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Goethe-Universität
Frankfurt am Main
Institut für Organische Chemie und Chemische Biologie
Skript zur Vorlesung
(Bio)Organische Chemie für Studierende der
Biowissenschaften, der Bioinformatik
des Lehramtes L2 und Nebenfächer
Prof. Dr. Joachim W. Engels
Prof. Dr. Alexander Heckel
überarbeitet von Dr. Thomas Russ
Frankfurt 2017
Inhaltsverzeichnis
VORWORT .................................................................................................................................................... 1
1.
EINLEITUNG................................................................................................................................ 2
2.
GRUNDLAGEN .......................................................................................................................... 3
2.1.
2.2.
2.3.
2.4.
3.
SCHREIBWEISEN VON STRUKTUREN............................................................................................................ 3
ANALYSE EINER SUBSTANZ ........................................................................................................................ 4
CHEMISCHE STRUKTUREN .......................................................................................................................... 8
NOMENKLATUR ........................................................................................................................................ 10
KOHLENWASSERSTOFFE (ALIPHATEN) ........................................... 11
3.1.
0
EIGENSCHAFTEN ....................................................................................................................................... 11
3.2. CHIRALE MOLEKÜLE ......................................................................................................................... 13
3.2.1.
3.2.2.
3.2.3
3.2.4.
4.
4.1.
4.2.
4.3.
4.4.
5.
Einleitung ............................................................................................................................................ 13
Zum Begriff „Chiralität“ .................................................................................................................... 15
Fischerprojektionen ............................................................................................................................ 17
CIP-Nomenklatur (R/S) ....................................................................................................................... 20
RADIKALREAKTIONEN ............................................................................................. 21
RADIKALISCHE SUBSTITUTION ................................................................................................................. 21
REAKTION VON ETHAN MIT CHLOR .......................................................................................................... 22
DARSTELLUNG VON CHLORCYCLOHEXAN ................................................................................................ 23
REGIOSELEKTIVITÄT BEI DER RADIKALISCHEN SUBSTITUTION ................................................................. 24
NUKLEOPHILE SUBSTITUTION...................................................................... 25
5.1.
EXPERIMENT VON P. WALDEN (1896, RIGA) ............................................................................................ 25
5.2.
PRINZIPIEN EINER SUBSTITUTIONSREAKTION ........................................................................................... 26
5.3.
ABLAUF EINER NUKLEOPHILEN SUBSTITUTION ......................................................................................... 27
5.3.1. Energetische (thermodynamische) Betrachtung .................................................................................. 27
5.3.2. Kinetische Betrachtung ....................................................................................................................... 28
5.3.3. Einteilung von Substitutionsreaktionen ............................................................................................... 29
5.3.4. Abhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit von der Art des Nukleophils.......................................... 30
5.3.5. Molekularer Ablauf einer SN2-Reaktion .............................................................................................. 31
5.3.6.
Molekularer Ablauf einer SN1-Reaktion ......................................................................................... 33
5.4.
ZWEITER SCHRITT DER WALDEN´SCHEN REAKTIONSFOLGE ..................................................................... 33
5.5.
REAKTIONSPROFILE VON SN1- UND SN2-REAKTION ................................................................................. 34
5.5.1. SN1-Reaktion ....................................................................................................................................... 34
5.5.2. SN2-Reaktion ....................................................................................................................................... 35
5.6.
BEISPIELE FÜR NUKLEOPHILE SUBSTITUTIONSREAKTIONEN ..................................................................... 35
5.6.1. Synthese von Ethylbromid (Bromethan) .............................................................................................. 35
5.6.2. Synthese von Iodethan ......................................................................................................................... 36
5.6.3. Synthese von tert-Butylchlorid aus tert-Butanol ................................................................................. 37
5.7.
KLASSIFIZIERUNG VOM LÖSUNGSMITTELN NACH POLARITÄT .................................................................. 40
5.8.
KONKURRENZ SN1-/SN2-REAKTION ......................................................................................................... 40
5.9.
KREBS-CHEMOTHERAPIE .......................................................................................................................... 41
6.
6.1.
6.2.
6.3.
6.4.
7.
ALKENE UND ALKINE ................................................................................................. 43
STRUKTUR ................................................................................................................................................ 44
E/Z NOMENKLATUR VON ALKENEN ......................................................................................................... 44
ELEKTRONENVERTEILUNG VON ALKENEN ................................................................................................ 44
ELEKTRONENVERTEILUNG UND STRUKTUR VON ALKINEN ....................................................................... 47
ELEKTROPHILE ADDITION ................................................................................. 48
I
7.1.
REAKTION VON ETHEN MIT BROM............................................................................................................ 48
7.2.
KONFORMATIONEN .................................................................................................................................. 50
7.2.1. Darstellung ......................................................................................................................................... 50
7.2.2. Konformationen von 1,2-Dibromethan ............................................................................................... 50
7.2.3. Konformation von Butan ..................................................................................................................... 52
7.3.
BEISPIELE ................................................................................................................................................. 52
7.3.1. Reaktion von Brom mit Maleinsäure .................................................................................................. 53
7.3.2. Reaktion von Brom mit Fumarsäure ................................................................................................... 53
7.3.3. Reaktion von Brom mit Cyclohexen .................................................................................................... 54
7.4.
ADDITION AN UNSYMMETRISCHE DOPPELBINDUNGEN ............................................................................. 56
8.
POLYMERE ................................................................................................................................. 57
8.1.
POLYACRYLAMID ..................................................................................................................................... 57
8.1.
ALLGEMEINER TEIL .................................................................................................................................. 59
8.2.
POLYMERISATIONS-MECHANISMEN ......................................................................................................... 59
8.3.1. Kationische/anionische Polymerisation .............................................................................................. 59
8.3.2. Ziegler-Natta-Synthese ....................................................................................................................... 60
8.4.
EIGENSCHAFTEN VON POLYMEREN .......................................................................................................... 61
8.4.1. Räumliche Struktur von Polymeren .................................................................................................... 61
8.4.2. Temperaturabhängigkeit der Eigenschaften ....................................................................................... 62
8.4.3. Weichmacher ...................................................................................................................................... 63
8.4.4. Kautschuk ........................................................................................................................................... 64
9.
9.1.
9.2.

9.4.
9.5.
9.6.
9.7.
ELIMINIERUNGEN............................................................................................................ 65
E1-ELIMINIERUNGEN ............................................................................................................................... 65
E2-ELIMINIERUNG .................................................................................................................................... 67
- UND -ELIMINIERUNGEN...................................................................................................................... 69
ELIMINIERUNG NACH HOFMANN .............................................................................................................. 70
SYNTHESE VON 1,3-CYCLOHEXADIEN AUS 1,2-DIBROMCYCLOHEXAN..................................................... 71
PRINZIP DER MIKROSKOPISCHEN REVERSIBILITÄT.................................................................................... 72
DIELS-ALDER-REAKTION ......................................................................................................................... 72
10. BENZOL UND SEINE DERIVATE (AROMATEN)......................... 74
10.1.
ALLGEMEINES .......................................................................................................................................... 74
10.2.
BENZOL .................................................................................................................................................... 74
10.2.1.
Struktur des Benzols ....................................................................................................................... 74
10.2.2.
Eigenschaften des Benzols ............................................................................................................. 76
10.3.
ELEKTROPHILE AROMATISCHE SUBSTITUTION ......................................................................................... 76
10.3.1.
Energie-Bilanz ............................................................................................................................... 76
10.3.2.
Mechanismus der elektrophilen aromatischen Substitution ........................................................... 77
10.3.3.
Nitrierung ....................................................................................................................................... 79
10.3.4.
Sulfonierung ................................................................................................................................... 80
10.3.5.
Friedel/Crafts-Alkylierung ............................................................................................................. 80
10.3.6.
Friedel/Crafts-Acylierung .............................................................................................................. 81
10.3.7.
Einfluss von Substituenten auf die Zweitsubstitution ..................................................................... 82
10.3.8.
Vergleich von Dissoziationskonstanten .......................................................................................... 82
10.3.9.
Hammett-Gleichung ....................................................................................................................... 84
10.3.10.
Herstellung von 1,3,5-Tri(tert-butyl)-benzol .................................................................................. 91
10.4.
HALOGENIERTE AROMATEN ..................................................................................................................... 92
10.4.1.
DDT................................................................................................................................................ 92
10.4.2.
PCB ................................................................................................................................................ 94
10.4.3.
Weitere Beispiele............................................................................................................................ 95
10.5.
NUKLEOPHILE AROMATISCHE SUBSTITUTION ........................................................................................... 95
10.6.
DÜNNSCHICHTCHROMATOGRAPHIE .......................................................................................................... 97
10.7.
DETONATION VON PIKRINSÄURE .............................................................................................................. 98
11. CARBONYLVERBINDUNGEN ............................................................................. 99
11.1.
ALLGEMEINES .......................................................................................................................................... 99
II
11.1.1.
Struktur ........................................................................................................................................... 99
11.1.2.
Klassen von Carbonylverbindungen ............................................................................................. 100
11.2.
ADDITION VON NUKLEOPHILEN .............................................................................................................. 100
11.2.1.
Addition von Wasser ..................................................................................................................... 100
11.2.2.
Säurekatalyse................................................................................................................................ 101
11.2.3.
Basenkatalyse ............................................................................................................................... 102
11.2.4.
Stabilität des Produktes ................................................................................................................ 103
11.2.5.
Formaldehyd ................................................................................................................................ 104
11.3.
ADDITION VON ALKOHOLEN ................................................................................................................... 104
11.3.1.
Reaktion von Cyclohexanon mit Ethylenglykol ............................................................................ 106
11.3.2.
Kohlenhydrate .............................................................................................................................. 106
11.4.
UMSETZUNG VON CYCLOHEXANON MIT HYDROXYLAMIN-HYDROCHLORID .......................................... 112
11.5.
HALOFORM-REAKTION ........................................................................................................................... 115
11.5.1.
Umsetzung von Aceton mit Iod ..................................................................................................... 115
11.5.2.
Keto-Enol-Gleichgewicht ............................................................................................................. 115
11.6.
ALDOL-REAKTION .................................................................................................................................. 117
11.7.
ESTERKONDENSATION ............................................................................................................................ 119
11.7.1.
Mechanismus der Claisen-Kondensation ..................................................................................... 120
11.7.2.
Reaktionen mit Acetessigester ...................................................................................................... 121
11.8.
MICHAEL-ADDITION ............................................................................................................................... 123
11.9.
CARBONYL-REAKTIONEN AN CARBONSÄURE-DERIVATEN ..................................................................... 124
11.9.1.
Mechanismus ................................................................................................................................ 124
11.9.2.
Synthese von Essigsäure-1-butylester .......................................................................................... 125
11.9.3.
Verseifung..................................................................................................................................... 125
11.9.4.
Aminolyse von Carbonsäurederivaten .......................................................................................... 127
12. REDOXREAKTIONEN .................................................................................................. 128
12.1.
ALLGEMEINES......................................................................................................................................... 128
12.2.
VERSUCH: TOLLENS-PROBE ................................................................................................................... 129
12.3.
OXIDATIONSZAHLEN .............................................................................................................................. 129
13.4.
OXIDATIONEN ......................................................................................................................................... 130
12.4.1.
Oxidation von Toluol zu Benzoesäure .......................................................................................... 130
12.4.2.
Chromsäure-Oxidation ................................................................................................................. 131
12.5.
CANNIZZARO-REAKTION ........................................................................................................................ 132
12.6.
REDUKTIONEN ........................................................................................................................................ 133
12.6.1.
Reduktionen mit Hydriden ............................................................................................................ 133
12.6.2.
Reduktive Dimerisierung (Acyloin-Kondensation) ....................................................................... 135
13. UMLAGERUNGEN ............................................................................................................ 136
13.1.
ALLGEMEINES......................................................................................................................................... 136
13.1.1.
Pinakol - Umlagerung .................................................................................................................. 137
13.1.2.
Beckmann - Umlagerung .............................................................................................................. 137
14. LITERATUR .............................................................................................................................. 140
15. ANHANG ........................................................................................................................................ 141
15.1.
15.2.
15.3.
15.4.
Benzolderivate und Aromaten ........................................................................................................... 141
Kohlenhydrate und Zuckerderivate ................................................................................................... 142
Aminosäuren ..................................................................................................................................... 143
Sonstige Naturstoffe (Auswahl) ......................................................................................................... 144
III
Vorwort
Die Chemie als die „Lehre der Stoffe und ihrer Umwandlungen“ ist ein wichtiger
wissenschaftlicher Eckpfeiler des naturwissenschaftlichen Gebäudes. Sie hat zur Erklärung der
molekularen Vorgänge ihre eigene Sprache entwickelt, um die Reaktionen der Stoffe und ihre
Umwandlungen zu beschreiben.
Analog zur Sprache entsprechen die Worte oder Vokabeln den Stoffen (wie Methan, Harnstoff
und Milchsäure) und die Formeln der Schrift. Hinter den Formeln verbergen sich Strukturen, der
eigentliche Schriftinhalt. Dem zentralen Dogma der Chemie folgend, lässt sich aus der
dreidimensionalen Struktur die Funktion erklären. Eine Vorstellung, die derzeit nur in begrenzten
Fällen verwirklicht ist. Die Grammatik, die für das Zusammenfügen des Satzes gebraucht wird,
findet sich in den Mechanismen wieder.
Mit diesem Leitkonzept wird versucht, der Chemie näher zu kommen, um in ihrer Vielfalt der
Beschreibungen das Allgemeine im Speziellen zu erkennen. Gerade im Wechselspiel mit der
Biologie können immer mehr Vorgänge „molekular“ erklärt und zugänglich gemacht werden, wie
Arthur Kornberg es 1989 treffend ausdrückte:
„Much of life can be understood in rational terms if expressed in the language of chemistry. It is
an international language, a language for all of time, and a language that explains where we came
from, what we are, and where the physical world will allow us to go. Chemical language has great
esthetic beauty and links the physical sciences to the biological sciences. Unfortunately, the full
use of this language to understand life processes is hindered by a gulf not nearly as wide as the
one between the humanities and sciences on which C. P. Snow focused attention. Yet, chemistry
and biology are two distinctive cultures and the rift between them is serious, generally
unappreciated, and counterproductive....”
A. Kornberg, Biochemistry 1989
Chemie hilft das Leben zu verstehen, Frankfurt im Sommer 2009
1
1.
Einleitung
Eine Definition des Begriffes „Organische Chemie“ ist schwierig. Wörtlich müsste man ihn
übersetzen mit „Chemie, die in Organen (heute sagt man: Zellen) stattfindet“. Dieses Gebiet wird
jedoch heute oft der Biochemie sowie der molekularen Biologie zugeordnet. Die Bezeichnung
erklärt sich aus der Geschichte der Chemie. Bis zum Beginn des 19. Jahrhunderts nahm man an,
dass die Chemie (d.h. Stoffumwandlungen) die in einem lebenden Organismus abläuft, eine
spezielle Kraft benötige. Berzelius nannte sie 1815 „vis vitalis“. Diese unterscheide die Chemie
des Lebens von der „toten“ Chemie, die im Reagenzglas durchführbar sei. Wöhler gelang es 1828
durch die Synthese von „organischen“ Substanzen aus anerkannten „chemischen“ Verbindungen
(Salzen), diese Ansicht zu widerlegen:
O
T
NH4OCN
H2N
Ammoniumisocyanat
Harnstoffsynthese von
F. Wöhler (1828)
NH2
Harnstoff
F. Wöhler
Auch
heute
spielt
die
Vorstellung
der
„vis
vitalis“
noch
eine
Rolle
in
der
Wissenschaftsphilosophie. Ihre Anhänger nehmen an, dass einige Phänomene des Lebens nie
erklärt werden können, da sie auf dieser besonderen Kraft des Lebens beruhen. Der
entgegengesetzte Standpunkt wird durch den Reduktionismus beschrieben. In dieser Lehre wird
angenommen, dass die Biologie vollständig auf Chemie und Physik zurückgeführt werden kann.
Für Phänomene, bei denen eine solche Ableitung zunächst nicht möglich erscheint, wird
angenommen, dass sie durch eine Verbesserung der theoretischen und experimentellen
Ausgangsbedingungen „reduzierbar“ werden.
Heute beschäftigt sich die Organische Chemie überwiegend mit Kohlenstoffverbindungen, die
auch Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff, Schwefel, Phosphor sowie einige andere Elemente
enthalten können. Verbindungen, die nur ein Kohlenstoffatom enthalten, wie z.B. CO und CO2,
werden meist der Anorganischen Chemie zugeordnet, allerdings sind Überschneidungen möglich.
