Organische Chemie II - Chemie der Carbonylgruppe - Zusammengestellt durch B. Grundkötter und Prof. Dr. C. B. W. Stark Chemie der Carbonylgruppe – Einleitung Inhaltsverzeichnis 1. Einleitung 1.1 Warum Carbonylchemie / Charakteristika der Carbonylgruppe. 1.2 MO-Schema, Bindungsenergie und -abstände (Vergleich: C=O vs. C=C), Charakteristika der Carbonylgruppe (Polarisierung etc.) 1.3 Prinzipien der Katalyse von nucleophilen Additionen an Carbonylverbindungen 1.4 Mechanistische Grenzfälle / Reaktionsprofil 1.5 Acidität, pka-Werte, OH- und C-H-Acidität, Keto-Enol-Tautomerie, Reaktivität von Enolen und Enolaten 1.6 Klassifizierung von Carbonylverbindungen und Oxidationsstatus 2. Reaktion von Aldehyden und Ketonen mit Nucleophilen (Additionsreaktionen) 2.1 Reaktion mit Wasser (Hydratbildung) 2.2 Reaktion mit Alkoholen (Acetal- und Ketalbildung); - Darstellung - Acetale und cyclische Halbacetale in der Natur (Kohlenhydrate) - Reaktion von Acetalen (Enolether-Darstellung) 2.3 Reaktion mit Thiolen (Thioacetalisierung) - Darstellung - Entschützung - Reaktionen: Corey-Seebach-Synthese (Umpolung); Reduktion (Defunktionalisierung) 2.4 Reaktion mit Stickstoff-Nucleophilen - primäre Amine und Ammoniak (Aminale: Urotropin) - sekundäre Amine - weitere N-Nucleophile (Hydrazine, Hydroxylamine etc.) 2.5 Reaktion mir Kohlenstoff-Nucleophilen (hier nur Cyanid) - Cyanhydrine - Strecker-Aminosäure-Synthese - Benzoin-Kondensation 2.6 Umlagerungsreaktionen - Baeyer-Villiger-Umlagerung - Beckmann-Umlagerung 3. Reaktionen von Carbonsäuren und Carbonsäurederivaten 3.1 Einleitung (Biomoleküle, physikalische Eigenschaften etc.) 3.2 Carbonylaktivität (I- und M-Effekte, Reaktivitätsreihe, α-C-H-Acidität, Basizität des Carbonylsauerstoffes) 3.3 Allgemeiner Reaktionsmechanismus (Additions-Eliminierungs-Mechanismus, Fluchtgruppenqualität, Triebkraft) 3.4 Veresterung und verwandte Reaktionen - Veresterung nach Fischer, Umesterung, Amidsynthese - Reaktive Acylierungsmittel: Säurechloride (Mechanismus, Keten-Mech., Darstellung von Säurechloriden) - In situ Aktivierung von Carbonsäuren (Yamaguchi-Veresterung, CarbodiimidMethode, Mitsunobu-Reaktion) 3.5 Esterspaltung (sauer vs. basisch, spezielle Esterspaltungen) 3.6 Decarboxylierungsreaktionen - thermisch - radikalisch / elektrochemisch (Kolbe-Elektrolyse, Hunsdiecker-Reaktion) - Decarboxylierung von β-Keto-Säuren 3.7 Umlagerungsreaktionen - Arndt-Eistert-Synthese / Wolff-Umlagerung (Reaktivität von Ketenen) - Isocyanate / Acylnitrene (Hofmann-Abbau, Lossen-Reaktion, Curtius-Reaktion) 3.8 Nitrile (Darstellung, Reaktivität, Reduktion, Hydrolyse und partielle Hydrolyse) Chemie der Carbonylgruppe – Inhaltsverzeichnis 4. Heterocumulene 4.1 Einleitung (Oxidationsstatus, Hybridisierung, Reaktivität) 4.2 Ketene - Darstellung (aus Säurechloriden, aus -Halogen-Säurehalogeniden) - Reaktionen mit Nucleophilen - [2+2]-Cycloaddtionen (Cyclobutanone, Diketen, Reaktionen von Diketen) 4.3 Isocyanate - Darstellung - Reaktionen mit Nucleophilen (auch Polymerisation: z.B. Polyurethane) 4.4 Isothiocyanate (Edman-Abbau, Peptid-Sequenzierung) 4.5 Kohlendioxid / Schwefelkohlenstoff - Kohlendioxid (Reaktion mit Wasser, Alkoholaten, C-Nucleophilen) - Schwefelkohlenstoff (Reaktion mit Alkoholaten, Darstellung von Xanthogenaten) 5. C-C-Knüpfungen mit C-H-aciden-Verbindungen 5.1 Einleitung - Carbanionen (Struktur, Hybridisierung) - C-H-Acidität (Enolate, ambidente Nucleophilie, HSAB-Konzept, relative Reaktivität) - Irreversible Enolat-Generierung (Gleichgewichtsreaktion, angemessene Basen) - Regioselektivität der Enolat-Darstellung (kinetische vs. thermodynamische Kontrolle) 5.2 Reaktionen mit Halogen-Elektrophilen - -Bromierung - Haloform-Reaktion - Hell-Volhard-Zelinsky-Reaktion 5.3 Reaktionen mit Alkylhalogeniden - Reaktion mit Alkylhalogeniden (generell) - Malonester- und Acetessigester-Synthesen - Alkylierung mit tertiären Elektrophilen (Lewis-saure Bedingungen) - Darstellung von Silylenolethern - Enamine als Nucleophile (Stork-Enamin-Synthese) 5.4 Carbonylverbindungen als Elektrophile - Aldol-Reaktion (Aldol-Kondensation, gekreuzte Aldol-Reaktion, Mukaiyama-Aldol) - Mannich-Reaktion - Intramolekulare Aldol-Kondensationen - Claisen-Kondensation und Dieckmann-Cyclisierung - Knoevenagel-Kondensation und Henry-Reaktion 5.5 Spezielle Transformationen mit -Halogencarbonylen - Darzens-Glycidester-Synthese 5.6 Organometall-Verbindungen als Nucleophile - Umpolung, Grignard-Reagenzien, Struktur, Stabilisierung, Lösungsmittel, DonorAdditive - Reaktionen Metallorganischer Reagenzien mit Carbonylverbindungen - Reformatzky-Reaktion 6. Vinylogie-Prinzip 6.1 Einleitung (ambidente Elektrophile, 1,2- vs. 1,4-Addition) 6.2 Michael-Addition (verschiedene Nucleophile, Folgereaktionen, Retro-Michael-Reaktion) 6.3 Reaktion mit C-H-Aciden-Verbindungen (Enolate, Knoevenagel-Typ, Stetter-Reaktion, Robinson-Annelierung) 7. Ylide und Olefinierungsreaktionen 7.1 Einleitung (Ylide, Darstellung, Stabilisierung) 7.2 Wittig-Reaktion 7.3 Horner-Wadsworth-Emmons-Reaktion Chemie der Carbonylgruppe – Einleitung 1 1. Einleitung 1.1 Relevanz der Carbonylchemie Dieser Teil der OC2 – Vorlesung beschäftigt sich mit nur einer „Verbindungsklasse“ nimmt allerdings genauso viel „Platz“ ein wie der erste Teil. O R1 R2 Seebach: „Carbonylchemie ist das Rückgrat der Organischen Chemie.