisochinoline

Zur Darstellung der zahlreichen Alkaloide mit Benzylisochinolin-Grundskelett eignen sich vor allem die Cyclisierungen von d-Phenylethylaminen (Phenethylaminen) mit Carbonsäure-Derivaten (Chloride, Ester) über die N-Acylamine nach BISCHLER-NAPIERALSKI (Abschn. 33.11.2) oder biomimetisch (Abb. 38.2) mit Aldehyden über die N-Alkylimmonium-Salze nach PICTETSPENGLER (Abschn. 33.11.2). Die chirogenen Hydrierungs- und Deprotonierungsschritte führen zu racemischen 1,2,3,4-Tetrahydroisochinolinen. BISCHLERNAPIERALSKI

NH O

PICTETSPENGLER

N

NH2

R

d-Phenylethylimin

d-Phenylethylamin

N-Acyl-d-phenylethylamin

R/X

POCl 3 , RX ( X = Cl, Br, I )

H2 / Pd / C

N

NaBH4

N

R

N

R

N-Alkylimmonium-Ion

1,2,3,4-Tetrahydroisochinolin

Die enantioselektive Darstellung von Tetrahydroisochinolinen gelingt u. a. aus Phenylethylaminen, die am N-Atom durch eine chirale Hilfsgruppe alkyliert sind. Man erhält sie durch Acylierung von (R)- oder (S)-c-Phenylethylamin mit Phenylessigsäurechlorid und Reduktion des Amids mit Diboran. Die BISCHLER-NAPIERALSKI-Cyclisierung des (R)-N-(c-Phenylethylamino)-d-phenylethylamins führt zum Immmonium-Salz, das durch Borhydrid diastereoselektiv zum (R,R)-N-(cPhenylethylamino)-tetrahydroisochinolin reduziert wird. Katalytische Abhydrierung der Hilfsgruppe setzt das (R)-1-Alkyltetrahydroisochinolin frei. CH3 C6 H5

H 2N

O

H

Cl

(R)-N-(c-Phenylethylamino)d-phenylethylamin

O H

B2H6 / THF

CH 3 C 6H 5

N

H

H Phenylacetylchlorid

CH 3 C 6H 5

N H

chirales Phenylacetamid BISCHLER-NAPIERALSKI

O

Cl R

H2 / Pd / C

NaBH4

NH R (R)-1-Alkyltetrahydroisochinolin

CH 3 C 6H 5

N R

H

N R Cl H

CH 3 C 6H 5

(R,R)-N-(c-Phenylethylamino)-tetrahydroisochinolin

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842

39 Kohlenhydrate

39 Kohlenhydrate 39.1 Bedeutung, Klassifizierung und Nomenklatur der Zucker 39.1.1

Bedeutung

Die als Traubenzucker bekannte Glucose [C6H12O6 oder (CH2O)6] als Grundsubstanz der Kohlenhydrate wird in Pflanzen durch Photosynthese aus Kohlendioxid und Wasser unter Freisetzung von Sauerstoff aufgebaut. Zu dieser enzymatischen Synthese wird Lichtenergie benötigt, die durch das Chlorophyll a (Abschn. 34.7.5) absorbiert wird. Durch Abbau der Glucose bei der Atmung werden Energie, Kohlendioxid und Wasser frei. Photosynthese

6 CO2 + 6 H 2O + Energie

Atmung

(CH2O)6 + 6 O2

Aufgrund der Summenformel (CH2O)n wurde für die Zucker 1844 der Begriff "Kohlen-Hydrat" Cn(H2O)n geprägt, zumal Glucose mit konzentrierter Schwefelsäure tatsächlich zu "Kohle" dehydratisiert. Glucose wurde 1747 aus Traubenmost und 1792 aus Honig kristallisiert. Saccharose (griech. uceejctqp = Zucker) aus Zuckerrohr oder Rüben wurde bereits 640 v. Chr. in Ägypten beschrieben. In Form von Polysacchariden, wie Stärke (Pflanze) und Glykogen (Tier), wird das durch Photosynthese entstandene, wichtigste Kohlenhydrat Glucose gespeichert (Energiespeicher). Zusammen mit Fetten und Proteinen bilden Kohlenhydrate (Zucker) die Grundlage unserer Nahrung.

39.1.2

Klassifizierung und Nomenklatur

Kohlenhydrate sind aliphatische Polyhydroxycarbonyl-Verbindungen. Je nach Stellung der OxoGruppe unterscheidet man Aldosen (Aldehyd-Zucker, endständige Oxo-Funktion) und Ketosen (Keto-Zucker, mittelständige Oxo-Funktion). Aldosen und Ketosen mit gleicher Kohlenstoff-Zahl sind Konstitutionsisomere der Summenformel CnH2nOn, die formal durch Oxidation einer c- bzw. d-ständigen Hydroxy-Gruppe eines Polyols (Zuckeralkohol) CnH2n+2On entstehen. H

C

O

CH2OH C O

CH 2OH

(HC OH) m

(HC OH) m / 1

(HC OH) m

CH2OH Aldose Polyhydroxyaldehyd

CH 2OH

CH2OH Polyol

Ketose Polyhydroxyketon

Je nach Anzahl der C-Atome in der Kette werden Aldosen und Ketosen als Triosen C3, Tetrosen C4, Pentosen C5, Hexosen C6 und Heptosen C7 bezeichnet. Glucose (Traubenzucker) und Fructose (Fruchtzucker) sind somit konstitutionsisomere Hexosen der Summenformel C6H12O6 (Traubenzucker); Glucose ist demnach eine Aldohexose, Fructose dagegen eine Ketohexose. Die kürzeste Aldose ist der D-Glyceraldehyd (frühere Bezeichnung Glycerinaldehyd), die kürzeste Ketose das 1,3-Dihydroxyaceton.

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39.1

Bedeutung, Klassifizierung und Nomenklatur der Zucker

H

843

O

C

CH2OH

H C OH

C O

HO C H H

O

C

H C OH

HO C H

H C OH

CH 2OH

H C OH

H C OH

C O

H C OH

CH 2OH

CH 2OH

CH2OH

D-Glyceraldehyd eine Aldotriose

D-Glucose eine Aldohexose

CH2OH

1,3-Dihydroxyaceton eine Ketotriose

D-Fructose eine Ketohexose

Aus den Triosen können durch schrittweise CC-Verknüpfungen die Familien der Aldosen und Ketosen (Abb. 39.1 und 39.2) abgeleitet werden. Trivialnamen ausgenommen, tragen Aldosen die Endsilbe -osen und Ketosen die Endsilbe -ulosen. Eine systematische Nomenklatur wurde auch für Kohlenhydrate vorgeschlagen, doch werden mit wenigen Ausnahmen die traditionellen Trivialnamen nach Abb. 39.1 und 39.2 bevorzugt. H

C

O

H

H C OH

C

O

H

HO C H

C

O

H

H C OH

O

H

H C OH H C OH

H C OH

H C OH

H C OH

H C OH

H C OH

H C OH

H C OH

H C OH

(+)-D-Allose H

C

(+)-D-Altrose

CH2OH

H

H C OH

C

HO C H H C OH

H C OH

H C OH

CH 2OH

C

H

H C OH

H C OH

C

O

HO C H HO C H

HO C H

HO C H

H C OH

CH2OH

H C OH

CH2OH

CH2OH

(/)-D-Idose (+)-D-Galactose (+)-D-Talose 8 Hexosen

C

O

H

H C OH

O

HO C H H C OH

CH2OH

CH2OH

(+)-D-Xylose

(/)-D-Lyxose HO

O

C

HO C H

H C OH

(/)-D-Arabinose

O

HO C H

HO C H

CH2OH

(/)-D-Ribose

H

HO C H

CH2OH

H

O

H C OH

H C OH

O

C

HO C H

HO C H

CH2OH

H C OH

C

H

(+)-D-Glucose (+)-D-Mannose (/)-D-Gulose

O

H

O

HO C H

H C OH

CH 2OH

C

HO C H

H C OH

CH 2OH

HO C H

C

C

4 Pentosen

O

HO C H

H C OH

H C OH

H C OH

CH2OH

CH 2OH

(/)-D-Erythrose

(+)-D-Threose H

C

2 Tetrosen

O

H C OH CH2OH

(+)-D-Glyceraldehyd (Glycerose)

1 Triose

Abb. 39.1. Stammbaum der diastereomeren D-Aldosen. Mnemotechnische Hilfe: Die Namen der Aldohexosen kann man sich durch folgenden (albernen) Satz einprägen: "All/e Alt/en G/änse M/öchten G/ern I/m Ga/rten Ta/nzen". Die Stellung der OH-Gruppen der Glucose-Formel ist von oben nach unten durch "tatütata" einprägbar (ta: OH-Gruppe nach rechts, tü: OH-Gruppe nach links)

Triosen und Tetrosen treten nur als Metaboliten (Stoffwechsel-Abbauprodukte) auf. Heptosen sowie höhere Zucker sind seltene Bestandteile von Zellwänden in Bakterien.

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844

39 Kohlenhydrate

CH2OH

CH 2OH

CH2OH

CH 2OH

C O

C O

C O

C O

H C OH

HO C H

H C OH

H C OH

H C OH

H C OH

CH2OH

(+)-D-Psicose (D-Allulose)

H C OH

HO C H

HO C H

HO C H

H C OH

CH 2OH

H C OH

CH2OH

(/)-D-Fructose (Levulose)

CH 2OH

(+)-D-Sorbose

(/)-D-Tagatose

CH2OH

CH2OH

C O

C O

H C OH

4 Hexulosen

HO C H

H C OH

H C OH

CH2OH

CH2OH

D-Ribulose (D-erythro-Pentulose, Adonose)

D-Xylulose (D-threo-Pentulose, D-Lyxulose)

2 Pentulosen

CH 2OH C O H C OH CH 2OH

D-glycero-Tetrulose (D-Erythrulose, D-Threulose)

1 Tetrulose

CH 2OH C O CH2OH

Dihydroxyaceton

Abb. 39.2. Familien der D-Ketosen

Wie andere Biopolymere teilt man Kohlenhydrate nach der Anzahl ihrer Bausteine ein: ̈" Monosaccharide sind freie Aldosen und Ketosen, die nicht weiter zu einfacheren Zuckern hydrolysieren; ̈" Oligosaccharide sind Di-, Tri-, Tetra-...-saccharide mit 2 bis 15 Zuckerbausteinen, die durch hydrolytische Spaltung frei werden; ̈" Polysaccharide sind Biopolymere mit über 15 bis zu mehreren Tausend Zuckerbausteinen; ̈" Homopolysaccharide enthalten eine Sorte von Monomeren, im Gegensatz zu Heteropolysacchariden mit verschiedenen Zuckerbausteinen. Glycoside enthalten acetalartig gebundene Nichtzucker-Komponenten; in Aminozuckern ersetzt eine Amino-Funktion eine Hydroxy-Gruppe.

39.2 Konstitution, relative und absolute Konfiguration Aldosen (Abb. 39.1) und Ketosen (Abb. 39.2) mit gleicher Summenformel unterscheiden sich durch die Stellung ihrer Oxo-Gruppe; solche Aldosen und Ketosen sind daher Konstitutions- und Funktionsisomere. Fructose (eine Ketose) ist z. B. ein Konstitutions- und Funktionsisomer der Glucose (eine Aldose).

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39.2

Konstitution, relative und absolute Konfiguration

845

Wird die Kette eines Kohlenhydrats unter Erhaltung der Konstitution und Konfiguration des Edukts verlängert, so gehört das resultierende Produkt in dieselbe Kohlenhydrat-Familie. Die Pentose (/)-Arabinose und die Hexose (+)-Mannose sind z. B. stereochemisch miteinander verwandt; sie gehören beide zur Familie der D-Aldosen. Arabinose und Mannose sind somit homologe Aldosen (Abb. 39.1). Die Aldohexosen (Abb. 39.1) enthalten vier asymmetrische C-Atome. Daher gibt es 24 = 16 Stereoisomere; diese sind acht Diastereomere mit unterschiedlicher relativer Konfiguration; dabei existiert jedes Diastereomer als ein Enantiomerenpaar. Abb 39.1 zeigt jeweils das D-Enantiomer der acht diastereomeren Aldohexosen. Die Ketohexosen mit drei asymmetrischen C-Atomen bilden 23 = 8 Stereoisomere, d. h. vier Diastereomere als Enantiomerenpaare (Abb. 39.2). Die absolute Konfiguration der Kohlenhydrate läßt sich nach der CAHN-INGOLD-PRELOGKonvention angeben; die korrekte Bezeichnung der rechtsdrehenden D-Glucose (Abb. 39.1) wäre z. B. (+)-2R,3S,4R,5R-2,3,4,5,6-Pentahydroxyhexanal. Bei Aminosäuren und Kohlenhydraten üblich ist dennoch die FISCHER-Konvention (Abschn. 17.4.1). Hierzu zeichnet man die FISCHERProjektionsformeln mit vertikaler Kohlenstoff-Kette so, daß die am höchsten oxidierten C-Atome (Aldehyd- oder Keto-Funktionen) oben liegen (Abb. 39.1, 39.2); alle horizontal gezeichneten Bindungen von den tetraedrischen C-Atomen zu OH und H ragen dann aus der Papierebene heraus. Die Bezifferung der C-Atome erfolgt von oben nach unten. Über die Zugehörigkeit zur D- bzw. L-Familie entscheidet allein die Konfiguration des letzten asymmetrischen C-Atoms der Kette (unten). Steht dort die Hydroxy-Gruppe nach rechts, gehört der Zucker zur D-Reihe (wie im D-Glyceraldehyd als Bezugssubstanz); steht die Hydroxy-Gruppe nach links, so ist es ein L-Monosaccharid. Abgesehen von wenigen Ausnahmen gehören alle natürlichen Zucker und ihre Derivate der D-Reihe an. H

1C

H

O

HO C H 5 CH

2OH

(/)-L-Xylose

O

H C OH

HO C H H C OH

1C

H

1C

O

HO C H 3 CH

2OH

(/)-L-Glyceraldehyd

H

1C

O

H C OH 3 CH

2OH

(+)-D-Glyceraldehyd

H C OH H C OH 5 CH

2OH

(/)-D-Ribose

E. FISCHER setzte bereits 1891 willkürlich die Konfiguration des Traubenzuckers als (+)-D-Glucose fest. Die Korrelation der D- und L-Reihen der Monosaccharide mit D- und L-Glyceraldehyd (Abb. 39.1) wurde von ROSANOFF (1906) vorgeschlagen und später durch RÖNTGEN-Strukturanalyse bestätigt (J. M. BIJVOET et al. 1951; Abschn. 17.5). In der D- und L-Reihe wird somit jeweils die Konfiguration am zweitletzten Kohlenstoff-Atom beibehalten. Entsprechend der Anzahl asymmetrischer C-Atome gibt es in der D-Reihe außer acht diastereomeren Hexosen vier diastereomere Pentosen und zwei diastereomere Tetrosen (Abb. 39.1). Vertauscht man zwei Substituenten an einem asymmetrischen C-Atom, so entspricht dies einer Konfigurationsumkehr (Epimerisierung). (+)-D-Glucose und (+)-D-Mannose sind z. B. 2-Epimere, weil sie durch Konfigurationsumkehr an C-2 (2-Epimerisierung) ineinander umwandelbar sind. DGlucose und D-Galactose sind dagegen 4-Epimere. Epimere sind Diastereomere mit mehreren Asymmetriezentren, die sich durch die absolute Konfiguration nur eines asymmetrischen C-Atoms unterscheiden.

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846

39 Kohlenhydrate

H

C

O

H

1C

H

O

2

H C OH

2

HO C H

4-Epimerisierung

4

HO C H

2-Epimerisierung

4

HO C H H C OH

O

HO C H

H C OH

HO C H

C

H C OH

H C OH

H C OH

H C OH

CH 2OH

CH 2OH

(+)-D-Galactose

(+)-D-Glucose

CH2OH (+)-D-Mannose

Von den Zuckernamen leiten sich einige Konfigurationskürzel ab (Tab. 39.1), die meist auf Zukkerderivate, aber auch auf andere Verbindungen übertragen werden. Die Konfiguration des "Mittelstücks" einer Aldose kann in Form eines Präfix vor die Bezeichnung der Verbindung gestellt werden. Oft benutzte Konfigurations-Präfices sind "erythro-" und "threo-". Tab. 39.1. Konfigurationsbezeichnungen von Polyol-Fragmenten, die sich aus der Aldose-Reihe ableiten C-Atome

Formel und Präfix Y

Y

H C OH 4

Y

HO C H

Y

H C OH HO C H

Y

H C OH

HO C H

Y

HO C H

H C OH

Y

H C OH

H C OH

H C OH

H C OH

H C OH

H C OH

H C OH

H C OH

H C OH

H C OH

H C OH

H C OH

H C OH

X

X

X

X

X

X

X

X

D-allo-

D-altro-

D-gluco-

D-manno-

D-gulo-

D-ido-

D-galacto- (gala)

D-talo-

HO C H

Y

Y

H C OH

HO C H

H C OH

HO C H

HO C H

H C OH H C OH

H C OH

X

X

X

HO C H

HO C H

D-arabino- (arabo)

H C OH

Y

H C OH

HO C H H C OH X

D-xylo-

D-lyxo-

Y

Y

H C OH

2

HO C H

HO C H

H C OH

H C OH D-ribo-

HO C H

Y

HO C H

H C OH 3

Y

HO C H

HO C H

H C OH

H C OH

X

X

D-erythro-

D-threo-

Y 1

H C OH X D-glycero-

Die absolute Konfiguration ist vor allem für enzymatische Umwandlungen von Bedeutung. So führt die enzymatische Phosphorylierung des prochiralen Triols Glycerol als Substrat zum chiralen Phosphorsäureester (/)-Glycerolphosphat. Nach Anheftung an das chirale Enzym wird selektiv eine der beiden Hydroxymethyl-Gruppen des symmetrischen Glycerols phosphoryliert. prochirales Glycerol

ATP

HO

HOH 2C

ADP C

HOH 2C HO

chirales Enzym

HO

H

O P

chirales Glycerolphosphat

O H 2C C HOH 2C HO

H

chirales Enzym

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39.3

Cyclohalbacetal-Formen und Konformation

847

Ist auch das Substrat chiral, wie Glyceraldehyd, so setzt ein Enzym, hier Glycerin-Kinase, selektiv eines der beiden Enantiomeren um. In diesem Fall reagiert nur der Enzym/Substrat-Komplex des (+)-D-Glyceraldehyds, nicht jedoch der dazu diastereomere Komplex mit dem enantiomeren LGlyceraldehyd. O H

ATP

C

C HOH2C

O D-Glyceraldehyd

H

H

O

OH

Kinase

HO P O H 2C Enantiomere

H

ATP

C

H

OH

O

Kinase-D-Substrat-Komplex

Diastereomere

C

C

OH L-Glyceraldehyd

HOH2C C H O

keine Phosphorylierung

Kinase

Kinase-L-Substrat-Komplex

39.3 Cyclohalbacetal-Formen und Konformation 39.3.1

Halbacetal-Bildung

Zuckermoleküle enthalten sowohl eine Oxo-Funktion als auch alkoholische Hydroxy-Gruppen. Eine typische Reaktion beider Gruppierungen ist die nucleophile Addition des Alkohols an die Oxo-Gruppe zum Halb- oder Hemiacetal. Hemiacetale und Acetale [R1/CH(OR2)2] werden in wäßrig saurem Medium hydrolysiert und sind gegen Alkali stabil. OH

O R1

+ 2 R2

C

R1

OH

H

C

OR2

/ H2O

OR2

+

R2

R1

OH

C

OR2

H Acetal

H Hemiacetal

Im Kristall und in Lösungen cyclisieren alle freien Monosaccharide (Aldosen und Ketosen) überwiegend zu Halbacetalen. Die Cyclisierung bedeutet einen Gewinn an freier Energie gegenüber der acyclischen (nicht ringförmigen, offenkettigen) Form. So liegt Glucose in wäßriger Lösung nur zu 0.0026 % acyclisch vor. Je nach Ringgröße der Halbacetale (Hemiacetale) unterscheidet man Furanosen (Fünfring, von Furan abgeleitet) und Pyranosen (Sechsring, von Pyran abgeleitet). H

1

C

OH

H C OH HO C H 4

H C

1

C

O

H C OH HO C H

O

H C OH 6

CH2OH

D-Glucofuranose mit TetrahydrofuranRing

O

H

4

H

1

C

O

H C OH HO C H

H C OH

H C OH

H C OH

H C OH

6

CH 2OH

D-Glucose Hemiacetal mit 4-OH

5 6

CH2OH

D-Glucose Hemiacetal mit 5-OH

H

1

C

OH

H C OH HO C H H C OH 5

H C

O

6

CH 2OH

D-Glucopyranose mit TetrahydropyranRing

O

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848

39 Kohlenhydrate

Die Cyclohalbacetal-Formen der Glucose bilden sich durch intramolekulare nucleophile Addition der Hydroxy-Gruppe an C-5 bzw. C-4 an die Aldehyd-Funktion. Der Übergang von der offenkettigen "al-Form" (al von Aldehyd) kann durch zweimalige Substituentenvertauschung an C-5 bzw. C-4 korrekt formuliert werden (eine zweimalige Substituentenvertauschung an einem asymmetrischen C-Atom ändert dessen absolute Konfiguration nicht). H

H H

H

H

6

CH2OH 5 O C1 OH OH H H

HO HO

1. Substituententausch an C-5

H

HO HO

OH

O

5 6

H

CH2 OH OH

C1

H 6 HO CH2 H OH HO 5 O HO C1 H OH H H

2. Substituententausch an C-5

H

Cyclisierung

H

1

C

H

O HO HO HO

H C OH HO C H

H

6

CH2

H 1

H

H C OH

OH

H

H

O

5

OH

H

OH

H

-D-Glucopyranose

5

H C OH

6

CH 2

HO HO und HO

O

5

D-Glucose (al-Form)

4

H

1

OH

H

-D-Glucopyranose

6

CH2OH 6

CH 2OH

4

HO HO

6

CH2OH O C1 OH OH H

1. Substituententausch an C-4

4

OH OH

O 1

OH 6

CH 2OH

H

HO

2. Substituententausch an C-4

4

OH OH

O 1

OH

H

OH Cyclisierung

CH2OH

CH2OH HO

OH O

OH

OH O

HO und

OH OH

OH

-D-Glucofuranose

-D-Glucofuranose

Abb. 39.3. Cyclisierung der D-Glucose zu c- und d-D-Glucopyranosen sowie c- und d-D-Glucofuranosen

Konformationsanalysen zeigen, daß die beiden D-Glucopyranosen als Sesselkonformere vorliegen, wie sie vom Cyclohexan bekannt sind (Abb. 39.3). Zur einfacheren Darstellung der Pyranosen werden anstelle der Sessel-Konformeren oft die HAWORTH-Projektionsformeln gezeichnet: - D - Gl u c o p y r a n o s e

HO HO

-D-Glucopyranose

CH 2OH

CH2OH

5

O

OH

5 1

OH

OH

Sessel-Form

O 1

OH

OH

CH2OH

CH 2OH

OH HAWORTH-Projektion

HO HO

5

O 5

OH

OH OH

1

Sessel-Form

O

OH 1

OH OH HAWORTH-Projektion

Die Bildung des Cyclohalbacetals (Lactols) erzeugt am ehemaligen Carbonyl-C-Atom ein zusätzliches Asymmetriezentrum. Da die C-5/OH-Funktion von beiden Seiten an die prochirale Carbonyl-Gruppe addieren kann, entstehen zwei Diastereomere, die c-D-Glucopyranose mit axialer OH-Funktion an C-1 cis zur OH-Gruppe an C-2 und die d-D-Glucopyranose mit äquatorialer OHFunktion an C-1 trans zur OH-Gruppe an C-2 (Abb. 39.3). Die als Halbacetal maskierte CarbonylFunktion C-1 ist das "anomere Kohlenstoff-Atom"; c- und d-D-Pyranose-Paare können als Ano-

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39.3

Cyclohalbacetal-Formen und Konformation

849

mere bezeichnet werden. In dieser Terminologie ist die Konfigurationsumkehr an C-1 von der czur d-D-Glucopyranose eine Anomerisierung oder 1-Epimerisierung. Tab. 39.2 stellt die Aldopyranosen und Aldofuranosen, Tab. 39.3 die Ketopyranosen und Ketofuranosen als Cyclohalbacetale bzw. -ketale der wichtigsten Monosaccharide zusammen. Gezeichnet sind die HAWORTH-Projektionsformeln ohne Festlegung der Konfiguration (c- oder d-) am anomeren C-Atom. Die beiden diastereomeren D-Glucopyranosen werden als c-D-Glucopyranose (anomere Hydroxy-Gruppe unterhalb der Ringebene, Abb. 39.3) und d-D-Glucopyranose (anomere Hydroxy-Gruppe oberhalb der Ringebene), die beiden weniger stabilen Furanosen als c- und dD-Glucofuranosen (Tab. 39.2) bezeichnet. Tab. 39.2. Cyclohalbacetal-Formen der D-Aldosen (Aldopyranosen und Aldofuranosen) D-Aldopyranosen O

O HO

OH OH

OH

OH

O

OH

OH OH D-Arabino-

OH D-Xylo-

CH2OH

CH2OH

CH2OH

O

O HO

O

OH

OH

OH

OH

CH2OH OH

O HO

OH OH OH D-Gulo-

CH2OH O OH HO

OH

D-Mannopyranose CH2OH

CH2OH OH OH

OH

OH

O OH

OH D-Galacto-

OH D-Ido-

OH

OH OH D-Gluco-

CH2OH OH

O

D-Lyxopyranose

OH OH D-Altro-

OH OH D-Allo-

OH

OH

OH OH D-Ribo-

OH

O OH HO

OH

O OH HO

OH

D-Talopyranose

D-Aldofuranosen O

O OH

OH

OH OH D-ErythroHOH2C

OH D-Threofuranose HOH2C

O

OH

HOH2C

O HO

OH

OH D-Arabino-

OH OH D-RiboHOH2C

HO

O

OH

OH OH D-AlloO

O HO

O HO

OH

D-Gulo-

HO OH

HOH2C OH D-Ido-

HO

O OH

O OH HO

OH

O OH HOH2C

OH

D-Lyxofuranose

OH D-GlucoOH

O OH HO

HOH2C OH

D-Mannofuranose O OH HO

OH

OH

HO

HO

HO

HOH2C OH

OH

HOH2C

OH D-AltroOH

HO

HOH2C

O OH OH D-Xylo-

HOH2C

HO

OH

OH D-Galacto-

HOH2C D-Talofuranose

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850

39 Kohlenhydrate

Tab. 39.3. Cyclohalbketal-Formen der Ketohexosen und Ketopentosen (Ketopyranosen und Ketofuranosen) D-Ketopyranosen OH

O

CH 2OH

OH

OH

O HO

OH

CH 2OH

OH

D-Ketofuranosen

OH

O

O OH

CH 2OH

HOH2 C

OH

O

CH 2OH OH OH D-Psico-

39.3.2

OH

O OH HO

CH 2OH

OH

OH D-Sorbo-

OH OH D-RibuloHOH2 C

OH CH 2OH

OH

OH D-Fructo-

OH OH D-Psico-

O

D-Tagatopyranose

OH CH 2OH

OH D-Xylulofuranose HOH2C

OH

O HO

CH 2OH

O OH

HOH2C

OH CH 2OH

OH D-Sorbo-

OH D-Fructo-

OH

O OH HO

CH 2OH

D-Tagatofuranose

Gleichgewichte der Pyranosen und Furanosen

Die acyclische al-Form der Glucose ist nicht isolierbar, tritt jedoch in wäßriger Lösung als Intermediat eines Gleichgewichts zwischen c- und d-D-Glucopyranose auf. Beide Stereoisomere sind kristallisierbar (c aus Wasser, d aus Pyridin), besitzen neben verschiedenen spezifischen Drehwerten (Abb. 39.4) auch unterschiedliche Schmelzpunkte (c: 146 °C, d: 150 °C) und Spektren, weil sie diastereomer sind.

OH an C-1 unterhalb des Rings bzw. nach rechts in der FISCHER-Projektion H

1

C

H

C

HO C H H

4 5 6

C

OH an C-1 oberhalb des Rings bzw. nach links in der FISCHER-Projektion H 1 O C

OH CH2OH

OH H OH

H

O

O

C

HO C

OH OH OH

H

OH

C

H

4 5 6

CH2OH c-D-Glucopyranose ,

H 6 CH2

HO HO HO

20 [c] D = + 113°

O 5

H

H

H

OH

C

OH

C

OH

O

CH2OH d-D-Glucopyranose ,

HO O

5

1

H H

H H

H C1

OH H

HO HO

C

HO C

OH

OH

HO HO

H

OH

OH

H 6 CH2

OH

H OH OH- an C-1 axial : weniger stabil

OH

D-Glucose (al-Form)

HO

H

1

HO C H CH2OH

H 6 CH2

4 5

C

OH H

O

OH

C

6 CH2OH 20 [c] D = + 19°

H O

5

H

OH 1

OH

H H OH an C-1 äquatorial : stabile all-äquatorial-Konfiguration

Abb. 39.4. Gleichgewicht zwischen der al-Form und der c- sowie d-D-Glucopyranose (FISCHER-TOLLENSRingformeln, HAWORTH-Projektionsformeln und Stereoformeln)

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39.3

Cyclohalbacetal-Formen und Konformation

851

Wie die Aldohexose Glucose liegt die Ketohexose (/)-D-Fructose in Lösung überwiegend als cund d-Anomerenmischung der Pyranose-Form vor (Abb. 39.5). Aus Lösungen kristallisiert nur die d-D-Fructopyranose. O HO

CH2OH

O HO CH2OH

OH

OH

OH c-D-Fructopyranose

C HO C

HOH2C

O HO

CH2OH

CH2OH OH """"""""""d -D-Fructopyranose (stabilste Form, kristallisierbar) OH

O H

H

C

OH

H

C

OH HOH2C

CH2OH D-Fructose (instabile Keto-Form)

OH

OH

O HO

OH CH2OH

OH c-D-Fructofuranose

OH d -D-Fructofuranose

Abb. 39.5. Gleichgewicht zwischen der Keto-Form und den anomeren Pyranosen und Furanosen der Ketohexose (/)-D-Fructose

39.3.3

Mutarotation

Löst man Kristalle der c- und der d-D-Glucopyranose in getrennten Gefäßen in Wasser und mißt jeweils nach gleichen Zeiten die spezifische Drehung der Lösungen mit einem Polarimeter, so sinkt der Drehwert der c-Pyranose-Lösung von zunächst +113° auf den Endwert +52.5°, während er bei der d-Pyranose-Lösung von zunächst +19° auf ebenfalls +52.5° ansteigt. Die in wäßriger Lösung offensichtlich stabilere d-D-Glucopyranose dominiert im Gleichgewicht mit 62 % gegenüber der c-Form (38 %), unabhängig vom kristallinen Anomer, aus dem die Lösung hergestellt wird. Das über die offenkettige Polyhydroxycarbonyl-Zwischenstufe (Abb. 39.4) ablaufende Gleichgewicht zwischen c- und d-Glucopyranose ist als Mutarotation bekannt (lat. mutare = ändern, DUBRUNFANT 1846) und eine Variante der Oxo-Cyclo-Tautomerie. Die Mutarotation wird durch Temperaturerhöhung oder in alkalischen Lösungen (pH > 7) beschleunigt. Tab. 39.4 gibt Zusammensetzungen wäßriger Aldose-Lösungen nach Einstellung des Mutarotations-Gleichgewichts. Tab. 39.4. Gleichgewichtszusammensetzungen (Gew. %) wäßriger Aldose-Lösungen c-Pyranose

d-Pyranose

c-Furanose

d -Furanose

Allose Altrose Glucose Mannose Gulose Idose Galactose Talose

18 27 36 67 22 31 27 40

70 40 64 33 78 37 73 29

5 20

7 13

Ribose Arabinose Xylose Lyxose

21.5 61 35 71

58.5 35 65 29

Monosaccarid

Furanosen insgesamt

<1 <1 <1 16

16

20

11

<1 6.5 2

13.5 2 <1

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852

39 Kohlenhydrate

Auch Fructose zeigt Mutarotation. Wie bei der Glucose sind die beiden anomeren FuranoseFormen in wäßriger Lösung kaum am Mutarotations-Gleichgewicht beteiligt.

39.3.4

Konformation der Pyranosen und anomerer Effekt

Abb. 39.4 macht klar, daß die d-D-Glucopyranose besonders stabil ist, weil alle raumfüllenden Hydroxy-Funktionen einschließlich der Hydroxymethyl-Gruppe äquatorial stehen und sich sterisch nicht behindern. Durch Ringinversion würde ein Konformer entstehen, in dem alle sperrigen Substituenten axial stünden; die damit verbundenen sterischen Wechselwirkungen (VAN-DERWAALS-Spannung) würden dieses Konformer destabilisieren. CH2OH OH 5 O 3

CH2OH HO HO

O 3

5

2

OH

X

OH

OH

OH

2

OH

4C -Konformer 1

1C -Konformer 4

all-äquatorial, stabil

all-axial, nicht existent

Die beiden invertierbaren Sessel-Konformere der Pyranosen werden als 4C1- und 1C4-Konformere bezeichnet. Im 4C1-Konformer steht C-4 oben und C-1 unten bezüglich der aus C-2, C-3, C-5 und O gebildeten "Sitzfläche" des Sessels "C" von engl. chair; im 1C4-Konformer steht C-1 oben und C-4 unten. Wie spektroskopische Messungen zeigen, existieren c- und d-D-Glucopyranose als 4 C1-Konformere ohne (d) bzw. mit wenig VAN-DER-WAALS-Spannung (c). Neben sterischen Faktoren spielen am anomeren C-Atom (Acetal-C, Lactol-C) auch elektrostatische Wechselwirkungen der C/O-Bindungen und der nichtbindenden Elektronenpaare am RingO-Atom eine Rolle, die man unter dem Begriff "anomerer Effekt" zusammenfaßt (Abb. 39.6).

O

O

O

O OH

a

b

nichtbindende Elektronenpaare des Tetrahydropyran-O-Atoms auf sp3-Hybridorbitalen

resultierendes Dipolmoment

c """""""""d -Pyranose: äquatoriale OH-Gruppe verstärkt resultierendes Dipolmoment

d

OH

""""""""""c-Pyranose: axiale OH-Gruppe schwächt resultierendes Dipolmoment

Abb. 39.6. Zur Erklärung des anomeren Effekts bei c- und d-Pyranosen

Die nichtbindenden Elektronenpaare des Ring-O-Atoms der Pyranosen besetzen ein axiales und ein äquatoriales sp3-Hybridorbital (Abb. 39.6 a). Das resultierende Dipolmoment (b) steht dort annähernd äquorial und parallel zur äquatorialen C/O-Bindung im Ring sowie zur äquatorialen OHBindung im d-Anomer. Dessen resultierendes Dipolmoment (c) ist größer als im c-Anomer, in dem die axiale OH-Bindung das resultierende Dipolmoment schwächt (d). Der anomere Effekt begünstigt also das c-Anomer; tatsächlich kristallisiert die c-D-Glucopyranose und nicht das d-Anomer aus wäßriger Lösung. In Wasser dominiert dagegen die d-D-Glucopyranose, weil die nichtbindenden Elektronenpaare des Pyranose-Ring-O-Atoms Wassermoleküle durch H-Brücken binden, so daß die sterische Begünstigung der all-äquatorial-Konfiguration zum Tragen kommt. In D-

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39.3

Cyclohalbacetal-Formen und Konformation

853

Mannopyranose kompensieren sich die Dipolmomente der axialen OH-Gruppen an C-2 und C-1, so daß sich die c": d-Verhältnisse des Mutarotationsgleichgewichts in wäßriger Lösung umkehren (Tab. 39.4).

39.3.5

NMR-Spektroskopie

Aus den NMR-Spektren der Zucker ergeben sich die relative Konfiguration von Hydroxy-Gruppen, die Konformation der Pyranose-Ringe und thermodynamische Daten, z. B. über das Mutarotationsgleichgewicht in wäßriger Lösung. 1H-NMR-Spektren nicht derivatisierter Zucker werden in Deuteriumoxid-Lösung (D2O) gemessen; infolge des Deuterium-Protonen-Austauschs (Abschn. 28.5.10) entziehen sich dabei die OH-Protonen der Messung, was die 1H-NMR-Spektren vereinfacht. NMR-Spektren peracetylierter Zucker können in organischen Lösemitteln gemessen werden. Bei vergleichbarer Konstitution zeigen äquatoriale Ring-Protonen He größere Verschiebungen als axiale Ha, wie die 1H-Verschiebungen der anomeren Protonen 1-H einiger peracetylierter Pyranosen (in Deuteriochloroform) zeigen: Penta-O-acetyl-c-D-galactopyranose d

1-He

fH 6.36

1-Ha

5.74

Penta-O-acetyl-c-D-gulopyranose

1-He

6.22

d" "

1-Ha

6.00

Penta-O-acetyl-c-D-mannopyranose d

1-He

6.09

1-Ha

5.93

Mißt man D-Glucose in Deuteriumoxid, so beobachtet man für 1-H zwei Dubletts (Dubletts infolge der vicinalen Kopplung mit 2-H). Das bei tieferem Feld erscheinende Dublett gehört zur c-DGlucose mit axialer OH-Gruppe und äquatorialem Ring-Proton (fH = 5.22, äquatorial-axialKopplung 3Jae = 3.0 Hz mit 2-H); das entsprechende Signal der d-D-Glucopyranose erscheint bei höherem Feld (fH = 4.63, diaxial-Kopplung 3Jaa = 7.4 Hz mit 2-H). Die beiden 3J-Werte folgen der KARPLUS-CONROY-Beziehung zwischen der vicinalen Kopplungskonstanten und dem Interplanarwinkel H der betroffenen CH-Bindungen (Abschn. 28.5.8), wie die Sessel-Konformere der Glucopyranosen und ihre NEWMAN-Projektionen zeigen: Ha

HO CH2 H a O HO 2 HO OH

O 1

OH

He 2

He

OH

C-3 OH

"""c-D-Glucopyranose Interplanarwinkel H ea = 60° , 3Jea = 3.0 Hz f(1-H) = 5.22

Ha

HO CH 2 H a O HO 2 HO OH

O 1

Ha

OH 2

OH

OH

C-3 Ha

"""""d-D-Glucopyranose Interplanarwinkel H aa = 180° , 3Jaa = 7.4 Hz f(1-H) = 4.63

Diese Kopplungskonstanten beweisen auch das Vorliegen der 4C1-Konformation der c- und d-DGlucopyranose: Nach Inversion in das 1C4-Konformer würden alle OH-Gruppen der d-D-Glucopyranose axial stehen, und das nun äquatoriale anomere 1-H würde eine vicinale Kopplung von 3 Jee = 3 Hz aufweisen (Interplanarwinkel H = 60°). Mißt man nach Auflösen kristallisierter c-D-Glucose in verschiedenen Zeitabständen die 13CNMR-Spektren (Abb. 39.7, untere Spektrenserie), so läßt sich die Einstellung des Mutarotations-

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854

39 Kohlenhydrate

Gleichgewichts übersichtlich verfolgen: Man erkennt, wie die Signale der c-D-Glucopyranose mit der Zeit an Intensität ab-, die des d-Anomeren dagegen zunehmen, bis nach etwa 5 h die Gleichgewichtszusammensetzung (Tab. 39.4) erreicht ist. Nach 5 h haben sich die Signalintensitäten der c- und d-D-Glucopyranose umgekehrt zugunsten der dann dominierenden d-Form (oberes Spektrum).

Abb. 39.7. Zeitabhängigkeit des protonen-breitbandentkoppelten C-NMR-Spektrums der c-D-Glucose nach Auflösen in Deuteriumoxid (c = 2 mol / L, 20.1 MHz), unten nach 15 - 90 min, oben im Gleichgewicht nach 5h 13

39.4 Carbonyl-Reaktionen der Kohlenhydrate Kohlenhydrate können sowohl Carbonyl- als auch Alkohol-Reaktionen eingehen. Einige typische Aldehyd- und Keton-Reaktionen lassen sich allerdings nicht beobachten, da die freien Aldehydund Keto-Funktionen nur zu einem extrem geringen Anteil vorliegen. Abb. 39.8 vermittelt einen Überblick einiger typischer Reaktionen der Monosaccharide. Durch selektive Abbau- bzw. Aufbauschritte kann die Kohlenstoff-Kette von Monosacchariden verkürzt oder verlängert werden. Ferner sind selektive Spaltungen mittelständiger CC-Bindungen möglich.

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39.4

Carbonyl-Reaktionen der Kohlenhydrate

855

Polyalkohole

Glycoside

Reduktion

Acetalisierung

Di-, Oligo-, Polysaccharide Oligomerisierung

Monosaccharide Oxidation schwach

Derivatisierung stark

Polyhydroxymonocarbonsäuren -on-Säuren

Osazone mit Phenylhydrazin Ester (Acetate, Benzoate) Ether (O-Methyl-, O-Trimethylsilylether) Acetale, Ketale (Benzyliden- und Isopropyliden-Derivate)

Polyhydroxydicarbonsäuren -ar-Säuren

Abb. 39.8. Reaktionen der Monosaccharide, Übersicht

39.4.1

Kettenverlängerung

Bei der Cyanhydrin-Synthese (Abschn. 20.10.4) nach KILIANI (1886) und FISCHER werden wäßrige Monosaccharid-Lösungen mit Alkali-Cyaniden versetzt. Dabei entstehen aus den acyclischen Oxo-Formen von Aldosen und Ketosen diastereomere Cyanhydrine (Glyconsäurenitrile), die ohne Isolierung zu Onsäuren (Glycon- oder Aldonsäuren) verseift werden. Nach Trennung der Salze der diastereomeren Onsäuren cyclodehydratisieren diese spontan zu Lactonen. Die bevorzugt gebildeten Fünfring-Lactone (i-Lactone) werden zu den epimeren Kohlenhydraten reduziert, deren Kette nun um ein C-Atom verlängert bzw. im Fall der Ketosen verzweigt ist; D-Arabinose wird auf diese Weise zu D-Glucose und D-Mannose homologisiert. Aus 13C- bzw. 14C-markiertem Kaliumcyanid können nach diesem Prinzip spezifisch markierte Monosaccharide, z. B. für Stoffwechseluntersuchungen, dargestellt werden. N

N

C H

C

O

HO C H

+ 2 HCN pH = 9

HO C H

HO C H und

HO C H

H C OH

H C OH

H C OH

H C OH

H C OH

H C OH

CH2OH D-Arabinose

CH2OH

CO2

C

H C OH

+ 2 H2O, / + 2 OH

/ 2 NH3

CO2

H C OH

HO C H

HO C H

HO C H

und

H C OH

H C OH

H C OH

H C OH

CH2OH

CH2OH

CH2OH D-Gluconat D-Mannonat diastereomere Aldonate

D-Gluconsäurenitril D-Mannonsäurenitril diastereomere Cyanhydrine

+ 2 H3 O+

/ 4 H2O HOH2 C

HOH2C HO

HO

O OH

O OH HO

O und

OH i-D-Gluconolacton

i-D-Mannonolacton

Na / Hg

pH = 3

CH2 OH OH

O

OH

O

CH2OH O OH HO

OH und

OH

OH OH D-Glucose

D-Mannose

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856

39 Kohlenhydrate

Bei der Bildung der Glyconsäurenitrile wird eine pH-abhängige Stereoselektivität beobachtet: in saurem Medium wird bevorzugt Mannonsäurenitril, im alkalischen überwiegend Gluconsäurenitril erhalten. Auch die NEF-Reaktion (Abschn. 20.5.3) eignet sich zur Kettenverlängerung von Monosacchariden. Hierbei wird das CH-acide Nitromethan (sowie Nitroethan und Nitroethanol) in alkalischer Lösung mit Aldosen und Ketosen zu epimeren Nitropolyolen umgesetzt. Diese Diastereomere kristallisieren als Natriumnitronate (Natrium-Salze der aci-Nitropolyol-Formen) aus und können durch fraktionierende Kristallisation getrennt werden. Anschließend wird die CN-Doppelbindung der Nitronate mit starker Mineralsäure zur Aldose hydrolysiert. Mit D-Ribose und Nitroethanol führt diese Reaktionsfolge zu der biologisch bedeutenden Ketose D-Sedoheptulose. O H H

C

/

+

+ [CH2 NO2] Na

O

C

N

O H

O Na

H C OH

C

N

O Na

HO C H

H + H2 O (H 2SO4) / NaNO3

C

O

H

H C OH H C OH

C

O

HO C H

H C OH

H C OH

H C OH

H C OH

H C OH

H C OH

H C OH

H C OH

H C OH

H C OH

H C OH

H C OH

und

CH 2OH

CH 2OH D-Ribose

H C OH

CH 2OH

CH 2OH

D-Allose

epimere Polyhydroxynitronate

+

CH2

OH

CH2 NO2 + H3 CONa / H3 COH

CH2OH

CH2OH

C NO2 Na

C NO2 Na

H C OH R

und

HO C H R

und

H C OH

CH2OH D-Altrose CH 2OH

Epimerentrennung

+ H2 O (H2 SO4 ) / NaNO3

C O HO C H H C OH H C OH H C OH CH 2OH D-Sedoheptulose

Auch Carbonyl-Alkenylierungen (WITTIG-Reaktion, Abschn. 20.10.2) können zur Kettenverlängerung herangezogen werden. Ferner führen Ethinylierungen (Abschn. 20.10.6) sowie Malonester-Synthesen mit Diethylmalonat (KNOEVENAGEL-Reaktion, Abschn. 18.5.8) unter Einsatz von Hydroxy-Schutzgruppen über mehrstufige Synthesen zu höheren Zuckern.

39.4.2

Reduktion zu Polyolen

Monosaccharide können elektrochemisch, durch katalytische Hydrierung sowie mit Natriumamalgam, Natrium- oder Kaliumborhydrid zu Polyolen (Zuckeralkohole, Alditole) reduziert werden. Aldopentosen und -hexosen werden dabei in Pentite und Hexite einer Konfiguration übergeführt. Die weitere Reduktion der Polyole mit Iodwasserstoff führt zu Iodalkanen. Der aus D-Glucose hergestellte Süßstoff D-Glucit (D-Reihe!) ist identisch mit dem Reduktionsprodukt L-Gulit (L-Reihe!) der L-Gulose und einem der beiden diastereomeren Reduktionsprodukte der Ketohexose L-Sorbose (Tab. 39.3). Die Identität von D-Glucit und L-Gulit bzw. DSorbit erkennt man nach Drehen der Projektionsformel um 180°.

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39.4

Carbonyl-Reaktionen der Kohlenhydrate

857

CH 2OH HO HO

CH 2OH O

Na / Hg , OH in H2O

CH3

H C OH

/

CH

HO C H

OH OH

HI , Hitze

H C OH

CH2

H C OH

CH2

CH 2OH c- und d-D-Glucose

I

CH2

CH3 2-Iodhexan

D-Glucit (= D-Sorbit = L-Gulit)

Ketosen geben nach Reduktion der Oxo-Gruppe ein Polyol-Diastereomerenpaar; so entstehen aus D-Fructose der optisch aktive D-Sorbit und der optisch inaktive D-Mannit. Polyole sind wichtige Zwischenstufen der präparativen Zuckerchemie. CH2OH

CH 2OH C O

Na / Hg , OH in H2O

HO C H

CH2OH

H C OH

/

HO C H

H C OH

H C OH

H C OH

H C OH

HO C H HO C H

und

H C OH H C OH

CH2OH

CH 2OH D-Fructose

D-Sorbit

(Epimere)

CH2OH D-Mannit

D-Mannit und andere Polyole sind u. a. Stoffwechselprodukte einiger Mikroorganismen. Nach Veresterung mit Fettsäuren finden manche Polyole technische Verwendung als Detergentien.

39.4.3

Oxidation endständiger Gruppen

Je nach Art der eingesetzten Oxidationsmittel lassen sich Monosaccharide durch Oxidation der Formyl- und der Hydroxymethyl-Gruppen in Onsäuren, Arsäuren (Zuckersäuren) oder Uronsäuren überführen. Von der D-Glucose leiten sich On-, Ar- und Uronsäuren ab: CO2H

CO2H

CHO

H C OH

H C OH

H C OH

HO C H

HO C H

HO C H

H C OH

H C OH

H C OH

H C OH

H C OH

H C OH

CO2H

CH 2OH D-Gluconsäure (eine Onsäure)

D-Glucarsäure = Zuckersäure (eine Arsäure)

CO2H D-Glucuronsäure (eine Uronsäure)

Schwache Oxidationsmittel (Br2 , I2 , verd. HNO3 ) oxidieren Aldosen durch Zweielektronen-Übertragung zu Onsäuren (Polyhydroxymonocarbonsäuren, Aldonsäuren, Glyconsäuren). HO HO

CH 2OH O

+ Br 2 (pH = 3-7)

O

/ Br

/

HO HO

CH2OH O O Br

OH H

OH

CO2H

/ HBr

HO HO

H C OH HO C H

CH2OH O OH

O

f-D-Gluconolacton labil

+ H 2O (pH > 3)

H C OH

/ H 2O (pH < 3)

H C OH

CH2OH D-Gluconsäure als Salz (Gluconat) isolierbar

HOH 2C HO

O OH

O OH

D-Gluconsäure-i-lacton stabil

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858

39 Kohlenhydrate

Die 1-He-Atome am anomeren C der c-Pyranosen sind oxidativ schwerer angreifbar als die 1-HaAtome der d-Anomeren; zudem bilden d-Pyranosen leichter Pyranosid-Anionen als c-Pyranosen. Daher werden c-Pyranosen langsamer zu Onsäuren oxidiert. Die aus Aldosen erzeugten Aldolactone können zu Aldarsäuren weiter oxidiert und mit Natriumamalgam in alkalischen Medium zu Alditolen, in saurem Medium dagegen wieder zu den Aldosen reduziert werden. Durch Erhitzen mit Basen wie Pyridin epimerisieren Onsäuren leicht in c-Stellung zur CarboxyFunktion; daher kann D-Glucose in D-Mannose übergeführt werden: Pyridin

Oxidation

D-Glucose

Reduktion

D-Gluconsäure

D-Mannonsäure

D-Mannose

Stärkere Oxidationsmittel (konz. HNO3) oxidieren Aldosen bis zur Stufe der Arsäuren (Polyhydroxydicarbonsäuren, Zuckersäuren, Glykarsäuren). CHO H C OH

CO2H

HNO3 / NaNO2 0 °C

CHO

H C OH

H C OH

H C OH

CH 2OH

HO C H H C OH

H C OH

CO2H

D-Erythrose

CO2H

HNO3 / NaNO2 0 °C

HO C H

CO2H D-Weinsäure

CH2OH

meso-Weinsäure

D-Threose

CO2H

CO2H HO HO

HO

H C OH

CH 2OH O

HNO3 (50 %)

HO C H

OH

HNO3 (50 %)

HO

H C OH

OH

H C OH

CH2OH O

HO C H

OH

HO C H

OH

H C OH

H C OH CO2H D-Galactarsäure (Schleimsäure; Salze: Mucate)

CO2H D-Glucose

D-Glucarsäure (L-Gularsäure)

D-Galactose

Diese sind als Salze isolierbar; in freier Form liegen nur die aus Erythrose und Threose entstehenden Weinsäuren vor. Längerkettige Arsäuren wie D-Glucarsäure (Zuckersäure) können verschiedene Mono- und Dilactone bilden. O

O

C

H C OH HO C H H C

HO

H C OH HO C H

O

H C OH C

O

C

O

D-Glucarsäure1,4-monolacton

C

H C OH O

O

OH

C H

O

C

H C OH O

C H

O

H C OH

H C OH

H C

H C

H C OH

H C OH

C

C

HO

C

O O

D-Glucarsäure1,5-monolacton

O

D-Glucarsäure3,6-monolacton

O

O

D-Glucarsäure1,4;3,6-dilacton

C

H C OH C H

H C OH H C C

O O

D-Glucarsäure1,5;3,6-dilacton

Die Oxidation der endständigen Hydroxymethyl-Gruppe von Glycosiden (Abschn. 39.4.4), in denen das anomere C-Atom durch Acetalisierung geschützt ist, führt mit Distickstofftetroxid in wasserfreiem Medium zu den als Glycuronide bezeichneten Glycosiden der Glycuronsäuren. Aus den Glycuroniden erhält man die freien Glycuronsäuren durch säurekatalysierte Hydrolyse.

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39.4

Carbonyl-Reaktionen der Kohlenhydrate

HO HO

859

CO2H

CH2OH O

+ N2O4 / N2O, / H2O

CO2H O

HO HO

HO HO

/ CH3OH

OH

OH

OCH 3 Methyl-c-D-glucopyranosid (ein Glycosid)

+ H2O (HCl)

O OH OH

OCH3

Methyl-c-D-glucuronid (ein Glycuronid)

""""""""""""""c- und d-D-Glucuronsäure (eine Glycuronsäure, Cyclohalbacetal-Form)

Durch vorsichtige Oxidation können auch Onsäuren in Uronsäuren übergeführt werden. Andererseits bilden sich Uronsäuren durch Reduktion (Na/Hg) aus Arsäuremonolactonen. Glucuronsäure bewirkt im Organismus u. a. die Ausscheidung toxischer Verbindungen in Form wasserlöslicher Glucuronide. Phenol wird z. B. als Phenylglucuronid im Harn (renal) ausgeschieden.

39.4.4

Glycosidierungen

O-Glycoside (O für Sauerstoff) sind Furanose- oder Pyranose-Derivate, welche am anomeren CAtom statt der Hydroxy-Gruppe Alkyloxy- oder Aryloxy-Reste tragen. Den Nichtzuckerteil des Moleküls bezeichnet man als Aglykon, den Zuckerteil als Glykon. O-Glycoside sind im Vergleich zu den Cyclohalbacetal-Formen (Furanosen und Pyranosen) Vollacetale. Substituiert eine AminoFunktion die Halbacetal-Hydroxy-Gruppe von Furanosen oder Pyranosen, so resultiert ein NGlycosid. Auch S- und C-Glycoside sind bekannt. HO HO

CH2OH O

HO HO

O

OH

HOH2C

N

R

O

HO HO

S

R

OH

O-Glycosid

R

CH 2OH O R

S-Glycosid

OH

OH

CH 2OH O C

OH

N-Glycosid

C-Glycosid

Zur Darstellung der O-Glycoside nach FISCHER werden Aldosen in Alkohol (Aglykon) unter Rückfluß in Gegenwart von wasserfreiem Chlorwasserstoff erhitzt oder mit einem trockenen H+Ionenaustauscher in Alkohol erwärmt. HOH 2C HO O HO 2 HO

[H+] , Hitze

OH + 2 CH3OH

"c- und d -D-Mannopyranose (anomere Cyclohalbacetale)

HOH 2C HO O HO HO

+

HOH 2C HO O HO HO

OCH3

OCH3

"c- und d -D-Methyl-D-mannopyranosid (anomere Vollacetale)

Diese thermodynamisch kontrollierte Reaktion ist umkehrbar, d. h. die aus Aldosen oder Ketosen erzeugten Glycoside sind durch Erhitzen in wäßriger Säure wieder zu Alkohol und Zucker hydrolysierbar (säurekatalysierte Glycosid-Hydrolyse). Bei der Glycosidierung mit Alkoholen entstehen zuerst Furanoside (kinetisch begünstigt), die sich über acyclische Carboxonium-Ionen in die konformativ stabileren Pyranoside umlagern. Durch analytische Kontrolle kann das Maximum der Furanosid-Bildung ermittelt werden. Die Glycosidierung ist somit ein Gleichgewicht: c-Furanosid

c-Pyranosid

d -Furanosid

d -Pyranosid

Aldose

Beim Auflösen eines Glycosids erfolgt keine Mutarotation, da sich die Konfiguration an C-1 vom Kristall zur Lösung nicht ändern kann. Unter den sauren Bedingungen der FISCHER-Glycosid-

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860

39 Kohlenhydrate

Synthese tritt allerdings Anomerisierung über mesomeriestabilisierte cyclische CarboxoniumIonen auf, wobei sich wegen des anomeren Effekts (Abschn. 39.4.4) meist mehr c-Glycosid mit axialem Aglykon bildet. HO HO

CH2OH O

H

/ CH3OH

O CH 3

OH

CH 2OH

HO HO

O

HO HO

H

CH2OH

- CH3OH

O

OH

H

CH 2OH O OH O H CH 3

OH

Carbenium-Ion Oxonium-Ion (Carboxonium-Ion)

Methyl-d-D-glucopyranosid protoniertes äquatoriales Aglykon

HO HO

Methyl-c-D-glucopyranosid protoniertes axiales Aglykon

Glycosidierungen und Anomerisierungen an peracetylierten Zuckern gelingen in Gegenwart von p-Toluensulfonsäure oder LEWIS-Säuren (ZnCl2, AlCl3, Schmelzen) in präparativem Maßstab (HELFFERICH-Synthese). Peracetylierte oder perbenzoylierte d-D-Glycoside lagern unter Titan(IV)-chlorid- oder Zinn(IV)-chlorid-Katalyse in apolaren Medien quantitativ in die wegen des anomeren Effekts stabileren c-D-Glycoside um. Die LEWIS-Säuren favorisieren die Dissoziation in intermediäre Carboxonium-Ionen und Alkoholat- bzw. Phenolat-Ionen. Setzt man bei diesen Anomerisierungen einen anderen Alkohol (oder ein Phenol) zu, so erfolgt ein Aglykon-Austausch (Transglycosidierung). AcO AcO

CH 2OAc O

R' OAc

+

O

ZnCl2

AcO AcO

CH2OAc O

+

OR'

H

OAc

CH3CO2H

OAc 2,3,4,6-Tetra-O-acetyl- d-D-glucopyranosid

Penta-O-acetyl-D-glucose

" d-Glycoside entstehen stereoselektiv nach KÖNIGS-KNORR über Glycosylhalogenide. Zur Synthese

von d-D-Glucopyranosiden wird das als Acetobromglucose bekannte Schlüsseledukt Tetra-Oacetyl-c-D-glucopyranosylbromid mit Alkohol oder Phenol an C-1 nucleophil substituiert. Acetobromglucose mit axialem (c-ständigem) Brom bildet sich wegen des anomeren Effekts stereospezifisch durch Reaktion der 2,3,4,6-Tetra-O-acetyl-D-glucose mit Bromwasserstoff. Verläuft die Reaktion nach SN2, so greift das Nucleophil unter Inversion der Konfiguration an C-1 äquatorial (d) an; auch im Falle eines SN1-Mechanismus attackiert das Nucleophil am Carboxonium-Ion von der d-Seite, da die O-Acetyl-Gruppe am benachbarten C-2 die c-Seite aus sterischen und elektrostatischen Gründen sperrt (Nachbargruppen-Effekt). 2 AcO AcO

CH 2OAc O

R' +

2O

+

2 AcO AcO

Ag2CO3

CH2OAc O OR'

H

O Br

+

2 AgBr + CO2 + H2O

OAc

H3C Acetobromglucose O

2,3,4,6-Tetra-O-acetyl- d -D-glucopyranosid

Eine neuere Methode zur Darstellung von Glycosiden ist die Trichloracetimidat-Methode nach R.R. SCHMIDT. Die c- und d-Trichloracetimidate bilden sich durch nucleophile Addition der anomeren OH-Funktion von Aldosen, deren Alkohol-Funktionen zum Schutz acetyliert oder verethert sind. Nach kurzen Reaktionszeiten entstehen die d-Trichloracetimidate, welche nach längeren Reaktionszeiten zu den c-Anomeren isomerisieren: RO RO

CH 2OR O ORO

RO RO NH

c-Trichloracetimidat CCl3

CH 2OR O

(Base)

OH OR

R = CH 2C 6 H 5 ; COCH3

+ Cl3C

C N

RO RO

CH2OR O O OR

NH CCl3

d-Trichloracetimidat

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39.4

Carbonyl-Reaktionen der Kohlenhydrate

861

In Gegenwart moderater LEWIS-Säuren wie Bortrifluorid-Etherat substituieren Alkohole die Trichloracetimidat-Gruppe als Trichloracetamid. Dabei erhält man unter milden Bedingungen bevorzugt die d-Glycoside. RO RO

CH2OR O

R'

CH2Cl2 , BF3 . O(C2H5) 2 , / 40 °C

+ O ORO

RO RO

CH 2OR O

H

NH

+

OR'

O

NH2 CCl3

OR geschütztes d -Glycosid

CCl3

39.4.5

Reaktionen mit Thiolen und Stickstoff-Nucleophilen

Den FISCHER-, KÖNIGS-KNORR- und SCHMIDT-Synthesen von O-Glycosiden analog können Thiolglycoside (S-Glycoside) dargestellt werden. Bei der säurekatalysierten Umsetzung von Monosacchariden mit Propan-1,3-dithiol in der Kälte, entstehen überwiegend 1,3-Dithianyl-Derivate. HO HO

CH2OH O

HS OH

+

/ H2O

HS

OH

HO HO

konz. HCl , 0 °C

CH2OH O

S

OH S 1-(1,3-Dithian-2-yl)-D-glucopyranose

1,3-Dithian-Derivate können durch Behandlung mit Quecksilber(II)-chlorid in Wasser/Aceton wieder in freie Zucker oder mit Alkohol in Di-O-acetale übergeführt werden. Dithian-Derivate geschützter und ungeschützter Kohlenhydrate sind Zwischenstufen der präparativen Zuckerchemie. Monosaccharide mit freier Oxo-Gruppe addieren wie Aldehyde und Ketone Stickstoff-Nucleophile, wobei über acyclische Iminozucker Glycosylamine (N-Glycoside) als Pyranoside oder Furanoside entstehen können. H

C

O

H

R

C

O

+ H2N

+

H 2N R'

OH

R'

H C NH R'

R

instabiles Aminal

R

Aldose / H2O

+ H2O

O

O NHR'

N-Pyranoside

d-

H

C

N

c-

R'

NHR'

R NHR' O N-Furanoside

d-

Iminozucker

O c-

NHR'

N-Glycoside zeigen in wäßriger Lösung im Gegensatz zu O- und S-Glycosiden Mutarotation, da cyclische Glycosylamine und acyclische Imine miteinander im Gleichgewicht stehen. 2-Aminozucker wie Galactosamin (2-Amino-2-deoxy-D-galactose) können aus einer Aldose durch Umsetzung mit Anilin zum Iminozucker, nachfolgender Addition von Cyanwasserstoff an

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862

39 Kohlenhydrate

die C=N-Bindung (Cyanhydrin-Reaktion) und Entfernung des Phenyl-Restes durch Hydrierung unter gleichzeitiger Hydrolyse der Cyano-Gruppe hergestellt werden.

H

C

O

+ H2N C6H5

H

/ H2O

C

N C 6H5

H C NH C6H 5

HO C H

HO C H

/ NH4Cl , / C6H6

HO C H

R

R

+ H2 (Pd /BaSO4) + H2O, + 2 HCl

CN

+ HCN

H

C

O

H C NH 3 Cl HO C H

R

R 2-Amino-2-deoxyD-galactose (Hydrochlorid)

D-Arabinose R = H C OH H C OH CH2OH

Hydrazone, Osazone, Oxime und Semicarbazone waren früher analytisch bedeutende ZuckerDerivate. Mechanistisch interessant ist die noch nicht völlig aufgeklärte Reaktion von Monosacchariden mit drei Äquivalenten Phenylhydrazin zu Osazonen. Zunächst gebildetes Phenylhydrazon tautomerisiert in Gegenwart von Säuren zum Enhydrazin. Das nach Eliminierung von Anilin entstehende c-Oxoimin reagiert mit zwei Äquivalenten Phenylhydrazin zum gelben Osazon. Zur Charakterisierung von Zuckern stellt man aus den Osazonen die gut kristallisierenden, roten Osotriazole her: H

C

N NH C6H5

H

+

+ [H ]

H

H C OH R

C

N NH C6H5

+

/ [H ]

H C OH R

Phenylhydrazon

H R

C C

NH NH C 6H5

C

H

/ H2 O

O

C

NH

C O

H

R

AMADORI-Umlagerung

+ H 2N NH C 6H5 / H 2O

H

/ H 2N C 6H 5

+ 2 H 2N NH C 6H5 / H2 O , / NH3

O

H

N

R

N

H N C6H5

H C OH R

CuSO4 / H 2N C 6H 5

N NH C6H 5

C N NH C6H5 R

Osotriazol

Aldose

C

Osazon

Die als AMADORI-Umlagerung bezeichnete Tautomerisierung der Zucker-Phenylhydrazone ist ein Analogon der LOBRY-DE-BRUYN-VAN-EKENSTEIN-Umlagerung. Dabei handelt es sich um ein durch Pyridin katalysiertes Gleichgewicht zwischen Glyceraldehyd und Dihydroxyaceton. H

C

O

H C OH CH 2OH Glyceraldehyd

H H 2C OH

C C

OH OH

CH 2OH C O CH 2OH Dihydroxyaceton

Beim Backen und Braten addieren Amino-Gruppen der Proteine nuceleophil an die AldehydFunktionen reduzierender Zucker. Durch AMADORI-Umlagerungen bilden sich intermediär 1Amino-1-desoxyketosen und 2-Amino-2-desoxyaldosen; deren komplexe Folgereaktionen führen zu den gelben bis braunen, höhermolekularen Produkten, die Farbe und Aroma des Gebackenen und Gebratenen prägen (MAILLARD-Reaktion).