2
2.
Grundlagen
2.1.
Schreibweisen von Strukturen
Möglichkeit A:
Bei dieser Darstellung geht die räumliche Information verloren.
H
H
C
H
H
H
H
H
H
C
C
C
H
H
H
H
Propan
Methan
Abb. 1
Möglichkeit B:
Dabei werden zur Vereinfachung die Atombezeichnungen für Kohlenstoff und Wasserstoff (als
Hauptbestandteile der Struktur) weggelassen. Eine Kohlenstoffkette wird bei mehr als zwei
Kohlenstoffatomen als Zickzacklinie dargestellt, wobei jede Ecke für ein Kohlenstoffatom steht.
Die Bezeichnung von Wasserstoffatomen, die mit den Kohlenstoffeinheiten verknüpft vorliegen,
entfällt. Andere Atome als Kohlenstoff und Wasserstoff werden, symbolisiert durch ihre
Atombezeichnungen, mit den entsprechenden Verknüpfungspartnern durch eine Linie verbunden.
Diese Schreibweise ist besonders für die Darstellung von komplizierten Strukturen geeignet.
Methan
Propan
Abb. 2
Möglichkeit C:
Bei der Tetraeder-Darstellung stellt jedes „vierbindige“ Kohlenstoffatom das Zentrum eines
Tetraeders dar. Ausgehend von diesem Zentrum verlaufen die Bindungen, dargestellt durch
Linien, bis an die Ecken des Tetraeders. Anders als in der bei B aufgezeigten Schreibweise müssen
die Wasserstoffatome in der Tetraeder Darstellung ausgeschrieben werden. Werden zwei der vier
Bindungen eines vierbindigen Kohlenstoffatoms in die Papierblattebene hineingelegt, muss
jeweils eine der verbleibenden Bindungen „hinter“ diese Ebene und entsprechend die andere „nach
vorn“ zum Betrachter hin deuten. Um diese unterscheiden zu können, wird für die nach hinten
verlaufende Bindung eine gestrichelte, sich nach hinten verjüngende Keilschreibweise verwendet,
3
wohingegen die nach vorne zeigende Bindung durch einen ausgemalten, sich nach vorne
verstärkenden Keil dargestellt wird.
H
H
H
H
H
H
H
H
H
Methan
H H
H
Propan
Abb. 3
2.2. Analyse einer Substanz
Versuch: Drei farblose Flüssigkeiten werden in 3 Porzellanschalen entzündet.
Toluol verbrennt mit stark rußender Flamme. Die Flamme des entzündeten Methanols bleibt auch
nach längerem Warten farblos (vgl. Alkoholflamme beim Flambieren von Gerichten). Wasser
verbrennt, was zu erwarten war, überhaupt nicht (vgl. Feuerwehr).
Während in der sehr heißen Alkoholflamme das farblose Kohlendioxid entsteht, wird Toluol nur
sehr unvollständig verbrannt (chemischer Ausdruck: oxidiert). Die Ruß-Abscheidung bei
Letzterem wird besonders gut sichtbar, wenn man die Unterseite einer Porzellanschale gegen die
Flamme hält. Allgemein gilt: Je höher die Verbrennungstemperatur, desto kleiner sind die
Moleküle, die bei dieser Verbrennung entstehen. Dieses Prinzip findet heute in
Müllverbrennungsanlagen Anwendung, da davon ausgegangen werden kann, dass die durch
Hochtemperaturverbrennung entstehenden „kleinen“ Moleküle für den Menschen von geringerer
Toxizität sind als solche, die durch Niedertemperaturverbrennung entstehen. Aus dem Versuch
lernen wir außerdem, dass Substanzen bei hohen Temperaturen in Bruchstücke zerlegt werden
können.
Die qualitativ-quantitative Analyse solcher Bruchstücke ist relativ einfach möglich. Sie erlaubt
uns eine direkte Aussage über die Zusammensetzung der Verbrennungssubstanz zu machen.
Dieses Prinzip ist als Verbrennungsanalyse bekannt geworden und wurde erstmals 1831 durch
Justus von Liebig in die Chemie eingeführt. Dabei wird die Probe durch Erhitzen in den
gasförmigen Zustand überführt und anschließend über Kupferoxid (CuO) geleitet. Die
Kohlenstoff- und Wasserstoffbestandteile der verdampften Ausgangssubstanz werden hierbei
unter gleichzeitiger Reduktion des Kupferoxids zu elementarem Kupfer (Cu) in ihre
Oxidationsprodukte Kohlendioxid (CO2) und Wasser (H2O) überführt. Die Zersetzungsprodukte
werden anschließend über getrocknetes Calciumchlorid (CaCl2) geleitet. Ist Wasser enthalten,
wird dies durch das CaCl2 adsorbiert und durch Auswiegen des Calciumchlorids vor und nach dem
Versuch genau bestimmt.
4
Das verbleibende CO2 wird durch Einleiten der restlichen Gasmenge in eine Natronlauge (NaOHLösung) bestimmt. Dabei entsteht Natriumhydrogencarbonat (NaHCO3), dessen Menge durch
Titration der Lösung bestimmt werden kann. Anhand eines Beispiels soll nun der Verlauf einer
solchen Analyse verfolgt werden.
Ethanol
+
a CuO
b CO2
Einwaage Ethanol: 38.2 mg
+
c H2O
+
a Cu
entstandenes H2O: 44.8 mg
entstandenes CO2: 72.9 mg
Wie viel Kohlenstoff ist nun in Ethanol tatsächlich enthalten? Kohlenstoff wurde als CO2
bestimmt. Nur ein Teil des Gesamtgewichts von Kohlendioxid wird durch den Kohlenstoff
hervorgerufen. Dieser Anteil entspricht dem Verhältnis des Atomgewichts des Kohlenstoffs
(Mr = 12 g/mol) zum Molekulargewicht von Kohlendioxid (M = 44 g/mol):
C
=
CO2
x mg
12
=
44
72.9 mg
Die gemessene Menge des entstandenen CO2 entspricht also 19.9 mg Kohlenstoff. Eine analoge
Berechnung führt zu der Menge des in der Probe enthaltenen Wasserstoffs (Mr = 1), d.h.:
H2
=
H2O
2
18
x mg
=
44.8 mg
Die gemessene Menge des entstandenen H2O entspricht also 5.0 mg Wasserstoff. Welchen Anteil
haben somit C und H an dem untersuchten Ethanol?
Einwaage Ethanol: 38.2 mg = 100%
Anteil C: 19.9 mg = 52.1% Anteil H: 5.0 mg = 13.1%
Die verbleibenden 34.8% können theoretisch von jedem verbleibenden Element stammen, da
unsere Analysenmethode nur auf Kohlenstoff und Wasserstoff anspricht. Eine qualitative Analyse
der Substanz ergab beim Ethanol, dass außer Kohlenstoff und Wasserstoff noch Sauerstoff
enthalten ist. Da ein Kohlenstoffatom mehr zum Molekulargewicht des Ethanols beiträgt als ein
Wasserstoffatom,
müssen
diese
absoluten
Prozentangaben
bezüglich
der
Atomgewichtsdifferenzen normiert werden. Führt man diese einfache Rechnung durch, gelangt
man zu den Atomverhältnissen:
Kohlenstoff:
52.1
= 4.3 Teile
12
Wasserstoff: 13.1 = 13.1 Teile
1
5
Sauerstoff:
34.8
= 2.2 Teile
16
Werden die so erhaltenen Atomverhältnisse durch den kleinsten gemeinsamen Teiler (2.2)
dividiert, ergeben sich die relativen Verhältnisse der beteiligten Atome zueinander. Die
tatsächliche Formel von Ethanol kann aber auch ein ganzzahliges Vielfaches dieses Verhältnisses
betragen, so dass korrekterweise die Formel (C2H6O)n geschrieben werden müsste. Um den Wert
von n zu bestimmen, müsste das Molekulargewicht von Ethanol bestimmt werden.
Dazu gibt es heutzutage unterschiedliche Verfahren, von denen die Massenspektrometrie durch
ihre Einfachheit, Exaktheit und Schnelligkeit klar hervorsticht.
Dabei wird das Molekül mit hochenergetischen Elektronen beschossen und so gemäß
(M + e– → M+ + 2 e–, z.B. zu Ethanol+) ionisiert. Die positiv ionisierten Moleküle werden
anschließend durch ein anliegendes elektrostatisches Feld beschleunigt. In einer weiteren Kammer
durchlaufen die Molekülionen ein Magnetfeld, durch das sie auf eine kreisförmige Bahn abgelenkt
werden.
Abb. 4
Die Detektion erfolgt schließlich über ein Ionenzählgerät. Die Ablenkungen, die die Ionen durch
das Magnetfeld erfahren, nehmen im Verhältnis Masse zu Ladung (m/q) ab. Nach vorhergehender
Kalibrierung des Spektrometers kann so die Molekülmasse sehr akkurat (unterhalb 0.1%)
bestimmt werden.
Für Ethanol erhält man ein Molekulargewicht von 46 g/mol. Damit entspricht „C2H6O“ einem
Molekül Ethanol. Stöchiometrisch richtig lautet die Reaktionsgleichung der Oxidation von
Ethanol durch Kupferoxid damit:
C2H6O + 6 CuO
2 CO2 + 3 H2O + 6 Cu
6
Da bei der vorgestellten Methode relativ viel Substanz verbraucht wird, wird heute eine Variante
dieses Verfahrens verwendet.
Statt die entstandenen Mengen von H2O und CO2 durch Auswiegen bzw. durch Titration zu
bestimmen, werden genauere Analysemethoden eingesetzt. Die Gaschromatographie erlaubt
heutzutage die Bestimmung kleinster Mengen der Zersetzungsprodukte.
Die Verbrennungsgase werden nach chromatographischer Trennung durch einen Detektor geleitet;
eine gängige Detektionsmethode ist hierbei die Messung der Wärmeleitfähigkeit des
durchströmenden Gases.
Abb. 5
Außerdem kommen Flammenionisationsdetektoren zum Einsatz, die auf das Vorhandensein von
Ionen ansprechen. Trägt man die Leitfähigkeit gegen die Zeit auf, erhält man ein Chromatogramm:
Abb. 6
Die Zeiten, die für jedes Molekül aufgenommen werden, sind unter gleich bleibenden
Trennungslaufbedingungen charakteristisch und werden deshalb auch als Retentionszeiten (tR)
bezeichnet.
7
Die Fläche unterhalb der Kurve (Integral) entspricht dabei der Menge der detektierten Substanz.
Mit Hilfe von Kalibrierungsstandards lassen sich aus den ermittelten Peakflächen Angaben zu der
Menge der Verbrennungsprodukte machen. Für eine solche Analyse benötigt man lediglich 0.5
mg Substanz. Der absolute Fehler einer Messung beträgt dabei 0.3 – 0.5 %. (Anwendung: Die
„Elementaranalyse“ zum Beweis der Reinheit einer neuen Verbindung wird noch heute von vielen
Journalen gefordert.)
2.3. Chemische Strukturen
Die Summenformel einer Substanz (z.B. C2H6O für Ethanol) sagt noch nichts darüber aus, wie die
Atome des Moleküls miteinander verbunden und räumlich zueinander angeordnet sind. Die
Grundlage dafür bildet die Vierbindigkeit des Kohlenstoffs (1851, Kekulé) und das
Tetraedermodell (1874, van´t Hoff). Die räumliche Darstellung eines Tetraeders in der
Papierebene ist schwierig. Die beste Möglichkeit, sich Strukturen dreidimensional anzuschauen,
besteht im Nachbau mit Molekülmodellen (Molekülbaukasten). Im Folgenden sollen einige
Möglichkeiten zur Darstellung des tetraedrischen Kohlenstoffatoms besprochen werden:
1. Möglichkeit:
Verlust der räumlichen Information (vgl. oben):
Abb. 7
2. Möglichkeit:
Perspektivische Darstellung
Abb. 8
3. Möglichkeit:
Darstellung des ganzen Tetraeders:
C
Abb. 9
8
Unter
Anwendung
der
eben
entwickelten
räumlichen
Darstellungsarten
wird
die
Konstitutionsformel erhalten. Diese gibt die Art und Anzahl der Atome bzw. der Bindungen in
einem Molekül an. Für Ethanol (C2H6O) ist die Konstitutionsformel:
H
H
H
C
C
H
H
OH
Abb. 10
Eine andere Formel, die dieselbe Summenformel (C2H6O) besitzt, aber eine andere Konstitution
hat, ist der Dimethylether:
H
H
C
H
O
H
C
H
H
Dimethylether
Abb. 11
Ethanol und Dimethylether sind Konstitutionsisomere.
Zur räumlichen Beschreibung einer Verbindung sind außerdem die Konfiguration und die
Konformation wichtig. Bei der Konfiguration handelt es sich um eine Konstitution im Raum, d.h.
neben der Konnektivität der Atome ist hier ihre räumliche Anordnung zueinander gefragt. Die
Konformation berücksichtigt ferner die Drehungsmöglichkeiten, die um eine Einfachbindung
existieren.
Auch Ethanol kann in der Tetraeder-Schreibweise dargestellt werden. Dazu werden formal zwei
Tetraeder miteinander verbunden, wobei der eine Tetraeder der CH3-Einheit und der andere
Tetraeder dem verbleibenden Rest (CH2OH) entspricht:
H
H
H
OH
H
H
OH
H
H
Methanol
H
Ethanol
Abb. 12
Die Tetraeder können jedoch auf Grund der freien Drehbarkeit um eine Einfachbindung
unterschiedlich zueinander verdreht werden. Prinzipiell sind alle Winkel zwischen 0o und 360o
möglich, wobei bestimmte Winkel vor anderen Winkeln ausgezeichnet sind.
9
Ethanolstrukturen, die über die gleiche Konfiguration verfügen, aber sich durch unterschiedliche
Rotationswinkel um die C-C – Einfachbindung unterscheiden, bezeichnet man als
Konformationsisomere oder einfach als Konformationen.
2.4. Nomenklatur
Die Nomenklatur von chemischen Verbindungen erfolgt nach den IUPAC-Regeln (International
Union of Pure and Applied Chemistry), die 1957 in Genf beschlossen wurden.
Regel 1:
Die längste zusammenhängende Gruppe von Kohlenstoffatomen gibt der
Verbindung den Namen der Stammverbindung.
Regel 2:
Diese Kohlenstoffatome werden nummeriert, dabei wird an dem C-Atom, das die
charakteristische Gruppe trägt, begonnen. Bei Kohlenwasserstoffen sollen die
Präfixe möglichst kleine Zahlen tragen.
Regel 3:
Bezeichnungen für Substituenten, die Wasserstoff ersetzen (z.B. Methyl, Ethyl,
Phenyl, Halogenid etc.), werden als Präfixe vor den Namen der Kohlenstoffkette
gesetzt. Vor den Substituenten wird jeweils die Nummer des Kohlenstoffatoms
gestellt, an das er gebunden ist.
Regel 4:
Die Bezeichnung für die charakteristische Gruppe, die der Zuordnung in eine
bestimmte Stoffklasse entspricht, wird als Suffix dem Namen der Kohlenstoffkette
angehängt.
Beispiel:
H H H
O
H 4C 3C 2C C
1
H H Cl
OH
2-Chlorbutansäure (internat.: 2-Chlorobutanoic acid)
Längste Kette:
Butan
Präfix (Substituent): 2-Chlor
Suffix (Stoffklasse):
Carbonsäure
Abb. 13
10
Reihenfolge der Substituenten nach fallender Priorität
Stoffklasse
Substituent
Präfix
Suffix
Carbonsäuren
Carbonsäureester
Carbonsäureamid
Nitrile
Aldehyde
Ketone
Alkohole, Phenole
Thiole (Mercaptane)
Amine
Doppelbindungen
Dreifachbindungen
Ether
Halogenide
Arylgruppen
Alkylgruppen
-COOH
-COOR
-CONH2
-CN
-CHO
=O
-OH
-SH
-NH2
=

-OCH3
(F,CI,Br,I)
-Ph
-R(CH3)
CarboxyAlkoxyCarbamoylCyan(o)OxoOxoHydroxyMercaptoAmino-
-carbonsäure
-carbonsäurealkylester
-carbonamid, amid
-nitril
-al
-on
-ol
-thiol
-amin
-en
-in
-ether
-fluorid, chlorid, bromid, iodid
-aromat (z.B. -benzol)
-alkan (z.B. -methan)
MethoxyFluorPhenylAlkyl-
3.