“ Carbonylverbindungen sind leicht herstell- und handhabbar, besitzen eine hohe Reaktivität, weshalb sie vielfältig umsetzbar sind, und sind von großer Bedeutung bei Biomolekülen: 1) Proteine O * R1 2) Fette / Öle: O N H R1 O 3) Kohlenhydrate: CHO H * Glycerin OH OH HO HO H H OH H OH O HO OH OH CH2OH β – D – Glucose Charakteristika der C=O-Gruppe O H EN (O) = 3,5 EN (C) = 2,5 H + H + Nu - +H - H2O H H Nu - I – Effekt (σ – Akzeptor – Effekt) OH als Fluchtgruppe durch Protonierung oder Überführung in Sulfonsäureester 2 Chemie der Carbonylgruppe – Einleitung Chemie der Carbonylgruppe – Einleitung 3 Säurekatalyse Vergleich C=O mit C=C – Doppelbindung R3 O R1 R2 R1 ← polar R4 O + H R1 R2 R2 ← unpolar - H + + O H O H + R1 R2 C R1 + R2 →aktivierte Carbonylfunktion (durch H+ oder Lewissäure) 1.2 MO – Schema, Bindungsenergie und –abstände 1.4 Mechanistische Grenzfälle π* LUMO π* LUMO 1.) C 2p O 2p C 2p O C 2p R1 π HOMO R2 π HOMO ⇒ nucleophile Addition ⇒ elektrophile Addition R1 R1 R1 δ+ R2 + C O O R2 R2 O δ- Die Folge daraus ist, dass der Kohlenstoff elektrophil und der Sauerstoff nucleophil ist. 1.3 Prinzipien der Katalyse nucleophiler Addition an Carbonylverbindungen O H + Base + R1 R2 + R1 C R1 - Base + Nu - O R2 + O - Nu R2 Nu R1 O H + H + - H R1 3.) + Nu - + H R1 O H + O R2 - Nu- - H + R1 R2 Nu Vergleiche Folie F1 1.5 Acidität / pKa – Werte / Keto-Enol-Tautomerie + R1 O H - H R2 +H + O + R1 R2 pKa = -7,2 R2 + Base O + H + H O H R1 R2 Nu - Nu R2 Protoniertes Aceton Basenkatalyse Nu + - H + Nu - O H O H 2.) R1 C=O versus C=C Sauerstoff trägt keine Substituenten, besitzt aber freie Elektronenpaare Sauerstoff hat eine höhere Elektronegativität als Kohlenstoff ⇒ π – Wolke verschoben in Richtung des Sauerstoffatoms ⇒ Polarisation der Bindung Mesomere Formeln: + + + H R1 R2 R3 O + - H + +H R1 R2 R3 pKa = 18 R2 Nu O H R1 R2 Nu 4 Chemie der Carbonylgruppe – Einleitung Chemie der Carbonylgruppe – Einleitung O O HO Neben OH – Acidität gibt es auch CH – Acidität O O + Base H R H2C - Base O R R vergleichsweise acide pKa ≈ 17 für R = H + Base 5 O K eq < 0,2 + H O Aromatisierung: OH (amidentes Nucleophil) normalerweise pka (R3CH) ≈ 50 pKa (O=C mit CH in α - Position) = (17 – 25) abhängig von R O R1 R3 Keto-Enol-Tautomerie Stereochemie: Enolat R1 R3 OH + + Base R + Base OH Enol O H R R2 R2 + Base O R1 O H R3 R2 R + +H + O H H + -H ⇒ Racemisierung OH Reaktivität der Enolate: R Enol R Die Keto-Enol-Tautomerie ist sowohl im basischen als auch im sauren Medium möglich, jedoch entsteht bei starken Basen eher das Enolat als das Enol. Das Gleichgewicht der Tautomerie liegt (in der Regel) vollständig auf der Seite des Ketons. Dies ist auch auf Grund der höheren Bindungsenergie der C=O-Bindung der Fall. O + E + O ⇒ C – Nucleophilie Fazit: E+ O Ausnahmen: O O β – Di – Carbonyl O H H R O Nu K eq = 0,23 (in H20) - E + (nach Enolisierung) E 6 Chemie der Carbonylgruppe – Einleitung 1.6 Klassifizierung von Carbonylverbindungen und Oxidationsstatus H R1 H R2 Alkan "Oxidation" R1 OH H R2 Alkohol O "Oxidation" R1 "Oxidation" R2 Aldehyd / Keton R1 O OR Ester / Carbonsäure RO 7 2. Reaktionen von Aldehyden und Ketonen mit Nucleophilen 2.1 Reaktion mit Wasser (Hydratbildung) O "Oxidation" Chemie der Carbonylgruppe – 2. Reaktionen von Aldehyden und Ketonen OR +O H Kohlensäurederivate Mit den Verbindungen der Klassen der Aldehyde / Ketone, der Ester / Carbonsäuren und der Kohlensäurederivate befasst sich die Carbonyl – Chemie. H HO + H 2O + O H + H+ -H O + HO + H 2O + OH - H 2O - - O + H 2O - OH Hydrat OH Ausgehend vom Aldehyd oder Keton entsteht als Hydrat der Carbonylfunktion ein geminales Diol. Die Hydratbildung kann sowohl H+-katalytisch als auch OH--katalytisch ablaufen. Erlenmeyer Regel: „R2C(OH)2 ist nicht möglich, da Carbonylhydrate schnell Wasser abspalten!“ Ausnahmen von dieser Regel befinden sich auf Folie F2 Trend: > Acc H > Alkyl O O O O H Alkyl Alkyl O > > Ar H Ar Alkyl Abnahme der Neigung zur Hydratbildung Erklärung: R OH O O + H R C H R vergleiche mit H OH OH Donor - Substituenten stabilisieren Carbonyl (-kation) relativ zum Hydrat Akzeptor - Substituenten wirken destabilisierend 8 Chemie der Carbonylgruppe – 2. Reaktionen von Aldehyden und Ketonen 2.2 Reaktion mit Alkoholen (Acetal- und Ketalbildung) cycl. Acetal O Acetalbildung: Ph O + 2 MeOH , [H+] + + HO [H+] OH + H+ O + H+ + H O -H Ph + MeOH HO O+ CH3 - H+ HO O CH3 H +H H H H - H2O + C H H + H2O OH + C H + H2O H Merkregel: Intramolekulare Reaktionen sind (fast) immer schneller als intermolekulare (besonders bei der Bildung von 5- und 6-Ringen) OMe Acetale und Ketale sind in der Synthese wichtig als Schutzgruppen gegen Nucleophile und Basen: Die Acidität des Wasserstoffatoms am Kohlenstoffatom der geschützten Carbonylfunktion ist äußerst gering. ⇒ Acetale / Ketale sind instabil bzw. reaktiv unter sauren Bedingungen + MeOH + OO CH3 O → Bildung ist entropisch begünstigt ⇒ leichte Bildung H3C + H O OMe H O Ph - H+ H H H Halbacetal Ketalbildung: O H OMe OMe - H2O H 9 Chemie der Carbonylgruppe – 2. Reaktionen von Aldehyden und Ketonen Vergleiche Folie F3 + 2 Me OH + + H MeO OMe + H2O Cyclische Halbacetale (Fünf- und Sechsringe) sind stabil ⇒ Kohlenhydratchemie Der Mechanismus dieser Reaktion ist der gleiche wie bei der Acetalbildung Anomere / Mutarotation Allgemein: Bei der Bildung von Acetalen und Ketalen steht jeder Schritt der Reaktion im Gleichgewicht ⇒ Verschiebung des Gleichgewicht ist notwendig, durch 1.) Überschuss des Alkohols 2.) Entzug des Wassers (azeotrope Destillation oder Wasserbindende Mittel) OH HO HO OH HO O b - D - Glucose a - D - Glucose OH H OH - H+ HO O OH OH H + H+ Aceltalhydrolyse = Umkehrung der Acetalbildung Acetale sind Schutzgruppen für die Carbonylfunktion Cyclische Acetale und Ketale – Reaktionen mit Diolen OH HO HO O- Rotation OH HO HO OH H O OOH O H Aldehyd Eigentlich würde man erwarten, dass die β – Form gegenüber der α – Form bevorzugt würde, da in der β – Form alle Substituenten in equatorialer Stellung sich befinden jedoch in der α – Form die OH – Gruppe am anomeren Kohlenstoffatom axial ständig ist. 10 Chemie der Carbonylgruppe – 2. Reaktionen von Aldehyden und Ketonen Die Begründung hierfür ist die bei Cyclohexanderivaten beobachtete Bevorzugung von equatorialen Substituenten gegenüber axialen, aufgrund der 1,3 – diaxialen Repulsion. Eine mögliche Erklärung bietet die Beobachtung des anomeren Effekts bei anomeren Halogeniden (X = Halogenid) OH HO OH HO O HO OH O+ HO H OH H X X Überlappung zwischen dem axialen Elektronenpaar des Sauerstoffs mit der C – X – Bindung O R R - ROH O R + H + SH C R Entschützung (nicht sauer) / Dethioketalisierung Hg2+ / LA (auch MeI) + H2O S O R1 R2 