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39.5

Polyol-Reaktionen

863

39.5 Polyol-Reaktionen Die Hydroxy-Funktionen der Zucker reagieren wie Alkohole, insbesondere nach Blockierung der Carbonyl-Funktion. Entsprechend gelingen Acylierung, Alkylierung, Acetalisierung, Oxidation, Substitution und Eliminierung. Solche Reaktionen sind für Synthesen und Analytik nützlich.

39.5.1

Schutzgruppen für die Hydroxy-Funktionen

Selektive Umwandlungen an einer funktionellen Gruppe einer mehrfunktionellen Verbindung erfordern einen stabilen Schutz aller an der Reaktion nicht beteiligten reaktiven Gruppen. Die Schutzgruppen müssen nach der Reaktion schonend abspaltbar sein. Die Hydroxy-Funktionen der Pyranosen können z. B. mit Essigsäureanhydrid/Zinkchlorid oder mit Acetylchlorid verestert werden. Man erhält peracetylierte Zucker. Die Wiederabspaltung der Acetyl-Schutzgruppen gelingt mit Natriumalkoholat in alkoholischer Lösung. HO HO

CH2OH O

+ 5 (H3CCO) 2O (ZnCl2) / 5 CH3CO2H

OH OH

AcO AcO

+ 5 NaOH , - 5 CH3CO2Na

c- und d -D-Glucopyranose

CH 2OAc O OAc

C

OAc

c- und d -D-Glucopyranosepentaacetat

O

H 3C H 3C

O Cl

Adamantoylchlorid

C

Cl

H3C Pivaloylchlorid

Neben Acetyl- (H3C/CO/) sind Benzoyl- (C6H5/CO/), Methansulfonyl- (H3C/SO2/) und Tosyl(p-H3C/C6H4/SO2/) Schutzgruppen von Bedeutung. Zum selektiven Schutz endständiger primärer Hydroxy-Gruppe eignen sich die sperrigen Adamantoyl- und Pivaloyl-Gruppen, die durch Acylierung mit den Säurechloriden eingeführt und in basischen Medien abgespalten werden können. Selektive Acylierungen mittelständiger Hydroxy-Gruppen sind nach Schutz cis-ständiger OHFunktionen als Cycloacetale bzw. Cycloketale erreichbar, z. B. als Benzyliden- und IsopropylidenDerivate. Hierzu werden die Zucker unter Säurekatalyse (H2SO4, p-Toluensulfonsäure, ZnCl2) mit Benzaldehyd bzw. Aceton (auch Acetaldehyd oder Cyclohexanon) derivatisiert. Die unter dehydratisierenden Bedingungen eingeführten Acetal- und Ketal-Schutzgruppen sind durch Hydrolyse mit verdünnten wäßrigen Säuren abspaltbar; alkalischem Medium widerstehen sie auch beim Erhitzen. CH3 HO CH OH 2 O HO

+ (H 3C) 2CO (H2SO4 oder ZnCl2) / 2 H2O

H3C

O CH OH 2 O O

OH OH

H C

HO CH 2

3 + (H3 C) 2CO H 3C (H2SO4 )

HO CH O OH

/ 2 H2O

O CH 2 O CH O OH

OH OH

O O H 3C

O

CH 3

c-D-Galactopyranose

1,2:3,4-Di-O-isopropylidenD-galactopyranose (Diacetonid)

CH 3

O

CH 3

c-D-Glucofuranose

1,2:5,6-Di-O-isopropylidenD-glucofuranose (Diacetonid)

Glycosid-Bindungen bleiben unter den milden Bedingungen der Einführung und Abspaltung des Isopropyliden-Schutzes stabil: CH3 H3C

O CH OH 2 O O

50 % CH3CO2H, 90 °C

H 3C

CuSO4 / H2SO4 , 20 °C

H 3C

OCH 3 + H 2O OH

3,4-O-Isopropyliden-methyl- d-D-galactopyranosid

C O +

HO CH OH 2 O HO

OCH3

OH

Methyl-d -D-galactopyranosid

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864

39 Kohlenhydrate

Benzaldehyd reagiert ebenfalls unter milden Bedingungen, z. B. mit d-D-Glucopyranosiden zu 4,6-O-Benzyliden-d-D-glucopyranosiden mit trans-Decalin-Konfiguration. H C

HO HO HO

O +

O

O O HO

(ZnCl2)

OCH 3

/ H2O

O OCH3 OH

OH

4,6-O-Benzyliden-d -D-glucopyranosid

Als Beispiel einer Anwendung des Isopropyliden-Schutzes sei die selektive Acylierung der Glucose in 3-Stellung erwähnt. Acetoxy-Gruppen können ihrerseits wieder durch Ammonolyse oder basenkatalysierte Umesterung in Methanol entfernt werden. H 3C

O CH 2

H 3C

O CH O OH

+ (CH 3CO) 2O Pyridin

H3C

O CH 2

H3C

O CH O OAc

/ CH 3CO2 H

O

HO AcO

/ 2 (H 3C) 2CO

O

CH3

O

+ 2 H2O H 2O/CH 3CO2H (1:1)

OH OH

CH3

O

CH 3

1,2;5:6-Di-O-isopropyliden- CH 3 c-D-glucofuranose

CH2OH O

3-O-Acetyl-c- und -dD-glucopyranose

1,2- und 1,3-cis-Diol-Gruppierungen sind auch als cyclische Boronsäureester geschützt. Zur Einführung eignet sich die Phenylboronsäure in Form ihres trimeren Anhydrids Triphenylboroxin. Triphenylboroxin

HOH 2C 3 HO

O

H 5C6

OCH3 + OH

B O

O B

B

C 6H5

azeotrope Destillation mit Benzen

HOH2C

OCH3 O

3

O

O

O B

C 6H5 + 3 H2O , / 3 H5C6/B(OH) 2

Methyl-d -D-ribofuranosid

C 6H5 Methyl-d-D-ribofuranosid2,3-phenylboronsäureester

Zu Methylierungen der Hydroxy-Funktionen eignen sich verschiedene Alkylierungsmittel, z. B. Dimethylsulfat in Natronlauge (HAWORTH) oder in flüssigem Ammoniak, Iodmethan und Bariumoxid mit Silberoxid, Dimethylformamid und Natriumhydrid (PURDIE) sowie Diazomethan mit Bortrifluorid-Etherat. HO HO

CH 2OH O

+ 5 (H3CO) 2SO2 , + 10 NaOH

OH OH

/ 5 Na2SO4 , / 10 H2O

2 H3CO H 3CO

CH 2OCH3 O OCH3 OCH 3

Methyl -c- und d-2,3,4-tetraO-methyl-D-glucopyranosid

Verdünnte wäßrige Säuren hydrolysieren selektiv am anomeren C-Atom zur Tetra-O-methylaldose (Spaltung des Acetals). Die restlichen Methylether-Gruppen lassen sich nur durch Bortrichlorid oder Bortribromid in Dichlormethan entfernen. Permethylierte oder trimethylsilylierte Zucker lassen sich gaschromatographisch trennen. Hierauf beruht eine Methode zur Identifizierung von Kohlenhydraten durch Kombination von Gaschromatographie und Massenspektrometrie. O-Benzyl-Schutzgruppen sind aufgrund ihrer leichten Abspaltbarkeit durch katalytische Hydrierung interessant. Erwähnenswert ist schließlich die volumi-

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39.5

Polyol-Reaktionen

865

nöse Triphenylmethyl-Schutzgruppe (Trityl-Schutz), welche durch Tritylchlorid/Pyridin selektiv an primäre Hydroxy-Gruppen eingeführt wird.

39.5.2

Oxidation von Hydroxy-Gruppen

Die Oxidation endständiger Hydroxy-Gruppen führt zu Glycarsäuren und Glycuronsäuren (Abschn. 39.4). Fehlen endständige primäre Hydroxy-Gruppen und die Lactol-Funktion, wie im Falle der Pentopyranoside, so können durch katalytische Oxidation (Pt/O2, Dehydrierung) axiale bevorzugt gegenüber äquatorialen Hydroxy-Gruppen oxidiert werden. OH HO

O

/

/ 2 [H+] , /"2 e0 " (Pt / O2)

O

O HO

OCH3

OCH 3 OH

OH Methyl- c-L-arabinopyranosid

Methyl- c- L-threo-pentopyranos-4-ulosid

Andere Oxidationsmittel zur Einführung von Oxo-Gruppen in Monosacchariden sind Chrom(VI)oxid in Pyridin, Dimethylsulfoxid mit Elektrophilen (Dicyclohexylcarbodiimid, Acetanhydrid oder Diphosphorpentoxid) sowie Rutheniumtetroxid (aus Rutheniumdioxid und Natriumhypochlorit). Die selektive Oxidation bestimmter C-Atome erfordert den vorherigen Schutz der anderen Hydroxy-Gruppen, z. B. durch Isopropyliden-, Phenylboronat- oder Benzyl-Reste. Primäre Alkohol-Funktionen werden nach PFITZNER-MOFFATT (Abschn. 24.8.3) nur bis zur Aldehyd-Stufe oxidiert, wie das Beispiel des Isopropyliden-geschützten d-Methylribopyranosids zeigt. HOH 2C

OCH 3

DCC / DMSO / H3PO3 / / 2 [H+] , / 2 e0

O O

O C

H OCH3 O O

O

H 3C

CH 3

O

H3C CH3 2,3-Di-O-isopropylidenmethyl-d-D-ribofuranosid

Derart geschützte Monosaccharide mit Oxo-Funktionen sind Zwischenstufen zu Kettenverlängerungen und Kettenverzweigungen sowie zur Einführung von Amino-Gruppen. Ein Beispiel hierzu ist die Synthese der Streptose, einer der Zuckerkomponenten des Antibiotikums Streptomycin. H OH O H 3C

O

(1)

O O

CH3

CH 3 5-Deoxy-1,2-O-isopropylidend -L-arabinofuranose

H 3C O

O

(2)

O O

CH3

CH 3

O C

H3C

(3,4)

O OH

O

CH 3

CH 3

H 3C

O

OH

OH OH

Streptose

(1) Oxidation mit DMSO/DCC; (2) Addition von H2C=CH/MgBr; (3) Ozonolyse der CC-Doppelbindung; (4) Abspaltung der Schutzgruppe mit H 3O+

Epimerisierungen mittelständiger Hydroxy-Gruppen gelingen durch selektive Oxidation zur OxoGruppe und anschließende stereoselektive Reduktion zur Hydroxy-Gruppe. Diese Methode er-

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866

39 Kohlenhydrate

möglicht die Darstellung seltener Zucker, die nicht aus natürlichen Quellen isolierbar sind. Ein Beispiel ist die Darstellung der D-Allose aus D-Glucose (3-Epimerisierung). O O

O OH O

O

O

(1) O

(3)

O

O

O

O

O

(2)

O

CH 2OH O

HO

OH

O

O

O

HO

OH

OH

1,2;5,6-Dicyclohexylidenc-D-glucofuranose

D-Allose +

(1) Oxidation mit DMSO / DCC ; (2) Reduktion mit NaBH 4; (3) Abspaltung der Schutzgruppen mit H 3O

39.5.3

Nucleophile Substitutionen

Zur nucleophilen Substitution der schlecht nucleofugen Hydroxy-Gruppe an den nicht anomeren C-Atomen müssen diese zunächst in sehr gut nucleofuge p-Toluensulfonyloxy-Gruppen (TosylSchutz und Aktivierung) übergeführt werden. Zur Substitution des Tosyl-Restes kommen in der Kohlenhydrat-Chemie besonders folgende Nucleophile in Betracht: ̈ ̈ ̈ ̈

Hydrid (H/), Thiolat (R/S/), Iodid (I/) zur Synthese von Deoxymonosacchariden; Amine (R/NH2) und Azid (N3/) zur Synthese von Aminodeoxyzuckern; Carbanionen zur Synthese verzweigter Zucker; Alkoholate für Epimerisierungen

Ohne Nachbargruppenbeteiligung erfolgt meist eine SN2-Reaktion (z. B. an C-6 von Hexosen). O + Cl S

CH3

O (Base)

6

H C OH

/ HCl

O

/

6

H C O S

+ Nu

CH3 /

O

6

H C Nu

O

/" O S

CH3

O

Geschützte und tosyloxy-aktivierte Monosaccharide können unter milden Bedingungen zu Deoxyoder Aminozuckern umfunktioniert werden, wie zwei Beispiele zur Darstellung geschützter Derivate von Deoxy- und Aminozuckern zeigen: TosO AcO AcO

NaI , (CH3CO) 2O Hitze

O OCH 3

K AcO AcO

H2 / Ni in CH3OH

O OCH 3

OAc

OAc

TosO

N 3 H 2C NaN3 / DMF

OTos

2,3,4-Tri-O-tosylmethyl-d -D-ribopyranosid

OCH3

2,3,4-Tri-O-acetyl-6-deoxymethyl-d-D-glucopyranosid

OCH 3 O

O OAc

2,3,4-Tri-O-acetyl-6-O-tosylmethyl-d-D-glucopyranosid

TosO H 2C

H 3C AcO AcO

TosO

H2N H 2C

OCH3 H2 / Pd / C

O OTos

OCH3 O

TosO

OTos

2,3-Di-O-tosyl-5-amino-5-deoxymethyl-d -D-ribopyranosid

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39.5

Polyol-Reaktionen

39.5.4

867

Glykol-Spaltung und andere Abbaureaktionen

Von den früher zur Strukturaufklärung genutzten Abbaureaktionen der Kohlenhydrate findet die Glykol-Spaltung (Abschn. 15.7.1) mit Natriumperiodat (NaIO4) in wäßriger Lösung oder mit Bleitetraacetat [Pb(CH3COO)4] in organischen Lösemitteln bis heute Anwendung. R1

R1

R1 H C OH

O +

H C OH

H C O

O

I O

K

/ H2O

OH

H H

OH H C O O R2

O

R2 1,2-Diol

O

C + C

O

O +

O

O

I O

R2

Periodat

Aldehyd 1 und 2

Iodat

Aus den entstehenden Carbonyl-Verbindungen läßt sich die Konstitution der Monosaccharide rekonstruieren (Tab. 39.5). Tab. 39.5. Produkte der Periodat-Spaltung von Kohlenhydraten Strukturelement

Periodat-Spaltprodukte

R

R

H C OH

Polyol

H C* OH

H

C

O + O

H

*C

O +

H

C

OH

H

CH2OH R

R

H C OH

Aldosen

H

C*

H

C

O HO

R H C

NH R'

CH2OH H C OH H

C

*C OH

C

O + O

H

*C H

R

*CH2OH

allgemein

H

R

* CH2OH

Aminozucker

O +

O

O

R

Ketosen

C

H

C

O +

O

H

*C

+

H2N

R'

H

HCHO HCO2H

O

H C OH

HCO2H

CH2OH

Die Spaltung mit Periodat kann quantitativ durch Titration des entstandenen Iodats verfolgt werden. Unter den Bedingungen der Periodat-Spaltung werden demnach bei folgenden Methyl-Omethylglycosiden zwei, ein und null mol Periodat verbraucht.

Glucosid

H3CO H2C HO HO

O OCH3

HO H 2C H 3CO HO

OH NaIO4-Verbrauch

2 mol

O OCH 3 OH

1 mol

HO H2C HO H 3CO

O OCH3

OH 0 mol

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868

39 Kohlenhydrate

Mit dem Abbau nach WOHL kann eine Aldose über Oxim, Nitril und O-Acetylhemimethylacetal (Methanolat als Nucleophil) schrittweise vom anomeren C-Atom aus abgebaut werden. H

C

O

H (1)

H C OH

C

N

NOH

C

(2)

H C OH

R

R

(4)

H

H C OCOCH 3

R

Oxim

Aldohexose

OCH 3

(3)

H C OCOCH3

C R

R O-Acetylhemiacetal

Acetoxyglyconsäurenitril

O

Aldopentose +

(1) NH 2OH ; (2) (CH3CO)2O , Py ridin ; (3) NaOCH 3 ; (4) H3O

Bessere Ausbeuten liefert der Abbau nach MCDONNALD und H.O.L. FISCHER durch Oxidation der Diethylmercaptale zu Disulfonen mit Peroxypropionsäure und deren Spaltung mit Ammoniak. H

C

O (1)

H C OH

S C2H 5

SO2 C 2H5

H C S C2H 5

H C SO2 C 2H5

(2)

H C OH

R

R

Aldohexose

(3)

H C O H

SO2 C 2H5 H 2C SO2 C2H 5

+ H

O

R

R

Diethylthioacetal

C

Aldopentose

Bis-(ethylsulfonyl)-Derivat

+

(1) C 2H5SH [H ] ; (2) C 2H5CO3H ; (3) NH3 , H2O

39.6 Deoxy-, Amino-, ungesättigte und verzweigte Zucker 39.6.1

Deoxyzucker

Zu den bedeutenden, natürlich vorkommende Kohlenhydraten gehören Deoxyzucker wie L-Fucose und L-Rhamnose. In ihnen tritt anstelle der Hydroxy-Gruppe an C-6 ein Wasserstoff-Atom. H

C

O

HO C H H C OH

H

C

O

H

C

O

O

CH 2

CH2

H C OH

H C OH

H C OH H C OH

HO C H

H C OH

HO C H

H C OH

CH 3

CH 3

(/)-L-Fucose (6-Deoxy-L-galactose)

C

H C OH

HO C H

H C OH

H

(+)-L-Rhamnose (6-Deoxy-L-mannose)

CH2OH

CH3 D-Digitoxose

2-Deoxy-D-ribose

Digitoxose, eine 2,6-Dideoxy-D-allose, ist die Kohlenhydrat-Komponente des HerzglycosidWirkstoffes Digitoxin (Abschn. 42.5.4). Prominentester Deoxyzucker ist die Aldopentose 2Deoxy-D-ribose, der Zuckerbaustein der Deoxyribonucleinsäuren (DNA, Abschn. 40.1).

39.6.2

Aminozucker

Aminozucker sind Aldosen, in denen die Amino-Funktion eine Hydroxy-Gruppe ersetzt. Bedeutend sind die Aminozucker D-Glucosamin und D-Galactosamin, die aus Blut, Gehirn-Gangliosiden

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39.6 Deoxy-, Amino-, ungesättigte und verzweigte Zucker

869

(Abschn. 41.6.2), Glycoproteinen und Heteropolysacchariden isoliert werden. N-Acetyl-D-glucosamin ist das Monomer des Polysaccharids Chitin (Abschn. 39.9.5). Der biogenetisch einer AldolReaktion von D-Mannosamin und Brenztraubensäure entstammende C9-Aminozucker Sialinsäure (N-Acetylneuraminsäure) tritt als Baustein membranbildender Glycolipide auf (Abschn. 41.6.2). CO2H H

C

H

O

H C NH 2

C

H

O

HO C H H C OH

H C OH

H C OH

H C OH

H C OH

CH2OH

CH 2OH

O C

O H C NH C CH 3 HO C H

H C NH2 HO C H

HO C H

O

C

CO2H

CH2

H

H C OH

O

H3C

C NH C H H3C

D-Glucosamin (2-Amino2-deoxy-D-glucose)

N-Acetyl-D-glucosamin

OH

O HO

R = H C OH H

H C OH D-Galactosamin (2-Amino2-deoxy-D-galactose)

N

O

HO C H H C OH

CH 2OH

C

R

C

OH

CH2OH

CH2OH

N-Acetylneuraminsäure (Sialinsäure)

N-Methyl-L-glucosamin ist eine glycosidisch gebundene Komponente des aus Pilzen der Gattung Streptomyces stammenden Antibiotikums Streptomycin. Das Peptidantibiotikum Vancomycin (Abschn. 37.7.2) enthält den Aminozucker Vancosamin. Der Dimethylaminozucker Desosamin sowie der C-Methylzucker Cladinose sind mit zwei Hydroxy-Funktionen des makrocyclischen Lactons Erythronolid A zum Makrolid-Antibiotikum Erythromycin A aus dem Pilz Streptomyces erythreus glycosyliert. O

H

C

O

H3C

O

H C OH HO C H

CH 3

H3C

H 3C HN C H

CH 2OH Erythronolid A

HO

OH

O

CH 2OH

O

O

OCH3

CH3

N-Methyl-L-glucosamin

CH 3 OH

O

Erythromycin A

39.6.3

Desosamin [3,4,6-TrideoxyCH 3 3-(N,N-dimethylamino)D-xylohexose]

N(CH3) 2

OH HO O

H3C O

H5C 2

NHCH 3

HO C H

CH 3 OH

HO

Cladinose [3-O-Methyl-2,6-dideoxy3-C-methyl-L-ribohexose]

CH 3

Verzweigte und ungesättigte Zucker

Zu den verzweigten Kohlenhydraten gehört die in Flavonglycosiden der Sellerie und Petersilie vorkommende D-Apiose sowie die Cordycepose. CC-Doppelbindungen in ungesättigten Kohlenhydraten treten oft als Folge der Oxo-Enol-Tautomerie in Form von Endiol-Gruppierungen auf, wie das Beispiel der Ascorbinsäure zeigt. H

C

O

H C OH H C CH 2OH CH 2OH Cordycepose

H

C

CH 2OH

O

H C OH

HO O

OH

D-Apiose

HO

O i-Lacton-Teilstruktur Endiol-Teilstruktur

HOH2C C OH CH2OH

H C OH O

OH

O

O

H mit intramolekularen

H L-Ascorbinsäure

Wasserstoffbrücken

C C

OH OH

cis-Endiol

Das ungesättigte Kohlenhydrat (+)-L-Ascorbinsäure (Vitamin C) ist ein stark sauer schmeckendes, farbloses, wasserlösliches Vitamin aus frischem Gemüse und Obst. Ein Mangel an Vitamin C führt

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870

39 Kohlenhydrate

zu Skorbut, einer Avitaminose mit Schädigungen der Blutgefäße und verminderter Abwehrkraft gegen Infektionen. Infolge der Endiol-Funktion ist (+)-L-Ascorbinsäure eine Säure und ein starkes Reduktionsmittel. Ascorbinsäure wird als Nahrungszusatz (täglicher Bedarf 75 mg) und Konservierungsstoff (Antioxidans) im Tonnen-Maßstab technisch aus D-Glucose synthetisiert unter Anwendung eines mikrobiellen Syntheseschrittes. Dabei wird D-Glucose zuerst katalytisch zum Zuckeralkohol D-Sorbit (D-Sorbitol) hydriert. Die mikrobielle Dehydrierung dieses Polyols (Acetobacter suboxidans) führt zur L-Sorbose. Diese wird direkt oder nach Einführung von Isopropyliden-Schutzgruppen zu 2-Oxo-L-gulonsäure oxidiert. Das Endiol-Tautomer der 2-Oxo-L-gulonsäure dehydratisiert zum iLacton L-Ascorbinsäure. H

C

O

CH2OH (1)

HO C H

HO C H

H C OH

H C OH

H C OH

H C OH

CH2OH (+)-D-Glucose

CH 2OH

CH 2OH

H C OH

H C OH

HO C H

HO C

HO C H

CH2OH CH 2OH 2-Oxo-L-gulonsäure-Tautomere

L-Sorbose

(4)

(5)

O (1) H2 (Kat.) ; (2) Acetobacter suboxidans ; (3) Pt / O2 ; (4) (H 3C)2CO ; (5) / H2O ; (6) KMnO4 ; (7) H 2O

O O

O

O

H C OH

HO C H

CH 2OH

CH 2OH

HO C

H C OH

HO C H

C O

CH2OH D-Sorbit

(3)

H C OH

H C OH

CO2H

O C

HO C H

HO C H

(2)

CO2H

O C

H C OH

CH 3

HO

CH3

(6,7)

HO

OH

O O

HO C H

H3C

CH2OH L-(+)-Ascorbinsäure

CH 3 2,3:4,6-Di-isopropylidensorbofuranose

39.7 Trennmethoden Präparative Trennungen nicht derivatisierter Mono- und Oligosaccharide gelingen an Säulen mit Aktivkohle und Celit (Kieselgur) durch Adsorptionschromatographie sowie durch Gelchromatographie z. B. an Sephadex G 15. Blockieren Schutzgruppen und andere Reste die hydrophilen Funktionen, so sind dünnschichtchromatographische Trennungen auf Kieselgel-Platten erfolgreich, wobei meist durch "Brenzen" mit konzentrierter Schwefelsäure detektiert wird. Quantitative Zuckeranalysen nutzen die Reaktion der Zucker mit Hexamethyldisilazan zu flüchtigen O-Trimethylsilyl-Derivaten, die sich gaschromatographisch sowie durch Hochdruckflüssigkeits-Chromatographie (HPLC) trennen lassen. Borsäure [B(OH)3] bildet mit cis-1,2-Diolen saure Borsäureester (BÖSEKEN-Reaktion). HO HO

O OH OH

c-D-Xylopyranose (cis-1,2-Diol)

HO HO + B(OH)3

O O O (HO)2B H 3O

saurer Borsäureester

HO HO

O OH

OH + B(OH)3

keine Reaktion

d-D-Xylopyranose (trans-1,2-Diol)

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39.8

Oligosaccharide

871

Die Zucker-Borsäureester werden im "Zucker-Analysator" mit Ionenaustauscher-Säulen aufgrund ihrer individuellen Wechselwirkungen chromatographisch getrennt. Einige Monosaccharide lassen sich durch spezifische enzymatische Methoden quantitativ bestimmen, z.B. Glucose im Serum und Urin von Diabetikern mit Hilfe der Glucose-d-D-Oxidase.

39.8 Oligosaccharide Die wichtigsten natürlichen Oligosaccharide enthalten zwei bis vier Monomere. Di-, Tri- und Tetrasaccharide zeigen die typischen Eigenschaften der Monosaccharide: sie schmecken süß, sind wasserlöslich und kristallisierbar.

39.8.1

Disaccharide

Zu den häufigsten Disacchariden (Tab. 39.6) zählen Lactose aus Milch (Milchzucker) und Saccharose aus Zuckerrüben oder Zuckerrohr (Rohrzucker). Je nach Präsenz oder Fehlen einer Cyclohalbacetal-Funktion können Disaccharide reduzierend oder nicht reduzierend wirken. In reduzierenden Disacchariden wie Maltose, Lactose, Cellobiose sind die beiden Monosaccharide glycosidisch so miteinander verknüpft, daß die als Cyclohalbacetal maskierte Aldehyd-Funktion verfügbar ist (Maltose-Typ). In nichtreduzierenden Disacchariden, wie Trehalose und Saccharose, sind die beiden Monosaccharide über ihre Carbonyl-C-Atome glycosidisch so verbunden, daß keine Carbonyl-Reaktionen (Reduktion, Bildung von Osazonen) mehr möglich sind (Trehalose-Typ). HO HO HO HO

HO HO HO

O 1c

OH HO O HO 4

OH

O 1d

OH

HO O 4 HO

OH O

HO HO HO

OH

O 1c

O

OH O

OH

1c

HO O

Maltose

HO HO

4-O-(c-D-Glucopyranosyl)-D-glucopyranose C-1c/O/C-4-Verknüpfung eine Glycosyl-glycose

Cellobiose

Trehalose

4-O-(d-D-Glucopyranosyl)-D-glucopyranose C-1d/O/C-4-Verknüpfung eine Glycosyl-glycose

c-D-Glucopyranosyl)-c-D-glucopyranose C-1c/O/C-1c-Verknüpfung ein Glycosyl-glycosid

Die beiden Disaccharid-Typen können somit entstehen durch ̈ Dehydratisierung einer halbacetalischen mit einer alkoholischen Hydroxy-Gruppe (Maltose-Typ), ̈ Dehydratisierung zweier halbacetalischer Hydroxy-Gruppen (Trehalose-Typ). (+)-Maltose bildet sich bei der enzymatischen Spaltung der Stärke (Abschn. 39.9.3) mit Diastase. Durch verdünnte Säure oder mit dem spezifisch c-Glycoside spaltenden Enzym c-D-Glucosidase (Maltase) entstehen aus dem Disaccharid zwei mol D-Glucose. Maltose zeigt Mutarotation und bildet ein Osazon, beides Hinweise auf eine Halbacetal-Gruppe. (+)-Cellobiose, Teilstruktur der

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872

39 Kohlenhydrate

Cellulose, ist das 1d-Stereoisomer der Maltose. (+)-Trehalose enthält keine Halbacetal-Gruppe mehr und mutarotiert daher nicht. Trehalose kommt in Pilzen (einschließlich der Hefen) vor. Tab. 39.6. Eigenschaften bedeutender Disaccharide (C12H22O11) Bezeichnung (trivial und systematisch)

Vorkommen

Eigenschaften

Hydrolyseprodukte

Rohrzucker = Saccharose c-D-Glucopyranosyld -D-fructofuranosid

Zuckerrübe 12-20 % Zuckerrohr 14-21 %

süß, nicht reduzierend keine Mutarotation [c]D = + 66.5° Schmp. 187 °C (aus H2O)

D-Glucose + D-Fructose

Milchzucker = Lactose 4-O-(c-D-Galactopyranosyl)D-glucopyranose

Kuhmilch 4-5 % Frauenmilch 5-7 %

schwach süß, reduzierend Mutarotation Endwert [c]D = + 53.3° Schmp. 223 °C (c) ; 252 °C (d )

D-Glucose + D-Galactose

Malzzucker = Maltose 4-O-(c-D-Glucopyranosyl)D-glucopyranose

Samenkeimlinge (Gerstenmalz) Spaltprodukt der Stärke (Diastase)

reduzierend Mutarotation [c]D = + 112° (Endwert + 137°) Schmp. 103 °C

D-Glucose + D-Glucose

Cellobiose 4-O-(d -D-Glucopyranosyl)D-glucopyranose

Acetolyseprodukt der Cellulose

reduzierend Mutarotation, d -Anomer: [c]D = + 14° (Endwert + 35°) Schmp. 239 °C

D-Glucose + D-Glucose

Trehalose c-D-Glucopyranosylc-D-glucopyranosid

Algen, Bakterien, Pilze "Blutzucker" der Insekten

nicht reduzierend keine Mutarotation [c]D = + 197° Schmp. 204 °C

D-Glucose + D-Glucose

Der Rohrzucker (Saccharose) enthält wie Trehalose keine Halbacetal-Funktion, mutarotiert demzufolge auch nicht. Er ist das für unsere Ernährung bei weitem wichtigste Disaccharid und wird etwa je zur Hälfte aus Zuckerrüben und Zuckerrohr gewonnen. Diese Pflanzen können einen Zuckergehalt von 15 - 20 % erreichen. In den Zuckerraffinerien wird die Saccharose mit Wasser herausgelöst und die Zuckerlösung mit Ca(OH)2 versetzt, um Säuren und Proteine auszufällen; anschließend wird eingedampft, bis der Zucker auskristallisiert. HO

1c

OH O

HO

O

OH 1d

HO O 4 HO

OH O

HO O OH 1d

OH O

OH

Lactose

HO OH HO OH S a c c h a r o s e (Rohrzucker)

4-O-(d-D-Galactopyranosyl)-D-glucopyranose C-1d/O/C-4-Verknüpfung eine Glycosyl-glycose

(c-D-Glucopyranosyl- d-D-fructopyranosid = d-D-Fructofuranosyl- c-D-glucopyranosid) ein Glycosyl-glycosid

OH

Die durch Säuren katalysierte Hydrolyse der Saccharose liefert ein äquimolares Gemisch von Glucose und Fructose. Da sich bei dieser Hydrolyse das Vorzeichen der Drehwerte umkehrt, bezeichnet man die entstandene Glucose/Fructose-Mischung als Invertzucker (Endwert [c]D = /20°). Kunsthonig ist technisch durch Hydrolyse "invertierter" Rohrzucker, Bienenhonig ist natürlicher Invertzucker. Rohrzucker selbst zeigt keine Mutarotation, weil die Verknüpfung der Aldohexose mit der Ketohexose die Aldehyd- und Keto-Funktionen maskiert. Der Fructofuranosid-Ring des Rohrzuckers geht bei der Hydrolyse in die stabilere Fructopyranosid-Form über. Der Milchzucker (+)-Lactose liefert nach Hydrolyse durch wäßrige Säuren D-Glucose und DGalactose im Molverhältnis 1 : 1. Lactose zeigt Mutarotation, wirkt reduzierend und liefert nach

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39.9

Polysaccharide

873

Oxidation mit anschließender Hydrolyse D-Gluconsäure sowie D-Galactose. Lactose ist gegenüber Maltase stabil und wird nur durch die d-D-Glucosidase (im Emulsin) gespalten.

39.8.2

Trisaccharide, Cyclodextrine

Das einzige Trisaccharid von Bedeutung ist die Raffinose aus der Zuckerrübe. Glucose und Fructose sind in diesem Trisaccharid wie im Rohrzucker miteinander verknüpft. OH HO

O

HO

O

OH O HO HO

OH O HO

OH O

Raffinose [6-O-(c-D-Galactopyranosyl)c-D-glucopyranosyl]- d-D-fructofuranosid

OH

HO

Cyclodextrine entstehen durch enzymatischen Abbau der Stärke. Sie enthalten cyclisch c-(1›4)verknüpfte Glucose-Einheiten mit zylindrischen, chiralen Hohlräumen (Durchmesser 500 - 850 pm), bilden daher molekulare Einschlußverbindungen und eignen sich nach Modifikation der OHGruppen zur Trennung von Enantiomeren durch Gas- und Flüssigkeitschromatographie (GC und HPLC). HO

HO HO

O

O

OH

O OH HO

O

HO

O

OH

O HO OH HO

O

OH

OH O HO

HO

OH OH O HO

O OH HO

O

O OH

OH O HO

OH HO

c-

O

O

O

OH HO

HO O

HO OH O

OH OH

O HO

OH

dCyclodextrin

O

OH

OH

O

HO O

HO O

O O OH OH

O

HO

OH

HO O OH

OH O O

OH OH

O HO

O

HO O

OH

OH

OH O

HO O OH

O

O OH HO

O HO

HO

O

HO

HO OH O O

i-

OH

O

O OH

39.9 Polysaccharide Polymere Kohlenhydrate werden als Polysaccharide oder Glycane bezeichnet. D-Glucose ist alleiniger Baustein der wichtigsten Polysaccharide Cellulose, Stärke, und Glykogen, die daher als Glucosane oder Homoglycane bezeichnet werden. Hunderte bis Tausende von GlucopyranoseRingen sind kettenförmig durch Acetal-Bindungen, also Glucosid-Bindungen verknüpft. Die Summenformel ist daher (C6H10O5)n.

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874

39 Kohlenhydrate

Polysaccharide sind, verglichen mit Proteinen und Nucleinsäuren, einfach aufgebaute Biopolymere. Sie können daher in der lebenden Natur keine vielfältigen und komplexen Aufgaben erfüllen. Sie dienen vielmehr als unlösliche gerüstbildende Biopolymer-Fasern (Cellulose bei Pflanzen, Chitin bei Insekten) oder Nahrungsdepot (Stärke bei Pflanzen, Glykogen bei Tieren).

39.9.1

Struktur der Cellulose

Pflanzliche Zellwände bestehen vorwiegend aus Cellulose. Baumwolle enthält 98 % Cellulose, während man aus Holz 50 % und aus Stroh etwa 30 % Cellulose gewinnen kann. Die in Wasser und organischen Lösemitteln unlösliche Cellulose wird aus dem pflanzlichen Material durch Herauslösen der alkalilöslichen Pektine (Abschn. 39.9.3), Wachse und Öle und durch Bleichen mit Natriumhypochlorit-Lösung erhalten. Die Totalhydrolyse der Cellulose (C6H10O5)n mit wäßriger Salzsäure liefert nur D-Glucose (n C6H12O6). Die Partialhydrolyse mit wäßriger Essigsäure führt zum Disaccharid Cellobiose (Abschn. 39.8.1). Somit enthält Cellulose d-1›4-glycosidisch verknüpfte Monomere (K. FREUDENBERG und E. BRAUN, 1928). Die Kettenlänge variiert von mehreren hundert bis zu mehreren tausend Einheiten. Die Kettenlänge ergibt sich z. B. durch Permethylierung und quantitative Bestimmung des Verhältnisses von 2,3,6-Tri-O-methyl-D-glucopyranose zu Tetra-O-methylglucose. HO HO HO

O OH

OH HO O HO

O

HO O HO

O

HO O OH n HO

OH OH O

Cellulose-Teilstruktur

Die sehr zugfesten Baumwollfäden bestehen aus Cellulosefasern, welche in Längsrichtung ineinander verdrillt sind. Jede Faser besteht aus Bündeln von Celluloseketten, die sich strukturbedingt um eine Achse regelmäßig anordnen. Die Ketten werden durch Wasserstoffbrücken zusammengehalten. Die Glucose-Moleküle der Länge 510 pm sind alternierend und jeweils um 180° gegeneinander versetzt angeordnet. So entsteht eine regelmäßige Biopolymer-Struktur mit (Cellobiose-) Einheiten, die sich nach 1030 pm wiederholen.

39.9.2

Technische Gewinnung und chemische Modifikation der Cellulose

Cellulose findet vielseitige technische Verwendung (Abb. 39.9). Zu ihrer Herstellung wird ein saures (Sulfit-Verfahren) und ein basisches (Sulfat-Verfahren) Aufschlußverfahren angewandt. Sulfit-Verfahren: Holzstücke werden unter Druck mit Ca(HSO3)2-Lösung erhitzt. Lignin (ein Gemisch quervernetzter Phenole) wird dabei sulfoniert, geht als Sulfonsäure in Lösung und bleibt zusammen mit den Hemicellulosen (Gemisch verschiedener Polysaccharide) und Harzen in der Sulfitlösung. Der Rückstand ist unlöslicher Zellstoff, welcher nach Waschen und Bleichen etwa 90 % Cellulose enthält. Sulfat-Verfahren: Holz wird mit einer Lauge aus NaOH, Na2S und Na2SO4 ebenfalls unter Druck erhitzt. Aufgearbeitet wird wie beim Sulfit-Verfahren. Zellstoff wird zu Papier, Zellwolle und Watte weiterverarbeitet. Als Zellwolle wird Cellulose oft synthetischen und natürlichen Fasern zugemischt. Die im Holz enthaltene Cellulose kann auch in wäßriger Säure zu Glucose hydrolysiert werden; diese Holzverzuckerung findet zur Herstellung des Ethanols durch alkoholische Gärung und der Futterhefe Anwendung. Ein anderer Teil der Cellulose wird unter Erhaltung der Biopolymerkette chemisch modifiziert.

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39.9

Polysaccharide

875

Als Schießbaumwolle bekannt ist der Salpetersäureester der Cellulose (Cellulosetrinitrat). Partiell "nitrierte" Cellulose läßt sich in Ethanol/Ether auflösen; Eindampfen solcher Lösungen liefert Kollodiumwolle. Nach Vermischen mit Campher wurde daraus der erste brauchbare Kunststoff, das Celluloid, hergestellt. Auch für Filme und Nitrolacke wurden Cellulosenitrate verwendet. Cellulose löst sich in ammoniakalischer Kupfer(II)-hydroxid-Lösung [Cu(NH3)4(OH)2 , SCHWEIZERs Reagenz]. Die Löslichkeit beruht auf Komplexierung. In Mineralsäure wird dieser Komplex zerstört, und Cellulose fällt wieder aus. Die halbsynthetische Faser Kupfer-Seide (Kupfer-Reyon, Glanzstoff) wird durch Lösen von Cellulose in SCHWEIZERs Reagenz, Verspinnen in Wasser (Naßspinnverfahren), Strecken und Entkupfern mit verdünnter Schwefelsäure hergestellt. Viscose-Seide (Viscose- Reyon) erhält man durch Reaktion von Cellulose mit 20 proz. NaOH und CS2 zum löslichen Cellulosexanthogenat (Abschn. 25.11). Zur Regeneration der Cellulose wird die Lösung durch Spinndüsen in ein Schwefelsäure-Bad gepreßt (/"CS2). Dabei entstehen seidenartige Cellulose-Fäden. Auch in Form von Cellophan-Folien oder als Schaumstoff läßt sich Cellulose aus dem Xanthogenat verarbeiten. Acetat-Seide (Acetat-Reyon) entsteht durch Acetylierung der Hydroxy-Gruppen von Cellulose mit Essigsäureanhydrid. Eine mit 2 bis 2.5 O-Acetyl-Gruppen (pro Glucose-Einheit) beladene Cellulose kann in AcetonLösung unter Verdampfen des Acetons versponnen werden (Trockenspinn-Verfahren). Acetylcellulose wird meist nach Zumischung anderer Stoffe zu Folien, Filmen und Lacken verarbeitet. Auch als Adsorbens zur Chromatographie findet substituierte Cellulose Verwendung. So werden zur Reinigung von Proteinen häufig 2-Diethylaminoethyl-cellulose (DEAE) und Carboxymethyl-cellulose (CM) als basische bzw. saure Ionenaustauscher verwendet. Beide stellt man durch Veretherung der Hydroxy-Gruppen mit 2-Dimethylamino-1-chlorethan oder Chloressigsäure her: Papier, Zellstoff, Watte HNO3 NaOH / CS2 [Cu(NH3) 4] (OH) 2

Cellulose

(CH3CO) 2O / H2SO4 CH3Cl , C2H5Cl / NaOH /

ClCH2CO2 Na+ / NaOH H2O / H2SO4 oder H2O / HCl

Cellulosenitrat : Schießbaumwolle, Celluloid, Collophonium Cellulosexanthogenat : Viscose-Seide, Cellophan Celluloselösung

H2SO4

Kupferseide (Glanzstoff)

Celluloseacetat : Acetatseide, Filme Methyl- und Ethylcellulose : Emulgatoren, Wasserfestes Papier Carboxymethylcellulose : Verfestiger, Chromatographiematerial D-Glucose

Ethanol, Tierfutter

Abb. 39.9. Technische Produkte auf Cellulose-Basis

39.9.3

Stärke, Amylose und Amylopektin

Stärke (C6H10O5)n ist das Reservekohlenhydrat höherer Pflanzen. Sie entsteht über D-Glucose als Assimilationsprodukt in den Chloroplasten aus dem Kohlendioxid der Luft und Wasser durch Photosynthese unter Abgabe von molekularem Sauerstoff. Aus den Chloroplasten wird es durch Abbau, Translokation (Überführung) und Resynthese in Speicherorganen (Amyloplasten) als Reservestärke abgelagert. Stärkekörner findet man in Wurzeln, Knollen, Mark und Samen. Die Stärke der Kartoffeln und von Getreide liefert den Hauptanteil des Kohlenhydrat-Bedarfs (etwa 500 g täglich) unserer Nahrung; 1 g Stärke gibt 17 kJ. Stärkekörner enthalten zwei unterschiedliche Polysaccharide. Ihre Hülle besteht aus wasserunlöslichem Amylopektin (80 %), das Innere aus wasserlöslicher Amylose (20 %). Amylose bildet unverzweigte c-(1›4)-Glucosid-Ketten (rel. Molekülmasse 17000 – 225000 entsprechend 100 – 1400

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39 Kohlenhydrate

D-Glucose-Einheiten), die sich helical anordnen. Amylopektin enthält ebenfalls c-(1›4)-GlucosidKetten, von denen jedoch zusätzlich kürzere Seitenketten mit 20 - 25 Monomeren abzweigen. Die Verzweigung erfolgt über c-(1›6)-glucosidische Bindungen. Amylopektin sollte nicht mit den gelatinierenden Pektinen (Abschn. 39.9.7) verwechselt werden, welche aus D-GalacturonsäureKetten aufgebaut sind. OH HO O HO

O

OH HO O O HO HO HO OH O O O O HO HO HO OH OH O O O HO Amylopektin OH O HO

HO HO

O HO

OH O HO

O HO

O n HO

O HO

OH

Amylose

O OH HO O HO

OH

O OH HO O HO

O HO OH O HO

O OH O

Außer als Nahrungs- und Futtermittel findet Stärke als Kleister Verwendung. Partiell hydrolysierte Stärke dient in Form von Dextrinen als Kleber und Appreturmittel. Durch Erhitzen auf 90 °C quillt Amylopektin mit Wasser auf, und Amylose geht kolloid in Lösung. Die lösliche Stärke, also Amylose, kann mit Ethanol aus der Lösung wieder ausgefällt werden. Amylose zeigt mit Iod/Kaliumiodid-Lösung eine spezifische Blaufärbung, die auf einer kettenförmigen Einlagerung des I2 in die kanalartige Struktur der Amylose-Helix beruht. Diese Iod-Stärke-Reaktion ist ein empfindlicher Nachweis von Stärke oder von Iod.

39.9.4

Glycogen

Tiere können Kohlenhydrate in der Leber (bis 15 Gew. %) und in Muskeln (bis 1 Gew. %) in Form des Glycogens speichern. Die saure Hydrolyse des Polysaccharids Glykogen liefert D-Glucose. Die Glucose-Einheiten des Glycogens sind wie im Amylopektin c-(1›4)-glucosidisch verknüpft; allerdings mit dichterer Kettenverzweigung und kürzeren Ketten. Die hohe relative Molekülmasse 4 - 14 x 106 entspricht 25000 - 90000 Glucose-Einheiten. Glycogen wird enzymatisch durch cAmylase in das Disaccharid Maltose (Abschn. 39.8.1) gespalten. Weitere Glucosane sind Laminarin [d-(1›3)-Verknüpfung] aus dem Seetang Laminaria, Lichenin [d-(1›4)- und d-(1›3)-Verknüpfung] aus Flechten, sowie verschiedene Dextrane [c-(1›2)-, c(1›3)- und c-(1›4)-Verknüpfungen] aus Bakterien. Dextrane finden nach partieller Hydrolyse u. a. Verwendung als Zusatz zu Blutersatzmitteln. Nach Modifizierung werden aus Dextranen stationäre Phasen zur Gelchromatographie und Biosensor-Beschichtungen hergestellt.

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39.9

Polysaccharide

39.9.5

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Chitin

Nach der Cellulose ist Chitin mengenmäßig die zweitgrößte, sich stets erneuernde Rohstoffquelle. Chitin fällt besonders aus Fermentationsmycel sowie bei der Verwertung von Crustaceen (Shrimps, Krill) und Muscheln an. Es bildet die Gerüstsubstanz der Insekten und Pilze. Chitin besteht aus d-(1›4)-glucosidisch verknüpften N-Acetyl-D-glucosamin-Resten. Seine Primärstruktur entspricht somit der Cellulose, wobei eine Acetylamino-Gruppe die Hydroxy-Funktion an C-2 ersetzt. CH3 O HO HO HO

NH

O NH

HO O HO

O

O OH NH

n

O CH3

HO O HO O

CH3

Chitin

Die Hydrolyse des Chitins in Salzsäure liefert D-Glucosamin und Essigsäure. Hydrolysiert man die Acetyl-Gruppe des Chitins in wäßrig-alkalischer Lösung, so resultiert das technisch interessante polykationische Polymer Chitosan. Chitosan kann u. a. als Zusatz zu Tierfutter, Papier- und Färbehilfsmittel, Bindemittel, Flockungshilfsmittel, Klebstoff sowie als Dialysemembran verwendet werden.

39.9.6

Heparin, Hyaluronsäure, Chondroitinsulfate

Polysaccharide finden sich in Schleimhäuten, Organen sowie im Stütz- und Bindegewebe. Diese Mucopolysaccharide enthalten D-Glucuronsäure, sowie D-Glucos- und D-Galactosamin als Bausteine. Ein Beispiel ist das aus Lunge und Leber isolierbare Heparin; es enthält c-glycosidisch verknüpfte D-Glucuronsäure, D-Glucosamin und deren Sulfate als Einheiten. Heparin wird aus Rinderlungen gewonnen; es hemmt u. a. die Zusammenlagerung von Thrombozyten zu Thromben. CO2 O

O HO

O O3S

OH O

O

O3S

O NH O O3S HO

[Glucuronsäure-D-glucosamin]n Heparin

CO2 O

OSO3

OH O HO

O

O3S

NH O

Im Gegensatz zu Heparin enthalten Hyaluronsäure und Chondroitinsulfate c-glycosidisch (1›3 und 1›4) verknüpfte Monosaccharid-Einheiten. Die stark viscose Hyaluronsäure dient als interzelluläre Kittsubstanz, hält die Oberfläche des Eies zusammen und kommt in der Nabelschnur

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878

39 Kohlenhydrate

sowie im Glaskörper des Auges vor. Knorpel und Sehnen bestehen hauptsächlich aus den Chondroitinsulfaten. CH3 O 4

CO2

O HO 3

HO 4 O HO O 1d OH

3

O 3

NH

HO O

4

1d

O

OH1d

O O HO 4 HO CO2

CH3 [D-Glucuronsäure-N-acetyl-D-glucosamin] n Hyaluronsäure

39.9.7

3

OSO3

HO

NH 1d

OH

O

O

HO O

O

O

NH

CO2

O n

O O

CH3 n [N-Acetyl-D-galactosaminsulfat)-D-glucuronsäure] n Chondroitinsulfat

Inulin und Pektine

Inulin ist ein Reservekohlenhydrat, das aus Wurzeln (Knollen) von Dahlien, Artischocken sowie Alant (Inula helenium, Asteraceae) gewonnen wird und als glucosefreie Diabetikernahrung Verwendung findet. Die Inulinkette besteht aus 30 bis 60 D-Fructofuranose-Einheiten (lineares Polyfructosan), die d-(1›2)-glycosidisch verknüpft sind und einen terminalen c-D-GlucopyranoseRest am Kettenende tragen. Aus Pflanzenteilen (Wurzeln, grüne Stengel, Blätter, fleischige Früchte wie Äpfel) können ferner Pektine isoliert werden, die als Gelier- und Verdickungsmittel bei der Herstellung von Nahrungsmitteln, zur Therapie von Durchfällen sowie in der pharmazeutischen Technologie vielseitige Verwendung finden. Die Pektin-Ketten bestehen aus einigen hundert c-(1›4)-glycosidisch verknüpften D-Galacturonsäure- und D-Galacturonsäuremethylester-Einheiten (Polyuronide, Pektinsäuren). HO

O

HO HO

1c

HO O

O

OH HO O

HO2C O

1d

HO

2

HO

HO O

O OH CO2CH 3 O

HO

n HO O 1d

1c

OH O OH 4 CO2H

OH

HO

O HO

Inulin

Pektin (Ausschnitt)

Hemicellulosen, die zusammen mit Cellulose die Zellwandstruktur der Pflanzen bilden (Pflanzengummen), sind Polysaccharide, die D-Xylose (Xylane aus Hölzern), D-Mannose (Mannan) und DGalactose (Galactane aus Weinbergschnecken) enthalten. In Getreidestroh und Kleie sind 20 - 30 % Pentosane (Xylan, Araban) enthalten.

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40.1

Bauprinzip der Nucleinsäuren

879

40 Nucleoside, Nucleotide, Nucleinsäuren 40.1 Bauprinzip der Nucleinsäuren Nucleinsäuren sind die Träger der genetischen Information. Ihre Aufklärung begann 1871, als F. MIESCHER eine Substanz aus Eiterzellkernen isolierte, die er herkunftsgemäß als "Nuclein" bezeichnete. Dieses Nuclein zeigte saure Reaktion ("Nucleinsäure"), war schwer löslich in Säuren, leicht in Alkalihydroxid und enthielt 10 % Phosphor. Nucleinsäuren sind Biopolymere, die zutreffender als hochmolekulare Polynucleotide bezeichnet werden. Ihre Hydrolyse liefert die Nucleotide, in denen Stickstoff-Heterocyclen, Pentosen und Phosphorsäure miteinander verknüpft sind (Abb. 40.1). Durch Abspaltung der Phosphorsäure aus Nucleotiden entstehen die Nucleoside, in denen Pentosen an Stickstoff-Heterocyclen der Pyrimidin- und Purin-Reihe gebunden sind (Abb. 40.1). Diese Heterocyclen bezeichnet man als Nucleobasen. Adenosinmonophosphat (abgek.: AMP, ältere Bezeichnung: Muskeladenylsäure) ist z. B. ein Nucleotid, in dem das Nucleosid Adenosin an der primären Alkohol-Gruppe des Ribose-Restes mit Phosphorsäure verestert ist. Im Adenosin ist der Heterocyclus Adenin an das C-1-Atom der Ribose N-glycosidisch gebunden (Abb. 40.1). Nucleinsäure (Polynucleotid) NH2 O

OH

N

O

N

N

P

Nucleotid (Nucleosid-Phosphat)

O

z. B.

N

O OH

HO

Adenosinmonophosphat (AMP)

NH2

H3PO4 N Nucleosid (N-Glycofuranosid)

N

HO

z. B.

N N

O HO

OH

Adenosin

NH2 N

HO Pentose + Nucleobase

O

z. B.

N HO

N

OH + OH

D-Ribose

H

N

Adenin

Abb. 40.1. Bauprinzip der Nucleinsäuren

Nucleinsäuren sind somit Polynucleotide mit einem Polypentofuranose-3',5'-phosphat als Skelett, an deren anomeren C-Atomen die Pyrimidin- bzw. Purin-Nucleobasen d-N-glycosidisch gebunden sind. Je nach Art der Pentose (D-Ribose oder 2-Deoxy-D-ribose) unterscheidet man zwischen

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880

40 Nucleoside, Nucleotide, Nucleinsäuren

Ribonucleinsäuren (RNS oder engl. RNA) und Deoxyribonucleinsäuren (DNS oder DNA). Je ein Fragment einer Ribonucleinsäure (Abb. 40.2a) bzw. einer Deoxyribonucleinsäure (Abb. 40.2b) illustriert den Aufbau der alternierend aus Phosphat und Zucker bestehenden Polymerketten. An diesem Rückgrat, (Rib-P)m , hängen in genetisch festgelegter Folge jeweils die heterocyclischen Purinbasen Guanin und Adenin (DNA und RNA) und die Pyrimidinbasen Cytosin sowie Thymin (nur DNA) bzw. Cytosin und Uracil (nur RNA). Die Folge der Basen wird als NucleinsäureSequenz bezeichnet. NH 2 O P

OH

N

O

N

N

P O

NH 2

Adenin (A)

P

N

OH

N

O

N

O

Rib P

OH N

O

P

O

A

a

G

C

P

P

N

O

N

NH N

O

dRib

Guanin (G)

NH2

HO U

P

O

O P

O

A

3'

P

O

O O

Uracil (U)

Thymin (T)

NH N

O

OH

HO

abgekürzte Formulierung P

O P

O

O

Rib

O

H3C

dRib

NH N

O

O

O

P O

N

O

P

Cytosin (C)

N

P

O

Cytosin (C)

Adenin (A)

NH2

O

dRib

OH

N N

O

O

O

O

N

P

O

O

Rib O

Guanin (G)

NH 2

N

P O

O

O

NH 2

O

O

N

dRib NH

P O

OH P

O O

O

O

P

N

O

Rib

O

OH

b

5'

C

T

G 3'

abgekürzte Formulierung P

P

P

P

OH

5'

Abb. 40.2. Nucleinsäure-Fragmente: (a) RNA-Fragment, Tetraribonucleotid, Kürzel p-5'-AGCU-3'-OH; (b) DNA-Fragment, Tetradeoxyribonucleotid, Kürzel p-5'-dACTG-3'-OH

Zur abgekürzten Formulierung der Nucleotide werden die Einbuchstaben-Symbole A, C, G, T und U der Basen nach Abb. 40.2 verwendet, wie einige Beispiele zeigen: NH2

O O

OH

NH

P O

N

O

O P

O

O P

N

OH

O

OH

N

O

P O

N

OH

NH

P N

O O

O

O O

O

OH

O

N

O

N

O

N

O

NH2

O HO

OH

HO

O

OH

P

O

OH 3´,5´-UDP

(5´-)ADP

2´,5´-GDP

Für 5'-Phosphate entfällt konventionsgemäß die Bezifferung; das Kürzel ADP steht z. B. für Adenosin-5'-diphosphat. Sequenzschreibweisen wie P-5'-dATCGAU-3'-OH für eine DNA-Partialsequenz oder P-5'-ACG[UAG-3'-OH ([ = Pseudouridin mit 1'-Uracil-C-6-Bindung) für eine tRNA-Sequenz eignen sich zur Beschreibung längerer Nucleinsäure-Fragmente. Bezeichnungen für synthetische Homopolynucleotide sind z. B. Poly-A (Polyadenylsäure), Poly-dC (Polydeoxycytidylsäure), für Sequenzpolymere z. B. Poly-AUCG.

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40.1

Bauprinzip der Nucleinsäuren

881

Tab. 40.1. Nucleinsäure-Bausteine: Nucleobasen, Nucleoside, Nucleotide und ihre Symbole Pyrimidin-Derivate

NH 2

O

N

Nucleobasen

NH

N

O

N

H

N

OH (H)

OH

HO Deoxyribosylthymin (Thymidin) dT

Uridin U

Nucleotide

O

O O

N

O

O

O

OH

OH (H)

HO

N

O

Nucleobasen

HO

O N

N

NH

N

N

N H Adenin

H

N

HO

Nucleoside

O N

N N

N

HO

O

N

OH

N

P

Nucleotide

O

NH 2

Guanosin (Deoxyadenosin) G (dG)

O

NH 2 O

N

OH (H)

HO

Adenosin (Deoxyadenosin) A (dA)

NH

O

OH (H)

HO

NH 2

N Guanin

NH 2 N

O

Deoxyribosylthymin-5´-monophosphat (Thymidin-5´-monophosphat) dTMP (nur in DNA)

NH 2 N

N

O O

Uridin-5´-monophosphat Uridylsäure (nur in RNA)

Purin-Derivate

NH

P

OH

HO

Cytidin-5´-monophosphat Cytidylsäure CMP bzw. dCMP

OH

O

O

O

O

H 3C O

NH

P

O

O

O

OH

HO

N

P

NH N

HO

O

O

NH 2 O

O

H 3C

NH

Cytidin (Deoxycytidin) C (dC)

O

Thymin

N

HO

O

O HO

N

O

N

NH

H

Uracil

NH 2

Nucleoside

O

H

Cytosin

HO

O H 3C

O

N

OH

NH

P

N

O

N

O HO

OH (H)

Adenosin-5´-monophosphat Adenylsäure AMP (dAMP)

O

N

O

N

O HO

NH 2

OH (H)

Guanosin-5´-monophosphat Guanylsäure GMP (dGMP)

Tab. 40.1 enthält eine Zusammenstellung der Bausteine beider Nucleinsäure-Typen (RNA und DNA); Tab. 40.2 orientiert über ihre Nomenklatur und Klassifizierung.

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882

40 Nucleoside, Nucleotide, Nucleinsäuren

Tab. 40.2. Nomenklatur und Klassifizierung der Nucleinsäuren Nucleinsäuren

Deoxyribonucleinsäuren (DNS oder DNA) meist Doppelhelix rel. Molekülmasse etwa 10 6 - 109 etwa 5000 Nucleotid-Einheiten charakteristisches Basenverhältnis: A : T und G : C = 1 : 1 ; (A + G) = (C + T)

Ribonucleinsäuren (RNS oder RNA) Einstrangform mit Helixanteil rel. Molekülmasse etwa 10 4 - 105 je nach Funktion m-RNA , t-RNA , r-RNA m für messenger, t für transfer , r für ribosomal

Nucleotide

Deoxyribonucleotide Polydeoxyribotide (> 10 Monomere) Oligodeoxyribotide (2 - 10 Monomere) Monodeoxyribotide dAMP , dGMP , dCMP , dTMP d : Präfix für Deoxy-

Ribonucleotide Polyribotide (> 10 Monomere) Oligoribotide (2 - 10 Monomere) Monoribotide AMP , GMP , CMP , UMP

Nucleoside

Deoxyriboside Deoxyadenosin (dA) , Deoxyguanosin (dG) Deoxycytidin (dC) , Deoxyribosylthymin (dT)

Riboside Adenosin (A) , Guanosin (G) , Cytidin (C) Uridin (U bzw. rU)

Nucleobasen

Purine : Adenin (Ade) , Guanin (Gua) Pyrimidine : Cytosin (Cyt) , Thymin (Thy)

Purine : Adenin (Ade) , Guanin (Gua) Pyrimidine : Cytosin (Cyt) , Uracil (U)

Pentosen

2-Deoxy-D-ribose

D-Ribose

Polynucleotide (3´ 5´) Oligonucleotide (3´ 5´) Mononucleotide Nucleosid-2´,3´- und 5´-monophosphate

40.2 Abbau der Nucleinsäuren 40.2.1

Bedingungen der Hydrolyse von Nucleosiden und Nucleotiden

Die O-Glycoside von Deoxyribose werden in sauren Medien schneller gebildet und schneller hydrolysiert als diejenigen der Ribose. Zum einen sind sterische Gründe dafür verantwortlich, da der glycosidische Kohlenstoff in Deoxyribosiden leichter zugänglich ist; zum anderen erzeugt das Fehlen der Hydroxy-Gruppe an C-2 einen gegenüber der Ribose verminderten (/)-I-Effekt an C-1. Entsprechendes gilt für die N-Glycoside (Nucleoside). Während zur Ringspaltung des Heterocyclus äußerst drastische Bedingungen erforderlich sind, können die Phosphorsäureester-Bindungen leicht im alkalischen und die N-Glycoside im sauren pH-Bereich gespalten werden (Abb. 40.3). Auf der unterschiedlichen Hydrolyse-Stabilität der Ribotide und Deoxyribotide beruht eine Methode zur Trennung von DNA und RNA.

Phosphat

O Pentose

0.3 N KOH denaturiert DNA / aber spaltet RNA bei 37 °C H 2O , OH

Heterocyclen widerstehen Hydrolyse und Hydrazinolyse

Base

+

H 3O

Verdünnte wäßrige Säure spaltet Purinyl-N-glycoside bei DNA , konz. Säure bei RNA

N 2H 4 Hydrazin spaltet Purinyl-N-glycoside

Abb. 40.3. Chemischer Abbau von Nucleotiden

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40.3

Eigenschaften von Nucleosiden und Nucleotiden

883

Je nach Stellung der Phosphat-Gruppe an C-2', C-3' oder C-5' der Pentose findet man eine abnehmende Stabilität, z. B. gegenüber 0.01 normaler Natronlauge in der Reihe: Rib-2-P > Rib-3-P > Rib-5-P. Rib-5-P ist relativ labil aufgrund der erhöhten Nucleophilie an C-5 und geringerer sterischer Hinderung. Der hydrolytische Abbau von Ribonucleinsäuren mit konzentriertem, wäßrigem Ammoniak bei 180 °C liefert die vier Ribonucleoside Adenosin, Guanosin, Cytidin und Uridin. Unter diesen Bedingungen geben Deoxyribonucleinsäuren kein Hydrolysat; RNA ist also gegenüber Alkali weniger stabil als DNA. Bei Einwirkung von wäßriger Mineralsäure resultieren nur Pyrimidin-5'deoxyribotide. Alle anderen Nucleotide werden zerstört.

40.2.2

Enzymatische Spaltung von Polynucleotiden

Bedeutender als chemische Abbaumethoden sind enzymatische Verfahren. Als Nucleasen bezeichnete Enzyme spalten in der DNA oder RNA innerhalb der Polynucleotid-Kette (Endonucleasen) oder an den Enden (Exonucleasen). Diese spezifisch spaltenden Enzyme ermöglichen Sequenzanalysen von Nucleinsäuren und molekularbiologische Arbeiten.