Kohlenwasserstoffe (Aliphaten)
3.1.
Eigenschaften
Kohlenwasserstoffe, die durch die Summenformel CnH2n+2 beschrieben werden, heißen Alkane,
die Endung ist „-an“. Wegen ihrer Reaktionsträgheit werden sie oft auch als Paraffine bezeichnet.
CH4 + Cl2
CH4 + Cl2
CH3Cl + HCl
Temperatur, Druck
Katalysator
CH3Cl + HCl
Abb. 14
Zu den Gemeinsamkeiten der Alkane gehört neben ihrer Wasserunlöslichkeit ihre
Reaktionsträgheit. Wie am Beispiel einer einfachen Halogenierungreaktion zu sehen ist,
erfolgt die Umsetzung erst unter Extrembedingungen (z.B. Temperatur und Druck). Häufig kann
der Einsatz geeigneter Katalysatoren die Reaktion überhaupt erst ermöglichen.
11
n
Name
Formel
Sdp [Co]
Smp [Co]
Dichte bei 20o C
1
Methan
CH4
−161.7
−182.5
0.466 (bei –164oC)
2
Ethan
CH3CH3
−88.6
−183.3
0.572 (bei −100oC)
3
Propan
CH3CH2CH3
−42.1
−187.7
0.5853 (bei –45oC)
4
Butan
CH3CH2 CH2CH3
−0.5
−138.3
0.5787
5
Pentan
CH3(CH2)3CH3
36.1
−129.8
0.6262
6
Hexan
CH3(CH2)4CH3
68.7
−95.3
0.6603
7
Heptan
CH3(CH2)5CH3
98.4
−90.6
0.6837
8
Octan
CH3(CH2)6CH3
125.7
−56.8
0.7026
9
Nonan
CH3(CH2)7CH3
150.8
−53.5
0.7177
10
Decan
CH3(CH2)8CH3
174.0
−29.7
0.7299
11
Undecan
CH3(CH2)9CH3
195.8
−25.6
0.7402
12
Dodecan
CH3(CH2)10CH3
216.3
−9.6
0.7487
13
Tridecan
CH3(CH2)11CH3
235.4
−5.5
0.7564
14
Tetradecan
CH3(CH2)12CH3
253.7
5.9
0.7628
15
Pentadecan
CH3(CH2)13CH3
270.6
10
0.7685
16
Hexadecan
CH3(CH2)14CH3
287
18.2
0.7733
17
Heptadecan
CH3(CH2)15CH3
301.8
22
0.7780
18
Octadecan
CH3(CH2)16CH3
316.1
28.2
0.7768
19
Nonadecan
CH3(CH2)17CH3
329.7
32.1
0.7855
20
Eicosan
CH3(CH2)18CH3
343
36.80
0.7886
Tab. 1
Verbindungen, die durch formales Hinzufügen einer CH2-Gruppe ineinander überführt werden
können, werden als Homologe bezeichnet.
In der homologen Reihe der Alkane gibt es ab Butan (C4H10) eine rasch ansteigende Anzahl von
Konstitutionsisomeren:
Pentan
(n-Pentan)
2-Methylbutan
(iso-Pentan)
Abb. 15
12
2,2-Dimethylpropan
(Neopentan)
Anzahl der möglichen isomeren Alkane mit der Summenformel CnH2n+2
n
Isomere
1
1
2
1
3
1
4
2
5
3
6
5
7
9
8
18
9
35
10
75
15
4347
20
366319
Tab. 2
Die Bezeichnungen „sekundär“ bzw. „tertiär“ beziehen sich auf das Auftreten eines sekundären
bzw. tertiären Kohlenstoffatoms. Ab Heptan treten vermehrt auch Konfigurationsisomere in
Erscheinung.
3.2. Chirale Moleküle
3.2.1. Einleitung
Moleküle, bei denen Konfigurationsisomere auftreten können, müssen eine bestimmte Art von
Asymmetrie besitzen, sie werden deshalb auch als „chiral“ bezeichnet. Chiralität kann im
Deutschen auch mit dem Ausdruck „Händigkeit“ übersetzt werden, da dieses Phänomen der
spiegelbildlichen Anordnung der Hände zueinander entspricht.
Es ist nicht möglich, diese miteinander zur Deckung zu bringen.
Obwohl die Handinnenflächen miteinander zur Deckung gebracht
werden können, verhalten sich beide Hände zueinander wie ein Bild zu
seinem Spiegelbild.
Auch bei der Tetraedergeometrie können Anordnungen auftreten, die sich ähnlich wie die Hände
zueinander verhalten. Das ist speziell dann der Fall, wenn die Nachbarpositionen am
Kohlenstoffatom durch vier unterschiedliche Substituenten belegt werden, das Kohlenstoffatom
wird auch Chiralitätszentrum genannt. Die beiden deckungsungleichen Isomere, die sich nur durch
13
den Positionsaustausch zweier Substituenten voneinander unterscheiden, werden auch
Enantiomere genannt.
Ein bekanntes Beispiel, das die Bedeutung dieser Art von Isomerie besonders in biologischen
Systemen deutlich zeigt, ist der „Contergan-Fall“ (1962). Contergan war ein leichtes Hypnotikum,
das zum Einschlafen verwendet wurde. Der darin enthaltene Wirkstoff Thalidomid enthält ein
Kohlenstoffatom mit vier unterschiedlichen Substituenten. Es existieren damit logischerweise
zwei isomere Formen des Medikamentes, die sich wie Bild und Spiegelbild zueinander verhalten.
O
O
N
N
O
O
H
(R,S)-N-(2,6-Dioxo-3-piperidyl)phtalimid (Thalidomid
® )
Abb. 16
Die
Synthese von Contergan geht von Phthalsäureanhydrid aus, das in Gegenwart von
Acetanhydrid mit Glutaminsäure zur N-Phthalylglutaminsäure kondensiert wird. Der Ringschluss
zu „Contergan“ gelingt durch Erhitzen der N-Phthalylglutaminsäure mit Ammoniak im
Autoklaven oder mit Harnstoff oder Thioharnstoff, wobei Xylol als Lösungsmittel eingesetzt wird.
O
O
CO2H
O
+
H2N
O
O
CO2H
O
H
N
H
CH2-CH2-CO2H
CH2-CH2-CO2H
O
O
NH3
O
O
N
N
O
Abb. 17
14
O
H
Exkurs: Glutaminsäure und ihr Natriumsalz (Natriumglutamat) werden als Geschmacksverstärker
(Umami) für Lebensmittel verwendet. Die Wirkung ist so ausgeprägt, dass Umami (Japanisch:
Köstlichkeit) den vier Grundgeschmacksnoten – süß, sauer, salzig, bitter – an die Seite gestellt
wird. In größeren Konzentrationen wirken Glutamate als Neurotoxin, darauf ist das „ChinaRestaurant-Syndrom“ zurückzuführen.
Die Ausgangsverbindung (Glutaminsäure) verfügt über ein Chiralitätszentrum. Bei den
nachfolgenden Umsetzungen geht die chirale Information verloren, wodurch beide Isomere
entstehen. Wie bei vielen natürlich vorkommenden chiralen Substanzen tritt in der Natur nur eine
Variante der beiden Spiegelbildisomere auf. Rezeptormoleküle, die ebenfalls aus vielen einzelnen
chiralen Bausteinen (Aminosäuren) aufgebaut sind, können spezifisch nur ein Spiegelbildisomer
erkennen und binden. Bis zum Auftreten der Contergan-Katastrophe nahm man an, dass nur das
„richtige“ Enantiomer mit dem Rezeptor wechselwirkt und so die gewünschte Wirkung hervorruft.
Bei Thalidomid wirkt jedoch das (S)-(−)-Enantiomer, das nicht an den Rezeptor im zentralen
Nervensystem bindet, schädigend auf die Entwicklung des Embryos ein.
3.2.2. Zum Begriff „Chiralität“
1813 wurde von J. B. Biot eine Meßmethode entwickelt, mit der es später L. Pasteur gelang, die
Grundlagen zum Verständnis der Chiralität zu entwickeln. Bei dieser Methode wird Licht einer
bestimmten Wellenlänge durch ein Prisma aus Kalkspat geleitet (meist wird die so genannte DLinie des Natrium-Dampf-Spektrums bei 589 nm, benutzt). Dabei wird das Licht „polarisiert“,
d.h. es schwingt nur noch in einer Schwingungsebene. Dieses polarisierte Licht wird anschließend
durch die gelöste Probesubstanz (Konzentrationsangabe in g/cm3) geleitet. Die Beobachtungen
zeigen, dass bestimmte Substanzen in der Lage sind, die Ebene des polarisierten Lichts zu
„drehen“. Die Stärke dieser Drehung wird mittels eines Analysators, der ebenfalls aus einem
Kalkspatprisma besteht, gemessen. Wird die Ebene des Lichts vom Beobachter aus nach „rechts“
gedreht, sagt man, die Substanz sei rechtsdrehend und bezeichnet sie nach Vereinbarung mit (+).
Substanzen, die einen umgekehrten Einfluss auf die Polarisationsebene des Lichts ausüben
(linksdrehend), werden entsprechend mit (−) bezeichnet.
15
Abb. 18
Der gemessene Drehwert muss anschließend noch normiert werden. Der sich daraus ergebende
spezifische Drehwert einer Substanz wird in Grad angegeben und ist neben der Temperatur (T)
auch Wellenlängen (λabhängig. 

[]
 T
gemessener Drehwert
=
Länge der Küvette [cm] x Konzentration Substanz [g/ cm3]

Bei einer äquivalenten Mischung von rechtsdrehender und linksdrehender Substanz heben sich die
Polarisationseigenschaften der Probe auf. Solche Mischungen bezeichnet man als Racemate.
Diese Bezeichnung geht auf L. Pasteur zurück, der sie in Anlehnung an den Namen der
Traubensäure (racem.-2,3-Dihydrogenbernsteinsäure, acidum racemicum) wählte.
Bedeutet das aber umgekehrt, dass Substanzen, die die Polarisationsebene des polarisierten Lichts
nicht drehen, immer Racemate sind? Dazu machte L. Pasteur 1844 wichtige Experimente. Er
untersuchte dazu die drei Isomere der Weinsäure. Aus Untersuchungen war bekannt, dass alle
Isomere über die gleiche Summenformel und die gleiche Konstitutionsformel verfügen. Zur
besseren Veranschaulichung werden diese im Folgenden zunächst in einer Formel wiedergegeben,
die ohne räumliche Information auskommt.
HO2C
HCOH
HCOH
CO2H
Abb. 19
Zwei dieser Isomere, nämlich (+)- und (−)-Weinsäure (auch Traubensäure genannt), verhalten sich
zueinander wie Bild und Spiegelbild, die dritte Verbindung heißt meso-Weinsäure.
L. Pasteur gelang es, die beiden Enantiomeren durch Kristallisation des Kaliumsalzes (Weinstein)
voneinander zu trennen. Ausschlaggebend hierfür war zum einen die unterschiedliche Löslichkeit
der beiden Enantiomere gegenüber der meso-Form und zum anderen die Tatsache, dass die
16
enantiomeren Kristalle sich ebenfalls zueinander wie Bild und Spiegelbild verhalten. Durch
einfaches Aussortieren der unterschiedlichen Kristallformen gelang es Pasteur, die Enantiomere
des Weinsteins voneinander zu trennen und getrennt zu untersuchen.
Substanz
Spezifischer Drehwert
Löslichkeit in 100 ml H2O
(−)-Weinsäure
−12o
139 g
(+)-Weinsäure
+12°
139 g
Racemat
0°
20,6 g
meso-Weinsäure
0o
125 g
Tab.3
Es ist deutlich erkennbar, dass die meso-Weinsäure zwar wie das Racemat keinen Drehwert besitzt,
aber andere physikalische Eigenschaften hat (z.B. Löslichkeit in Wasser). Meso-Weinsäure ist im
Gegensatz zum Racemat eine reine Substanz. Das Racemat hingegen besteht aus gleichen Anteilen
von rechtsdrehender und linksdrehender Weinsäure. Ob eine Substanz, die die Ebene des
polarisierten Lichts nicht dreht, eine reine nicht chirale Verbindung ist oder ein äquivalentes
Gemisch der beiden Enantiomeren, kann nur festgestellt werden, wenn es gelingt, die beiden
Enantiomere voneinander zu trennen. Bis heute konnte kein Zusammenhang zwischen
Molekülstruktur und der Richtung, in die das polarisierte Licht gedreht wird, festgestellt werden.
Betrag und Richtung des Drehwerts sind also empirische Größen, die aus der Molekülstruktur
nicht abgeleitet werden können.
3.2.3 Fischerprojektionen
Bei der Darstellung von Tetraedern nach Fischer werden diese in die Zeichenebene gepresst. Die
beiden Bindungen, die dadurch in Nord- bzw. Südrichtung zeigen, fallen hinter die Papierebene,
also jeweils vom Betrachter weg. Die beiden anderen Bindungen des Tetraeders zeigen hingegen
aus der Papierebene weg, zum Betrachter hin. Im Allgemeinen kann ein chirales Kohlenstoffatom
mit den vier unterschiedlichen Substituenten a-d wie folgt dargestellt werden:
17
a
a
b
d
b
c
c
d
(+) Enantiomer
(-)Enantiomer
a
a
c
d
c
d
b
b
Fischer-Projektion
Abb. 20
Es ist leicht zu erkennen, dass in der Fischerprojektion die beiden möglichen Enantiomere einer
Verbindung mit nur einem Kohlenstoffatom durch Vertauschen eines Substitutionspaares
ineinander überführt werden können. Um die Fischerprojektion auch auf größere Moleküle mit
mehreren Chiralitätszentren anwenden zu können, müssen hier noch einige zusätzliche Regeln
betrachtet werden:
- Die längste Kohlenstoffkette wird in Nord-Süd Richtung geschrieben.
- Dabei wird das Kohlenstoffatom mit der höchsten Oxidationsstufe in Nordrichtung gebracht.
- Nun wird so um die C-C Einzelbindungen der Kette gedreht, dass die Substituenten in Ost- und
Westrichtung nach vorne (zum Betrachter) zeigen.
- Enantiomere werden je nach der Stellung eines typischen Substituenten in Ost- bzw. West
Richtung mit „D“ (dexter = rechts) oder „L“ (laevus = links) bezeichnet.
Mit diesen Regeln lassen sich auch die Isomere der Weinsäure, einer Verbindung mit zwei
Chiralitätszentren, in der Fischerprojektion einfach abbilden:
CO2H
H
HO
OH
H
CO2H
L-(+)-Weinsäure
CO2H
HO
H
CO2H
CO2H
H
H
OH
HO
H
OH
H
OH
HO
H
CO2H
CO2H
D-(-)-Weinsäure
CO2H
meso-Weinsäure
Abb. 21
Als typischer Substituent, nach dessen Stellung die Enantiomere bekannt werden, dient hier die
Alkoholfunktion am „südlichsten der chiralen Kohlenstoffatome“. Man bezeichnet also die (+)18
Weinsäure auch als L-Weinsäure und die (−)-Weinsäure als D-Weinsäure. Obwohl die mesoWeinsäure zwei Kohlenstoffatome besitzt, die jeweils vier verschiedene Substituenten tragen und
so eine Chiralität des Moleküls hervorrufen könnten, dreht sie die Ebene des polarisierten Lichts
nicht. Das gesamte Molekül besitzt eine interne Spiegelebene, wodurch Bild und Spiegelbild der
meso-Weinsäure äquivalent sind. Dadurch kompensiert sich sozusagen der Einfluss der einzelnen
Kohlenstoffatome auf die Ebene des polarisierten Lichts, so dass im Endeffekt keine Nettodrehung
messbar wird. Zwei weitere Beispiele für chirale Verbindungen sind Alanin und Milchsäure. Bei
Alanin ist der charakteristische Substituent, dessen Stellung mit D oder L bezeichnet wird, die
Aminogruppe. Bei der Milchsäure übernimmt die Alkoholgruppe diese Funktion.
Bei bestimmten Joghurtsorten ist angegeben, dass er vorwiegend L-(+)-Milchsäure enthält. Dieses
Enantiomer wird auch im menschlichen Körper gebildet, beispielsweise unter extremer Belastung
der Muskulatur bei Hochleistungssport (Stichwort: Muskelkater).
