Organische Chemie - Uni

Eine Auswahl typischer Carbonylreaktionen
Aldol-Reaktion (+ anschließende Aldol-Kondensation)
•
Kondensation = Abspaltung von Wasser
•
Aldol-Reaktion kann basenkatalysiert oder säurekatalysiert durchgeführt
werden.
Mechanismus der basenkatalysierten Aldol-Reaktion:
O
O
O
Base
H3C
H
- HBase
H2C
H
H2C
H
Enolat
Methylenkomponente
O
H Carbonylkomponente
OH
O
O
O
HBase
β
α
H
H
- Base
H
β-Hydroxyaldehyd (Aldol)
Im ersten Schritt erfolgt die Deprotonierung der Methylenkomponente in α-Position
durch eine (möglichst schwach nucleophile) Base zum Enolat. Das erzeugte Enolat
wirkt als Kohlenstoff-Nucleophil und greift im zweiten Schritt der Reaktion die
Carbonylkomponente an. Es bildet sich eine β-Hydroxy-Carbonylverbindung (in
unserem Fall ein β-Hydroxyaldehyd).
Häufig kommt es im Anschluß an die Aldol-Reaktion zur Abspaltung von H2O aus der
β-Hydroxy-Carbonylverbindung, Triebkraft dieser Eliminierung (nach E1cB-Mech.) ist
die Ausbildung eines energetisch günstigen α,β-ungesättigten Systems:
1
OH
O
OH
α
OH
O
H Base
O
H
H
- HBase
H
- OH
O
β
H
α
α,β-ungesättigter Aldehyd
Im ersten Schritt erfolgt erneute Deprotonierung in α-Position zum entsprechenden
Enolat, anschließend wird OH- abgespalten und man erhält die α,β-ungesättigte
Carbonylverbindung.
Veresterung (bzw. Esterspaltung, Verseifung)
allgemeine Umsetzung:
Säure +
•
Alkohol
Ester +
H2O
Gleichgewichtsreaktion, d.h. das entstehende H2O muß aus dem GG entfernt
werden, um das GG auf die Produktseite zu verschieben.
•
Veresterung wird meist säurekatalysiert durchgeführt:
H
O
H3C
H
OH
H
O
H3C
OH
OH
H3C
OH
OCH3
O
-H
H
2
OH
O
H3C
CH3
O
H3C
H3C
OH
OCH3
H2O
- H2O H3C
CH3
OH
O
OH
CH3
Um das Problem einer Rückreaktion zu umgehen, lassen sich Ester auch aus
anderen reaktiveren Carbonylverbindungen wie z.B. Anhydriden und Carbonsäurehalogeniden herstellen:
Bsp. Veresterung mit Acetanhydrid (säure-katalysiert)
O
O
H
O
O
O HO
H
H
O
O
O
O
H3C
OH
O
CH3
O
O
H
Anhydrid
-H
H
O
O
CH3
O
Ester
+
O
O
H
SäureBaseRkt.
OH
Carbonsäure
O
CH3
O
-H
O
+
O
O
CH3
O
Die Rückreaktion der Veresterung ist die Esterspaltung, diese Reaktion wird
ebenfalls
durch
Esterhydrolyse)
Säuren
(saure
Esterhydrolyse)
oder
Basen
(alkalische
katalysiert. Häufig wird die alkalische Esterhydrolyse auch als
Esterverseifung bezeichnet (vgl. Fettverseifung).
Fett = Ester aus Glycerin (= Glycerol, Alkoholkomponente) + langkettige
Carbonsäuren (sogenannte Fettsäuren).
Mechanismus der Esterverseifung:
δ-
O
OH
δ+
C15H31
O
O
OH
+
H
OR
C15H31
OR
C15H31
OR
O
Säure-BaseReaktion,
irreversibel
O
+
C15H31
3
O
ROH
Der Mechanismus der Esterverseifung erfolgt in 3 Schritten: Zuerst greift das
Nucleophil OH- am Carbonyl-C an und es bildet sich eine tetraedrische
Zwischenstufe. Im zweiten Schritt spaltet das instabile Intermediat den Alkoholatrest
RO- ab und es bildet sich die Carbonsäure. Im letzten Schritt (irreversibel)
deprotoniert das entstandene Alkoholat (starke Base) die Carbonsäure, man erhält
das Carboxylat. Die Alkalisalze langkettiger Carbonsäuren werden als Seifen
bezeichnet.