40.3 Eigenschaften von Nucleosiden und Nucleotiden 40.3.1

Eigenschaften der Phosphat-Gruppe

Orthophosphat bildet schwerlösliche Metallkomplexe mit Ca2+, Fe3+, Al3+, während die Alkaliphosphate leicht löslich sind. Diese Tatsache nützt man auch bei der Isolierung und Reinigung von Nucleotiden aus. Durch ihre negativen Ladungen induzieren Phosphat-Gruppen starke elektrostatische Wechselwirkungen mit hochmolekularen, polaren Molekülen, z. B. mit positiv geladenen Proteinen (DNA-Bindeproteine). Eine der wesentlichen Eigenschaften der Phosphatgruppe ist ihr in Zusammenwirkung mit dem Zucker-Rest ausgeprägter hydrophilisierender Einfluß auf die nur wenig wasserlöslichen heterocyclischen Basen. Kaum ein Vorgang in der Zelle läuft ohne Phosphat-Umsetzungen ab. Unter den gruppenübertragenden Prozessen in der Biochemie hat deshalb das Phosphat-Gruppen-Transferpotential des ATP besondere Bedeutung. Der Wert FG = / 30 kJ / mol liegt im Vergleich zu Zuckerphosphaten (Glucose-6-phosphat: FG = / 6.6 kJ / mol) relativ hoch. Dieser Energiebetrag wird frei, wenn 1 mol der terminalen Gruppe des Donators ATP auf das Akzeptormolekül H2O (Standard-Akzeptor) übertragen wird. Er deckt gerade den Energiebedarf der Phosphorylierung des Kreatins, wie die folgende Energiebilanz zeigt: ATP + Kreatin +

H 2O 2/ HPO4

ADP + ADP +

ATP +

Kreatin

ADP +

2/

HPO4 2/ HPO4 Kreatin-P

F G = / 30 kJ / mol F G = - 30 kJ / mol FG =

0 kJ / mol

Die in ATP gespeicherten sogenannten Standard-Energiemengen sind je nach Art der PhosphatFreisetzung unterschiedlich: ATP + ATP + PP +

H 2O H 2O H 2O

2/

ADP + HPO4 AMP + PP 2/ 2 HPO4

F G = / 30 kJ / mol F G = / 36 kJ / mol F G = / 28 kJ / mol

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884

40 Nucleoside, Nucleotide, Nucleinsäuren

40.3.2

Löslichkeit

Pyrimidin- und Purinbasen, Nucleoside und Nucleotide zeigen sehr unterschiedliche Löslichkeiten, deren Kenntnis bei Isolierungen, chromatographischen Trennungen und spektroskopischen Untersuchungen nützt. Die Stammheterocyclen Pyrimidin und Purin lösen sich sehr gut in Wasser, während alle Hydroxy- und Amino-Derivate zum Teil erheblich schlechter löslich sind. Alle schwer löslichen Purine oder Pyrimidine lösen sich nach Zusatz von verdünntem Alkali oder Säure gut in Wasser und lassen sich durch Neutralisation wieder fällen. Zum Auflösen von 1 g Uracil werden 280 g, von 1 g Harnsäure 39 480 g Wasser benötigt.

40.3.3

Tautomerie-Gleichgewichte

Soweit die Nucleobasen Hydroxyprimidine und Hydroxypurine sind, können sie als LactamLactim-Tautomere auftreten, wie die Beispiele Thymin und Guanin zeigen: OH N HO

O

OH CH3

CH 3

N

N

O

Dilactim (Bislactim)

CH3

HN O

N H

Lactim-Lactam

N H

Dilactam (Bislactam)

Tautomere des Thymins O

OH N

N H 2N

HN

N H

N

H2N

Aminolactim

O N

N

N

HN

N H

HN

Aminolactam

N H

N H

Imidolactam

Tautomere des Guanins

Dagegen ist IR- und NMR-spektroskopisch erwiesen, daß die Amino-Gruppe in allen Nucleobasen als solche vorliegt, also kein Imino-Tautomer auftritt: NH 2

NH N

N N

N H

Amino-

N

HN N des Adenins

N H

Imino-Tautomer

Die Existenz der Hydroxy-Nucleobasen als Oxo-Tautomere ist u. a. entscheidend für die Wasserstoffbrücken-Bindung zwischen komplementären Nucleobasen (Abschn. 40.3.5). Durch pH-Änderungen kann das Gleichgewicht stark beeinflußt werden. Der pK-Wert der Lactam-Gruppe von U, T und G liegt bei 9.5. Im alkalischen Bereich besteht somit ein Dissoziationsgleichgewicht, welches mit einem Tautomeriegleichgewicht gekoppelt ist. Im übrigen kann der elektronische Grundzustand des Strukturelements (/NHCO/) ähnlich wie bei Säureamiden und der Peptid-Bindung durch mesomere Grenzformeln beschrieben werden. O H

N

O H

OH

N

Lactam, stabilisiert durch Amid-Mesomerie

O

Dissoziation

O

/ [H+]

Tautomerie

N Lactim

-" [H+]

N

N

mesomeriestabilisiertes Amid-Anion

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40.3

Eigenschaften von Nucleosiden und Nucleotiden

40.3.4

885

Dissoziationsverhalten von Nucleotiden

Durch Titrationsmethoden können die pK-Werte und Dissoziationskonstanten der polyfunktionellen Nucleotide ermittelt werden. So findet man für die Phosphat-Gruppe des 2'-AMP einen größeren pK-Wert als im 3'-AMP. Der Grund ist die kleinere Ladungsdichte des 2'-AMP und somit eine geringere Ladungstrennung; 3'-AMP besitzt eine größere Ladungsdichte und eine entsprechend weitergehende Ladungstrennung. Die pK-Werte der Amino-Gruppe in 6-Stellung des Adenins ändern sich deutlich beim Übergang zum Nucleosid und Nucleotid, was weniger durch induktive Effekte bei der Substitution an N-7 und mehr durch Änderungen der Hydrathülle ausgelöst wird. 4.15 NH2

N 5 7

pK-Werte 9.8

N

3.45 NH 2

N

3N 1

N

H

N

HO

1. 0.7 - 1.6 2. 6.2

HO

N

OH

N

P

N

O

N

O OH

HO

40.3.5

N

N

O

12.5

Adenin

3.8 NH2

O

OH

HO

Adenosin

Adenosin-5´-monophosphorsäure

Bildung von Basenpaaren und Komplementärprinzip

Nucleobasen enthalten Amino- und Amido-Funktionen als Wasserstoffbrücken-Donoren sowie Carbonyl- und Imino-Gruppen als Akzeptoren, wie das Beispiel Cytosin zeigt. Daher gibt es drei Möglichkeiten zur Bildung von Wasserstoffbrücken:

H

Donor

N

H

Akzeptor N Akzeptor O

N H N H Donor

Amino-Gruppe von A , G , C

O C Oxo-Gruppe von T , C , G

N Ring-IminoGruppe von A , C

H N Ring-AminoGruppe von G , T

N Ring-IminoGruppe von A , C

-

H N Ring-IminoGruppe von C

Cytosin

Je nach vorliegendem Tautomer kann dieselbe Stelle eines Moleküls als WasserstoffbrückenDonor und Akzeptor wirken. Ein Beispiel ist Cytosin, wobei Protonenakzeptor-Stellen einen zum Molekül hinführenden Pfeil, Donor-Stellen einen nach außen weisenden tragen. Ein solcher Wechsel der Cytosin-Affinität gegenüber Protonen spielt möglicherweise bei der Konformation der RNA eine Rolle. Abb. 40.4 illustriert die Ausbildung von Wasserstoffbrücken am Beispiel der Basenpaare A=T (zweifach) und G»C (dreifach). Man nennt die Nucleobasen dieser Paare komplementär. Infolge dieser Basenpaarung lassen sich die Amino-Gruppen der Cytosin-Reste nicht mehr titrieren. Zusätzliche Wasserstoffbrücken existieren zwischen Zucker-Hydroxy- und Oxo-Gruppen bzw. Nhaltigen Akzeptoren, sowie zwischen Phosphat-Anionen und Ammonium-Kationen, wobei interionische Wechselwirkungen die Hauptrolle spielen.

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886

40 Nucleoside, Nucleotide, Nucleinsäuren

Die Wasserstoffbrücken-Bildung zwischen den komplementären Nucleobasen (Abb. 40.4) hat folgende Konsequenzen: ̈" ̈" ̈"

Es bildet sich ein ebenes Basenpaar; hydrophile Zucker- und Phosphat-Reste stehen nach außen ins wäßrige Medium ab (Abb. 40.4, 40.6). Es ergibt sich ein Energiegewinn von rund 3 bzw. 2 x 22 kJ/mol bei jeder Basenpaarung. Es resultiert eine Senkung der Entropie des Systems gegenüber den dissoziierten Basen. H

N R

284

O

N

N H N N H H

H

H N

284 284

N

N R

N O

H

282

291

N

H

C

O

CH3

N

N

N O

R

1085 pm

G

N

N

R

1085 pm

A

T

Abb. 40.4. oben: Basenpaare mit Wasserstoffbrücken in der DNA, unten: Stab-Modelle der Desoxyriboside mit eingezeichneten Wasserstoffbrücken der Nucleobasen. Die jeweils rechts gezeichneten Nucleoside C und T sind in den nach oben laufenden Strang der DNA (Abb. 40.5 b von unten) eingebaut, G und A befinden sich im nach unten führenden Strang (Atomabstände in pm; R = 2-Desoxyribosyl wie in den Modellen)

40.3.6

Die Doppelhelix der DNA

Nach dem von WATSON und CRICK entwickelten Modell (Abb. 40.5) bildet die DNA eine Doppelhelix. Diese besteht aus zwei sequenzgleichen gegenläufig spiralig aufgewundenen PolynucleotidSträngen. Innerhalb der helikalen Struktur des Deoxy-D-ribosepolyphosphat-"Rückgrats" befinden sich die Nucleobasen. Dabei steht einem Adenin stets ein Thymin, einem Cytosin stets ein Guanin gegenüber. Diese innerhalb der Doppelhelix liegenden Basenpaare sind durch drei (C»G) bzw. zwei (A=T) Wasserstoffbrücken-Bindungen verbunden und liegen jeweils auf einer Ebene. Die Polynucleotid-Stränge sind demnach in Bezug auf die Sequenzen ihrer Nucleobasen komplementär, damit sie durch die Basenpaare A=T und G»C stabil zusammengehalten werden. Die Doppelhelix (Abb. 40.5, 40.6) hat einen konstanten Durchmesser von 2.2 nm, weil jeder Purin- eine Pyrimidin-Base gegenübersteht. In der DNA ist die Summe (A+G) gleich der Summe (C+T). Stets gilt A:T und G:C = 1:1. Dagegen kann das Verhältnis der komplementären Basen, (A+T) / (G+C), variieren. Stets bilden 10 Basen eine Umdrehung der Spirale, was in der Längsrichtung einen Abschnitt von 3.4 nm bedeutet. Die beiden (in allen Lebewesen der Erde rechts-

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40.3

Eigenschaften von Nucleosiden und Nucleotiden

887

händigen) Stränge der Doppelhelix laufen entgegengesetzt in der Spirale (Abb. 40.6) als stereochemische Folge der Komplementarität.

Abb. 40.5. WATSON-CRICK-Modell: Schematische Darstellung der 3',5'-Internucleotid-Bindungen der DNADoppelhelix mit den Windungen der auf- und abwärts laufenden Zuckerphosphat-Stränge und den innerhalb der Helix liegenden aufeinandergeschichteten Basenpaaren (A, T, G, C = Nucleobasen; D = Deoxyribose; P = Phosphat). (a) bandförmige Darstellung der Zuckerphosphat-Helices mit dazwischen liegenden Basenpaaren, (b) Darstellung in Symbol-Schreibweise, (c) Skizze des Kalottenmodells [nach BENNETT (1966) in FRIEDEN, Modern Topics in Biochemistry, MacMillan Publishing Co. Inc., New York]

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888

40 Nucleoside, Nucleotide, Nucleinsäuren

Abb. 40.6. Berechnete Stab- und Kalotten-Modelle der Sequenz ATGCATGCATGC, Stab-Modell mit eingezeichneten Helix-Bändern (C: schwarz; H: weiß; O: rot; N: blau; P: orange)

An der Stabilisierung der Doppelhelix sind neben den zwei- und dreifachen Wasserstoffbrücken zwischen den Basen weitere Effekte beteiligt. Zum einen sind das hydrophobe Wechselwirkungen, die durch Stapelung der Heterocyclen (Basenstapelung, stacking) hervorgerufen werden; zum anderen ist es ein stabilisierendes Netzwerk, das durch Wasserstoffbrücken zwischen Wassermolekülen und den gegenläufigen Phosphat-Zucker-Ketten geknüpft wird. Die Stabilisierung durch Wassermoleküle soll aus der Schwächung der elektrostatischen Abstoßung zwischen den Phosphat-Anionen beider Ketten resultieren (dielektrische Abschirmung). Für diese Annahme spricht auch die Stabilisierung der DNA durch einen höheren Salzgehalt (ionische Abschirmung).

40.3.7

Detektion der DNA-Denaturierung durch UV-Spektroskopie

HPLC und UV-Spektroskopie sind die wichtigsten Reinheitstests für Nucleotide. Sie ermöglichen eine schnelle quantitative Bestimmung. Die vier RNA-Basen zeigen im Bereich von 260 - 280 nm eine starke, pH-abhängige UV-Absorption.

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40.3

Eigenschaften von Nucleosiden und Nucleotiden

889

In der DNA-Doppelhelix (Abb. 40.5) liegen die Heterocyclen-Paare planar aufeinander (Basenstapelung). Daraus resultiert eine starke Hypochromie (Abnahme der Absorption, Abschn. 28.2.2), welche bis zu 35 % betragen kann. Dieser Effekt ist erheblich größer als die Summe der molaren Absorptionen monomerer DNA-Stränge. Bricht die Basenstapelung infolge Zerstörung der Doppelhelix durch Erhitzen zusammen, so zeigt sich dies an einer Hyperchromie im UV-Spektrum (Absorptionserhöhung bei 260 nm, Abb. 40.7). Diese thermische Denaturierung kommt der Auflösung einer geordneten Struktur gleich (Abb. 40.8). Dabei werden ähnlich starke spektrale Änderungen innerhalb eines engen Temperaturbereichs beobachtet wie beim Schmelzen von Kristallen. Deshalb bezeichnet man Kurven wie in Abb. 40.7 als Schmelzkurven und den Wendepunkt bei dem steilen Anstieg der Absorption sinngemäß als Schmelzpunkt (Lm, m = engl. melting).

Abb. 40.7. Nachweis der thermischen Denaturierung einer DNA durch temperaturabhängige UVAbsorptionsmessungen bei 260 nm (Schmelzkurven). Kurve a resultiert beim Erwärmen. Beim anschließenden langsamen Abkühlen (Kurve b) läßt sich die Doppelhelix weitgehend renaturieren, während rasches Abkühlen (Kurve c) eine bleibende Denaturierung bewirkt.

Abb. 40.8. Verschiedene Stufen der thermischen Denaturierung der DNA

Ist dieser Konformationswechsel reversibel, so beobachtet man bei der Wiederbildung einer Doppelhelix Hypochromie (Abb. 40.7). Die Hypochromie bei der Stapelung wird als Folge von COULOMB-Wechselwirkungen zwischen Dipolen, die durch die Lichtabsorption induziert werden, erklärt. Das Ausmaß dieser Wechselwirkung hängt von der Orientierung der Dipole relativ zuein-

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890

40 Nucleoside, Nucleotide, Nucleinsäuren

ander ab. Da bei "random coil"-Strukturen (statistisch verteilte Knäuel-Strukturen) nur eine zufällige Orientierung existiert, resultiert keine gerichtete Wechselwirkung und somit keine Hypochromie. Bei paralleler Orientierung der Dipole wie in der ursprünglichen, sogenannten nativen DNA erfolgt andererseits ein Abfall der molaren Extinktion. Der Lm-Punkt in der Temperaturskala, bei dem der scharfe Übergang von der Doppelhelix in die random-coil-Struktur stattfindet, kann je nach Herkunft der DNA sehr unterschiedlich liegen. Die Schmelzpunkte Lm verschiedener DNAs hängen linear vom Prozentgehalt an G»C-Paaren ab, was sich als Folge der stärkeren Paarung durch eine dreifache Wasserstoffbrückenbindung zwischen G und C gegenüber der nur zweifachen der T=A-Paare erklären läßt. Ferner hängt Lm vom pH, von zugesetzten organischen Lösemittel und von der Ionenstärke ab. Die Schmelzkurve verschiebt ihren Wendepunkt Lm nach tieferen Temperaturen z. B. mit abnehmender Ionenstärke. Die Doppelhelix stabilsiert sich, wenn positiv geladene Gegenionen die anionischen Phosphat-Reste von außen neutralisieren. Bereits destilliertes Wasser führt bei Raumtemperatur zur irreversiblen Zerstörung der DNA.

40.3.8

Seltene Basen und RNA-Konformation

Zur Aufklärung seltener Nucleotide trägt hauptsächlich die Gaschromatographie-Massenspektrometrie flüchtiger Trimethylsilylether (TMS) von Nucleinsäure-Hydrolysaten bei. In der t-RNA (t von transfer), aber auch im Intermediär-Metabolismus erfüllen diese seltenen Basen spezielle Funktionen. Wären nur die drei Pyrimidine Uracil, Thymin, Cytosin und die beiden Purine Adenin und Guanin als Nucleobasen einer RNA verfügbar, so würde nach dem WATSON-CRICK-Modell aufgrund des Komplementärprinzips ausschließlich die einheitliche Konformation einer Doppelhelix resultieren. t-RNAs sind jedoch so variabel und relativ komplex gebaut, weil sie seltenere Basen enthalten, welche die Tertiärstruktur und damit auch die Spezifität prägen (Abb. 40.9). Verbreitete Pyrimidin-Basen der RNA sind außer dem Schwefelanalogon 2-Thiouracil methylierte Pyrimidine wie 5-Methylcytosin und 5-Hydroxymethylcytosin (in DNA), 1-Methylcytosin, 1Acetylcytosin, 1-Methyluracil (in RNA), Dihydrouracil, das C-Glycosid Pseudouridin ({."in tRNA). NH2 H3C

N N

NH 2

NH2

N

N

HOH2C N

O

N

O

H

H 5-Methylcytosin

O NH N

O

CH3

5-Hydroxymethylcytosin

O NH N

O

CH3

1-Methylcytosin

O

1-Methyluracil

NH N

O

S

CH 3

H

Dihydrouracil

Thiouracil

Von den Purin-Basen sind neben Hypoxanthin wiederum methylierte Derivate wie 1-Methylhypoxanthin (in t-RNA), 1- und 7-Methylguanosin sowie 1-, 2- und 7-Methyladenosin bedeutende Komponenten der RNA. O

O N

HN N

N H

Hypoxanthin

H3C

N N

O N

H 3C

N

H 2N

H 1-Methylhypoxanthin

N N

NH2

O N N H

1-Methylguanin

N

HN H2N

N

N CH3

7-Methylguanin

N

N N

N CH 3

7-Methyladenin

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40.4

Replikation der DNA

891

Methyl-Gruppen behindern die Ausbildung von Wasserstoffbrücken zwischen T=A-, U=A- und G»C-Paaren, so daß sich nichthelikale, auch makrocyclische Bereiche in den RNA-Strängen bilden können (Abb. 40.8). Man bezeichnet makrocyclische Bereiche, die besonders in den t-RNAs auftreten, auch als Loops (Schleifen). Loops sind bevorzugte Angriffsstellen für abbauende oder modifizierende Enzyme sowie chemische Reagenzien.

G

A

U

G

hU

C

G

C

C

G C

G

G

G hU

G

C

G

C

G

U

C

G

A

Ala

C U

G

C

A

G

G C

C

U

C

U

C

C

G

U U

A

G {

C

G A G

U

A

Helix C

G

C

G

C

G

U

{

U

m1 I I

G

T

U*

C m2 G

Loop

C

U

C

Abb. 40.9. Sequenz der Alanin-transfer-RNA mit ungewöhnlichen Basen in nicht helicalen Bereichen: m 1G = 1-Methylguanosin, hU = Dihydrouridin, m 2G = Dimethylguanosin, m 1 I = 1-Methylinosin, { = Pseudouridin, U* = Uridin und Dihydrouridin

C

G

m1G G

A

A

G

C

40.4 Replikation der DNA Bei der enzymatisch gesteuerten Replikation (Verdoppelung) öffnet die DNA-Doppelhelix die Wasserstoffbrücken zwischen ihren Basenpaaren. Dabei bilden sich getrennte DNA-Stränge, die komplementäre Nucleotide durch Basenpaarung an sich heften und erneut über DiphosphatBindungen verknüpfen, so daß zwei neue, identische DNA-Doppelhelices entstehen (Abb. 40.10). T

A

T

A

T

G

C

G

C

G

T

C

G

C

G

C

C

G

A

T

A

T

A

G

C

T

A

A

DNA-Doppelhelix

Trennung der Doppelhelix

Bindung komplementärer Nucleotide

Knüpfung der DiphosphatBindungen

A

A

T

A

T

C

C

G

C

G

G

G

C

G

C

T

T

A

T

A

getrennte DNA-Stränge

Stränge mit komplementären Nucleotiden

duplizierte DNA (Doppelhelices)

Abb. 40.10. Vereinfachtes Schema zur Replikation der DNA

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892

40 Nucleoside, Nucleotide, Nucleinsäuren

Die fadenförmige, im Elektronenmikroskop auf den Chromosomen des Zellkerns sichtbare DNA trägt in Form von Teilsequenzen der Nucleobasen die als Gene bezeichneten Erbinformationen. Die biologische Funktion der DNA beruht auf ihrer einzigartigen Sekundärstruktur, der Doppelhelix, und ihrer damit verbundenen Fähigkeit zur Replikation (Abb. 40.10) bei der Zellteilung. Dadurch wird die genetische Information in völliger Identität auf die neue Zelle übertragen; Sequenzveränderungen durch Mutation oder Genmanipulation werden so auf neue Zellkerne vererbt. Von den an der Replikation beteiligten Enzymen spielt die DNA-Polymerase eine Hauptrolle bei der Polymerase-Kettenreaktion (polymerase chain reaction nach MULLIS, abgek. PCR). PCR vervielfältigt enzymatisch in vitro selektiv und schnell eine bestimmte DNA-Sequenz, z. B. aus einem Haar oder Speichelrest, und macht sie dadurch der Gentechnologie und Analyse zugänglich, auch zur "genetischen Erkennung". Hierzu wird die DNA mit der gesuchten Sequenz thermisch (94 °C) in die beiden Einzelstränge zerlegt (1). Beim Abkühlen auf 50 °C blockieren zugesetzte synthetische Oligonucleotide (Primer) durch Basenpaarung Anfang und Ende der gewünschten Sequenz und unterbinden so die Reassoziation (2). Beim Erhitzen auf die optimale Wirkungstemperatur (72-75 °C) der DNA-Polymerase aus hitzeresistenten Bakterien, z. B. Thermus aquaticus, wird die zwischen den Primern liegende DNA-Sequenz dupliziert (3). Erneutes Erhitzen auf 94 °C startet einen neuen Verdoppelungscyclus (1-3). Automatisiert sind innerhalb kurzer Zeit im "Thermocycler" 20 Cyclen möglich, so daß die Sequenz um 220 vervielfacht wird.

40.5 DNA, RNA und die Biosynthese der Proteine Die als Gene bezeichneten Teilsequenzen der DNA verschlüsseln u. a. die Aminosäure-Sequenzen der Proteine (genetischer Code). Spezifische Basentripletts (Codons, 43 = 64 pro Aminosäure) in der DNA legen dabei den Einbau einer bestimmten Aminosäure in der Sequenz fest. Zum Lesen des genetischen Codes wird die DNA-Sequenz nach Trennung der Doppelhelix durch Basenpaarung in eine komplementäre m-RNA-Sequenz (m steht für messenger = Bote) umgeschrieben (Transkription), wobei Adenin A durch Uracil U ersetzt wird (Abb. 40.11). Aus den die Aminosäure Phenylalanin codierenden DNA-Sequenzen AAA und AAC werden z. B. die m-RNACodons UUU und UUG. Die Codons der m-RNA steuern nach Übertritt in das Cytoplasma die Protein-Synthese in den Ribosomen durch Aufbau der t-RNA (t steht für transfer = übertragen), wobei jedes Aminosäurecodon der m-RNA in das komplementäre Anticodon der t-RNA übersetzt wird (Translation); aus UUG als Codon für Phenylalanin in der m-RNA wird z. B. das Anticodon AAC in der t-RNA (Abb. 40.11). DNA-Doppelhelix

DNAEinzelstrang

m-RNA mit Codons

t-RNA auf Ribosom

Zellkern

Cytoplasma

RibonucleotidMonomere

A U

Transport zum Cytoplasma

U

A

A U

U

A

C

G

C

G

aktivierte Aminosäuren Proteinbiosynthese

Phe Phe

komplementäre m-RNA mit Codons

komplementäre t-RNA mit Anticodons

Ribosom mit Phe-haltiger Proteinsequenz

Phe-haltige Proteinsequenz

Abb. 40.11. Sehr vereinfachtes Schema zur Biosynthese der Proteine

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40.6

Nucleosid- und Nucleotid-Synthesen

893

Die Proteinbiosynthese vollzieht sich in den Ribosomen als "Zellreaktoren". Dabei wird eine der 20 Proteinaminosäuren durch die hochspezifische Aminoacyl-t-RNA-Synthetase zunächst an die 5'-Phosphat-Gruppe des AMP gebunden. Die im gemischten Anhydrid aktivierte Aminosäure wird enzymatisch auf die 3'-Hydroxy-Gruppe der Transfer-Ribonucleinsäure (t-RNA) übertragen. In dieser Form spielt der Aminosäure-3'-ribosylester die Rolle des Aktivesters, welcher mit der Amino-Gruppe der wachsenden Peptid-Kette reagieren kann. Aminosäure-5´-AMP (gemischtes Anhydrid)

H3 N

R

O

O

CH

C

O P

O

Adenyl

CH2

/

Aminosäure-3´-t-RNA (Aktivester)

tRNA

tRNA

AMP

O

CH2

Adenyl

O

O

O R

Enzym HO

H3 N

OH

CH

C

O

OH R'

O ADP

H2 N Enzym

Peptid

tRNA

R CH

CO

Enzym

ATP

H2 N

CH

R'

R H2 N

CO2H

CH

C

NH

CH

CO

Peptid

O

40.6 Nucleosid- und Nucleotid-Synthesen Zur Synthese von Nucleotiden in vitro müssen die Nucleobasen zu den Nucleosiden Nglycosyliert und die Nucleoside nach Einführung von Schutzgruppen zu den Nucleotiden phosphoryliert werden.

40.6.1

Phosphorylierungen

Die zur Synthese von Nucleotiden notwendigen Veresterungen von Alkohol-Funktionen in Ribose und Deoxyribose mit Phosphorsäure-Derivaten bezeichnet man als Phosphorylierungen. Wegen ihrer Trifunktionalität kann Phosphorsäure mit Alkoholen Mono-, Di- und Triester bilden: O HO P OH OH

+ ROH, / H2O

O HO P OR OH Monoester

+ ROH, / H2O

O HO P OR OR Diester

+ ROH, / H2O

O RO P OR OR Triester

Daher ist der Einsatz von Chloriden, Anhydriden, gemischten Anhydriden und aktivierten Estern der Phosphorsäure als Reagenzien zur Veresterung komplizierter als bei Carbonsäuren. Gebräuchliche Phosphorylierungs-Reagenzien sind Phosphorsäureesterhalogenide, Phosphorsäureamidhalogenide sowie Carbodiimide und Triisopropylbenzensulfonsäurechlorid.

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894

40 Nucleoside, Nucleotide, Nucleinsäuren

Phosphorylierungen mit Phosphorsäureesterhalogeniden Aus Phosphoroxidchlorid (Phosphorylchlorid) und Phenol läßt sich eine destillativ trennbare Mischung der Phosphorsäureesterhalogenide Phenyldichlorphosphat und Diphenylchlorphosphat herstellen. O 3

OH

Cl P Cl

+

O

(Base)

O

C 6H5O P Cl

/ 3 HCl

Cl

+

C6H 5O P Cl OC 6H5

Cl

Beide reagieren mit Alkoholen zu Triestern, aus denen durch selektive Abspaltung des PhenylRestes (Hydrierung mit Pt/H2 oder alkalische Verseifung) Phosphorsäuremono- bzw. diester hervorgehen. O C6H 5O P Cl

R +

H O

Pyridin / HCl

OC 6H5

C6H 5O P OR

+ H2 / Pt / oder OH

O HO P OR

OC 6H5

Diphenylchlorphosphat

Pyridin

+ 2 HO R

Cl Phenyldichlorphosphat

/ 2 HCl

+

2 C 6H5OH

+

C 6H5OH

OH

gemischter Triester

O C6H 5O P Cl

O

Monoester

O

O C6H 5O P OR

+ H2 / Pt

HO P OR OR

OR gemischter Triester

Diester

Im Falle von Nucleosiden als Alkohol-Komponente reagiert aus sterischen Gründen selektiv die primäre 5'-Hydroxy-Gruppe. Monophosphate können auch über (4-Nitrophenyl)-dichlorphosphat durch Umsatz mit Alkoholen und anschließende Abspaltung von 4-Nitrophenolat durch Verseifung erhalten werden. Als geeignet erweist sich ferner Tetrakis-(4-nitrophenyl)-diphosphat [(Np)2P/P(Np)2], welches aus Bis-(4-nitrophenyl)-phosphat durch Kondensation mit Di-p-tolylcarbodiimid (DTC) zugänglich ist. Aufgrund des starken Elektronenzugs der Nitro-Gruppe reagiert dieser aktivierte Ester besonders leicht mit Alkoholen. O O2N

O P Cl

O O2N

O

O P O P O

Cl

O

O

NO2

NO2

NO2

4-(Nitrophenyl)-dichlorphosphat Tetrakis-(4-nitrophenyl)diphosphat (Np)2P/P(Np)2

Ein Vorteil der Phosphorsäurebenzylester ist die Abspaltbarkeit der Benzyl-Gruppe durch milde Hydrogenolyse (Pd/H2) nach erfolgter Phosphorylierung, wenn z. B. Phenylester nicht einsetzbar sind.

Phosphorylierung mit Dimorpholinobromphosphat Der Einsatz von Phosphorsäurediamidhalogeniden wie Dimorpholinobromphosphat bietet eine weitere Variation zur Freisetzung bestimmter OH-Funktionen. Während sich Phenyl- und BenzylGruppen nur durch basische Verseifung oder katalytische Hydrierung abspalten lassen, kann der Morpholin-Rest unter milden sauren Bedingungen hydrolytisch entfernt werden. Bei dieser acido-

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40.6

Nucleosid- und Nucleotid-Synthesen

895

lytischen Spaltung wird nach Protonierung eines Morpholin-Stickstoffs der Phosphor nucleophil durch Wasser angegriffen. O O

O

+ ROH

N P Br

O

/ HBr

N O

HO

+

+ H3O

N P OR

O

/ H2O

O

N P OR + OH

N

N

O

O

HO P OR /2O

OH

NH

Phosphorsäuremonoester

Dimorpholinophosphorsäureester (Diamidoester)

Dimorpholinobromphosphat (Diamidohalogenid)

Phosphorylierung mit Triisopropylbenzensulfonsäurechlorid Ein dem früher verwendeten N,N'-Dicyclohexylcarbodiimid (DCC) mindestens ebenbürtiges Reagenz zur Phosphorylierung ist Triisopropylbenzensulfonylchlorid (TPS-Cl), welches ohne Ausbeuteverluste die Reaktionszeit erheblich verkürzt. TPS-Cl reagiert selektiv mit 5'-MonophosphatGruppen, da die ortho-ständigen sperrigen Isopropyl-Reste eine Reaktion mit 3'-Hydroxy-Gruppen von Nucleotiden verhindern. Bei dieser Aktivierung werden Metaphosphate als intermediäre Phosphorylierungsreagenzien erzeugt, an die Alkohol-Hydroxy-Gruppen nucleophil zu Phosphorsäurediestern addieren. O

O S Cl

+

/ Cl

O

O

O

/

O P OR

O

O

O

O TPS S O ""-

TPS S O P OR O

P

OR

O

O

Metaphosphat

2,4,6-Triisopropylbenzensulfonylchlorid (TPS-Cl)

+ ROH

O Phosphorsäurediester

HO P OR OR

40.6.2

Synthese von Nucleosiden

Wie das Beispiel Thymidin zeigt, gelingen N-Glycosidierungen nach dem Prinzip der KÖNIGSKNORR-Synthese aus Glycosylhalogeniden und Nucleobasen, deren zu glycosidierendes N-Atom aktiviert werden muß, weil die in den Basen oft vorliegenden Lactam-N-Atome nicht nucleophil sind. Bei Pyrimidin-Nucleobasen wie Thymin wird diese Aktivierung durch die QuecksilberKomplexe realisiert, welche das nucleophile Lactim-Tautomer stabilisieren. Nicht glycosidische OH-Funktionen müssen vor der Glycosidierung geschützt werden, z. B. durch Acylierung mit pToluoylchlorid. Nach der N-Glycosidierung läßt sich die Toluoyl-Schutzgruppe durch Alkalihydroxid abspalten. CH3

CH3 O H3C

N / 1/2 HgCl2

O C Cl +

O

O

C O

O

N

N

O

O

C

+ 2 H2 O / ( OH ")

O

CO2H /2

O CH 3

O

H3C

NH

O C

Hg

O

O

H 3C

CH3

NH N

HO

O

O

HO CH 3

Thymidin

O

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896

40 Nucleoside, Nucleotide, Nucleinsäuren

40.6.3

Synthese von Nucleotiden

Zur Synthese von Nucleotiden müssen alle nicht zur Phosphorylierung vorgesehenen OHFunktionen geschützt werden. Soll z. B. 2'-Deoxycytidin-5'-phosphat dargestellt werden, so darf vor der Phosphorylierung nur die 5'-Hydroxy-Gruppe freiliegen. Dazu wird zuerst für die 5'Hydroxy-Gruppe selektiv und intermediär der Trityl- (Trt, Triphenylmethyl), besser noch der 4,4'Dimethoxy-substituierte Triphenylmethyl-Schutz verwendet. Die 3'-Hydroxy-Gruppe kann dann zusammen mit der Amino-Funktion durch Acylierung blockiert werden. Nach Phosphorylierung werden Benzyl- und Acetyl-Reste durch Hydrierung bzw. Verseifung entfernt. NH 2

NH2

N N

HO

O

NHAc

N (1)

O

HO

N (2)

N

TrtO

O

O

N

TrtO

O

O AcO

HO

2´-Deoxycytidin

(3) NHAc NH 2

O

O

O

N

P HO

NHAc

N

O O

O CH2 C6H5

N

P

(5,6) C6H5 CH 2 O

O

AcO

N

O O

N N

HO

(4)

O

O

O AcO

AcO

2´-Deoxycytidin-5´-phosphat

(1) + Trt Cl, / HCl; (2) + 2 (CH3CO)2O / C5H5N, / 2 CH 3CO2H; (3) + H2O (warme CH3CO2H), / Trt OH; (4) + Cl

/

P (OCH2C 6H5)2, / HCl; (5) + 2 H2 / Pt, - 2 C6H5CH3; (6) + 2H2O (OH ), / 2 CH3CO2H O

Zur Herstellung von 3'-Mononucleotiden muß die 5'-Hydroxy-Gruppe ebenfalls trityliert werden. Nach Phosphorylierung mit (2-Cyanoethyl)-phosphat und Dicyclohexylcarbodiimid (DCC) wird durch alkalische Hydrolyse die Cyanoethyl-Gruppe und acidolytisch der Trityl-Rest entfernt. CN CH2

NH2

TrtO

O HO

+ HO

O

P OH

DCC / H2O

NH2 /

O

N N

NH 2

CH2

N O

N

TrtO

O

O

1.) + OH , / HOCH2CH2CN 2.) + H2O (CH3CO2H) / Trt/OH

O O P O CH2 CH2 CN OH

N N

HO

O

O

O O P O OH 2´-Deoxycytidin-3´-phosphat

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40.6

Nucleosid- und Nucleotid-Synthesen

897

Zur Synthese von 5'-Ribonucleotiden eignen sich die Isopropyliden- oder Benzyliden-Schutzgruppen, welche die 2',3'-Hydroxy-Gruppen gleichzeitig schützen und leicht abspaltbar sind. O

O

OBzl P

OCH2C6H 5

Base

HO

O

+ Cl

P

BzlO

Base

O

O

O

OCH2C6H 5

O

O

O

2,3-IsopropylidenCH 3 oder 2,3-Benzylidenribonucleosid C6H 5

H 3C H

1.) + 2 H2 / Pt , / 2 C6H5CH3 2.) + H 2O (CH3CO2H), / (H3C) 2CO

OH P

HO

Base

O

O HO

O

OH

5´-Ribonucleotid

H 3C CH 3 Bzl = CH2/C6H5

2'- und 3'-Ribonucleotide sind relativ einfach als Gemisch durch Hydrolyse aus 2',3'-Cyclophosphaten herzustellen. Die Trennung gelingt durch Ionenaustauschchromatographie.

40.6.4

Synthese von Oligonucleotiden

Zur Synthese eines 3',5'-Dinucleosidphosphats muß ein 5'-geschütztes Nucleosid mit einem 3'geschützten Mononucleotid verknüpft werden. Als Schutzgruppen sind z. B. Kombinationen der 5'Trityl- und 3'-Acetyl-Gruppe sinnvoll, da die Trityl-Gruppe selektiv acidolytisch abgespalten und die Acetyl-Gruppe selektiv durch Alkalihydroxid verseift werden kann. Somit könnte das 3',5'Dinucleosidphosphat sowohl an der 5'- als auch an der 3'-Position gezielt zum Trinucleotid verlängert werden. Zur Aktivierung der 5'-Phosphat-Gruppe wird häufig Triisopropylbenzensulfonsäurechlorid (TPS-Cl) verwendet (Abschn. 40.6.1). Base A

TrtO

O 3´

O

O

O

P

P

TrtO

Base A

5´

O

Base B

5´

O

O 3´

HO 5´-geschütztes Mononucleosid

40.6.5

O

O

+

3´

AcO 3´-geschütztes Mononucleotid

+ TPS/Cl

O

O

Base B

5´

O

/ TPS/OH

AcO geschütztes 3´,5´-Dinucleosidphosphat

Phosphorsäuretriester-Methode zur Synthese von Gen-Fragmenten

Vollautomatische, der MERRIFIELD-Synthese von Peptiden analoge Verfahren unter Einsatz von polymeren Trägern werden in Oligonucleotid-Synthesizern eingesetzt, überwiegend unter Anwendung der Triester-Methode mit einer zusätzlichen Schutzgruppe am Phosphorsäurediester der Hauptkette. Dazu werden u. a. die o- oder p-Chlorphenyl-Gruppen auf der Nucleosid-Stufe 1 eingeführt (Reagenz: 4-Chlorphenyldichlorphosphat). Gleichzeitig erfolgt die Phosphorylierung und die Umsetzung mit 2-Cyanoethanol in Pyridin zum Triester 2. Zur Verlängerung am 3'-Ende spaltet man die Cyanoethyl-Gruppe alkalisch ab (3). Zur Verlängerung am 5'-Ende wird die Bis-(4methoxyphenyl)-phenylmethyl-Gruppe [(H3CO)2Tr] sauer entfernt (4). Die Verlängerung erfolgt meist mit geschützten 3'-Nucleotiden, wobei zur Triester-Kondensation Triisopropylbenzolsulfonylchlorid (TPS-Cl) zusammen mit Tetrazol (oder TPS-Tetrazolid) verwendet wird (5). Gegen-

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40 Nucleoside, Nucleotide, Nucleinsäuren

über der Diester-Methode verlaufen die Umsetzungen schneller, mit höheren Ausbeuten und weniger Kettenbrüchen in der Oligonucleotid-Synthese. Base

(H3CO)2TrO

partiell geschütztes Nucleosid

O HO

1

O

Cl P

Cl

HO

Base

(H3CO)2TrO

O

(C2 H5) 3 N Pyridin

CH2

O

CH2

CN

H3 O+

O

O

O

O

Cl

O

O CH2 CH2 CN

Cl

Triester

3

O P

P O HN(C2H5)3

Base

HO

/ (H3 CO) 2TrH

O

O P

Cl

Cl

Base

(H3CO)2TrO

/ H2C=CH/CN

O

O

O

O CH2 CH2 CN

4

2 TPS/Cl , Tetrazol Chromatographie (Kieselgel)

Base

(H3CO)2TrO

O

O geschütztes Dinucleotid

5

O P

Cl

O

Base

O O O

O P

Cl

O

O CH 2 CH2 CN

Chemisch synthetisiert man Oligonucleotide mit bis zu acht Nucleosid-Bausteinen, die an Kieselgel in organischen Laufmitteln gereinigt werden. Zwei Octamere werden zu Hexadecameren kondensiert. Nach Abspaltung der Schutzgruppen werden die Blöcke enzymatisch mit PolynucleotidLigasen zum gewünschten Gen-Fragment gekuppelt. Diese chemisch-enzymatische Synthese öffnet den Weg zu Genen für Proteine mittlerer Größenordnung. Solche Oligonucleotide finden u. a. bei der Herstellung von Plasmiden zur gezielten Aminosäure-Mutation in Proteinen (site directed mutagenesis) und für DNA-Bibliotheken zur zufälligen Mutation (random libraries) bestimmter Proteinbereiche Verwendung. Zunehmende Bedeutung gewinnen RNA-Synthesen zur Herstellung von Impfstoffen und in der Krebstherapie. Zur Partialsynthese größerer, künstlicher Gene spaltet man DNA mit spezifischen Restriktionsenzymen, verändert die freigelegten Enden der chromatographisch gereinigten Partialsequenzen und verknüpft die Polynucleotid-Stränge wieder enzymatisch durch Ligasen.

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41.1

Klassifizierung der Lipide

899

41 Lipide 41.1 Klassifizierung der Lipide Gemeinsames Merkmal der Lipide ist ihre Wasserunlöslichkeit und gute Löslichkeit in organischen Lösemitteln wie z. B. Chloroform und Methanol. Ursache dieser Hydrophobie bzw. Lipophilie sind langkettige, aliphatische Reste. In diesem Kapitel werden nur Lipide (griech. nkrqu = Öl, Fett) im engeren Sinne, also Fettsäuren, Wachse, Glyceride und verwandte Verbindungen behandelt. Die oft bei den Lipiden eingeordneten Terpene und Steroide werden aufgrund ihres besonderen Bauprinzips aus Isopren-Einheiten (Isoprenoide) separat beschrieben (Abschn. 42). Die technisch und physiologisch dem Umsatz nach wichtigsten Lipide sind Fette, deren Bauprinzip in Gestalt der Glycerolester langkettiger Carbonsäuren schon seit 1813 bekannt ist. Verbindungen, die den Fetten ähnlich sind, bezeichnet man auch als Lipoide. Eine Übersicht der Lipide mit typischen Beispielen gibt Abb. 41.1.

Lipide Biosynthese aus Acetyl-CoA über Malonyl-CoA

Fettsäuren H3C (CH2)n CO2H

Wachse R1

CO OR2

Glycolipide

Aminolipide

CH2 O CO R1

Fette

CH2 O CO R1

Phosphatide

CH2 O CO R1

R1 CO NH

CH O CO R2

CH O CO R2 O

CH O CO R2

CH2 O CO R3

CH2 O P O Cholin O

Säuren, Ester, Amide gesättigt, ungesättigt unverzweigt, verzweigt hydroxyliert, C-Anzahl meist geradzahlig

Wachsester aus Fettsäure und langkettigem Alkohol

a Glycerolphosphatide

Triglyceride

(c-Lecithin)

R1

O

CH CH2 O P O NH

Cholin O

1

2

Galactose

a Glycerolglycolipide

(Galactosyldiglycerid)

CH2 O CO R2 Ornithinlipid

R1 CH CH2 O NH

Galactose

CO

R2

R2 b Sphingoglycolipide (Cerebrosid)

(Sphingomyelin)

(CH2)3 CH CH2 O CO

CO

b Sphingophosphatide

H3N

CH2 O

3

Abb. 41.1. Einteilung der Lipide (R , R und R sind langkettige Alkyl- oder Alkenyl-Gruppen)

Die systematische Nomenklatur der kurzkettigen Carbonsäuren und ihrer Derivate wurde bereits in Abschn. 18.1 behandelt. Die wichtigsten Fettsäuren besitzen Trivialnamen wie Palmitin-, Stearinoder Ölsäure. Die Stellung von CC-Doppelbindungen wurde bisher durch das Symbol F mit hochgestellter Positionsangabe angezeigt. Substituentenpositionen werden wie üblich durch Zahlen oder griechische Buchstaben angegeben. Wie Aminosäuren und Nucleotide können Fettsäuren durch Kurzschreibweisen formuliert werden. Dabei werden tiefgestellt die Zahl der C-Atome (z. B.

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900

41 Lipide

16) sowie Anzahl (z. B. 0, 1, 2, ...), Lage (z. B. 9) und Isomerie von Mehrfachbindungen (c für cis, t für trans) sowie Verzweigungen (br für engl. branched = verzweigt) angegeben. Palmitinsäure (Hexadecansäure) wird abgekürzt als C16:0 , da sie 16 C-Atome und keine Doppelbindungen besitzt. C18:2(9c,12c) bezeichnet eine Octadecadiensäure (Linolsäure) mit 2 Doppelbindungen zwischen C-9 und C-10 (cis-Konfiguration) sowie C-12 und C-13 (ebenfalls cis-Konfiguration). 8

H3C (CH2)14 CO2H

H 3C (CH 2)16 CO2H

Hexadecansäure, C16:0 (Palmitinsäure)

Octadecansäure, C18:0 (Stearinsäure)

7-Methyloctansäure, C8:br (Isononansäure, Isopelargonsäure, im Antibiotikum Polymyxin B1)

1

13 18

1

CO2H

7

CO2H

12 9 10

F9,12-Octadecadiensäure, C18:2(9c,12c) (Linolsäure)

H 3C (CH2)21 CH CO2H OH 2-Hydroxytetracosansäure (c-Hydroxytetracosansäure, Cerebronsäure)

41.2 Vorkommen und Isolierung 41.2.1

Vorkommen

In Pflanzensamen und im tierischen Fettgewebe kann der Lipid-Gehalt bis über 50% der Trockenmasse betragen. Außer in diesen speziellen Reservestoffspeichern (Lipid-Speicher) kommen Lipide in jeder normalen Zelle vor. Sie bilden neben Proteinen und Polysacchariden den Hauptbestandteil der biologischen Zellmembranen (Mitochondrien, endoplasmatisches Retikulum, cytoplasmatische Membran). Außer in Milch, Blutplasma und Galle finden sich nur wenig Lipide in extrazellulären Körperflüssigkeiten. Unveresterte Fettsäuren im Blutplasma haben die kurze Halbwertszeit von 2 - 4 Minuten.

41.2.2

Isolierung und Identifizierung

Lipide lassen sich durch Extraktion mit Methanol/Chloroform oder Ethanol/Diethylether aus biologischem Material isolieren. Fette werden industriell durch Ausschmelzen, Auspressen oder Auskochen gewonnen. Natürliche Lipide besitzen große Bedeutung zur Herstellung von Nahrungsfetten, Seifen, Kerzen, Linoleum, Lacken, Farben, Putzmitteln, Ölen, Arzneimitteln und Kosmetika. Die Reinigung der Rohlipid-Extrakte kann durch Gelchromatographie an Sephadex G-25 mit Chloroform/Methanol/Wasser erfolgen. Eine Feinreinigung unter Abtrennung der Neutrallipide von den polaren Lipiden wird meist säulenchromatographisch an Kieselgel (Adsorptions-Chromatographie) mit Chloroform, gefolgt von Methanol, als Elutionsmittel durchgeführt. Der Nachweis einzelner Lipide kann nach Dünnschichtchromatographie durch Ansprühen der Platten mit Wasser (Fettfleck!) oder Anfärbung mit Ioddampf (Gelbfärbung) geführt werden. Die quantitative Bestimmung gelingt nach Hydrolyse bzw. Umesterung (Methanol, Chlorwasserstoff) durch Gaschromatographie der Fettsäuren, Fettsäureester, Fettalkohole bzw. anderer Lipid-Bestandteile. Zur Aufklärung der Struktur unbekannter Lipide bewährt sich die Gaschromatographie in Kombination mit Massenspektrometrie.

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41.3

Wechselwirkungen von Lipiden mit Wasser

901

41.3 Wechselwirkungen von Lipiden mit Wasser Je nach ihrem chemischen Aufbau aus lipophilen und hydrophilen Gruppen können Lipide unterschiedliche Wechselwirkungen mit Wasser zeigen. Man unterscheidet drei Arten: ̈ nicht-spreitende Lipide bilden mit Wasser zwei getrennte Phasen; die Oberflächenspannung des Wassers bleibt unverändert; diese wasserunlöslichen Lipide besitzen keine polaren bzw. ionischen Gruppierungen (Beispiele: Wachse, Paraffine, Carotine). ̈ spreitende, wasserunlösliche Lipide bilden auf der Wasseroberfläche stabile monomolekulare Filme (Monoschichten); sie zeigen amphiphiles Verhalten, sind also infolge ihres langen Alkyl-Restes lipophil; aufgrund polarer bzw. dissoziabler Gruppen sind sie gleichzeitig hydrophil. Spreitende Lipide senken die Oberflächenspannung des Wassers drastisch (Beispiele: Di- und Triglyceride, Fettalkohole, Fettsäuren, Sterole). ̈ spreitende wasserlösliche Lipide bilden zuerst instabile Oberflächenfilme, aus denen Micellen (Aggregate von Lipiden) oder echte Lösungen in Wasser entstehen; diese Lipide enthalten stark hydrophile Gruppierungen. Zur Erniedrigung der Oberflächenspannung werden größere Konzentrationen als von spreitenden wasserunlöslichen Lipiden benötigt (Beispiele: Phosphatide, Detergentien wie Alkansulfonate). Die Fähigkeit eines Lipids, die Oberflächenspannung des Wassers zu erniedrigen, bezeichnet man als Oberflächenaktivität oder Tensid-Wirkung (lat. tendere = spannen). Natürliche oberflächenaktive Verbindungen (Tenside) besitzen einen hydrophoben Alkyl-Rest und einen ionischen hydrophilen Teil mit Carboxy-Gruppen (Fettsäuren), Ammonium- bzw. Phosphat-Gruppen (Phosphatide, Aminolipide) oder eine neutrale hydrophile Komponente wie bei den Glycolipiden (Abb. 41.1). Synthetische oberflächenaktive Verbindungen (Detergentien) enthalten oft Ammonium- oder Sulfonat-Gruppen. Je nach positiver oder negativer Ladung bzw. Neutralität der hydrophilen Gruppen teilt man in anionaktive, kationaktive und neutrale grenzflächenaktive Stoffe ein. Alle Tenside reichern sich an der Wasseroberfläche (Phasengrenzfläche) an, weil ihr hydrophober Teil aus dem Wasser gedrängt wird und durch VAN DER WAALS-Kräfte mit den Nachbarn parallel geordnete Strukturen bildet. Da eine teilweise und nur monomolekulare Bedeckung der Phasengrenzfläche genügt, sind minimale Mengen Tensid erforderlich, um die Oberflächenspannung drastisch zu erniedrigen. Grundsätzlich richten sich Moleküle an Phasengrenzflächen so aus, daß insgesamt größtmögliche zwischenmolekulare Wechselwirkung resultiert. Dabei treten immer strukturell ähnliche Gruppen bevorzugt miteinander in Kontakt, sofern keine elektrostatische Abstoßung wirkt (gleichsinnige Ladungen wie bei Fettsäure-Carboxy-Gruppen). Spreitungsexperimente (Spreitungsdruck-Messungen mit der LANGMUIR-Waage) mit langkettigen Alkoholen, Carbonsäuren und Sulfonsäuren zeigten, daß jedes Molekül unabhängig von seiner Kettenlänge stets ein Oberflächenstück von 0.21 nm2 bedeckt. Da der Querschnitt durch eine n-Alkan-Kette etwa 0.2 nm2 beträgt, kann dies als Beweis für eine parallele Lagerung der Alkyl-Reste in Monoschichten gelten. Tenside mit verzweigten oder olefinischen Alkyl-Resten benötigen erheblich größere Flächen. Amphiphile Lipide mit besonders starker hydrophiler Gruppe werden nach anfänglicher Monoschichtbildung in die wäßrige Phase gezogen und formen im Wasser (Subphase) neue geordnete Strukturen. Diese hängen stark von der Temperatur und Konzentration der Lipid/WasserMischung ab. Man unterscheidet: ̈ kristallin unlösliche Lipid-Phasen ̈" flüssige Kristalle mit lamellaren (schichtartigen) und hexagonal stabartigen Aggregationen von Lipiden

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902

41 Lipide

̈"

Lösungen aggregierter Lipid-Moleküle enthalten hohlkugelförmige Doppelschichten (Micellen, Vesikel, Liposomen), in denen polare Lipid-Regionen nach außen und innen zum Wasser gerichtet sind, und Alkyl-Ketten zweier Monoschichten Kopf an Kopf stehen.

Die Vesikel-Bildung ist u. a. deshalb interessant, weil Vesikel mikroskopische, einfache Zellen mit Lipid-Membranen darstellen (Kompartimente) und somit als Biomembranmodelle (Abschn. 41.7.2) dienen können. Amphiphile Lipide finden als Wasch-, Netz-, Dispergier- und Emulgiermittel Verwendung. Ihre Wirkung beruht auf der monomolekularen Umhüllung des zu netzenden oder zu dispergierenden Stoffes. Die Waschwirkung beruht auf der Aufnahme des Schmutzes in Lipid-Micellen und LipidDoppelschichten. Auch die Schaumblasen wirken bei der Schmutzablösung mit, da sie aus LipidDoppelschichten bestehen. Zu den technisch genutzten, wasserlöslichen, micellenbildenden Lipiden gehören vier Typen von Detergentien: ̈ anionogene Detergentien wie Seifen (R/CO2/ Na+), Alkansulfonate (R/SO3/ Na-), O-Alkylsulfate (R/OSO3/ Na+) ̈ kationogene Detergentien: Ammoniumalkyl-Verbindungen wie Cetyltrimethylammoniumbromid (H3C/(CH2)15N+(CH3)3 Br/ ). ̈ amphotere Detergentien wie Zwitterionen (Betaine) des Typs /O2C/(CH2)n/N+(R)3 ̈ nicht ionogene Detergentien wie Saponine (Abschn. 42) und Glycolipide.

41.4 Fettsäuren 41.4.1

Vorkommen und Struktur wichtiger Fettsäuren

Gesättigte Fettsäuren Von den über 300 verschiedenen in der Natur vorkommenden Fettsäuren sind die häufigsten langkettige, unverzweigte, gesättigte und ungesättigte Säuren mit gerader Anzahl von C-Atomen (meist C14 , C16 , C18 ; Tab. 41.1). Fettsäuren mit ungerader Anzahl von C-Atomen sind in natürlichen Lipiden sehr selten (weniger als 1 % aller Fettsäuren). Das wesentlich häufigere Vorkommen geradzahliger Vertreter ist eine Folge ihrer Biosynthese aus C2-Einheiten über Acetyl-CoA und Malonyl-CoA vom Methyl-Ende her. Tab. 41.1. Ausgewählte unverzweigte, gesättigte Fettsäuren Formel gerade C-Zahl: H 3C H 3C H 3C H 3C H 3C H 3C H 3C ungerade C-Zahl: H 3C

(CH 2)10 (CH 2)12 (CH 2)14 (CH 2)16 (CH 2)18 (CH 2)20 (CH 2)22

CO2H CO2H CO2H CO2H CO2H CO2H CO2H

(CH 2)7 CO2H H 3C (CH 2)15 CO2H

IUPACBezeichnung

Trivialname

Kurzform

Schmelzpunkt [°C, 1011 mbar]

Dodecansäure Tetradecansäure Hexadecansäure Octadecansäure Eicosansäure Docosansäure Tetracosansäure

Laurinsäure Myristinsäure Palmitinsäure Stearinsäure Arachinsäure Behensäure Lignocerinsäure

C12:0 C14:0 C16:0 C18:0 C20:0 C22:0 C24:0

45 54 62 70 76 80 84

Nonansäure Heptadecansäure

Pelargonsäure Margarinsäure

C9:0 C17:0

12 61

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41.4

Fettsäuren

903

Fettsäuren mit Methyl-Verzweigungen am vorletzten C-Atom, wie z. B. 7-Methyloctansäure (Abschn. 41.1), kommen in Antibiotika, Bakterien, im Wollfett und der Baldrianwurzel (Isovaleriansäure = 3-Methylbutansäure aus Valeriana officinalis) vor. Methyl-Verzweigungen in Fettsäuren werden oft am drittletzten C-Atom aber auch an anderen Positionen beobachtet: 1

D-(/)-10-Methylstearinsäure (C19H38O2) (Tuberkulostearinsäure in Tuberkelbakterien)

CO2H

10

Ungesättigte Fettsäuren Auch unter den ungesättigten Fettsäuren überwiegen solche mit C16, C18, C20, C22 . Man teilt sie in Monoen- und Polyensäuren ein. Am häufigsten stehen CC-Doppelbindungen am siebenten und neunten C-Atom (y7- und y9-Stellung) von der endständigen Methyl-Gruppe (sog. y-Stellung) aus gesehen. Die Biosynthese erfolgt vom y-Ende her in C2-Schritten bis zum Carboxy-Ende. Am häufigsten sind Polyenfettsäuren mit isolierten Doppelbindungen, seltener solche mit konjugierten, kumulierten oder Alkin-Mehrfachbindungen. Auch Cyclopropan-, Cyclopropen- und CyclopentenRinge werden in Fettsäure-Ketten gebildet. Tab. 41.2. Bedeutende ungesättigte Fettsäuren Formel

Bezeichnung 1

9

18

CO2H 1

9

CO2H

Kurzform

Familie

Schmp. [°C]

Ölsäure

C18:1(9c)

y9

12

Elaidinsäure

C18:1(9t)

y9

46

Palmitoleinsäure C16:1(9c)

y7

Linolsäure

C18:2(9c,12c)

y6

/5

Arachidonsäure

C20:4(5c,8c,11c,14c)

y6

/49

c-Linolensäure

C18:3(9c,12c,15c)

y3

/14

18 16

1

9

12

CO2H 1

9

CO2H

0.5

18 14

11

8

5

1

CO2H

20 18

15

12

9

1

CO2H

Zu den ungesättigten Fettsäuren gehören die weit verbreitete Ölsäure (y9), die seltenere Palmitoleinsäure (y7) und die für Säugetiere essentielle Linolsäure (y6, Tab. 41.2). Linolsäure kommt im kalt gepreßten Öl der Sonnenblumen-, der Sesam- und Baumwollsamen vor. Linolensäure ist die Hauptfettsäure des Leinsamenöls. Arachidonsäure, ein Baustein tierischer Phosphatide, ist die Biosynthese-Vorstufe der Prostaglandine (z. B. Prostaglandin E2) im menschlichen Organismus. Prostagladine sind hochwirksame, ungesättigte Hydroxy- und Oxocarbonsäuren mit 20 C-Atomen. Sie können u. a. die Muskulatur stimulieren und wirken blutdrucksenkend.

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904

41 Lipide

1

CO2H 8

5

O

1

CO2H

5

8

20 11

12

H OH

14

Arachidonsäure (5,8,11,14-Eicosantetraensäure)

HO H Prostaglandin E 2

Essentielle Fettsäuren sind in der Nahrung notwendige ungesättigte Fettsäuren, die der Körper nicht selbst herstellen kann und deren Fehlen Mangelerscheinungen hervorruft. Sie besitzen hypolipämische Wirkung (Herabsetzung des Cholesterol- und Triglycerid-Spiegels im Blut) und haben eine stabilisierende Funktion als Strukturbestandteil in Biomembranen. Ferner besitzen sie die bereits erwähnte Bedeutung für die Biogenese der Prostaglandine über Arachidonsäure. Hydroxyfettsäuren Zu den zahlreichen Hydroxyfettsäuren tierischer, pflanzlicher und bakterieller Herkunft gehört die Cerebronsäure in Cerebrosiden, die Ricinolsäure aus Ricinusöl sowie die in Myko- und Corynebakterien vorkommenden Mykolsäuren als verzweigte c-Hydroxycarbonsäuren. Unter den Lipoiden des Futtersaftes der Weiselzellen ("Gelee royale") spielt neben verschiedenen C10-Dicarbonsäuren und Duftstoffen besonders die Königinnensubstanz (E)-9-Oxo-2-decensäure eine dominierende Rolle im Leben eines Bienenstockes. 1

CO2H

OH 18

12

1

9

CO2H

24

2-Hydroxytetracosansäure, C24H48O3 , (Cerebronsäure in Cerebrosiden und Triglyceriden)

OH

OH

(R)-(+)-12-Hydroxy-( Z)-9-octadecensäure , C18H34O3 , y9 (Ricinolsäure in Ricinusöl aus Ricinus communis)

O

1

CO2H

9 2

CO2H (+)-Corynemykolsäure , C32H66O3 , (aus Corynebacterium diphtheriae)

(E)-9-Oxo-2-decensäure (Königinnensubstanz)

Viele andere Lock- und Abwehrstoffe von Insekten sind Derivate höherer Carbonsäuren und Alkohole mit Terpen-Grundskeletten (Abschn. 42).

41.4.2

Physikalische Eigenschaften

Zwischen Schmelzpunkt und Kettenlänge der Fettsäuren gilt die bereits bei Alkanen (Abschn. 2.2) und anderen langkettigen Verbindungen diskutierte Beziehung. Fettsäuren mit gerader Zahl von C-Atomen schmelzen höher als solche mit ungerader Kohlenstoff-Anzahl. Dies ist auf eine dichtere und somit stabilere Packung in Kristallen der Fettsäuren mit gerader C-Anzahl zurückzuführen. Fettsäuren mit CC-Doppelbindungen schmelzen wesentlich tiefer (vgl. Tab. 41.1 und 41.2) als gesättigte. Unter den ungesättigten Fettsäuren schmelzen cis-Säuren (Ölsäure, C18:1(9c) ) tiefer als trans-Säuren (Elaidinsäure C18:1(9t) , Tab. 41.2). Cis- und trans-Fettsäuren können IR-spektroskopisch unterschieden werden. Vergleicht man Monoenfettsäuren gleicher Kettenlänge, aber verschiedener Stellung der Doppelbindung, so findet man die tiefsten Schmelzpunkte für Säuren mit mittelständigen cis-CC-Doppelbindungen (Tab. 41.2). Die cis-Konfiguration in der Kettenmitte

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41.4

Fettsäuren

905

beansprucht im Kristall offensichtlich den größten Raum und erniedrigt somit die intermolekulare VAN DER WAALS-Wechselwirkung, wie die Formeln zeigen: geringer Raumbedarf, kompakte Packung im Kristallgitter, hohe Schmelzpunkte

CO2H

CO2H Stearinsäure (gesättigte Fettsäure)

Elaidinsäure (trans-Monoenfettsäure)

großer Raumbedarf, lockere Packung im Kristallgitter, tiefe Schmelzpunkte CO2H

CO2H

Ölsäure (cis-Monoenfettsäure)

Lactobacillussäure (cis-Cyclopropanfettsäure)

CO2H Arachidonsäure (all-cis-Polyenfettsäure)

Während Alkinfettsäuren aufgrund ihres linearen Baus gegenüber n-Alkansäuren wenig geänderte Schmelzpunkte aufweisen, schmelzen verzweigte Fettsäuren wieder erheblich tiefer. Auch Fettsäureester und Fettsäureglyceride schmelzen tiefer als die zugehörigen freien Säuren. Diese Beziehungen sind von großer Bedeutung für die Eigenschaften und Zusammensetzung von Speisefetten, Pflanzenölen sowie von biologischen Lipid-Membranen. Ein Fett mit Triglyceriden aus überwiegend gesättigten Fettsäuren ist bei Raumtemperatur fest (z. B. Talg), während Triglyceride mit ungesättigten Fettsäuren Öle sind. Langkettige n-Alkansäuren wie Stearinsäure C18:0 können je nach Lösemittel, aus dem umkristallisiert wird, verschiedene Kristallformen annehmen (Polymorphie). Eine Fettsäure kann somit auch verschiedene Phasenumwandlungen vor dem eigentlichen Schmelzpunkt erfahren. Diese lassen sich durch kalorimetrische Messungen mit Hilfe der Differential-Thermoanalyse (DTA) ermitteln. n-Alkansäuren über C6 sind praktisch wasserunlöslich. Gute Lösemittel für C10:0 bis C15:0 sind Benzen, Methanol, Ethanol, Aceton und Chloroform. Ab C15:0 nimmt die Löslichkeit auch in organischen Lösemitteln nach und nach ab. Löslichkeit und Schmelzpunkte zeigen analoge Beziehungen bezüglich Ungesättigtheitsgrad und Konfiguration der Fettsäuren; so sind cis-Monoensäuren leichter löslich als trans-Säuren.