δ− δ+ δ+ O - H+ RO O R H R R δ− H S versus R1 R2 R1 Reaktionen von Thioketalen (Corey – Seebach – Synthese) → Reaktivitätsumpolung OR [H+]; ∆ (~150°C); - ROH (ohne H2O) + H+ + OH S Darstellung von Enolethern H + C mäßig stabilisiert gut stabilisiert (+M) Grund für diese unterschiedliche Stabilisierung ist die unterschiedliche Überlappung der Orbitale der freien Elektronenpaare mit dem leeren Orbital des Kations. Die Überlappung ist gut bei Sauerstoff, jedoch schlecht beim Schwefel. Dies führt dazu, dass der Schwefel im Vergleich ein schlechter π – Donor ist. Reaktionen von Acetalen und Ketalen RO OR 11 Chemie der Carbonylgruppe – 2. Reaktionen von Aldehyden und Ketonen C - C - Knüpfung O R2-CH2-X H R1 CH2 R2 O C + SH HS H vergleiche E1 Hg2+ / H2O BF2 . OEt2 - LiX 2.3 Reaktion mit (Di -) Thiolen S O R1 + HS SH LA (z.B. ZnCl2) S S R2 R1 R2 (Der Mechanismus dieser Reaktion entspricht dem der Reaktion eines Ketals mit einem Diol und wird deshalb an dieser Stelle nicht wiederholt!) Thioacetale / -ketale sind vergleichsweise säurestabil R1 S H BuLi - Butan S R1 R2-CH2-X S C Li + SN2 S R1 S CH2 R2 + Li X Umpolung Goldene Regel für Ionen – Stabilisierung: „Was gut ist für ein Kation, ist schlecht für ein Anion. Und was gut ist für ein Anion, ist schlecht für ein Kation.“ Mit Umpolung bezeichnet man einen Vorgang, durch den die ursprüngliche Ladung (partielle oder ionische) umgekehrt wird. δ+ δ− R CH2 X formal δ− δ+ R CH2 M 12 Chemie der Carbonylgruppe – 2. Reaktionen von Aldehyden und Ketonen 2.4 Reaktionen mit Stickstoff – Nucleophilen Chemie der Carbonylgruppe – 2. Reaktionen von Aldehyden und Ketonen Urotropin primäre Amine N R H O N H N N + Imminium - Ion N 4 NH3 + O 6 H + RNH2 H R R + H H O+ N H - H O N - H+ 2 R H O N H + H+ O + H+ O + H N R + RNH2 - H+ R H Imin + C Halbaminal Der Reaktionspfad ist abhängig vom pH der Lösung (sauren Katalysator) und von der Nucleophilie des Amins Die Einstellung des pH-Wertes ist notwendig, da sonst die Bildung von RN+H3 in Konkurrenz zur gewollten Reaktion ablaufen kann Hydrolyse von Iminen = Umkehrung der Imin – Bildung Bei Iminen ist E / Z – Isomerie möglich: N R1 R3 R3 R2 R1 N R2 Isomerie !! Spezialfall: Ammoniak als N – Nucleophil O + NH3 H + H+ + N H - H2O Neigung zur Oligo– und Polymerisation O H R + N + R +R H H NH3 H2N R H N H + H2N NH2 R NH2 RR R (vergleiche Aminal R R R ) + N H R Polymerisation Aminal → thermodynamisch stabilstes Oligomer H 13 14 Chemie der Carbonylgruppe – 2. Reaktionen von Aldehyden und Ketonen 15 Chemie der Carbonylgruppe – 2. Reaktionen von Aldehyden und Ketonen Sekundäre Amine (Hydrazon: Imin aus Hydrazin) Anwendung: R O + H+; + R2NH; - H2O H + N R - H+; + R2NH H R2N R2 NR2 H N R1 - H+ R N R R + N gute C - Nucleophile Tertiäre Amine + H NR3 R1 Wolf – Kischner – Reduktion ⇒ siehe OC2 – Teil 3 R1 H + N H H + H R2 H N + NO2 H NO2 Oxime: O Rückreaktion bevorzugt keine Stabilisierung möglich R + H N - H2O; - HCl HON+H3 Cl- O R OH H Oxim HONH2 HN+R3 (Hydroxylamin) Die Enolatbildung ist eine Gleichgewichtsreaktion → Abfangreaktionen sind möglich Zusammenfassung: NH3 reagiert in der Regel zu NH2R reagiert in der Regel zu NHR2 reagiert in der Regel zu NR3 reagiert in der Regel N2 N NH2 N R H H Kristalline Produkte mit wohl definiertem Schmelzpunkt DNPA (Färbereagenz) H + + R1 NO2 O2N O R (vergleiche Enol) O H H basisch; ∆ „Dinitrophenylhydrazon“ (vergleiche Kapitel 5) Enamin O H R C H2 C H2 N ⇒ Ausgangsverbindungen für Beckmann – Umlagerung (vergleiche Kapitel 2.6) 2.5 Reaktion mit Kohlenstoff – Nucleophilen (hier nur Cyanid) Oligo- und Polymeren Iminen Enaminen nicht (höchstens als Base) Cyanhydrine O R HO CN H + HCN R H Weitere N – Nucleophile Hydrazone: + N2H4 O R R - H2O N R O NH2 R R + H + CN- H Das Produkt ist stabil im sauren Milieu; im basischen läuft die Rückreaktion ab 16 Chemie der Carbonylgruppe – 2. Reaktionen von Aldehyden und Ketonen → wichtige Methode zur C1 – Kettenverlängerung HO CN R [H+]; H2O; ∆ HO R [H+]; H2O; ∆ NH2 R 2.6 Umlagerungsreaktionen O O HO OH R R + R NH3 a) Baeyer – Villiger – Umlagerung O + O → Hydrolyse eines Cyanids zur Carbonsäure (Mechanismus folgt in Kapitel 3) R1 Strecker – Aminosäure – Synthese O R H + NH4Cl H + NaCN N R R3 O O H2N CN R + NaCl H + H2O [H+]; H2O; ∆ R2 R3 + H R α - Aminosäure R1 + R1 R2 O O O H OH O H Umlagerung O H2N O O H - H+ + H+ H + CN+ NaCl + H2O H 17 Chemie der Carbonylgruppe – 2. Reaktionen von Aldehyden und Ketonen + R3 O O R2 HO O O R1 R2 HO O R3 R1 O + R2 O + R3 O Crigee - Intermediat Benzoin – Kondensation Ar CN HO H + CN- Ar O (1) O CN Ar O Umpolung C (2) H Ar Ar + H Ar OH O + CN- Cl O (3) O O H O CN HO CN Ar Dabei wird als Percarbonsäure häufig Meta – Chlor – Peroxy – Benzoe – Säure (mCPBA) eingesetzt: Ar O H Benzoin = α – Hydroxyketon Rolle des CN- : (1) Nucleophil (2) Acidifizierung des α - Protons (3) Gute Abgangsgruppe (1) + (3) Katalysator Ar Ar OH Wanderungstendenzen der Reste: H > 3° > 2° > 1° > CH3 Je höher ein Kohlenstoffatom substituiert ist, desto besser „wandert“ er → häufig gute Regioselektivität O O mCPBA; DCM; RT O Ringexpansion mögliche Erklärung der Wanderungstendenz beim Auftreten freier Carbanionen (im Umlagerungsschritt) 3° < 2° < 1° < CH3 , da das Carbanion nach VSEPR nicht planar (vergleiche NH3) Aber: Umlagerung ca. konzertiert d.h. kein freies Carbanion → daraus folgt Wanderung des höher substituierten Restes, da höhere Nucleophilie 18 Chemie der Carbonylgruppe – 2. Reaktionen von Aldehyden und Ketonen b) Beckmann – Umlagerung Überblick der bei (1) auftretenden Verbindungen O R1 R1 H2NOH; H+ oder LA R2 R1 OH N O + H2NOH - H2O N H R2 H Nu(cleophil) - H Name H2O Hydrat R2 ROH Halbacetal / -ketal X RSH Halbthioacetal / -ketal X 2.3 RR' NH HCN Halbaminal Cyanhydrin X 2.4 2.5 Tautomerie + + H+ N R1 O H Umlag. R1 - H2O N C R2 R1 + H2O H + O R2 R1 N - H+ + R2 N Produkt X N Nu(cleophil) - H HO R2 X H Name Produkt ROH Acetal / Ketal X RSH ( RR' NH Thioacetal / -ketal Aminal ) X 2.2 Produkt (3) (4) H C N Ringöffnende Polymerisation HN O C N H N