CO2H
H2N
C
H
CH3
L-Alanin
CO2H
CO2H
H
C
HO
NH2
C
H
CH3
CH3
D-Alanin
L-Milchsäure
CO2H
H
C
OH
CH3
D-Milchsäure
Abb. 22
In einfachen Joghurtsorten sind beide Enantiomere der Milchsäure zu gleichen Teilen enthalten,
was an den Bakterienstämmen liegt, die bei der Herstellung benutzt werden. Wie oben
beschrieben, besteht keine eindeutige Bezeichnung zwischen dem Vorzeichen des Drehwerts einer
chiralen Verbindung und ihrer absoluten Konfiguration, die mit D bzw. L bezeichnet wird. Diese
Zuordnungen können heutzutage durch anomale Streuung von Röntgenstrahlung und spezielle
NMR-Techniken erhalten werden. Fischer hatte zu seiner Zeit keine dieser Untersuchungsmöglichkeiten zu seiner Verfügung. Er führte die einzelnen Verbindungen durch chemische
Umsetzungen ineinander über und konnte dadurch „Stammbäume“ von Verbindungen aufstellen,
die dieselbe Konfiguration haben. Ein entscheidender Nachteil seiner D/L Nomenklatur besteht
darin, dass sie „nur“ auf Kohlenwasserstoffe angewendet werden kann. Außerdem muss das
Molekül vor seiner Bezeichnung immer erst in die richtige Orientierung auf dem Papier gebracht
werden, bevor die Zuordnung getroffen werden kann. Wie wir noch sehen werden, ist in einigen
Fällen die Wahl des Bezugssystems, das auf die oben erwähnten Stammbäume zurückgeht, für das
Auffinden der richtigen Lösung wichtig.
19
3.2.4. CIP-Nomenklatur (R/S)
Wegen dieser Nachteile wird von der IUPAC eine andere Nomenklatur der Enantiomeren
empfohlen, die von Cahn, Ingold und Prelog eingeführt wurde. Diese Nomenklatur hält sich an
folgende Regeln:
 Das Molekül muss zuerst so gezeichnet werden, dass die Tetraedergeometrie des
Kohlenstoffatoms sichtbar wird.
 Die Atome, die mit dem Chiralitätszentrum verbunden sind, werden entsprechend ihrer
Ordnungszahl im Periodensystem sortiert (z.B. N>C>H). Treten dabei gleiche Elemente auf,
wird der übernächste Nachbar betrachtet. Bei doppelt gebundenen Substituenten wird der
Substituent formal doppelt gezählt.
 Nach dieser Anordnung werden Nummern verteilt. Entsprechend der Ordnungszahlen,
bekommt der Substituent die höchste Priorität (Nummer 1), der die höchste Ordnungszahl
besitzt bzw. den höchsten Substitutionsgrad bei den übernächsten Nachbarn.
 Der Tetraeder wird so gedreht und betrachtet, dass der Substituent mit der niedrigsten Priorität
hinter die Papierebene, die auch die Ebene des Chiralitätszentrums darstellt, zeigt. Die
restlichen Substituenten bilden dabei einen dreizackigen Mercedes-Stern, der zum Betrachter
weist. Geht man nun von dem Substituenten mit der höchsten Priorität zu dem mit der
zweithöchsten und dann weiter zu dem mit der dritthöchsten, so beschreibt man einen Kreis,
der entweder im Uhrzeigersinn oder entgegen dem Uhrzeigersinn verläuft.
 Enantiomere, bei denen eine solche Reihenfolge im Uhrzeigersinn erfolgt ist, bekommen die
absolute Konfiguration R (rectus= rechts). Solche bei denen die Reihenfolge entgegen dem
Uhrzeigersinn erfolgt ist entsprechend die Konfiguration S (sinister = links).
Diese Beispiele sollten am besten an einem Molekülmodell nachvollzogen werden. Bei vielen im
Organismus vorkommenden chiralen Molekülen hat das Kohlenstoffatom S-Konfiguration.
Die CIP-Nomenklatur soll abschließend noch auf die bereits zuvor diskutierte Weinsäure
angewandt werden. Hierzu wird die längste Kohlenstoffkette auf die Papierebene gelegt. Um der
Tetraedergeometrie am Kohlenstoffzentrum Rechnung zu tragen, werden die einzelnen
Kohlenstoffatome „zick-zack“-förmig angeordnet, wobei die OH-Gruppen die Möglichkeit haben,
hinter (gestrichelt) oder vor die Papierebene (verdickt) zu zeigen.
20
CO2H
H2N
C
H
H
C
CH3
HO
NH2
C
CO2H
H
H2N
CH3
S-Alanin
H
H
C
D-Milchsäure
CO2H
HO
H
CH3
R-Alanin
OH
CH3
L-Milchsäure
D-Alanin
CO2H
CO2H
CH3
CH3
L-Alanin
H2N
H
CO2H
CO2H
CO2H
H
HO
CH3
S-Milchsäure
CH3
R-Milchsäure
Abb. 23
OH
CO2H
S
S
HO2C
OH
CO2H
=
OH
HO
C2
H
H
C3
OH
HO2C
CO2H
CO2H
R
R
OH
CO2H
(2S,3S)- (-) Weinsäure
=
H
C2
OH
HO
C3
H
CO2H
(2R,3R)- (+) Weinsäure
racem. Weinsäure = Traubensäure
OH
HO2C
S
OH
R
CO2H
=
HO2C
OH
R
CO2H
S
CO2H
OH
=
HO
C2
H
HO
C3
H
CO2H
Mesoweinsäure
optisch inaktiv, achiral
Abb. 24
4.
Radikalreaktionen
4.1.
Radikalische Substitution
Die radikalische Substitution ist ein wichtiger Reaktionstyp, um funktionelle Gruppen in Alkane
einzuführen. Dabei werden Radikale als Zwischenprodukte gebildet. Radikale entstehen, wenn bei
einem Bindungsbruch die Bindungselektronen gleichmäßig auf die Bindungspartner verteilt
werden. Dies nennt man homolytische Spaltung der Bindung (Homolyse). Dabei entstehen keine
21
geladenen Moleküle, sondern neutrale, hoch reaktive Zwischenprodukte, die über ein ungepaartes
Elektron verfügen.
4.2. Reaktion von Ethan mit Chlor
Die Erzeugung von Radikalen ist ein Prozess, bei dem sehr viel Energie aufgewendet werden
muss. Bei der radikalischen Chlorierung von Ethan wird ein H der C-H Bindung des Ethans durch
ein Cl (C-Cl) Bindung ersetzt. Als Zwischenprodukte treten freie, hochreaktive Radikale auf.
Diese Reaktion wird gestartet, indem Chlor in Gegenwart von Ethan erwärmt (Δ) oder mit Licht
(hv) bestrahlt wird. Da es bei der Reaktion zur Bildung immer neuer freier Radikale kommt, wird
auch von einer radikalischen Kettenreaktion gesprochen.
h
H3C-CH3
+
Cl2
T
H3C-CH2Cl
+
HCl
Diese Reaktion lässt sich auch in mehrere Einzelschritte zerlegen, die es erlauben, die
Energieverhältnisse genauer zu bilanzieren. Zunächst werden die Edukte in die einzelnen Radikale
zerlegt. Dieser Vorgang ist stark endotherm. Auch die Produkte lassen sich in die einzelnen
Radikale zerlegen.
H3C-CH3
H3C-CH2
+
H
H0: 418 kJ/mol
Cl-Cl
Cl
+
Cl
H0: 243 kJ/mol
H3C-CH2Cl
H3C-CH2
+
Cl
H0: 335 kJ/mol
H-Cl
H
+
Cl
H0: 431 kJ/mol
Wenn alle Gleichungen so angeordnet werden, dass am Ende die Ausgangsgleichung als Summe
der Einzelgleichungen erhalten wird, ergibt sich für die Substitutionsreaktion ein Energiegewinn
von –105 kJ/mol. Die Reaktion ist somit exotherm.
H3C-CH3
H3C-CH2
+
H
H0: 418 kJ/mol
Cl-Cl
Cl
+
Cl
H0: 243 kJ/mol
H3C-CH2Cl
H3C-CH2
+
Cl
H0: 335 kJ/mol
H-Cl
H
+
Cl
H0: 431 kJ/mol
H3C-CH2Cl
+
HCl
H0: -105 kJ/mol
H3C-CH3 + Cl2
22
Werden die Reaktionen etwas genauer betrachtet, so lässt sich der Ablauf in drei Reaktionsphasen
unterteilen:
1. Kettenstart
Beim Kettenstart wird eine kovalente Bindung homolytisch gespalten. Hierbei entstehen zwei
Radikale. Beim Vergleich der homolytischen Dissoziationsenergien einer C-H Bindung (ΔHo =
418 kJ/mol) mit der einer Cl-Cl Bindung (ΔHo = 243 kJ/mol) ist die Bildung freier Chlor-Radikale
energetisch stark begünstigt.
2. Kettenfortpflanzung
Die freigesetzten Radikale können anschließend ein Wasserstoffatom einer C-H Bindung
abstrahieren. Dabei entsteht erneut ein freies Radikal, diesmal jedoch ein Ethyl-Radikal. Dieses
kann nun, unabhängig von dem Vorhandensein weiterer Chlor-Radikale, ein Chlor aus dem Cl2Molekül addieren. So werden im Laufe der Reaktion immer weiter Radikale erzeugt, ohne dass
neue von außen gebildet werden müssten.
3. Kettenabbruch
Ein Kettenabbruch kann durch zwei unterschiedliche Reaktionen zustande kommen.
Zum einen können zwei freie Radikale zusammenkommen und eine Einfachbindung ausbilden. In
diesem Fall wird von einer Rekombination gesprochen.
Cl
+
Cl
Cl2
H3C-CH2
+
Cl
H3C-CH2Cl
H3C-CH2
+
H3C-CH2
H3C-CH2-CH2-CH3
Zwei Alkyl-Radikale können jedoch auch miteinander ein Wasserstoffatom austauschen und so
ein Ethan-Molekül sowie ein Ethen-Molekül bilden. In letzterem Fall wird von einer
Disproportionierung gesprochen.
H3C-CH2
4.3.
+
H3C-CH3
H3C-CH2
+
H2C=CH2
Darstellung von Chlorcyclohexan
Die Chlorierung von Cyclohexan gelingt mit Sulfurylchlorid in Gegenwart eines Radikalstarters.
In diesem Beispiel dient Azobisisobutyronitril (AIBN) als Radikalstarter. Wird diese Substanz
erhitzt, so wird molekularer Stickstoff freigesetzt, wobei zwei 2-Cyano-2-propylradikale
entstehen, die die Reaktion erst in Gang bringen.
23
Diese Radikale können dann ein Chlor aus dem Sulfurylchlorid entfernen. Das entstehende
Produkt disproportioniert in der Wärme in Schwefeldioxid und ein weiteres Chlor-Radikal, das
ähnlich wie oben ein Wasserstoffatom aus dem Cyclohexan entfernt.
+
SO2Cl2
Cl
AIBN
+
SO2
+
HCl
Abb. 25
Mechanismus:
1) Kettenstart:
NC
N
Init.
+
N
SO2Cl2
+
2 NC
CN
Init.-Cl
+
N2
SO2Cl
2) Kettenfortpflanzung
HCl
SO2Cl
R
+
+
RH
SO2Cl2
R
RCl
+
HSO2Cl
+
SO2Cl
+
SO2
3) Kettenabbruch (nur eine mögliche Abbruchreaktion ist gezeigt):
R
+
SO2Cl
RSO2Cl
Abb. 26
4.4.
Regioselektivität bei der radikalischen Substitution
Stehen bei einem Alkan topologisch unterschiedliche C-H Bindungen zur Verfügung, stellt sich
die Frage, welches der Wasserstoffatome von dem Chlor-Radikal abstrahiert wird. Als einfaches
Beispiel betrachten wir die Halogenierung von 2-Methylbutan:
Hier gibt es vier mögliche Angriffsziele für das Chlor. Zum einem kann eines der sechs
endständigen Wasserstoffatome (an C-1 und C-5) abstrahiert werden. Das Produkt wäre in diesem
Fall 1-Chlor-2-methylbutan. Wird das am tertiären Kohlenstoffatom (C-2) befindliche
Wasserstoffatom entfernt, entsteht 2-Chlor-2-methylbutan. Am sekundären Kohlenstoffatom
(C-3) gibt es zwei Wasserstoffatome, die entfernt werden können, wobei 2-Chlor-3-methylbutan
entstehen würde. Schließlich kann auch an dem endständigen, primären Kohlenstoffatom (C-4)
eine Abstraktion vorgenommen werden. Bei dieser Reaktion entsteht 1-Chlor-3-methylbutan als
Produkt.
24
Die folgende gefundene Produktverteilung lässt sich durch Statistik alleine nicht erklären:
Produkte
Kohlenstoff
Wasserstoffzahl
Berechnet
gefunden
1-Chlor-2-methylbutan
C-1 und C-5
6
50%
27%
2-Chlor-2-methylbutan
C-2
1
8,3%
23%
2-Chlor-3-methylbutan
C-3
2
16,7%
36%
1-Chlor-3-methylbutan
C-4
3
25%
14%
Tab.4
Cl
5
2
1
4
+
Cl2
- HCl
3
Cl
Cl
Cl
Abb. 27
Das Ergebnis zeigt eine deutliche Bevorzugung der Substitution von Wasserstoffatomen an höher
substituierten Kohlenstoffatomen. Während sich die Substitutionshäufigkeiten an den primären
Kohlenstoffatomen in etwa halbieren, verdoppelt bzw. verdreifacht sich dieser Wert an dem
sekundären bzw. tertiären Kohlenstoffatom. Die Chlorierung von 2-Methylbutan verläuft also mit
einer Regioselektivität entsprechend der Reihenfolge:
tertiär > sekundär > primär
5.
Nukleophile Substitution
5.1.
Experiment von P. Walden (1896, Riga)
Peter Walden überführte Äpfelsäure (engl. Malat, Dicarbonsäure mit vier Kohlenstoffatomen
isolierbar aus reifen Äpfeln,) durch Reaktion mit Phoshorpentachlorid in Chlorbernsteinsäure und
diese durch Reaktion mit feuchtem Silberhydroxid wieder zurück in Äpfelsäure. Bei dieser
25
Reaktionsfolge bestimmte er den Drehwert der Produkte. Er erhielt aus (–)-Äpfelsäure (+)Chlorbernsteinsäure und daraus (+)-Äpfelsäure.
CO2H
HO
H
H
H
CO2H
CO2H
CHCl
PCl5
H
AgOHaq
H
CO2H
H
OH
H
H
CO2H
L-(-) Äpfelsäure
CO2H
(+)-Chlorbernsteinsäure
D-(+) Äpfelsäure
Abb. 28
Hier kehrt sich also der Drehwert der Äpfelsäure um, eine derartige Reaktion wird auch
„Walden´sche Umkehr“ genannt. Es kann auf verschiedene Reaktionsmechanismen bei bei den
Schritten geschlossen werden, weil sich der Drehwert nur einmal verändert, d.h. nur bei einem der
beiden Reaktionsschritte findet eine Umkehr der Konfiguration statt, beim anderen bleibt die
Konfiguration erhalten. Beide Reaktionen sind aber Substitutionen, weil ein Molekülteil gegen
eine andere Gruppe ausgetauscht wird (hier: Austausch des Nukleophils Hydroxygruppe gegen
das Nukleophil Halogen bzw. umgekehrt).
5.2. Prinzipien einer Substitutionsreaktion
Prinzipiell gibt es für eine Substitution zwei Möglichkeiten des stereochemischen Ablaufs:
Cl
Cl
HO
Retention
Inversion
Abb. 29
Außerdem ist der elektronische Zustand der Eintritts- und Austrittsgruppe wichtig. Dafür gibt es
drei Möglichkeiten: Die beiden könnten als Kationen, Anionen oder Radikale reagieren.
Cl
= Cl
OH
=
OH
Anionen
Cl
= Cl
OH
=
OH
Kationen
Cl
= Cl
OH
=
OH
Radikale
Abb.30
26
Hier wurde die Lewis-Darstellung der Atome verwendet. Dabei bedeutet ein Strich ein
Elektronenpaar, ein einzelnes Elektron wird durch einen Punkt dargestellt.