41.4.3

Chemische Eigenschaften

Fettsäuren zeigen an ihrer Carboxy-Gruppe die in Abschn. 18 dargelegten Reaktionen der Carbonsäuren. Gesättigte Fettsäuren können typische Alkan-Reaktionen und ungesättigte typische AlkenReaktionen eingehen. Da Hydroxysäuren bereits in Abschn. 19.4 behandelt wurden, werden hier nur die mit der Lipid-Chemie zusammenhängenden Reaktionen und technischen Prozesse besprochen. Ausgeschmolzene tierische und ausgepreßte pflanzliche Fette werden, sofern sie nicht als Nahrungs- und Futtermittel dienen, weiterverarbeitet durch Verseifung, Umesterung oder Fetthärtung.

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906

41 Lipide

Verseifung der Triglyceride Die Verseifung wasserunlöslicher Fettsäureester, z. B. der Triglyceride, erfolgt meist alkoholisch (0.3 bis 1.0 normale methanolische Kalilauge mit etwas Wasser, Erhitzen), wobei die wasserlöslichen Seifen (Kalium- oder Natrium-Salze der Fettsäuren) entstehen (Abschn. 18.9.1). Nach Ansäuern können die freien Fettsäuren mit Ether extrahiert werden. Bei der technischen Fettspaltung werden die Ester-Bindungen zum Glycerol hydrolysiert durch basische Verseifung (H2O, Druck, 170 °C, 8 h, CaO-Katalyse) oder saure Verseifung (H2SO4 / H2O, 100 °C, 24 h, Emulgatoren zur besseren Benetzung, TWITCHELL-Verfahren) sowie enzymatische Spaltung mit Lipase (40 °C). Handelsübliche Seifen sind meist aus Talg hergestellte Natrium-Salze der Fettsäuren (Natronseifen, Kernseifen). Diese fallen nach dem Verseifungspozeß auf Kochsalz-Zusatz aus (Aussalzen) und können so vom Wasser und Glycerol getrennt werden. Seifen erniedrigen nur dann die Oberflächenspannung und zeigen gute Wascheigenschaften, wenn sie gut löslich sind (Abschn. 42.3). So sind Salze von Alkansäuren über C22 unlöslich, während Salze der Laurin- und Myristinsäure (C12 und C14) selbst in Meerwasser gut geeignet sind. Meerwasser und "hartes" Wasser enthalten zweiwertige Kationen wie Ca2+ , Mg2+. Diese bilden mit Palmitin- und Stearinsäure schwer lösliche Salze. Um trotzdem genügend Waschwirkung zu erzeugen, muß daher im harten Wasser mehr Seife verwendet werden. Alternativen sind synthetische Tenside (Abschn. 41.8.2), deren Ca- und Mg-Salze nicht ausflocken, oder der Zusatz von Komplexbildnern, welche Ca2+ und Mg2+ in Lösung halten. Die als Komplexbildner meist verwendeten Meta- und Polyphosphate bezeichnet man als Enthärter. Umesterung Die säurekatalysierte Umesterung der aus Rapsöl gewonnenen Glyceride führt zu Rapsölmethylestern ("RME"), die als Ersatz oder Zusatz zu Dieselkraftstoffen ("Bio-Diesel" als "nachwachsender" Treibstoff) eingesetzt werden. H3C

(CH 2)16

CO O CH2

H3C

(CH 2)14

CO O CH

H3C

(CH 2)14

CO O CH2

[H +]

+

3 CH3OH

HO CH2 HO CH + 2 H 3C HO CH2

(CH2)14

CO2CH3 + H3C (CH 2)16 Palmitin- und Stearinsäuremethylester (Komponenten der Rapsölmethylester)

CO2CH3

Fetthärtung Durch Hydrierung unter Nickel-Katalyse kann man ungesättigte Fettsäuren, wie Ölsäure C18:1(9c) (Schmp. 12 °C) in feste Fettsäuren, wie Stearinsäure C18:0 (Schmp. 69.5 °C), überführen. CO2H

+ H2 Ni, 180 °C, 5 bar

CO2H

Diesen Prozeß bezeichnet man als Fetthärtung. Triglyceride ungesättigter Fettsäuren in Pflanzenölen (Erdnuß, Baumwollsamen, Sojabohne) und Tranen werden nach Hydrierung zu festen Produkten wie Seifen, Kochfetten (Margarine), Kerzenwachs u. a. verarbeitet. Die Hydrierung führt zu haltbareren Produkten; dabei verschwindet der oft ranzige Geruch.

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41.4

Fettsäuren

907

Autoxidation und Polymerisation ungesättigter Fettsäuren Ungesättigte Fettsäuren autoxidieren an der Luft über Hydroperoxide zu bräunlichen viskosen Oxidationsprodukten. Diese Autoxidation (Abschn. 2.7.3) ist die Ursache des Ranzigwerdens von Speiseölen und -fetten, die einen hohen Anteil ungesättigter Fettsäuren enthalten. Ungesättigte Fettsäuren sind auch in den sogenannten "trockenen" Ölen und Firnissen für Anstrichfarben enthalten. Die Trocknung (besser Härtung) von Ölfarben ist eine oxidierende Polymerisation, wobei cis- eher als trans-Doppelbindungen reagieren. Man kann den Härtungsprozeß durch Sikkative (Trockner) wie Cobalt-, Mangan- und Blei-Salze beschleunigen. Die Sikkative wirken dabei als Sauerstoff-Überträger (Prooxidantien). So verläuft die Autoxidation von Ölsäure über ein mesomeriestabilisiertes Allyl-Radikal durch Abspaltung eines H-Atoms an einer der zur Doppelbindung c-ständigen Methylen-Gruppen. hp , Radikalbildner

H 3C

(CH2)7 CH CH CH2

(CH 2)6 CO2H

/H

+ O2

+R H /R

H 3C

(CH2)7 CH CH CH

(CH 2)6 CO2H

H 3C

(CH2)7 CH CH CH

(CH 2)6 CO2H

H 3C

O O (CH2)7 CH CH CH (CH 2)6 CO2H O OH

Linolsäure C18:2 (9c,12c) wird wesentlich rascher autoxidiert als Ölsäure C18:1 (9c), da der Primärschritt aufgrund der besseren Mesomeriestabilisierung eine geringere Aktivierungsenergie erfordert. Unter den Folgeprodukten der instabilen Hydroperoxide findet man Epoxide, Mono-, Dihydroxyund Oxosäuren mit gleicher und kürzerer Kettenlänge sowie Polymerisationsprodukte. Polymerisate können auch ohne Sauerstoff beim langen Erhitzen von Polyensäuren auf hohe Temperatur (300 °C) entstehen. Deshalb sollte nur bis 200 °C und mit frischem Speiseöl fritiert werden. Die Autoxidation von Lipiden der Zellmembran soll mit ein Grund für Alterungsprozesse von Zellen sein. Durch Antioxidantien (Abschn. 2.7.3) kann die Autoxidation gehemmt werden. Antioxidantien sind Metallkomplexbildner oder Radikalfänger, die eine Kettenreaktion dadurch verhindern (Inhibitoren), daß sie Schwermetall-Katalysen unterbinden oder stabilere, weniger reaktive Radikale bilden. Zu diesem Zweck können Speisefetten Phenole wie 2,6-Di-t-butyl-4-methylphenol oder Vitamin E zugesetzt werden. Die Wirkung derartiger Antioxidantien wird durch Phosphorsäure, Zitronensäure und Ascorbinsäure verstärkt (synergistische Wirkung).

41.4.4

Analytik der Fettsäuren

Quantitative Bestimmungen von Fettsäuren und Fettsäure-Mustern werden in der Lebensmittelchemie, Biochemie und Medizin durchgeführt. Ständig werden neue Lipid-Moleküle aufgeklärt. Dazu müssen sowohl chemische als auch instrumentelle Methoden herangezogen werden. Chemische Analytik Der Gehalt an freien Fettsäuren kann nach Titration durch die Säurezahl (mg verbrauchtes KOH / g Lipid) angegeben werden. Esterartig gebundene Fettsäuren werden nach quantitativer Verseifung durch die Verseifungszahl (mg verbrauchtes KOH / g Lipid) identifiziert. Verseifungszahl abzüglich Säurezahl ergibt die Esterzahl.

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908

41 Lipide

Der Gehalt an Doppelbindungen wird durch die Iodzahl (g addiertes Iod / 100 g Lipid) bestimmt. Dazu wird das Lipid in Chloroform-Lösung mit einem Überschuß an Brom titriert, unverbrauchtes Brom iodometrisch bestimmt und das Ergebnis auf addiertes Iod umgerechnet. Auch die Hydrierzahl (mg verbrauchter Wasserstoff / 10 g Lipid bei katalytischer Hydrierung) charakterisiert den Ungesättigtheitsgrad. Polyenfettsäuren des Divinylmethan-Typs (/CH=CH/CH2/CH=CH/), wie Linolsäure oder Linolensäure, können durch UV-Absorptionsspektroskopie nach Isomerisierung in alkalischem Medium erfaßt werden, da konjugierte Polyensäuren längerwellig absorbieren. isolierte Diensäure (Linolsäure)

H 3C

(CH 2)4 CH CH CH 2 CH CH (CH 2)7 CO2H + 2 KOH , / 2 H2O

H 3C

/

(CH 2)4 CH CH CH CH CH (CH 2)7 CO2

nmax < 200 nm

20 % KOH , HO/CH2/CH2/OH 180 °C , 30 min

H 3C

(CH 2)4 CH CH CH CH CH (CH 2)7 CO2

2K

+ 2 HCl , / 2 KCl

H 3C

konjugierte Diensäure

(CH 2)4 CH 2 CH CH CH CH (CH 2)7 CO2H

nmax > 250 nm

Ölsäure C18:1(9c) kann als (Z)-Alken in Gegenwart von Stickstoffoxiden zur Elaidinsäure C18:1(9t) mit (E)-Konfiguration isomerisieren. Diese cis-trans-Isomerisierung führt, gleichgültig von welcher der beiden Säuren man ausgeht, zu Gleichgewichtkonzentrationen von 34 % Ölsäure (thermodynamisch labiler) und 66 % Elaidinsäure (stabiler). CO2H

CO2H 34 % Ölsäure (Schmp. 12 °C)

66 % Elaidinsäure (Schmp. 46 °C)

Zur Lokalisierung einer CC-Doppelbindung kann eine oxidative Spaltung mit Kaliumpermanganat (Abschn. 4.5.6) oder eine Ozonolyse (Abschn. 4.5.8) durchgeführt werden. Die Spaltprodukte lassen sich gaschromatographisch und massenspektrometrisch identifizieren. Arbeitet man bei der Permanganat-Oxidation mit wenig KMnO4 und reoxidiert entstandenes Manganat durch viel gleichzeitig zugesetztes Natriumperiodat laufend zu KMnO4, so entstehen vorwiegend c-Hydroxyketone und wenig 1,2-Diole. Beide werden in Folgeschritten durch NaIO4 oxidativ gespalten und mit KMnO4 schließlich zu Carbonsäuren oxidiert: R2 R1

CH OH

R1

R2 C

C

KMnO4

C O

R1 = H3C/(CH2) 7/

R1

R2

= /(CH2) 7/CO2H

NaIO4

CH R 2

R1

OH

CH OH

+ HO2C

R2

R1

CO2H +

OHC

+

OHC

CHO

a

R2

b

c

OH CH

CHO

a

O

R1

H

H

R1

C

d

R2

KMnO4

R1

CO2H + HO2C

c

b

R2

R2

d

Aus Ölsäure entstehen so primär 9,10-Hydroxy- und Oxostearinsäuren. Deren Spaltung mit Periodat ergibt Pelargonaldehyd (H3C/(CH2)7/CHO) a, Nonandisäure b, Nonansäure c sowie Azelainaldehydsäure (OHC/(CH2)7/COOH) d. Weiteroxidation dieser Mischung mit Permanganat ergibt nur noch Nonansäure c und Nonandisäure b.

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41.4

Fettsäuren

909

Durch Ozonolyse einer ungesättigten Fettsäure entsteht ein Ozonid, das reduktiv (LiAlH4 oder NaBH4; Zn / HCl; H2 / Pd) oder oxidativ (H2O2 / HCOOH; Ag2O) spaltbar ist. Ölsäuremethylester liefert dabei die in Abb. 41.2 aufgeführten C9-Spaltprodukte. H

H CO2CH3 O3

H

O O

H

CO2CH 3

O CH2OH HOH 2C

H2O2 , HCO2H oder Ag 2O

CH2OH CH2OH

HOH2C

LiAlH4

CO2CH 3

CO2H HO2C

NaBH4

Zn / HCl oder H2 / Pt

CO2H CHO

OHC

CO2CH3

Abb. 41.2. Reduktive und oxidative Ozonolyse des Ölsäuremethylesters C18:1(9c)

Gaschromatographie und Massenspektrometrie Die wichtigste quantitative und qualitative Analysenmethode für Lipide und insbesondere Fettsäuren ist die Gaschromatographie (GC). Fettsäuren werden dabei als Methylester chromatographiert, die durch saure Methanolyse (1 normale methanolische Salzsäure, 1-2 h Rückfluß) oder Methylierung mit Diazomethan in Diethylether oder Veresterung mit 7 % Bortrifluorid in Methanol gewonnen werden. Günstige Bedingungen zur GC-Trennung von Fettsäuren bieten Kapillarsäulen mit polaren stationären Phasen, wie Polyester von Diolen mit Dicarbonsäuren und Temperaturen bis 170 - 195 °C unpolaren stationären Phasen, wie Apiezon L (Kohlenwasserstoff) oder Silicon SR-30 und Temperaturprogramm bis 240 °C. Polare Säulen trennen z. B. die ungesättigten Methylester C18:1 , C18:2 und C18:3 gut (Abb. 41.3a); diese erscheinen dabei nach den C18:0 und C16:0-Methylestern. Bei unpolaren Säulen werden die ungesättigten Derivate ohne Trennung vor den C18:0-Estern eluiert (Abb. 41.3b). Eine Anwendung von Kapillarsäulen zur Trennung der Komponenten von Heringsöl zeigt Abb. 41.3c. In den Massenspektren erkennt man gesättigte Fettsäuren und ihre Ester an c-Spaltungen unter Bildung stabiler Fragmentionen des Typs R/C»O+ sowie an MCLAFFERTY-Umlagerungen (dSpaltungen) unter Beteiligung der Carbonyl-Doppelbindung (Abschn. 28.7.5). Ungesättigte Fettsäuren gehen zusätzlich Allyl-Spaltungen und MCLAFFERTY-Umlagerungen unter Beteiligung der CC-Doppelbindungen ein.

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910

41 Lipide

Abb. 41.3. GC-Trennung eines Fettsäuregemisches (a) an einer polaren Säule (DEGS), (b) an einer unpolaren Säule (Apiezon L; LM = Lösemittel); (c) GC-Analyse von Heringsöl (Probenmenge 1 ol) an einer Kapillarsäule; aufgegeben wurden jeweils die mit Diazomethan hergestellten Methylester

41.5 Wachse Fettsäuren C16 - C36 , die mit langkettigen primären einwertigen Alkoholen C16 - C36 verestert sind, kommen als Wachse in verschiedenen tierischen und pflanzlichen Produkten vor. O O Myricylpalmitat (Palmitinsäuremyricylester)

Bienenwachs besteht zu 75 % aus Myricylpalmitat (C15H31CO2C30H61); weitere Komponenten sind 10 % Myricylcerotinat (C25H51CO2C30H61) (lat. cera = Wachs), Paraffin (15 %) sowie Myricylalkohol [H3C/(CH2)28/CH2OH]. Cetylpalmiat (C15H31CO2C16H33) kommt im Walrat vor. Auf den Blättern der brasilianischen Wachspalme entstehen schuppenartige Absonderungen von Myricylcerotinat.

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41.6

Phosphatide, Glycolipide, Aminolipide

911

41.6 Phosphatide, Glycolipide, Aminolipide Phosphatide, Glyco- und Aminolipide sind Triglyceride, die esterartig zwei Fettsäuren sowie einen polaren Rest an Glycerol gebunden tragen (Abb. 41.1). Die Fettsäuren dieser Lipide unterscheiden sich und werden daher in Formeln vereinfacht mit Stearinsäure in c-Stellung und der ungesättigten Ölsäure in ß-Stellung wiedergegeben, eine der häufigsten Kombinationen.

41.6.1

Phosphatide

Phosphatide sind Triglyceride, in denen anstelle einer Fettsäure ein Ethanolamin über eine Phosphorsäurediester-Brücke mit Glycerol verbunden ist. Die Amino-Funktion ist protoniert oder permethyliert und damit positiv geladen. Da ein Sauerstoff-Atom des Phosphat-Restes negativ geladen ist, besitzt der polare Kopf Zwitterionenstruktur und stark hydrophilen Charakter, während die langen Fettsäure-Reste einen Molekülschwanz mit stark lipophilen Eigenschaften bilden (Abb. 41.4). lipophiler Schwanz polarer Kopf

O O O CH2 O CH Fettsäuren

Glycerol Cholin

O

CH3 CH 3

CH2 O P O CH 2 CH2 N O

CH3

Phosphorsäureester

Abb. 41.4. Phosphatidylcholin (L-c-Lecithin), ein typisches Phosphatid mit polarem Kopf aus Cholin und Phosphorsäurediester-Brücke mit lipophilem Fettsäure-Schwanz

Die bekanntesten Glycerollipide sind das in Pflanzen und Tieren verbreitete Phosphatidylcholin (Lecithin), Phosphatidylethanolamin (Colaminkephalin) und Phosphatidylserin (Serinkephalin) (Tab. 41.3). Alle drei besitzen als gemeinsamen Grundkörper Diacyl-L-c-glycerolphosphorsäure (Phosphatidsäure) als Zwischenprodukt der Biosynthese. Cardiolipin ist ein höhermolekulares Phospholipid, das u. a. im Herzmuskel vorkommt. Die Lysolecithine entstehen aus Lecithin durch enzymatische Abspaltung (Phosphatidasen aus Schlangen- und Bienengift) von Acyl-Resten. Sie lysieren die Zellmembran von Erythrocyten, so daß Hämoglobin austritt. Phosphatide (Phospholipide, Phospholipoide) sind die wesentlichen Bausteine der Lipid-Doppelschichten von Biomembranen; sie können daher aus allen Zellen isoliert werden. Angereichert findet man sie in Nervengewebe, Gehirn, Herz, Leber, Eidotter und Sojabohnen.

41.6.2

Sphingolipide und Glycolipide

Unter den Sphingolipiden (Tab. 41.4) verkörpert das Fettsäureamid Ceramid die Kernstruktur, welche sich von dem langkettigen Aminoalkohol Sphingosin ableitet. Vom Ceramid leiten sich

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912

41 Lipide

alle komplexeren Sphingolipide wie Sphingomyeline (Sphingophosphatide) und Cerebroside (Sphingoglycolipide) ab. Trägt der Zucker-Rest des Cerebrosids noch eine Schwefelsäuremonoester-Gruppe, so liegt ein sogenanntes Sulfatid vor.

Tab. 41.3. Bedeutende Phosphatide und ihre Alkohol-Komponenten (R = Fettsäurealkyl-Reste) Phosphatid

Alkohol-Komponente Phosphatidylcholin (L-c-Lecithin)

R CO O CH2 R CO O CH

O

CH2 O P O CH2 CH2 N(CH3)3

HO CH2 CH2 N(CH3)3

Cholin

HO CH2 CH2 N(CH3)3

Cholin

HO CH2 CH2 NH3

Ethanolamin (Colamin)

HO CH2 CH2 NH3

Ethanolamin (Colamin)

HO CH2 CH NH3

L-Serin

O Lysophosphatidylcholin (Lysolecithin)

R CO O CH2 HO CH

O

CH2 O P O CH2 CH2 N(CH3)3 O Phosphatidylethanolamin (Colaminkephalin)

R CO O CH2 R CO O CH

O

CH2 O P O CH2 CH2 NH3 O Plasmalogen (Enoletherphosphatid)

R CH CH O CH2 R CO O CH

O

CH2 O P O CH2 CH2 NH3 O Phosphatidylserin (Serinkephalin)

R CO O CH2 R CO O CH

O

CH2 O P O CH2 CH NH3 O

CO2

O

OH OH

CO2 Phosphatidylinosit (Inositphosphatid)

R CO O CH2 R CO O CH

HO

OH OH HO

OH OH

CH2 O P O

OH OH

HO

myo-Inosit

O Cardiolipin (Diphosphatidylglycerol)

R CO O CH2 R CO O CH

O

CH2 O P O CH2 O HO CH

O

CH2 O CO R

HO CH2

CH O CO R

HO CH

CH2 O CO R O

CH O CO R

CH2 O P O CH2

CH2 O P O CH2

O

O

Phosphatidylglycerol

Sphingolipide kommen in Tieren und Pflanzen vor. Bei verschiedenen Gehirnkrankheiten werden bestimmte Sphingolipide im Gehirn vermehrt gespeichert. Das Bauprinzip der Sphingoglycolipide ist auch in den Gangliosiden vorhanden. Die aus dem Gehirn und der Erythrocytenmembran isolierbaren wichtigsten Ganglioside können anhand ihrer an Ceramid gebundenen Sialinsäure- (N-Acetylneuraminsäure) und Zucker-Reste charakterisiert werden. Man unterscheidet zahlreiche Mono- bis Trisialoganglioside. Ganglioside spielen eine

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41.6

Phosphatide, Glycolipide, Aminolipide

913

wichtige Rolle bei interzellulären und Zell-Virus-Wechselwirkungen sowie bei der synaptischen Reizübertragung. CH OH C NH

CH

O

CH2 O Glucose Galactose-N-acetylneuraminsäure

Gangliosid, ein Ceramidpolyhexosid

N-Acetylgalactosamin

Galactose-N-acetylneuraminsäure

Tab. 41.4. Sphingo- und Glycolipide CH OH H2N

Sphingosin (ungesättigter Aminoalkohol C 18)

CH CH 2 OH CH OH

C

NH

O

Ceramid (N-Acylsphingosin)

CH CH 2 OH CH OH

C

NH

O

CH

Sphingomyelin (Sphingosinphosphatid)

O

CH 2 O P O CH2 CH2 N(CH 3)3 O CH OH

C O

NH

CH CH 2 O

OH OH

HO

Cerebrosid (Sphingoglycolipid mit D-Galactose-Rest)

O CH2 OH

Glycolipide tragen ebenfalls einen hydrophilen, jedoch ungeladenen Kopf aus einem Zucker-Rest. Aminolipide sind dagegen wiederum geladen und besitzen anstelle des dreiwertigen Alkohols Glycerol den mit einer basischen Aminosäure und einer Fettsäure veresterten zweiwertigen Alkohol Ethylenglykol (Abb. 41.1).

41.6.3

Lipopolysaccharide und Lipoproteine

Lipopolysaccharide (LPS) wie Lipid A (Endotoxin) sind im Gegensatz zu den Phospholipiden in der äußeren Lipidmembran am Peptidoglycan Murein der Zellwand Gram-negativer Bakterien befestigt. Zwei d(1i6)-verknüpfte Glucosamin-Reste, deren funktionelle Gruppen in 2,3-Stellung mit Fettsäuren der Kettenlänge C12-C16 acyliert sind, bilden das Gerüst; die den Stickstoff acylierende 3-Hydroxytetradecansäure (3-Hydroxymyristinsäure) ist ihrerseits O-acyliert. Lipid A kann bei bakteriellen Infektionen, z. B. durch Salmonellen, noch in Konzentrationen von 1 ng/kg hohes Fieber verursachen.

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914

41 Lipide

Lipoproteine sind ebenfalls über Murein in der äußeren Lipidmembran von Bakterien verankert. Kopfgruppe ist das (RR)-Diastereomer der durch zwei oder drei Fettsäuren acylierten Aminosäure S-(2,3-Dihydroxypropyl)cystein. H3N

OH O

HO

O

O OH

O

P O O

HO

O NH O O

O O

O

O O

O O

NH 3

O O

O O

NH O

HO

O

O

P O

P

O

O

O

O O

O CH 2 O O *CH C16:0 C18:1(11c)

45 % 24 %

CH 2

O

S CH 2

O C16:0 C16:1(9c) C18:1(11c)

Lipopolysaccharid (LipidA , Endotoxin) aus Salmonella minnesota

65 % 11 % 11 %

P r o t e i n Murein * (58 Aminosäuren) H O H (RR) N

Lipoprotein aus Escherichia coli

Lipopolysaccharide und Lipoproteine wirken als Liganden bestimmter Rezeptoren auf das adaptive Immunsystem. Sie sind daher starke Immunstimulatoren (Adjuvantien). Kurze synthetische Analoga des nicht toxischen Lipoproteins aus Escherichia coli sind hochwirksame Komponenten synthetischer Impfstoffe. Diese Lipopeptide aktivieren schnell Makrophagen und Antikörper produzierende Zellen. Sie können als Transmembrantransporter Peptide in die Zelle schleusen, die dann eine zelluläre Immunantwort auslösen.

41.7 Lipid-Membranen Die amphiphilen Eigenschaften polarer Lipide führen in wäßriger Umgebung zur Ausbildung von geordneten Strukturen, die man als Lipid-Doppelschichten (engl. Bilayer) bezeichnet. Diese können je nach Präparation planare oder kugelförmige Gestalt besitzen (Abb. 41.5). Kugelförmige Aggregate nennt man Micellen, Vesikel und Liposomen; sie entstehen bei der Ultraschall-Behandlung einer wäßrigen Suspension von polaren Lipiden. In das Innere von Liposomen werden Wirkstoffe zur besseren Bioverfügbarkeit eingeschlossen. Planare Doppelschichten entstehen spontan unter Wasser beim Überpinseln einer etwa 1 mm großen Durchbohrung mit einer Lipid-Lösung in Chloroform. Die so erzeugte Lipid-Membran kann z. B. zur Abtrennung von Elektrolytzellen für biophysikalische Untersuchungen dienen.

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41.7

Lipid-Membranen

915

Derartige polare Lipid-Strukturen (Abb. 41.5) verkörpern neben Proteinen und Polysacchariden das Bauprinzip der Lipid-Membran jeder lebenden Zelle.

Abb. 41.5. Schnitt durch dreidimensionale Doppelschicht-Strukturen, zu denen sich amphiphile Lipid-Moleküle zusammenlagern können

41.7.1

Lipid-Doppelschichten

Aufgrund der intermolekularen VAN DER WAALS-Kräfte resultieren in den Aggregaten langkettiger LipidMoleküle in wäßriger Umgebung bevorzugte Konformationen. Die molekulare Packung von polaren Lipiden mit Alkyl-Resten besteht aus parallel nebeneinander liegenden, zick-zack-förmigen Kohlenwasserstoff-Ketten. Alle CC-Bindungen haben dabei die energetisch günstige gestaffelte antiperiplanare Konformation (Abschn. 2.4), welche gegenüber der synclinalen Konformation bevorzugt ist. Die Kohlenwasserstoff-Ketten orientieren sich dabei so, daß sie möglichst wenig mit Wasser wechselwirken und sich "ineinander lösen". Somit wird die thermische Bewegung der Lipide gedämpft. Die Entropie des ungebundenen Wassers nimmt dabei zu durch die Freisetzung von solchen Wassermolekülen, welche sich ansonsten um die Kohlenwassserstoff-Ketten in geordneter Struktur organisieren würden. Diese Entropiezunahme ist aus thermodynamischer Sicht die Hauptursache der Aggregatbildung. Phospholipide "binden" andererseits durch Ionen-Dipol-Wechselwirkung auch erhebliche Mengen Wasser, z. B. 1,2-Dipalmitoylphosphatidylcholin bis zu 20 %. Dieses "gebundene" Wasser wird zur Erhaltung organisierter Strukturen und Funktionen der natürlichen Membran benötigt. Die Länge einer Fettsäure wie Palmitinsäure C16:0 beträgt im "gestreckten" Zustand (sog. all-trans-Form, zick-zack-förmig) etwa 2.1 nm. Für Lipid-Doppelschichten, wie sie auch für natürliche Membranen angenommen werden, ergibt sich damit unter Einbeziehung des Phosphoglycerol-Restes eine Mindestdicke von etwa 5 nm. Bei den dünnsten Membranen (Mitochondrien) wurden 5 - 6 nm, bei den dicksten (Plasma) 9 - 10 nm Dicke gemessen. Natürliche Lipide kommen stets als Mischungen vor. Die Fettsäuren von Phospholipiden zeigen meist verschiedene Kettenlängen und eine wechselnde Anzahl von CC-Doppelbindungen. Besonders in Bakterienmembranen können auch verzweigte Fettsäuren auftreten. Somit führt bereits die Lipid-Zusammensetzung zur Vielfalt der Membran-Bausteine.

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916

41 Lipide

Das Ausmaß intermolekularer Wechselwirkung ist andererseits am größten bei einheitlicher Zusammensetzung eines Lipids. Bei Zumischung anderer ähnlicher Komponenten erfolgt z. B. stets eine Schmelzpunktserniedrigung. Die Schmelzpunkte hochreiner Phospholipide liegt extrem hoch (200 bis 230 °C). Reine Fettsäuren mit gleichen Kohlenwasserstoff-Ketten schmelzen wesentlich niedriger (Tab. 41.1). Andererseits liegt der Schmelzpunkt des Salzes Natriumstearat bei 300 °C; Phospholipide liegen also in ihrem Schmelzverhalten zwischen den Fettsäuren und den Fettsäure-Salzen. Die relativ hohen Schmelzpunkte der Phospholipide sind mit der Wirkung starker ionischer Kräfte zwischen den polaren Köpfen der Lipide erklärbar. In den Salzen der Fettsäuren sind diese Ionen-Bindungen noch wesentlich ausgeprägter. Lipid-Strukturen zeigen bereits unterhalb ihres Schmelzpunktes eine gewisse Beweglichkeit. Erwärmt man Lipide langsam, so können mit verschiedenen instrumentellen Methoden Umordnungen der Struktur beobachtet werden. Diese bezeichnet man als Phasenübergänge, und die Temperatur, bei der eine derartige Umwandlung eintritt, nennt man Übergangstemperatur. Die Beweglichkeit der Phospholipide nimmt mit steigender Temperatur stetig zu, bis bei der Übergangstemperatur plötzlich eine sehr starke Mobilität (Fluidität) eintritt. Die Kohlenwasserstoff-Kette des Lipids "schmilzt", jedoch ohne daß dadurch die gesamte "Kristall"Struktur mit einbezogen wird. Man spricht daher von flüssigen Kristallen. Bei der Übergangstemperatur werden die Kohlenwasserstoff-Ketten flexibler, und die vorher durchgehend trans-planare Anordnung der Ketten wird teilweise unterbrochen (Abb. 41.6).

a

b

c

d

Abb. 41.6. Schematische Darstellung der Konformationen von Kohlenwasserstoff-Ketten eines Lipids (nur Monoschicht) (a) perfekte Packung im Kristall, (b) erhöhte Beweglichkeit kurz unterhalb des Phasenübergangs, (c) und (d) hohe Beweglichkeit und geringere Membrandicke beim Phasenübergang

Enthalten Phospholipide kurze Alkyl-Ketten oder Doppelbindungen, so beobachtet man eine Verschiebung des Phasenübergangs nach niedrigerer Temperatur. Interessanterweise verhalten sich die Phasenübergangstemperaturen etwa wie die Schmelzpunkte entsprechender Fettsäuren. Somit liegen die Übergangstemperaturen hoch bei gesättigten langkettigen Phospholipiden, niedriger bei trans-Doppelbindungen und noch niedriger bei cis-Doppelbindungen. Natürliche Phospholipid-Mischungen, z. B. aus Erythrocyten-Membranen, enthalten viel Fettsäuren mit cis-Doppelbindungen. Deshalb zeigen sie Phasenübergänge bei oder unterhalb der Raumtemperatur. Beim Phasenübergang hat das Lipid die geringste Dichte, und durch die vermehrte "Schlangen-Struktur" verkürzt sich die Dicke der Lipid-Schicht gegenüber dem kristallinen Zustand (Abb. 41.6). Experimentell ließ sich zeigen, daß der gesamte Raumbedarf eines Lipids durch den Phasenübergang nicht zunimmt. Oberhalb, bei und unterhalb der Phasenübergangstemperatur von Phospholipiden werden unterschiedliche Permeabilitätseigenschaften z. B. für Elektrolyte beobachtet. Cholesterol und zweiwertige Kationen (Mg2+, Ca2+) stabilisieren Phosphatid-Doppelschichten oberhalb der Übergangstemperatur; unterhalb dieser Temperatur wirkt ein Cholesterol-Zusatz fluidisierend. Cholesterol baut sich idealer in die KohlenwasserstoffRegion ein.

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41.7

Lipid-Membranen

41.7.2

917

Aufbau biologischer Lipid-Membranen

Bereits 1925 wurden aus Erythrozyten-Membranen Lipide extrahiert und eine Lipid-Doppelschicht als Zellumhüllung vermutet (GORTER und GRENDEL). Diese Vorstellung wurde von DANIELLI und DAVSON (1935) unter Einbeziehung angelagerter Proteine erweitert. Von ROBERTSON (1959) wurde durch Elektronenmikroskopie ein lamellarer Membranaufbau gezeigt. Erst auf der Grundlage des von SINGER und NICOLSON (1965) vorgestellten Mosaikmodells konnte sich ab 1972 das heute akzeptierte "fluid-mosaic"-Modell entwickeln (Abb. 41.7).

Abb. 41.7. Aufbau einer biologischen Membran ("fluid mosaic model") aus einer Lipid-Doppelschicht mit intrinsischen und extrinsischen Membran-Proteinen. Innerhalb einer Lipid-Doppelschicht "schwimmen" einzelne oder aggregierte Proteinmoleküle. An einige der Lipid- bzw. Proteinmoleküle sind Zucker-Ketten geknüpft, die nach außen in die Umgebung der Zelle ragen

Eine biologische Membran besteht aus einer Lipid-Doppelschicht mit angelagerten (peripheren) und eingelagerten (integralen) globulären Proteinen sowie aus Polysacchariden und einem wechselnden Wasseranteil von etwa 20 %. Biologische Membranen enthalten ohne Wasser in Gewichtsprozent: ̈ ̈ ̈ ̈"

Lipide 45 %; Proteine 45 %, integrale und periphere; Kohlenhydrate 10 %, peripher, nur außerhalb der Zelle; Ionen (Ca2+, Mg 2+).

Das Verhältnis integraler und peripherer Proteine beträgt etwa 60 : 40. Biomembranen sind asymmetrisch aufgebaut, da u. a. die Verteilung der Phosphatid-Typen der äußeren und inneren Monoschicht ungleich ist.

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918

41 Lipide

Die Biomembran ist in einem quasifluiden Zustand, der eine schnelle laterale Bewegung der Proteine innerhalb der Lipid-Schicht ermöglicht. Die Membran-Proteine sind aufgrund ihrer besonderen Aminosäuren-Zusammensetzung und Konformation (hoher Helix- und Knäuelstrukturanteil, wenig Faltblattstruktur) zu intensiven Wechselwirkungen mit der polaren Region und der Kohlenwasserstoff-Schicht der Doppelschicht befähigt. Etwa 50 % der Aminosäuren von Membran-Proteinen sind Glu, Leu, Asp, Ala, Val. Die membrangebundenen Proteine sind die eigentlichen Träger der wichtigen Funktionen einer Biomembran: Erkennen von Verbindungen durch LigandRezeptor-Wechselwirkungen, aktiver und passiver Transport von Molekülen durch Transportproteine sowie Umwandlung von Molekülen durch Enzyme. Integrale Membran-Proteine können mit Detergentien wie Natriumdodecylsulfat aus der Lipid-Doppelschicht herausgelöst werden. Auf diese Weise isolierte MembranEnzyme verlieren dabei aber meist irreversibel ihre enzymatische Aktivität, da deren Konformation durch Lipide stabilisiert ist. Zellmembranen dienen somit nicht nur als Barrieren zur Abgrenzung extrazellulären Raums oder zur Unterteilung innerhalb der Zelle in Kompartimente (Reaktionsräume). Zellmembranen sind auch Enzym- und Antigenitätsträger. Ferner sind sie in Verbindung mit Energieträgern und Enzymen äußerst wirkungsvolle Pumpen, die einen Transport von Molekülen und Ionen entgegen ihrem Konzentrationsgefälle bewirken. Ein derartiger aktiver Transport ist bei der Na+-Pumpe der Nervenzellmembranen verwirklicht und bei der synaptischen Übertragung von Nervenimpulsen wesentlich. Die besonderen Eigenschaften einer Biomembran lassen sich kurz zusammenfassen: ̈ ̈ ̈ ̈ ̈ ̈ ̈ ̈"

selektive Permeabilität (semipermeabel) für kleinere Moleküle und Ionen sehr gute Permeabilität für Gase: Sauerstoff, Stickstoff, Kohlendioxid gute Permeabilität für Wasser geringe Permeabilität für Ionen, Elektrolyte, Kohlenhydrate impermeabel für Biopolymere (nur durch Endozytose möglich) hohe Oberflächenspannung, etwa 103 - 105 N / m hoher elektrischer Widerstand, etwa 103 - 105 W cm2 Aufrechterhaltung einer Zellkapazität von 0.5 - 1 F/cm2.

41.8 Industrielle Synthese von Detergentien 41.8.1

Alkylbenzensulfonate

Alkylbenzensulfonate sind die am meisten produzierten synthetischen Tenside. Ihre technische Herstellung umfaßt drei Schritte: / Alkylierung von Benzen mit Alkenen oder chlorierten Alkane, / Sulfonierung des Benzen-Kerns der Alkylbenzene, / Neutralisation der Alkylbenzensulfonsäure mit Natronlauge zum Sulfonat. Abb. 41.8 informiert über zwei Verfahren (A und B) zur Herstellung von n-Alkylbenzenen aus Erdöl. Verfahren A: Nach Chlorierung langkettiger n-Alkane C10 - C13 aus Erdöl +

Cl2 Unterschuß

100 °C / HCl

Cl

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41.8

Industrielle Synthese von Detergentien

919

können die resultierenden Chloralkane das Benzen nach FRIEDEL-CRAFTS (Abschn. 10.6.1) alkylieren. AlCl3

+

/ HCl

Cl

Verfahren B: Die Chloralkane werden katalytisch dehydrohalogeniert. Fe (Kat.) / HCl

Cl

Die gebildeten Alkene alkylieren Benzen zu Alkylbenzenen. Der exotherme Prozeß wird mit zehnfachem Überschuß an Benzen gefahren. HF (Kat.)

+

Bei beiden Verfahren erfolgt eine kontinuierliche Reaktionsführung unter Rückgewinnung überschüssiger Edukte. Erdöl Kerosin-Fraktion

Paraffinwachse C20 - C40

Ethen

Molekularsieb-Verfahren n-Paraffine C10 - C13 Chlorierung + Cl2

/ HCl

Chlorparaffine C10 - C13 Verfahren A + Benzen (AlCl3)

ZIEGLERVerfahren

Cracking / H2

Dehydrierung / HCl (Fe als Kat.)

Dehydrochlorierung n-Alkylbenzen

Alkene C10 - C13 + Benzen (HF) Verfahren B

Abb. 41.8. Möglichkeiten zur Herstellung von n-Alkylbenzen, ein Zwischenprodukt der Tensid-Fabrikation

Die Sulfonierung des Benzen-Kerns der n-Alkylbenzene erfolgt mit einem Schwefeltrioxid / LuftGemisch (2 - 6 % SO3). Die n-Alkylbenzensulfonsäure wird mit Natronlauge zum Endprodukt nAlkylbenzensulfonat neutralisiert. SO3 / Luft

+ NaOH / H2O

SO3H

SO3 Na

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920

41 Lipide

Die gegenwärtig produzierten n-Alkylbenzensulfonate (ABS) besitzen eine wesentlich bessere biologische Abbaurate (90 - 95 %) in Abwässern als das früher verbreitete Tensid Tetrapropylenbenzensulfonat (TPS). CH 3

CH3

(H 3C)2CH CH 2 CH CH CH CH(CH 3)2

Tetrapropylenbenzensulfonat (TPS) [4(2,3,5,7-Tetramethyl-5-octyl)-benzensulfonat]

SO3 Na

Nach dem deutschen Waschmittelgesetz von 1975 müssen alle anionischen und nicht anionischen Tenside zu mindestens 80 % abbaubar sein. Synthetischen Waschmitteln werden Bleichmittel wie Perborat oder Percarbonat, optische Aufheller und andere Textilhilfsmittel wie Faserschutzstoffe aus Metasilikat zugesetzt.

41.8.2

Langkettige Alkylsulfate und andere Tenside

Tab. 41.5 orientiert über verschiedene Tensid-Typen und ihre Anwendungsgebiete. Zur Herstellung der n-Alkylsulfate geht man von primären Fettalkoholen aus, die durch Hydrierung von Fettsäuren und Fettsäuremethylestern oder durch Oligomerisierung von Ethen (nach ZIEGLER, Abschn. 35.2.4) gewonnen werden. CO2CH 3

CO2H Fettsäuren

Fettsäuremethylester (aus Talg und Kokosfett)

(aus Fetten oder durch Oxidation von Paraffinen) + 2 H2 / CuO / Cr2O3

/ H2 O

+ 2 H2 / Ni , 200 °C, 300 bar

/ CH3OH + 1.5 H2SO4

CH 2OH

/ 0.5 Al2(SO4)3

Fettalkohole

Al[O (CH 2

CH 2)n C2H5] 3 Aluminiumalkoholate O2

1.) + H2SO4 (konz.) , / H2O 2.) + NaOH , / H2O

O

Al[(CH 2

CH 2)n C2H5] 3

Trialkylaluminium

CH 2 O S O Na

Al(C 2H5) 3

O

Natrium-n-alkylsulfat

H2C CH 2

Tenside vom Typ der sek-Alkylsufate stellt man aus Monoalkenen der Erdöl-Crackung durch Addition von Schwefelsäure (Abschn. 4.5.5) und Neutralisation der Alkylhydrogensulfate her. + H2SO4

+ NaOH / H 2O

OSO3 Na

Die als Textilhilfsmittel verwendeten Alkylsulfonate (Mersolate) werden weniger über Alkylsulfochloride als vielmehr durch Sulfoxidation von Alkanen hergestellt (Abschn. 24.12.1). Kationenaktive Tenside (Invertseifen) sind durch Alkylierung tertiärer Amine zugänglich. Sie finden vielseitige Anwendung in der Textilchemie. N(CH3)2

+

Cl CH 2

H3C CH3 N Cl

Zephirol (kationenaktives Tensid)

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41.8

Industrielle Synthese von Detergentien

921

Tab. 41.5. Ausgewählte synthetische Tenside Bezeichnung

F o r m e l

Anwendungen

anionenaktive Tenside n-Alkylbenzensulfonate

H3C

(CH 2)n CH

(CH2)m CH3 Waschmittelrohstoffe, Geschirrspülmittel, industrielle Reinigungsmittel, Textilhilfsmittel, Erzflotation, Galvanotechnik

SO3 Na sek-Alkansulfonate

H3C

(CH 2)n CH

(CH2)m CH3

SO3 Na Alkensulfonate

H3C

(CH 2)n CH CH CH2 SO3 Na

flüssige Geschirrspülmittel, Waschmittelrohstoff

Fettalkoholsulfate

H3C

(CH 2)n CH2 O SO3 Na

Schaumbäder, Haarschampoos, Spülmittel

Carboxylate (Seifen)

H3C

(CH 2)n CO2 Na (oder K )

Körperpflege

kationenaktive Tenside quartäre AlkylammoniumSalze

Weichspüler, Desinfektionsmittel, Antistatika, Flotationsmittel, Korrosionsinhibitoren, Asphaltzusätze

(H 3C)2NR 1R2 Cl (R1 und R2 langkettig)

N-Alkylpyridinium-Salze

N

(R langkettig)

R Cl

nichtionische Tenside Alkylpolyglykolether

H3C

(CH 2)n

Alkylphenolpolyglykolether

H3C

(CH 2)n

PolypropylenoxidPolyethylenoxidBlockpolymerisate

HO (CH 2 CH 2 O)x

Waschmittelrohstoffe, Textilhilfsmittel, Erzflotation, Metallbearbeitung, Emulgatoren für Pflanzenschutzmittel, Fotographie, Kautschukindustrie

O (CH 2 CH 2 O)m H O (CH 2 CH 2 O)m H CH 3 [CH CH 2 O] y

(CH 2 CH 2 O)z H

Ampholyte Alkylammoniumalkancarboxylate

H3C

(CH 2)n NH2 CH 2 CH 2 CO2

Alkylbetaine

H3C

(CH 2)n N(CH3)2 CH 2 CO2

Fluortenside

Körperpflege

O

(F 5C 2)3C

SO3 Na

Galvanotechnik

C C F 5C2

C2F 5 CH3

Silicontenside

]n

H5C 2 Si{ O [Si O

(CH2 CH 2 O)y

(CH 2 CH 2 CH 2 O)z C 4H9}3 Feuerlöschmittel

CH3

Unter den nicht ionogenen Tensiden sind besonders die durch Polymerisation von Ethylenoxid (Oxiran) erhältlichen Polyethylenglykole (Polyethylenoxide, Polyoxyethylene) von Bedeutung. Polyethylenglykole sind sowohl in Wasser als auch in den meisten organischen Lösemitteln gut löslich. Ihre Addukte mit Fettalkoholen, Alkylphenolen und Fettsäuren (Tab. 41.5) finden vielfältigen Einsatz. n

O

+

HO (CH2)m CH 3

OH

nichtionisches Tensid

/

HO CH2 CH2

(O CH2 CH2)n O CH2 CH2 O (CH2)m CH3 1.) + H2SO4 2.) + NaOH

Na

O3S O CH2 CH2

/ H2 O / H 2O

(O CH2 CH2)n O CH2 CH2 O (CH2)m CH3 anionenaktives Tensid

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922

42 Terpene und Steroide

42 Terpene und Steroide 42.1 Herkunft Bauprinzip und Biogenese der Terpene 42.1.1

Begriff, Bauprinzip, Klassifizierung

Der Begriff Terpene entspringt der Bezeichnung Balsamum terebinthinae für Terpentin. Terpentin ist der zähflüssige Balsam, der beim Anschneiden oder Einkerben aus der Rinde und dem jungen Holz der Kiefern fließt ("Kiefernharz") und u. a. einige wohlriechende, ungesättigte Kohlenwasserstoffe (= Terpene) ausströmt. Traditionell sind Terpene Naturstoffe (Kohlenwasserstoffe, Alkohole, Ether, Aldehyde, Ketone, Carbonsäuren, Ester, Amine) überwiegend pflanzlicher Herkunft, die sich durchweg aus Isopren-Einheiten zusammensetzen und daher auch als Isoprenoide bezeichnet werden (Isopren-Regel nach RUZICKA und WALLACH). Isopren ist 2-Methyl-1,3-butadien; 2-Methylbutan bildet eigentlich die Untereinheit der Terpene (Tab. 42.1). Um die etwa 30000 bekannten Terpene zu klassifizieren, unterscheidet man je nach Anzahl n der 2-Methylbutan-Einheiten (C5)n zwischen Hemi- (C5), Mono- (C10), Sesqui- (C15), Di- (C20), Sester(C25), Tri- (C30), Tetra- (C40) und Polyterpenen (C5)n>8 (Tab. 42.1). Tab. 42.1. Stammkohlenwasserstoffe der Terpene (2-Methylbutan- bzw. Isopren-Einheiten fett gedruckt)

C5 Hemi-

Kopf

Schwanz

2-Methylbutan

2-Methyl-1,3-butadien (Isopren)

C10 Mono-

2,6-Dimethyloctan

C15 Sesqui-

2,6,10-Trimethyldodecan (Farnesan)

C20 Di-

2,6,10,14-Tetramethylhexadecan (Phytan) Schwanz

C25 Sester-

Kopf

2,6,10,14,18-Pentamethylicosan

Schwanz

C30 Tri-

Schwanz

2,6,10,15,19,23-Hexamethyltetracosan (Squalan) Schwanz

C40 Tetra-

(C5)n Polyterpene

{,{-Caroten

Schwanz

n all-trans-Polyisopren (Guttapercha)

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42.1

Herkunft Bauprinzip und Biogenese der Terpene

923

Definiert man im 2-Methylbutan die Isopropyl-Gruppe als "Kopf", die Ethyl-Gruppe als "Schwanz", so sind Tri- und Tetraterpene in der Mitte Schwanz-Schwanz-, alle anderen Terpene durchweg Kopf-Schwanz-verknüpft (Tab. 42.1). Umlagerungen und Abbaureaktionen (Abspaltungen von C-Atomen) bewirken gelegentlich Abweichungen von der Isopren-Regel. Zwei Isopren-Einheiten können durch eine, zwei oder mehr Bindungen miteinander verknüpft sein. Dementsprechend gibt es acyclische sowie mono-, di-, tri-, tetra-, pentacyclische (polycyclische) Terpene. Einfache Beispiele sind die Grundskelette vieler mono- und bicyclischer Monoterpene: acyclisch

2,6-Dimethyloctan

monocyclisch

p-Menthan

Eucarvan

bicyclisch

Thujan

Camphan (Bornan)

Die Nomenklatur der Terpene und ihrer Kohlenwasserstoff-Grundskelette orientiert sich oft an der natürlichen Herkunft. Camphan, Stammkohlenwasserstoff des Camphers, stammt von der botanischen Bezeichnung Cinnamomum camphora (Lauraceae) des Campherbaums; p-Menthan, Grundskelett der Inhaltsstoffe des Pfefferminzöls, entspringt dem botanischen Namen der Pfefferminze, Mentha piperita (Labiatae).

42.1.2

Vorkommen, Bedeutung

Terpene spielen als Duft- und Geschmackstoffe in etherischen Ölen eine wichtige Rolle. Etherische Öle werden durch Auspressen, Extraktion oder Wasserdampfdestillation von Pflanzen oder Pflanzenteilen (Blüten, Blätter, Wurzeln) gewonnen. Sie finden als Duftstoffe in der Parfümerie, oder zur Geruchs- und Geschmackverbesserung von Speisen vielseitige Verwendung. Neben etherischen Ölen dienen Bitterstoffe und andere terpenoide Wirkstoffe zur Herstellung pflanzlicher Arzneimittel (Phytopharmaka). Darunter finden sich auch Antibiotika, Entzündungsund Tumorhemmer sowie insektizid und fungizid wirkende Terpene für den Pflanzenschutz. Zu den Prenylchinonen gehören redoxaktive Vitamine (E und K). Die Carotenoide als Tetraterpene sind Vorstufen des Vitamins A, kommen als gelbe, orange und rote tetraterpenoide Polyenfarbstoffe in Blättern, Blüten, Früchten (Tomaten), Wurzeln (Karotte) vor und nützen als Lebensmittelfarbstoffe und Antioxidantien. Das Polyterpen Naturkautschuk war der Rohstoff zur Herstellung von Gummi, bevor das Naturprodukt durch den identischen Synthesekautschuk ersetzt wurde. Terpene sind Komponenten der Harze und Balsame (in etherischen Ölen gelöste Harze) verletzter Bäume wie Weihrauch (ein Harz) und Terpentin (ein Balsam). Wird aus dem Balsam Terpentin der wasserdampfflüchtige Anteil (das Terpentinöl als etherisches Öl) entfernt, so verbleibt als Rückstand das Harz Kolophonium. Insekten verbreiten flüchtige Monoterpene und deren Stoffwechselprodukte als Pheromone zur Kommunikation, z. B. zur Versammlung (Aggregationspheromone), Markierung von Wegen (Spurpheromone), Warnung (Alarmpheromone) und Paarung (Sexualpheromone), die sich im umweltfreundlichen Pflanzenschutz einsetzen lassen.

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924

42 Terpene und Steroide

Die Pflanzen selbst nutzen Terpene als Signalstoffe zur Kommunikation untereinander, als Lockstoffe für Insekten zwecks Bestäubung, als Phytohormone (Wachstumsregulatoren) sowie zur Abwehr von Fraßfeinden. Tab. 42.2 faßt Herkunft, Inhaltsstoffe und Wirkung dieser pflanzlichen Produkte zusammen. Tab. 42.2. Terpene in pflanzlichen Produkten, ihre Eigenschaften und Wirkungen Stoffgruppe

Herkunft

Inhaltsstoffe, Eigenschaften, Verwendung

Etherische Öle

höhere Pflanzen (Blütendüfte)

Mono- und Sesquiterpene (Gemische) intensiver, charakteristischer Geruch Duftstoffe für die Riechstoffindustrie Duft- und Geschmackstoffe für Lebensmittel

Bitterstoffe

höhere Pflanzen wie Enzian (Wurzel) Tausendgüldenkraut, Bitterklee

Mono- und Sesquiterpenlactone bitterer Geschmack, Arzneimittel zur Anregung von Magen- und Speichelsekretion

Pheromone

Drüsen von Insekten; Vorstufen pflanzlicher Herkunft (Wirtsplanzen)

meist flüchtige Monoterpene (Alkohole, Aldehyde, Carbonsäuren, Ester) Aggregations-, Alarm-, Sexual- und Spurpheromone

Phytohormone

Pflanzen

Hemi-, Mono- und Diterpene Signalstoffe, Wachstumsregulatoren

Phytopharmaka

Pflanzen, Pilze, Insekten

Mono-, Sesqui-, Di- und Triterpene Insektizide und Fungizide, Vitamine (A) Antibiotika, Entzündungs- und Tumorhemmer

Prenylchinone

ubiquitär in Prokaryonten und Eukaryonten

Chinone mit Isoprenoid-Kette, Redox-Systeme Vitamine (E und K), biologische Funktion in Atmungskette und oxidativer Phosphorylierung

Carotenoide

Pflanzen, Bakterien

Tetraterpene (Gemische), gelb bis rot, licht- und oxidationsempfindlich, lichtabsorbierend bei der Photosynthese, Schutz vor Singulett-Sauerstoff, Vitamin A-Vorstufen, Lack- und Lebensmittelfarben

Harze und Balsame

Sekrete verletzter Bäume (Weihrauch, Terpentin)

Harze: Di- und Triterpene (Gemische), Harzsäuren transparente, amorphe, spröde-, oft geruch- und geschmacklose, lipophile Verbindungen, Balsame: Lösungen der Harze in etherischen Ölen

Polyterpene

als Kautschuk im Milchsaft (Latex) des Gummibaums Hevea brasiliensis Guttapercha im Milchsaft von Sapotaceae

Polyisoprene aus bis zu 5000 C 5-Einheiten Kautschuk: klebrig, nach Vulkanisation elastisch Guttapercha: hart und unelastisch, weich ab 50 °C

42.1.3

Biogenese

Terpene sind sekundäre Stoffwechselprodukte (Sekundärmetabolite) der Pflanzen, die biosynthetisch von Kohlenhydraten, Fetten und Aminosäuren abstammen. Die Herkunft ihrer C-Atome wurde durch Isotopenmarkierung mit 14C und 13C ermittelt. Als biogenetische Vorstufe der Terpene entpuppte sich das Acetyl-Coenzym A, die aktivierte Essigsäure (Abb. 42.1). Nach einer Art CLAISEN-Kondensation zweier Äquivalente Acetyl-CoA entsteht Acetoacetyl-CoA, eine biologische Version des Acetessigesters. Acetoacetyl-CoA reagiert mit einem weiteren Äqui-

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42.1

Herkunft Bauprinzip und Biogenese der Terpene

925

valent Acetyl-CoA als C-Nucleophil in Analogie zur Aldol-Reaktion zum d-Hydroxy-d-methylglutaryl-CoA weiter, bevor eine enzymatische Reduktion in Gegenwart von Wasser die (R)Mevalonsäure ergibt. Deren Phosphorylierung (mit ATP) führt über Mevalonsäuremono- und diphosphat (= pyrophosphat) unter Decarboxylierung und Dehydratisierung zum Isopentenyldiphosphat (IDP), das durch eine SH-Gruppen enthaltende Isomerase zum i,i-Dimethylallyldiphosphat (DMADP, Prenyldiphosphat) isomerisiert. Verknüpfung der elektrophilen Allyl-CH2-Gruppe des i,i-Dimethylallyldiphosphats mit der nucleophilen Methylen-Gruppe des Isopentenyldiphosphats führt zum Geranyldiphosphat als Monoterpen. Dessen Weiterreaktion mit einem Äquivalent Isopentenyldiphosphat liefert Farnesyldiphosphat als Sesquiterpen (Abb. 42.1).

aktivierte Essigsäure

CoAS

Acetoacetyl-CoA HSCoA

CH 3

O H

+

C-Nucleophil

CoAS

C

O

O

CoAS

CH 3

d-Hydroxy-d-methyl-glutaryl-CoA

O H

SCoA , H2 O

HO CH 3O HO2C

O HSCoA

C-Elektrophil

SCoA

(NADPH + H+) HSCoA

HO CH 3 (R)-Mevalonsäure HO2C

OH

(ATP)

O PP =

O

P O P OH OH

(R)-MevalonsäureHO2C diphosphat

HO CH 3 OPP

OH

CO2, H2O 1 DMADP

OPP

IDP

2

Monoterpene C10 Geranyldiphosphat

OPP

OPP

3 [H+] , Kopf-Schwanz HOPP

Sesquiterpene C 15

OPP Farnesyldiphosphat

Steroide

Triterpene C30

4 [H+] , Kopf-Schwanz

Schwanz-Schwanz HOPP

Diterpene C20

OPP Geranylgeranyldiphosphat

Tetraterpene C40

4 ( [H+] , Kopf-Schwanz )n

Schwanz-Schwanz HOPP

Polyterpene C5n

n Polyprenyldiphosphat

OPP

Abb. 42.1. Biosynthese der Terpene mit den wichtigsten Zwischenstufen; Abkürzungen: CoA = Coenzym A; DMADP = i,i-Dimethylallyldiphosphat, IDP = Isopentenyldiphosphat, 1 = Isopentenyldiphosphat-D-Isomerase, 2 - 4 = Dimethylallyl-Transferasen

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926

42 Terpene und Steroide

42.2 Übersicht der Terpene 42.2.1

Hemi- und Monoterpene

Hemiterpene Neben Isopentenyldiphosphat als Intermediat der Terpen-Biosynthese kommen etwa 25 Hemiterpene (C5) natürlich vor, darunter ein Sexualpheromon des Borkenkäfers, 2-Methyl-3-buten-2-ol, die Säurekomponenten zahlreicher natürlicher Ester wie Isovalerian-, Senecio-, sowie die cistrans-Isomeren Tiglin- und Angelicasäure. CO2H

CO2H

HO 2-Methyl-3-buten-2-ol

Isovaleriansäure

HO2C

Seneciosäure

HO2C

Tiglinsäure

Angelicasäure

Acylische Monoterpene Viele acyclische Monoterpene (C10) sind Inhaltsstoffe etherischer Öle. Citrus-, Lorbeer- und Hopfenöl enthalten Konstitutionsisomere (c- und d-) des Myrcens und Ocimens. Die Ocimene treten zusätzlich als (E)- und (Z)-Isomere auf. 9 4 5

3

2

1

6 7 10

c-

8

Myrcen

d-

(Z)-c-

Ocimen

(E)-c-

(Z)-d-

Ocimen

(E)-d -

Die konstitutionsisomeren Terpenole Linalool und Geraniol (C10H18O) sowie dessen (Z)-Isomer Nerol sind blumig duftende Komponenten des Rosen-, Palmarosa- und Lavendelöls. Das in der Parfümerie als Träger von Citrusdüften verwendete Citral ist ein Gemisch der (E)- und (Z)isomeren Aldehyde Geranial und Neral. (+)-Citronellol ist ein weiterer Inhaltsstoff des Rosenöls; Melissenöl enthält den entsprechenden Aldehyd (+)-Citronellal. Geranial ist ein Spur- und Abwehrpheromon der Honigbiene, Citronellal ein Alarmpheromon einiger Ameisenarten. OH OH

O OH

rac. Linalool

Geraniol (E)

Nerol (Z)

O

Geranial (E)

Neral (Z)

OH (R)-(+)Citronellol

O (R)-(+)Citronellal

Monocylische Monoterpene Kleine Ringe sind seltene Teilstrukturen der Monoterpene. Cyclopropan-Monoterpene wie Chrysanthemumsäure und Chrysanthemol kommen in Chrysanthemen und anderen Korbblütlern (Asteraceae) vor. Ester der Chrysanthemumsäure finden als Insektizide Verwendung.

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42.2

Übersicht der Terpene

927

Chrysanthemumsäure

(+)-Chrysanthemol

OH

CO2H

Die meisten monocyclischen Terpene stammen vom p-Menthan ab, dessen trans-Isomer im Terpentinöl vorkommt. Von den ungesättigten monocyclischen Terpenkohlenwasserstoffen sind die Enantiomeren des Limonens, DIELS-ALDER-Addukt von Isopren, bekannte Aroma- und Duftstoffe. (R)-(+)-Limonen ist der duftprägende Hauptbestandteil des Orangen- und Mandarinenöls; das nach Tannennadeln duftende (S)-(/)-Enantiomer überwiegt im Edeltannenzapfenöl. Vom pMenthan-3-ol mit drei asymmetrischen C-Atomen gibt es 23 = 8 Stereoisomere; das sind die vier als Menthol, Isomenthol, Neomenthol und Neoisomenthol bezeichneten Enantiomerenpaare. Unter diesen hat das (/)-Menthol genannte (1R,3R,4S)-Enantiomer als Hauptkomponente des Pfefferminzöls (aus Mentha piperita und Mentha arvensis, Labiatae) die größte Bedeutung. Es duftet und schmeckt süß-minzig-frisch, stark kühlend im Gegensatz zum herb-krautig-minzig riechenden, weniger kühlenden (+)-Enantiomer, findet daher als Aroma- und Duftstoff (Pfefferminzkonfekt, Parfümerie) Verwendung. (/)-Menthol wirkt auch schleimhautabschwellend (Inhalationsmittel), leicht schmerzbetäubend (mildes Lokalanästhetikum und Analgetikum), antipruritisch und carminativ. (+)-Neomenthol findet sich im japanischen Pfefferminzöl, (/)-Neoisomenthol im Geraniumöl. 7

6 5

1 4

S

R

2 3

R

S

R

S

OH

S

R R

S

OH

S

OH

S

S

OH

8 9

10

OH

OH OH

trans-p-Menthan

(-) - Limonen

(/) - Menthol

(/) - Isomenthol

(+) - Neomenthol

OH (/) - Neoisomenthol

Bicylische Monoterpene Der Cyclobutan-Bicyclus Pinan sowie die Bicyclo[2.2.1]heptane Camphan und Fenchan sind die Grundskelette der bekanntesten, natürlich vorkommenden bicyclischen Monoterpene. Die Regioisomeren"c- und d-Pinen finden sich verbreitet in Nadelbäumen (Pinaceae) und bilden die Hauptkomponenten des in der Holzindustrie anfallenden Terpentinöls. Das ebenfalls im Terpentinöl vorkommende (+)-Verbenol ist ein Sexualpheromon der Borkenkäfer. Spanisches Verbena-Öl enthält (+)-Verbenon; dessen Regioisomer (/)-Pinocarvon kommt in verschiedenen Eucalyptusölen vor und gehört zu den Sexualpheromonen des Kiefernspanners. 10 9 1

O 3

7

Pinan

OH

5

(+)-c-Pinen

(+)-Verbenol

O (+)-Verbenon

(+)-d-Pinen

(/)-Pinocarvon

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928

42 Terpene und Steroide

Camphane natürlicher Herkunft sind die Borneole mit endo-OH-Gruppe, die Isoborneole mit exoOH-Gruppe und die als Campher bezeichneten enantiomeren Camphan-2-one (2-Bornanone). 10 1 9 7

5

O

HO

O

OH

3

HO (/)-

(+)Camphan (Bornan)

(1R,2R)-(/)(1S,2S)-(+)Isoborneol

Campher

OH

(1R,2S)-(+)(1S,2R)-(/)Borneol

(+)-Borneol aus dem in Ostasien wachsenden Campherbaum und der Curcuma-Wurzel ist als Borneo-Campher bekannt. (/)-Isoborneol läßt sich aus einigen Korbblütlern isolieren. (+)-Campher (Japancampher) ist Hauptinhaltsstoff des Campherbaumes, kommt auch in anderen Pflanzenfamilien vor, z. B. in den Blättern des Rosmarins und Salbeis, hat den typischen (campherartigen) Geruch kugelförmiger Moleküle, wirkt analeptisch, lokalanästhetisch, atmungsanregend, antipruritisch, antirheumatisch und findet vielseitige Anwendung, u. a. als Weichmacher für Celluloid. Zur technischen Gewinnung wird das zerkleinerte Holz älterer Campherbäume wasserdampfdestilliert, wobei der (+)-Campher teilweise aus dem Destillat kristallisiert. Fenchane treten als Fenchone und Fenchole in mehreren etherischen Ölen auf. Fenchelöl aus Fenchel enthält neben den Monoterpenen Limonen und c-Pinen bis zu 20 % (+)-Fenchon; (/)Fenchon wird aus dem als Heckenthuja kultivierten abendländischen Lebensbaum isoliert. Die in der Parfümerie begehrten Enantiomeren des c-Fenchols mit endo-OH-Funktion finden sich im frischen Saft der Zitronen und im Terpentin. 10 1

O 7 5

O

3

OH

9

(/)-

(+)Fenchan

Fenchon

HO

(1R,2R,4S)-(+)(1S,2S,4R)-(/)c-Fenchol

Cannabinoide sind Benzopyran-Derivate, die biogenetisch von einem Monoterpen und einem Phenol abstammen. Im (/)-F9-Tetrahydrocannabinol schließen die C-Atome C-3 und C-8 des pMenth-1-ens (S. 927) mit 5-n-Pentylresorcin (Olivetol) einen Dihydrobenzopyran-Ring. Cannabinoide sind Inhaltsstoffe des indischen Hanfs (Cannabis sativa var. indica), aus dem die Drogen Marihuana (tabakartiges, fermentiertes Gemisch getrockneter Blätter und Blüten) und Hashisch (Harzsekret aus den Drüsenschuppen in den Blattachseln der Blütenstände) gewonnen werden. Die halluzinogenen Wirkstoffe, F8- und F9-Tetrahydrocannabinol ("THC"-Regioisomere mit unterschiedlicher Position der Alken-CC-Doppelbindung) bilden sich beim Altern und Trocknen (Rauchen) der Drogen durch Decarboxylierung der genuinen Tetrahydrocannabinolcarbonsäuren.