N H n O Zusammenfassung Kapitel 2: O R1 R2 Nu H HO Nu R2 R1 Nu H - H2O Nu R1 für RR' NH - H2O R2 (2) R' R2 Nu R1 (1) HO Nu 2.3 Überblick für RR’ NH O -H2O Intermediat Auftreten in Kapitel X Name Enamin Imin R ≠H ≠H R' ≠H =H Anwendung aus der Technik: Beckmann-Umlagerung 2.2 + R2 H2NOH; H+ Intermediat Auftreten in Kapitel 2.1 Überblick der bei (2) auftretenden Verbindungen R1 O 19 Chemie der Carbonylgruppe – 2. Reaktionen von Aldehyden und Ketonen N R1 (3) R N R2 R R2 R1 (4) ambidentes Nucleophil einfachster umgepolter C1 - Baustein folgliches Edukt sekundäres Amin primäres Amin 20 Chemie der Carbonylgruppe – 3. Reaktionen von Carbonsäuren und Carbonsäurederivaten Chemie der Carbonylgruppe – 3. Reaktionen von Carbonsäuren und Carbonsäurederivaten O 3. Carbonsäuren und Carbonsäurederivate R X → Reaktivität wird erhöht durch – I – Effekt 3.1 Einleitung allgemeiner Strukturtyp O O R R X X = OH, OR', NR'2, SR', Hal, etc. X → Reaktivität wird verringert durch + M – Effekt vergleiche Kapitel 1 Bedeutung / Biomoleküle R O R1 O O O Fettsäuren / -ester R2 O O O R1 N H R1 < O O R1 O N R2 < R1 O R2 R3 +M -Effekt S CoA R1 O O H R3 < R2 R1 S R2 H O < < O = R1 Cl R1 O R2 -I -Effekt H O R3 O O H Wasserstoff – Brücken 5 bis 6 kcal / mol → hohe Schmelz- und Siedepunkte R1 O O ⇒ C – C – Knüpfungen in der Natur O O O < O R3 R1 O H < * Thioester (Acetyl – CoA) R1 X ⇒ daraus ergibt sich folgende Reaktivitätsreihe Proteine * + R X Dabei ist zu beachten, dass jeder X – Substituent immer sowohl über einen – I – als auch + M – Effekt verfügt! Die in der Grafik abgegebenen Effekte sind nur die entscheidenden Effekte. Einfluss des Restes R O 3.2 Carbonylaktivität Carbonylaktivität ist die Reaktivität einer Carbonylfunktion gegenüber Nucleophilen in Abhängigkeit vom Substituenten X in der Struktur R X Ist R ein Akzeptor, so wird die Carbonylaktivität erhöht 21 22 Chemie der Carbonylgruppe – 3. Reaktionen von Carbonsäuren und Carbonsäurederivaten (Der pKa – Wert ist eine thermodynamische Größe) ⇒ Reaktion muss thermodynamischer Kontrolle unterliegen Vergleiche: O O H3C F3C OH 23 Chemie der Carbonylgruppe – 3. Reaktionen von Carbonsäuren und Carbonsäurederivaten ⇒ pKa (HX) < pKa (HNu) → Gleichgewicht auf der rechten Seite der oben beschriebenen Reaktionsgleichung OH pKa = 4,75 pKa = 4,75 3.4 Veresterung und verwandte Reaktionen O O Veresterung nach Fischer R R O O Stabilisierung durch Akzeptor – Rest R O R1 Einfluss auf α – CH – Acidität Basizität des Sauerstoffatoms der C = O O X vergleiche Keto – Enol – Tautomerie Kapitel 1.5 O + + [H+]; ∆; - H2O R2 OH O R1 + H+ O H H O R2 - H+ + O H X R1 + O H OH R1 O R2 + HO-R2 HO OH ⇒ siehe dazu Folie F4 + R1 O R2 - H+ R1 H Zusammenfassung HO OH + H+ O R2 H + HO O H R1 OH - H2O + R1 O R2 C Hydrat eines Esters Mit erhöhten Akzeptor – Eigenschaften von X sinkt die Basizität des Sauerstoffatoms der Carbonylfunktion, steigt die α – CH – Acidität → steigt die Elektrophilie des Kohlenstoffs der Carbonylfunktion Die Veresterung ist eine Gleichgewichtsreaktion und als solche reversibel! Um das Gleichgewicht in die gewünschte Richtung zu verschieben, wird der Alkohol im Überschuss eingesetzt und das entstehende Wasser entfernt. Die Umkehrung der Veresterung ist die Esterhydrolyse. 3.3 Allgemeiner Mechanismus Umesterung Additions – Eliminierungs – Mechanismus Addition O R1 + NuX O Nu R1 O Eliminierung X R1 O - XR1 Nu tetraedrisches Intermediat Dieser Mechanismus entspricht insgesamt formal einem SN2 – Mechanismus Die Richtung in der die Reaktion verläuft ist abhängig von der Nucleophilie von Nu– versus X– beziehungsweise von der Fluchtgruppenqualität von Nu– und X– Regel: Je saurer HX, desto besser die Fluchtgruppenqualität von X– O R2 + R3 OH O + [H+]; ∆ R1 O R3 + R2 OH Der Mechanismus ist der gleiche wie bei der Veresterung nach Fischer. Auch bei der Umesterung handelt es sich um eine Gleichgewichtsreaktion, weshalb auch hier der Edukt – Alkohol im Überschuss eingesetzt und der Produkt – Alkohol zum Beispiel durch Destillation entfernt wird. ⇒ sowohl die Veresterung nach Fischer als auch die Umesterung laufen nur unter H+ – katalytischen Bedingungen ab O R2 24 Chemie der Carbonylgruppe – 3. Reaktionen von Carbonsäuren und Carbonsäurederivaten Nachteile: Drastische Bedingungen (∆) Überschuss an Alkohol notwendig Keten – Mechanismus (besonders bei basischen Aminen und C – H – aciden Carbonylverbindungen O Lösung: reaktive oder aktivierte Acylierungsmittel (Veresterungsmittel) (z. B. Säurechloride oder Säureanhydride) R1 O CH + Cl O - Cl + N R1 R1 + N + R2 OH - H+ H3C OD R1 O R2 N O R1 Cl R1 - + + C C O R2 OH + Base O bei 0° oder RT R1 O R2 + Base H Cl + N Et3 -N+ Et3 H R1 + O R2 D O R2 Pyridin ist nucleophil → schnelle Reaktion mit dem Säurechlorid Et3N fängt lediglich die gebildete Salzsäure ab ( vergleiche aber Keten – Mechanismus) ⇒ vergleichbare Reaktion mit Anhydriden OMe H Cl kann racemisieren Anwendung von Säurechloriden insbesondere zur Darstellung einfacher Ester (Acetate, Benzoate, …) Darstellung von Säurechloriden O R1 Veresterungskatalysatoren: siehe Kapitel 4 C R2 - Cl H über O O Cl R1 OMe CH ⇒ insbesondere relevant bei α – chiralen Säurederivaten R1 + R2 OH O Cl R1 O R1 H3C OD Addition an C = C - Bindung H + + + Et3 N - Et3 N+ H Cl- + N OMe CH2 Verhältnis 2 : 1 O N R1 O Et3 N H O Cl 25 Chemie der Carbonylgruppe – 3. Reaktionen von Carbonsäuren und Carbonsäurederivaten O SOCl2 oder PCl3 oder PCl5 oder O OH R1 Cl N Cl + HCl + XYZ Cl O XYZ hängt vom Einsatz ab N i) Di – Methyl – Amino – Pyridin (DMAP) entwickelt von Herrn Steglich → Bezeichnung als Steglich – Base O O R1 OH + Cl S O Cl R1 Cl O O Intermediat: R N H S O O O R1 Cl Cl + + O S Cl +H + O O N R1 O S O + Cl HCl R1 C H + O O O S Cl + Cl R1 Cl + SO2 + HCl 26 Chemie der Carbonylgruppe – 3. Reaktionen von Carbonsäuren und Carbonsäurederivaten In situ – Aktivierung und Wasser – Bindung Carbodiimid – Methode Die Reaktion verläuft analog mit PCl3, PCl5, usw. ii) Oxallychlorid O O O R1 OH + Cl Cl O O Cl HO O R1 Cl R1 O Cl + + + HCl CO2 R1 O H O R1 + R1 OH O O Base R1 R1 O O R2 + R1 O + Base H+ R1 O R1 O O R1 O O R2 + N N H N R3 H + R3 O R2 OH R1 R2 O N + O R3 N H H R3 → Di – Cyclo – Carbodiimid (DCC) → Di – Isopropyl – Carbodiimid (DIC) O R3 N H O R3 R1 O N R3 F N N H R3 F N O O - HCl O Die Lösung für dieses Problem ist der Zusatz von aktivierenden Katalysatoren Zum Beispiel: R1 Cl R1 Cl N O Cl Trichlorbenzoylchlorid R3 azaanaloges gemischtes Anhydrid HO Cl Cl + N N O O + O Problem ist die häufig beobachtete Umlagerung des azaanalogen Anhydrids zu N – Acylharnstoffderivaten (insbesondere bei reaktionsträgen Substraten. Lösung: In situ – Erzeugung von gemischten Anhydriden Yamaguchi – Veresterung H C + R1 O -H2O H O H R3 vergleiche Darstellung von Anhydriden 2x R1 N O "geht verloren" O R2 OH R3 = Cyclo – Hexyl = Iso – Propyl O H N R3 O R3 O Verwendung von Anhydriden R1 + R3 N C N CO Generelle Anmerkung zu Säurechloriden Hoch reaktiv Reagieren spontan und zum Teil heftig mit Wasser ⇒ deshalb Erzeugung in situ (≈ „am Ort des Geschehens“) oder destillative Reinigung Einige Säurechloride kommerziell erhältlich R2 + R3 O Gase verschieben Gleichgewicht → Triebkraft O 27 Chemie der Carbonylgruppe – 3. Reaktionen von Carbonsäuren und Carbonsäurederivaten N F N F , F OH , DMAP Cl Cl Hydroxybenzotriazol (HOBT) Anwendung in der Peptidsynthese gemischtes Anhydrid O reaktive Carbonylfunktion O R1 1) R1 N H OH O H2N O R2 DCC, DMAP 2) H+(Entschützung der tBu-Gruppe) O R1 R1 N H O H N O OH R2 28 Chemie der Carbonylgruppe – 3. Reaktionen von Carbonsäuren und Carbonsäurederivaten 29 Chemie der Carbonylgruppe – 3. Reaktionen von Carbonsäuren und Carbonsäurederivaten Daher ist eine Esterspaltung unter basischen Bedingungen besser: Diese Reaktion ist vollständig automatisiert. Mitsunobu – Reaktion O R1 H O + R2 OH + EtO2C N N CO2Et CO2Et H - N N EtO2C O R1 O + PPh3 R1 O + HO + R2 + R1 O Na OH - O PPh3 "fast" immer irreversibel + DEAD, PPh3 O Na O H O R1 + + R2 Dabei ist die Ausbildung der P=O – Doppelbindung eine der Triebkräfte der Reaktion. + O R2 O + O Na O O R2 R1 H O R1 OH Stabilität von RCO2 pKa OH R1 RO – versus ~ 4-5 O + R2 H + O Na ~ 15-18 (der konj. Säure) ⇒ Beide Methoden sind auch auf Amide, etc. anwendbar. O + R1 Spezielle Esterspaltungen Cl O + Base R1 tert – Butyl – Ester O O R1 z. B. F3C-COOH in DCM (H2CCl2) O 3.5 Esterspaltung (Esterhydrolyse / Verseifung) O R1 O R2 + H2O R1 O H + + H+ O [H+] R1 O H + R2 OH Dies ist eine Gleichgewichtsreaktion, weshalb hier ein Überschuss an H2O eingesetzt werden muss. ( Vergleiche Fischer – Veresterung in Kapitel 3.4) H Verschiebung des Gleichgewichts - H+ + H O R1 H H O [H+] O R1 O + O H + H H C tert – Butyl – Ester werden auch als Schutzgruppen für Ester verwendet: O R1 O H + Addition O [H+] R1 O 30 Chemie der Carbonylgruppe – 3. Reaktionen von Carbonsäuren und Carbonsäurederivaten Hunsdiecker Benzylester O R1 + O H2 Hydrierung (reduktive Spaltung) R1 O H H O [Pd / Cu] O H + H + Br2 + R1 O Ag R1 - AgBr ; - CO2 Br + 3.6 Decarboxylierungsreaktionen O R1 - CO2 CH3 R1 O Br Br O O O Br O R1 O R1 R1 + Defunktionalisierung - CO2 H O Ag - AgBr R1 31 Chemie der Carbonylgruppe – 3. Reaktionen von Carbonsäuren und Carbonsäurederivaten R1 R1 C - C -Knüpfung O O Homolyse Br - Br R1 - CO2 O R1 O H2 C - CO2 R1 X ca. Umfunktionalisierung Kettenreaktion Decarboxylierung von β – Ketosäuren Die thermische Decarboxylierung ist trivial, jedoch sind extrem drastische Bedingungen nötig. Elektrochemische / radikalische Decarboxylierung Kolbe – Elektrolyse (anodische Oxidation) O 2x + R1 - 2 e- ; - 2 CO2 R1 O Na 2x R1 OH R1 H O = R1 O O OH spontan oder bei leichtem Erwärmen R1 + O 3.7 Umlagerungsreaktionen (von Carbonsäurederivaten) 2 x R1 H2 C Dies ist keine Kettenreaktion! Dies kommt durch die hohe lokale Konzentration der Radikale auf der Oberfläche der Anode. Arndt – Eistert – Synthese (C1 – Verlängerung von Säurechloriden) O O R1 O H R1 RetroSynthesepfeil Cl + + H2C N N + H2C N N O C R1 Combination der Kohlenstoffradikale - 2 CO2 O O O Umlagerungsreaktionen über Ketene - 2 eO O Diazomethan R1 32 Chemie der Carbonylgruppe – 3. Reaktionen von Carbonsäuren und Carbonsäurederivaten O R1 Cl + O + H2C N N + R1 - H+ H2 + O C N N R1 R1 Cl C H Acyl - Carben O Wolff - Umlagerung R1 C + C N N H2 R1 H2O R1 C Azaanaloge Wolff - umlagerung H O O N LG R1 NH2 Amin N Acylnitren OH + O Na+ -OBr R1 C C O C C O NH2 (alkalisch) R1 E+ O Die angegebene Reaktivität gilt auch für andere Heterocumulene R1 O R1 - CO2 O - NaBr N Br R1 + O R1 O R2 Ester R1 R2 O O + Base - BaseH+ N O H R2 R1 N O O - R2CO2R1 O - Acylderivat einer Hydroxamsäure N Nitren Curtius R2 NH2 R1 Umlagerungsreaktionen über Isocyanate (Acylnitrene) + Na+ N3- Na+ Cl- O O R1 NH2 N Na O O R1 O Lossen H2O R1 OH R1 R1 N H H N Aza - Wolff Umlagerung O H Säure O R1 R2 OH + "Br+" ca. SN2 R1 R1 + NaOH - H2O + Base - BaseH+ Nu- N C O + H2O Br N H R1 C C O R1 Nitren O R1 - CO2 Hofmann – Säureamidabbau R1 R1 OH Carbaminsäure O - H+ R1 Reaktivität von Ketenen R1 H N R1 R1 O + + H2O N C O - LG- H R1 N H Keten Aufarbeitung / Hydrolyse O C C Isocyanat LG O O - Cl- Aza – Analogie (hier Abbaureaktionen von Carbonsäurederivaten zu Aminen) Allgemeiner Mechanismus O C N N H R1 33 Chemie der Carbonylgruppe – 3. Reaktionen von Carbonsäuren und Carbonsäurederivaten N H R2 Amid R1 Cl O R1 + N N N Acylacid O - N2 R1 N Nitren 34 Chemie der Carbonylgruppe – 3. Reaktionen von Carbonsäuren und Carbonsäurederivaten Reduktion von Nitrilen 3.8 Nitrile Vollständige Reduktion Eigenschaften von Nitrilen: Vergleichsweise geringe Reaktivität → Geringe Elektrophilie ⇒ Verwendung als Lösungsmittel → Acetonitril (MeCN) → Stabilisierung kationischer Intermediate (aprotisch – polar) → niedrige Siedepunkte (da keine Wasserstoff – Brücken – Bindungen) Carbonsäurederivate R1 R1 X + C - X- R1 CN R1 R1 C N - H2O C N Reaktionen von Nitrilen Hydrolyse / Verseifung eines Nitrils ∆ [NaOH] + H2O ∆ [NaOH] + H2O O R1 NH2 - NH3 O R1 + -OH + H2O - -OH N R1 OH R1 N R1 C N + N iBu2Al H