Eine Lewis-Base ist eine Verbindung, die einen Elektronenüberschuss hat (z.B. ein freies
Elektronenpaar). Diese Bezeichnung wird vor allem in der Anorganischen Chemie verwendet. In
der Organischen Chemie wird eine solche Verbindung als Nukleophil bezeichnet. Dieser Name
soll ausdrücken, dass das Molekül „den Kern sucht“, d. h. eine Verbindung, die zu viele Elektronen
hat, reagiert bevorzugt mit „Atomkernen“, die positive Ladungen tragen.
Eine Lewis-Säure besitzt dagegen einen Elektronenunterschuss, d. h. ihr fehlen Elektronen, um
das Elektronen-Oktett zu vervollständigen. In der Organischen Chemie heißen solche
Verbindungen Elektrophile, da sie „Elektronen suchen“, also bevorzugt mit elektronenreichen
Verbindungen reagieren.
Wenden wir diese Bezeichnungen auf die verschiedenen elektronischen Zustände der Eintrittsund Austrittsgruppe an, sehen wir, dass die Anionen Nukleophile sind, da sie freie Elektronenpaare
haben. Die Kationen sind dagegen Elektrophile, da sie kein vollständiges Elektronenoktett
besitzen.
Radikale lassen sich in dieses Schema nicht einordnen. Eine Reaktion von Chlor und Sauerstoff
als Kationen ist wegen ihrer hohen Elektronegativität unwahrscheinlich. Wir wollen zunächst
annehmen, dass sie als Anionen (d. h. als Nukleophile) reagieren. Die Gruppe der betrachteten
Reaktionen heißt deshalb „nukleophile Substitution“.
5.3.
Ablauf einer nukleophilen Substitution
5.3.1. Energetische (thermodynamische) Betrachtung
Je nach Temperatur haben die Moleküle eine bestimmte Energie (Geschwindigkeit), mit der sie
zusammenstoßen. Besonders interessant ist der Zustand, wenn sich die Moleküle getroffen haben
und eine Reaktion stattfindet: Der Übergangszustand. Er wird sehr schnell durchlaufen
(Lebensdauer ca. 10–12 s). Da im Moment des Zusammenstoßes die Energie besonders groß ist,
kann der Übergangszustand nicht isoliert werden.
Bei der Annäherung der Moleküle aneinander sind die Kerne träger als die Elektronen, d.h. die
Kerne nähern sich in einer bestimmten geometrischen Anordnung bis auf eine gewisse Entfernung
aneinander an, dann erst lagern sich die Elektronen um. So werden neue Bindungen geknüpft und
alte gebrochen. Der zeitliche Ablauf einer Reaktion kann folgendermaßen dargestellt werden:
27
Abb. 31
Für die korrekte thermodynamische Bezeichnung muss im Folgenden jeweils „Energie“ durch
„Enthalpie“ ersetzt werden. Die Energie bezieht sich auf einen bestimmten Zustand des Systems
(z.B. festgelegte Temperatur, Druck, etc.). Die Energieachse trägt aber absichtlich keine Skala,
weil hier nur relative Werte angegeben werden sollen.
ΔG# ist nach der Definition von Gibbs und Helmholtz die Energie, die aufgebracht werden muss,
um von den Edukten den Übergangszustand zu erreichen, sie wird auch als Aktivierungsenergie
bezeichnet. ΔΔG ist die energetische Differenz zwischen den Edukten und Produkten.
Ist ΔΔG größer als Null, sind die Produkte energiereicher als die Edukte, die Reaktion ist dann
endergonisch. Ist dagegen ΔΔG kleiner als Null, sind die Produkte energieärmer als die Edukte,
diese Energie wird im Reaktionsablauf frei, die Reaktion ist exergonisch. Diese Betrachtung ist
vereinfacht, weil die Annäherung der Moleküle aneinander nicht zweidimensional, sondern
dreidimensional erfolgt. Dadurch wird auch die Darstellung des energetischen Ablaufs
mehrdimensional. Für eine gegebene Geometrie kann man sich die Energie als Fläche mit Höhen
und Tiefen (Berg- und Tallandschaft) vorstellen, dabei bewegt sich die Reaktion bevorzugt in
Richtung der „Täler“, d. h. sie bevorzugt Zustände mit möglichst geringer Energie.
5.3.2. Kinetische Betrachtung
Neben der umgesetzten Energie einer Reaktion ist auch deren Geschwindigkeit wichtig. Diese
kann relativ einfach bestimmt werden: Die Konzentration der Edukte wird im Laufe der Reaktion
kleiner und die der Produkte größer; die Reaktionsgeschwindigkeit kann aus den gemessenen
Edukt (bzw. Produkt-) Konzentrationen bestimmt werden. Für die Reaktion von Ethanol mit
Chlorwasserstoff kann z.B. die Ethanolkonzentration gaschromatographisch bestimmt werden.
Folgende Kurve wird erhalten:
28
Abb. 32
Die Reaktionsgeschwindigkeit wird meist (z.B. auch in der Enzymkinetik) mit „v“ (velocitas
Geschwindigkeit)
bezeichnet.
Man
betrachtet
normalerweise
die
Abnahme
der
Eduktkonzentration, da sie eindeutiger mit der Reaktionsgeschwindigkeit zusammenhängt als die
Zunahme der Produktkonzentration, die z.B. durch Nebenreaktionen (bei denen andere Produkte
entstehen) beeinflusst wird. Die Abnahme der Eduktkonzentration mit der Zeit entspricht der
Reaktionsgeschwindigkeit:
Für eine Reaktion 1. Ordnung gilt:
v 
d[A]
 k[A]
d[t]
Bei diesem besonders einfachen Zusammenhang hängt die Reaktionsgeschwindigkeit nur (linear)
von der Konzentration einer Substanz ab. Für monomolekulare Reaktionen ist diese Gleichung
erfüllt. Ein typisches Beispiel ist der radioaktive Zerfall. Bei der oben betrachteten Reaktion von
Ethanol mit Chlorwasserstoff ist die Reaktionsgeschwindigkeit abhängig von beiden Edukten
(allgemein mit A, B bezeichnet). Dann gilt:
Für eine Reaktion 2. Ordnung gilt:
v
d[A]
 k[A][B]
d[t]
Eine solche Reaktion bezeichnet man als bimolekulare Reaktion.
5.3.3. Einteilung von Substitutionsreaktionen
Je nachdem, welchem Zeitgesetz die Reaktion folgt, wird eine nukleophile Substitutionsreaktion
als SN1- oder SN2-Reaktion bezeichnet. Beispielsweise hängt die Geschwindigkeit der Reaktion
29
von Äpfelsäure mit PCl5 (1. Schritt der von Walden durchgeführten Reaktionsfolge) von den
Konzentrationen beider Ausgangsubstanzen ab, es ist also eine SN2 Reaktion. Nach Messung der
Reaktionsgeschwindigkeit einer Reaktion bei verschiedenen Eduktkonzentrationen kann eine
Zuordnung zu einem der beiden Reaktionstypen getroffen werden. Die Begriffe SN1 und SN2
wurden erst nach 1930 geprägt, waren also Peter Walden nicht bekannt.
5.3.4. Abhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit von der Art des Nukleophils
Im Folgendem wird die Reaktion eines Halogenalkans (Methylbromid) mit einer Reihe von
verschiedenen Nukleophilen untersucht. In diese Reaktionsklasse fällt z.B. auch der zweite Schritt
der Reaktionsfolge von Walden, nämlich die Reaktion von Chlorbernsteinsäure mit Hydroxid als
Nukleophil. In der folgenden Tabelle sind die relativen Reaktionsgeschwindigkeiten der
unterschiedlichen Reaktionen aufgeführt, d. h. die Reaktionsgeschwindigkeiten aller Reaktionen
werden auf die der Reaktion mit Wasser bezogen, die (willkürlich) gleich 1 gesetzt wurde.
CH3Br
+
X
CH3X
+
Br
r (v) = k[CH3Br][X]
Nukleophil
krel(in H2O bei 50°)
H2O
1
CH3COO−
5 x 102
Cl−
1.1 x 103
Br−
7.8 x 103
N3−
1 x 104
OH−
1.6 x 104
C6H5NH2
3.1 x 104
SCN−
5.9 x 104
I−
1.1 x 105
Tab.5
Elektrophile Reagenzien:
H+, NO2+, NO+, PhN2+, R3C+, SO3, BF3, AlCl3
Nukleophile Reagenzien:
H−, OH−, RO−, RS−, CN−, RCO2, R−CC−, sowie ROR’, RSR’, RR’R’’N
30
Die aufgeführten Reaktionen sind bis zu 105 mal schneller als die Reaktion von Methylbromid mit
Wasser. Betrachtet man nur die Halogenid-Ionen, ergibt sich folgende Reihenfolge der
Reaktivität: I− > Br− > C1− > F−.
Wichtig für die Reihenfolge der Reaktivität sind die Versuchsbedingungen, unter denen die
Reaktionsgeschwindigkeiten gemessen wurden. Die hier angegebenen Werte wurden in Wasser
gemessen. Wie wir wissen, sind Wassermoleküle Dipole:
O
H
H

O
H
H
H
H
Ion
O

O
H
H
H
Dipolmoment
eines
Wassermoleküls
O
H
Solvathülle eines Ions
in wässriger Lösung
Abb. 33
Ionen in wässriger Lösung sind von Wasserdipolen umgeben; sie sind solvatisiert. Die
Ladungsdichte der Ionen ist entscheidend dafür, wie stark die elektrostatischen Wechselwirkungen
sind und damit, wie fest die Wassermoleküle angelagert werden.
Für alle Halogenidionen ist die Gesamtladung gleich, sie unterscheiden sich aber stark im Radius.
Fluorid ist sehr klein, hier ist die Ladungsdichte also viel höher als bei Iodid, dessen Radius
wesentlich größer ist und sich die Ladung so über ein größeres Volumen ausdehnen kann. An ein
Fluoridion ist die Solvathülle also sehr fest gebunden (Solvatationsenergie: −117 kcal/mol). Um
einen nukleophilen Angriff zu ermöglichen, muss die Hydrathülle durchdrungen werden. Da dies
für Fluorid energetisch ungünstig ist, ist Fluorid in wässriger Lösung ein schlechtes Nukleophil.
In einem anderen, nicht polaren Lösungsmittel (z.B. Hexan) ist das Halogenidion mit der größten
Ladungsdichte das beste Nukleophil, die Reihenfolge dreht sich also verglichen mit der in Wasser
um: F− > Cl− > Br− > I−.
5.3.5. Molekularer Ablauf einer SN2-Reaktion
Eine SN2-Substitutionsreaktion setzt sich formal aus zwei Schritten zusammen:
-
Addition des Nukleophils
-
Eliminierung der Abgangsgruppe
31
+ X
?
Br
- Br
X
Abb. 34
Die Addition des Nukleophils erfolgt so, dass das Nukleophil und die Abgangsgruppe linear
zueinander angeordnet sind (Stichwort: Rückseitenangriff). Während sich die Bindung zum
Nukleophil ausbildet, wird die zur Austrittsgruppe gelöst, dabei werden die Substituenten des
Kohlenstoffatoms, die normalerweise tetraedrisch angeordnet sind, im Übergangszustand
planarisiert. Im Zustand mit der höchsten Energie, d. h. im Übergangszustand der Reaktion, ist
die Bindung zum Nukleophil noch nicht voll ausgebildet, während die zur Abgangsgruppe noch
nicht vollständig gelöst ist. Die übrigen drei Substituenten des Kohlenstoffatoms liegen dann in
einer Ebene. Die fünf Substituenten bilden eine trigonale Bipyramide, welche die energetisch
günstigste Anordnung darstellt, da hier die Abstände zwischen den Substituenten möglichst groß
sind.
X
X
Br
Br
Abb. 35
Beim vollständigen Ablösen der Austrittsgruppe klappen die im Übergangszustand planar
liegenden Bindungen vom Nukleophil weg. Das Verhalten dieser drei Bindungen während des
Reaktionsablaufs kann mit dem Umklappen eines Regenschirms bei starkem Wind verglichen
werden. Dadurch kehrt sich die Konfiguration am Reaktionszentrum um - eine SN2-Reaktion
verläuft immer unter Inversion. Diese kann allerdings nur dann beobachtet werden (z.B. durch
eine Umkehr des Drehwertes), wenn das betroffene Kohlenstoffatom chiral ist. Eine andere, in der
Organischen Chemie sehr verbreitete Darstellung soll den Ablauf der Reaktion verdeutlichen:
+
X
X
Br
Abb. 36
32
Br
Formal werden Elektronen verschoben (!!), wobei allerdings der „Elektronenfluss“ nicht wörtlich
zu verstehen ist, da nicht wirklich Elektronen „fließen“, sondern diese Terminologie nur dem
besseren Verständnis dient. Die gebogenen Pfeile werden immer vom Elektronenüberschuss (hier:
Nukleophil) zum Elektronenunterschuss (hier: am Reaktionszentrum) gezeichnet.
5.3.6. Molekularer Ablauf einer SN1-Reaktion
Bei einer SN1–Reaktion wird im ersten Schritt die Austrittsgruppe spontan abgespalten; das
Molekül dissoziiert. Dabei „nimmt“ die Abgangsgruppe das Elektronenpaar der Bindung mit,
zurück bleibt ein positiv geladenes Kohlenstoffatom (Carbenium-Ion oder Carbokation). Die
drei (verbleibenden) Substituenten des trivalenten (dreibindigen) Kohlenstoffatoms liegen in einer
Ebene: Das Carbenium-Ion ist also planar. Dieser erste Schritt bestimmt die Geschwindigkeit
der Reaktion. Die spontane Dissoziation des Eduktes ist wie der radioaktive Zerfall nur von der
Konzentration des zerfallenden Stoffes abhängig. Im zweiten Schritt kann ein Nukleophil das
Carbokation angreifen. Da letzteres planar ist, erfolgt die Reaktion von beiden Seiten mit gleicher
Wahrscheinlichkeit. Findet die Reaktion an einem asymmetrischen C-Atom statt, entstehen
deshalb beide Enantiomere in gleicher Menge, dies wird als Racemat bezeichnet.
Y
+Y
-X
X
Y
Abb. 37
5.4.
Zweiter Schritt der Walden´schen Reaktionsfolge
Die Untersuchung des kinetischen Ablaufs der Reaktion von Chlorbernsteinsäure mit feuchtem
Silberhydroxid zeigt, dass die Reaktionsgeschwindigkeit nur von der Konzentration der
Chlorbernsteinsäure abhängig ist.
Da aber bei der Reaktion keine Racemisierung (wie sie für eine SN1-Reaktion charakteristisch ist),
sondern Retention eintritt, muss der Mechanismus anders als bei einer SN1-Reaktion sein. Der
Ablauf der Reaktion wurde um 1950 von Saul Winstein aufgeklärt. Es findet eine
sog. Nachbargruppenbeteiligung statt, d. h. zunächst reagiert das Molekül mit sich
selbst. Das ist deshalb günstig, weil sich die Teile eines Moleküls bereits recht nahe sind und sich
nicht erst zwei Moleküle finden müssen („entropische Begünstigung“). Im basischen Milieu
33
(AgOH als Reagens zugesetzt) wird eine Säuregruppe (oder beide) der Chlorbernsteinsäure
deprotoniert.
Das dabei entstehende Carboxylat-Anion kann nun als Nukleophil wirken und das Chloratom unter
Inversion in einer SN2-artigen Reaktion substituieren. Der Unterschied zu einer normalen SN2Reaktion besteht darin, dass die Reaktion intramolekular, d. h. innerhalb eines Moleküls, unter
Inversion verläuft. Das Produkt besteht aus einem viergliedrigen Ring mit Esterfunktion.
Cyclische Ester heißen Lactone. Die Ringgröße dieser Lactone wird meist mit griechischen
Buchstaben bezeichnet. In dem hier betrachteten Fall liegt die Verknüpfungsstelle des Esters zwei
C-Atome neben dem Carbonylkohlenstoff, man wählt daher den zweiten Buchstaben des
Alphabets und spricht von einem -Lacton. Im zweiten Schritt dieser Reaktion greift ein
Hydroxidion nukleophil am -C-Atom des Lacton-Ringes an, auch diese Substitution findet unter
Inversion statt. Durch die zweimalige Umkehr der Konfiguration wird als Gesamteffekt eine
Retention gefunden.
CO2H
H
Cl
H
H
CO2
AgOH / H2O
CO2H
H
Cl
H
H
H
H
O
Abb. 38
5.5.