OH

H

CO2H

OH

H / CO2

6a

H

H

O

O

*/+"-"F9 - Tetrahydrocannabinolcarbonsäure

9 10 8 H 10a 7

H

6 5

*/+"-"F9 - THC

OH 1 2 4 3

O Tetrahydrocannabinole (THC)

*/+"-"F8 - THC

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42.2

Übersicht der Terpene

42.2.2

929

Sesquiterpene

Acylische Sesquiterpene Stammverbindung der rund 10000 bekannten Sesquiterpene (C15) ist das im Ölschiefer vorkommende Farnesan, von dem sich u. a. die in der Parfümerie benötigten, offenkettigen Terpenole (S)-(+)-Nerolidol aus Orangenblüten sowie das nach Maiglöckchenblüten duftende Farnesol aus Bergamott-, Jasmin- und Rosenöl ableiten lassen. 13

HO

15 11

9

7

5

3

1

OH Farnesan

(S)-(+)-Nerolidol

Farnesol

Monocylische Sesquiterpene Eine kleine Auswahl der Vielfalt monocyclischer, vom Farnesan abgeleiteter SesquiterpenGrundskelette sind (6,11-)Cyclofarnesan und die Isomeren Bisabolan (= 1,6-), Humulan (= 1,11-) und Germacran (= 1,10-Cyclofarnesan). Die vom Cyclofarnesan abgeleitete (+)-Abscisinsäure ist ein in vielen jungen Pflanzen (Rosen, Kohl, Kartoffeln, Baumwolle) vorkommender Wachstumsregulator. Bekannte Bisabolan-Derivate sind (/)-Zingiberen aus Ingwer (Zingiber officinalis) sowie c- und d-Bisabolol aus Bergamottöl. Monocyclische Sesquiterpene der Humulan-Reihe wie c- und d-Humulen sowie von diesen abstammende Epoxide, Alkohole und Ketone finden sich als Inhaltsstoffe des Hopfens (Humulus lupulus). Bemerkenswerte Vertreter der Germacran-Sesquiterpene sind die als Periplanone bekannten Sexualpheromone der amerikanischen Küchenschabe (Periplaneta americana). H

OH 11

HO

OH

H

6 6

CO2H

O Cyclofarnesan

1

(+)-Abscisinsäure (/)-Zingiberen

Bisabolan

(+)-c-Bisabolol

O

1

10

(+)-d-Bisabolol

O

O O

O

1 11

Humulan

c-Humulen

d-Humulen

Germacran

Periplanon A

Periplanon B

Bi- und polycylische Sesquiterpene In der großen Vielfalt bicyclischer Sesquiterpene ragen die Eudesmane und Guajane als häufig auftretende Grundskelette heraus. Eudesman (= Selinan) und Guajan resultieren formal aus Germacran durch zusätzliche Ringschlüsse zum Bicyclo[4.4.0]decan (Decalin) bzw. Bicyclo[5.3.0]decan; 1,2-Methyl-Verschiebungen führen vom Eudesman zum Eremophilan und vom Guajan zum Pseudoguajan. 14 14 1 3 14

15

10 5

7

3 11

9

1 5

7 11

15

13

15

13

Eremophilan

Eudesman (Selinan)

Germacran

Guajan

Pseudoguajan

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930

42 Terpene und Steroide

Als Aroma- und Riechstoffe besonders bekannte Eudesmane sind c- und d-Selinen aus Sellerie-, Hanf- und Hopfenöl sowie (+)-c- und (+)-d-Eudesmol aus einigen Eucalyptusölen. (+)-Valerianol aus der Baldrianwurzel ist nur ein Beispiel der etwa 150 Eremophilane in höheren Pflanzen und einigen Pilzen.

H (/)-c-Eudesmen (c-Selinen)

H (/)-d-Eudesmen (d-Selinen)

H

OH

(+)-c-Eudesmol (3-Selinen-11-ol)

H

OH

OH

(+)-1(10)-Eremophilen-11-ol (Valerianol)

(+)-d-Eudesmol (4(15)-Selinen-11-ol)

Interessante Vertreter der zahlreichen Guajane sind das antibiotisch wirksame, purpurrote AzulenDerivat Lactaroviolin aus dem als echter Reizker bekannten Speisepilz Lactarius deliciosus, verschiedene Guajadiene wie c-Guajen aus Guajakholz- und Patchouliöl, sowie die variationsreich in Korbblütlern auftretenden, als Guajanolide bezeichneten Sesquiterpenlactone, z. B. Artabsin aus Wermutkraut (Absinth), Achillicin aus der Schafgarbe (Achillea millefolium), Matricin aus der Kamille (Matricaria chamomilla) und als Pseudoguajan-Derivat das entzündungshemmende Helenalin aus Arnika-Blütenständen. OH H

H R

8

6

H

H O (/)-1(5),11-Guajadien (c-Guajen)

8

6

HO

O 12

H

12

O

O 12

O Lactaroviolin

H O

OH HO

O

H

O

R=OH: 8,10-Dihydroxy-1,4guajadien-12,6-olid (Achillicin) R=H , 10d-OH: (/)-Artabsin

(/)-4,8-Dihydroxy-1(10),2guajadien-12,6-olid (8-O-Acetyl-Derivat: Matricin)

(/)-6-Hydroxy-4-oxo-2,11(13)pseudoguajadien-12,8-olid (Helenalin)

Beispiele der zahlreichen polycyclischen Sesquiterpene sind die als Aromadendrane und Patchoulane bezeichneten 6,11- und 1,11-Cycloguajane. Salbeiöl enthält u. a. (+)-1(10)-Aromadendren-7ol; c-Patchoulen und (/)-Patchoulenon sind Komponenten des Zypressenöls; weitere, auch umgelagerte Patchoulan-Derivate finden sich im (namensgebenden) Patchouliöl. OH H

H R

8

6

H

H O

O 12 O

Lactaroviolin

(/)-1(5),11-Guajadien (c-Guajen)

H O

OH

8

6

R=OH: 8,10-Dihydroxy-1,4guajadien-12,6-olid (Achillicin) R=H , 10d-OH: (/)-Artabsin

HO

H

12

O 12

O

HO

H

O

O (/)-4,8-Dihydroxy-1(10),2guajadien-12,6-olid (8-O-Acetyl-Derivat: Matricin)

(/)-6-Hydroxy-4-oxo-2,11(13)pseudoguajadien-12,8-olid (Helenalin)

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42.2

Übersicht der Terpene

42.2.3

931

Diterpene

Acyclische Diterpene Die rund 5000 bekannten Diterpene leiten sich vom Stammkohlenwasserstoff Phytan ab, dessen (3R,7R,11R)-Enantiomer in Meteoriten, in Sedimenten wie Ölschiefer und in der menschlichen Leber vorkommt. Chlorophyll (Abschn. 34.7.6) in den Chloroplasten der Pflanzen ist ein Ester des als Phytol bezeichneten (+)-(2E,7R,11R)-2-Phyten-1-ols. 17 15

18 13

11

19 9

20 5

7

3

11

1

(3R,7R,11R)-Phytan

7

OH

1

(+)-(2E,7R,11R)-2-Phyten-1-ol (Phytol)

Monocyclische Diterpene Vom 10,15-Cyclophytan leiten sich die bekanntesten Vertreter monocyclischer Diterpene ab, die Vitamine der A-Reihe. Dazu gehören die konjugierten Pentaene Axerophthen, Retinol (Vitamin AAlkohol, Vitamin A1), das beim Sehvorgang (Abschn. 29.6.1) isomerisierende Retinal (Vitamin A-Aldehyd) und Tretinoin (Vitamin-A-Säure). Vitamin-A-Mangel in der Nahrung hat Nachtblindheit, Gewichtsabnahme, Hautschäden, Knochenwachstumsstörungen und Schleimhautaustrocknung der Augenepithelien (Xerophthalmie) zur Folge. 20

17 15

10

19

17 1

1

7

3

9

20 11

13

15

5

Phytan

10,15-Cyclophytan

18

Axerophthen

H

OH O

OH Retinol (Vitamin A-Alkohol)

O

Retinal (Vitamin A-Aldehyd)

Tretinoin (Vitamin A-Säure)

Polycyclische Diterpene Aus der Vielfalt polycyclischer Diterpene geben die vom Phytan ableitbaren bicyclischen Labdane, und die vom Labdan durch weiteren Ringschluß und durch Methyl-Verschiebung entstehenden Pimarane und Abietane eine kleine Auswahl.

20

1

11

6 11 15

10

10

19

15

11 13

16

14

1

5

Phytan

20

15 17

1

17

17

16

10 5

Labdan (mit neuer Bezifferung)

OH

H (/)-Labdanolsäure

Abietan

Pimaran (mit neuer Bezifferung)

CO2H

H

CO2H (+)-Pimarsäure

H

CO2H

(/)-Abietinsäure

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932

42 Terpene und Steroide

Labdane wie die Labdanolsäure sind Inhaltsstoffe des Labdanumöls und -harzes aus dem mediterranen Zistrosenstrauch (Cistus labdaniferus) und verschiedenen Nadelgehölzen, in denen auch Pimarane und Abietane mit vielen Substitutionsmustern auftreten. Beispiele sind die Harzsäuren Pimarsäure aus Kiefern (Pinus-Arten) und Abietinsäure aus Tannen (Abies-Arten). Grundskelett der als Gibberelline bezeichneten pflanzlichen Wachstumshormone ist das Tetracyclophytan Gibberellan. Unreife Samen des Hasenklees enthalten z. B. (/)-Gibberellin A18. Prominentester Vertreter ist die aus Kulturen des Pilzes Gibberella fujikuroi in größeren Mengen isolierbare Gibberellinsäure; diese gehört, wie die meisten Gibberelline, zu den C-20-Norditerpenen, in denen C-20 fehlt. 20

20

1 3

9 8

5

19

O

H

18

7

H

O

11 13

15

HO 17

HO

OH

HO2C

OH H

H

CO2H

CO2H

(/)-Gibberellin A 18

Gibberellan

(+)-Gibberellin A 3 (Gibberellinsäure)

Taxan verkörpert das tricyclische Diterpen-Grundskelett einiger Inhaltsstoffe der Eiben (Taxaceae). Beispiele sind (/)-10-Desacetylbaccatin aus der europäischen Eibe (Taxus baccata) sowie das gegen Leukämie und verschiedene Krebserkrankungen wirkende, dementsprechend angewendete Diterpen-Alkaloid (/)-Taxol aus den pazifischen Eiben (Taxus brevifolia und T. cuspidata). H 3C HO

19 10

18 12 14

15 1

16 17 2

O OH

O

8

6

O

4

HO

20

Taxan

H OH O O

HO

O

H

CH3

H 5C 6

O

N

C 6H 5

O O

(/)-10-Desacetylbaccatin

42.2.4

O OH

O

O

C 6H 5

H OH O O H 5C 6 O O

O CH 3

(/)-Taxol

Triterpene

Acyclische Triterpene Die rund 5000 bekannten Triterpene stammen überwiegend vom Squalen ab. Es ist das wichtigste der wenigen acyclischen Triterpene, geht biogenetisch aus der Schwanz-Schwanz-Verknüpfung zweier Farnesen-Einheiten hervor und kommt im Fischlebertran sowie in vielen pflanzlichen Ölen wie Raps- und Baumwollsamenöl vor. 25

26 2

27 6

10

Schwanz

15

19

23

Schwanz 28

29

30

Squalen (2,6,10,15,19,24-Hexamethyl-2,6,10,14,18,22-tetracosahexaen)

2,3-Epoxysqualen ist die Biosynthese-Vorstufe der zahlreichen polycylischen Triterpene. Seine konzertierte, enzymatische Tetracyclisierung durch Squalen-Cyclase führt zum Dammaran-Kation

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42.2

Übersicht der Terpene

933

mit dem tetracyclischen Grundskelett des vom Cyclopentanoperhydrophenanthren abgeleiteteten Gonans (Tab. 42.6), das in vielen Triterpenen sowie in den Steroiden präsent ist.

2,3-Epoxysqualen (protoniert)

O H

HO

HO 3d-Hydroxydammaran-20-Kation

Polycyclische Triterpene Von der großen Vielfalt der weit verbreiteten tetra- und pentacyclischen Triterpene skizziert Tab. 42.3 nur wenige, besonders häufig auftretende Grundskelette. Dies sind zunächst tetracyclische Dammarane mit Gonan-Kernstruktur, aus denen durch zweifache Methyl-Verschiebung das Lanostan hervorgeht. Durch Verlust dreier C-Atome (28 - 30) geht Lanostan in Cholestan über, dessen weiterer Abbau zu den anderen Steroiden führt. Oleanan und das durch Methyl-Verschiebung daraus resultierende Ursan sind zwei weitere pentacylische Triterpen-Grundskelette. Tab. 42.3. Bedeutende Grundskelette tetra- und pentacyclischer Triterpene und deren Ringbezifferung 21

21 20 23 11 13 30

19 1 3

10 5

29

17

11 13

26

1 3

Dammaran

28

25

29

10

28

7

23

25

17

11 13 19

26

5

20

18

27

23 17

19

18

7

18

27 25

21 20

1

30 3

26 10 7

5

Lanostan

Cholestan und andere Steroide 30

30

29 20

20

29

19 21 23

18

25

30 1

6 3

2 25

1

Squalan

21

24

14 11

19

Gonan-Skelett

24

11 13 26

17

25

28

15

1

10 5 23

7

3

27

Oleanan

24

11 13 26

17

28

15

10 5 23

7

27

Ursan

Viele polycyclische Triterpene sind Aglyca schaumbildender Glycoside pflanzlicher Herkunft; man nennt solche Glycoside Saponine (lat. sapo = Seife) und ihre Aglyca Sapogenine. Dammarane treten u. a. in Form der Ginseng-Sapogenine auf; das sind die Aglyca der Ginseng Saponine (Ginsenoside oder Panaxoside) aus den Wurzeln der hauptsächlich in Ostasien heimischen "Kraftwurz" Panax Ginseng (Araliaceae). Hierzu gehören das als Protopanaxatriol bekannte Dammar-24-en-3d,6c,12d,20R-tetrol als Sapogenin und sein 6,20-Diglucopyranosid als Saponin. Zubereitungen, meist Teeaufgüsse aus der zerkleinerten, getrockneten Ginseng-Wurzel werden

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934

42 Terpene und Steroide

zur Stärkung und Kräftigung bei Müdigkeit und Schwäche sowie zur Steigerung der körperlichen Leistungs- und Konzentrationsfähigkeit verabreicht. OH

HO OH

OH

OH HO

HO

O OH

OH H HO

12

OH H 12

20 17

H

20

3

17

6

H

1

OH

OHO

8

3

O

6

OH

HO

H

OH

OH

(+)-Dammar-24-en-3d,6c,12d.20R-tetrol (Protopanaxatriol, ein Ginseng-Sapogenin)

24

12

H

HO

H

24

H

1

24

H

HO

20 17

19

1 3

O

(+)-Lanosta-8,24-dien-3d-ol (Lanosterol)

(+)-Dammar-24-en-3d,6c,12d.20Rtetrol-6,20-Di-O-ß-D-glucopyranosid (Panaxosid A, ein Ginseng-Saponin)

Lanostane findet man in vielen Pilzen und höheren Pflanzen. Prominentester Vertreter ist Lanosterol aus Wollfett (Adeps lanae), Wolfsmilchgewächsen und anderen Pflanzenfamilien; es ist die Biogenese-Vorstufe der Steroide und Herzglycoside. Oleanan-Triterpene (Tab. 42.3, 42.4) sind als Sapogenine weit verbreitet. Oleanolsäure ist das Aglycon der Saponine in Olivenblättern, Zuckerrüben, Ginseng und der Mistel. Tab. 42.4. Pentacyclische Triterpene mit Oleanan- und Ursan-Skelett 30

Oleanane

29 20

12 26

28

H

12 26

CO 2H

H

3

HO 24

23

23

Ursane

H

28

3

24

12 26

25

CO 2H

5

H

3

7

H

(+)-3d-Hydroxy-12-ursen-28-säure (Ursolsäure)

HO 24

28

7

H

(+)-3c-Hydroxy-12-oleanen-24-säure (c-Boswellinsäure) 30 29

20

H

20

X

28

25

CO 2H

1

1

HO

H

29

HO

20

12 26

5

30

30 29

25

H

1 3

(+)-Quillaja-Säure

12 26

25

HO HO2 C

H O

H

(+)-3d-Hydroxy-12-oleanen-28-säure [(+)-Oleanolsäure]

28

CO 2H OH

H

3

HO

H

H16

11

26

H

28

1 5

H

7

H

(+)-3d,19c-Dihydroxy-12-ursen-28-säure (Pomolsäure)

3

HO HO2 C

5

H

7

H

X = H2 : (+)-3c-Hydroxy-12-ursen-24-säure (d-Boswellinsäure) X = O : (+)-3c-Hydroxy-11-oxo-12-ursen-24-säure (Ketoboswellinsäure)

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42.2

Übersicht der Terpene

935

Kommerzielle Bedeutung haben die Quillaja-Saponine aus Rinde und Holz des chilenischen Seifenbaums (Quillaja saponaria) zur Herstellung von Shampoos, Schaumbädern, Zahnpasta sowie als Fettemulgatoren für die Lebensmittel- und pharmazeutische Technologie. Die Hydrolyse der Quillaja-Saponine setzt die Quillajasäure mit Oleanan-Skelett frei, das auch der c-Boswellinsäure aus dem (entzündungshemmend wirkenden) Weihrauch (Boswellia serrata) zugrunde liegt. Ursan (Tab. 42.3, 42.4) ist das pentacyclische Triterpen-Grundskelett der Ursolsäure aus dem Schalenwachs verschiedener Früchte, der Pomolsäure aus Apfelschalen und der d- und Ketoboswellinsäure aus dem Weihrauch. Ursol- und Pomolsäure finden als Emulgatoren Verwendung.

42.2.5

Tetraterpene (Carotenoide)

Die etwa 200 bekannten Tetraterpene natürlicher Herkunft werden als Carotenoide (früher Carotinoide) bezeichnet, weil sie durchweg Strukturvarianten des d-Carotens aus der Karotte Daucus carota (Umbelliferae) mit meist 11 konjugierten CC-Doppelbindungen sind. Stammbezeichnung ist "Caroten" (früher Carotin); zwei griechische Buchstaben (d."i."g."l."m."e und {) definieren die insgesamt sieben bekannten Endgruppen, wie Tab. 42.5 an Beispielen erläutert.

d-

i-

g-

l-

e-

m-

{-

Das offenkettige, rote Tetraterpen Lycopen aus der Tomate (Lycopersicon esculantum, Solanaceae), anderen Früchten (Hagebutten, Rosaceae), Pilzen und Bakterien wird demnach als {,{Caroten, das orangerote d-Caroten aus der Karotte als d,d-Caroten bezeichnet. Weit verbreitet in Pflanzen ist auch das als d,{-Caroten zu bezeichnende rote i-Caroten aus der Karotte und sein orangegelbes 7´,8´-Dihydro-Derivat aus Mais mit verschiedenen Endgruppen (Tab. 42.5). Carotenoide kommen in Blättern, Früchten, Sprossen und Wurzeln aller höheren Pflanzen vor (bis zu 0.1 % des getrockneten Pflanzenmaterials). Sie bewirken u. a. im Herbst die Gelb- bis Rotfärbung der Blätter, weil sie langsamer abgebaut werden als das grüne Chlorophyll. Viele Früchte enthalten Carotenoide, z. B. Paprika (Capsicum annuum, Solanaceae, Tab. 42.5). Als Blütenfarbstoffe spielen sie im Vergleich zu den Anthocyanidinen und Flavonoiden eine Nebenrolle; in Rosen und Lilien tragen sie zu Gelb- und Rottönen der Blüten und Früchte bei. Der tierische Organismus metabolisiert die mit der Nahrung aufgenommenen Carotenoide; zur de novo-Synthese ist er nicht in der Lage. Carotenoide und ihre Metaboliten finden sich u. a. als Chromoproteine im Blutplasma, im Eidotter, in Forellenhaut sowie im Fleisch mancher Fische (Lachse, Lachsforellen) und in den Panzern der Crustaceen. So färbt sich der Hummer beim Kochen rot, weil durch Denaturierung eines dunkelgrünen Chromoproteins das rote d,d-Carotenoid Astaxanthin (Tab. 42.5) freigesetzt wird. Einige Carotenoide, darunter d,d-Caroten, sind Vitamin A-aktiv (Tab. 42.5), indem sie in den Mucosa-Zellen des menschlichen und Säugetier-Darms enzymatisch-oxidativ zu dem für den Sehvorgang bedeutenden Vitamin A-Aldehyd abgebaut werden. Sie können Zellschädigungen durch Abfangen von Singulett-Sauerstoff (1O2 ) verhindern.

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936

42 Terpene und Steroide

Tab. 42.5. Struktur, Bezeichnung, Eigenschaften und Vorkommen ausgewählter Carotenoide 17 16

18

1

3

19 7

5

9

20 11

13

15

15'

13'

11'

7'

9'

20'

5'

3'

18'

19'

16'

1'

rote Kristalle Tomate

17 '

{.{-Caroten (Lycopen, früher Lycopin) 18' 16

17 1 3

19 7

9

20 11

13

5' 15

15'

5

13'

11'

9'

20' 18

7'

19'

3' 1'

17 '

16'

rote Kristalle Karottenwurzel

d.d-Caroten (d-Caroten, früher d-Carotin) 8'

7'

rote Kristalle Karottenwurzel

d.{-Caroten (i-Caroten, früher i-Carotin)

OH OH rote Kristalle Arctodiaptomus salinus und andere Crustaceae

HO

3d,3d',4c,4c'-Tetrahydroxy-d,d-caroten (Crustaxanthin)

OH

O OH violette metallisch glänzende Kristalle Crustaceae

HO

3d,3d'-Dihydroxy-d,d-caroten-4,4'-dion (Astaxanthin)

O

violette Kristalle weit verbreitet, Vitamin A-aktiv

H (+)-d.g-Caroten (c-Caroten)

OH kupferrote Kristalle Eidotter, Blätter höherer Pflanzen Staphylococcus aureus

H HO

(+)-3c,3c'-Dihydroxy-d,g-caroten (Lutein, Xanthophyll)

O 6'

1 3

HO

1'

3'

OH

rote Kristalle Paprika, Capsicum annuum

1'

3'

OH

rote Kristalle Paprika, Capsicum annuum

(/)-3d,3d'-Dihydroxy-d,m-caroten-6'-on (Capsanthin)

O 1

6'

O

3

HO (-)-5c,6c-Epoxy-3d,3d'-dihydroxy-d,m-caroten-6'-on (Capsanthin-5,6-epoxid)

HO

3

O

1 6

6' 1'

O

3'

OH

violettrote Kristalle Paprika, Capsicum annuum, Lilium bulbiferum und andere Lilien

3d,3d'-Dihydroxy-m,m-caroten-6,6'-on (Capsorubin)

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42.2

Übersicht der Terpene

42.2.6

937

Prenylchinone

Prenylchinone enthalten Terpenyl-Reste mit bis zu zehn Isopren-Einheiten, gehen durch Reduktion in Hydrochinone über und können zu Chromenolen und Chromanolen cyclisieren. Einige biogenetisch von den Aminosäuren Phenylalanin und Tyrosin abstammende Prenylchinone kommen in allen pflanzlichen und tierischen Zellen vor und werden daher als Ubichinone bezeichnet (lat. ubique = überall). Sie wirken u. a. als Enzym-Cofaktoren beim Elektronentransport in der Atmungskette in den Mitochondrien mit. Der Einfachheit halber nennt man sie der Anzahl ihrer Isopren-Einheiten entsprechend Ubichinone UQ-n oder Coenzyme CoQn , wie das Beispiel des als Coenzym Q10 bekannten Ubichinons UQ-10 zeigen soll. OH

O CH3

H3CO H3CO

CH 3

H3CO

+ 2 [ H+], + 2 e0 /

H3CO

9

9

O

OH

Ubichinon-10 (UQ-10, Coenzym Q10, CoQ10)

OH

OH CH 3

H3CO

Ubihydrochinon

CH 3

H 3CO

H3CO

H 3CO O

O 8

8

Ubichromenol-10

Ubichromanol-10

Die Chloroplasten höherer Pflanzen und Algen enthalten die mit den Ubichinonen verwandten Plastochinone (PQ). Auch diese wirken als Elektronenüberträger bei der Photosynthese. Vitamine der K-Reihe (Koagulationsvitamine) sind als Prenyl-1,4-naphthochinone einzuordnen Sie werden mit der Nahrung aus allen grünen Pflanzen aufgenommen, wirken bei oxidativen Phosphorylierungen in der Atmungskette mit und sind zur Biosynthese der als Gerinnungsfaktoren des Blutes bezeichneten Glycoproteine in der Leber notwendig. Ihr Mangel stört die Blutgerinnung. O

O H 3C H 3C

O CH 3

CH 3

CH 3

8

n

2

O

O Plastochinon A

O

Vitamin K 1 (2-Methyl-3-phytyl-1,4-naphthochinon)

Vitamine K 2 (35) (n=5) und K 2 (30) (n=4)

Das besonders in Weizenkeimen und Pflanzenölen angereicherte, auch als (+)-c-Tocopherol bekannte Vitamin E ist ein Prenylchromanol: O

OH H3C

H3C

CH 3

CH 3

Oxidation

H3C

Reduktion

H3C

2

O

O

HO

2

(+)-c-Tocopherol (Vitamin E)

Tocochinon

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938

42 Terpene und Steroide

Aufgrund seiner Oxidierbarkeit zum Tocochinon schützt Vitamin E Carotenoide und Polyenlipide in Biomembranen sowie die SH-Gruppen des Cysteins in Enzymproteinen vor Oxidation durch Peroxide. Manchen Lebensmitteln wird Vitamin E daher als Antioxidans zugesetzt. Es wirkt zudem entzündungshemmend, antirheumatisch und fungiert als Fruchtbarkeitsvitamin; so ist bei Mangel an Vitamin E in der Nahrung die Ratte steril, und die Honigbiene kann sich nicht zur Königin entwickeln.

42.2.7

Polyterpene

Isoprenoide mit mehr als acht Isopren-Einheiten werden als Polyterpene bezeichnet. Bekannt und bedeutend für die Gummiindustrie war der im wesentlichen aus cis-Polyisopren bestehende Naturkautschuk aus dem Milchsaft (Latex) des im Amazonas-Gebiet Brasiliens heimischen Baums Hevea brasiliensis. Gummi wurde durch Vulkanisation (Abschn. 35.2.8) des Naturkautschuks mit Schwefel hergestellt; dabei werden die Polymer-Ketten des cis-Polyisoprens durch Addition von Schwefel unter Bildung von Disulfid-Brücken vernetzt (GOODYEAR 1838). Zur Herstellung von Gummi wird heute der mit dem Naturprodukt identische Synthesekautschuk vulkanisiert; Synthesekautschuk wird durch Dien-Polymerisation (Abschn. 35.2.1) des Isoprens hergestellt. Trans-Polyisopren ist Hauptbestandteil des als Werkstoff weniger bedeutenden, unelastischen, harten, gegen aggressive Chemikalien wie Flußsäure beständigen Guttapercha, das sich beim Eintrocknen des Milchsafts tropischer Palaquium-Arten (Sapotaceae) bildet. H n cis-Polyisopren (Natur- und Synthesekautschuk)

n trans-Polyisopren (Guttapercha)

OH

n

Betulaprenole n = 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13)

Betulaprenole sind eine Reihe von trans-Oligoterpenolen aus der Birke Betula verrucosa (Betulaceae), die man entsprechend der Anzahl ihrer Isopren-Einheiten kennzeichnet. Betulaprenol-9 kommt auch im Tabak vor. Betulaprenol-11 und -12 finden sich in den Blättern des Maulbeerbaums Morus nigra (Moraceae) und in den Faeces des die Blätter fressenden Seidenspinners Bombyx mori. Ähnliche Polyprenole existieren in den Geweben endokriner Organe der Säugetiere und in Bakterien, wo sie neben anderen Funktionen die Zellwände stabilisieren.

42.3 Ausgewählte Terpen-Synthesen 42.3.1

Acyclische Mono- und Sesquiterpene

Acyclische Mono- und Sesquiterpene sind begehrte Riech- und Aromastoffe. Industriell gewinnt man sie u. a. in repetitiven Syntheseschritten aus Aceton und Ethin nach Abb. 42.2. Die Ethinylierung des Acetons liefert zunächst 3-Butin-2-ol. Dessen Hydrierung führt zum 3-Buten-2-ol, aus dem das Zwischenprodukt 6-Methyl-5-hepten-2-on (C8) auf zwei Wegen hergestellt werden kann, entweder durch Umetherung mit Methylpropenylether und anschließende Oxa-COPE-Umlagerung oder durch Umesterung mit Acetessigsäuremethylester und anschließende CARROL-Reaktion. Die

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42.3

Ausgewählte Terpen-Synthesen

939

Ethinylierung des 6-Methyl-5-hepten-2-ons führt über Dehydrolinalool (C10) durch Hydrierung mit gebremstem Katalysator (LINDLAR-Kat.) zum Riechstoff Linalool, aus dem Geraniol durch säurekatalysierte Allyl-Umlagerung hergestellt wird. Umesterung des Linalools mit Acetessigsäuremethylester und nachfolgende CARROLL-Reaktion führt zum 6,10-Dimethylundeca-5,9-dien-2on (C13), das zum Dehydronerolidol (C15) ethinyliert wird, aus dem die Sesquiterpene Nerolidol (durch Hydrierung) und Farnesol (anschließende Allyl-Umlagerung) hergestellt werden.

O +

H C C H

(R/NH2 / Na2CO3)

3-Butin-2-ol

HO

+ H2 (LINDLAR-Katalysator) + H3CO

+ H3CO

O / CH3OH

O

O

/ CH3OH

HO

O O

O

CARROLL-Reaktion / CO2

Oxa-COPE-Umlagerung

O 6-Methyl-5-hepten-2-on + H

rac. Dehydrolinalool

C

C

H (R/NH2 / Na2CO3)

HO + H2 (LINDLAR-Katalysator) (H3O+) rac. Linalool

AllylUmlagerung

HO + H3CO

OH

Geraniol

.""/ CH3OH

O

O

O O CARROLL-Reaktion

O

/ CO2

6,10-Dimethylundeca-5,9-dien-2-on

O + H

C

C

H (R/NH2 / Na2CO3)

rac. Dehydronerolidol

HO + H2 (LINDLAR-Katalysator) (H3O+)

rac. Nerolidol

HO

AllylUmlagerung

OH Farnesol

Abb. 42.2. Industrielle Synthesen offenkettiger Mono- und Sesquiterpene

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940

42 Terpene und Steroide

Edukt einer enantioselektiven Synthese des (R)-Citronellals ist das in der Holzindustrie anfallende d-Pinen, dessen thermische Cycloreversion zum Myrcen führt. Das durch Lithiierung des Myrcens mit Butyllithium und Diethylamin über das Lithium-Chelat entstehende Allylamin wird in Gegenwart eines chiralen Rhodium(I)-Komplexes [Ligand: (S)-2,2´-Bis-(diphenylphosphino)-1,1´-binaphthyl = (S)-BINAP] als Katalysator enantioselektiv zum (R)-Enamin umgelagert, dessen Hydrolyse (R)-(+)-Citronellal freisetzt. Li N(C2H5) 2 n-C4H9Li , (C2H5)2NH

F

(+)-d-Pinen

Myrcen

N(C 2 H 5)2 H2O / H2SO4

O

N(CH 3 )2 (3R)-1(E)-1-Dimethylamino3,7-dimethyl-1,6-octadien

(R)-(+)-Citronellal 98 % ee

42.3.2

Kat. 100 °C

N,N-Diethylgeranylamin

Cyclische Monoterpene

Eine enantiospezifische Synthese des (1R,3R,4S)-(/)-Menthols als Hauptkomponente der Pfefferminzöle gelingt aus dem nach Abschn. 42.3.1 synthetisierten (R)-(+)-Citronellal durch eine LEWIS-Säure-katalysierte intramolekulare Carbonyl-En-Reaktion (Abschn. 27.4.5). Deren Primärprodukt (/)-Isopulegol wird katalytisch zum (/)-Menthol hydriert. (R)-(+)-Citronellal

OH O

OH

H + H2 / Ni

+ ZnBr 2

Br2Zn

H O

H

CarbonylEn-Reaktion

O H

/ ZnBr 2

OH (1R,3R,4S)-(/)-Isopulegol

Racemischer Campher ist aus c-Pinen zugänglich. Nach Protonierung der CC-Doppelbindung unter MARKOWNIKOW-Orientierung zum Carbenium-Ion und dessen WAGNER-MEERWEIN-Um-

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42.3

Ausgewählte Terpen-Synthesen

941

lagerungen zum nichtklassischen Bornyl-Kation (Carbonium-Ion) addiert letzteres Acetat. Die Hydrolyse des gebildeten Isobornylacetats gibt Isoborneol, dessen Oxidation zu Campher führt. Das als Zwischenprodukt der Campher-Synthese auftretende Camphen ist technisch durch Isomerisierung von c-Pinen mit Titandioxid bei 180 °C zugänglich. WAGNERMEERWEINUmlagerung

+ [H+]

Camphen

Carbonium Ion /

+ [H+]

+ CH3CO2

O

+ 1/2 O2

(/)-c-Pinen

Campher

+ H2 O

OH

/ H2O

O

/ CH3CO2H

C

CH3

O Isobornylacetat

Isoborneol

DL-Campher kann nach Racemattrennung und Sulfonierung in (+)-Campher-10-sulfonsäure übergeführt werden. Diese wird häufig als Hilfsverbindung zur Racemattrennung chiraler Amine über diastereomere Salze eingesetzt. Die Reduktion der Oxo-Gruppe des (+)-Camphers führt zu den natürlich vorkommenden bicyclischen Terpenolen (+)-Borneol (Lavendel, Rosmarin, Campherbaum) und (/)-Isoborneol.

42.3.3

Industrielle Synthese des Diterpens Vitamin A

Intensive Tierhaltung und moderne Nahrungsmitteltechnologie entfachten einen hohen Bedarf an Vitamin-A (80 % für Futtermittel und 20 % für Humannahrung), der durch eine in Planung und Durchführung gut nachvollziehbare, industrielle Synthese gedeckt wurde. Synthesen plant man rückwärts, d. h. vom Produkt zum Edukt (Retrosynthese), indem "strategische" Bindungen gedanklich so zerlegt werden, daß diese Bindungen mit machbaren Reaktionen und verfügbaren Edukten knüpfbar sind. retrosynthetische Zerlegung

retrosynthetische Zerlegung

Produkt

Zwischenprodukt

Edukt

Dabei strebt man bei komplexeren Zielverbindungen konvergente Synthesen mit zwei oder mehr Synthesezweigen an, da diese höhere Gesamtausbeuten erzielen als lineare Synthesen mit gleicher Anzahl von Stufen, wie es das theoretische Beispiel einer insgesamt fünfstufigen konvergenten und linearen Synthese von X aus A mit einer Ausbeute von 80 % je Stufe deutlich macht: lineare Synthese:

A

80 %

B

64 %

C

51 %

D

41 %

E

33 %

X

A

80 %

H

80 %

konvergente Synthese:

F

64 %

I

64 %

G

51 %

X

J

Die retrosynthetische Zerlegung der C-11/C-12-Doppelbindung des Diterpens Retinolacetat nach einer WITTIG-Reaktion führt zum C15-WITTIG-Salz und zum C5-Acetat (Abb. 42.3). Das C15-Salz

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942

42 Terpene und Steroide

ist über d-Ionylidenethanol, Vinylionol, Ethinylionol, d-Ionon, Pseudoionon aus Dehydrolinalool nach den bei der industriellen Synthese von Monoterpenen (Abschn. 42.3.1, Abb. 42.2) besprochenen Methoden zugänglich. Das C5-Acetat bildet sich durch eine Allyl-Umlagerung des 4,4Dialkoxy-3-methyl-1-buten-3-ols. Letzteres ist das Hydrierungsprodukt des 4,4-Dialkoxy-3methyl-1-butin-3-ols, welches bei der Ethinylierung des durch Oxidation des Acetonketals zugänglichen Dialkoxyacetons entsteht. Dies ist das Prinzip einer konvergenten industriellen Synthese des Retinolacetats nach POMMER. O H

P(C 6 H 5)3 Br

O 12

11

WITTIGReaktion

O

+

O

H

O H

Retinolacetat

C5-Acetat

C15-Salz

OH RO OH OR

HO d -Ionylidenethanol

Vinylionol

4,4-Dialkoxy-3-methyl-1-buten-3-ol

RO

O

HO d -Ionon

Ethinylionol

O

OH OR 4,4-Dialkoxy- 3-methyl-1-butin-3-ol

O

RO

O OR

Dialkoxyaceton

Pseudoionon

CARROLL-Reaktion

O Dehydrolinalool

Aceton

OH

Abb. 42.3. Retrosynthetische Zerlegung des Retinolacetats

Zur praktischen Durchführung (Abb. 42.4) wird racemisches Dehydrolinalool mit Acetessigsäuremethylester umgeestert und das resultierende Dehydrolinaloylacetoacetat der CARROLL-Decarboxylierung zu Pseudoionon unterzogen. Pseudoionon cyclisiert unter Säurekatalyse zu dem als Veilchen-Riechstoff attraktiven d-Ionon. In Gegenwart von Natronlauge als Base ethinyliert Ethin zum Ethinylionol. Das nach partieller katalytischer Hydrierung mit gebremstem Katalysator entstehende Vinylionol wird nach Allyl-Umlagerung in Bromwasserstoffsäure über das d-Ionylidenbromethan mit Triphenylphosphan in das auskristallisierende C15-WITTIG-Salz übergeführt.

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42.3

Ausgewählte Terpen-Synthesen

943

Zur Synthese des C5-Acetats (Abb. 42.4) wird das durch Oxidation des Acetons zugängliche Dimethoxyaceton in Gegenwart von Natronlauge als Base zum 4,4-Dimethoxy-3-methyl-1-butin-3ol ethinyliert. Nach katalytischer Partialhydrierung bildet sich 4,4-Dimethoxy-3-methyl-1-buten-3ol als C5-Alkohol, der in Acetanhydrid zum C5-Acetalester umlagert. Die Freisetzung der Aldehyd-Funktion vor der WITTIG-Reaktion gelingt thermisch unter Kupfer(II)-Salz-Katalyse.

CARROLLReaktion 150-190 °C

+ H3 CO O

O

O

/ CH3 OH

HO

/ CO2

O

rac. Dehydrolinalool

C

O

O

Dehydrolinaloylacetoacetat H2 / Pd / C / CaCO3 + H

HO

C C H (NaOH)

O

H 2SO4

O d-Ionon

Ethinylionol

Pseudoionon

H2 / Pd / C / CaCO3

O

1.) + HBr, / H2O 2.) + P(C6H5)3

O

P(C6 H5)3 Br

HO

O H

Vinylionol

C15-Salz

C5-Acetat 2+

120 °C , Cu

H 3C O

+ H C C H (NaOH)

H O

H 3C O

H 3C O

H 3C O

Dimethoxyaceton

H2 / Pd / C / CaCO3

H OH

H 3C O

H

H 3C O

+ (CH 3CO) 2O

OH

H 3C O

H

/ CH 3CO2H

O H 3C O

C5-Alkohol

4,4-Dimethoxy-3-methyl-1-butin-3-ol

/ 2 CH3OH

O

C5-Ester

Abb. 42.4. Synthese des C15-Salzes und des C5-Acetats

Die WITTIG-Alkenylierung des C5-Acetats [(E)-4-Acetoxy-2-methylbut-2-enal] mit dem C15-Salz in Gegenwart einer Base zur Erzeugung des Ylids verläuft nahezu quantitativ. Das im Verleich zu Vitamin A-Alkohol (Retinol) stabilere Retinolacetat wird durch Umkristallisieren aus n-Hexan gereinigt. Das cis-Isomer verbleibt in der Mutterlauge und wird mit Iod in die gewünschte alltrans-Verbindung isomerisiert. O P(C6 H5 )3 Br

+

O

O H

C15-Salz

C5-Acetat

(Base) / HBr / O=P(C6H 5) 3

H O H

O

Vitamin-A-acetat (Retinolacetat)

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944

42 Terpene und Steroide

Eine intermolekulare MCMURRY-Reaktion des durch Oxidation von Retinol zugänglichen Retinals (Vitamin-A-Aldehyd) ergibt d-Caroten. H

H O

2

TiCl3, LiAlH4

H Vitamin-A-aldehyd (Retinal)

d-Caroten

42.4 Stammgerüste und Nomenklatur der Steroide Steroide sind aufgrund ihrer Biogenese Isoprenoide; ihre biogenetische Vorstufe ist das durch Cyclisierung des 2,3-Epoxysqualens über 3d-Hydroxydammar-24-en entstehende Triterpen Lanosterol, das zum bedeutendsten Steroid Cholesterol abgebaut wird (Abschn. 42.1.3 und 42.2.4). Tetracyclische Kernstruktur aller Steroide (Tab. 42.6) ist das bereits erwähnte Gonan (Abschn. 42.2.4, Tab. 42.3). Je nach Art der funktionellen Gruppen am Steroid-Gerüst (meist Ring A und D) unterscheidet man zwischen Sterolen (mit Hydroxy-Gruppen), Steronen (mit Oxo-Gruppen) und Gallensäuren (mit Carboxy-Gruppen). CC-Doppelbindungen können an verschiedenen Positionen auftreten. In Estranen (C18) mit meist benzoidem Ring A fehlt die Methyl-Gruppe an C-10, in Androstanen (C19) ist sie vorhanden; je nach Länge der Seitenkette an C-17 unterscheidet man zwischen Pregnanen (C21), Cholanen (C24), Cholestanen (C27), Ergostanen (C28) und Stigmastanen (C29, Tab. 42.6). Über die Zugehörigkeit zur 5c- oder 5d-Reihe entscheidet die Art der Verknüpfung, cisoder trans-, zwischen den Ringen A und B (Tab. 42.7, Modell: cis- und trans-Decalin, Abschn. 8.4.3). Grundsätzlich ist für jedes Ringpaar AB, BC und CD der gesättigten Steroide entweder eine trans- oder cis-Verknüpfung möglich. Tab. 42.7 skizziert die ingesamt 23 = 8 Verknüpfungsmöglichkeiten. In den meisten natürlichen Steroiden sind die Ringe trans-trans-trans-verknüpft. Gallensäuren enthalten cis-trans-trans- und Cardenolide cis-trans-cis-verknüpfte Ringe. Gemeinsam ist allen natürlichen Steroiden die BC-trans-Konfiguration. Oberhalb des Steroid-Ringsystems stehende angulare (lat. angulus = Winkel, Ecke) MethylGruppen, meist in 10- und 13-Stellung, bezeichnet man als d-ständig (ausgezogene Bindungsstriche), unterhalb angeordnete als c-ständig (gestrichelte Bindungsstriche). Bezugspunkt ist die angulare Methyl-Gruppe an C-10, d. h. Substituenten auf derselben Seite wie diese MethylGruppe sind d-, die anderen c-ständig. Die Bezifferung der C-Atome wird am Stigmastan-Skelett erläutert (Tab. 42.6), die Nomenklatur exemplarisch am Cholesterol (von griech. ejqng = Galle, uvgtqu = fest). Cholesterol (früher Cholesterin) mit der systematischen Bezeichnung 5-Cholesten-3d-ol besitzt acht Asymmetriezentren und könnte theoretisch 28 = 256 Stereoisomere (128 Enantiomerenpaare) bilden.

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42.5

Übersicht der Steroidwirkstoffe

945

Tab. 42.6. Stammgerüste der Steroide R3

R2 R1

H

R2

H

R1

R2 R1

H H

H

H

R3 H

R3

R3

H H

H

R2

H

R1 H

H

H

H

H

H

H

5c-Reihe

5d -Reihe

R1

R2

R3

5c-Gonan (früher Steran) 5d -Gonan

H

H

H

5c-Estran (früher Östran) 5d -Estran

H

CH3

H

5c-Androstan (früher Testan) 5d -Androstan (früher Ätiocholan)

CH3

CH3

H

5c-Pregnan (früher Allopregnan) 5d -Pregnan

CH3

CH3

C2H5

5c-Cholan (früher Allocholan) 5d -Cholan

CH3

CH3

CH(CH3) CH2 CH 2 CH 3

5c-Cholestan 5d -Cholestan (früher Koprostan)

CH3

CH3

CH(CH3) CH2 CH 2 CH 2 CH(CH 3)2

5c-Ergostan 5d -Ergostan

CH3

CH3

CH(CH3) CH2 CH 2 CH(CH3) CH(CH 3)2

5c-Stigmastan 5d -Stigmastan

CH3

CH3

CH(CH3) CH2 CH 2 CH(C 2H5) CH(CH 3)2

29 21 18 19 1 3

A 5

10

11 9

B

C

20 17

13

28

22

D

15

23

27

*

26

24 25

* *

7

HO Ringbezifferung des Stigmastans

H

* * *

*H * asymmetrische C-Atome 5-Cholesten-3d-ol (Cholesterol) *

H

5

42.5 Übersicht der Steroidwirkstoffe 42.5.1

Sterole

Sterole sind Hydroxysteroide, die früher als Sterine bezeichnet wurden. Stigmasterol (Tab. 42.8) ist z. B. ein Inhaltsstoff der Sojabohnen; von diesem auch in anderen Pflanzen auftretenden Phytosterol gehen die Partialsynthesen einiger Steroid-Hormone aus. Das in der Hefe vorkommende Ergosterol (Tab. 42.8) isomerisiert bei UV-Bestrahlung unter Öffnung seines Ringes A zum antirachitisch wirkenden Vitamin D2. Cholesterol (Tab. 42.8) wurde bereits 1769 in Gallensteinen entdeckt. Es findet sich in den Gefäßablagerungen bei Arteriosklerose und kommt in Eigelb, Butter, Hirn sowie Rückenmark in besonders großer Menge vor. Der menschliche Körper enthält durchschnittlich 250 g Cholesterol und nutzt es als Vorstufe aller Steroidhormone. Cholesterol ist zusammen mit den Phospholipiden ein Strukturbildner der Membran; es lagert sich fast ideal in die Monoschichten der Phospholipide ein.

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946

42 Terpene und Steroide

Tab. 42.7. Ringverknüpfungen der Steroide Verknüpfung zwischen den Ringen A/B

B/C

Stereoformel

C/D

Projektionsformeln

H

C

trans

trans

A

trans

C H

D

B

H B

A

H

H

H

D H

C A

D

B

H H H

cis

trans

trans

H H

H

H

H

H

H

trans

cis

H

trans

H

H H

H

H

H H

H

trans

trans

H

cis

H

H

cis

cis

trans

H

H

H H

H H

H

H

H

H H H H H

cis

trans

cis

H

H

H

H

H

H

trans

cis

cis

H H

H H

H

H

H

cis

cis

cis

H H

H

H

H

H

H H

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42.5

Übersicht der Steroidwirkstoffe

42.5.2

947

Gallensäuren

Cholesterol ist auch die Vorstufe der Gallensäuren. Prominentester Vertreter dieser Steroidcarbonsäuren mit 5d-Cholan-Grundskelett ist die Cholsäure (Tab. 42.8). Der systematisch als 3c,12c-Dihydroxy-5d-cholansäure bezeichneten Deoxycholsäure fehlt die Hydroxy-Gruppe an Ring B. Gallensäuren sind wie Tenside oberflächenaktiv und emulgieren Fette. Sie spielen daher eine wichtige Rolle bei der Verdauung (Lipase-Aktivierung und Resorption). In der Galle sind die Gallensäuren amidartig mit Glycin und Taurin (2-Aminoethansulfonsäure) verknüpft. Tab. 42.8. Biologisch wirksame Steroide Klasse Sterole

Ringverknüpfung

Projektionsformel

transtranstrans H H

Trivialname (syst. Bezeichnung)

Vorkommen

Funktion, Wirkung

Stigmasterol (5,22-Stigmastadien3d -ol)

Sojabohne, Mohrrübe, viele Pflanzen

Phytosterol

Ergosterol (5,7,22-Ergostatrien3d -ol, Provitamin D 2)

Hefe

Vitamin-D 2-Vorstufe

Vitamin D 2

Hefe

antirachitisch

Cholesterol (5-Cholesten-3 d -ol)

Hirn, Eidotter, alle Gewebe, Gallensteine

ZellmembranBaustein, SteroidhormonVorstufe

c-Ecdyson

Insekten (Seidenspinner)

Häutungshormon

Progesteron (4-Pregnen-3,20-dion)

Gelbkörper, Placenta bei Schwangerschaft

Gestagen (Antagonist der Estrogene)

Cortison (17c,21-Dihydroxy-4pregnen-3,11,20-trion)

Nebennierenrinde, Glykogenspeicherung, Blut, Urin Blutzuckererhöhung, entzündungshemmend, antiallergisch, antirheumatisch

H

HO

H

H

HO hp (UV)

H HO

H H

H

HO OH

OH HO H HO

Sterone

H

OH

O O

transtranstrans H H

H

O O O

OH H H

H

OH

O

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948

42 Terpene und Steroide

Tab. 42.8. Biologisch wirksame Steroide, Fortsetzung Ringverknüpfung

Klasse Sterone

Trivialname (syst. Bezeichnung)

Projektionsformel

Vorkommen

Funktion, Wirkung

Androsteron (3c-Hydroxy-5candrostan-17-on)

Hoden, Urin

Androgen, männliches Sexualhormon

Testosteron (17d-Hydroxy4-androsten-3-on)

Hoden, Urin

Androgen, männliches Sexualhormon

Estron (3-Hydroxy-1,3,5(10)estratrien-17-on

Ovarien, Urin

Estrogen, weibliches Sexualhormon

Ovarien, Urin

Estrogene, weibliche Sexualhormone

Cholsäure (3c,7c,12c-Trihydroxy5d-cholansäure)

Galle

Fettverdauung, Fettemulgator

R = CH3 : Digitoxigenin R' = H

als 3-Glycosid in Digitalis purpurea

R = CH=O : Strophantidin R' = OH

als 3-Glycosid in Strophanthus-Arten

O

R1 = CH3 , R2 = OCOCH3 : Bufotalin

Kröten

R2

R1 = CH=O, R2 = H : Hellebrigenin

Rhizom von Helleborus niger (Christrose)

O

transtranstrans

H H HO

H

H

OH H H

H

O O H H

H

HO

R = H : Estradiol (3,17d-Dihydroxy1,3,5(10)-estratrien

OH H H

R

R = OH : Estriol (3,16c,17d-Trihydroxy1,3,5(10)-estratrien)

H

HO

Gallensäuren

OH

cistranstrans

H H HO

Cardenolide

CO2H

H OH

H

O

O

cistranscis R

H H

HO

Cardenolide, Regulierung der Herztätigkeit

OH

R' O

Bufadienolide

R1

H H

HO

42.5.3

OH

Hautabwehrsekret

H

Steroidhormone

Corticosteroide (Pregnane) Die als Corticoide (von lat. cortex = Rinde) bekannten Nebennierenhormone mit Pregnan-Grundskelett C21 entstehen biosynthetisch aus Cholesterol C27 durch oxidative Abspaltung der Seitenkette an Ring D. Dabei bildet sich über Pregnenolon (3d-Hydroxy-5-pregnen-20-on) Progesteron, die

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950

42 Terpene und Steroide

Sexualhormone Steroid-Sexualhormone umfassen die weiblichen Gestagene mit Pregnan- (C21), die Estrogene mit Estran- (C18) sowie die männlichen Androgene mit 5c-Androstan-Grundskelett (C19). Peptidhormone regulieren Biosynthese und Sekretion der Steroidhormone. Estradiol ist neben Estron und Estriol (Tab. 42.8) der wichtigste Vertreter der Estrogene (Follikelhormone). Besonderes Merkmal der Estrogene ist der benzoide Ring A mit phenolischer und daher saurer Hydroxy-Gruppe an C-3 (Tab. 42.8). Während der Schwangerschaft verhindern die Gestagene (Schwangerschaftshormone) den Eisprung. Wichtigstes Gestagen ist Progesteron. Progesteron selbst ist allerdings als Ovulationshemmer per os appliziert unwirksam. Oral wirksame Ovulationshemmer (hormonale Kontrazeptiva) sind meist Kombinationspräparate aus synthetisch modifizierten Estrogenen und Gestagenen, z. B. 17c-Ethinylestradiol und Norgestrel. OH C C

OH H A

H

H

H

H

17c-Ethinylestradiol (chemisch modifiziertes Estrogen)

H

C

C

H

H

H

HO Estradiol (natürlich)

OH

H

D

HO

O

H

H

H

H

O

O Progesteron (natürlich)

Norgestrel (chemisch modifiziertes Gestagen)

Progesteron ist auch die Vorstufe der Androgene Androsteron einschließlich des besonders wirksamen Testosterons (Tab. 42.8). Derivate des 19-Nortestosterons werden als Anabolika eingesetzt. Die Konzentration der Steroidhormone im Blut ist sehr gering, und die Halbwertszeiten im Organismus sind kurz. Man weist sie durch biologische Methoden, gaschromatographisch oder durch Radioimmunoassay im Serum und Urin nach, woraus die Steroide auch isoliert werden können. Zwecks renaler Ausscheidung über die Niere werden sie zu den wasserlöslichen Steroid-3glucuroniden und 3-Hydrogensulfaten (Steroid-Konjugate) metabolisiert. Auch in Insekten können Steroide zusammen mit dem Juvenilhormon eine Hormonwirkung in Form der Metamorphose entfalten. Als erstes Häutungshormon wurde das c-Ecdyson (Tab. 42.8) aus dem Seidenspinner Bombyx mori aufgeklärt (BUTENANDT u. KARLSON, 1954). Insekten können Steroide nicht selbst aufbauen; sie überführen das mit der Nahrung aufgenommene Cholesterol enzymatisch in c-Ecdyson.

42.5.4

Herzglycoside

Einige herzaktive Steroid-Wirkstoffe wurden als Glycoside (Saponine) bzw. Aglyca (Sapogenine, Genine) aus Digitalis-Arten wie dem roten Fingerhut (Digitalis purpurea) bzw. aus StrophanthusArten oder Maiglöckchen (Convallaria) isoliert. Beispiele sind Digitoxigenin und Strophantidin (Tab. 42.8). Diese Aglyca gehören zur Untergruppe der Cardenolide C23 mit einfach ungesättigtem i-Lacton-Ring an C-17. Zur Isolierung der als Phytopharmaka eingesetzten Inhaltsstoffe werden die Pflanzen mit Petrolether entfettet, anschließend mit 50 - 70 proz. Ethanol oder Essigester extrahiert und die Wirkstoffe durch Säulen-Chromatographie an SiO2 bzw. Al2O3 getrennt. Cardenolide wirken positiv inotrop, d. h. sie stärken die Kontraktionskraft des insuffizienten Herzmuskels. Die toxische Wirkung überwiegt bereits ab 1.5-facher Überdosierung.

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42.5

Übersicht der Steroidwirkstoffe

951

Bufadienolide (Tab. 42.6) sind C24-Steroide mit zweifach ungesättigtem f-Lacton-Ring an C-17. Sie kommen teilweise verestert in Krötengift (lat. Bufo = Kröte) und in den Rhizomen der Christrosen (Helleborus niger) vor. Cardenolide und Bufadienolide stammen biosynthetisch vom Pregnenolon und Progesteron ab.

42.5.5

Steroidsaponine

Wie alle Saponine entfalten auch die als sekundäre Pflanzeninhaltststoffe häufig vorkommenden Steroid-Saponine eine stark oberflächenaktive Wirkung. Sie destabilisieren, im Gegensatz zum Cholesterol, die Lipidschichten und zerstören die Membranen der roten Blutkörperchen (Hämolyse). Viele Saponine wirken antibiotisch, antimykotisch und insektizid. Saponin-haltige Pflanzenteile wurden von Ureinwohnern als Waschmittel und zum Fischfang benutzt, weil Saponine "fischgiftig" sind. Gemeinsames Strukturmerkmal der meisten C27-Steroid-Sapogenine ist eine mit C-16 und C-17 verbundene Spiroketal-Gruppe (Ringe E und F) sowie eine 3d-Hydroxy-Funktion, die eine Zukker-Kette bindet (Monodesmoside). Seltener als diese hexacyclischen Spirostane sind die pentacyclischen Furostane, die einen zusätzlichen Zucker-Rest binden können (Bisdesmoside). Diosgenin, das Sapogenin (Hydrolysat) des Saponins Dioscin aus mexikanischen DioscoreaArten, dient als Rohstoff zur Partialsynthese von Progesteron und anderen Steroid-Hormonen. Tigonin, das 5,6-Dihydro-Derivat des Diosgenins, ist ein Aglycon der Digitalis-Saponine. Das u. a. zu Steroid-Fällungen angewandte Saponin-Gemisch "Digitonin" aus den Samen des roten Fingerhuts Digitalis purpurea enthält etwa 40 % Digitonin. Digitonin ist ein stark schaumbildendes Pentasaccharid-Glycosid mit Digitogenin als Aglycon. Es ist im Gegensatz zu den Cardenoliden aus Digitalis nicht herzwirksam. Dioscin (Saponin, Glycosid)

HO CH3 HO

O

c-L-Rhamnopyranose

HO

E

OH

4

O HO

H O

d-D-Glucopyranose

A

2 1

c-L-Rhamnopyranose

O

H

D

O

H

H

O

H

F

O

17

Hydrolyse

H

/"2""c-L-Rhamnose "/"d-D-Glucose 3

H

16

O

H

H

HO Diosgenin (Sapogenin, Aglycon) Kurzschreibweise:

O OH H3C HO

O

H

1

OH

1/3

1/4

c-L-Rha/d-D/Glc/Diosgenin

O

H

2/1

c-L-Rha

O

H

HO H

H

OH

HO

H Digitogenin (Aglycon des Digitonins)

42.5.6

Steroidalkaloide

Steroidalkaloide sind biogenetisch vom Cholesterol abstammende, sekundäre Inhaltsstoffe einiger Pflanzen mit Cholestan-(C27)- oder Pregnan-(C21)-Grundskelett. Man unterscheidet die Aminosteroide mit Amino-Funktionen und die Azasteroide mit Stickstoff-Heterocyclen (Pyrrolidin, Piperidin, Indolizidin), welche die terpenoide Seitenkette an Ring D des Gonan-Grundskeletts enthalten.

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952

42 Terpene und Steroide

Holarrhimin aus Holarrhena-Arten ist z. B. ein Aminosteroid, exakt 3d,20-Diamino-5-pregnen, während das gegen Amöben wirksame Conessin aus derselben Pflanzenfamilie zugleich ein Amino- und Azasteroid der Pregnan-Reihe verkörpert. H3C HO

H2N

N H H

H H H2N

H

H (H3C)2N

(/)-Holarrhimin

H

(/)-Conessin

Azasteroide mit Cholestan-Grundskelett treten als Glycoside in Kartoffeln und Tomaten (Nachtschattengewächse, Solanaceae) auf. Blätter und unreife Früchte der Tomate und Kartoffel enthalten z. B. das insektizid wirkende Solanin (Saponin, Glycosid), während das zugehörige Aglycon Solanidin (Sapogenin) in den Kartoffelknollen und Trieben vorkommt. Dessen Dihydro-Derivat Demissidin soll die Wildkartoffel vor dem Kartoffelkäfer als Fraßfeind schützen. Solasodin und sein Dihydroderivat Tomatidin sind spirocyclische Aglyca der Saponine in den Blättern und unreifen Früchten der Wildtomate Solanum marginatum, die zwecks Gewinnung des Solasodins als Alternativ-Edukt zur Partialsynthese von Steroidwirkstoffen kultiviert wird. (/)-Solanidin (Sapogenin, Aglycon) H

H

d-D-Galactopyranose OH OH

HO O d-D-Glucopyranose

N

H H

(/)-Solanin (Saponin, Glycosid)

OH

HO

1

OH

2 1

H H

O

H

3

H3C HO

H

H

O Kurzschreibweise:

OH

N H

1

c-L-Rhamnopyranose O

H

H

HO

O

3

HO H

N

H

O

H

H

H

H

OH

1/3

1/3

d-D-Glc /d-D/Gal/Solanidin 2/1

c-L-Rha

H

(/)-Demissidin

H

H

-

O

H H

N

H

H

H

H

HO

H HO

(/)-Solasodin

N O H

H

H

H

(/)-Tomatidin

42.6 Exemplarische Steroidsynthese Viele natürliche Steroide wurden wegen ihrer Wirkungen durch Partial- oder Totalsynthese hergestellt. Eine r-Komplex-katalysierte Estrogen-Synthese wurde bereits in Abschn. 31.7.3 beschrieben. Abb. 42.6 skizziert eine gut nachvollziehbare Totalsynthese des racemischen Estrons 11 aus

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6-Methoxytetralon 1, das in der ersten Stufe ethinyliert wird. Katalytische Hydrierung des Alkinols 2 ergibt den Allylalkohol 3. Erhitzen in Chinolin dehydratisiert zum 1,3-Dien 4. Das 1,3-Dien cycloaddiert nach DIELS-ALDER mit p-Benzochinon als Dienophil zum tetracyclischen Cyclohexen-1,4-dion 5. Nach Reduktion der elektronenarmen CC-Doppelbindung und Schutz einer Carbonyl-Funktion als Dimethylketal wird die in 6 ungeschützte Keto-Funktion durch WOLFFKISHNER-Reduktion beseitigt und die geschützte Keto-Funktion wieder freigelegt. Die KNOEVENAGEL-Alkenylierung des resultierendenden Monoketons 7 mit Furan-2-aldehyd führt zum Enon 8, das anschließend am aciden CH in c-Stellung zur Carbonyl-Funktion methyliert wird. Die Oxidation spaltet das Enon 9 zur tricyclischen Dicarbonsäure 10, die thermisch zum racemischen Estron 11 nach dem Prinzip der DIECKMANN-Kondensation cyclodehydratisiert und decarboxyliert. Die Racemattrennung gelingt über diastereomere Ester mit (+)-Menthoxyacetylchlorid.