Di-Iso-Butyl-Aluminium-Hydrid (DIBAH) R1 NH2 C N 1/2 LiAlH4 R1 Dehydratisierung von Amiden R1 + C NH2 H2 Partielle Reduktion N Dabei ist X meist ein primäres Halogenid. O C N mit wässriger Aufbereitung Darstellung von Nitrilen Kolbe – Nitril – Synthese R1 35 Chemie der Carbonylgruppe – 3. Reaktionen von Carbonsäuren und Carbonsäurederivaten H OH Die Hydrolyse ist auch unter säure – katalytischen Bedingungen möglich. (Vergleiche Kapitel 2.5 Strecker – Aminosäuresynthese) O H Al(iBu)2 H Hydrolyse via Immin O R1 H 36 Chemie der Carbonylgruppe – 4. Heterocumulene Beispiel: 4. Heterocumulene 4.1 Einleitung O C C O O OH - H2O O HO OH R1 C C O Cumulene + H+ R1 Allgemeine Struktur R1 R1 R1 C R1 R1 versus cumulierte zentrales C – Atom sp – hybridisiert terminale C – Atome sp2 – hybridisiert π - Systeme stehen orthogonal zueinander R1 C O R1 R1 konjugierte alle C – Atome sp2 – hybridisiert π - Systeme stehen parallel zueinander R1 (R1 = Alkyl ; Aryl ; H) Darstellung von Ketenen R1 Beispiele für cumulierte Doppelbindungen H O H C X C Y (X; Y = O; S; NR) + Et3N+H Cl- O Zn R1 R1 Cl C O + ZnCl2 Cl O Reaktivität von Heterocumulenen R1 + via X C Y Nu- C O Cl Heterocumulene H R1 Et3N H H X C Y Keton 4.2 Ketene Systeme mit cumulierten Doppelbindungen H Nu R1 vergleiche Kapitel 1.6 Allen H R1 Cl Zn Cl E+ O R1 C Zn + O Zn Cl + Cl Nu R1 O + Nu+ H+ + R1 Nu Enol Kohlensäure R1 Tautomerie R1 O + H2O C - H2 R1 polarisierte C=O-Bindung R1 Oxidation O OH R1 Oxidationsstatus H 37 Chemie der Carbonylgruppe – 4. Heterocumulene R1 Cl Cl 38 Chemie der Carbonylgruppe – 4. Heterocumulene Das Zink – Enolat ist durch Mesomerie stabilisiert. Reaktion mit Nucleophilen R1 C O R1 + NuH H O Nu- = + R2 β - Keto - "Nu" -NR2 2 O R2 R2 „Konzertiert“ bedeutet, dass die Reaktion stereo – spezifisch ist, da die Bindung an das Kohlenstoff – Atom der Carbonylgruppe gleichzeitig mit der Bindung an das zweite, an der Doppelbindung beteiligte Kohlenstoff – Atom stattfindet. ( Die [2+2] – Cyclo – Addition ist thermisch verboten. Vergleiche Woodward – Hoffman - Regel) Nu + +H H H + C O H Reaktion von Diketen O [2+2] O + O Allgemeine Struktur R1 N C O Darstellung O R1 NH2 + Cl - 2 HCl Cl basische Bedingungen R1 N C O O - HCl C O +H 4.3 Isocyanate Ketendimerisierung H Nu- = -OR2 -NR2 2 etc. O O R1 R1 konzertiert R2 O Nu Nu Nu [2+2] - Cyclo - Addition O O NuH O R1 H -OR2 Besonderheit [2+2] – Cyclo – Addition R1 O -OH R1 C O + O O Nu R1 39 Chemie der Carbonylgruppe – 4. Heterocumulene via β - Lacton (4 - Ring) - HCl Cl R1 N H Additions - Eliminierungs - Mechanismus oder: Di - Keten O - LGR1 N LG Aza - Wolff Umlagerung R1 (Vergleiche Kapitel 3.7) Reaktionen von Isocyanaten N C O 40 Chemie der Carbonylgruppe – 4. Heterocumulene R1 X primäre Amine NH2 Nu- + H2O - CO2 R1 + X C Nu X R1 N H X + E+ Nu X Kohlenstoffdioxid O + HOR2 N C O 41 Chemie der Carbonylgruppe – 4. Heterocumulene O R2 O Urethane CO2 + H2O HO OH instabil Mono - Hydrat des CO2 Unter basischen Bedingungen + H2NR2 / + HN(R2)2 O R1 N H O N H R2 R1 O N R2 Harnstoffderivate Technische Bedeutung von Urethan im Bereich der Polymere NCO OCN HO + OH Polymerisation (Polyaddition) O N H O H N O O Polyurethan 4.4 Isothiocyanate Allgemeine Struktur R1 N C S Isocyanate sind wichtig bei der Peptid – Sequenzierung (Vergleiche Edman – Abbau) 4.5 Kohlenstoffdioxid und – disulfid O N H O n R2 HO + O Na Natriumhydrogencarbonat X E 42 Chemie der Carbonylgruppe – 4. Heterocumulene mit Alkoholen 5. C – C-Knüpfung mit C-H-aciden Verbindungen C Li + + H+ - Li+ O + = CO2 O Li Li 5.1 Einleitung O + OH C R1 O S R1 R1 C R1 S + MeI S R1 R1 C R1 S S + Carbanionen C1 - verlängerte Carbonsäure Kohlenstoffdisulfid R1 O K+ Chemie der Carbonylgruppe – 5. C-C-Knüpfung mit C-H-aciden Verbindungen S Me + R1 O + K +I sp3 – hybridisiert; isoelektronisch zu NR3 (Beachte: VSEPR – Modell) nur bei sehr tiefer Temperatur konfigurativ stabil aber: in Konjugation häufig sp2 Xanthogenat (Dithiokohlenstoffsäureester) S O R1 O O O - H+ H X S C außerdem: Carbodiimide X + E+ E N C N DCC mit R = CyclohexylO O R1 + N C N R1 O R2 O + H R1 + N C N R1 O E X R1 R2 + E+ O R1 H X X Regel: harte Elektrophile greifen am Sauerstoff – Atom an weiche Elektrophile greifen am Kohlenstoff – Atom an (HSAB – Konzept) HSAB = Hard and Soft Acids and Bases (Pearson – Konzept) Reaktivität von C – Nucleophilen aktivierte Säure O R2 N O N H R2 O R1 N R2 > R1 Folge - Reaktion: Veresterung mit Alkohol Vergleiche Kapitel 3.4 R1 Enolat O > R1 Enamin R2 OH ~ R1 Enolether R1 Enol 43 44 Chemie der Carbonylgruppe – 5. C-C-Knüpfung mit C-H-aciden Verbindungen Weitere C – H – acide Verbindungen Chemie der Carbonylgruppe – 5. C-C-Knüpfung mit C-H-aciden Verbindungen Regioselektivität – Thermodynamische versus kinetische Kontrolle H H + C - H+ pKa = 16 O - H+ + KH bei RT O 6e 5c (Aromat) R1 C C H pKa = 25 H O K R1 C C sp – Hybrid = 50% s – Oribtal - Charakter thermodynamische Kontrolle O Li + LDA bei -78°C + kinetische Kontrolle O + Base ; - BaseH+ X X Thermodynamische Kontrolle liefert das thermodynamisch stabilere Enolat, welches eine höher substituierte Doppelbindung (im Vergleich zum Produkt bei kinetischer Kontrolle) besitzt. Kinetische Kontrolle liefert das Enolat, bei dem das abgespaltene Proton (im Vergleich zum bei thermodynamischer Kontrolle abgespaltenen Protons) sterisch leichter zugänglich war. Gleichgewicht ⇒ Welche Base soll man nehmen? Problem: Häufig ist bei Reaktionen eine vollständige Enolat – Generierung erwünscht → keine nucleophile Base, da Abholung des H+ in α – Stellung zur Carbonylgruppe erwünscht und nucleophiler Angriff der Base am Carbonyl – Kohlenstoff unerwünscht 5.2 Reaktionen mit Halogen – Elektronphilen α – Bromierung (nicht auf Brom beschränkt) Lösung: Starke, nicht nucleophile Base + + Li N K O Base O 18 pka (der konj. Säure) NaH H H R1 24 (optimal) Na N + Br2 - HBr + H+ 35 irreversibele Deprotonierung In Situ – Darstellung von Lithium Di isopropyl Amin (LDA) Br R1 H 35 (meist zu schwach) + O [H+]; Br2 ; ∆ + O H H R1 O - H+ H R1 selektive Mono – Halogenierung H N + nBu Li + Li N + O Butan R Br , da die freien freien Elektronenpaare am Sauerstoff an Basizität „verlieren“ (im Vergleich zum Edukt) 45 46 Chemie der Carbonylgruppe – 5. C-C-Knüpfung mit C-H-aciden Verbindungen O Haloform – Reaktion O H R1 + HCBr3 + R1 O R1 O Br2; NaOH O Na Bromoform + NaOH - H2O Umprotonierung 47 Chemie der Carbonylgruppe – 5. C-C-Knüpfung mit C-H-aciden Verbindungen R1 + Nu- X X + Hal Hal Nu Dabei steht X nicht für ein Halogen! Das Nucleophil kann -OR2 , -NR22 oder -CN sein. 5.3 Reaktionen mit Alkylhalogeniden + O Na O R1 R1 O + H H R1 + Br2 - NaBr Br + Na O O Br Br R1 H H Br R1 Br O R2 R1 + LDA - HN(iPr)2 O R1 i) LDA ii) R2 - CH2 - X O NaCBr3 Br Br + R2 O Li X - Li X + R1 OH R2 – CH2 – X ist ein weiches Elektrophil Hell – Volhard – Zelnisky Vergleiche Malonester – und Acetessigester – Synthese O O Br2 ; [P] R1 R1 OH O + OH O O R2 R1 Br + PBr3 O R1 Br (vergleiche Kapitel 3.4) R1 = OR2 → Malonester R1 = CH3 → Acetessigester O R1 Br O O O R1 H Br + Br2 - HBr + O R1 HO R1 O R1 O Br Br Br (vergleiche Kapitel 3.4) R1 O + HBr α – Halogencarbonyle sind wichtige Ausgangsverbindungen für nucleophile Substitutionen R1 Na+ -OR2 O O R3 - CH2 - X O R2 H+ / H2O , ∆ - HOR2 - CO2 O O R2 R1 R3 O R1 R3 48 Chemie der Carbonylgruppe – 5. C-C-Knüpfung mit C-H-aciden Verbindungen O O O O O H+ ; H2O Na+ -OEt , MeI OEt EtO EtO OEt O EtO Chemie der Carbonylgruppe – 5. C-C-Knüpfung mit C-H-aciden Verbindungen Nebenreaktionen OH Doppelalkylierung H O - EtOH O EtO O Na + + MeI - NaI - CO2 (siehe Kapitel 3.6) O EtO OH OEt O O – Alkylierung EtO O O EtO OH ⇒ Generelle Einschränkung Enolat – Alkylierung immer SN2 Deshalb nur mit primären und sekundären Elektrophilen Für tertiäre Elektrophile werden latente / maskierte Enolate verwendet (zum Beispiel Silylenolether) Cl O SiMe3 + + - Me3SiCl R1 O SiMe3 Ti Cl4 O R1 Me3Si + O R1 R1 + + C Ti- Cl5 Me3Si O + R1 C 49 50 Chemie der Carbonylgruppe – 5. C-C-Knüpfung mit C-H-aciden Verbindungen Darstellung von Silylenolethern H R1 SiMe3 O H R1 + + LDA - HN(iPr)2 ca. SN2 R1 + Me3SiCl - LiCl R1 R1 R2 vergleiche Kapitel 2.4 R2 R2 + E+ O + N R2 R1 R1 - R22NH E Hydrolyse R1 H+/H2O dabei wir als R22NH häufig Pyrolidin, Piperidin und Morpholin besondere Bedeutung bei basenlabilen Substraten 5.4 Carbonylverbindungen als Elektrophile O O O M+ + R2 R3 nach wässriger Aufarbeitung Der Prototyp: Aldol – Reaktion R2 O R3 O R3 R2 R1 „Nebenreaktion“: Aldol – Kondensation R1 N + BH+ -B Das erhaltene ist ein Aldol (Aldehydalkohol). Stork – Enamin – Synthese + R22NH + OH R3 R2 R1 R3 O O + O – Silylierung Einsatz eines harten Elektrophil (Me3SiCl) Bildung einer Si – O – Bindung (stark) O R2 O [Base] +B - BH+ R1 O Li R1 O O 1) LDA 2) Me3SiCl O 51 Chemie der Carbonylgruppe – 5. C-C-Knüpfung mit C-H-aciden Verbindungen R1 OH R3 R2 O E OH R3 R2 H +B - BH+ O R1 O R3 R2 + H+ - H2O O R3 R1 Bei diesem Vorgang stehen alle Schritte im Gleichgewicht → Retro – Aldol möglich ⇒ Problem: Gekreuzte Aldole (4 Produkte: 2 Hetero, 2 Homo) Ausnahme: Carbonylfunktionen ohne α – Protonen, da diese nicht enolisierbar sind O O O H Ph H , H , H Mukaiyama – Aldol (Verwendung latenter Enolate) R2 52 Chemie der Carbonylgruppe – 5. C-C-Knüpfung mit C-H-aciden Verbindungen O SiMe3 O + R1 H R1 R2 Mannich – Reaktion (Azaanaloge Aldol – Reaktion) OH O Ti Cl4 (Lewis - Säure) 1 O O R2 3 Aldol H R1 Hydrolyse + H H + + Ti Cl4 Cl Cl O H + Ti Cl Cl Cl O Cl R2 H C Ti O Cl R1 O Cl + Ti Cl Cl + R1 R1 Cl R2 + C β - Amino - Keton (Mannich - Base) ∆ - NH3 + + N H O H H R1 SiMe3 SiMe3 H H NH2 R1 Si+Me3 R2 O O [Lewis - Säure] NH3 + H+ - H2O [H+] Cl O + O Cl R2 53 Chemie der Carbonylgruppe – 5. C-C-Knüpfung mit C-H-aciden Verbindungen O Ti Cl Cl Cl Bei der Mannich – Reaktion ist eine „einfache“ Aldol – Reaktion als Nebenreaktion möglich, da das Iminium – Ion in situ erzeugt wird. Intramolekulare Varianten Ungerade Abstände „natürlich“ Gerade Abstände durch Umpolung! O O O O = O Base, ∆ Bei dieser Aldol – Kondensation entsteht ein cyclisches Enon, dessen Bildung nur intramolekular abläuft. (Besonders effizient bei Fünf – und Sechsringen) 54 Chemie der Carbonylgruppe – 5. C-C-Knüpfung mit C-H-aciden Verbindungen Claisen – Ester – Kondensation 55 Chemie der Carbonylgruppe – 5. C-C-Knüpfung mit C-H-aciden Verbindungen Knoevenagel – Kondensation O + Na O 2 R1 O NaOR2 R2 R1 R2 O Hydrolyse R1 O R2 R1 O O R1 + O R2 O R1 + NaOR2 - HOR2 R1 O HO O O R1 R2 O R1 O + R1 O R2 NC H auch mit: R2 R2 O O O R1 O R1 R1 + H3C NO2 Base, - H2O (∆) R1 NO2 R1 Nitromethan Nitro – Gruppe = heteroanaloge Carbonylfunktion O NaOR1 H H R1 O Insbesondere bei Fünf – und Sechsringen Intramolekulare Reaktion O O R1 H+ / H2O - CO2 - HOR1 R1 O O O häufige Folgereaktion O O , Malonsäurederivaten O R2 Dieckmann – Cyclisierung R1 R2 CN H H R1 O - H2O Henry – Reaktion + Na R2 R1 Voraussetzung: Zwei acide α – Protonen - NaOR2 H O O + O O O R2 via Na O O O R2 β - Keto - Ester + NaOR2 - HOR2 R1 Base, H2O R1 R1 H O O O O O O + R1 N O H azide pKa ~ 10 Merke: Stark C – H – acide Enolatkomponenten geben immer Kondensationsprodukte (Knoevenagel und Henry) R2 R1 56 Chemie der Carbonylgruppe – 5. C-C-Knüpfung mit C-H-aciden Verbindungen 5.5 Spezielle Transformationen mit α – Halogencarbonylen Reaktivität in Bezug auf X I > Br > Cl Darzens – Glycidester – Synthese R1 H + R2 O Base R3 R1 H H Cl R1 H R2 O H O R3 R2 O Cl R2 R1 formale Substitution R1 δ- δ+ CH2 M CH2 M+ Carbanion Kohlenstoff – Nucleophil M = Mg → Grignard – Reagenzien + 0 Mg R2 Struktur und Reaktivität der Grignard – Reagenzien (Formales) Carbanion (sehr reaktiv, vergleiche auch pKa ≈ 50) aber: Stabilisierung durch Metall (z.B. Li und Mg) → kovalenter Bindungsanteil Stabilisierung durch Lösungsmittel → Vergleiche Schlenk – Gleichgewicht (Dimerisierung) X R1 CH2 Mg X oxidativer Einschub in die C-X-Bindung Et2O OEt2 R1 R1 X Mg Mg X 2 Elektronen – 3 Zentren – Bindung (Vergleiche Diboran B2H6) Bildung von Clustern (gilt auch für M = Li) → Verringerung der Reaktivität ⇒ Aufbrechen der Cluster