O
- Cl
O
O
CO2H
CO2
Reaktionsprofile von SN1- und SN2-Reaktion
5.5.1. SN1-Reaktion
Abb. 39
34
H
+ OH
H
OH
H
H
CO2H
Das während der Reaktion entstehende Carbeniumion hat eine bestimmte Lebensdauer. Es ist also
ein echtes Zwischenprodukt und liegt in einem lokalen Energieminimum auf dem Reaktionsweg.
Je tiefer dieses Minimum, desto länger ist die Lebensdauer dieses Carbokations.
5.5.2. SN2-Reaktion
Wie wir zuvor gesehen haben, ist die SN2-Reaktion eine synchrone Reaktion, d. h. das Nukleophil
nähert sich in dem Maße wie sich die austretende Gruppe entfernt. Der trigonal-bipyramidale
Übergangszustand liegt auf dem Reaktionsweg am Punkt maximaler Energie.
Abb. 40
5.6.
Beispiele für nukleophile Substitutionsreaktionen im Praktikum
5.6.1. Synthese von Ethylbromid (Bromethan)
H2SO4 (konz.)
OH
HBr (48 % in H2O)
Br
Abb. 41
Durchführung der Reaktion: Zu Ethanol wird konzentrierte Schwefelsäure gegeben. Als
Sicherheitsmaßnahme muss dabei gekühlt werden, da beim Mischen eine starke Erwärmung
auftritt. Nach Zufügen einer gesättigten, wässrigen HBr-Lösung (48%) wird erhitzt. Das Produkt
kann direkt aus dem Reaktionsgemisch abdestilliert werden, da sein Siedepunkt (38°C) wesentlich
tiefer als der von Ethanol (ca. 80°C) liegt. Anschließend wird zur Reinigung ein zweites Mal
destilliert.
35
Ablauf der Reaktion: Es findet ein Austausch der Hydroxylgruppe gegen ein Bromidion statt.
Um zu verstehen, warum die Reaktion in diese Richtung verläuft (es ist ja auch die Substitution
von Br− durch OH− denkbar), müssen zwei verschiedene Aspekte betrachtet werden:
I.
Nukleophile: Wie aus Tabelle 5 (Abschnitt 5.3.4) ersichtlich, ist Br− in wässrigem
Medium ein stärkeres Nukleophil als H2O.
II.
Natur der Austrittsgruppe: Je basischer die Abgangsgruppe ist, desto schlechter wird sie
abgespalten. Da OH- basisch ist, kann es nicht durch Br- ausgetauscht werden, d. h. eine
Substitution in einem neutralen Medium (z.B. durch Umsatz von Ethanol mit KBr) ist nicht
möglich. Die Säure wird benötigt, um die Natur der Abgangsgruppe zu verändern. Da
Schwefelsäure eine starke Säure ist, kann sie die Alkoholfunktion des Ethanols angreifen
und am Sauerstoffatom protonieren.
H2SO4 (konz.)
OH
OH2
Abb. 42
Die Austrittsgruppe ist jetzt Wasser. Da H2O wesentlich weniger basisch als Hydroxyd ist, findet
die Substitution viel leichter statt.
Zusammenfassend lässt sich sagen: Je stärker die konjugierte Säure, desto besser die
Abgangsgruppe.
5.6.2. Synthese von Iodethan
Die Synthese von Iodethan weicht von der Synthese des Bromethans ab.
Durchführung der Reaktion: In einem Kolben wird roter Phosphor (der - anders als die weiße
Modifikation des Phosphors - recht ungefährlich ist) mit trockenem Ethanol übergossen. Dann
wird langsam Iod (Feststoff) und portionsweise Wasser zugegeben und anschließend erwärmt. Das
Produkt kann abdestilliert werden.
Ablauf der Reaktion: Die Reaktion verläuft ähnlich wie der erste Schritt der Walden´schen
Reaktionsfolge (Substitution einer Alkoholfunktion durch ein Halogen durch Umsetzung mit einer
Phosphor-Halogen-Verbindung). Der Unterschied ist nur, dass die Phosphor-Halogen-Verbindung
am Anfang der Reaktion hergestellt wird. Das ist hier deshalb von Vorteil, da sich das gebildete
Phosphortriiodid nicht lagern lässt (wasserempfindlich). Erst PI3 reagiert dann mit dem Alkohol.
Die Herstellung empfindlicher Reagenzien erst während der Reaktion, ohne sie zwischendurch zu
isolieren, wird als „in-situ“- Generierung (Herstellung) bezeichnet.
36
I
I
P
I
+ HOC2H5
I
I
P
OC2H5
Abb. 43
Am Phosphoratom tritt also eine Substitution des Iodatoms gegen ein Alkoholmolekül ein. Diese
Reaktion kann bis zum Ersatz aller Iodatome stattfinden. Erst jetzt findet ein Angriff des Iodids
(bzw. des entstandenen Iodwasserstoffs) am Kohlenstoffatom des Alkohols statt, wobei Iodethan
und phosphorige Säure entstehen.
I
O
O
P
OH
+ HI
O
O
P
OH
O
O
P
O
+
I
Abb. 44
Auch dieser Schritt läuft wieder dreimal ab. Bei dieser Reaktion wird vor der eigentlichen
Substitution die Alkoholfunktion aktiviert. In 5.6.1 fand eine Aktivierung durch eine BrönstedSäure statt, hier wurde sie mit einer Lewis-Säure durchgeführt.
Verlaufen die beiden eben besprochenen Reaktionen (5.6.1 und 5.6.2) nach einem SN1- oder SN2
-Mechanismus? Eine Messung des Drehwertes der Produkte bringt hier keine Entscheidung, da
nur achirale Substanzen entstehen, die die Ebene des polarisierten Lichts ja sowieso nicht
beeinflussen. Kinetische Messungen zeigen aber, dass die Reaktionsgeschwindigkeit bei den
Reaktionen jeweils von zwei Edukt-Konzentrationen beeinflusst wird, beide Reaktionen verlaufen
also nach einem SN2-Mechanismus.
5.6.3. Synthese von tert-Butylchlorid aus tert-Butanol
Der Trivialname „tert-Butanol“ zeigt an, dass dieses Molekül ein C-Atom enthält, das tertiär ist,
d. h. drei Alkylsubstituenten trägt. Der systematische Name ist 2-Methyl-2-propanol.
Durchführung der Reaktion: tert-Butanol wird mit konzentrierter Salzsäure (d. h. einer Lösung
von HCl-Gas in Wasser) gemischt und 10 bis 15 Minuten geschüttelt. Man erhält ein
Zweiphasengemisch aus einer organischen und einer wässrigen Phase, wobei sich das Produkt in
der organischen Phase befindet und problemlos durch Destillation gereinigt werden kann. Dies ist
nur möglich, weil der Siedepunkt des Produktes sich deutlich von dem des Edukts unterscheidet.
37
Allgemein haben Alkohole relativ hohe Siedepunkte, weil zwischen den OH-Gruppen, die ja wie
Wasser Dipole sind, Wasserstoffbrückenbindungen möglich sind, die beim Verdampfen
aufgebrochen werden müssen. Unpolare Flüssigkeiten (z.B. Halogenalkane) haben einen
niedrigeren Siedepunkt.

H

O
H
O

H

H
Abb. 45
Ablauf der Reaktion:
CH3
H3C
CH3
HCl (konz.)
OH
H3C
CH3
Cl
+
H2O
CH3
Abb. 46
Hier ist die Reaktionsgeschwindigkeit unabhängig von der HCl-Konzentration (SN1-Reaktion).
Wie bei allen SN1-Reaktionen entsteht auch hier während der Reaktion durch Abspaltung der
Austrittsgruppe ein Carbeniumion. Dieser Schritt bestimmt die Gesamtgeschwindigkeit der
Reaktion. Im stark sauren Medium wird, wie wir schon oben gesehen haben, die Hydroxygruppe
des Alkohols protoniert, dadurch ist die Abspaltung von Wasser möglich.
OH
+H
OH2
- H2O
+ H2O
-H
Abb. 47
Warum ist aber der Reaktionsverlauf für tert-Butanol anders als für Ethanol? Bei beiden
Substanzen kann eine Protonierung des Alkohols durch starke Säuren stattfinden.
- H2O
+H
OH
OH2
-H
Abb. 48
38
+ H2O
Der wesentliche Unterschied zwischen Ethanol und tert-Butanol ist die Anzahl der (Alkyl-)
Substituenten am C-Atom, das nach Wasserabspaltung eine positive Ladung trägt. Wenn diese
positive Ladung durch den Einfluss der Substituenten ausgeglichen werden kann, führt dies zu
einer Stabilisierung des Carbeniumions, d. h. dieser Reaktionsweg wird energetisch günstiger.
Dieser Ausgleich der positiven Ladung kann nur entlang der Einfachbindung geschehen, die
Substituenten haben einen „induktiven Effekt“. Hierfür kommen nur Wasserstoffatome oder
Methylgruppen in Frage. Während Wasserstoffatome nur ein Elektron besitzen, sind
Methylgruppen recht elektronenreich und können daher einem benachbarten elektronenarmen
Zentrum „Elektronen spenden“ und dadurch die positive Ladung zum Teil ausgleichen. Da das
positiv geladene Kohlenstoffatom des tert-Butyl-Kations drei Methyl-Nachbarn hat, wird hier die
Ladung wesentlich besser ausgeglichen als beim analogen Ethyl-Kation. Allgemein gilt für die
Stabilität von Carbeniumkationen:
tertiär >> sekundär > primär
An tertiären Kohlenstoffatomen ist eine positive Ladung gut ausgeglichen, weshalb es hier häufig
zur Bildung von Carbeniumionen kommt. Dagegen ist an einem primären Zentrum die Ladung
kaum ausgeglichen, so dass hier nur unter sehr drastischen Bedingungen ein Carbeniumion
gebildet wird.
Ein weiteres Beispiel für eine SN1-Reaktion ist die Reaktion von (R)-1-Chlor-1-phenyl-ethan mit
Wasser zu 1-Phenyl-ethanol.
H
Cl
CH3
- Cl
CH3
+ Cl
OH
+ H2O
H
-H
H
CH3
HO
H
CH3
Abb. 49
98% des Produktes fallen als Racemat an. Es entstehen aber 2% mehr S- als R-Isomere, d. h. die
Racemisierung tritt überwiegend, aber nicht ausschließlich ein. Auch bei dieser Reaktion findet
beim ersten Reaktionsschritt eine Dissoziation statt, bei der das entsprechende Carbeniumion
entsteht. Da die Phenylgruppe sehr elektronenreich ist, kann auch sie leicht Elektronen zum
Ausgleich der positiven Ladung zur Verfügung stellen und wirkt so stabilisierend auf das
Carbeniumion.
39
5.7.
Klassifizierung vom Lösungsmitteln nach Polarität
Eine Messgröße für die Polarität eines Lösungsmittels ist seine Dielektrizitätskonstante (DK) .
Polare Lösungsmittel stabilisieren Ladungen. Da bei einer SN1-Reaktion im Gegensatz zu einer
SN2-Reaktion während des Reaktionsablaufes geladene Spezies entstehen (Carbeniumion), laufen
in einem polaren Lösungsmittel bevorzugt SN1-Reaktionen ab, während in unpolaren
Lösungsmitteln (z.B. Hexan) bevorzugt SN2-Reaktionen stattfinden.
Lösemittel
DK ε
Wasser
80
Dimethylsulfoxid
49
Acetonitril
37.5
Methanol
33.3
Aceton
21.4
Pyridin
13.2
Essigester
6.02
Chloroform
4.8
Benzol
2.28
Hexan
1.89
Tab.6
5.8.
Konkurrenz SN1-/SN2-Reaktion
Folgende Tabelle fasst die typischen Merkmale der verschiedenen Substitutionsreaktionen
zusammen und vergleicht sie auch bezüglich weiterer beeinflussender Faktoren, z.B. Art des
Lösungsmittels und Struktur des Nukleophils.
primäre Halogenalkane
SN2
SN1
üblich
nie
sekundäre Halogenalkane manchmal
manchmal
tertiäre Halogenalkane
nie
üblich
Stereochemie
Inversion
Racemisierung
Nucleophil
Reaktionsgeschwindigkeit ist
Reaktionsgeschwindigkeit ist von
auch von der Konzentration des
der Konzentration des
Nucleophils abhängig. Der
Nucleophils unabhängig. Der
40
Lösemittel
Mechanismus wird durch
Mechanismus ist bei ungeladenen
ionische Nucleophile begünstigt.
Nucleophilen wahrscheinlicher.
Geschwindigkeit wird nur
Geschwindigkeit wird durch
geringfügig beeinflusst.
polare Lösungsmittel stark erhöht.
Tab.7
Beachten Sie, dass primäre Halogenide fast immer nach einem SN2-Mechanismus, tertiäre immer
nach einem SN1-Mechanismus reagieren. Nur bei sekundären Halogeniden sind beide
Mechanismen mit ähnlicher Wahrscheinlichkeit anzutreffen. Durch Betrachtung dieser Tabelle ist
eine qualitative Abschätzung, nicht aber eine genaue Vorhersage möglich, welcher Reaktionstyp
bevorzugt wird. Diese Frage kann nur bei Durchführung und Analyse der Reaktion beantwortet
werden.
5.9.
Krebs-Chemotherapie
Krebs ist eine der am schwierigsten zu bekämpfenden Alterskrankheiten. Aus noch teilweise
unbekannten Gründen führt diese krankhafte Veränderung in normalen Zellen zu einer Erhöhung
der natürlichen Zellvermehrungsrate: Die Zellen fangen an zu wuchern. Viele Krebsmedikamente
hemmen das Zellwachstum, sie werden daher auch als Zytostatika bezeichnet. Das
überdurchschnittliche Zellwachstum und damit verbunden ein rascher Zellstoffwechsel sind
Grundlage für den Einsatz von Zytostatika. Ausgangspunkt für die Entwicklung dieser
Medikamentengruppe waren chemische Kampfgase (Senfgas, F. Haber, Stellungskrieg um Ypern
(Ieper)). Das Fundament der heutigen zytostatischen Therapie erfolgte 1946 durch Goodman,
Rhoads, Jakobson mit der Anwendung von Stickstofflost bei Lymphomen und soliden Tumoren.
Die folgende Reaktion wird auch als Alkylierung bezeichnet werden, da die Alkylgruppe (hier:
eine Methylgruppe) auf das Molekül X übertragen wird. Im Organismus kann das Nukleophil X
z.B. die Seitenkette eines Proteins sein.
Protein
SH
+
CH3Br
Protein
SCH3
Protein
NH2
+
CH3Br
Protein
NHCH3 +
+ HBr
HBr
v
Abb. 50
41
Da sich Cystein und Lysin oft in dem katalytisch aktiven Bereich eines Proteins befinden, führt
dies häufig zum Verlust der Aktivität. Weil CH3Br kein effektives Alkylierungsmittel ist, werden
meist bifunktionelle Alkylierungsreagentien eingesetzt. Ein Beispiel dafür ist der Stickstofflost:
Cl
Cl
Cl
CH3
- Cl
N
N
Cl
X
N
X
Abb. 51
Dieses Zwischenprodukt ist sehr reaktiv und entsteht, wenn das freie Elektronenpaar des
Stickstoffatoms als Nukleophil eines der Chloratome substituiert. Der Dreiring kann leicht durch
ein Nukleophil geöffnet werden. Außer Proteine können dabei auch die Bausteine der DNA
alkyliert werden. Dadurch wird das genetische Material verändert und Krebszellen entstehen. Es
gibt viele verschiedene Verbindungen, die dies hervorrufen können, sie heißen Mutagene.
Die Basen der DNA haben viele freie Elektronenpaare, sie können also als Nukleophile wirken
und mit Lost reagieren. Besonders reaktiv ist das Stickstoffatom 7 der Base Guanin. Bei dieser
Reaktion wird die Struktur des Guanins so verändert, dass eine „Paarung“ (d. h. die Ausbildung
der Wasserstoffbrückenbindungen) mit einem Cytosin auf dem anderen Strang der Doppelhelix
gestört wird. Ein einzelner veränderter Guanosinbaustein könnte durch Reparatur-Enzyme
herausgeschnitten und durch ein unverändertes G ersetzt werden.