H

HO

O

HO

a

H

b

H 3CO

c

H 3CO

H3CO

1

d

H H3CO

H3CO

2

O

3

4

O

5 e

H

O

O H H

H

H

H

g

H

f

H

H H 3CO

H3CO OCH3

O

H3CO

8

H H3CO

7

O

6

h

O

O

O H

H

H

i

H H 3CO

H H3CO

9

O OH

H

H

j

CO2H

H H3CO

10

H

11

O

a) Li , H C C H

b) H 2 / Pd / C

c) Chinolin, Hitze

d)

e) 1. Zn / CH3CO2H ; 2. CH3OH / CH 3CO2H O

/

+

f) N2H4 , OH , Hitze, H3O

H , OH

g)

/

h) CH 3I / (CH3)2CO

/

i) 1. H 2O2 / OH ; 2. H 2 / Pd / C

+

/

j) PbCO3, 300°C ,C 6H 5NH 3 Cl

O O

Abb. 42.6. Totalsynthese des racemischen Estrons

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Kurzbibliographie Alkaloide E. BREITMAIER, Alkaloide / Betäubungsmittel, Halluzinogene und andere Wirkstoffe, Leitstrukturen aus der Natur, 2. Aufl., B. G. Teubner, Stuttgart, Leipzig, Wiesbaden 2002 M. HESSE, Alkaloide / Fluch oder Segen der Natur, Wiley-VCh, Weinheim, 2000 J. W. SOUTHON, J. BUCKINGHAM (Hrsg.), Dictionary of Alkaloids, Chapmann & Hall, London, New York, Tokyo, Melbourne, Madras, 1988

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Namen-Reaktionen T. LAUE, A. PLAGENS, Namen- und Schlagwort-Reaktionen der Organischen Chemie, 4. Aufl., B. G. Teubner, Stuttgart, Leipzig, Wiesbaden, 2004; Named Organic Reactions, Wiley, Chichester, 2005

Nomenklatur D. HELLWINKEL, Die systematische Nomenklatur der organischen Chemie, 4. Aufl., Springer, Berlin, Heidelberg, 1998

Nucleoside, Nucleotide, Nucleinsäuren M. V. KISAKÜREK, H. ROSEMEYER (Hrsg.), Perspectives in Nucleoside and Nucleic Acid Chemistry, WileyVCh, Weinheim, 2000 E. L. WINNACKER, Gene und Klone / Eine Einführung in die Gentechnologie, VCh, Weinheim, 1985 W. SAENGER, Principles of Nucleic Acid Structures, Springer Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, 1983

Optische Aktivität S. F. MASON, Molecular Optical Activity and the Chiral Discriminations, Cambridge University Press, Cambridge, 1982

Organometall-Verbindungen und Katalysatoren A. DE MEIJERE, F. DIEDERICH, Metal-catalyzed Cross-coupling Reactions, Wiley-VCh, Weinheim, 2004 M. SCHLOSSER (Hrsg.), Organometallics in Synthesis, 2. Aufl., Wiley, Chichester, 2004 C. ELSCHENBROICH, A. SALZER, Organometallchemie, 4. Aufl., B. G. Teubner, Stuttgart, Wiesbaden 2003 N. KRAUSE, Metallorganische Chemie, Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg, Berlin, Oxford, 1996

Peptide, Proteine M. GOODMAN, A. FELIX, L. MORODER, C. TONIOLO (Hrsg.), HOUBEN-WEYL, Bd. 22 a-e, Synthesis of Peptides and Peptidomimetics, Georg Thieme, Stuttgart, 2004 N. SEEWALD, H. D. JAKUBKE, Peptides: Chemistry and Biology, Wiley-VCh, Weinheim, 2002 G. E. SCHULTZ, R. H. SCHIRMER, Principles of Protein Structure, Springer, Berlin, Heidelberg, New York, 1979 R. E. DICKERSON, I. GEIS, Struktur und Funktion der Proteine, Verlag Chemie, Weinheim, 1971

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Polymere M. BRAHM, Polymerchemie kompakt – Grundlagen – Struktur der Makromoleküle – Technisch wichtige Polymere und Reaktivsysteme, S. Hirzel, Stuttgart, Leipzig 2004 B. VOLLMERT, Grundriß der Makromolekularen Chemie, 2. Aufl., Springer, Berlin, Heidelberg, New York, 1980

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Stereochemie E. ELIEL, S. H. WILLEN, Basic Organic Stereochemistry, Wiley-VCh, Weinheim, 2001 H. B. KAGAN (Hrsg.), Stereochemie, Bd. 1-4, Georg Thieme, Stuttgart, 1977

Steroide R. A. HILL (Hrsg.), Dictionary of Steroids, Chapmann & Hall, London, New York, Tokyo, Melbourne, Madras, 1991

Strukturaufklärung M. HESSE, H. MEIER, B. ZEEH, Spektroskopische Methoden in der Organischen Chemie, 7. Aufl., Georg Thieme, Stuttgart, 2005 E. BREITMAIER, Vom NMR-Spektrum zur Strukturformel organischer Verbindungen, 3. Aufl., Wiley-VCh, Weinheim, 2005; Structure Elucidation by NMR in Organic Chemistry, 3. Aufl., Wiley, Chichester, 2002 H. FRIEBOLIN, Ein- und zweidimensionale NMR-Spektroskopie / Eine Einführung, 3. Aufl., Wiley-VCh, Weinheim, 1999; Basic One- and Two-Dimensional NMR Spectroscopy, 4. Aufl., Wiley-VCh, Weinheim, 2004 H. BUDZIKIEWICZ, Massenspektrometrie / Eine Einführung, 4. Aufl., Wiley-VCh, Weinheim, 1999 B. SCHRADER, Infrared and Raman Spectroscopy / Methods and Applications, VCh, Weinheim, 1994 M. KLESSINGER, J. MICHL, Lichtabsorption und Photochemie organischer Moleküle, VCh, Weinheim, 1989

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Terpene E. BREITMAIER, Terpene / Aromen, Düfte, Pharmaka, Pheromone, 2. Aufl., Wiley-VCh, Weinheim, 2005 J. D. CONOLLY, R. A. HILL (Hrsg.), Dictionary of Terpenes, Vol. 1-3, Chapmann & Hall, London, New York, Tokyo, Melbourne, Madras, 1991

Wirkstoffe M. J. O´NEIL (und andere Hrsg.), The MERCK-Index, An Encyclopedia of Chemicals, Drugs, and Biologicals, 13. Aufl., MERCK & Co., Inc., Whitehouse Station, N.J., 2001 A. GRINGAUX, Introduction to Medicinal Chemistry / How Drugs Act and Why, Wiley-VCh, Weinheim, 1996

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Sachregister

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Sachregister

Sachregister A Abbruchreaktionen der Photohalogenierung 42

Abgangsgruppe (Nucleofug) 71, 198 Abgas-Entgiftung durch Katalysatoren 33

Abietan(e) 931 Abietinsäure 932 ABS 920 Abschirmung(s) (NMR) 496 feld 496, 498

Abscisinsäure 929 Absorption(s) 476 banden 476 koeffizient 476

Acetaldehyd 93, 307 Synthese 239

Acetale 320, 847 Darstellung 313 Massenspektren 542

Acetamid 282 N,N-Dimethyl- 383 NMR, 1H- 504

Acetanhydrid Trifluor- 276 zur PERKIN-Reaktion 270

Acetanilid 387 Acetat-Seide 875 Acetessigester aus Diketen 300 Darstellung 286 Enol-Gehalt 304 Keto-Enol-Tautomerie 286 Natrium-Salz 302 Oxo-Enol-Tautomerie 303 Spaltung 303

Acetoacetyl-CoA 924 Acetolyse 198 Aceton 308 dinitrophenylhydrazon, -2,4- 323 Enol-Gehalt 304 HOCK-Synthese 345 Pyrolyse 300 UV-Spektrum 476

Acetonitril 278

Acetonylaceton 308 Acetophenon 308 Acetylamino-, p- 387 Darstellung 159 Dihydroxy-, 2,4- 318 Hydroxy-, p- 351

Acetylaceton 308 Enol-Gehalt 304, 498 Hexafluor- 618 NMR, 1H- 502 Keto-Enol-Tautomerie 339, 340 Metallchelate 615 NMR, 1H- 498

Acetylacetonate 340 Acetyl-CoA Siehe AcetylCoenzym A Acetyl-Coenzym A 416, 924 Acetylen Siehe Ethin -dicarbonsäurediester 112 Heterocyclisierung 649

Acetylessigsäureethylester Siehe Acetessigester Acetylnaphthalen, 1- und 2- 179 Acetylsalicylsäure (ASS) 350 Acidität, CHdes Cyclopentadiens 572 terminaler Alkine 91 Acidität, c-CHvon Carbonsäureestern 284 von Malonsäurestern 284 von Methyl-Gruppen 665, 692, 697, 704

Aconitsäure 826 Acridin(e) 681 Farbstoffe 726

Acridiniumgelb 726 Acridon(e) 681 Farbstoffe 734

Acrolein 307 3-Amino- 665 NMR, 1H- 523 3-Ethoxy-2-methylNMR, 1H- und 13C- 531 Dimerisierung 625

Acrylamide zur Reaktiv-Färbung 716

aus Oxiran 239 NMR, 1H- 523

Acrylsäure 262 Acylamino- 780 chlorid 276 ester 94

ACTH 812 Actinocin 816 Actinomycin(e) 727, 816 AcylGruppe 159, 264 Schutzgruppe 800, 863

Acylcarbene 441, 444 Acylhalogenide 276 Acylharnstoffe Siehe Ureide Acylierung des Benzens 141, 159 des Naphtalens 178 von Malonsäurediestern 302

Acylium-Ionen 159 Acylnitrene 374, 442 Acyloine Heterocyclisierung 648 Synthese 115, 628

Acylphenole, o- und p- 449 Adamantan 1-Chlor- 203 Synthese 118

AdamantoylSchutzgruppe 863

Additionen, elektrophile 187 an 1,3-Diene 1,2- und 1,4- 87, 188 an Alkene 64, 78 an Alkenylbenzene 147 an Alkine 93, 188

Additionen, nucleophile 285, 369 an benzokondensierte Sechsring-Heteroaromaten 694 an Carbonyl-Verbindungen 327, 331 an Pteridine 703

Additionen, radikalische 66, 88 an Alkenylbenzene 148

Acrylnitril 94

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958

Adenin 879 pK-Werte 885 Synthese 700

Adenosin 879, 883 -diphosphat 880 Methyl-, 1-, 2- und 7- 890 -monophosphat 879 -triphosphat 569, 883

Adipinsäure 262, 267 aus Cyclohexanon 267 -polyamide 752

Adjuvantien 914 ADP 880 Adrenalin 835 Aflatoxine 683 Aglykon, Aglyka 859, 933 Aktivester 799 der Proteinbiosynthese 893 HOBt- 799

Aktivierungsenergie 43, 154, 160, 162 bei enantioselektiven Reaktionen 258 Senkung durch Katalyse 61

Aktivierungsenthalpie freie molare aus NMR-Daten 506

Alamethicin 816 Alanin 294, 770, 773 absolute Konfiguration 770 Racemattrennung 252, 781

Alaninol 831 Alanylvalin Dipeptid-Synthese 799

Aldarsäuren Siehe Arsäuren Aldehyde 305 Acetalisierung 320 Alkenylierung 60, 327 Alkinylierung 333 Alkylierung 327 aus Acetalen 312 aus Alkenen 312 aus Carbonsäurehalogeniden 280 aus Diolen 312 aus Halogenalkanen 603 aus c-Hydroxycarbonsäuren 297 aus c-Oxosäuren 301 Bildung von Iminen 322 Bisulfit-Addition 322 Darstellung 309 Disproportionierung 326 durch Formylierung 313 durch NEF-Reaktion 311 durch Oxidation 309 mit DMSO 419

Sachregister

durch Reduktion 311 Homologisierung 333, 392 Hydrate 308 Hydratisierung 320 Hydroxy-, cdurch Cyanhydrin-Synthese 330 NMR, 1H-Verschiebung 499 Nomenklatur 305 Oxidation 336 Photoadditionen 561 physikalische Eigenschaften 308 Reaktionen 319 Reduktion 325, 337

Aldehyd-Keton-Isomerisierung 443 Alditole Siehe Polyole Aldofuranosen 849 Aldohexosen 842 Konfiguration 845

Aldol-Kondensation 329 Aldol-Reaktion 329, 335 gerichtete 330

Aldonsäuren Siehe Onsäuren Aldopyranosen 849 Aldosen 842 Alizarin 732, 733 Alkaloide 826 Amid- und Lactam- 836 Aporphin- und Proaporphin- 833 Berbin- 832 Bisbenzylisochinolin- 832 Carbazol- 830 Carbolin-, d- 830 China- 835 Chinolin- 834 Chinolizidin-, Indolizidin-, Pyrrolizidin- 829 Cyclopeptid- 836 Definition 826 Diterpen- 932 Indol- 829 IsochinolinBenzyl- 831 Isolierung 826 Morphinan- 833 Mutterkorn- 831 nicht heterocyclische 835 Phenylethylamin- 835 Phthalidisochinolin- 832 Piperidin-, Pyrrolidin- 827 Pyridin- 827 Steroid- 951 Strychnos- 830 Synthesen 839 Tropan- 827 Tryptamin- 829

Alkane 24 als Energieträger 37 aus Alkenen 34 aus Erdgas, Erdöl, Kohle 32 aus GRIGNARD-Verbindungen 36 aus Halogenalkanen 34 Cracking 85 Darstellung 34 durch KOLBE-Elektrolyse 36 Fluorierung 190 Formelschreibweise 24 homologe Reihe 24 industrielle Gewinnung 33 IUPAC-Nomenklatur 27 Konstitutionsisomere 26 Löslichkeit 30 Massenspektren 540 Molekülbau 30 n- und iso- 26 Trennung 30 Nitrierung 40 Photosulfochlorierung 40 physikalische Eigenschaften 29 Reaktionen 36 Schmelz- und Siedepunkte 29 Verbrennung 37 Verbrennungswärmen 37 verzweigte, Autoxidation 38 verzweigte, unverzweigte 26 WURTZ-Synthese 35

Alkanolate 221 Alkansäuren 260 Alkansulfonsäurechloride 51 Darstellung 40

Alkene 53 Additionen 61 aus 1,2-Dihalogenalkanen 59 aus 1,2-Diolen 438 aus Alkanen 57 aus Alkinen 57 aus Alkoholen 58 aus Carbonyl-Verbindungen 60 aus Halogenalkanen 59 aus Sulfonen 421 aus Thioethern 414 Cycloaddition, [2+2]- 69 Darstellung 57 Dihalogen-, 1,2- 254 Dihydroxylierungen cis- und trans- 65 Dimerisierung 69 Dipolmomente 56 durch HOFMANN-Eliminierung 386 durch TSCHUGAJEFF-Reaktion 409 durch WITTIG-Alkenylierung 328 durch d-Eliminierungen 58 Halogenierung 63

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Sachregister

homologe Reihe 53 Hydratisierung 64, 214 Hydrierwärmen 62 Hydroborierung 63, 215 Hydrohalogenierung 64 IR-Absorption 488, 489 Isomere (Z)- / (E)-, cis- / trans- 56 IUPAC-Nomenklatur 53 katalytische Hydrierung 34 Konfigurationsisomere 55 Beispiele 56 Konstitutionsisomere 53 Kopplungskonstanten, HH- 515 Metathese 69, 747 Molekülgeometrie 54 Molekülorbital-Modell 54 NMR, 1H-Verschiebung 499 Ozonolyse 66 PATERNO-BÜCHI-Reaktion 562, 624 Photohydrierung 566 Polymerisation 70 radikalische Addition 66 radikalische Substitution 67 Reaktionen 61 Schmelz- und Siedepunkte 56 substituierte durch HECK-Reaktion 68

Alken-Metathese 69, 114, 622, 747 Alkensäuren 260 Alkenylallylether Oxa-COPE-Umlagerung 237

Alkenylbenzene 146 Reaktionen 147 Reduktion 142 ringsubstituierte Synthese 148 Synthese 146, 147

Alkenylether Darstellung 234

Alkenyl-Gruppen 54 Alkine 89 aus Dihalogenalkanen 90 aus Tetrahalogenalkanen, 1,1,2,2- 91 cis-Hydrierung 57 Cyclotetramerisierung 95 Cyclotrimerisierung 95, 142 Eigenschaften 89 Halogenierung 92 homologe Reihe 89 Hydroborierung 92 Hydrocyanierung 94 Hydrohalogenierung 93 IR- und RAMAN-Spektren 493 IUPAC-Nomenklatur 89 Konstitutionsisomere 89

959

Molekülgeometrie 89 Naturstoffe 97 oxidative Spaltung 97 partielle Hydrierung 92 Reduktion 92 Synthesen 90 terminale als CH-Säuren 91 NMR, 1H-Verschiebung 499 oxidative Kupplung 97 Trimethylsilyl- 607

Alkinole 94, 333 Alkinsäuren 260 Herstellung 266

Alkinylbenzene Synthese 148

Alkinylide 91, 332 Alkinylierung von Carbonyl-Verbindungen 333, 953 von Halogenalkanen 91

Alkoholate 221 Alkohole 210 Acidität 349 als LEWIS-Basen 220 als Säuren 221 aus Alkenen 64, 214 aus Carbonyl-Verbindungen 217 aus GRIGNARD-Verbindungen 217 aus Halogenalkanen 218 aus Oxiranen (Epoxiden) 218 aus Trialkylboranen 216 Dehydratisierung 58, 225 Dehydratisierungstendenz 226 Dinitrobenzoate, 3,5- 223, 279 Enantiomere Inversion 396 Identifizierung 432 IUPAC-Nomenklatur 210 Nitroso-, i- 556 nucleophile Substitutionen 223 Oxidation 221 primäre aus Aldehyden 216 aus Carbonsäure-Derivaten 275 aus Carbonsäureestern 283 Oxidation 221, 267, 310 primäre, sekundäre, tertiäre 210 aus Aldehyden und Ketonen 327 aus Alkylmagnesiumhalogeniden 327 racemische Trennung 252 sekundäre aus Ketonen 217, 326

Oxidation 222, 316 Siedepunkte 212 tertiäre aus Carbonsäureestern 283 Veresterung 222 Wasserlöslichkeit 212 Wasserstoffbrücken 212

Alkoholintoxikation 214 alkoholische Gärung 214 Alkoxide 221 Alkylammonium-Salze 380 Alkylarylketone WILLGERODT-KINDLERReaktion 337

Alkylbenzene 138 aus Alkinen 142 aus Halogenbenzenen 142 Darstellung 142 Hydrierung 145 Kern-Substitution 143 Seitenketten-Oxidation 145 Seitenketten-Substitution 143 Synthesen 138 WURTZ-FITTIG-Synthese 153

Alkyl-Gruppen Beispiele 28 Nomenklatur 28 primäre, sekundäre, tertiäre 27

Alkylhalogenide Siehe Halogenalkane Alkylhydrogensulfate 64 Alkylhydroperoxide 38 Alkylierung C- 284, 302, 340 diastereospezifische 788 Nerschöpfende 384 O- 232 S- 412

Alkylierungsmittel 158 Alkyllithium-Verbindungen 598 Carboxylierung 600

Alkylmagnesiumhalogenide 34, 196, 313, 327 Carboxylierung 266 Komplexierung durch Ether 236 Reaktion mit Estern 283 zur Darst. von Alkoholen 217 zur Darst. von Thiolen 407

Alkyloxonium-Salze 221 Alkyl-Radikale relative Stabilität 49

Alkylsulfate n- und sekals Detergentien 920

Alkylsulfonate als Detergentien 920

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960

Alkyl-Verschiebungen anionotrope 1,2- 75, 441 kationotrope 1,2- 447

Alkylzinkhalogenide 295 REFORMATSKY-Reaktion 601

Allen(e) Darstellung 86 Enantiomere 249

Allose 843 aus Glucose 866

Allosterie 825 Allylalkohol(e) 208 enantioselektive Epoxidation 257

Allylbromide 189 Allylchlorid(e) 1-Chlor-2-propen Hydrolyse 208 c,c-DimethylSolvolyse 208

Allyl-Gruppe 54 Allylhalogenide 67, 186 Allyl-Kation 208 Allylphenol, o- 237, 452 Allylphenylether CLAISEN-Umlagerung 237, 452

Allyl-Radikale 67, 451, 466 mesomeriestabilisierte 189

Allylsilane SAKURAI-Reaktion 609

Allylvinylether Oxa-COPE-Umlagerung 452

Allyl-r-Komplexe 611 Aloe 735 Altrose 843 AMADORI-Umlagerung 862 Amanitin, c- 818 Amberlite 762 ambidente Reaktionen 296 Ameisensäure 262 als Reduktionsmittel 373 Herstellung 264

Amide 264 Amid-Mesomerie 504, 641 transannulare 631

Amidrazon(e) 711 Amine 367 aus Alkenen 368 aus Ammoniak 367 aus Carbonsäureamiden 371 aus Carbonyl-Verbindungen 372 aus Halogenalkanen 367 aus Nitro-Verbindungen 370 aus Oxiranen 369 Basizität 377 Substituenteneinflüsse 379

Sachregister

biogene 836 cyclische 620 Synthese 623 Darstellung 367 Di-, Tri-, Poly- 361 Diazotierung 380 durch Additionen 368 durch reduktive Aminierung 372 Enantiomere 364 Geruch 367 Inversion 364 Konstitutionsbestimmung 386 Molekülgeometrie 363 Molekülorbital-Modell 363 N-Alkylierung 384 N-Halogenierung 382 Nomenklatur 361 Phthaloyl- 368 physikalische Eigenschaften 365 Pikrate 380 primäre aus Nitrilen 371 aus Oximen 371 durch DELÉPINE-Reaktion 367 durch GABRIEL-Synthese 368 durch Reduktion 370 durch Umlagerungen 373 IR-Absorption 487 Phosgenierung 430 primäre und sekundäre N-Acylierung 383 primäre, sekundäre, tertiäre 361 durch reduktive Aminierung 372 Reaktionen 380 tertiäre N-Oxidation 381 Wasserstoffbrücken 365

Aminierung nucleophile 689

Amin-N-oxide 381 COPE-Eliminierung 386 Enantiomere 248, 365

Aminoacylasen. zur Racemattrennung 782

Aminoalkohole 787 Aminoalkylierung, dCH-acider Verbindungen 335

Aminoethanol aus Oxiran 239

Amino-Gruppe

(-)-M-Effekt 135

Aminoguanidin 436 Aminolipide 899 Aminolyse 198 Aminonaphtholrot 713

Aminoplaste 753 Aminosäuren 405 Abbaureaktionen 787 absolute Konfiguration 770 -Analyse 773 Dansyl- 775, 809 Derivate als chirale Auxiliare 788 Dinitrophenyl-, 2,4- 775, 809 Dissoziationsgleichgewichte 771 enantioselektive Synthese 258 essentielle 770 in Peptid-Alkaloiden 836 Komplexierung 784 mehrfunktionelle 773 N-Acylierung 786 N-Alkylierung und Arylierung 785 N-Trifluoracetyl- 775 n-butylester 776 physikalische Eigenschaften 773 Protein- 768 Racemattrennungen 252, 781 Reaktionen 783 Reduktion 787 ribosylester, -3´- 893 Schutzgruppen 800 Sequenz 789 Synthesen 776 enantioselektive 780 Trennung 773 Trifluoracetylierung 786 Veresterung 784 Zwitterionen 772

Aminosteroide 951 Aminozucker 844, 861, 866, 868 Ammoniak Alkylierung 368 Molekülgeometrie 18

Ammonium-iodid Diethyldimethyl- 384

Ammonium-Ionen quartäre 384 Umlagerungen 448, 450

Ammonolyse 198 amorph 22 AMP Siehe Adenosinmonophosphat Amphetamine 835 amphi- 175 Ampholyte 768, 921 Amylopektin Struktur 876

Amylose Struktur 875

Anabasin 827 Anabolika 950 Androgene 950

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Sachregister

Androstan(e) 944 Androsteron 950 Angelicasäure 926 Angiotensine 815 Anilin(e) 362, 367

(-)-M-Effekt 135 aus Halogenaromaten 168, 368 aus Nitrobenzen 370 Azo-Kupplung 402 Brom-, p- 427 Desaminierung 151 Diazotierung 397 Dimethyl-, N,N- 367 Azo-Kupplung 403 Nitrosierung 381 elektrophile Substitutionen 387 Ethoxy-2-nitro-, 41H-NMR 520 Fluor-, m- 371 Mesomerie und Basizität 378 Methyl-, N- 367 Methyl-N-nitroso-, N- 381 Nitrierung 161 Nitro-, o-, m-, p- 161, 387 Nitroso-, p- 450 zur Chinolin-Synthese 679

Anilinium-Salze 380 Anionen-Aktivierung 630 Anionenaustauscher 762 Anionotropie 75, 441 Anisol 232 m-Amino- 174

Anisotropieeffekte (NMR) 499 Annulen(e) 126 [10]- 583 1,6-Methano- 583 überbrückte 583 [14]Dihydrotetraaza- 617, 618 Pyren-und Anthracen-Typ 584 überbrückte 584 [16]Tetrabenzotetraaza- 618 [18]- 586 Diaza- 736 NMR, 1H-Verschiebung 500 Polyaza- 736 [n]- 582 Aza[10]-, überbrückte 708 Aza[17]- 707 heteroüberbrückte 587 Oxa[17]- 707 Anomere, c- und d- 849

anomerer Effekt 852 Anomerisierungen 849, 860 Ansa-Verbindungen 233

961

Antamanid 819 antarafacial 460, 466 Anthanthron 734 Anthocyanidine 684, 721 Anthracen 126, 175 Benzo[b]- 175 Brom-, 9- 181 Cycloadditionen, [4+2]- 182 Diphenyl-,9,10- 569 -epidioxide 565 Photodimerisierung 563 Reaktionen 180

Anthrachinon(e), 9,10- 181, 356 Amino- 732 Farbstoffe 728 Lichtabsorption 728 Synthesen 730 natürlicher Herkunft 735 Polyhydroxy- 732 substituierte Synthesen 732 Synthese 182, 358, 730

Anthranilsäure 371 Antiaromatizität 589 Antibiotika 835 Peptid- 816

Anticodon(s) 892 Antiklopfmittel 33, 594 anti-MARKOWNIKOW-Produkte 187 Antioxidantien 38, 907, 938 Apamin 819 Äpfelsäure 290, 826 Apiose 869 äquatoriale Substituenten am Cyclohexan 104

Äquivalenz chemische und magnetische 517

Arabinose 843 Homologisierung 855

Arachidonsäure 903 Arachinsäure 902 ARBUZOV-MICHAELIS-Reaktion 328 Arecolin 827 Arencarbonsäuren 260 Arene 128 aus Alkanen 130 aus Erdöl 129 aus Steinkohlenteer 129 Lichtabsorption 479 polycyclische 126, 175 Sulfochlorierung 425

Arenoxide 130 Arginin 770

Arine Abfangreaktionen 173 Zwischenstufen 172, 555

Arin-Mechanismus nucleophiler Substitutionen 172, 174, 346

ARNDT-EISTERT-Homologisierung der Carbonsäuren 269, 394

Arnika 930 Aromadendran(e) 930 Aromastoffe Hopfen 929 Pfefferminz 927

Aromaten Aza- 632 benzoide 126, 128 Nomenklatur 128 Umlagerungen 449 Hetero- 127, 632 kondensierte 126, 175 aus Erdöl 178 aus Steinkohlenteer 178 carcinogene 178 Reaktionen 178 nicht benzoide 126, 570 Verschiebungen 1H- und 13C- 580 polycyclische 126

Aromatisierung Photo- 564

Aromatizität 122, 570 Aromatizitätskriterien 126 NMR, 1H- 500

Aroxyl-Radikale 352 ARRHENIUS-Gleichung 46 Arsäuren 857, 858, 865 Lactone 858

Artabsin 930 Arylazide aus Aryldiazonium-Salzen 400

Arylazo-Gruppe 397 Arylcyanide 427 Aryldiazonium-Halogenide Mercurierung 398 SANDMEYER-Reaktion 397

Aryldiazonium-Ionen als Elektrophile 401 Mesomerie 397

Aryldiazonium-Salze Azo-Kupplung 401, 711 durch Diazotierung 397 ionische Spaltung 399 radikalische Spaltung 397 Reduktion 400 Verkochung 399

Arylendiamine 362

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962

Arylhalogenide 185 Eigenschaften 149

Arylhydrazine aus Aryldiazonium-Salzen 401

Aryl-Kationen 399 Arylmagnesiumhalogenide 153 Arylmethyl-Radikale 145 Aryl-Radikale 399 Ascaridol Darstellung 565

Ascorbinsäure 869 Synthese 870

Asparagin 770 -säure 770

Asphalt 33 Aspirin (ASS) 350 Astaxanthin 935 Asteran 118 Astraphloxin 718, 719 Astrazonrot 718 asymmetrische C-Atome 240 in Polymeren 758

asymmetrische Heteroatome 248 ataktisch 757 ätherische Öle Siehe etherische Öle Atomabstände 8, 524 Atomorbitale 2 Besetzung 4 entartete 4 Hybridisierung 9 Überlappung 5

ATP 883, 925 Atropin 828 Atropisomerie 249 Aufenthaltswahrscheinlichkeit des Elektrons 2

Aufheller, optische 712 Aufspaltungsregeln (NMR) 510 Auramin T 724 Aureomycin 735 Autoxidation verzweigter Alkane 38 von Ethern 236

Auxiliare chirale 258, 788

Auxochrome 477, 710 Verteilungssatz der 729

Axerophthen 931 axiale Substituenten am Cyclohexan 104

Azaferrocen 658 Azasteroide 951 Azelainsäure 262

Sachregister

Azepan(e) 622 Azepin(e) Darstellung 705 Tetrahydro-7H- 625

Azet Tri-t-butyl- 626

Azetan(e) 622 Azide 405 Cycloadditionen 1,3-dipolare 649

Azidoameisensäureester Siehe Azidokohlensäureester Azidokohlensäureester 437 Azine 323, 632 Mesomerie 644

Aziran(e) 365, 369, 622, 625 Reaktionen 627 Synthese 623, 624

Aziridin Siehe Aziran Azirine 446 1H- und 2H- 704

Azlactone 778 Azoalkane als Radikal-Vorstufen 395 Darstellung 395

Azo-Aromaten (Azo-Arene) 401

Azobenzen Amino-, p- 403 Darstellung 405 Dialkylamino-4´-nitro-, 4-N,N713 Dimethylamino-, 4-N,N- 710 4´-nitro- 710 4´-sulfonsäure 403 Isomere cis- und trans- 401

Azobisisobutyronitril 395 Radikalstarter 742

Azocin(e) 708 Azodicarbonsäurediester Siehe Diethylazodicarboxylat Azo-Farbstoffe 401 chelatbildende 714 Entwicklungs- 714 Tautomerie 711

Azo-Gruppe 401 Azo-Kupplung 401, 711 nucleophile Kupplungsreagenzien 713 oxidative 711

Azole 632 1,2Synthese 654 1,3Synthese 655

durch 1,3-dipolare Cycloaddition 649

Azomethine 322 Azonin 707 Azoxybenzene WALLACH-Umlagerung 451

Azulen(e) 580 Isomerisierung 582 natürlicher Herkunft 588, 930 NMR, 13C- 580 Reaktionen 582 Synthese 581

B Backprozeß 387 BAEYER-VILLIGER-Oxidation 336, 447 Bakelite 353, 752 Baldrian 903, 930 Balsame 923 BALZ-SCHIEMANN-Reaktion 152, 400 BAMFORD-STEVENS-Reaktion 339 Bananen-Bindung des Cyclopropans 100

BARAKAT-Oxidation 288, 316 Barbiturate 434 Barbitursäure 676 Tautomere 434

BARTON-Reaktion 556 Basen 23 Basenpaare, Basenpaarung in Nucleinsäuren 885

Basenstapelung in Nucleinsäuren 888

Basenstärke 76 Basentripletts 892 Basketan 118 bathochrom 478 Baumwolle 874 Färbung 715, 734

BAYLIS-HILLMANHydroxyalkylierung 335 BECKMANN-Umlagerung 375, 446 Benzaldehyd 307 Amino-, 2- 398 Benzoin- und STETTER-Reaktion 331 Cyano-, 4- 310 Hydroxyo-, m-, p- 342 Hydroxy-5-methyl-, 2- 315 industr. Synthese 315 Methoxy-, 4- 313 Nitro-, 2- 310

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Sachregister

Nitro-, 3NMR, 1H- 517 -semicarbazon 324 Thiocyanato-, 2- 398

Benzamide 279 Benzanthron -Farbstoffe 734

Benzaurin 724 Benzen Allyl- 226 Di-r-Methan-Umlagerung 558 Arsa- 674 aus Ethin 95 aus n-Hexan 129 Bisma- 674 Bromierung, Chlorierung 157 Butyl-, n- 337 -Derivate nucleophile Substitutionen 167 Dinitro-, m- 136 Eigenschaften 130 elektrophile Substitution 154 Ethinyl- 148 Fluorierung 158 Hydrierwärme 121 Iodierung 158 mesomere Grenzformeln 122 Mesomerieenergie 122 Molekülgeometrie 119 Molekülmodelle 119 Molekülorbital-Modell 120, 123 Monohalogen- 150 Nitrierung 155 NMR, 1H-Verschiebung 500 oxid 705 Phospha- 674 Photocycloaddition 563 Stiba- 674 Sulfonierung 156 -sulfonsäure 157 Toxizität 130

Benzene AlkylMassenspektren 543 Kopplungskonstanten, HH- 515 mehrfach substituierte Darstellung 167 n-Alkylzur Synthese von Detergentien 919 substituierte Dipolmomente 131 durch BERGMAN-Cyclisierung 95 durch elektrophile Substitution 130 IR-Spektren 489

963

Lichtabsorption 477 NMR-Spektren, 1H- 515, 520 Nomenklatur 128 RAMAN-Spektren 493 Unterscheidung durch IR 489

Benzensulfinsäure 422 Benzensulfonate n-AlkylDetergentien 920

Benzensulfonsäure 2,3,4,5-Tetramethyl- 449 -chlorid, Triisopropyl- 895

Benzhydrole 566 Benzidine 376, 450 Benzidin-Umlagerung 377, 450 Benzil 308, 332 Dimethoxy-, 4,4´NMR, 1H- 517

Benzil-BenzilsäureUmlagerung 444

Benzimidazol(e) Synthese 655

Benzo[a]pyren 175, 178 Benzo[b]furan(e) Siehe Cumaron(e) Benzo[b]pyrrol(e) Siehe Indol(e) Benzo[b]thiophen(e) Siehe Thionaphthen(e) Benzochinon o- und p- 356 Darstellung 356 pDichlor-5,6-dicyano-, 2,3738 -dioxim 359 Tetrachlor- 738

Benzodiazepine 706 Benzodiazine elektrophile Substitutionen 696

Benzoesäure(n) 145, 260, 262, 828 amide 279 azid 280 Chlor-, 4- 267 Chlorperoxy-, m- 235 durch Oxidation 267 Hydroxy-, 2- und 4- 273 Nitrierung 166 Nitro-, 2- und 4- 273 Trihydroxy-, 3,4,5- Siehe Gallussäure

Benzoin 331 -Reaktion 332

Benzol Siehe Benzen Benzonitril

Benzophenanthren, 3,4- 175 Benzophenon(e) 281, 308 als Photosensibilisator 554 Brom-, 4Massenspektrum 547 Photoreduktion 566

Benzopyrylium-Salze Siehe Flavylium-Salze Benzothiazol(e) 655, 689 2-Methyl- 719

Benzotriazol(e) 655 1-HydroxyAktivester 799

Benzoxazol(e) 655 Benzoylchlorid 276, 279 3,5-Dinitro- 279

Benzylalkohol 167, 213 4-Hydroxy- 217 aus Benzylbromid 218

Benzylamin 2-Methyl- 371 N,N-Dialkyl- 450 N,N-Dimethyl- 373

Benzylbromid Siehe Bromtoluen, cBenzylether 238 Benzylhalogenide 186 BenzylidenSchutzgruppe für OH 863

Benzylisochinolin(e) Alkaloide Biosynthese 837 Synthese 841

Benzyl-Kation im Massenspektrum 543 Mesomerie 147

Benzyl-Radikal Mesomerie 144 Molekülorbital-Modell 144

Berberin 833 Berberitze 832 Bergamottöl 929 BERGIUS-Verfahren 32 BERGMAN-Cyclisierung 95 Bernsteinsäure 262 anhydrid (R,S)-Allyl- 289 imid Siehe Succinimid

Betaine 785 Betelnuß 827 Betulaprenole 938 Biacetyl (Butandion) 308 Biaryle durch GOMBERG-BACHMANNReaktion 398

2,4,6-Trimethyl- 277

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964

durch STILLE- und SUZUKIKupplung 197 durch ULLMANN-Reaktion 153

Bicyclo[4.4.0]decan Siehe Decalin

Bicyclo[5.3.0]decan 113 Bicycloalkanole 211 Bicylen 98 Bienengift 819, 911 Bienenhonig 872 Bienenwachs 910 Biere 214 Bilsenkraut 828 BINAP 940 Binaphthyle Enantiomere 249

BINDSCHEDLERs Grün 724 Bindungen CCNachweis durch NMR 530 CC-Doppel- 12 CC-Dreifach- 14 CC-Einfach- 12 CH- 12 Nachweis durch NMR 527 r- 13, 15, 54 cyclisch konjugierte 120 delokalisierte 120 u- 11, 12

Bindungsenergie Messung 8

Bindungslänge Messung 8

Bindungswinkel Messung 8

Bio-Diesel 906 Biolumineszenz 569 Biomembran 918 Biopolymere 874 Biphenyl(e) -carbonsäure, 2- 174 Dinitro-, 2,2´- 153 Enantiomere 249 Methoxy-, 3- 197

Biphenylen 555 Bipyridin, 2,2´- 673 Chelatligand 618, 686

BIRCH-Reduktion 112, 180, 583 Bisabolan(e) 929 Bisabolol 929 BISCHLER-NAPIERALSKI-Synthese der Isochinoline 680, 841

Bisdesmoside 951 Bislactimether 780 Bisulfit-Addukte der Aldehyde 322

Sachregister

Bis-r-allyl-nickel 611 Bitropyl 578 Bitterstoffe 923 BLANC-Chlormethylierung 131 Bleitetraacetat 227 zur Glycol-Spaltung 867

Blitzlicht-Photolyse 555 Blütenfarbstoffe 721, 935 Boc-Anhydrid 786 Boc-Schutzgruppe 800 Boldin 833 Bombykol 197 Boot-Konformer des Cyclohexans 102

Borkenkäfer 926, 927 Bornan Siehe Camphan Borneol 941 Borneol, endo-, exoEnantiomere 928

Boronsäure(n) 197 ester 864 Phenyl- 864

Bortrifluorid-etherat 235 BÖSEKEN-Reaktion 870 Boswellinsäure(n) 935 Bradykinine 815 Brechnußbaum 830 BREDERECK-GOMPPER-Synthese der Pyrimidine 676

BREDERECK-Synthese der Imidazole 648

BREDTsche Regel 74, 630 Breitbandentkopplung Protonen- (NMR) 526

Brenzcatechin 342 Brenzschleimsäure Siehe Furan-2-carbonsäure Brenztraubensäure 290, 299 Briefumschlag-Konformer des Cyclopentans 102

Bromalkane Darstellung 193

Brombenzen Aminierung 172 elektrophile Substitutionen 165

Bromcyan-Abbau von Peptiden 808

Bromcyclohexen, 3Darstellung 189

Bromdesulfonierung 427 Bromethan 64 Bromethen 188 Bromfluorbenzen, 2Dehydrobenzen-Vorstufe 181

Bromierung des Benzens 157 des Naphthalens 178 in Allyl-Stellung 189

Brommethan 201 Bromnaphthalen, c- 179 Bromonium-Ion 63, 81 Brompropan 1 und 2- 66

Bromsuccinimid, Nzur Bromierung 189

Bromtoluen, cDarstellung 189

Brosylate 198, 204 Brucin 250, 830 BUCHERER-Reaktion 347, 353 BUCHERER-Synthese der Aminosäuren 777

Bufadienolide 951 Bufotenin 829 Bulbocodin 833 Bullvalen 118, 452 Darstellung 564

BUNTE-Salze 407 Butadien, 1,3Addition, 1,2- und 1,4- 87 aus Acetaldehyd 330 aus Ethin 86 Bindungsdaten 82 chirales 259 Cycloaddition, [4+2]- 88 Cyclooligomerisierungen 613 Elektrocyclisierung 553 Elektronenzustände 454 Konformere s-cis- und s-trans- 84 mesomere Grenzformeln 83 Mesomerie 83 Methyl-, 2- 86 Molekülorbital-Modell 82, 454 Photoreaktionen 554 UV-Absorption 479

Butadiin Diphenyl- 149

Butan 2-Amino- 371 2-Brom-2-methyl- 202 2-Chlor-2-methyl- 192 2-MethylTerpen-Untereinheit 922 Konstitutionsisomere 26 n- 24 Konformere 32 n- und isoMolekülmodelle 26

Butan-2,3-diol 2,3-Dimethyl-

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Sachregister

Darstellung 220 Pinakol-Umlagerung 228

Butanal 307 (2S)-2-MethylCyanhydrin-Reaktion 331

Butandial 307 Darstellung 312

Butandiol, 1,3- 65 Butandion (2,3-) 308 dioxim Metallchelate 615, 618 UV-Spektrum 475

Butanol 1- 213 3-Methyl- 218 2- 213 2-Methyl- 213 3,3-Dimethyl- 75 3-BromKonfigurationsisomere 245 3-Methyl-2-phenyl- 218 Enantiomere 240, 241, 242

Butanon 308 1-Phenyl-2- 317 3,3-Dimethyl-2- 228

Butansäureethylester, 4-OxoSiehe Acetessigester Buten 1- 226 3-Brom- 189 1- und 2- 53, 73, 86, 386 22,3-Dimethyl- 75 2-Methyl- 76 cis- und trans- 57, 62

Buten-1-ol, 2- 213 Buten-2-on, 3- 308 Butenal, (E)-2- 307 Butenolide aus i-Oxosäuren 301

Butin, 1- und 2- 89 Butterfly-Mechanismus 235 Buttersäure 262 Brom-, d- 293 Chlorc-,d-, i- 273 i- 291 Methyl-, c- 267

Butylalkohol Siehe Butanol, 1Butylalkohol, t- Siehe Propanol, 2-Methyl-2Butylazidocarbonat, t- 437 Butylbenzen n- 141 t- 139

965

Butylbromid, t- Siehe Butan:2Brom-2-methylButylether, tDarstellung 234

Butylhalogenide, t- 186 Butylhydrazinocarbonat, t- 437 Butylhydroperoxid, tDarstellung 38

Butyl-n-propylether, n- 234 Butylphenylcarbonat, t- 431 Butylphenylether, t- 171 Butyraldehyd 307 Butyrolactam, i- 277, 299 Butyrolacton, i- 275, 298 Butyrophenon 141 C CAHN-INGOLD-PRELOGKonvention 241, 254 Calciumcyclamat Herstellung 426

Camphan(e) 923, 928 Camphen 941 Campher Enantiomere 928 sulfonsäure, -10- 941 Synthese 940

Campherbaum 928 Canadin 832 Cannabinoide 928 Cannabisativin 836 CANNIZZARO-Disproportionierung 326 Caprolactam, g- 375, 556, 626, 752, 785 Capronaldehyd 307 Capronsäure 261, 262 Caprylsäure 262 Capsanthin 935 Capsarubin 935 Carbamidsäure 431 -hydrazide 436 N-Alkyl- 374

Carbamidsäureester Siehe Urethan(e) Carbanionen 16, 173, 238, 284, 321 mesomeriestabilisierte 169, 325

Carbazol(e) Alkaloide 830 durch Photodehydrocyclisierung 560 partiell hydrierte 566 Synthese 655

Carben(e) Cycloadditionen [2+1]- 194, 390, 663 Dichlor- 194 Singulett- und Triplett- 17 Vorstufen 51, 108

Carben-Einschiebungen 390 Carbenium-Immonium-Ionen 335 Carbenium-Ionen 16, 58, 65, 228, 256, 345, 441 aus Alkoholen 223 bei SN1-Reaktionen 202 mesomeriestabilisierte 87, 147, 208, 666 Molekülorbital-Modell 72 nichtklassische 16, 941 relative Stabilität 72, 79, 203, 224

Carben-Komplexe 612 Carbide Hydrolyse 90

Carbinole 211 Carbodiimide 799, 894 Darstellung 440 zur Phosphorylierung 893

Carbokationen 16, 140 Carbolin, dAlkaloide 830

Carbonium-Ionen 16, 941 Carbonsäureamide 264, 277, 383 aus Carbonsäureestern 282 aus Carbonsäurehalogeniden 279 durch WILLGERODT-Reaktion 337 HOFMANN-Abbau 373 Reduktion 311

Carbonsäureanhydride 264 cyclische 277, 287 gemischte 276

Carbonsäureazide 264 aus Carbonsäurehalogeniden 280 CURTIUS-Abbau 374

Carbonsäure-Derivate 264 Hydrolyse 268 Reduktion 275

Carbonsäureester 222, 264, 391 Acidität, c-CH- 284 Ammonolyse, Aminolyse 282 aus Carbonsäurehalogeniden 279 durch BAEYER-VILLIGEROxidation 337 durch MITSUNOBU-Reaktion 396 Halogen-, y- 293

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966

Reduktion 283 Thiierung 417 ungesättigte c,d- 297 Verseifung 281

Carbonsäurehalogenide 264, 276 Alkoholyse 279 Ammonolyse, Aminolyse 279 Hydrazinolyse 280 Hydrolyse 278 nucleophile Substitutionen 278 ROSENMUND-Reduktion 280, 311 zur FRIEDEL-CRAFTS-Acylierung 281

Carbonsäurehydrazide 264 aus Carbonsäurehalogeniden 280

Carbonsäuren Acidität 271 Substituenteneinflüsse 273 Aciditätskonstanten 271, 273 Allylester 271 Amino-, 2- 294 Amino-, i- und fLactambildung 277 aus Carbonsäure-Derivaten 268 aus Carbonsäurehalogeniden 278 aus GRIGNARD-Verbindungen 266 aus Malonsäurediestern 269 aus Nitrilen 268 aus primären Alkoholen 221, 267 Cyano-, 2- 294 Darstellung 264 Decarboxylierung 278 durch Carbonylierung 264 durch Carboxylierung 266 durch Oxidation 267 Geruch 263 Halogen-, c-, d-, i- 293 Halogenierung 276 Homologisierung 268 Hydroxy-, 2- 294, 295 Hydroxy-, cdurch Cyanhydrin-Synthese 330 Hydroxy-, c-, d-, i- 296 Hydroxy-, i- und fLactonbildung 275 Mono- und Di- 260 natürliche Herkunft 260 NMR, 1H- 497 Nomenklatur 260 Peroxy- 65 physikalische Eigenschaften 263 Reaktionen 274

Sachregister

Reduktion 275 Salze Nomenklatur 272 SCHMIDT-Reaktion 374 substituierte 290 c- 294 Substitution am c-C 292 Synthesen 145 ungesättigte c,d- 294, 297 durch KNOEVENAGELAlkenylierung 270 i,f- 271 Veresterung 274 Wasserstoffbrücken-Dimere 263

Carbonsäurethioamide 337 Carbonyl-Alkenylierungen 60, 327 PO-aktivierte 329 zur Monosaccharid-Synthese 856

Carbonyl-En-Reaktion 472, 940 Carbonyl-Farbstoffe 728 anellierte 734 natürliche 735

Carbonyl-Funktion Siehe Carbonyl-Gruppe Carbonyl-Gruppe 305 Bindungsdaten 306 Mesomerie 307, 319 Molekülorbital-Modell 306 Prochiralität 254 Reaktivität 319 Schutz 321, 626 Umpolung 321

Carbonylierung 264 Carbonyl-Umpolung 321, 332, 627 Carbonyl-Verbindungen 305, 545 durch BARTON-Reaktion 556 durch Glykolspaltung 227 durch Ozonolyse 66 Enolisierung 304 Massenspektren 545 reduktive Kupplung 60 i,f-ungesättigte 452

Carboxamide Siehe Carbonsäureamide Carboxy-Gruppe 260 Bindungsdaten 263 Mesomerie 263 Molekülmodelle 263 Molekülorbital-Modell 263 Schutz 800

Carboxylat(e) 272 Anion

Bindungsdaten 272 Mesomerie 273

Carboxylierung 266, 600 Carboxypeptidasen 808 Cardenolide 950 Caroten (Carotin) c- 935 d-,"d,d- 935 Lichtabsorption 479 Synthese 944 d,{- 935 {,{- 935

Carotenoide (Carotinoide) 935 Vitamin A-Vorstufen 935

CARROLL-Reaktion 939, 942 Catapinanden, Catapinate 631 Catechin Siehe Catechol Catechol 721 CD Siehe Circulardichroismus Cellithonscharlach 713 Cellobiose 871 Cellophan 875 Cellulose Acetyl- 875 DEAE- und CM- 875 Struktur 874 technische Gewinnung 874 -trinitrat 875 -xanthogenat 875

Cephalosporine 816 Ceramid 911 Cerebronsäure 904 Cerebroside 912 Channa 827 Charge-Transfer-Komplexe 154, 358 Chelat-Liganden 616 Beispiele 618 makromolekulare 765 N4- 618, 736

cheletrope Reaktionen 88, 109, 421 Chemilumineszenz 568 sensibilisierte 569

chemische Verschiebung (NMR) 496 C- 531 H- 499 Messung, Standard 496 Skala, f- 496 Struktureinflüsse 499 13 1

Chemotaxonomie der Pflanzen 826

Chinacridon 734 Chinarinde 834

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Sachregister

Chinazolin(e) Synthesen 682

Chinhydron 358 Chinin 250, 834 Chinizarin 732 Chinodimethen 697 Chinolin(e) Alkaloide 834 Alkyl-, 2- 323 Basizität 694 elektrophile Substitutionen 696 FRIEDLÄNDER-Synthese 680 Hydrierung 694 Methyl-, 2- und 4- 719 N-Oxide 696 nucelophile Substitutionen 695 nucleophile Additionen 694 SKRAUP-Synthese 679 Synthesen 679 Tetrahydro- 694

Chinolizidin(e) 698 Alkaloide 829

Chinolizin(e) 9aH- 698

Chinolizinium-Ionen und Salze Dehydro- 698 Ringöffnung 702 Synthese 699

Chinolperoxide 352 Chinone 351 Additionen 359 als Dienophile 359 als Oxidationsmittel 738 aus Anilinen 357 aus Arenen 181, 357 aus Phenolen 356 Carbonyl-Reaktionen 359 Cycloadditionen 359 Diimine 726 durch FRIEDEL-CRAFTSAcylierung 358 durch Oxidation 356 HOOKER-Oxidation 360 Nomenklatur 355 Photoadditionen 561 Reaktionen 358 Reduktion 358 Terphenyl- 735 zur Photodehydrierung 564

Chinonimin-Farbstoffe 725 Chinoxalin(e) 683 2,3-Dimethyl- 697

Chinucliden 630 Chinuclidin 205, 835 chirale Hilfsreagenzien 258 Chiralität 240 axiale 249

967

Detektion durch NMR 504 helicale 249 planare 249

chirogene Reaktionen 257 Chitin 877 Chitosan 877 Chloralhydrat 309 Chloralkane Darstellung 40 langkettige 919

Chlorameisensäureester Siehe Kohlensäureesterchloride Chloramphenicol 835 Chloranil 738 Chloranilin, o-, m-, p- 367 Chloranisol o- und m-, Aminierung 173

Chlorbenzen 149, 157, 171 (-)-M-Effekt 134 3-Fluor- 400 Hydrolyse 345 Nitroo- und p- 152 o-, m-, p- 162

Chlorethan 149 Chlorethen 93, 149 aus Ethin 188 Darstellung 188

Chlorethin 149 Chlorierung des Benzens 157

Chlorin 740 Chlorkohlenwasserstoffe (CKWs) 39 Chloroform Siehe Trichlormethan Chlorophyll a und b 740 Chloroplastin 567, 740 Chloropren 95 Chlorphenol m- 400 o-, m-, p- 342

Chlorsulfinsäureester 192 Chlortrimethylsilan nucleophile Substitutionen 606

Cholan(e) 944 Cholestan(e) 944 Cholesterol 944, 945 Cholsäure 947 Chondroitinsulfate 877 Chromen(e) 2H-, spirocyclische 720 4H- 721

Chromogen 710 Chromon(e)

Synthese 683

Chromophore 477 Nachweis 480

Chromoproteine 935 Chromosaccharide 721 Chromosomen 892 Chrysanthemol 926 Chrysanthemumsäure 926 Chrysen 175 Chrysoidin 715 Chrysophenin 712 Cinchona-Baum 834 Cinchonidin 250 Cinchonin 834 cine-Substitutionen 174 Cinnolin(e) 682 Benzo[c]- 560

CIP Siehe CAHN-INGOLDPRELOG-Konvention Circulardichroismus (CD) 474, 796 cis- oder (Z)- 55 cisoid Siehe s-cisCitral 926 Citronellal 613, 926 (R)-(+)-, Synthese 940 En-Reaktion 472

Citronellol 926 Citronensäure 826 Citrusdüfte 926 CKWs 39 CLAISEN-Esterkondensation 285 CLAISEN-Umlagerung 237, 452, 465 CLAR-Regel 127, 177 CLEMMENSEN-Reduktion 141, 182, 337 Cluster 21 Cocain 828 Cocastrauch 827, 828 Codein 834 Biosynthese 838

Codeinon 838 Codon 892 Coenzym Q10 937 Coffein 700 Colaminkephalin 911 Colchicin 588, 835 Collidin 672 Conessin 952 Congressan 118 Coniin 827 Synthese 840

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968

COPE-Eliminierung 386 COPE-Umlagerung 113, 117, 390, 452 Diaza- 653 entartete 452

Copolymere 766 Block-, Pfropf-, vernetzte 748 Polystyren-Divinylbenzen- 763

Copolymerisationen 749 Coptisin 833 Cordycepose 869 COREY-WINTERFragmentierung 438

Coronen 175 Corrin 740 Corrol 740 Corticoid(e) 949 Corticosteron 949 Cortisol 949 Cortison 949 COSY (NMR) CH-, HC- 527 HH- 525

COTTON-Effekt(e) 797 COULOMB-Kraft 20 Cracken 57 katalytisches 34 thermisches 34

CRAMsche Regel 331 CRIEGEE-Spaltung der 1,2-Diole 227

Crotonaldehyd 307 Crotonsäure 262 -nitril, d-Amino- 651

Crustaxanthin 935 Cryptanden, Cryptate 631 Cuban 118 Cumarin(e) Ringverengung 652 Synthese 683

Cumaron(e) 634 Nitrierung 668 Synthese 652

Cumen 128, 139 Hydroperoxid 344

Cumol Siehe Cumen Curare 832 CURTIUS-Abbau der Carbonsäureazide 374, 445, 608

Cyanamid 436 Cyanessigsäure 268 ethylester NMR, 13C- 535

Cyanhydrin(e) 295, 855

Sachregister

-Reaktion 330 Diastereoselektivität 331 -Synthese der Kohlenhydrate 855

Cyanide Siehe Nitrile Cyanidin 721 Cyanine 717 Cyanurchlorid Siehe Triazin, 2,4,6-TrichlorCycl[3.2.2.]azin 698 Cyclanone 305 Synthese 114

Cycloadditionen 65 [2+1]- 108, 390, 624 an Fünfring-Heteroaromaten 663 [2+2]- 69, 110, 460, 624 [2+2+1]- 95 [2+2+2]- 95 [3+2]- 624 [4+1]- 88, 625 [4+2]- 88, 111, 181, 460, 625, 667, 697 von Fünfring-Heteroaromaten 659 [5+2]- 113 [r2 + r2]- 460 [r2s + r2s] 461 [r4 + r2]- 460 [r4s + r2s] 461 1,3-dipolare 66, 392, 393 zur Synthese von Azolen 649 1,4-dipolare 698 symmetrie-erlaubte 461 symmetrie-verbotene 461 WOODWARD-HOFFMANN-Regeln 461

Cycloalkancarbonsäuren 261 Cycloalkandiole cis- und trans- 65

Cycloalkane Bildungstendenzen 108 Enantiomere 247, 248 IR-Absorption 490 Isomere cis- und trans- 105, 247, 248 Konfigurationsisomere 105, 247 Konformation 99 meso-Formen 248 mittlere und große 105 Nomenklatur 98 physikalische Eigenschaften 99 Reaktionen 115 Ringatmungsschwingung (IR) 493 Synthesen 108

Cycloalkanole 211

Cycloalkanone 305 Photocyclisierung 559 Photodecarbonylierung 557 Synthese 627

Cycloalkene 98 durch Ringschluß-Metathese 114 Kopplungskonstanten, HH- 515

Cycloalkenine 464 Cycloalkine 98 Cycloaromatisierungen 95 Cyclobutadien 125, 589 AzaTri-t-butyl- 626 r-Komplex 612

Cyclobutan(e) Cycloreversionen 464 Dicyano-, 1,2- 110 Divinyl-, 1,2- 553 Ethenyl- (Vinyl-) 385 Hydroxymethyl- 444 Konformation 100 Methylen- 444 Molekülgeometrie 100 Molekülmodelle 100 Synthesen 110, 561

Cyclobutanol 116 Cyclobutanon 627 Cyclobuten(e) 553 Benzo- 557 bicyclische 559 Cycloreversionen 455, 464 durch Elektrocyclisierung 456, 458

Cyclodecan 105 Cyclodextrine 873 Cyclodiene, Cyclotriene durch Elektrocyclisierung 455

Cyclodiine, 1,3- 114 Cyclododecatrien 1,5,9-, all-trans- 114 centro-nickel(0)-Komplex 612

Cyclofarnesan(e) 929 Cyclohalbacetal-Formen der Glucose 848

Cyclohalbketale der Ketosen 849

Cycloheptadien, 1,4Synthese 113

Cycloheptadienon, 3,5Photofragmentierung 557

Cycloheptanol 117 Cycloheptanon 113, 308, 333 Cycloheptatrien, 1,3,5- 390 1,6-dialdehyd 708 Synthese 113

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Sachregister

Cycloheptatrienid-Anion 589 Cycloheptatrienium-Kation 125 Darstellung 575 Reaktionen 576

Cycloheptatrieniumoxid 575 Cyclohepten 113 Cyclohexa-2,5-dienone 4-4-Dialkyl- 445

Cyclohexadien(e) 1,4- 112 5-Methylen-1,3- 469 durch Elektrocyclisierung 458

Cyclohexan(e) aus substituierten Benzenen 112 Boot- (Wannen-) Konformere 102 Brom- 115, 192, 223 Darstellung 111, 145 Dibrom-, 1,2-trans- 105, 115 disubstituierte 1,2-, 1,3-, 1,4- 106 Halbsessel-Konformere 103 Isomere cis-(Z)- und trans-(E)- 106 Konformation 102 Kopplungskonstanten, HH- 514 Methoxy- 233 Molekülmodelle 103 Photooximierung 556 Ringinversion 104, 506 Sessel-Konformere 102 Twist-Boot-Konformere 103

Cyclohexan-1,3,5-trion trioxim 351

Cyclohexandiol cis-und trans-1,2- 219

Cyclohexandion 1,2- 316 1,42,3,5,6-Tetrabrom- 359

Cyclohexanol 213 1-Ethinyl- 333

Cyclohexanon 308 Allyl-, 2- 325 Chlor-, c- 447 Dimethyl-, 2,2- 228 -oxim 324, 375 Trimethylsilylenolether 325

Cyclohexen(e) Alkoxy-4-aldehyd, 3- 259 Bromierung 115 Darstellung 88, 111 Dimethyl-, 1,2- 226 Massenspektren 544 oxid 219 Piperidino-, 1- 324 Trimethylsilyloxy-, 1- 325

969

Vinyl-, 3- 553

Cyclohexenon, 2Massenspektrum 544

Cyclohexylamine primäre, sekundäre, tertiäre 372

Cyclohexylbenzen 139 Cyclononan Aza- 707

Cyclononatetraenid-Anion 578 Cycloocta-1,3,6-trien 469 Cyclooctadien, 1,5- 114 Cyclooctan 105 Cyclooctandiol cis-1,4- 117 trans-1,2- 117

Cyclooctanon 117 Cyclooctatetraen 125, 577 aus Ethin 95 -diid, Dianion 125, 577 Dimere 707

Cyclooctin 173 Cyclooligomerisierungen 113 Cyclopentadien DIELS-ALDER-Reaktion 112 Dimer 118 Methyl-, 1- und 2- 451

Cyclopentadienid-Anion 125 Darstellung, Reaktionen 572 Hetero-Analoga 642

Cyclopentadienylide 574 Cyclopentan Briefumschlag-Konformere 102 carbonsäureester 447 Molekülgeometrie 102 Phenyl- 197 Synthesen 111

Cyclopentanol 213, 444 Ethyl-, cis- und trans-3- 203 Methyl-, trans-2NMR 13C- 530 1H- 524

Cyclopentanon 308 2-Ethoxycarbonyl- 111 Darstellung 286

Cyclopenten 111, 444 Cyclopentenon(e) durch NAZAROVCyclisierung 336 durch PAUSON-KHANDReaktion 95

Cyclophane Enantiomere 249

Cyclopolyene antiaromatische 588 cyclisch konjugierte Aromatizität 125

r-Komplexe 611

Cyclopropan 1-Brom-2-methyl- 247 carbonsäure 110 Molekülgeometrie 99 Molekülmodelle 99 NMR-Daten 13C- 534 1H- 506 Synthesen 108 Vinyl- 111, 113, 558 WALSH-Modell 100

Cyclopropanierung 194 Cyclopropen Synthese 109 Tetrachlor- 112

Cyclopropenium-Kation 125, 570 Struktur 571

Cyclopropyl-Allyl-Umlagerung 116 Cycloreversionen 455, 460, 464, 940 [r4s + r2s] 465

Cyclotetradeca-1,3-diin 114 Cystein 407, 770 absolute Konfiguration 771 Acetyl-, N- 786 -säure 775, 787

Cystin 771, 773, 794, 823 absolute Konfiguration 771 in Insulin 815

Cytidin 883 Cytisin 829 Cytosin 880 1-Acetyl-, 1-Methyl- 890

D DABCO 335 Dammar-24-en, (/)-3d,12d,20S-triol 933 Dammaran(e) 933 Dansylchlorid 775, 809 DARZENS-Reaktion 622 Davidstern-Schwingung (IR) 493

DCC 440 DDQ 738 DDT Synthese 141

DEAD 396 Decalin, cis- und trans- 98 aus Naphthalen 178, 180 Molekülmodelle 107

Decan 24 2-Methyl- 35

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970

Decanol 1- 213

Decarboxylierung 269, 293, 300 HUNSDIECKER- 193, 278

Decensäure (E)-9-Oxo-2- 904

Deformationsschwingungen (IR) 483 Dehydratisierung 71 bimolekulare 231 E1-Mechanismus 71 monomolekulare 71 von 1-Phenylalkanolen 146 von Alkoholen 58, 225

Dehydratisierungstendenz von Alkoholen 58

Dehydrierungen aromatisierende 178

Dehydrobenzen [4+2]-Cycloadditionen 181 Zwischenstufe 172, 555

Dehydrohalogenierung 71 basenkatalysierte 59 Regioselektivität 76 Stereoselektivität 78 von 1-Phenylhaloalkanen 146 von Alkenen 76 von Halogenalkanen 59

Dehydromatricariasäure methylester 97

DELÉPINE-Reaktion 367 Delphinidin 721 Demissidin 952 DEMJANOW-TIFFENEAUUmlagerung 117 DEMJANOW-Umlagerung 116, 444 Deoxycholsäure 947 Deoxycytidin-5'-phosphat Synthese 896

Deoxy-D-ribose, 2- 868, 879 polyphosphatDNA-Rückgrat 886

Deoxyribonucleinsäuren 880 Denaturierung 889 Doppelhelix 886 Knäuel-Strukturen 890 Replikation 892 Schmelzpunkte 890 UV-Spektroskopie 889

Deoxyzucker 866, 868 Depolymerisationen 761 Depsipeptide 817 DEPT (NMR) 527 Designer-Drogen 835 Destillation, fraktionierte 33

Sachregister

Detergentien 425, 901, 902 industr. Synthese 918

Deuterium-Austausch 693 NMR 522, 853

Deuterium-Markierung 75, 597 DEWAR-Benzen 589 Synthese 123

DEWAR-Formeln des Benzens 122

Dextrane 876 Dextrine 876 Diacetyl (Butandion) 308 Diacylperoxide 51, 264, 279 Radikalstarter 742

Dialdehyde 307, 339 Dialkylcarbonate Siehe Kohlensäureester Dialkylmagnesium 196 Dialkylmalonat-Anion mesomere Grenzformeln 284

Dialkylnitrenium-Ionen 375 Dialkylphosphonate 328 Dialkylsulfate als Alkylierungsmittel 232, 412