durch Lösungsmittel und Donor – Additive TMEDA (Tetra Methyl Ethyl Di Amin) NMe M+ +II R1 OEt2 Mg X MeN Darstellung von Grignard – Reagenzien R1 CH2 X R2 Mg R1 X = Halogen M = Metall (Li, Mg, Cu, Zn) O R1 Umpolung an Halogenalkanen δ+ δCH2 X O CH2 Mg X R2 R3 Als Base kann NaOR3 eingesetzt werden, jedoch wird dann auch SN2 als Konkurrenzreaktion ablaufen Edukte: α – Halogenester (siehe Kapitel 5.2) 5.6 Organometall – Verbindungen als Nucleophile R1 O R1 Cl Zum Beispiel: Et2O, THF, DME O intramolekulare SN2 O + R3 Glycidester - Cl- +B - BH+ O O O (F geht nicht) Lösungsmittel: Ether – Lösungsmittel R2 O O 57 Chemie der Carbonylgruppe – 5. C-C-Knüpfung mit C-H-aciden Verbindungen HMPA (Hexa Methyl Phosphorsäure tri Amid) OEt2 58 Chemie der Carbonylgruppe – 5. C-C-Knüpfung mit C-H-aciden Verbindungen O M+ O P Me2N R1 + H R2 OH in Et2O CH2 Mg Br NMe2 H + H2O - Mg(Br)OH Br O Mg R1 N O Mg H2 C R2 Mg Br R1 R2 C H2 R2 R1 nach Hydrolyse Br NMe2 DMPU (Dimethylpropylene-Urea) O N 59 Chemie der Carbonylgruppe – 5. C-C-Knüpfung mit C-H-aciden Verbindungen + R2 CH2 Mg Br + R2 R2 H mögliche Nebenreaktion Wichtig bei Reaktionen mit Organometall – Verbindungen ist die strikte Abwesenheit von Wasser: R1 CH2 M + H2O R1 CH2 H + M+ -OH nBuH CH2 OH + R1 CH2 O M+ O nBuLi + O - nBuH OH Mg X R1 H Edukt Zwischenstufe Produkt Formaldehyd Primärer Alkohol Aldehyd Sekundärer Alkohol Keton Tertiärer Alkohol Ester Keton Tertiärer Alkohol Cyanid Organometall - Imin Keton Kohlenstoffdioxid Organometall - Säure Titration von R – Li – Lösungen (z.B. nBuLi) Ph + R2 H MgX Fazit: Zerenitov + R1 O R1 Feuchtigkeit nBuLi O Ph O Li THF Ph + Reformatsky – Reaktion farblos Ph + 1 Tropfen O Li Ph + + O Li Ph R1 O (Umschlagpunkt) hier: leuchtend gelb O O Br + Ph Li + C Ph OH Zn H R2 R2 nach Hydrolyse O O R1 Zn (aktiviert) O O Li + O O Br Zn O R1 + H Dianion Reaktion mit Carbonylfunktionen O Br Zn O R1 Zinkenolat O R2 R2 Br Zn + H2O - "Zn(Br)OH" O O R1 60 Chemie der Carbonylgruppe – 5. C-C-Knüpfung mit C-H-aciden Verbindungen Aktiviertes Zink zum Beispiel durch Waschen mit verdünnter Salzsäure oder aus Zink – Kupfer – Legierungen oder durch Ultraschall. 61 Chemie der Carbonylgruppe – 6. Vinylogie-Prinzip 6. Vinylogie – Prinzip 6.1 Einleitung R1 R1 + C O O R2 R2 Einführung einer Vinyl – Gruppe ambidentes Elektrophil O O O + + C C konj. π - System δ+ - Charakter wird kommuniziert + Nu+ H+ + Nu+ H+ HO Nu OH Nu O Nu 1,2 - Addition kinetische Kontrolle 1,4 - Addition thermodynamische Kontrolle Weiche Nucleophile liefern 1,4 – Additionen Regioselektivität O R1 R1 = H → Alkyl → Aryl → OR2 1,2 – Addition → 1,4 – Addition 62 Chemie der Carbonylgruppe – 6. Vinylogie-Prinzip 6.2 Michael – Addition (Konjugierte Addition) 6.3 Kohlenstoff – Nucleophile Nu O O R1 R2 + Nu Prototyp der Michael – Addition sauer oder basisch H R1 R2 1,5 - Dicarbonyl O O +B - BH+ O R1 R2 + Nu- Nu R1 + O H+ R2 H + R2 H R1 O R1 R2 H R2 + Nu Nu – H = R3 OH R3 NH2 R3 SH O - H+ H R1 → Aldol → β – Amino – Carbonyl → Thioaldol H Nu + R2 R3 R1 O R2 R2 O O + H+ R2 O R2 + O Nu- R1 O R2 R2 R1 Mit Knoevenagel – Nucleophilen häufig doppelte Addition NC Nu O O Ti Cl4 CN H H CN O + 2 O O Stetter – Reaktion (Vergleiche Kapitel 2.5: Benzoin – Kondensation) R2 1,4 - Dicarbonyl Analoga von Halbacetalen O O Ar H O CN- (katalytisch) + Ar O O via Ar Robinson – Annelierung C H CN O + OH R3 R1 R3 R1 R3 + NC O Tautomerie SiMe3 R1 Die 1,2 – Addition ist bei Heteroatomen unter basischen Bedingungen nicht Produkt bildend R1 R3 R2 Auch mit Silylenolethern (Mukaiyama ähnlich) O R1 Base O O + H+ O O +B - BH+ Nu R1 + 63 Chemie der Carbonylgruppe – 6. Vinylogie-Prinzip 64 Chemie der Carbonylgruppe – 6. Vinylogie-Prinzip O O O + 7. Ylide und Olefinierungsreaktionen 7.1 Einleitung NaOH; ∆ Ylide: Heteroatom mit positiver Ladung direkt verknüpft mit einem Kohlenstoffatom mit negativer Ladung + OH- H2O Kondensation - H2O O O O + 65 Chemie der Carbonylgruppe – 7. Ylide und Olefinierungsreaktionen Michael - Addition O O intramolekulare Aldol Beispiel Phosphor: R + Ph3 P C R Ph3 R Ylid (Zwitterion) HO P C R Ylen Benennung: Heteroatom + Ylid Schwefel – Ylid Sequenz aus Michael – Addition und intramolekularer Aldol – Kondensation Verwendung für z.B. Steroid – Synthesen R1 R2 + S C R2 R1 Darstellung von Yliden X Ph3 +B - BH+ R + P P C Ph3 P C H R vergleichsweise azide pKa(DMSO) ~ 22 R + Ph3 R + R R Darstellung des Phosphonium – Salzes Ph3 P + R X C R SN2 H Ph3 + R + P X H R Stabilisierende Reste R / Klassifizierung von Yliden R Alkyl Aryl Acceptor Ylid - Typ nicht stabilisiertes semi - stabilisiertes stabilisiertes Base zur Darstellung nBuLi; NaNH2; KOtBu NaOEt NaOH; NaHCO3 X 66 Chemie der Carbonylgruppe – 7. Ylide und Olefinierungsreaktionen 67 Chemie der Carbonylgruppe – 7. Ylide und Olefinierungsreaktionen 7.2 Wittig – Reaktion O Darstellung des Wittig – Reagenzes (häufig in situ) Ph3 P + Ph3 R CH2 Br P CH2 R + BuLi + Br - BuH - LiBr Ph3 Ph3 P CH + P CH R + R1 R1 R2 R2 + OEt EtO O + P OEt +B - BH+ O + OEt O H EtO SN2 - EtBr O Br O H (z.B. NaOEt) R1 O R1 O P Ph3 P R1 O + H [2+2] Cycloaddition H R2 Ph3 O O EtO P EtO C OEt + + P O O O H (EtO)2 R1 P O EtO C P O R1 O (EtO)2 [2+2] Cycloreversion +B - BH+ Ph3 OEt OEt H H [2+2] Cycloreversion O O EtO P EtO HWE – Reaktion O EtO P EtO Wittig – Reaktion + + Br (EtO)3 P + SN2 R1 O O R2 (EtO)2 Oxaphosphetan P O EtO C Selektiv für Z – (Cis – ) Olefine Funktioniert auch mit Ketonen (aber nicht mit Estern) Kompatibel mit vielen funktionellen Gruppen Wichtigste Methode für Olefin – Synthesen R1 O 7.4 Schwefel – Ylide 7.3 Horner – Wadsworth – Emmons (HWE) – Reaktion Darstellung Reaktion stabilisierter Phosphonate mit Aldehyden und Ketonen O O EtO P EtO +B - BH+ OEt O EtO P EtO C Me O OEt "einfaches" Carbanion kein Ylid H S Me + R1 CH2 X Me2 + S CH2 R +X Di Methyl Sulfid (ThioEther) +B - BH+ - X- Me2 + S CH Schwefel - Ylid Reaktion mit Aldehyden und Ketonen pKa ~ 18 Darstellung des HWE – Reagenzes Arbuzov – Reaktion SN2 Me2 + S CH R1 + R1 O O + H R2 S R2 SN2 R1 O R2 + Me2S R1