Wie aus den vorangegangenen Beispielen ersichtlich, lassen sich Reaktionen mit
Carbonylverbindungen
durch
Säuren
(Brönstedt-
und
auch
Lewis-Säuren)
katalysieren. Diese Eigenschaft ist nicht auf die hier besprochenen Reaktionen
Veresterung und Aldol-Reaktion beschränkt. Durch die Säure-Katalyse wird die
positive Partialladung am Carbonyl-Kohlenstoff verstärkt --> das Carbonyl-C wird
noch elektrophiler und ein Angriff durch Nucleophile an dieser Position wird gefördert:
O
H
δH
δ+
CH3
H3C
H3C
O
H3C
H
O
CH3
O
AlCl3
CH3
O
H3C
H3C
AlCl3
CH3
O
CH3
H3C
AlCl3
CH3
Die Einstellung der sogenannten Keto-Enol-Tautomerie wird ebenfalls durch Säuren
(und Basen, was im Alkalischen allerdings häufig zum Enolat führt) katalysiert. Das
Gleichgewicht bei der Keto-Enol-Tautomerie liegt in der Regel weit auf der Seite der
Keto-Form:
O
H3C
δ-
OH
δ+
CH3
H2C
Keto-Form
CH3
Enol-Form
4
Wird die Enol-Form durch zusätzliche Substituenten in geeigneter Position
stabilisiert, so kann sich das GG auf die Enolseite verschieben. Ein bekanntes
Beispiel hierfür ist Acetylaceton, wo im Enol ein System von zwei konjugierten
Doppelbindungen entsteht (günstig) und der Wasserstoff des Enols durch eine
zusätzliche H-Brücke festgehalten wird (günstig):
H
O
O
O
H3C
O
H3C
CH3
CH3
Acetylaceton
ca. 80%
Enole treten auch häufig als Zwischenstufen bei Mechanismen auf, wie
beispielsweise bei der Decarboxylierung von β-Ketocarbonsäuren:
O
HO
O
α β CH3
β-Ketocarbonsäure
O
O
H
C
H2
Δ
O
CH3
- CO2
H
H2C
O
O
CH3
Enol von
Aceton
H3C
CH3
Aceton
Beim Erhitzen spalten β-Ketocarbonsäuren ein Molekül CO2 ab; eine entsprechende
Reaktion kann auch beim Erwärmen von β-Ketocarbonsäureestern in Gegenwart von
OH- - Ionen beobachtet werden (zuerst erfolgt Esterverseifung zur β-Ketocarbonsäure, daran schließt sich die Decarboxylierung der entstandenen Säure an).
5
Carbonylaktivität
Die Carbonylaktivität ist ein Maß für die Elektrophilie des
Carbonyl-Kohlenstoffatoms, d.h. für die Reaktivität gegenüber
Nucleophilen. Sie kann aus den I- und M-Effekten der
Substituenten abgeleitet werden
O
R
Carboxylat
O
O
Carbonsäure
Zunahme der Carbonylaktivität
R
OH
O
Carbonsäureamid
R
NR2
O
Carbonsäureester
R
OR'
O
R
Thiocarbonsäureester
SR'
O
R
Keton
R'
O
Aldehyd
R
H
O
R
O
O
R
Carbonsäureanhydrid
O
R
Cl
Carbonsäurechlorid
Identifizierung organischer Stoffe
Nachweis von Alkoholen als Ester der 3,5-Dinitrobenzoesäure:
O2N
O2N
H
O
O
+
O
ROH
Cl
R
Cl
O2N
O2N
N
Carbonsäurehalogenid
O2N
O
+
O R
O2N
N
Cl
H
Ester
Hierbei greift der Alkohol nucleophil an der Carbonylgruppe des besonders reaktiven
Säurechlorids an, das Chlorid wird abgespalten und es bildet sich der Ester. Das
eingesetzte Pyridin fungiert dabei als Protonenfänger.
GANZ WICHTIG: Das Pyridin deprotoniert NICHT als erstes den Alkohol!!
R
O
H
R = Alkyl
+
+
N
N
R
O
H
Das Proton eines aliphatischen Alkohols (also R = Alkyl und NICHT Phenyl) ist nicht
acide genug, um mit einer schwachen Base wie Pyridin (pKB = 8,8) abgespalten zu
werden (vgl. Acetat, pKB = 9,25).