Dialkylsulfide Siehe Thioether Diamine aus Aziran 369

Diaminobiaryle, 4,4'- 376 Diaminoethan, 1,2- 365 Diaminohexan, 1,6- 365 Diaminopropan, 1,3- 365 Diarylhydrazine, 1,2- 376 Diaryltriazen(e) 402 -Azobenzen-Umlagerung 403

Diastase 871 Diastereomere 245, 845 Diastereomerenüberschuß 259 Diastereoselektivität 259, 331 Diastereotopie 254, 504 Diaza-COPE-Umlagerung 452 Diazen 62 Diazepam 706 Diazepine 1,2-, 1,3-, 1,4-, Benzo- 706

Diazine Basizität 686 nucleophile Substitutionen 690 Synthesen 676

Diazirine 388 Diazoalkane als 1,3-Dipole 649 als Alkylierungsmittel 390 aus Harnstoff-Derivaten 388 Cycloadditionen 1,3-dipolare 392, 649

Darstellung 388 Mesomerie 388 Reaktionen 389

Diazocarbonsäureester 392 Diazoessigsäureethylester 393, 679, 787 Dimerisierung 393

Diazohydroxide 402 Diazoketone 269, 444 Darstellung 394

Diazomethan 17, 388 Darstellung 389 Thermolyse 51 zur Homologisierung 268, 333, 392 zur N-Methylierung 384 zur O-Methylierung 233, 350, 391

Diazonium-Hydroxide 402 Diazonium-Salze 152, 172, 380 Diazotate 402 Diazotierung 380, 397 Diazo-Verbindungen Carben-Vorstufen 108

Dibenzenchrom Elektronenkonfiguration 610

Dibenzoylperoxid 279 Dibenzyl 139 Dibrombenzen o-, m-, p- 166

Dibrommethan 194 Dibutylether, -t- 233 Dibutylpyrocarbonat, -t- 786 Dicarbonsäureimide cyclische 287 NH-Acidität 287

Dicarbonsäuren Acidität 274 Decarboxylierung 287 intramolekulare Dehydratisierung 287

Dicarbonyl-Verbindungen 1,2Heterocyclisierung 647, 677, 683, 702 1,3Heterocyclisierung 647, 672, 674, 676, 680 Oxo-Enol-Tautomerie 340 1,4Heterocyclisierung 646, 648

Dichlordifluormethan 190 Dichlorethan, 1,2aus Oxiran 239

Dichlorethen 1,2-, Konfigurationsisomere 56

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Sachregister

Dichlormethan 39 Dicyanamid 436 Dicyclohexylcarbodiimid 419, 440 DIECKMANN-Esterkondensation 111, 286 Diederwinkel Siehe Interplanarwinkel DIELS-ALDER-Reaktionen 88, 111, 173, 460 enantioselektive 259 mit Chinonen 359 mit inversem Elektronenbedarf 112, 464 mit Maleinsäure-Derivaten 289 neutrale, normale 463 Stereospezifität 257, 463

Diene 1,2- 82 Darstellung 86 1,3- 82 Additionen, 1,2- und 1,4- 87 aus Alkanen 85 aus Diolen 86 Cycloadditionen 88 IR-Absorption 489 Konformere 84 Photocyclisierung 458 Photodimerisierung 563 Polymerisation 88 1,4-, 3,3-DialkylDi-r-Methan-Umlagerung 558 1,5COPE-Umlagerung 451 isolierte 82 konjugierte (1,3-) 82 Darstellung 85 kumulierte (1,2-) 82 Darstellung 86 terminale Ringschluß-Metathese 114

Dienon-Phenol-Umlagerung 347, 445 Dienophile elektronenarme 112, 289

Dien-Polymere 88 Dieselkraftstoff 33 Diethylacetale Diastereotopie 254

Diethylamin 365 Diethylazodicarboxylat zur MITSUNOBU-Reaktion 396

Diethylenglykol aus Oxiran 239

Diethylether Darstellung 231

971

Konstitutionsisomere 230 d,d'-Dichlor- 231

Diethylsulfoxid 417 Difluormethan 186 Digitalis-Saponine. 951 Digitonin, Digitogenin 951 Digitoxigenin 950 Digitoxose 868 Dihalogenalkane, 1,2Darstellung 187

Dihalogenalkene, 1,2Darstellung 188

Dihalogenbenzene Darstellung 150

Dihalogencarbene Bildung 194

Dihalogencyclohexane trans-1,2Konformere 105

Dihalogenmethane Darstellung 194

Dihydronaphthalen aus Naphthalen 180

Dihydropyran Konstitutionsisomere 229

Dihydroxyaceton 862 Dihydroxylierungen von Alkenen 65

Diimine Diaza-COPE-Umlagerung 452

Diine 1,3Heterocyclisierung 651 Darstellung 149 c,y- 97

Diiodmethan 194 Diisopropylcarbodiimid, N,N'799 Diketen 300 Diketone 307 1,2- 316 1,3- 339

Dimethylallylpyrophosphat, i,i925 Dimethylamin 365 N-Nitroso- 381

Dimethylether 212 Molekülmodelle 230

Dimethylsulfat 222 zur O-Methylierung 350

Dimethylsulfoxid 417 als Oxidationsmittel 419

Dinitrobenzen o-, m-, p- 164

Dinitrofluorbenzen

2,4- 170

Dinitrophenol, 2,4- 342, 346 Dinitrophenylhydrazin 2,4- 168

Dinitrophenylhydrazone 2,4- 323

Di-n-propylamin 365 Diole 210 1,2aus Aldehyden oder Ketonen 220 aus Alkenen 219 aus Halohydrinen 219 aus Oxiranen (Epoxiden) 219 COREY-WINTERFragmentierung 438 Pinakol-Umlagerung 228 Spaltung 227 1,3- 65 doppelte Dehydratisierung 86

Diolen 766 Dioscin, Diosgenin 951 Dioxan, 1,4Darstellung 232 Konstitutionsisomere 229

Dioxetandion, 1,2- 569 Dioxin, 1,4- 622 -Derivate durch Photocycloaddition 564 Dibenzo[b,e]- 229

Dioxolan(e), 1,3- 626 Dipeptide 254 Synthese 799

Diphenole 751, 754 Diphenylcarbazid 437 Diphenylethan, 1,1- 139 Diphenylmethan 139 Darstellung 143 -Farbstoffe 722

Dipolarophile 649 Dipol-Dipol-Wechselwirkung 20 Dipolmoleküle 20 Dipolmoment 19 der Pyranosen 852

Dipyrrylmethan(e), 2,2´- 666, 738 Disaccharide 871 Disproportionierung CANNIZZARO- 326 von Makroradikalen 743 von Radikalen 42

disrotatorisch 456 Dissymmetrie Siehe Chiralität

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972

Disulfid(e) 410 -Brücken in Polypeptiden 794 Darstellung 414 Reaktionen 415

Disulfone 410 Diterpene acyclische 931 monocyclische 931 polycyclische 931 Synthesen 941

Dithian(e), 1,3- 321, 626 als Synthesereagenzien 628 Metallierung 627

Dithian, 1,3-, 2-yl-aldopyranosen 861

Dithiocarbonsäuren 416 aus Alkylmagnesiumhalogeniden 416

Dithiokohlensäure-Derivate 439 Dithiolan(e), 1,3- 626, 627 Divinylether 231 Divinylketon(e) 308 NAZAROW-Cyclisierung 336

Di-r-Methan-Umlagerung 558 DMA 383 DMAP Acylierungskatalysator 685

DMF 383 DMSO 417 DNA, DNS 880 Dodecahedran 118 Dodecan n- 24

Dopa 780 Dopamin 837 Doppelbindungen CCMolekülorbital-Modell 13 isolierte 82 konjugierte 82 kumulierte 82 partielle 82

Doppelbindungsäquivalent 519 Doppelhelix der DNA 886

Doppelresonanz (NMR) 523 DÖTZ-Reaktion 183, 614 Drehung, spezifische 240 DREIDING-Stabmodelle 25 Dreifachbindung CCin Arinen 173 Molekülorbital-Modell 15

Dreiringe heterocyclische 624

Sachregister

Synthesen 109, 390, 624

Dreizentren-Bindung 592 Duftstoffe 923 Blüten 929 Citrus 926 Maiglöckchen 929 Orange 927 Pfefferminz 927 Rosen 926 Synthesen 938 Tannennadeln 927 Veilchen 942

Dynamit 223 E Ecdyson, c- 950 Ecgonin 828 Ecstasy 835 EDA-Komplexe 358 Edeltannenzapfenöl 927 EDMAN-Abbau der Peptide 810

EDTA 616 Eibe 932 Eicosan 24 Einbrennlacke 755 Einfachbindungen CCfreie Drehbarkeit 30 Molekülorbital-Modell 12

Einschlußverbindungen 631 ekliptisch (verdeckt) 31 Elaidinsäure 903 Elastomere 760 ELBS-Reaktion 183 Elektrocyclisierungen 455 WOODWARD-HOFFMANN-Regeln 457

Elektronegativität 18 Elektronen(-) Anregung 476, 550 nr*- 476, 710 nu*- 476 rr*- 454, 476, 710 uu*- 7, 477 austauscher 763 konfiguration 4 Spektroskopie 474 spin 4 Übergänge 476, 551 zustände im Atom 1

ElektronenpaarAkzeptoren und Donoren 131

Elektronenspin-Resonanz 474 Elektrophile 23, 154

harte und weiche 196

Eliminierungen, d- 59, 71 alkenbildende 58 basenkatalysierte 76 bimolekulare 76 E1-Mechanismus 71 E2-Mechanismus 76 Ei-Mechanismus 386 konzertierte 76 Regioselektivität 74 Stereoselektivität 77

Ellipticin 830 Emodine 735 Enamine 324 cyclische 629

enantiofaciale Seiten 257 Enantiomere 240 der Amin-N-oxide 248 der Cycloalkane 247 der Silane 248 der Sulfinsäuren 423 der Sulfoxide 417 der Tetraalkylammonium-Salze 248 der Trialkylsulfonium-Salze 413 mit mehreren Asymmetriezentren 245, 246 ohne Asymmetriezentren 248 Trennung 250

Enantiomeren-Überschuß 257 enantiomeric excess, e.e. Siehe Enantiomeren-Überschuß enantiomorphe Kristalle 250 Enantioselektivität 257 Enantiotopie 254 Endiine BERGMAN-Cyclisierung 95

Endiol(e) 869 Endopeptidasen 808 endotherme Reaktion 43 Energieeigenwerte 2 Energiegewinnung 37 Energieträger fossile 32

Enine 86, 93, 94 Enol(e) 92, 210 -Tautomer 286 chemischer Nachweis 304 NMR-Nachweis 498

Enolat(e) Silyl- 271

Enolat-Anionen 284, 325 Enolether 329, 391 cyclische 229 Darstellung 234 Silyl- 606, 608

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Sachregister

Enone 563 Enophil 68, 472 En-Reaktion 68, 289, 471 intramolekulare 472 Stereospezifität 472

Enterobactin 786 Entschirmung (NMR) 498 Entschwefelung von Thiophen-Derivaten 664

Entwickler zur Fotographie 352

Enzyme aktive Seite 823 Klassifizierung 820

Enzym-Substrat-Komplex(e) 823, 847 Eosin 724, 727 EPC-Synthese 258 Ephedrin 835 Epibatidin 827 Epidioxide 565 Epimere 246, 845 Epimerisierungen 845, 865, 866 Episulfide Siehe Thiirane Epoxide Siehe Oxirane Epoxidharze 754 Erdgas 33 Erdöl 32 -Fraktionen 33

Eremophilane 929 Ergobasin 831 Ergolin-Alkaloide 831 Ergostan(e) 944 Ergosterol 945 Ergotamin 831 ERLENMEYER-Synthese der Aminosäuren 777

Erstsubstituenten am Benzen aktivierende und desaktivierende 136 dirigierende Wirkung 136

erythro- und threo- 245, 846 Erythrogensäure 97 Erythromycin A 869 Erythrose 245, 843 ESR 474 Essigester Siehe Essigsäureethylester Essigsäure 262 aktivierte 924 Alkyl- 269, 278 amid 282 Brom- 291 Chlor- 291, 292 Dichlor- 291

973

Dichlor-, Trichlor- 273 Fluor- 291 Halogen- 273 hydrazid 280 Iod- 291 N-Methylguanidyl- Siehe Kreatin PhenylNMR, 1H- 496, 497 Trichlor- 291

Essigsäureethylester 222 CLAISEN-Esterkondensation 286

Ester 222, 264 durch BAEYER-VILLIGEROxidation 336 Poly- 750

Estradiol 950 17c-Ethinyl- 950

Estran(e) 944 Estriol 950 Estrogene 950 Estron 950 Synthese 614, 952

ETARD-Oxidation 310 Ethan 24 Bindungsdaten 12 Konformere 31 Molekülmodelle 12 Molekülorbital-Modell 12 Verbrennung 37

Ethanal 307 Ethandial 307 Ethandiol, 1,2- 213 aus Oxiran 239

Ethandion, Diphenyl- 308 Ethanol 212, 213 Amino-, 2- 369 Brom-, 2- 64 durch alkoholische Gärung 214 Hydroxyphenyl-, p-, 1- 217 industr. Synthese 214 IR-Spektren 491 Molekülmodelle 230 Phenyl-, 1Enantiomere 256 Phenyl-, 1-, (R)- und (S)- 396 Prochiralität 253

Ethanolyse 198 Ethen 53, 57 Darstellung 57, 58 Dichlor-, 1,2-, cis- und trans- 57 Elektronenzustände 453 Molekülgeometrie 13, 54 Molekülmodelle 13, 54 Molekülorbital-Modell 13, 54, 453 Tetra-i-propyl- 60

Ether 229 als LEWIS-Basen 235 als Schutzgruppen 238 aus Alkoholaten 232 aus Alkoholen 231 aus Halogenalkanen 232, 233 Autoxidation 236 cyclische 229, 620 Darstellung 64 durch MITSUNOBU-Reaktion 396 Eigenschaften 230 IR-Absorption 487 Nomenklatur 229 Reaktionen 235 Spaltung 236 Umlagerungen 237 WILLIAMSON-Synthese 232

Etherhydroperoxide (Etherperoxide) 236

etherische Öle 923 Ethin 89 Carboxylierung 94 Dimerisierung 86, 94 Hydratisierung 93 industr. Synthese 38, 90 Molekülgeometrie 14 Molekülmodelle 14 Molekülorbital-Modell 14 Molekülschwingungen 484

Ethinylethylether 234 Ethinylierung von Carbonyl-Verbindungen 94, 942

Ethyl-1-butenylether 234 Ethylacetat 222 Ethylalkohol Siehe Ethanol Ethylamin 365 Ethylbenzen 139 Darstellung 159 Seitenketten-Halogenierung 143

Ethylen Siehe Ethen Ethylendiamin 365 -tetraessigsäure 784

Ethylenimin Siehe Aziran Ethylmethylketon 308 Ethylmethylsulfid 412 Ethyloxonium-chlorid 220 Ethylxanthogenat 439 Eucalyptusöl 927, 930 Eudesmane 929 Eudesmol (+)-c-, (+)-d- und (+)-i- 930 epi-i- 930

Evolution 771 Exaltolid 298 Exopeptidasen 808

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974

exotherme Reaktion 43 Extinktion Siehe Absorption EYRING-Gleichung 505 F Faltblattstruktur von Peptiden und Proteinen 795

Farbe und Lichtabsorption 709

Farbindikatoren 725, 727 Farblacke 715, 733 Farbphotographie 720 Farbstoffe 709 Acridin- 726 Azin- 726 Azo- 401, 711 Bauprinzip 709 Beizen- 715, 733 Carbonyl- 728 Chinon- 728 Chinonimin- 725 Cyanin- 717 Diphenylmethan- 722 Dispersions- 712 Entwicklungs- 714 Ionenaustausch- 713 Küpen- 733 Phenoxazon- 727 Phenyloge Methinund Azamethin- 722 Anwendungen 726 Phthalein- 725 Polyaza[18]annulen- 736 Polymethin- 717 Reaktiv- 715 Substantiv- 712 Triphenylmethan- 722 Xanthen- 725

Färbung Phthalogen- 739

Farnesan(e) 929 Farnesol 929 Synthese 939

Farnesylpyrophosphat 925 Faulbaumrinde 735 FAVORSKII-Umlagerung 447 FCKWs 190 FEHLING-Reagenz 336 FEIST-BENARY-Synthese der Furane 648

Fenchan 928 Fenchel 928 Fenchol, Fenchon Enantiomere 928

Ferrocen Aza- 658 Elektronenkonfiguration 610

Sachregister

elektrophile Substitutionen 575 Molekülorbital-Modell 592 Sandwich-Struktur 574

Festphasen-Synthese kombinatorische 806 von Peptiden 804 von Pyrazolen 764

Fettblau 724 Fette 282, 899 Härtung 906

Fettsäuren 282, 899 Analytik 907 essentielle 904 gaschromatographische Trennung 909 gesättigte unverzweigte 902, 905 verzweigte 903, 905 Hydroxy- 904 Kurzschreibweisen 899 Länge 915 physikalische Eigenschaften 904 Polyen- 903 ungesättigte Autoxidation 907 cis- und trans- 904 cis-trans-Isomerisierung 908 Kurzschreibweise 903 oxidative Spaltung 908 Ozonolyse 909

Feuchthaltemittel 424 Fingerabdruck-Bereich (IR) 485 Fingerhut, roter 950 FINKELSTEIN-Reaktion 191 FISCHER-Base 718 FISCHER-HEPP-Umlagerung 450 FISCHER-Konvention 242 für Aminosäuren 770 für Kohlenhydrate 245, 845

FISCHER-Projektion 242 FISCHER-Synthese der Glycoside 859 des Indols 653, 718, 780, 840

FISCHER-TROPSCH-Verfahren 32 Flavon(e) Synthese 684

Flavonole Tautomere 721

Flavylium-Ionen und Salze 721 nucleophile Additionen 695 Synthese 684

Flechtenfarbstoffe 735 Flügelpigmente 727 von Schmetterlingen 701 fluktuierende u,r-Systeme 118,

452

Fluoralkane Bindungsdaten 186 Darstellung 190

Fluorbenzen(e) 158 aus Diazonium-Salzen 151, 400 Dinitro-, 2,4- 775, 785, 809 Reaktionen vom Arin-Typ 174

Fluoren 175, 399 Fluorescein 724, 727 Fluoreszenz 552, 712 Fluorierung der Alkane 190 des Benzens 158

Fluorierungsmittel 190 Fluormethan 186, 190 Fluortenside 921 Fmoc-Schutzgruppe 799 Follikelhormone 950 Folsäure 701 Formaldehyd 307 -hydrat 320 Protonierung 65

Formamid(e) Alkyl-, Nzur Synthese von Isonitrilen 405 Dimethyl-, N,N- 383 Photoadditionen 561

Formanilide zur VILSMEIER-Formylierung 313

Formolyse 198 Formylierung 313 FOURIER-Transformation (NMR) 496 Fragmentierungen im Massenspektrum 539

FRANCK-CONDON-Prinzip 551 Frangulanin 836 Freon-12 190 FRIEDEL-CRAFTS-Acylierungen 141, 158, 159, 182, 266, 281, 314, 318 FRIEDEL-CRAFTS-Alkylierungen 139, 140, 146, 147, 158, 344 FRIEDLÄNDER-PECHMANNSynthese der Cumarine 683

FRIEDLÄNDER-Synthese der Chinoline 323, 680

FRIES-Umlagerung (Verschiebung) 351, 449

FROST-MUSULINDiagramme 125

Fructofuranose 878 Fructopyranose c- und d-D- 851

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Sachregister

Fructosan 878 Fructose 842 Reduktion 857

Fucose 868 Fullerene (C20, C60, C70 und C80) 184 Fulven(e) 573, 581 Fumarsäure 262 Fünfring-Synthesen 95, 111, 447 funktionelle Gruppen 1 Identifizierung durch 13C-NMR 531 durch 1H-NMR 506 durch IR 487 durch MS 546

Funktionsisomere 230, 309, 844 Furan(e) 127, 632 aldehyd, -2- 650 als 1,3-Diene 658, 659, 661 Bindungsdaten 644 carbonsäure, -2- 650 elektrophile Substitution 660 Mesomerie 642 Nitrierung 661 NMR, Verschiebungen 644 Protonierung 656 Synthesen 646, 648, 650

Furanosen 847 Furfural Siehe Furan-2-aldehyd Furostane 951 Fusion, 1,2- und 2,3von Benzen-Ringen 175

G GABRIEL-Synthese primärer Amine 288

Galactane 878 Galactosamin 868, 877 Galactose 843 Galacturonsäure 878 Gallensäuren 944, 947 Gallocyanin 724 Gallussäure 715 Ganglioside 912 Gastrin 815 GATTERMANN-KOCHFormylierung 314

GATTERMANN-Synthese der Arenaldehyde 314

Gelee royale 904 Gene 892 genetischer Code 892 Gen-Fragmente Synthese 898

Geranial 926

975

Geraniol 926 Synthese 939

Geraniumöl 927 Geranylpyrophosphat 925 Gerbstoffe 721 Germacran(e) 929 Germane 595 Geruch der Amine 367 der Carbonsäuren 263 der Thiole 407

Geschmackstoffe 923 Geschwindigkeitskonstante 46 gestaffelt (auf Lücke) 31 Gestagene 950 Getreide -stärke 875

Gibberelline 932 Gießharze 755 GILMAN-MOORE-Synthese der Phenoxazine 685

Gin 214 Ginseng Saponine und Sapogenine 933

Ginsenoside 933 GLASER-Kupplung 97, 114, 149, 586 Gleichgewichte Untersuchung durch UV 482

Glucagon 812 Glucarsäure 857 Glucit 856 Glucofuranose c- und d-D- 849

Gluconolacton 857 Gluconsäure 857 Glucopyranose c- und d-D- 848, 850 Konformation 852

Glucopyranosid(e) Kopplungskonstanten, HH- 514 Methyl-c- und d-D- 860

Glucosamin 877 N-Acetyl- 823, 868, 877 N-Methyl-L- 869

Glucosane 873 Glucose 842, 843 Acetobrom- 860 Acylierung, selektive 864 Cyclohalbacetal-Form 848 D-, absolute Konfiguration 845 Epimerisierungen 845 Mutarotation 851 NMR, 13C- 853 Glucosidase, d-D- 873

Glucuronide, Glycuronide 858 Glucuronsäure 857, 877 Glühwürmchen 569 Glutamin 770 säure 770 Synthese 776

Glutarsäure 262 -anhydrid 287

Glycane (Glykane) 873 Glycarsäuren Siehe Arsäuren Glyceraldehyd 842, 862 (R)-(+)- und (S)-(/)- 242 Bezugssubstanz 770, 845 Enantiomere 242

Glyceride 282, 899 Glycerin Siehe Glycerol Glycerinaldehyd Siehe Glyceraldehyd Glycerinsäure 290 Glycerol 213 -phosphat 846 Synthese 220 -trinitrat 223

Glycidester 622 Glycin 770, 773 Acetyl-, N- 778 Benzoyl-, N- 786 Kupfer(II)-Komplex 784 Methyl-, N- 768 Titrationskurve 772

Glycolipide 899, 913 Glyconsäuren Siehe Onsäuren Glycopeptide 818 Glycoside 844, 859, 951 Metallchelate 721 N- 861, 882 Oxidation 865

Glycosidierungen 859 N- 895

Glycosylamine 861 Glycosylhalogenide 860 Glycuronsäuren Siehe Uronsäuren Glykogen 876 Glykolether aus Oxiran 239

Glykolsäure 297 Glykol-Spaltung 227, 312 der Kohlenhydrate 867

Glyoxal 307 Glyoxalin 647 Goldregen 829 GOMBERG-BACHMANN-Reaktion 398 Gonan 933

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976

GRAEBE-ULLMANN-Synthese der Carbazole 655

Gramicidin A 816 S 818

Graphit 184 Grevilline 735 GRIGNARD-Verbindungen 34, 153, 196 Komplexierung durch Ether 236, 593 präparative Anwendungen 600 Reaktion mit Estern 283 SCHLENK-Gleichgewicht 593 zur CC-Verknüpfung 602

Guajane 929 Guajanolide 930 Guajen, c- 930 Guanidin(e) Basizität 435 industr. Synthese 435

Guanidinium-Kation Mesomerie 435

Guanidylaminosäuren 768 Guanin 700, 880 Synthese 700 Tautomere 884

Guanosin 883 1- und 7-Methyl- 890

Guanylhydrazone 436 GUARESCHI-Synthese der Pyridine 672

Gulit 856 Gulose 843 Gummi 749, 938 GUSTAFSON-Synthese des Cyclopropans 109

Sachregister

Halogenalkane 278 Alkinylierung 91 aus Alkoholen 191, 223 Bindungsdaten 186 Darstellung 186 durch Photohalogenierung 39, 186, 555 Eigenschaften 185 GRIGNARD-Reaktion 196 Metallierung 594 nucleophile Substitutionen Übersicht 194 PerPhotoadditionen 560 primäre, sekundäre, tertiäre 185 Reaktionen 194 Reduktion 34

Halogenalkene 209 Bindungsdaten 186

Halogenalkine 209 Bindungsdaten 186

Halogenamine, N- 382 Halogenaromaten durch SANDMEYER-Reaktion 398 elektrophile Zweitsubstitution 152 Metallierung 152 Nitrierung 162 nucleophile Substitutionen 167

Halogenbenzene

(-)-M-Effekt 134 Synthese 150

Halogene

induktiver Effekt, (/)-I- 195 Photodissoziation 40, 44 Reaktivität 48 Selektivität 48

Halogenierung von Alkenen 63

Guttapercha 938 gyromagnetisches Verhältnis 494

Halogen-Metall-Austausch 595 Halogennitrobenzene

H HABERsches Reduktionsschema

Halogenonium-Ionen 64, 81, 93 Halogensilane

des Nitrobenzens 371

Hagebutte 935 Halbacetale 321, 847 Halbaminale 322 Halbketale 345 Halbsandwich-Komplex 612 Halbsessel-Konformer des Cyclohexans 103

Halluzinogene 829, 831, 928 Halochromie 478 Haloform-Reaktion 193

Darstellung 151

Darstellung 605 nucleophile Substitutionen 605, 606

Halogenwasserstoffe zur Halogenierung 192

Halohydrine 64, 219 Halomethyl-Gruppen Oxidation 310

Halothan 185 Häm 740 in Myoglobin 820

Hämin 740 Hämoglobin 740

Hämolyse 951 Hanf, indischer 836, 928 HANTZSCH-Synthese der Pyridine 672 der Pyrrole 648

HANTZSCH-WIDMAN-System 620 Harmalin, Harmalol 830 Harnsäure 700 Ringöffnung 703

Harnstoff(e) -Addukte 433 aus Carbodiimiden 440 Basizität 433 Dialkyl- 434 Einschlußverbindungen 30 Herstellung 432 Hydrolyse 433 Poly- 750 Tetraalkyl- 434 VAN-SLYKE-Reaktion 433

Harze 923 Harzsäuren 932 Hashisch 928 Hauptquantenzahlen 2 Hausan 118 HAWORTH-Projektionsformeln 848 HAWORTH-Synthese kondensierter Aromaten 182

HECK-Reaktion 68, 614 enantioselektive 614

Heizöl (Gasöl) 33 Helenalin 930 HELFFERICH-Synthese der Glycoside 860

Helicene 175 Enantiomere 249

Helicität 249 Helix 759 Doppel- (DNA) 886 Tripel- 794 cder Polypeptide 792 Nachweis 797

HELL-VOLHARD-ZELINSKIIHalogenierung 292 Hemiacetale Siehe Halbacetale Hemicellulosen 874, 878 Hemicyanine 717 photochrome 720

Hemiterpene 926 Heparin 877 HeptamethylphenoniumSalz 139

Heptan, n- 24

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Sachregister

Heptanol 1- 213 4-i-propyl-4- 283

Heptanon 4-Methyl-3-, (S)Synthese 788

Heptosen 842 Herbstfärbung der Blätter 935

Herbstzeitlose 835 Heroin 834 Herzglycoside 950 Heteroalicyclen Darstellung 623 durch Carbonyl-Derivatisierung 626 Nomenklatur 620 Reaktionen 627 ringöffnende Ringerweiterungen 629 Ringöffnungen 628 Sauerstoff- 229 Stickstoff- 361 ungesättigte Additionen 629

Heteroaromaten benzokondensierte 632 benzokondensierte FünfringCycloadditionen 668 Reaktionen 666 Synthese 652 Tautomerie 669 benzokondensierte SechsringReaktionen 694 Synthese 679 FünfringAromatizität 644 elektrophile Substitutionen 659 mesoionische 670 Molekülorbital-Modelle 643 nucleophile Substitutionen 663 Ringöffnungen 664 Ringvinyloge 704 Substituenteneffekte mesomere 661 Tautomerie 638 heterokondensierte Bezifferung 637 Darstellung 698 Nomenklatur 635 Reaktionen 702 Mesomerie 127, 642, 644 monocyclische 632 SechsringAromatizität 644

977

elektrophile Substitutionen 690 Reaktionen 685 Synthesen 672 Tautomerie 640 r-Elektronenmangel- 644 r-Elektronenüberschuß- 643

Heteroatome asymmetrische 248

Heterobicyclen aromatische 698

Heterocumulene 440 HEUMANN-Synthesen von Indigo-Derivaten 732

Hexadiene, 1,5- 452 2,5-Diaza- 452

Hexafluoraceton-Hydrat 308 Hexahelicen 175 Enantiomere 249

Hexakontan 24 Hexamethylendiamin 365 Hexamethylentetramin 323, 367 Hexan Chlor-2,3-dimethyl-, 2- 224 n- 24 sulfonsäure, 1- 424

Hexanal 307 Hexandion, 2,5- 308 Hexanol 1- 213 NMR, 1H- 521

Hexatrien(e) 1,3,5- 557 Elektrocyclisierung 455

Hexen 1-, 2- und 3- 53 2-Methyl-2- 66 3,4-Dimethyl-3- 69

Hexen-1-ol, cis-3NMR, 1H- 525

Hexin 1-, 2- und 3- 89

Hexosen 842 Hexulosen 843 HINSBERG-Synthese der Thiophene 647

HINSBERG-Trennung der Amine 383, 426

Hippursäure 786 Histidin 770 HOBt-Aktivester 799 HOCK-Synthese des Acetons und Phenols 344, 446

HOFMANN-Abbau der Carbonsäureamide 373, 445

HOFMANN-Eliminierung 385 HOFMANN-MARTIUS-Umlagerung 450 Holarrhimin 952 Holz 874 Verzuckerung 874 HOMO 464 Homochiralität 771 Homoglycane 873 Homologisierung der Alkane 51 der Carbonsäuren 269 der Cycloalkanone 333 durch Diazoalkane 390

Homotopie 254 Homotropiliden 118, 452 Honig 872 Honigbiene 926, 938 HOOKER-Oxidation 360 Hopfen 926, 929 Hormon(e) adrenocorticotropes 812 gastrointestinale 815 Pankreas- 814 Peptid- 812 Protein- 812 Releasing- 813 Steroid- 949

HORNER-EMONS-Alkenylierung 328 HOUBEN-HOESCH-Reaktion 318 HPLC 775 HSAB-Prinzip 196, 205 HÜCKEL-Regel 124, 570 Huflattich 828 Humulene 929 HUND-Regel 4, 124 HUNSDIECKER-Decarboxylierung 193, 278 Hyaluronsäure 877 Hybridisierung Beziehung zu CH-Kopplungen 534 von Atomorbitalen 9

Hybridorbitale Eigenschaften 10 sp- 9 sp2- 10 sp3- 10, 24

Hydantoine 778 Hydrastin 832 Hydratation 21 Hydratisierung von Aldehyden und Ketonen 320 von Alkenen 64

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978

Hydrazine, Alkyl- 671 Hydrazobenzene 376 Hydrazone 301, 323 Aryl- 323, 404 Dinitrophenyl-, 2,4- 323 RAMP- und SAMP- 788 Tosylzur Alken-Synthese 339

Hydrid-Anion als Nucleophil 283, 325

Hydrid-Verschiebungen 74 Hydrierungen enantioselektive 258 heterogene 61 homogene 62 katalytische 61

Hydrierwärmen 84 von Alkenen 62

Hydrierzahl 908 Hydroborierung von Alkenen 63, 215 von Alkinen 92

Hydrochinon 342 als Stabilisator 743 -dimethylether 350

Hydrohalogenierung von Alkenen 64

Hydrolyse 198 Hydroperoxide 38, 565 Hydroxamsäuren 264 aus Carbonsäurehalogeniden 280 O-AcylLOSSEN-Abbau 373 Tautomerie 280

Hydroxyalkylierung elektronenarmer Alkene 335 Hydroxyester, dREFORMATSKY-Synthese 601

Hydroxylamin(e) 405 N,N-Dialkyl- 382 durch COPE-Eliminierung 386 N,N-Dimethyl- 386 N-Alkyl- 382 Phenyl- 405

Hygrin 827 Hyoscyamin 828 Hyperkonjugation 50, 72 Hypostrophen 452 Hypoxanthin 1-Methyl- 890

hypsochrom 478 I Identitätsprüfung durch IR 487

Sachregister

Idose 843 Imidazo[4,5-d]pyrimidine Siehe Purine Imidazol(e) Acidität 658 Basizität 656 Nitrierung 662 Ring-Vinyloge 706 Synthese 646, 647, 648, 649 Tautomerie 638 Trimethylsilyl-, 1- 607

Imidochlorid(e) 715 Imine 322 Photoreduktion 566

Iminozucker 861 Immergrün 830 Immunstimulatoren 914 INADEQUATE (NMR) CC- 530

Indanilin 725 Indanone Photofragmentierung 557

Indazol(e) Synthese 654

Inden 175 Indican 735 Indigo Dibrom-, 6,6´- 735 Farbstoffe 728 Lichtabsorption 728 Isomer 669 Synthesen 732

Indikatorfarbstoffe 403 Indirubin 669 Indol(e) 634 Alkaloide 829 Basizität 667 Carben-Cycloaddition 668 Dihydro-2-methylen-, 2,3- 718 elektrophile Substitutionen 667 HydroxyTautomerie 639 Synthese 653

Indolium-Salze 718 Indolizidin(e) 698 Alkaloide 829

Indolizin(e) 698 2-Alkyl- 698

Indophenol 724, 725 Indoxyl 669, 732 induktiver Effekt

(-)-I- 51, 72 (/)-I- 51, 212, 273 Detektion durch NMR 499, 532

Infrarot (IR-) Spektroskopie 474, 482

Meßmethodik 482

Ingwer 929 Inhibierung der Photohalogenierung 43

innere Rückkehr 208 Inosite 249 Insektizide 926 Insulin 814 Präpro- und Pro- 815

Integerrin 836 interionische Wechselwirkung 20 Interplanarwinkel von Bindungen 31, 513

Intersystem Crossing 551 Intraannular-Spannung 105 Inulin 878 Inversion 470 der absoluten Konfiguration 255

Invertseifen 920 Invertzucker 872 Iodalkane Darstellung 191

Iodbenzen 151, 158 Iodethan 223 Iodierung des Benzens 158

Iodmethan Darstellung 191

Iodoform-Test 194 Iod-Stärke-Reaktion 876 Iodzahl 908 Ionenaustauscher 385, 762, 875 Ionenbindung 5 Ionen-Dipol-Wechselwirkung 21 Ionon, dSynthese 942

IR-aktiv, -inaktiv 484 IRELAND-CLAISEN-Umlagerung 271 Isatin 669, 680 Isoalloxazin(e) 702 Isoborneol 941 endo-, exoEnantiomere 928 Synthese 941

Isobutylalkohol Siehe Butanol, 2Isochinolin(e) Alkaloide 831 Synthese 841 Basizität 694 elektrophile Substitutionen 696 Hydrierung 694 N-Oxide 697

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Sachregister

nucleophile Additionen 694 nucleophile Substitutionen 695 Styryl-, 1- 697 Synthesen 680 Tetrahydro- 694 enantioselektive Synthese 841

Isocyanate 374, 435, 442 Darstellung 430, 608 Di- 749

Isocyanide Siehe Isonitrile isoelektrischer Punkt 772 Isoflavon(e) Synthese 684

Isoindol(e) 738 Isoleucin 770 Isomenthol 927 Isomere, Isomerie Atrop- 249 Funktions- 230, 309 Konfigurations- 55, 105, 241 Konstitutions- 27, 53, 82, 89 Spiegelbild- 240

Isomerisierungen contrathermodynamische 96

Isonitrile 405 Isooctan Darstellung 70

Isopentenylpyrophosphat 925 Isophthalsäure 262 Isopinocampheol NMR, 13C- 526

Isopren Herstellung 86 maskiertes 625 Polymerisation 938 -Regel 922

Isoprenoide 922 Isopropylalkohol Siehe Propanol, 2IsopropylidenSchutzgruppe für OH 863

Isopulegol 940 durch En-Reaktion 472

isosbestischer Punkt 482 isotaktisch 756 Isotetralin aus Naphthalen 180

Isothiazol(e) Benzo- 654 Synthese 651

Isothiocyanate IR-Absorption 485

Isothioharnstoff 438 Isothiuronium-Salze S-Alkyl- 438

979

Isotope(n) Markierung 837

Isotopie-Effekt kinetischer 173

Isovaleriansäure 926 Isoxazol(e) Benzo- 654 Ringöffnungen 664 Synthese 647, 649, 651

J JABLONSKI-Diagramm 551 JACOBSEN-Umlagerung 141, 449 JAPP-KLINGEMANN-Reaktion 404 Jog 759 Juglon 735 K Kaffee-Aroma 407 Kalium-t-butylat 221 Kamille 930 Karotte 935 KARPLUS-CONROY-Beziehung 513, 853 Kartoffel 952 -stärke 875

Katalysatoren 61 Edelmetall- 33

Katalyse enantioselektive 258

katalytische Hydrierungen 61 Kationenaustauscher 762 Kationotropie 447 Kautschuk Ersatzstoffe 88 Synthese- 749

Keilstrich-Projektion 25, 242 KEKULÉ-Formeln des Benzens 122

Kephaline 911 Keratine 794 Kerninduktion 495 Kernmagnetische Resonanz (NMR) 474, 494 Kern-OVERHAUSER-Effekt NOE (NMR) 524 Kernpräzession 494 Kernseife 282 Kernspin(-) 494 Präzessionsfrequenz 494 Quantenzahl 495 Zustände 495

Kerosin 33 Ketale 320 Keten(e) 300, 441, 444

Dimerisierung 110 durch WOLFF-Umlagerung 269, 394 Photolyse 51

Keto-Enol-Tautomerie 93, 286, 340 Analyse 304 durch NMR 498 Ketoester, ddurch CLAISENEsterkondensation 285 Heterocyclisierung 672, 675

Ketofuranosen 849 Ketohexosen 842 Ketone 305 Alkenylierung 60, 327 Alkinylierung 333 Alkylierung 327 Amino-, c- 446 aus Alkinen 92 aus Carbonsäuren 316 aus Nitrilen 317, 601 aus Organometall-Verbindungen 317 aus sekundären Alkoholen 288 aus d-Oxosäuren 301 BAEYER-VILLIGER-Oxidation 336 Bildung von Iminen 322 Chlor-, d- 318 Darstellung 316 durch Acylierung 317 durch FRIEDEL-CRAFTSAcylierung 318 durch NEF-Reaktion 311 durch Oxidation 316 Homologisierung 333, 392 Hydrate 308 Hydratisierung 320 IR-Absorption 489 Ketalisierung 320 Massenspektren 545 Nomenklatur 305 PATERNO-BÜCHI-Reaktion 624 Photofragmentierung 557 physikalische Eigenschaften 308 Reaktionen 319 Reduktion 326, 337 SCHMIDT-Reaktion 375 ungesättigte, c,d- 563

Ketopyranosen 849 Ketosen 842 Kettenabbrüche 42, 743, 746 Kettenreaktionen der Photohalogenierung 41 der Polymerisation 743

Kettenübertragungen 743 Kfz-Benzin 33 Kiefernharz 922

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980

KILIANI-Synthese der Kohlenhydrate 330, 855

Kinetik 1. Ordnung 202 2. Ordnung 200 pseudo 1. Ordnung 200

Kinke 759 KKK-Reaktion 143, 148 Klebstoffe 755 Kleie 878 Klopfen von Treibstoffen 33

KLYNE-PRELOG-Konvention 31 KNOEVENAGEL-Alkenylierung 60, 270, 285, 302, 333, 340, 418, 421, 692, 697 Knollenblätterpilzgift 818 Knorpel 878 KNORR-Synthese der Pyrrole 650

Knoten von Orbitalen 3

Koaleszenztemperatur 505 Kohäsivkräfte 22 Kohle 32 Kohlendioxid Heteroanaloga 440 zur Carboxylierung 266

Kohlenhydrate 842 Abbaureaktionen 867 Carbonyl-Reaktionen 854 Cycloacetale, Cycloketale 863 Cylohalbacetal-Formen 848 Glykolspaltung 867 O-Acylierung 863 O-Methylierungen 864 O-Trimethylsilylierung 864 Oxidation 865 Polyol-Reaktionen 863 Schutzgruppen für OH 863

Kohlenmonoxid 38 zur Carbonylierung 264

Kohlensäure 428 -benzylesterchlorid 430 -dichlorid Siehe Phosgen -dihydrazide 436 Dissoziationsgleichgewicht 428 -ester Darstellung 430 -esterchloride Darstellung 430 -esterhydrazide 436, 437

Kohlenstoff-13-Verschiebung (NMR) Bereiche, Übersicht 531 induktive Effekte 531

Sachregister

Mesomerieeffekte 532, 533 sterische Effekte 532

Kohlenstoff-Modifikationen 184 Kohlenwasserstoffe 1 Alkane 24 Alkene 53 Alkine 89 Arene 128 Benzen, Aromaten 119 Cycloalkane 98 gesättigte 24 kondensierte Aromaten 175 polycyclische 98, 118 ungesättigte 53, 89

Kohleverflüssigung 32 KOLBE-Elektrolyse 36 KOLBE-SCHMITT-Synthese der Salicylsäure 266

KOLBE-Synthese der Nitrile 268

Kollagen 794 Kolophonium 923 Kolorimetrie 481 kombinatorische Synthese 763, 806 Komplementärfarbe 709 Komplementarität der Nucleobasen 885, 887

Komplex u-, r- 131

Konfiguration, absolute Bestimmung 244, 253 Bezeichnung nach CIP 241 Bezeichnung nach FISCHER 241 D- und L- 243 D,L- und R,S- 243 der Aminosäuren 770 der Cycloalkane 247 der Kohlenhydrate 845 mehrerer asymmetrischer CAtome 245 R- und S- 242 WALDEN-Umkehr 201, 255, 257, 281

Konfiguration, relative 55 aus HH-Kopplungskonstanten 513 aus IR-Spektren 488 aus NOE-Messungen 524 der Alkene 55 der Cycloalkane 105, 107, 247 der Kohlenhydrate 845 erythro- und threo- 245 Inversion bei SN2-Reaktionen 203 Präfices 846

Konfigurationsisomere (Z)- und (E)-, cis- und trans- 55 Unterscheidung durch IR 488 der Alkene 55 der Cycloalkane 105 des Decalins 107 disubstituierter Cyclohexane 106 ungesättigter Fettsäuren 903 c- und d- 849

Konformation 30 Boot- (Wanne-) 102 Briefumschlag (envelope) 102 der Pyranosen 848, 852 Halbsessel-, Sessel- 103

Konformere C - und 1C4der Pyranosen 852 a- und e- 104 der Alkane 30 der Cycloalkane 101 der Diene 84 des Cyclohexans 102 ekliptische, gestaffelte, windschiefe 31 Population 31, 513 s-cis- und s-trans- 84 von Polymeren 758 4 1

Kongorot 712 Königinnensubstanz 904 KÖNIGS-KNORR-Synthese der Glycoside 860 der N-Glycoside 895

Konjugation Nachweis durch IR 489 Nachweis durch UV 480

Konnektivitäten CC- 530 CH- 527 HH- 525

konrotatorisch 456 Konstitutionsaufklärung durch 13C-NMR 530, 534 durch 1H-NMR 519, 525 durch IR 489 durch Massenspektrometrie 546 von Alkenen 66

Konstitutionsisomere 26 der Aldosen und Ketosen 844 der Alkane 26 der Alkene 53 der Alkine 89 der Alkylbenzene 128 der Ether 230 des Pentans 27 von Polymeren 755

Konstitutionsisomerie 26 Kontrazeptiva

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Sachregister

hormonale 950

Kopf-Schwanz-Verknüpfung der Terpene 923

Kopplungskonstanten (NMR) 510 CHunmittelbare 533 vicinale 534 HHbenzoide 515 geminale, vicinale 512 Konstitutionsisomerie 515 Struktureinflüsse 512 und Konformation 513 und relative Konfiguration 513, 515 und Ringgröße 515

Korrelationsspektroskopie (NMR), zweidimensionale CC- 530 CH-, HC- 527 HH- 525

kovalente Bindung 5 in organischen Molekülen 11 Polarität 18

Kreatin 768, 883 Kreatinin 768 Kresol, o-, m-, p- 174, 342 Kreuzsignale (NMR) CC- 530 CH- 527 HH- 525

Kristalle flüssige 916 kristallin 22 Kristallviolett 724, 726 KRÖHNKE-Reaktion 310 Krone-6, [18]Dibenzo- 623 Kalium-Komplex 630 Kalium-Komplex 207

Kronenether 207, 623 als Komplexliganden 630 Darstellung 623

Krötengift 951 Kryomagnet (NMR) 495 Kumulene aus Alkinen 96 Enantiomere 249 Nachweis durch IR 490

Kunsthonig 872 Küpenfärbung 733 Kupfer-Seide 875 L Labdan(e) 931 Labdanolsäure 932

981

Lactame 277, 299, 884 d- 816 Synthese 624 i- und f- 785

Lactaroviolin 930 Lactat 295 Lactide 297 Lactime 640, 884 Lactole 301 Lactone 275, 298, 950 Aldo- 858 durch MITSUNOBU-Reaktion 396 Peroxy-, c- 569 Ringöffnung 293 Sesquiterpen- 930 ungesättigte 301

Lactose 871, 872 LADENBURG-Synthese des Coniins 840

LAMBERT-BEERsches Gesetz 476, 480 Laminarin 876 Lanostan(e) 933 Lanosterol 934, 944 Laudanosin 832 Laurinsäure 902 Lavendelöl 926 Lävulat 290 Lävulinsäure 290, 300 LAWESSONS-Reagenz 415, 417, 675 LDA 601 Lebertran 932 Lecithin 911 Leitfähigkeit, elektrische des Graphits 184

Leuchtkäfer 569 Leucin 294, 770 LEUCKART-WALLACHReaktion 372

Leukoverbindungen 733 LEWIS-Basen 23 LEWIS-Säuren 23 als Katalysatoren 158 zur Ether-Spaltung 237

Licht sichtbares und UV 475

Lichtabsorption(s) Maxima 475 spektren 474 spektrometer 475 und Farbe 479, 709

Lichtstäbe 569 Ligation ungeschützter Peptide 804

Lignin 874 Lilien 833 Limonen 927 Linalool 926 Dehydro- 939 Synthese 939

LINDLAR-Katalysatoren 57, 92 Linker 764 Linolensäure, c- 903 Linolsäure 900, 903, 907 Lipide 899 amphiphile 901 Analytik 900 Doppelschichten 902, 914 Glyco- 913 Monoschichten 901 Sphingo- 911 spreitende 901 Vorkommen 900 Wechselwirkung mit Wasser 901

Lipid-Membran biologische Mosaikmodell 917

Lipopolysaccharide 913 Lipoproteine 914 Liposomen 902, 914 Lithiumdialkylcuprate 598 Lobelin 827 LOBRY-DE-BRUYN-VAN-EKENSTEINUmlagerung 862

Loops in RNA 891

Lösemittel als Nucleophil 198

Löslichkeit 22 LOSSEN-Abbau der Hydroxamsäuren 373, 445

LSD 831 Luciferase(n) 569 Luciferin(e) 569 Luminol Chemilumineszenz 568

Lumiriboflavin 702 LUMO 464 Lupine 829 Lupinin 829 Lutidin, 2,4-, 2,6- 672 Lycopen 935 Lysergsäure 831 N,N-diethylamid 831

Lysin 770 Kupfer(II)-Komplex 784 Racemattrennung 781

Lysozym 825 Lyxose 843

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982

M MADELUNG-Synthese des Indols 653

MAILLARD-Reaktion 862 Mais 935 Makro- und Mikrofibrillen 794 Makroanionen 745 Makrokationen 745 Makrolide 298, 869 Makrolon 751, 766 Makroradikale 743 Malachitgrün 724, 726 MALAPRADE-Spaltung der 1,2-Diole 227

Maleinsäure 262 -anhydrid 112, 287 als Dienophil 112, 289 als Enophil 289, 472 Photocycloaddtionen 563 -imid als Dienophil 289

Malodinitril 268 Malondialdehyd Keto-Enol-Tautomerie 339, 340 tetraethylacetal, PentylMassenspektrum 542

Malonsäure 262, 293 Darstellung 268

Malonsäurediester AcetylaminoNMR, 1H- 508 Acidität, c-CH- 284 Alkyliden- 285 Azo-Kupplung 404 C-Alkylierung 269, 284 Cyanoethyl-, d- 285 KNOEVENAGEL-Alkenylierung 284 MICHAEL-Addition 285 N,N-Dimethylaminomethyl- 335 N-Acylaminozur Aminosäure-Synthese 779 Phenylazo- 404

Maltase 871 Maltose 871 -Typ 871

Mandarinenöl 927 Mannan 878 MANNICH-Reaktion 334, 779, 840 Mannit 857 Mannopyranosid Methyl-c- und d-D- 859

Mannosamin 869 Mannose 843 Margarinsäure 902

Sachregister

Marihuana 928 Markierung, 14C- 173, 837 MARKOWNIKOFF-Regel 80, 187, 215 Massenspektrometrie 536 Allyl-Spaltung 543 Basispeak, Basis-Ion 537 Benzyl-Spaltung 543 EI-, ESI-, FAB-, MALDI- 537 Fragmentierungen 540 Fragment-Ionen 540 Isotopenpeaks 538, 546 MCLAFFERTY-Umlagerung 544 Meßmethodik 536 metastabile Ionen 540 Molekül-Ion 538 Retro-DIELS-ALDER-Spaltung 544 Spaltung von Einfachbindungen 540 c- 541

Massenwirkungsgesetz 274 Matricin 930 Maulbeerbaum 938 MAXWELL-Geschwindigkeitsverteilung 46

MCDONALD-Synthese der Porphyrine 738

MCDONNALD-H.O.L. FISCHERAbbau der Kohlenhydrate 868

MCD-Peptid 819 MCMURRY-Reaktion 60, 338, 738, 944 MEERWEIN-PONNDORF-VERLEYReduktion 326 MEERWEIN-Salz 780 Melamin 642 harze 754

Melissenöl 926 Melittin 819 Menadion 735 Menthan(e), p- 923, 927 Menthol (1R,3R,4S)-(/)Synthese 940 Konfigurationsisomere 927

Menthoxyacetylchlorid zur Racemattrennung 953

Mercaptane Siehe Thiole Mercaptide Siehe Thiolate Mercaptoethanol aus Oxiran 239

Merocyanine 718

MERRIFIELD-FestphasenSynthese der Peptide 763, 804

Mersolate 920 Mescalin 835 Mesembrin 827 Mesitylen 128 aus Aceton 142

mesoionische Fünfring-Heteroaromaten 670

meso-Isomere (Formen) 246 mesomere Effekte (-)-M-, (/)-M- 274 NMR, Verschiebung 13C- 532 1H- 500

Mesomerie 83 des 1,3-Butadiens 83 des Benzens 122

Mesomerieenergie des 1,3-Butadiens 84 des Benzens 121 polycyclischer Aromaten 177 von Fünfring-Heteroaromaten 644

Mesomeriestabilisierung 84, 156 Mesoxalsäure -diethylester Phenylhydrazon 404

Metall-Carben-Komplexe 69, 183, 614 Metallcarbonyle für Synthesen 95, 183

Metallchelate 590, 615 Chelat-Effekt 616 der 1,3-Diketone 340 Komplexbildungskonstante 616 Salcomine (Cosalene) 619 zur Metallanalytik 618

Metallhydride, komplexe Reduktionsmittel 35, 217, 325

Metallierung 196 von CH-Säuren 598 von Halogenalkanen 594 von Halogenbenzenen 152

Metallkomplexe als Katalysatoren 618

Metall-Metall-Austausch 595, 598 Metallocene 574, 610 Metallorganische Verbindungen 35, 590 Metalltemplate-Effekt 617, 738 Metall-r-Komplexe 574, 577, 590, 610 des Benzens 610

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Sachregister

Molekülorbital-Modelle 592 präparative Anwendungen 613 zur koordinativen Polymerisation 745

Metamerie 230 Metaphosphate intermediäre 895

Metathese Alken- 69, 622, 747 Ringschluß- 114

Methan 24, 57 Bindungsdaten 8 Molekülmodelle 8 Molekülorbital-Modell 11 NMR, 1H-Verschiebung 506 partielle Oxidation 38 Photochlorierung 39, 41, 193 Verbrennung 37 Verbrennungswärme 37

Methanal 307 -hydrat 320

Methanol 213 aus Brommethan 201 Diphenyl- 213 industr. Synthese 214 Molekülgeometrie 211 NMR-, 1H- 502 Triphenyl- 213

Methanolyse 198 Methionin 770 Synthese 777 Transmethylierung 838

Methoxy-Gruppen

(/)-I-Effekt 173 quant. Bestimmung 236

Methylalkohol Siehe Methanol Methylamin 365 Methyl-Anion 16 Methylenblau 724, 727 Methylether aus Diazomethan 233

Methyl-Gruppen diastereotope 254 enantiotope 254

Methylierung erschöpfende von Aminen 384 Omit Diazomethan 233, 350 mit Dimethylsulfat 350

Methyl-i-propylether 232 Methyl-Kation 16 Methylketone 317 Haloform-Reaktion 193

Methylorange 403 Methylphenylsulfid 412 Methylpropan

983

Molekülmodelle 26

Methylpropen Dimerisierung 70

Methylpropylketon 308 Methyl-Radikal 15, 41 Methylthiophenium-Ion 657 Methylvinylether 234 Synthesen mit 239

Methylvinylketon 308 Methyl-d-naphthylether 350 Mevalonsäure 925 Micellen 902, 914 MICHAEL-Addition 285, 302, 335, 340, 369, 627, 651, 693, 717 MICHLER-Hydrol und Keton 724 Milchsäure 290, 294, 295 Racemattrennung 250

Mineralsäureester 222 MITSUNOBU-Reaktion 298, 396, 622 Mohn 831, 833, 834 molecular modelling 25 Moleküldynamik 31 Molekülmasse, relative 538 Molekülmodelle Kalotten-, Kugel-Stab-, Stab- 8, 12, 14, 25, 26, 55, 85, 100, 102, 107, 119, 176, 230, 240, 263, 309, 363

Molekülorbitale antibindende 6 bindende 6 des Benzens 123 u- und r- 7

Molekülschwingungen (IR) 482 asymmetrische und symmetrische 487 Bereiche 484

Molekülspektren 473 Monochlormethan 39 Monodesmoside 951 Monohalogenbenzene Eigenschaften 149

Monomere 70, 741 Monosaccharide 844 Borsäureester 870 Cyanhydrin-Synthese 855 Cyclohalbacetale 849 Konstitutionsbestimmung 867 O-Trimethylsilyl-Derivate 870 Reduktion 856 tosyloxy-aktivierte 866

Monoterpene acyclische 926 bicyclische 927 Biosynthese 925

monocyclische 926 Synthesen 938

MONSANTO-Prozeß 780 Morphin 834 Biosynthese 838

Morphinan 833 Morpholin 678 MUKAIYAMA-Variante der Aldol-Reaktion 330

MÜLLER-ROCHOW-Synthese der Halogensilane 605

Multifloramin 833 Multipletts (NMR) 508 Multiplizität (NMR) 510 CH- 527 HH- 508

Münchnone 671 Muraminsäure N-Acetyl- 823

Murexid 718 Muskeladenylsäure 879 Mutarotation 851 Kinetik (13C-NMR) 854

Mutterkorn 831 Mycomycin 97 Myoglobin Struktur 820

Myrcen(e) 926 Synthese 940

Myricylalkohol Wachskomponente 910

Myricylpalmitat 910 Myristinsäure 902 N Nachbargruppen-Effekt 860 Nachtschattengewächse 952 NAD, NADH 567 NADPH + H+ 925 Nanometer 474 Naphthacen 175 Tetraphenyl-, 5,6,11,12- 569

Naphthaldehyd, c- 313 Naphthalen(e) 126, 175 Acetyl-, 1- und 2- 179 carbonsäuren 261 Darstellung 183 Dimethylamino1- und 2-N,N- 174 elektrophile Substitutionen 178 mesomere Grenzformeln 176 Molekülmodelle 176 Nitro-, c- 179 NMR, 13C- 580 Oxidation 180 Reduktion (Hydrierung) 180

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984

sulfonsäurechlorid, 5Dimethylamino 775 sulfonsäuren, c- und d- 179 Zweitsubstitution elektrophile 179

Naphthochinon(e) 1,2-, 1,4-, 2,6- 356 1,4- 735 4a,5,8,8a-Tetrahydro- 359 aus Naphthalenen 180 HOOKER-Oxidation 360 2,6- 356

Naphthol c- 346, 347, 355 BUCHERER-Reaktion 353 c-, d- 341 dAzo-Kupplung 404

Naphthol-AS-Farbstoffe 714 Naphthonium-Ionen 178 Naphthylamin c- 179, 353, 371 durch BUCHERER-Reaktion 355 Naphthylorange, d- 404

Naphthyridin(e) 635 Narcotin 832 Natriumethanolat 221 Natrium-Rubidium-tartrat 244 Naturkautschuk 938 NAZAROW-Cyclisierung 336 NBS Siehe Succinimid, N-BromNebennierenrinde Hormone 948

NEBER-Umlagerung 446 NEF-Reaktion 311 zur Monosaccharid-Synthese 856

Neoisomenthol 927 Neolanblau 715 Neomenthol 927 Neopinon 838 Neral 926 Nerolidol 929 Dehydro- 939 Synthese 939

NESMEJANOW-Reaktion 398 Neuraminsäure N-Acetyl- 869, 912

NEWMAN-Projektion 30, 246 Nicotin 827 Synthese 839

Nicotinamid-adenin-dinucleotid 567 NIEWLAND-Katalysator 94

Sachregister

Ninhydrin-Reaktion 774 Nitrene Acyl- 374

Nitrenium-Ionen 375, 442 Nitridotriessigsäure 784 Nitriersäure 155 Nitrierung der Alkane 51 des Anilins 161 des Benzens 155 des Naphthalens 178 des Nitrobenzens 163 monosubstituierter Benzene 166 von Alkanen 40 von Halogenbenzenen 162

Nitrile 405 aus Carbonsäureamiden 277 Cycloadditionen 677 durchPhotocyanierung 556 IR-Absorption 487 Reduktion zu Aldehyden 312

Nitriloxide als 1,3-Dipole 649

Nitroalkane 51 Darstellung 40 zur NEF-Reaktion 311, 856

Nitroanilin, o-, m-, p- 367 Nitrobenzen 156 (-)-M-Effekt 135 Nitrierung 136, 163 Reduktionsschema 405

Nitroglycerin Siehe Glyceroltrinitrat Nitro-Gruppe

(/)-M- und (/)-I-Effekt 135

Nitroguanidin 436 Nitrolacke 875 Nitromethan 40, 278 Nitron 671 Nitronium-Ion als Elektrophil 155

Nitronium-Salze 156 Nitrophenol, o-, m-, p- 168, 342 Acidität 349 Wasserstoffbrücken 344

Nitrosamine, N- 381 Nitrosierung N- 381 nucleophiler Aromaten 381

Nitrosoaniline, N- 450 Nitrosonium-Ion als Elektrophil 381

Nitroso-Verbindungen [4+2]-Cycloaddition 625

Nitro-Verbindungen IR-Absorption 487

NMR(-) 494 C- 526 H- 496 dynamische Effekte 506 FT- 496 Hochfeld- 522 Integral 498 Kreuzsignale 525 Signal 495 Signalzuordnung 521 Spektren 496 erster Ordnung 511 höherer Ordnung 511 temperaturabhängige 506 Spektrometer 495 Subspektren 527 zweidimensionale 525, 527 13 1

NOE (NMR) 524, 527, 796 -Differenzspektroskopie 524

Nonan n- 24

Norbornan 98 Norbornyltosylat 74 Norcaradien Diaza- 706

Norcaran 98 Darstellung 109

Normorphin 838 NORRISH-Typ-I- und IIReaktionen 557

Noscapin Siehe Narcotin Novolacke 753 Nucleasen Endo- und Exo- 883

Nucleinsäuren 879 Abbau 883 Basenpaarung, Basenstapelung 885 biologische Funktion 892 Fragmente 879 Klassifizierung 881 Sequenz 880

Nucleobasen 699, 879 komplementäre 885 seltene 890 Tautomerie 884 Wasserstoffbrücken 885

Nucleophil und Nucleofug 198 Nucleophile 23 harte und weiche 196 nackte 630 Übersicht 194

Nucleophilie 160, 205 Aktivierung durch Komplexierung 207 des Benzen-Rings 136 Lösungsmitteleinflüsse 206

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Sachregister

Nucleoside 879 Synthese 895

Nucleotide 879 Dissoziationsverhalten 885 Formulierung 880 Mono-, Oligo-, Poly- 881 Synthese 896

NYLANDER-Reagenz 336 Nylon 752, 766 O Oberflächenaktivitität 901 Ocimen(e) 926 Octan Dimethyl-, 2,3- 34 n- 24

Octanol (S)-(+)-2- 255 1- 213

Octanzahl 33 Octatetraene, 1,3,5,7Elektrocyclisierung 455

Octylsulfosuccinat Natriumdi-n- 424

Öle aus Ölsaaten 903 etherische 923

Oleanan(e) 933 Oleanolsäure 934 Ölfarben Härtung 907

Oligomere 741 Oligonucleotide Synthese 897, 898

Oligopeptide 789 Oligoradikale 743 Oligosaccharide 844, 871 Olivacin 830 Ölsäure 262, 282, 903, 907 Autoxidation 907 Hydrierung 906 -methylester Ozonolyse 909

Onium-Ionen 198 Onium-Reaktion im Massenspektrum 542

Onsäuren 857 Opium 831, 834 OPPENAUER-Oxidation 316, 326 Opsin 567 optische Aktivität 240 Orangenöl 927 Orbitale Hybrid- 9 nicht bindende 7 p- 3

985

Endüberlappung 7 Phasenbeziehung 453 seitliche Überlappung 7 relative Radialausdehnung 3 s- 2

Orbitalsymmetrie bei konzertierten Reaktionen 453

Orchideen 828 Organocadmium-Verbindungen 317 Organometall-Verbindungen 590 Addition an Alkene 599 als Nucleophile 599 aus GRIGNARD-Reagenzien 594 Bindungszustand 591 Darstellung 593 Hydrolyse 597 Molekülorbital-Modelle 591 Reaktionen 596

Organoschwefel-Verbindungen 407 Organosilicium-Verbindungen 603 Organostickstoff-Verbindungen 388 Organozinn-Verbindungen 197 Osazone 862 Osmiumtetroxid 65 Osotriazole 862 Östrogene Siehe Estrogene Ovulationshemmer 950 Oxa-COPE-Umlagerung 452 Oxadiazole, 1,2,3mesoionische 670

Oxalsäure 262 Acidität 274 Darstellung 268 diarylester Chemilumineszenz 569

Oxaphosphetan 328 Oxazan, 1,4- Siehe Morpholin Oxazin(e) Synthesen 677

Oxazinium-Salze, 1,3- 677 Oxazol(e) als 1,3-Diene 659 mesoionische 671 Synthese 646, 648, 649

Oxazolin(e) 629 Oxazolon(e) mesoionische 671

Oxenium-Ionen 345, 442 Oxepan(e) 396, 622

Oxepin(e) Darstellung 629 Synthese 705

Oxetan(e) 620 durch PATERNO-BÜCHI-Reaktion 562, 563 nucleophile Ringöffnung 602 Synthese 624

Oxidation von Alkanen 37

Oxime 324 BECKMANN-Umlagerung 375 durch Photooximierung 556 NEBER-Umlagerung 446

Oxiran(e) 65, 392, 620, 629 aus Peroxysäuren 235 Carbonsäureester, 2- 622 Darstellung 235 Hydroxyalkyl Enantiomere 257 nucleophile Ringöffnung 602 Ringöffnungen 628 Synthese 624 Synthesen mit 239