Da die Kampfgase aber bifunktionell sind, führen sie zu einer Vernetzung, weil auch das zweite
C1-Atom des Losts durch ein G-Nukleophil ersetzt werden kann. Schneiden nun die
Reparaturenzyme die veränderten Stellen aus dem Doppelstrang, entstehen nahe beieinander zwei
Bruchstellen. Dadurch kann der Gesamtstrang meist nicht mehr korrekt aufgebaut werden, die
genetische Information wird so zerstört. (Die unmittelbare Wirkung von Kampfgasen beruht aber
auf der Hemmung von lebenswichtigen Enzymen).
42
Cl
H
H
N
Rib
N
C
O
N
H
O
H
N
N
G: Guanin
D-Ribose
N
N
C
H
N
N
H
N
N
D-Ribose
N
OH
O
G
H
C: Cytosin
N
N-Lost
H
N
H
CH3
N
G
N
N
Rib
Rib: -D-Ribose
Abb. 52
Während der Zellteilung entwindet sich die Doppelhelix, zu diesem Zeitpunkt ist sie besonders
anfällig für chemische Modifikationen. Da sich Krebszellen schneller vermehren als „gesunde“
Zellen, können bei diesen DNA-Schäden häufiger erwartet werden als bei normalen Zellen. Weil
die Reaktion aber unspezifisch ist, müssen starke Nebenwirkungen in Kauf genommen werden.
Ein Beispiel für ein heute häufig eingesetztes Chemotherapeutikum ist das in den 50er Jahren
entwickelte Cyclophosphamid.
O
O
P
NH
N
Cl
Cl
Abb. 53
Heute gibt es Ansätze, um eine Selektivität zu erreichen. Alkylantien werden an monoklonale
Antikörper gekoppelt. Diese binden selektiv an bestimmte Zelltypen (z.B. spezielle Krebszellen)
und können hier das Chemotherapeutikum einschleusen. Diese Methode wird zur Zeit intensiv
untersucht. Seit 1995 spielen vor allem Zytokine und Antikörper (Immuntherapie) eine immer
wichtigere Rolle in der Krebstherapie.
Alle Alkylierungsmittel sind potentiell onkogen (cancerogen, krebserregend). Dies muss
unbedingt beim Arbeiten mit Alkylierungsmitteln beachtet werden, indem z.B. Kontakte mit der
Haut vermieden werden müssen.
6.
Alkene und Alkine
Versuch: Zu drei farblosen Flüssigkeiten (Cyclohexan, Cyclohexen, Benzol) werden jeweils
einige Tropfen einer dunkelroten Flüssigkeit (mit einem Lösungsmittel verdünntes, molekulares
43
Brom) gegeben. Mit Cyclohexan entsteht eine orange Lösung, mit Cyclohexen tritt sofort
Entfärbung ein, während bei Benzol eine braunrote Lösung entsteht, die sich nur sehr langsam
entfärbt.
6.1.
Struktur
Cyclohexen gehört, wie die Endung seines Namens schon andeutet, zur Stoffklasse der Alkene.
Alkene werden durch die allgemeine Summenformel: CnH2n beschrieben. Beim einfachsten Alken
ist n=2 und damit die Summenformel: C2H4; es heißt Ethen (Trivialname: Ethylen). Es enthält –
wie alle Alkene – eine Doppelbindung zwischen zwei Kohlenstoffatomen. Die Kohlenstoffatome
dieser Doppelbindung sind nicht tetraedrisch, sondern planar. Die Winkel zwischen den
Bindungen um ein C-Atom betragen 120o.
H
H
C
C
H
H
Abb. 54
6.2.
E/Z Nomenklatur von Alkenen
Befinden sich an beiden Kohlenstoffatomen der Doppelbindung Substituenten, können diese
verschiedene Anordnungen zueinander haben: entweder auf derselben Seite der Doppelbindung
oder auf verschiedenen Seiten. Beim Z-Isomeren (von: Zusammen) stehen die beiden
Substituenten auf derselben Seite, bei E-Isomeren (von: Entgegen) auf verschiedenen Seiten der
Doppelbindung (Beispiel: 2-Buten).
H3C
CH3
C
H
H3C
C
H
C
H
H
C
CH3
(E) - But-2-en
(Z) - But-2-en
Abb. 55
Eine ältere Bezeichnung verwendet statt Z „cis“ und statt E „trans“. Sind drei (oder vier)
verschiedene Substituenten vorhanden, wird jeweils die Priorität der beiden Liganden an einem CAtom (wie bei der R/S-Nomenklatur) festgelegt. E/Z bezeichnet die Stellung der Gruppen mit der
höchsten Priorität zueinander.
6.3.
Elektronenverteilung von Alkenen
Auch hier kann wie bei der Betrachtung der Alkane die Beschreibungsweise der Hybridorbitale
angewendet werden, um eine Vorstellung von der Elektronenverteilung einer C=C44
Doppelbindung zu bekommen. Wir gehen wiederum von der Elektronenkonfiguration eines
Kohlenstoffatoms aus. Zur Hybridisierung wird ein Elektron aus dem doppelt besetzten 2s-Orbital
in das freie 2pz-Orbital angehoben (Schritt 1). Aus den jetzt jeweils besetzten 2s-, 2px-und 2pyOrbitalen werden durch eine formale mathematische Operation drei gleichwertige sp2Hybridorbitale gebildet (Schritt 2), die dann die (Einfach-) Bindungen zu den beiden
Wasserstoffatomen und dem zweiten C-Atom der Doppelbindung bilden.
Energie
Energie
2px
2py
Energie
2px
2pz
2py
2pz
2pz
2sp2
2s
2s
Theoretische Elektronenkonfiguration eines
C-Atoms
angeregter Zustand
Valenzzustand
Abb. 56
Eine Doppelbindung besteht zwischen zwei Kohlenstoffatomen. Die σ-Bindung zwischen den
Kohlenstoffatomen entsteht durch die Wechselwirkung von Hybridorbitalen (je eines von jedem
C-Atom). Da ein gebundener Zustand günstiger als der freie Zustand ist, liegt das dabei
entstehende Molekülorbital bei tieferer Energie als das Atomorbital. Von jedem C-Atom bleiben
zwei sp2-Orbitale für die Bindung entsprechender Substituenten (z.B. Wasserstoffatome bei
Ethen), die dann bei einer Ausbildung dieser Bindungen ebenfalls eine Absenkung der Energie
erfahren. Außerdem besitzt jedes C-Atom noch ein p-Orbital. Durch deren Überlappung entsteht
der zweite Teil in der Doppelbindung, die so genannte π-Bindung.
Energie
Energie

2pz
2x
2sp2
2sp2

2sp2
Abb. 57
Wir haben also gesehen, dass eine Kohlenstoff–Kohlenstoff „Doppelbindung“ aus zwei
verschiedenen Bindungstypen besteht:
45
 die σ-Bindung (griechisch: sigma) entspricht den uns bereits bekannten Einfachbindungen. Sie
wird durch Wechselwirkung von zwei sp2-Hybridorbitalen gebildet. Ein C-Atom, das an einer
Doppelbindung beteiligt ist, kann drei σ-Bindungen ausbilden, diese liegen in einer Ebene und
bilden Winkel von jeweils 120o zueinander. Eine σ-Bindung ist streng gerichtet.
 Die π-Bindung (griechisch: pi) wird durch Wechselwirkung von zwei p-Orbitalen gebildet. Da
diese eine hantelförmige Elektronenverteilung besitzen, beschreibt das Molekülorbital einen
Aufenthaltsbereich der Elektronen, der ober- und unterhalb der Ebene der σ-Bindung liegt und
viel diffuser als bei einer σ-Bindung ist.
Beim
Verbrennen
einer
Verbindung
Abb. 58
wird die
Bindungsenergie
der
energiearmen
Verbrennungsprodukte (CO2 und H2O) abzüglich der Bindungsenergie der betrachteten
Verbindung selbst (die beim Verbrennen aufzubringen ist) frei (deshalb auch das negative
Vorzeichen). Durch Vergleich der Verbrennungsenthalpie verschiedener Verbindungen kann die
Bindungsenergie von einzelnen „Bauelementen“ berechnet werden.
Molekülteil
Bindungsenergie
CC-Einfachbindung
–347 kJ/mol
CC-Doppelbindung
–607 kJ/mol
Tab.8
Wird von der Bindungsenergie der C-C-Doppelbindung der Anteil der σ-Bindung abgezogen, so
wird der Betrag der π-Bindung, nämlich –260 kJ/mol erhalten. Eine σ-Bindung liegt also bei
tieferer Energie als eine π-Bindung, zwei σ-Bindungen sind damit energetisch günstiger als die
Kombination aus einer σ- und einer π-Bindung. Wir können schon aus dieser einfachen
Berechnung sehen, dass Alkene reaktiver als Alkane sind, weil bei der Umwandlung der
π-Bindung in eine σ-Bindung ein energetisch günstiger Zustand erreicht wird (trotzdem sind
Alkene aber stabile Verbindungen).
46
6.4.
Elektronenverteilung und Struktur von Alkinen
Alkine besitzen als Strukturmerkmal eine C-C-Dreifachbindung. Sie werden durch die allgemeine
Summenformel: CnH2n-2 beschrieben. Die typische Endung des Namens ist „-in“, die einfachste
Verbindung dieser Klasse heißt Ethin (Trivialname: Acetylen).
Energie
Energie
H
C
C
H
2x
2 py 2 pz
Acetylen (Ethin)
z
y

2 sp
2 sp
2 sp
Abb. 59
Um auch hier eine Vorstellung über die Elektronenverteilung zu bekommen, gehen wir genau wie
bei den Alkenen vor. Als Unterschied sehen wir, dass die C-Atome der Dreifachbindung nur zwei
Nachbarn haben. Wir benötigen nur zwei Hybridorbitale für die Ausbildung von
σ-Bindungen, diese werden aus je einem s- und p-Atomorbital gebildet (deshalb:
sp-Hybridorbitale).
Auch diese σ-Bindungen liegen in größtmöglichem Abstand (d. h. Winkel von 180°). Es bleiben
bei jedem Kohlenstoffatom zwei p-Orbitale (2py und 2pz) übrig, die hier zwei π-Bindungen
ausbilden können. Die zugehörigen Elektronenwolken sind so „verschmiert“, dass eine
zylindrische Verteilung der Elektronen um die C-C- σ-Bindung resultiert.
Abb. 60
Die Bindungsenergie (siehe 6.2) einer C-C-Dreifachbindung beträgt –803 kJ/mol. Werden davon
die Beträge der σ-Bindung (−347 kJ/mol) und der ersten π-Bindung (−260 kJ/mol) abgezogen,
bleiben als Anteil der zweiten π-Bindung nur –196 kJ/mol. Eine C-C-Dreifachbindung ist also
energetisch noch ungünstiger als eine C-C-Doppelbindung, d. h. noch reaktiver als diese.
47
7.
Elektrophile Addition
7.1.
Reaktion von Ethen mit Brom
H
H
H
Br2
H
Br
Br
H
H
H
H
Abb. 61
Bei der Reaktion entsteht aus Ethen 1,2-Dibrom-ethan, es entstehen also statt der π-Bindung zwei
σ-Bindungen, das ist energetisch günstiger (siehe 6.2). Auch diese Reaktion können wir mit der
Klassifizierung Nukleophil/Elektrophil erklären. Wie wir inzwischen wissen, besitzt eine
Doppelbindung eine große Elektronenwolke, die eine Anhäufung von negativer Ladung darstellt,
sie ist also ein guter Angriffsort für ein Elektrophil. Die Elektronen des Brom-Moleküls können
leicht verschoben werden, da die großen Bromatome ihre Außenelektronen nicht so fest binden
können.
Kommt also ein Brom-Molekül in die Nähe einer π-Elektronenwolke, bewirkt deren hohe
Ladungsdichte, dass sich die Elektronen des Brom-Moleküls von dem Gebiet mit negativer
Ladung weg bewegen, das Brom-Molekül wird also polarisiert. Die positiv polarisierte Seite des
Broms ist zur Elektronenwolke der Doppelbindung hin gerichtet.
Abb. 62
Diese Anordnung ist energetisch begünstigt und hat deshalb eine besonders große Lebensdauer.
Da dies ein sehr wichtiger Zustand ist (der auch häufig bei anderen Reaktionstypen vorkommt und
z.B. auch in der anorganischen Chemie sehr oft beobachtet wird), hat er einen Namen bekommen,
man spricht von einem π-Komplex (weil ein π-Elektronensystem in diesen Komplex mit involviert
ist). Die Bildung dieses π-Komplexes kann erleichtert werden, wenn eine Substanz zugegeben
wird, die Elektronen vom negativ polarisierten Ende des Br2-Moleküls abziehen kann (LewisSäure) und so die Polarisierung des Br2 verstärkt. Verbindungen, die dafür häufig verwendet
werden, sind AlBr3 oder BBr3.
48
H
H
C
C
Br
H
Br
Br
Al
Br
Br
H
Abb. 63
Beim nächsten Schritt der Reaktion werden Bindungen ausgebildet. Dabei wirkt das im ersten
Schritt polarisierte Brom-Molekül als Elektrophil.
Br
Br
Br
+
Br
Abb. 64
Das entstehende Produkt heißt Bromonium-Ion und kann spektroskopisch nachgewiesen werden.
Die positive Ladung ist über alle Atome des Dreirings verteilt. Die oben gewählte Darstellung soll
dies verdeutlichen. Die dargestellte Struktur des Bromonium-Ions lässt sich auch als „zeitliches
Mittel“ zweier Strukturen verstehen, bei denen die positive Ladung entweder an dem einen oder
dem anderen Kohlenstoff fixiert bleibt. Tatsächlich ist die Ladung verteilt und nicht an dem einen
oder anderen Atom fixiert, genau wie das Bromatom, das auf Grund des Elektronenmangels an
beiden Kohlenstoffatomen „hängt“.
H
H
Br
H
H
H
H
Br
H
H
H
+ Br
H
Br
Br
H
H
H
H
Br
H
H
Abb. 65
Das entstandene Bromonium-Ion ist nicht mehr planar, wie es das Alken war. Über der Ebene des
Alkens steht jetzt auf einer Seite der Dreiring zum Bromatom. Dadurch ist diese Seite abgeschirmt,
und der Angriff des Bromids (als Nukleophil) im nächsten Schritt muss von der noch freien Seite
erfolgen.
49
H
H
H
H
Br
Br
H
Br
Br
H
H
H
Abb. 66
Der Angriff von der Rückseite des Dreirings kann an beiden C-Atomen stattfinden. Beim Angriff
des Nukleophils Br- klappen die Reste an diesem Zentrum – wie wir es schon bei der SN2- Reaktion
kennen gelernt haben – vom Nukleophil weg.
7.2.
Konformationen
Verschiedene Konformationen eines Moleküls können durch Drehung um Einfachbindungen
ineinander überführt werden. Bei dem eben hergestellten 1,2-Dibromethan entstehen nur bei
Drehung um die C-C-Einfachbindung Konformationsisomere, die sich durch die räumliche
Anordnung der Liganden voneinander unterscheiden.
7.2.1. Darstellung
Um die Konformationsisomere eines Moleküls darzustellen, gibt es zwei Möglichkeiten:
- Sägebock-Schreibweise:
Das Molekül wird so gezeichnet, dass der Blickwinkel schräg auf die C-C-Bindung gerichtet
wird.
- Newman-Projektion:
Die Blickrichtung erfolgt von vorne auf die C-C-Bindung, sie verläuft senkrecht zur
Papierebene. Deshalb liegen die Tetraeder der beiden C-Atome übereinander. Um dies
anzudeuten, wird das hintere C-Atom als Kreis gezeichnet.
Newman-Projektion
Sägebockschreibweise
Abb. 67
7.2.2. Konformationen von 1,2-Dibromethan
Wichtige Konformationen haben einen Namen bekommen:
50
Abb. 68
Die Liganden des vorderen und hinteren C-Atoms werden bei der ekliptischen Konformation leicht
versetzt gezeichnet, obwohl sie ja eigentlich genau hintereinander stehen.
Die Konformationen sind energetisch nicht gleich. Die günstigste Konformation ist erreicht, wenn
die Substituenten optimal im Raum verteilt sind, d. h. wenn sie den größten Abstand voneinander
haben.
Wird der Energieinhalt des Ethan-Moleküls gegen den Drehwinkel der C-C- Einfachbindung auf
getragen, wird folgendes Energieprofil für Ethan erhalten (Abb 69).
Wichtig ist die Differenz zwischen dem Maximum und dem Minimum der Energie. Diese ist
experimentell bestimmbar. Die gemessenen Werte liegen zwischen 14.2kJ/mol und 12.1.kJ/mol.