Nachweis von Aminen als Benzamine
Hierbei werden primäre und sekundäre Amine mit reaktiven Carbonsäurederivaten
wie beispielsweise Carbonsäurechloriden zu den entsprechenden Carbonsäureamiden umgesetzt. Bei der Reaktion prim./sek. Amine mit Estern erhält man
ebenfalls Säureamide nach einem analogen Mechanismus.
MERKE: Bei der Reaktion von Estern und Säurehalogeniden mit Nucleophilen
fungiert RO- bzw. Hal- als Abgangsgruppe.
6
Mechanismus Säurehalogenid + prim. Amin → Säureamid:
O
H2
N Et
O
Cl +
H2N Et
H
N Et
O
Cl
Cl
-H
Carbonsäurehalogenid
prim. Amin
- Cl
"Peptidbindung"
O
Et
Carbonsäureamid
N
H
Mechanismus Ester + sek. Amin → Säureamid:
O
O
O
NH
OEt + HN
N
OEt
OEt
-H
Carbonsäureester
sek. Amin
- EtO
O
N
Reaktion von primären Aminen mit Aldehyden bzw. Ketonen:
O
H+-kat.
+
H3C
H2N
Et
H2
N Et
H3C
R
R = H, Alkyl
HO
- H+
R
HO
H3C
prim. Amin
H
N Et
R
+ H+
N
H3C
Imin
7
Et
R
H
+
-H
- H2O
H2O
H3C
N Et
R
Reaktion von sekundären Aminen mit Aldehyden bzw. Ketonen:
O
+
H3C
H3C
R
R = H, Alkyl
H
N
H3C H
HO N
CH3
H+-kat.
CH3
H3C
H3C
HO N
- H+
R
H3C
CH3
R
sek. Amin
+ H+
H3C
H3C
N
H2C
CH3
- H+
H2O
N CH
3
R
- H2O
H2C
R
H
Enamin
Bei der Umsetzung von Aldehyden bzw. Ketonen mit Aminen verläuft die Reaktion
etwas anders als mit Säurehalogeniden bzw. Estern, denn Aldehyde und Ketone
besitzen keine geeignete Abgangsgruppe. Daher wird hier die entstehende OHGruppe protoniert und H2O wird abgespalten, es bildet sich eine Verbindung mit einer
Doppelbindung. Im Fall der primären Amine kann ein Proton vom Stickstoff
abgespalten werden und es entsteht ein Imin. Bei den sekundären Aminen wird das
Proton von einer α-ständigen Alkylgruppe abgespalten, da am Stickstoff kein weiterer
Wasserstoff mehr gebunden ist und man erhält ein Enamin.
Reaktion von Aldehyden bzw. Ketonen mit speziellen N-Nucleophilen:
O
H+-kat.
+
H3C
H2N OH
H2
N OH
H3C
R
R = H, Alkyl
HO
- H+
R
HO
H3C
Hydroxylamin
(vgl. prim. Amin)
H
N OH
R
+ H+
N
H3C
OH
R
Oxim
(= Hydroxyimin)
8
H
- H+
- H2O
H2O
H3C
N OH
R
Die Umsetzung mit Hydroxylamin verläuft analog zu der oben beschriebenen
Reaktion eines Aldehyds/Ketons mit einem primären Amin, der Rest an der
Aminogruppe ist in diesem besonderen Fall eine Hydroxygruppe.
Reaktion von Aldehyd bzw. Keton mit Semicarbazid:
O
O
H2N
+
H3C
R
H
N
NH2 H+-kat.
H2
N N
H
R
HO
H3C
O
O
NH2
- H+
HO
H3C
H
N N
H
R
Semicarbazid
(= N-Aminoharnstoff)
R = H, Alkyl
+ H+
H
N
O
N
H2N
NH2
NH2
H3C
Harnstoff
NH2
O
R
-H
- H2O
O
H
+
H2O
H3C
N N
H
R
NH2
Semicarbazon
Reaktion von Aldehyd bzw. Keton mit einem Hydrazinderivat:
O
+
H3C
R
R = H, Alkyl
H2N
H2N
H
N
R
Hydrazinderivat
(R = H, Alkyl,...)
H+-kat.
H3C
- H+
HO
H3C
H
R
N N
H
R
+ H+
NH2
Hydrazin
N
H
N
H2
R
N N
H
R
HO
NH2
Phenylhydrazin
H3C
H
N
R
R
Hydrazonderivat
9
- H+
- H2O
H
H2O
H3C
N N
H
R
R