Oxiren 704 Oxocarbonsäuren durch FRIEDEL-CRAFTSAcylierung 266

Oxo-Enol-Tautomerie 93, 286, 340 Analyse 304 durch NMR 498

Oxoester Siehe Ketoester Oxonin 706 Oxonium-Ionen und Salze 58, 221, 235 Carbenium-Ionen-Vorstufen 236

Oxonole 718 Oxosäuren 296 c- 628, 779 c-, d-, i- 299

Oxygenierung des Häms 822

Oxytocin 813 Ozon 66 loch 190

Ozonide 66, 312 Ozonolyse 312 ungesättigter Fettsäuren 909 von Alkenen 66

P PAAL-KNORR-Synthese der Fünfring-Heteroaromaten 646 Umkehrung 664

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986

Palladium(0)-Komplexe als Katalysatoren 68, 197 zur HECK-Reaktion 68

Palmitinsäure 282, 900, 902 -ester 910

Palmitoleinsäure 903 Panaxoside Siehe Ginsenoside Papaverin 831 Papier 874 Paprika 935 Paraffine 36 Paraffinwachs 33 Patchoulane 930 Patchoulen, c- 930 Patchoulenon 930 Patchouliöl 930 PATERNO-BÜCHI-Reaktion 562, 624 PAULING-Elektronegativität 18 PAULI-Prinzip 4, 510 PAUSON-KHAND-Reaktion 95 PCP 174 PCR 892 Pektine 876, 878 Pelargonidin 721 Pelargonsäure 902 Penicilline 816 Pentacen(e) 177 Darstellung 183

Pentadecan n- 24

Pentadien-3-on, 1,4- 308 Pentadiene 1,2-, 1,3-, 1,4- 82 1,3- 469

Pentakontan 24 Pentan 1-Brom- 223 2- und 3-Methyl- 35 Konstitutionsisomere 27 n- 24

Pentan-1,4-dion 1-Phenyl- 332

Pentanal 307 Pentandion, 2,4- 308, 339 NMR, 1H- 498

Pentanol, 1- 213 Pentanon, 2- 308 Massenspektrum 545

Penten 1durch En-Reaktion 68 1- und 2- 53 2- 76

Pentin, 1- und 2- 89

Sachregister

Pentin-2-on, 3- 308 Pentosen 842 Pentulosen 843 PeptidAntibiotika 816 Bindung 790 Konfiguration 790 Hormone 812 Kupplung 798 Sequenzierung 807 Synthese 797 exemplarische 803 Festphasen- 763, 804 Fragmentkondensation 804 MERRIFIELD- 804 Schutzgruppen 799 Strategie und Taktik 799 Toxine 818

Peptide 405 chemische Modifikation 810 Depsi- 817 Konformation 790 Nomenklatur 789 Oligo- und Poly- 789 Reinigung 807 Quartärstuktur 823 Sekundärstruktur 790 Struktur 790, 796 Tertiärstruktur 823

peri- 175 pericyclische Reaktionen 455 Periodat zur Glykol-Spaltung 867

Periplanone 929 PERKIN-Reaktion 270, 334 Perlon 375, 751, 766 Permanganat 65, 97 Peroxide Chemilumineszenz 568 stabile 145

Peroxycarbonsäuren 264 PETERSON-Alkenylierung 60 Petrolkoks 33 Peyotl-Kaktus 835 Pfeffer 827 Pfefferminzöl 927, 940 PFITZNER-MOFFATT-Oxidation 419, 865 Pflanzengummen 878 Pflanzenöle 905, 906, 932 Pflanzenschutz 923 Phalaenopsin 828 Phalloidin 818 Phasentransfer-Katalyse 207 Phenalenon, 1- 566 Phenanthren 126, 175, 559

Benzo[c]- 175 Brom-, 9- 181 Darstellung 182 Reaktionen 180

Phenanthrenchinon 9,10- 181, 356 Darstellung 357

Phenanthridin 681 Phenanthrolin(e) 635 Phenazin(e) Farbstoffe 726 Synthesen 683

Phenol(e) 210, 342 Acidität Substituenteinflüsse 349 Acyl-, o- und p- 449 Alkyl-, p- 238 als Antioxidantien 907 als Enole 351 Amino-, o- 371 aus Anilinen 347 aus Aryldiazonium-Salzen 399 aus Chlorbenzenen 346 aus Halogenaromaten 168 aus Sulfonaten 346 Azo-Kupplung 404 Dialkyl-, 3,4- 347 durch Oxidation 346 elektrophile Substitutionen 353 -Formaldehyd-Harze 353 HOCK-Synthese 344 Kupplung, oxidative 838 Mesomerie und Acidität 347 Nitro-, oNMR, 1H- 517 Nomenklatur 341 Oxidation 351 physikalische Eigenschaften 342 Reaktionen 350 substituierte Darstellung 353 Tri-t-butyl-, 2,4,6- 352 Veresterung 350 Veretherung 350

Phenolat-Anion Mesomerie 348

Phenolester 350 Phenolether 229, 350, 391 Darstellung 232

Phenolphthalein 725 Phenone 306 o- und p-Hydroxy- 449

Phenonium-Ionen 131, 154, 157, 159, 161, 442 mesomeriestabilisierte 345

Phenonium-Salze 139 Phenoplaste 752 Phenothiazin(e) 685

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Sachregister

Farbstoffe 726

Phenoxazin(e) 685 Farbstoffe 726

Phenoxazon -Farbstoffe 727

Phenoxyl-Radikal 2,4,6-Tri-t-butyl- 352

Phenylalanin 770 Anticodon, Codon 892 Dihydroxy- 780 Synthese 778

Phenylalkane 129 Phenylalkene 129 Phenylalkine 129 Phenylboronsäure 197 Phenyldiazonium-Salze 172 Phenyldiazonium-tetrafluorborat 397 Phenylendiamin, o-, m-, p- 362, 367 Phenylessigsäure 262 NMR, 1H- 496, 497

Phenylethylamin(e) 1- 372 Alkaloide 835

Phenylglyoxal Darstellung 310

Phenylhydrazine aus Halogenaromaten 168

Phenyllithium Bildung 152

Phenylmagnesiumbromid 197 p-Chlor- 152

Phenylquecksilberchlorid 398 Pheromone 923, 926 Sexual- 927

Phloroglucin 351 Phosgen Herstellung 428 Reaktionen 429

Phosphabenzen(e) 674, 689 Phosphatide 899, 911 Sphingo- 912

Phosphonsäurediester 328 Phosphoreszenz 552 Phosphorsäure -ester 893, 894 -esterhalogenide 894

Phosphortrihalogenide zur Halogenierung 191

Phosphorylierungen 893 Reagenzien 895

Photochlorierung geschwindigkeitsbestimmender Schritt 47

987

Photochromie 720 Photocyclisierungen Orientierungen 460

Photodissoziation 551 Photohalogenierung von Alkanen 39, 555

Photometrie 481 Photoreaktionen 550 Addition 560 biologische 567 Cyanierung 556 Cyclisierung 559 Cycloaddition 69, 462, 561 Cycloreversion 564 Dehydrierung 564 Dehydrocyclisierung 559 Dimerisierung 563 Di-r-Methan-Umlagerung 558 Fragmentierungen 557 Halogenierung 555 Hydrierung 566 Hydroperoxidation 565 Isomerisierungen trans-cis- 558 Nitrosierung 556 Oximierung 556 Reduktion 566 Sulfoxidation 557 Transannular-Peroxidation 565 Valenztautomerisierung 559

Photosensibilisierung 553 Photosulfochlorierung von Alkanen 40

Photosynthese 567, 842, 875 Phthalazin(e) 682 -1,4-dion 568

Phthaldialdehyd, o- 307 Phthaleine 725 Phthalimid 738 als N-Nucleophil 288, 368 Tetrahydro- 289

Phthalocyanin(e) 736 Metallchelate 739 Synthesen 738

Phthalodinitril 738 Phthalsäure 262 -anhydrid 277, 287, 738 aus Naphthalen 180 Tetrahydro- 289 Darstellung 267 -ester Weichmacher 765 -halbester-Methode zur Racemattrennung 252 hydrazid 3-Amino- 568

Phytan(e) 931

Phytohormone 699, 924 Phytol 740, 931 Picolin, c-, d-, i- 672 PICTET-SPENGLER-Synthese der Isochinoline 681, 841

Pigmente 709 Pikrate 380 Pikrinsäure 342, 380 Pilzfarbstoffe 735 Pilztoxine 818 Pimaran(e) 931 Pimarsäure 932 Pimelinsäure 262 Pinacyanol 717, 719 Pinakol(e) 220, 228 -Umlagerung 228

Pinen cHC-Korrelation (NMR) 527 c- und d- 927

Pinocarvon 927 Piperazine Dioxo- 778, 780, 785

Piperidin(e) 277, 365 Alkaloide 827 aus Pyridinen 626 Inversion 622

Piperidinocyclohexen, 1- 324 Piperin 827 Piperinsäure 827 Pivalinsäure Siehe Propansäure, 2,2-DimethylPivaloylSchutzgruppe 863

Plastochinone (PQ) 937 Platforming-Prozeß 130 Platinmetalle Katalysatoren 61

Polarimeter 240 Polarität chemischer Verbindungen 19

Polyacrylnitril 94, 766 Polyacylierung 751 Polyadditionen 749 Polyalkane Konformere 758

Polyalkene cis-trans-Isomerie 756 durch Alken-Metathese 747

Polyamid(e) 751 -Fasern Färbung 713

Polyamine Metallchelate 616

Polybutadien 766

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988

Polycarbonate 751 Polychlorethen Siehe Polyvinylchlorid Polychloropren 95 Polychlorphenole 174 Polycyclen Nomenklatur 98

Polydialkylsiloxane (Silikone) 609 Polydiene Vulkanisation 749

Polyene Lichtabsorption 479

Polyenfettsäuren 903 UV-Absorption 908

Polyester 750 durch Umesterung 282

Polyethen 741, 766 Idealstruktur 760

Polyether 239 Polyethylen Siehe Polyethen Polyethylenglykol 766 als Polymerträger 806 aus Oxiran 239 sulfate als Tenside 921

Polyethylenoxid Siehe Polyethylenglykol Polyfluoralkane 70, 191 Polyharnstoffe 750 Polyinsertion 746 Polyisopren cis- 766, 938 trans- 938

Polyketide 735 Polykondensation 750, 752 Polymerase-Kettenreaktion 892 Polymere 70, 741 Bio- 874 Co- und Uni- 748 Diaden, Triaden 757 Dien- 749 Elastizität und Plastizität 760 Hetero- und Homo- 747 Konstitutionsisomerie 755 Kristallinität 759 Quellbarkeit 761 Reaktionen 761 synthetische 741 Taktizität 756 Trägerharze 763 ungesättigte 741 Vernetzung 748 Verzweigung 756

Polymerisationen 67, 70, 741 anionische 745

Sachregister

Dien-, 1,3- 741 durch Alken-Metathese 747 Epoxid- 747 Fällungs-, Massen-, Perl- 744 kationische 744 koordinative 745 radikalische 742 Regler und Inhibitoren 743 Starter-Radikale 279 Vinyl- 741

Polymerträger 806 Polymethin-Farbstoffe 717 Anwendungen 719 photochrome 720 Synthese 718

Polymorphie 905 Polynucleotide 879 Homo- 880

Polyole 210, 842, 856 Polypentofuranose-3´,5´phosphat in Nucleinsäuren 879

Polyporsäure 735 Polypropen 70, 766 Polypropylen Siehe Polypropen Polysaccharide 873 Hetero- und Homo- 844 Hydrolyse enzymkatalysierte 825 Muco- 877

Polystyren 766 elektrophile Substitution 762 NMR-Spektren, 13C- 758 Taktizität 758

Polystyren-Divinylbenzen -Copolymer Chlormethylierung 763 -Perlpolymerisate 762

Polystyrol Siehe Polystyren Polyterpene 938 Polytetrafluorethen 190, 766 Polyumesterung 751 Polyurethane 750 Schaumstoffe 765

Polyvinylacetat 766 Polyvinylalkohol 766 Polyvinylchlorid (PVC) 70, 93, 188, 766 POMERANZ-FRITSCH-Synthese der Isochinoline 681

Pomolsäure 935 Porphin 660, 736 Porphycene 738 Porphyrin(e) 736 Aromatizität 736 Chelatliganden 736

Hexahydro- 660 Isomere 738 Synthesen 737

Porphyrinoide natürliche 740

Prednison 949 Pregnan(e) 944 Pregnenolon 948 PRELOG-STOLLAcyloin-Synthese 115

Prenylchinone 937 PRILEZHAEV-Epoxidation 235, 624 Primärstruktur der Peptide und Proteine 789

PRINS-Reaktion 65 Prioritätenfolge zur CAHN-INGOLD-PRELOGKonvention 242

Prisman 118 Prochiralität 253 Progesteron 948, 950 Prolactin 812 Prolin 770, 788 Promotion von Elektronen 8

Pronuciferin 833 Propan 24 Molekülmodelle 25 sulfonsäure, 1-, 2-Methyl- 423

Propan-2-thiol 2-Methyl- 409

Propanal 307 Propandial Siehe Malondialdehyd Propandiol 1,2- 213

Propanol 1- 213 2-Methyl- 216, 217, 283 2-Methyl-1-phenyl- 217 2- 64, 213, 215 2-Methyl- 64, 202, 213, 215 1-PhenylEnantiomere 255 nucleophile Substitutionen 255

Propanon 308 Propansäure 2,2-Dimethyl- 266

Propantriol 1,2,3- 213

Propellan 118 Propen 53, 57, 59 1,1-Diphenyl- 328 1,2-Diphenyl-1-, (E)- und (Z)- 78

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Sachregister

En-Reaktion 289 Methyl- 58, 225

Propen-1-ol 2- 213

Propenal 307 Propensäure 262 chlorid 276 Diphenyl-, 3,3- 334 ester 94, 335

Propin 89 Propinal 307 Propiolacton, d- 298 Propiolaldehyd 307 Propionaldehyd 307 d-Bromdiethylacetal 320

Propionitril d-N,N-Dimethylamino- 369

Propionsäure 262 Benzoyl-, d- 266 Chlor-, c- und d- 291 Herstellung 265 Phenyl-, d- 269

Propiophenon 308 Propylalkohol Siehe Propanol, 1Propylamin, n- 365 Propylendiamin 365 pro-R -, pro-S- 253 Prostaglandine 903 prosthetische Gruppe 820 Proteine 789 Biosynthese 893 Klassifizierung 819 konjugierte, nicht konjugierte 819 Membran- 918 Partialsequenzen 808 Quartärstruktur 821 Struktur 796 Tertiärstruktur 821

Protein-Fasern 796 Färbung 713

Protonen-Verschiebung (NMR) Anisotropieeffekte 499 Assoziationseffekte (H-Brücken) 502 Bereiche, Übersicht 506 Chiralitätseffekte 504 induktive Effekte 499 Mesomerieeffekte 501 Ringstromeffekt 500 sterische Effekte 502 Temperatureffekte 504

Pseudoionon 942 Psilocin, Psilocybin 829

989

Pteridin(e) 701 nucleophile Additionen 703 Ringöffnung 703 Synthese 702

Pterin(e) 701 PUMMERER-Umlagerung 419 Purin(e) 699 Acidität 702 Alkylierung 702 elektrophile Substitutionen 704 Nucleobasen 880, 890 nucleophile Substitutionen 704 Ringöffnung 703 Stimulantien 700 Synthesen 699 Tautomerie 884

Purpur, antiker 735 Purpurogallin 588 Putrescin 836 PVC Siehe Polyvinylchlorid Pyran 2,3-Dihydro-4H- 625, 629 2H- und 4-H- 622 Benzo-Derivate 928 Konstitutionsisomere 229

Pyranosen 847 NMR-Daten 853 Sessel-Konformere 4C1 und 1C4 852

Pyrazin(e) Synthesen 677

Pyrazino[2,3-d]pyrimidin Siehe Pteridin Pyrazol(e) aus Diazoalkanen 392 aus Diazoestern 393 Nitrierung 662 Ring-Vinyloge 706 Synthese 647, 649, 651, 670 Festphasen- 764 Tautomerie 638

Pyrazolin(e) 625 Pyrazolon(e), 5- 301 NMR-Spektren, 13C- 639 Synthesen 647 Tautomerie 639

Pyren 175 Benzo[a]- 175

Pyridazin(e) Synthesen 676

Pyridazin-6-on 4,5-Dichlor-1,6-dihydro- 715

Pyridin(e) 127, 632 aldehyd, 2Darstellung 310 Alkaloide 827

Alkylierungen, Phenylierungen 603, 689 Amino- 689 aus Alkinen und Nitrilen 673 Basizität 685 -carbonsäuren 261 Cyano- 690 Dehydro- 690 dicarbonsäure, 2,3- 267, 694 Dihydro1,2- 688 Dimethylamino-, 4Acylierungskatalysator 685 elektrophile Substitutionen 690 HANTZSCH-Synthese 672 Hetero-Analoge 674 katalytische Hydrierung 626 Ladungsdichte-Verteilung 644 Mesomerie 644 Molekülorbital-Modell 645 NMR, Verschiebungen 645 N-Oxide 381, 687 elektrophile Substitution 691 nucleophile Substitutionen 689 Ringvinyloge 707 Stickstoff-Nucleophile 686 substituierte Tautomerie 641 Synthesen 672

Pyridinium-Salze 687 Reaktionen 688 zur Etherspaltung 237

Pyridon(e), 2- 640, 688, 827 Pyridyn(e) 690 Pyrimidin(e) Basizität 686 elektrophile Substitution 691 HydroxyTautomerie 641 Nucleobasen 880, 890 substituierte Tautomerie 642 Synthesen 676, 688 Tautomerie 884 Triamino- 700

Pyrokohlensäure -di-t-butylester 786

Pyrone 645 Cycloadditionen 687 i- 693 Aromatizität 691 Synthese 675

Pyrrol(e) 127, 632 Acidität 657 aldehyd, -2- 315, 664, 666 Bindungsdaten 644 elektrophile Substitution 660 KNORR-Synthese 650 Mesomerie 642

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990

Metallierung 657 NMR, Verschiebungen 644 Protonierung 656 REIMER-THIEMANN-Formylierung 664 Synthesen 646, 648, 650, 671

Pyrrolidin(e) 277 Alkaloide 827 Dimethyl-, 1,2- 386 Methyl-, N- 384

Pyrrolin(e) 629 Pyrrolizidin(e) 698 Alkaloide 828

Pyrrolizin(e) 3H- 698

Pyrrylmagnesiumhalogenide 658 Pyruvat 290 PyryliumIonen und Salze 632, 645 Reaktionen 688 Synthese 674

Q Quantelung der Energie 2

Quantenausbeute 42, 554 quantitative Analyse durch IR 492 durch NMR 498 durch Photometrie 481

Quartärstruktur der Proteine 821

Quaternisierung heterocyclischer Imine 665 tertiärer Amine 384

Quellung von Polymeren 761

Quencher 554 Quench-Reaktion 553 Quercetin 721 Quillaja -Saponine 935 säure 935

R Racemat 244 Racemattrennungen 250, 781, 941, 953 chromatographische 253, 783 enzymatische 252, 783 gaschromatographische 873

racemische Basen Trennung 251

racemische Säuren Trennung 250

Racemisierung 256

Sachregister

Radialen 118 Radikale 15, 474 Initiator- 395, 742 mesomeriestabilisierte 87, 144, 352 relative Stabilität 49 sterisch stabilisierte 49

radikalische Substitutionen 41 Mechanismen 51

RADZISZEWSKI-Synthese der Imidazole 647

Raffinose 873 RAMACHANDRAN-Diagramm 792 RAMAN-aktiv 492 RAMAN-Spektroskopie 492 RAMBERG-BÄCKLUND-Reaktion 421 RAMP, SAMP 788 RANEY-Nickel 61 -Entschwefelung 415

Rapsölmethylester 906 RASCHIG-Prozeß 346 Reaktionen elektrocyclische 455 WOODWARD-HOFFMANNRegeln 457 sigmatrope WOODWARD-HOFFMANNRegeln 466

Reaktionsgeschwindigkeit 46 Reaktionsmechanismus 41 Reaktionswärme 1, 43 Reaktiv-Farbstoffe 716 Reaktiv-Gruppen zur Textilfärbung 715

Reaktivität bei nucleophilen Substitutionen 203 und Selektivität 49

Reaktivität, relative der Alkene bei Additionen 79

Rearomatisierung 131, 155, 162, 164 Redoxite 763 reduktive Aminierung 372, 779 REFORMATSKY-Reaktion 296, 601 Regioselektivität 48 der Dehydratisierung 73 elektrophiler Additionen 80 elektrophiler Zweitsubstitutionen 136, 161, 165, 179, 661 Lösungsmitteleinflüsse 166 Substituenteffekte 138 Temperatureinflüsse 166

REIMER-TIEMANN-Formylierung 315 von Pyrrol 664

Rekombination von Radikalen 42

Remazolgoldgelb 717 Replikation der DNA 891

REPPE-Synthesen 94 Re-Seite 254 Reserpin 831 Resite 753 Resonanz Siehe Mesomerie Resonanzenergie Siehe Mesomerieenergie Resorcin 342 Retention 255, 470 Reticulin 832, 838 biogenetische Morphin-Vorstufe 837 Biosynthese 837

Retinal 931, 944 11-cis- und 11-trans- 567

Retinol 931 -acetat Retrosynthese 941 Synthese 943

Retro-DIELS-ALDER-Reaktion 465 im Massenspektrum 544

Retrosynthese 941 Rhamnose 868 Rhodopsin 567 Riboflavin 701 Ribonucleinsäuren 880 messenger (m-RNA) 892 Struktur 891 transfer (t-RNA) 892

Ribonucleotide 897 Ribopyranosid Methyl-d-DOxidation 865

Ribose 843, 879 D- 845

Ribosomen 893 Richtungsquantelung 495 Ricinin 827 Ricinolsäure 904 Ricinusöl 827, 904 Riechstoffe Synthesen 938

RILEY-Oxidation 310, 316 Ringatmungs-Schwingung (IR) 493

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Sachregister

Ringe benzoide und chinoide 177 große und mittlere Synthese 114 reizvolle 118

Ringerweiterung 444, 625 Ring-Homologisierung 113 Ringinversion des Cyclohexans 103

Ringöffnungen 116 Ringschluß-Metathese 114 Ringspannung 99, 113, 115 Einfluß auf CHKopplungskonstante 534 Nachweis durch IR 490

Ringstrom-Modell (NMR) 500 Ringverengung 444, 447, 557, 577 RNA, RNS 880 ROBINSON-Annelierung 335 ROBINSON-Synthese der Flavylium-Salze 684

Rohr- und Rübenzucker Siehe Saccharose ROSENMUND-Reduktion 280, 311 Rosenöl 926 Rosmarin 928 Rotation, behinderte 506 Rotationsbarriere 31 Rotationsdispersion optische (ORD) 474

ROTHEMUND-TREIBS-Synthese der Porphyrine 737

Rubren 569 RUGGLI-ZIEGLERVerdünnungsprinzip 114, 233

S Saccharin Herstellung 426

Saccharose 842, 871, 872 Safranin T 726 Sägebock-Projektion 30 SAKURAI-Reaktion 609 Salbei 928 Salcomine 619 Salicylaldehyd 307, 342, 344 5-Nitro- 720

Salicylaldimin N-Cyclohexyl- 323

Salicylsäure 261, 262, 273, 342 -methylester Kinetik der Verseifung 482 Phenylazo- 714 Synthese 266

991

Salpetersäureester (Nitrate) 405 Salpetrigsäureester (Nitrite) 405 Salutaridin 838 SAMP-Hydrazone 788 SANDMEYER-Reaktion 152, 171, 397 Sandwich-r-Komplexe 578, 611 SANGER-Reagenz 170, 775 Sapogenine 933, 951 Saponine 933, 951 Sarkosin 768, 816 SAUERMILCH-Oxidation 310 des 2-Methylpyridins 693

Säure-Base-Reaktionen 23 Säuren 23 CH- 91, 284

Säurezahl 907 SAYTZEFF-Regel 74, 226 Scaffold 806 Scavenger 801 Schaumgummi 765 Schaumstoffe 765 Schierling 827 Schießbaumwolle 875 SCHIFF-Basen 322 Schlafmohn 831, 834, 837 Schlangengift 818, 911 SCHLENK-Gleichgewicht 196 Schlepper 275 Schmelzpunkt 22 Schmetterlinge Flügelpigmente 701

SCHMIDT-Reaktion der Carbonsäuren 374, 445 der Ketone 375, 446

SCHMIDT-STAUDINGER-Regel 85 SCHMIDT-Synthese der Glycoside 860

Schmierseife 282 Schöllkraut 833 SCHOTTEN-BAUMANNBenzoylierung 279

SCHRÖDINGER-Gleichung 2 Schutzgruppen für Amino- 800 für Aminosäuren 800 für Carbonyl- 321, 626 für Carboxy- 800 für Hydroxyin Alkoholen 238 in Nucleosiden 895 Urethan- 800

Schwangerschaftshormone 950 Schwefelkohlenstoff 439

Schwefeltrioxid als Elektrophil 156

SCHWEIZERs Reagenz 875 Schwingungsspektroskopie 482 s-cis- 85 Scopolamin 828 Sebacinsäure 262 Sechsring-Synthesen 88, 111, 458 Sedoheptulose 856 Sehpurpur 567 Sehvorgang 567 Seide, Natur- 796 Seidenspinner 938, 950 Seifen 282, 906 Seifenbaum chilenischer 935

Seitendifferenzierung 259, 780 Seitenketten-Schutzgruppen 802 Sekundärstruktur der Peptide und Proteine 790

Selenazol 632 Selenophen 632 Selinen, c-, d- 930 Sellerie 930 Semicarbazid 437 Semicarbazone 324, 437 Semichinon-Radikal-Anion 359 Seneciosäure 926 Sensibilisatoren zur Photographie 720

Sequenz Peptid-, Protein- 789

Serin 770 Synthese 780

Serinkephalin 911 Serotonin 829 Sesquiterpene acyclische 929 bi- und polycyclische 929 monocyclische 929 Synthesen 938

Sesquiterpenlactone 930 Sessel-Konformer des Cyclohexans 102

Seveso-Dioxin 174 Sexualhormone 950 SHAPIRO-Reaktion 339 SHARPLESS-Epoxidation der Allylalkohole 257

SHOOLERY-Regel (NMR) 506 Sialinsäure 869, 912 Siebenring-Synthesen 113

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992

Siedepunkt 22 sigmatrope Reaktionen (Verschiebungen) 111, 117, 465, 653

Signalaufspaltung (NMR) 509 Signalfarben 727 Silane 595, 604 Enantiomere 248

Silazan(e) Hexamethyldi- 607

Silicone (Polydialkylsiloxane) 609 Silicontenside 921 Siloxyalkene 608 Silylenolether 325, 606 als Synthesereagenzien 608

SIMMONS-SMITH-Reaktion 109, 599 SIMONIS-Synthese der Flavone 684

Singulett -Sauerstoff 472 -Zustand 551

Si-Seite 254 SKRAUP-Synthese der Chinoline 679

Skunk-Sekret 407 Slaframin 829 SN1- und SN2-Mechanismus Konkurrenz 207

SN1-Mechanismus 201, 231, 237 Racemisierung 256 stereochemischer Verlauf 202

SN2-Mechanismus 199, 231, 237, 866 stereochemischer Verlauf 200 WALDEN-Umkehr 255, 396

SN2'-Mechanismus 208 SNAr1-Mechanismus 171 SNAr2-Mechanismus 169 SNi-Mechanismus 209 Sojabohnen 911, 945 Solanin 952 Solasodin 952 Solvatation 21 Solvatochromie 478 Solvolysen 198, 208 SOMMELET-HAUSERUmlagerung 450

SONOGASHIRA-Reaktion 96 Sorbit 856 Sorbose 856 SORET-Bande 736

Sachregister

Speed 835 Speisefette 905 Spermidin 836 Spermin 836 Sphingo -glycolipide 912 -lipide 911 -myeline 912

Sphingosin 911 Spiegelbildisomere 240 SpinEntkopplung (NMR) 523 Spin-Kopplung (NMR) 509 Systeme (NMR) A3X2 511 AA´XX´ 517 AB 511 ABC 523 AX 510

Spirocyclen Enantiomere 249 Nomenklatur 98

Spirostane 951 Split-Mix-Methodik der kombinatorischen Synthese 806

Squalen 932 SSS-Reaktion 143, 148 Stannane 197, 595 Stärke 875 enzymatische Spaltung 871 lösliche 875 Nachweis 876

Startreaktion der Photohalogenierung 41, 43 der Polymerisation 742

Stearinsäure 282, 900, 902 Tuberkulo- 903

Steinkohle Verkokung 129

Steinkohlenteer 672 Steppenraute 830 Stereoisomere Diastereomere und Enantiomere 246

stereokonservative Reaktionen 255

stereoselektive Reaktionen 57

Stereoselektivität 65 Beispiele 257 von Additionen 81 von d-Eliminierungen 78

Stereospezifität Beispiele 257 der SN2-Reaktion 201

elektrocyclischer Reaktionen 456 von DIELS-ALDER-Reaktionen 463

Sterine Siehe Sterole sterische Effekte auf die Konformation 31 bei nucleophilen Substitutionen 203

Steroid(e) Alkaloide 951 Amino- 952 Biosynthese 933 cis- und trans-Verknüpfung 944 Grundskelette 944 Hormone 949 Saponine 951 Stereoisomere 944 Synthese 614, 952

Sterole 944, 945 Sterone 944 STETTER-Reaktion 332 STEVENS-Umlagerung 448 Stigmastan(e) 944 Stigmasterol 945 Stilben(e) cis- und trans- 129 UV-Maxima 480 Diamino-, 4,4´- 712 2,2´-disulfonsäure 712 Photodehydrocyclisierung 559 Photoisomerisierung 558

STILLE-Kuppplung 197 Stipitatsäure 588 Stoffklasse 1 STORK-Enamin-Alkylierung 324 s-trans 85 STRECKER-Synthese der Aminosäuren 776

Streptocyanine 718 Streptomycin 869 Streptose 865 Stroh 874 Strophantidin 950 Strychnin 250, 830 STUART-BRIEGLEBKalottenmodelle 25 Styren 129 4-Chlor- 148 Synthese 146

Styrol Siehe Styren Suberinsäure 262 Substituenten aktivierende und desaktivierende 136, 160

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Sachregister

Substituenteneffekte

(-)-I- und (/)-I- 51, 72, 133, 212 (-)-M- 324 (-)-M- und (/)-M- 131, 134 (-)-M, (/)-M, (/)-I- 160, 163, 179 an Heteroaromaten Fünfring- 661 Sechsring 691 auf die Lichtabsorption 478 auf die Regioselektivität 138 mesomere 136 NMR, 13C- 532 NMR, 1H- 501

Substitutionen, elektrophile an Aromaten 131 Beispiele 150, 178 an Heteroaromaten Fünfring- 659 benzokondensierten 667 Sechsring- 690 benzokondensierten 696 an Polymeren 761 Azo-Kupplung 401 der Metallocene 574 der Phenole 353 der Purine 704 des Anilins 387 des Anthracens 181 des Naphthalens 178 des Phenanthrens 181 Mechanismus 154, 661 Regioselektivität 161, 661

Substitutionen, nucleophile an Heteroaromaten Fünfring- 663 Sechsring- 689 benzokondensierten 695 an Kohlenhydraten 866 bimolekulare 169, 199 des Tropylium-Ions 576 Einfluß der Abgangsgruppe 204 elektronische Einflüsse 204 Eliminierungs-AdditionsMechanismus 172 Lösemitteleinflüsse 206 Mechanismen 167, 199 monomolekulare 172, 201 Stoß- und Zugmechanismus 628 Substituenteneffekte 170 Übersicht 199 von Glycosylhalogeniden 860 von Halogenalkanen 91, 195, 196, 198 Mechanismen 199 von Halogenaromaten 167 Mechanismen 167 von Halogenpurinen 704 von Halogensilanen 606

993

Substitutionen, radikalische in Allyl-Stellung 189 in Benzyl-Stellung 143, 189 in der Seitenkette von Aromaten 143 Mechanismen 51 von Alkanen 40, 41, 186 von Alkenen 67

Succinanhydrid Siehe Bernsteinsäureanhydrid Succindialdehyd 307 Succinimid 287 N-Brom- 288, 555 N-HydroxyAktivester 799

Sulfaguanidin 384 Sulfanilsäure 387 diazotierte 403, 404

Sulfathiazol 384 Sulfat-Verfahren zur Cellulose-Gewinnung 874 Sulfensäure 410, 421 -amide 422 -chloride Darstellung 421 Reaktionen 422 -ester 422

Sulfenylchlorid(e) 421 Dinitrophenyl-, 2,4- 422

Sulfhydrazide 426 Sulfhydroxamsäuren 426 Sulfinsäuren 410, 565 Acidität 423 aus Sulfonsäuren 422 Darstellung 422 Enantiomere 423 Reaktionen 423

Sulfit-Verfahren zur Cellulose-Gewinnung 874 Sulfochlorierung der Alkane 51, 424 von Arenen 425

Sulfolan(e) 88 Sulfonamide Siehe Sulfonsäureamide Sulfone 414, 418, 565 Alkenyl- 421 aus Sulfinaten 420 aus Sulfonsäurechloriden 420 Darstellung 420 Halogenc- 421 daus Alkenen 420 Oxidation und Reduktion 421 Reaktionen 421

Sulfonierung des Anilins 387 des Benzens 156 des Naphthalens 178 von Arenen 424

Sulfonierungsreagenzien 425 Sulfonium-Salze Enantiomere 248

Sulfonpyrolyse 628 Sulfonsäure(n) 410, 423 Acidität 425 -amide 383, 426 aus Alkenen 424 aus Arenen 424 -chloride Derivatisierungen 426 Darstellung 423 durch Photosulfoxidation 557 -ester 426 nucleophile Austauschreaktionen 427

Sulfonsäuren aus Alkanen 424 aus Halogenalkanen 424

Sulfoxidation der Alkane 424

Sulfoxide 414 Alkenyl- 418 Darstellung 417 Enantiomere 417 KNOEVENAGEL-Alkenylierung 418 Oxidation 418 Photoxidation 565 physikalische Eigenschaften 417 Reaktionen 417 Reduktion 418 Spaltung 417

Sulfurylchlorid 40, 51 Superbasen 96 suprafacial 460, 466 Süßstoffe 426 SUZUKI-Kupplung 197 Swainsonin 829 SWERN-Oxidation 221, 419 Sydnone 670 syndiotaktisch 756 Synthesekautschuk 938 Synthesen kombinatorische 763, 806 konvergente und lineare 941

T Tabak 938 Alkaloide 827

Taktizität von Polymeren 756

Talg 905

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994

Talose 843 Taurin 787, 947 Tautomerie, Tautomere 93, 280, 286, 303, 416, 440 der Flavonole 721 der Nucleobasen 884 der Purine 699 des 1,2-Diazepins 706 Lactam-Lactim- 884 Oxo-Cyclo- 684, 851 von Azo-Verbindungen 404 von Heteroaromaten 638, 669

Taxan(e) 932 Taxol 932 TCDD 174 TEBBE-Alkenylierung 329 Teer Destillation 129

Teflon 70, 190, 766 Tenside 901 industr. Synthese 918 nicht ionogene 921 synthetische 921

Terephthaldialdehyd 307 Terephthalsäure 262 -polyester 282, 751

Terminus, N- und C- 789 Terpene Bauprinzip 922 Biosynthese 924 Di- 931 Hemi- 926 Alkaloid-Substruktur 831 Mono- 926 Alkaloid-Substruktur 830 Nomenklatur 923 Poly- 938 Sesqui- 929 Stammkohlenwasserstoffe 922 Tetra- 935 Tri- 932 Vorkommen 923

Terpentin 922, 923 -öl 927

Terramycin 735 Tertiärstruktur der Proteine 821

Testosteron 950 Tetraalkylammonium-hydroxide HOFMANN-Eliminierung 385

Tetraalkylammonium-Salze 384 Enantiomere 248, 364 Phasentransfer-Katalysatoren 207

Tetraalkylsilane 60 Tetracen 175

Sachregister

Tetrachloethan, 1,1,2,2- 188 Tetrachlorkohlenstoff Siehe Tetrachlormethan Tetrachlormethan 39, 193 Tetracyanoethen 112 Tetracycline 735 Tetradec-1-in 96 Tetradecan n- 24

Tetraederwinkel 10, 30 Tetrafluorethen industr. Synthese 190

Tetrahalogenalkane, 1,1,2,2Darstellung 188

Tetrahedran 118 Tetrahydrocannabinol 928 Tetrahydrofuran 237, 620 TetrahydropyranylSchutzgruppe 630

Tetrakontan 24 Tetralin 178 aus Naphthalen 180

Tetralon 6-Methoxy- 953

Tetramethylbenzen, 1,2,3,4Synthese 141

Tetraterpene Carotenoide 935

Tetrazin(e) 632 1,2,4,5- 679

Tetrazol(e) Synthese 649, 652 Tautomerie 638

Tetrosen 842 Tetrulosen 843 Textilfärbung Beizen- 715 Direkt- 712 Dispersions- 712 durch Komplexbildung 714 Entwicklungs- 714 Ionenaustausch- 713 Küpen- 733 Reaktiv- 715

Tfa-Schutzgruppe 800 THC 928 Thebain 838 Theobromin 700 Theophyllin 700 Thermoelastizität 760 Thermoplastizität 760 Thiapyrone 645 i- 675 ThiapyryliumIonen und Salze 632, 645, 675

Reaktionen 688

Thiazin(e) 677 5,6-Dihydro, 4H- 629

Thiazinium-Salze, 1,3- 677 Thiazol(e) 569 mesoionische 671 Synthese 646, 649

Thiepan(e) 622 Thiepin(e) Darstellung 705

Thietan(e) 620 Reaktionen 627

Thiierung 416, 417 Thiiran(e) 622 aus Oxiranen 413 Darstellung 413 Reaktionen 414 Synthese 624

Thiiren 704 Thioacetale 321, 416 Thioaldehyde 415 Thiobenzophenon 416 Thioether Acetoxy-, c- 419 Alkylierung 413 aus Alkenen 412 aus Aryldiazonium-Salzen 413 aus Halogenalkanen 412 aus Schwefeldichlorid 412 aus Sulfoxiden 412 aus Thiolaten 412 aus Thiophenolaten 412 Chlor-, d- 422 cyclische 620 Darstellung 413, 623 Darstellung 412 Oxidation 414 Reaktionen 413

Thioglykol 414 Thioharnstoff(e) als Schwefel-Nucleophil 438 Tautomerie 438

Thiohydantoine 778, 810 Thioindigo 732 Thioketale 321, 416 Thioketone 415 Thiolate 410 Thiole Acidität 409 als Kettenüberträger 743 als Regler 743 aus Alkenen 409 aus Aziran 409 aus Halogenalkanen 407 aus Oxiran 409 Darstellung 407

Aus E. Breitmaier, G. Jung: Organische Chemie (ISBN 3-13-541505-8) © Georg Thieme Verlag Stuttgart 2005 Dieses Dokument ist nur für den persönlichen Gebrauch bestimmt und darf in keiner Form an Dritte weitergegeben werden!

Sachregister

durch TSCHUGAJEFF-Reaktion 409 Oxidation 410 physikalische Eigenschaften 409 Reaktionen 410

Thiolessigsäure 416 Thiolglycoside 861 Thiolsäure(n) 416 ester 416, 804

Thiomorpholin 678 Thionaphthen(e) 634 dioxid, -S,S- 667 Nitrierung 668 Synthese 653

Thionocarbonate 438 Thionsäuren 416 Ester 417

Thionylchlorid zur Halogenierung 192

Thiophen(e) 127, 632 Bindungsdaten 644 dioxid, 1,1- 657, 659 2,5-Dihydro- 625 elektrophile Substitution 660 Entschwefelung 664 Mesomerie 642 NMR, Verschiebungen 644 Synthesen 646, 650 Tetrahydro- 413

Thiophenol(e) Amino-, o- 411 aus Aryldiazonium-Salzen 411 aus Diaryldisulfiden 411 aus Halogenaromaten 168 aus Sulfonsäurechloriden 411 Darstellung 411 Reaktionen 411

Thiophenolate 411 Thiophosgen 438 THORPE-ZIEGLERCyclisierung 114

threo- und erythro- 245 Threonin 770 Threose 245, 843 Thuja 928 Thujaplicine 588 Thymidin Synthese 895

Thymin 880 Tautomere 884

Thyreoliberin 813 Tiglinsäure 926 Tigonin 951 TISCHTSCHENKO-Reaktion 327 Titan tetra-i-propylat

995

zur SHARPLESSEpoxidation 257 r-Komplexe zur koordinativen Polymerisation 745

Titrationskurven von Aminosäuren 772

TMS 496 Tocopherol, (+)-c- 937 TODD-Synthese des Adenins 700

Tolan (Diphenylethin) 129 Tolidin 376 TOLLENS-Reaktion 336 Tollkirsche 828 Toluen aus n-Heptan 130 Nitrierung 136 Nitro-, o- und p- 136

Toluensulfonamid, pN-Methyl-N-nitroso- 389

Toluensulfonsäure, pchlorid 425 ester Siehe Tosylate

Toluidin, o-, m-, p- 174, 362, 367 Toluidinium-sulfonate p- 425

Tomate 935, 952 Tomatidin 952 Topie, Topizität 253 Torsionsspannung 99, 100, 103 Tosylate 77, 198, 204, 866 TPS 920 Tracer-Technik) 837 Träger, polymere 763 trans- oder (E)- 55 Transalkylierungen 139 Transaminierung 779 transannulare Reaktionen 117 Transglycosidierung 860 Transkription 892 Translation 892 transoid Siehe s-transTraubensäure 299 Traubenzucker Siehe Glucose TRAUBE-Synthese des Guanins 700

Trehalose 871, 872 -Typ 871

Treibstoffe Herstellung 33

Tretinoin 931 Triacontan 24 Trialkybenzene, 1,2,3-

Synthese 141

Trialkylammonium-Salze 363 Trialkylborane 63, 596 TrialkylsulfoniumHydroxide 414 Salze Enantiomere 413

Triazen(e) 402 Diphenyl- 402

Triazin(e), 1,3,5- 642, 678, 689 2,4,6-Triamino- 754 2,4,6-Trichlorzur Reaktiv-Färbung 715 Hexahydro- 323

Triazol(e) 1,2,3Synthese 608, 649 Tautomerie 638 1,2,4mesoionische 671 Synthese 652 Tautomerie 638

Triazolin(e) 625 Tribrombenzen, 1,3,5Darstellung 151

Tribrommethan durch Haloform-Reaktion 193

Tribromphenol, 2,4,6Darstellung 151

Trichloracetaldehyd-Hydrat 308 Trichloracetimidate zur Glycosid-Synthese 860

Trichloracetonitril zur Halogenierung 193

Trichlorethen Darstellung 188

Trichlorethylen Siehe Trichlorethen Trichlorfluormethan 190 Trichlormethan 39, 278 durch Haloform-Reaktion 193

Trichlorphenol, 2,4,5- 174 Tridecan n- 24

Triene 1,2,3aus 2-Alkin-1,4-diolen 86 1,3,5Elektrocyclisierung 458 Molekülorbitale 458

Triethylamin 205, 365 Triethylbenzen, 1,3,5- 140 Triflate 204 Triglyceride Verseifung 906

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996

Trihalogenmethyl-Gruppen Einführung 560

Trimethylamin 365 TrimethylsilylSchutzgruppe 607

Trimethylsilylazid 374, 607, 608 Trimethylsilylcyanid 607 Trimethylsilylether 238, 606 Trimethylsilylierungen 606 Tri-n-propylamin 365 Triole 210 Triosen 842 Trioxane 320 Tripeldecker-SandwichKomplexe 611 Triphenylcarbinol 146 Triphenylchlormethan 139 Triphenylen 175 Triphenylmethan 139 -Farbstoffe 722 Oxidation 146

Triphenylmethyl-Radikal 144 Triphenylphosphan 327 zur MITSUNOBU-Reaktion 396 zur WITTIG-Alkenylierung 327

Triplett -Sauerstoff 472 -Zustand 551

Triptycen Darstellung 181

Triptycylchlorid 182, 203 Tripyrran(e) 738 Trisaccharide 873 Triterpene acyclische 932 Biosynthese 932 polycyclische 933

Trithiocarbonat Monoethyl- 439

Trithiokohlensäure 439 TritylSchutzgruppe für OH 238, 865, 896

TRÖGER-Basen 364 Enantiomere 248

Tropan -3-on Synthese 840 -Alkaloide 827

Tropasäure 828 Tropin 828 Tropinon Siehe Tropan-3-on Tropolon(e) 576 natürlicher Herkunft 588 Synthese 576

Sachregister

Tropylium-Ion 575 im Massenspektrum 543

Tropyliumoxid 575 Trypsin 808 Tryptamin(e) 829 Synthese 841

Tryptophan 770 Synthese 779

TSCHITSCHIBABIN-Reaktion 689 TSCHUGAJEFF-Reaktion 409 Tubocurarinchlorid 832 Tussilagin 828 Twistan 118 Twist-Boot-Konformere des Cyclohexans 103

TWITCHELL-Verfahren der Verseifung 906

Tylocebrin 829 Tyrosin 770 biogenet. Alkaloid-Vorstufe 837

U Übergangsmetall-r-Komplexe Katalysatoren 613

Übergangszustände 76 cyclische 75, 81 der En-Reaktion 472 radikalischer Substitutionen 44 sigmatroper Reaktionen 468 SN2-Mechanismus 199

Ubichinone UQ-n 937 ULLMANN-Reaktion 153 Ultraviolett (UV-) Spektroskopie 474

Umalkylidenierungen 69, 747 Umesterung 282 Poly- 751 von Triglyceriden 906

Umheterocyclisierungen 688 Umlagerungen 441 Aldehyd-Keton- 443 Allyl- 939, 942 AMADORI- 862 anionotrope 441 BAEYER-VILLIGER-Oxidation 447 BECKMANN- 375, 446, 626, 752 bei Additionen 80 bei Dehydratisierungen 74 Benzidin- 377, 450 Benzil-Benzilsäure- 444 CLAISEN- 237, 452 COPE- 117, 390, 452 Diaza- 452, 653 Oxa- 237, 452, 938 CURTIUS- 445, 625 DEMJANOW- 116, 444 DEMJANOW-TIFFENEAU- 117

Diaryltriazen-Azobenzen- 403, 450 Dienon-Phenol- 347, 445 FAVORSKII- 447 FISCHER-HEPP- 450 FRIES- 351, 449 HOFMANN-Abbau 445 HOFMANN-MARTIUS- 450 IRELAND-CLAISEN- 271 JACOBSEN- 449 kationotrope 447 LOBRY-DE-BRUYN-VANEKENSTEIN- 862 LOSSEN- 445 MCLAFFERTY- 545 NEBER- 446 Phenolether- 449 Pinakol- 228, 443 PUMMERER- 419 radikalische 449 SCHMIDT-Reaktion 445 Sextett- 441 sigmatrope 451 SOMMELET-HAUSER- 450 STEVENS- 448 WAGNER-MEERWEIN- 75, 224, 443, 941 WALLACH- 451 WITTIG- 238, 448 WOLFF- 269, 394, 444

Umpolung 196, 321, 332, 687 Undecan n- 24

Undecansäure 11-Hydroxy- 396

Uracil 880 1-Methyl- 890

Ureide 434 Urethan(e) Alkyl- und Aryl-, N- 432 Darstellung 431 Ethyl- 431 Poly- 750 -Schutzgruppen 431, 787, 800

Urethan(e)-Schutzgruppen 437 Uridin 883 Ur-Indigo 729 Uronsäuren 857, 858, 865 Urotropin 323, 367 Ursan(e) 933 Ursolsäure 935 Urzeugung 771 UV-Vis-Spektroskopie 474 V Valenzschwingungen (IR) 483

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Sachregister

Valenztautomere 118, 452, 506, 705 Valeraldehyd 307 Valerianol 930 Valeriansäure 261, 262 Valerolactam, f- 277 Valerolacton, f- 275, 298 Valin 770, 773 N-Methyl- 816

Valinomycin 817 VAN SLYKE-Reaktion der Aminosäuren 787 des Harnstoffs 433 primärer Amine 380

Vancomycin 818 VAN-DER-WAALSSpannung 103, 104 Wechselwirkungen 21, 29, 31, 186, 901 in Proteinen 823 Nachweis durch NMR 502

Vanillin 307 Variaminblau 714 Vaseline 33 Vasopressin 812 Verbenol 927 Verbenon 927 Verbrennung Mechanismus 37 von Alkanen 37, 38

Verbrennungswärmen der Cycloalkane 108

verdeckt (ekliptisch) 31 Verdünnungsprinzip RUGGLI-ZIEGLER- 114, 233

Veresterung(en) 222 säurekatalysierte Mechanismus 275

Verküpung 734 Vernetzung von Polymeren 748

Verschiebungen sigmatrope [1,3]- 465, 471 [1,5]- 451, 465 [3,3]- 117, 451, 465 symmetrie-erlaubte 467 symmetrie-verbotene 467 WOODWARD-HOFFMANNRegeln 466

Verschiebungsinkremente NMR 506, 533

Verschiebungs-Reagenzien (NMR) 521 Verseifung 222, 281 von Triglyceriden (Fetten) 906

997

Verseifungszahl 907 Verzweigung von Polymeren 756

Vesikel 902, 914 Vierring-Synthesen 110, 458 Vierzentren-Reaktionen 81 VILSMEIER-Formylierung 313 Vincamin 830 Vinylalkohol 93 Vinylchlorid Siehe Chlorethen Vinylester 94 Vinylether 94 Siehe Alkenylether Vinyl-Gruppe 54 Vinylierungen 94 Vinylogie 666, 692, 704 Vinyl-Polymere 766 Vinylsulfone zur Reaktiv-Färbung 716

Viscose-Seide 875 Vitamine A 931 Synthese 941 B 701 B12 740 C 869 D2 945 E 937 K1, K2 937

Vogelkäfig (Polycycloalkan) 118 Vollentsalzung des Wassers 763

Vulcollan 766 Vulkanisation 749 W Wachse 899, 910 WAGNER-MEERWEINUmlagerungen 75, 224, 443 WALDEN-Umkehr 201, 255, 257, 281 WALLACH-Umlagerung 451 WALSH-Modell des Cyclobutans 101 des Cyclopropans 100

Wannen-Konformer des Cyclohexans 102

Wärmedämmung 765 Wasser Molekülgeometrie 18

Wasserenthärtung 784, 906 Wasserstoffbrücken 21 der Alkohole 212 der Amine 365 der Carbonsäuren 263

der Nucleobasen 885 der Phenole 344 in Proteinen 822 inter- und intramolekulare 491, 502 Nachweis durch IR 491 Nachweis durch NMR 502

Wasserstoff-Metall-Austausch 596 Wasserstoff-Molekül 6 WATSON-CRICK-Modell der DNA 886

Watte 874 Wechselwirkungen 1,3-diaxiale 104 Dipol-Dipol- 20, 186 elektrostatische in Proteinen 823 interionische 20 Ionen-Dipol- 21 sterische Nachweis 480 VAN-DER-WAALS- 21, 29, 31, 186, 901

Weichmacher 765 Weihrauch 935 Weine 214 Weinsäure 290 (+)- und (/)- 244 D-, L-, DL- 246, 247, 299 Ester, Enantiomere zur SHARPLESSEpoxidation 257 Konformere 246 meso- 246, 247

Wellenfunktionen 2 Linearkombination 6

Wellenlänge Einheit 474

Wellenzahl 482 Wermut 930 Whisky 214 WILKINSON-Katalysator 62 WILLGERODT-KINDLERReaktion 337

WILLIAMSON-Synthese der Ether 232, 623 der Thioether 412

Winkelspannung 99, 101 Wirkstoffbibliotheken kombinatorische 806

WITTIG-Alkenylierung 60, 327, 941, 943 WITTIG-Umlagerung 238, 448 Wodka 214 Wofatite 762

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998

WOHL-Abbau der Kohlenhydrate 868

WÖHLER-Synthese des Harnstoffs 433

WOHL-ZIEGLER-Bromierung 189, 288, 293 WOLFF-KISHNER-Reduktion 141, 338 WOLFF-Umlagerung 269, 394, 444 Wolfsmilch-Gewächse 833 Wollfett 934 WOODWARD-HOFFMANN-Regeln Cycloadditionen 461 elektrocyclische Reaktionen 459 sigmatrope Verschiebungen 467

WURTZ-FITTIG-Synthese der Alkylbenzene 142, 153

WURTZ-Reaktion 35, 594 X Xanthen-Farbstoffe 725 Xanthin 700 9-Methyl-8-nitro- 704

Xanthogenate 439, 875 Xanthogensäure 439

Verzeichnis der Namen-Reaktionen

Xanthommatin 727 Xanthophyll 935 Xylane 878 Xylen, o-, m-, p- 128, 140 Xylopyranose c- und d-D- 870

Xylose 843 D- 845

Y Ylid und Ylen 438 Mesomerie 328 Schwefel- 646

Yohimbehe-Baum 831 Yohimbin 831 Y-Stabilisierung 435 Z Zauberpilz mexikanischer 829

ZEISE-Salz 611 Zellstoff, Zellwolle 874 Zellteilung 892 Zephirol 920 ZEREWITINOFF-Verfahren 597 Zerlegung

retrosynthetische 941

ZIEGLER-NATTA-Katalysatoren 745 Zimtsäure cis-

4-Methoxy- 558 ethylester Dibromdihydro, threo1H-NMR 513 trans- 296 trans- 262 Darstellung 270 -pyrrolid, 3-Methoxy- 827

ZINCKE-Aldehyd 581 Zingiberen 929 Zitronensäure Siehe Citronensäure Zucker Siehe Kohlenhydrate rohr, -rübe 872

Zuckeralkohole Siehe Polyole Zuckersäuren Siehe Arsäuren Zwiebel-Geruch 407 Zwischenstufen reaktive 17

Zypressenöl 930

Verzeichnis der Namen-Reaktionen

Verzeichnis der Namen-Reaktionen A AMADORI-Umlagerung 862 ARBUZOV-MICHAELIS-Reaktion 328 ARNDT-EISTERT-Homologisierung der Carbonsäuren 269, 394

B BAEYER-VILLIGER-Oxidation 336, 447 BALZ-SCHIEMANN-Reaktion 152, 400 BAMFORD-STEVENS-Reaktion 339 BARAKAT-Oxidation 288, 316 BARTON-Reaktion 556

BAYLIS-HILLMANHydroxyalkylierung 335 BECKMANN-Umlagerung 375, 446 BERGIUS-Verfahren 32 BERGMAN-Cyclisierung 95 BIRCH-Reduktion 112, 180, 583 BISCHLER-NAPIERALSKI-Synthese der Isochinoline 680, 841

BLANC-Chlormethylierung 131 BÖSEKEN-Reaktion 871 BREDERECK-GOMPPER-Synthese der Pyrimidine 676

BREDERECK-Synthese der Imidazole 648

BUCHERER-Reaktion 347, 353 BUCHERER-Synthese der Aminosäuren 777

C CANNIZZARO-Disproportionierung 326 CARROLL-Reaktion 939, 942 CLAISEN-Esterkondensation 285 CLAISEN-Umlagerung 237, 452, 465 CLEMMENSEN-Reduktion 141, 182, 337 COPE-Eliminierung 386

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Verzeichnis der Namen-Reaktionen

COPE-Umlagerung 113, 117, 390, 452 Diaza- 653 entartete 452 Oxa- 452

COREY-WINTERFragmentierung 438

CRIEGEE-Spaltung der 1,2-Diole 227

CURTIUS-Abbau der Carbonsäureazide 374, 445, 608

D DARZENS-Reaktion 622 DELÉPINE-Reaktion 367 DEMJANOW-TIFFENEAUUmlagerung 117 DEMJANOW-Umlagerung 116, 444 DIECKMANN-Esterkondensation 111, 286 DIELS-ALDER-Reaktionen 88, 111, 173, 460 enantioselektive 259 mit Chinonen 359 mit inversem Elektronenbedarf 112, 464 mit Maleinsäure-Derivaten 289 neutrale, normale 463 Retro- 465, 544 Stereospezifität 257, 463

999

FRIEDEL-CRAFTS-Acylierungen 141, 158, 159, 182, 266, 281, 314, 318 FRIEDEL-CRAFTS-Alkylierungen 139, 140, 146, 147, 158, 344 FRIEDLÄNDER-PECHMANNSynthese der Cumarine 683

FRIEDLÄNDER-Synthese der Chinoline 323, 680

FRIES-Umlagerung (Verschiebung) 351, 449

G GABRIEL-Synthese primärer Amine 288

GATTERMANN-KOCHFormylierung 314

GATTERMANN-Synthese der Arenaldehyde 314

GILMAN-MOORE-Synthese der Phenoxazine 685

GLASER-Kupplung 97, 114, 149, 586 GOMBERG-BACHMANN-Reaktion 398 GRAEBE-ULLMANN-Synthese der Carbazole 655

GRIGNARD-Reaktion 196 präparative Anwendungen 34, 283, 600, 602

GUARESCHI-Synthese der Pyridine 672

Di-r-Methan-Umlagerung 558 DÖTZ-Reaktion 183, 614

GUSTAFSON-Synthese

E EDMAN-Abbau

H HANTZSCH-Synthese

der Peptide 809

ELBS-Reaktion 183 ERLENMEYER-Synthese der Aminosäuren 777

ETARD-Oxidation 310

des Cyclopropans 109

der Pyridine 672 der Pyrrole 648

HAWORTH-Synthese kondensierter Aromaten 182

HECK-Reaktion 68, 614 enantioselektive 614

F FAVORSKII-Umlagerung 447 FEHLING-Reaktion 336 FEIST-BENARY-Synthese der Furane 648

FINKELSTEIN-Reaktion 191 FISCHER-HEPP-Umlagerung 450 FISCHER-Synthese des Indols 653, 718, 780, 840 der Glycoside 859

FISCHER-TROPSCH-Verfahren 32

HELFFERICH-Synthese der Glycoside 860

HELL-VOLHARD-ZELINSKIIHalogenierung 292 HINSBERG-Synthese der Thiophene 647

HINSBERG-Trennung der Amine 383, 425

HOCK-Synthese des Acetons und Phenols 344

HOFMANN-Abbau der Carbonsäureamide 373, 445

HOFMANN-Eliminierung 385 HOFMANN-MARTIUS-Umlagerung 450 HOOKER-Oxidation 360 HORNER-EMONS-Alkenylierung 328 HOUBEN-HOESCH-Reaktion 318 HUNSDIECKER-Decarboxylierung 193, 278 I,J IRELAND-CLAISEN-Umlagerung 271 JACOBSEN-Umlagerung 141, 449 JAPP-KLINGEMANN-Reaktion 404 K KILIANI-Synthese der Kohlenhydrate 330, 855

KNOEVENAGEL-Alkenylierung 60, 270, 285, 302, 334, 340, 418, 420, 692, 697 KNORR-Synthese der Pyrrole 650

KOLBE-Elektrolyse 36 KOLBE-Synthese der Nitrile 268

KOLBE-SCHMITT-Synthese der Salicylsäure 266

KÖNIGS-KNORR-Synthese der Glycoside 860 der N-Glycoside 895

KRÖHNKE-Reaktion 310 L LADENBURG-Synthese des Coniins 840

LEUCKART-WALLACHReaktion 372

LOBRY-DE-BRUYN-VAN-EKENSTEINUmlagerung 862

LOSSEN-Abbau der Hydroxamsäuren 373, 445

M MADELUNG-Synthese des Indols 653

MAILLARD-Reaktion 862 MALAPRADE-Spaltung 227 MANNICH-Reaktion 334, 779, 840 MCLAFFERTY-Umlagerung 544 MCDONALD-Synthese der Porphyrine 738

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1000

MCDONNALD-H.O.L. FISCHERAbbau der Kohlenhydrate 868

MCMURRY-Reaktion 60, 338, 738, 943 MEERWEIN-PONNDORF-VERLEYReduktion 326 MERRIFIELD-FestphasenSynthese der Peptide 763, 804

MICHAEL-Addition 285, 302, 335, 340, 369, 627, 651, 693, 717 MITSUNOBU-Reaktion 298, 396, 622 MONSANTO-Prozeß 780 MUKAIYAMA-Variante der Aldol-Reaktion 330

MÜLLER-ROCHOW-Synthese der Halogensilane 605

Verzeichnis der Namen-Reaktionen

R RADZISZEWSKI-Synthese der Imidazole 647

RAMBERG-BÄCKLUND-Reaktion 420 RASCHIG-Prozeß 346 REFORMATSKY-Reaktion 296, 601 REIMER-TIEMANN-Formylierung 315, 663 REPPE-Synthesen mit Ethin 94

RILEY-Oxidation 310, 316 ROBINSON-Annelierung 335 ROBINSON-Synthese der Flavylium-Salze 684

ROSENMUND-Reduktion 280, 311 ROTHEMUND-TREIBS-Synthese der Porphyrine 737

N NAZAROW-Cyclisierung 335 NEBER-Umlagerung 446 NEF-Reaktion 311 zur Monosaccharid-Synthese 856

NESMEJANOW-Reaktion 398 NORRISH-Typ-I- und IIReaktionen 557

NYLANDER-Reaktion 336 O,P,Q OPPENAUER-Oxidation 316, 326 PAAL-KNORR-Synthese der Fünfring-Heteroaromaten 646 Umkehrung 664

PATERNO-BÜCHI-Reaktion 562, 624 PAUSON-KHAND-Reaktion 96 PERKIN-Reaktion 270, 334 PETERSON-Alkenylierung 60 PFITZNER-MOFFATT-Oxidation 419, 865 PICTET-SPENGLER-Synthese der Isochinoline 681, 841

POMERANZ-FRITSCH-Synthese der Isochinoline 681

PRILEZHAEV-Epoxidation 235, 624 PRINS-Reaktion 65 PUMMERER-Umlagerung 419

S SAKURAI-Reaktion 609 SANDMEYER-Reaktion 152, 171, 397 SAUERMILCH-Oxidation 310 des 2-Methylpyridins 693

SCHLENK-Gleichgewicht 196 SCHMIDT-Reaktion der Carbonsäuren 374, 445 der Ketone 375, 446

SCHMIDT-Synthese der Glycoside 860

SCHOTTEN-BAUMANNBenzoylierung 279

SHAPIRO-Reaktion 339 SHARPLESS-Epoxidation 257 SIMMONS-SMITH-Reaktion 109, 599 SIMONIS-Synthese der Flavone 684

SKRAUP-Synthese der Chinoline 679

SOMMELET-HAUSER-Umlagerung 450 SONOGASHIRA-Reaktion 96 STETTER-Reaktion 332 STEVENS-Umlagerung 448 STILLE-Kuppplung 197 STORK-Enamin-Alkylierung 324 STRECKER-Synthese der Aminosäuren 776

SUZUKI-Kupplung 197 SWERN-Oxidation 222, 419

T TEBBE-Alkenylierung 329 THORPE-ZIEGLERCyclisierung 114

TISCHTSCHENKO-Reaktion 327 TODD-Synthese des Adenins 700

TOLLENS-Reaktion 336, 870 TRAUBE-Synthese des Guanins 700

TSCHITSCHIBABIN-Reaktion 689 TSCHUGAJEFF-Reaktion 409 TWITCHELL-Verfahren der Verseifung 906

U,V ULLMANN-Reaktion 153 VAN SLYKE-Reaktion der Aminosäuren 787 des Harnstoffs 433 primärer Amine 380

VILSMEIER-Formylierung 313 W WAGNER-MEERWEINUmlagerungen 75, 224, 442 WALDEN-Umkehr 201, 255, 257, 281 WALLACH-Umlagerung 451 WILLGERODT-KINDLER-Reaktion 337 WILLIAMSON-Synthese der Ether 232, 623 der Thioether 412

WITTIG-Alkenylierung 60, 327, 940, 942 WITTIG-Umlagerung 238, 448 WOHL-Abbau der Kohlenhydrate 868

WÖHLER-Synthese des Harnstoffs 433

WOHL-ZIEGLER-Bromierung 189, 288, 293 WOLFF-KISHNER-Reduktion 141, 338 WOLFF-Umlagerung 269, 394, 444 WURTZ-FITTIG-Synthese der Alkylbenzene 142, 153

WURTZ-Reaktion 35, 594 X,Y,Z ZEREWITINOFF-Verfahren 597

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Organische Chemie: Chemie-Basiswissen II

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