Abb. 69
51
7.2.3. Konformation von Butan
Durch den formalen Ersatz von je einem Wasserstoffatom an den beiden C-Atomen des Ethans
durch Methylgruppen wird Butan erhalten. Auch für Butan kann der Energieinhalt des Moleküls
gegen den Drehwinkel (der Bindung zwischen C2 und C3) aufgetragen werden (Abb.70). Da die
beiden Methylgruppen wesentlich größer als Wasserstoffatome sind, haben die ekliptischen (bzw.
analog: die gestaffelten) Konformationen nicht den gleichen Energieinhalt, weil bei den
verschiedenen ekliptischen (bzw. gestaffelten) Konformationen die beiden großen Methylgruppen
unterschiedlich weit voneinander entfernt sind. Die Konformation im Energieminimum heißt
antiperiplanar.
Die Energiedifferenz zwischen Energieminimum (180o) und Energiemaximum (0o bzw. 360o)
beträgt 25.5 kJ/mol, die Differenz zwischen dem lokalen Maximum bei 120o und dem
Energieminimum ist gleich 14.2 kJ/mol. Aus diesen Werten sieht man im Vergleich mit denen des
Ethans, dass Substituenten die Drehung um Einfachbindungen erschweren, d. h. es ist mehr
Energie zum Drehen nötig.
CH3
CH3
CH 3
H3C
CH3
CH 3
Abb. 70
7.3.
Beispiele aus dem Praktikum
Durchführung der Reaktion (für alle drei Versuche gleich):
Das Alken wird in einem Lösungsmittel vorgelegt und so lange Brom zugetropft, bis keine
Entfärbung mehr stattfindet, sondern die typisch braun-rote Farbe des Broms erhalten bleibt.
52
7.3.1. Reaktion von Brom mit Maleinsäure
Maleinsäure ist eine Dicarbonsäure (Butendisäure). Die beiden Säuregruppen stehen auf einer
Seite der Doppelbindung, daher heißt sie systematisch Z-Butendisäure. Bei der Addition von Brom
an die Doppelbindung entsteht 2,3-Dibrom-bernsteinsäure.
H
CO2H
CO2H
+
H
CHBr
Br2
CHBr
CO2H
CO2H
Abb. 71
Um herauszufinden, wie die räumliche Anordnung der Bromatome und Carbonsäuregruppen
zueinander ist, wollen wir den oben besprochenen Mechanismus anwenden.
Je nachdem, an welchem der beiden C-Atome das Bromid-Ion bei der Öffnung des Dreirings
angreift, entsteht das eine oder andere Enantiomere.
Da der Angriff auf die beiden sonst gleichen C-Atome mit gleicher Wahrscheinlichkeit stattfindet,
entstehen beide Enantiomere im Verhältnis von 1:1.
CO2H
H
CO2H
Br
H
CO2H
H
Br
Br
Br
H
H
Br
H
HO2C
CO2H
CO2H
CO2H
Br
H
Br
Br
H
CO2H
CO2H
H
Br
Br
H
CO2H
H
CO2H
Br
HO2C
Br
H
Abb. 72
7.3.2. Reaktion von Brom mit Fumarsäure
Fumarsäure unterscheidet sich von Maleinsäure durch die Anordnung der Säuregruppen
zueinander. Bei Fumarsäure stehen sie auf verschiedenen Seiten der Doppelbindung, Fumarsäure
heißt deshalb systematisch E-Butendisäure.
Auch hier wenden wir wieder den bekannten Mechanismus an:
53
CO2H
H
CO2H
Br
HO2C
Br
H
Br
H
Br
H
CO2H
CO2H
H
Br
Br
HO2C
H
CO2H
Br
CO2H
H
Br
H
Br
CO2H
H
HO2C
Br
H
CO2H
H
Br
HO2C
H
Br
Abb. 73
Egal an welchem der beiden C-Atome das Bromid-Ion angreift, es entsteht in beiden Fällen meso2,3-Dibrom-bernsteinsäure.
Meso-Verbindungen enthalten zwar asymmetrische C-Atome (d. h. C-Atome, die vier
verschiedenen Liganden haben), haben aber trotzdem keinen Drehwert. Sie besitzen nämlich eine
interne Spiegelebene in der Fischer-Projektion (hier zwischen C-Atomen 2 und 3), durch die die
Asymmetrie intern ausgeglichen wird.
7.3.3. Reaktion von Brom mit Cyclohexen
Bei dieser Reaktion entsteht 1,2-Dibrom-cyclohexan.
Br
Br
Br
Br
Abb. 74
Wie sind die beiden Bromatome nun genau zueinander angeordnet? Dazu müssen wir zunächst
die räumliche Struktur von Cyclohexan betrachten. Der Sechsring ist aus Kohlenstoff-Tetraedern
zusammengesetzt, dadurch ist er gewellt. Durch das Zentrum des Rings kann eine Achse
gezeichnet werden. Axiale Bindungen (Abkürzung: a axial) verlaufen parallel zu dieser Achse,
äquatoriale (Abkürzung: e equatorial) „senkrecht“ dazu (Schreibweise beider Bezeichnungen ist
aus dem Angelsächsischen übernommen).
54
a
a
e
a
e
e
e
a
e
a
e
a
Abb. 75
Zur räumlichen Darstellung von trans-1,2-Dibrom-cyclohexan gibt es zwei Möglichkeiten:
Br
H
H
H
Br
Br
Br
H
Abb. 76
Da die Abstände der beiden Bromatome zueinander unterschiedlich sind, handelt es sich um
verschiedene Verbindungen. Beide Verbindungen können jedoch ineinander überführt werde. Für
diese Sesselinversion wird jedoch Energie benötigt. Bei unsubstituiertem Cyclohexan beträgt die
Energiebarriere etwa 45 kJ/mol. Auch Cyclohexen kann in dieser Schreibweise dargestellt werden.
Dabei muss aber beachtet werden, dass die beiden C-Atome, die an der Doppelbindung beteiligt
sind, keine Tetraeder-Geometrie haben.
Abb. 77
Da die Öffnung des Bromonium-Ions von der Rückseite des Dreirings erfolgen muss, müssen die
Bromatome im Produkt zunächst antiperiplanar stehen.
Br
Br
Br
H
Br
Br
Abb. 78
55
H
H
H
Br
7.4.
Addition an unsymmetrische Doppelbindungen
Trägt das Alken an den beiden C-Atomen der Doppelbindung verschiedene Substituenten, führt
der Angriff des Nukleophils im zweiten Schritt der Addition zu verschiedenen Produkten. Als
Beispiel betrachten wir die Addition von HBr an Propen. Bei HBr ist das Elektrophil ein Proton
(H+), das Nukleophil ein Bromid-Ion. Das Proton lagert sich an die Doppelbindung an und bildet
eine Zwischenverbindung, die dem Bromonium -Ion analog ist.
CH3
Br
H
H
H
CH3
H
H
H
Br
CH3
Br
H
H
H
H
H
H
H
CH3
H
H
Br
H
Abb. 79
Der Angriff des Bromid-Ions an den beiden C-Atomen des Dreirings führt zu unterschiedlichen
Produkten: 1-Brom-propan und 2-Brom-propan. Es wird aber nur eine der beiden Verbindungen
als Produkt dieser Reaktion gefunden.
Diese Regelmäßigkeit heißt nach ihrem Entdecker Markownikov-Regel (da der Name aus dem
Russischen stammt, wird er in verschiedenen Büchern unterschiedlich geschrieben). Die
Markownikov-Regel gilt für die Addition von HX an Alkene und sagt voraus, dass das Proton an
das C-Atom addiert wird, an dem die meisten Wasserstoffatome vorhanden sind.
In unserem Beispiel ist 2-Brom-propan das bevorzugte Produkt. Der Grund dafür ist die
unterschiedliche Stabilität der beiden möglichen Zwischenverbindungen. Um die Unterschiede
dieser beiden besser zur verdeutlichen, wollen wir sie in der übertriebenen Form schreiben, bei der
die positive Ladung an einem der beiden C-Atome fixiert ist:
H
CH3
CH3
H
H
H
H
H
H
CH3
H
H
H
Abb. 80
56
H
H
Wie wir oben gesehen haben, hat die Methylgruppe einen induktiven Einfluss auf das
Nachbaratom, so dass eine positive Ladung hier besser ausgeglichen werden kann. Da die positive
Ladung in Nachbarschaft zur Methylgruppe also günstiger ist, wird dieses Atom etwas mehr
positive Ladung tragen als das andere. Das Nukleophil greift dann an dem C-Atom an, das
günstiger positiv geladen ist.
8.
Polymere
8.1.
Polyacrylamid
Versuch: Eine farblose Flüssigkeit (Acrylamid) wird mit Eosin rot angefärbt, so dass der Versuch
leichter beobachtet werden kann. (Eosin wird auch als Farbstoff in der Biologie eingesetzt. Die
Art von weißen Blutkörperchen, die mit Eosin anfärbbar ist heißen Eosinophile,) Ein Salz
(Ammonium-Peroxodisulfat
=
APS)
und
eine
farblose
Flüssigkeit
(TEMED
=
Tetramethylethylendiamin) werden zugefügt. Nach einer gewissen Zeit, deren Länge aber nicht
vorhergesagt werden kann, tritt eine heftige exotherme Reaktion ein, ein Teil des Wassers
verdampft durch die Hitzeentwicklung. Im Becherglas befindet sich nun eine feste Substanz, die
aber nicht hart und spröde, sondern gelartig ist. Dieses sog. Acrylamidgel wird verwendet, um
Proteine oder DNA im elektrischen Feld aufzutrennen (Gel-Elektrophorese).
O
N
O
O
NH2
NH4
O
S
O
O
O
NH4
O
O
Acrylamid
S
Ammoniumperoxodisulfat
N
TEMED
Abb. 81
Bei dieser Reaktion reagiert das (Alken) Acrylamid mit sich selbst. Es stellt den Baustein
(Monomer) für die bei der Reaktion gebildeten großen Moleküle (Polymere) dar. Als reaktive
Teilchen treten bei dieser Reaktion Radikale auf. Deshalb heißt dieser Reaktionstyp auch
radikalische Polymerisation. Radikale haben ein ungepaartes Elektron und sind daher sehr
reaktiv. Sie entstehen hier aus APS, weil die O-O-Bindung relativ schwach ist und daher recht
leicht in zwei Radikale zerfällt. Diese Reaktion gehört zum Kettenstart:
57
O
O
NH4
O
S
O
O
O
O
S
O
NH4
NH4
2
O
O
S
O
O
Abb. 82
Da ein Radikal ein ungepaartes Elektron besitzt, reagiert es mit Stellen hoher Elektronendichte.
Eines der Elektronen der Doppelbindung ergibt dabei zusammen mit dem Elektron des Radikals
eine Bindung, das zweite Elektron der Doppelbindung bleibt „übrig“, d. h. es entsteht ein neues
Radikal, das weitere Reaktionen eingehen kann. Daher wird diese Reaktion auch
Kettenwachstum (oder Reaktionskette) genannt:
O
NH4
O
O
S
O
NH4
O
O
H2N
O
S
O
O
O
H2N
Abb. 83
Weil dieses Radikal nun wiederum mit einem (Alken) Acrylamid-Molekül reagiert, entstehen bei
dieser Reaktion lange, fadenförmige Moleküle, zwischen denen das Wasser eingelagert ist,
deshalb hat die entstehende Substanz eine gelartige Beschaffenheit.
CONH2 CONH2 CONH2 CONH2 CONH2 CONH2
Abb. 84
Im Verlauf der Reaktion nimmt die Konzentration des Alkens (Acrylamid) immer mehr ab,
dadurch wird die Wahrscheinlichkeit für das Zusammentreffen eines Radikals mit einem
Alkenmolekül immer kleiner, dafür wächst die Wahrscheinlichkeit für das Zusammentreffen
zweier Radikale. Durch die Kupplung von zwei Radikalen werden zwei Reaktionsketten beendet,
deshalb heißt diese Reaktion auch Kettenabbruch.
O
H2N
O
O
NH2
NH2
H2N
O
Abb. 85
58
8.1.
Allgemeiner Teil
Polymere sind eine sehr wichtige Stoffklasse. Neben den natürlich vorkommenden Polymeren
(z.B. Wolle, Seide, Leder, Holz, Stärke) haben sie eine sehr große wirtschaftliche Bedeutung: 85%
der Rohstoffe der organischen Chemie werden zu Polymeren verarbeitet, und jeder von uns
verbraucht jährlich 100 kg davon. Seit Mitte des 19. Jahrhunderts werden künstliche Polymere
hergestellt, aber erst ab 1929 wurden von Hermann Staudinger die theoretischen Grundlagen zum
Verständnis geschaffen. 1953 erhielt er für diese Arbeiten den Nobelpreis. In den fünfziger Jahren
wurden neue Synthesemethoden entwickelt, durch die die Struktur und damit die Eigenschaften
der Polymere besser beeinflusst werden können. So ist es möglich, Polymere gezielt für bestimmte
Anwendungsbereiche herzustellen und immer mehr andere Materialien durch Polymere zu
ersetzen. Vorteilhaft ist z.B. beim Ersatz von Metallen im Fahr- und Flugzeugbau der wesentlich
geringere Energieaufwand bei der Produktion der Polymeren und das geringere Gewicht.
8.2.
Polymerisations-Mechanismen
Neben der oben besprochenen radikalischen Polymerisation gibt es noch andere Mechanismen,
nach denen Alkene polymerisieren können: kationische Polymerisation, anionische Polymerisation, Polymerisation mit Metallkatalysatoren (z.B. Ziegler-Natta-Synthese). Es gibt auch Klassen
von Polymeren, die nicht aus Alkenen hergestellt werden (z. B: Polyester, Polyamid, Polyurethan).
Ihre Behandlung setzt aber die Kenntnis der Eigenschaften z.B. von Carbonsäuren voraus und ist
deshalb hier (noch) nicht angebracht.
8.3.1. Kationische/anionische Polymerisation
Bei diesen beiden Mechanismen sind – wie der Name schon sagt – Kationen bzw. Anionen als
reaktive Teilchen, die die Reaktionskette fortführen, beteiligt. Dies sieht man am besten an der
Kettenwachstumsreaktion (oben kationisch, unten anionisch):
R
R
kationische Polymerisation
R
R
anionische Polymerisation
Abb. 86
59
Welcher Mechanismus jeweils gewählt wird (das geschieht durch die Zugabe eines geeigneten
Starters) hängt von dem Alken ab, das polymerisiert werden soll, besonders von seiner
Elektronenverteilung: Wir können uns vorstellen, dass elektronenreiche Alkene besser von
Kationen (Elektrophile) angegriffen werden, während elektronenarme Alkene besser mit Anionen
reagieren.
8.3.2. Ziegler-Natta-Synthese
Dieses Syntheseprinzip wurde 1953 entwickelt und ist nach seinen Entdeckern benannt. Es beruht
auf der Katalyse durch Metallverbindungen und ist technisch von besonderer Bedeutung.
Die sog. Ziegler-Natta-Katalysatoren werden hergestellt aus einer Aluminium-organischen
Verbindung (Al(C2H5)3 und Titanchlorid (TiCl4). Dabei bildet sich eine besondere Art des Titans.
(statt Titan können auch andere Metalle der IV, V, und VI. Nebengruppe oder auch Bor verwendet
werden). Alle diese Elemente sind Lewis-Säuren (Elektrophile), d. h. sie weisen einen
Elektronenmangel auf und können sich daher an das elektronenreiche Gebiet einer C-CDoppelbindung anlagern (ähnlich wie wir es bereits von der Bindung des Bromonium-Ions
kennen). Dadurch werden die Alkene aktiviert und können dann miteinander zu Polymeren
reagieren.
R
R
Ti
Al
R
Ti
Ti
Al
Al
H
H
H
Abb. 87
Monomer
Struktur
Polymer
(Trivialname)
Anwendungen
Ethen
H2C
CH2
Polyethylen
Tragetaschen, Behälter
Chlorethan
(Vinylchlorid)
H2C
CHCl
Polyvinylchlorid
(PVC)
Rohre, Vinyl-Kunststoffe
CF2
Teflon
nicht-haftendes Geschirr
Polystyrol
geschäumtes
Verpackungsmaterial
Tetrafluorethen
F2C
H
Ethenylbenzol (Styrol)
CH2
Ph
60
H
Orlon
Kleidung, synthetische
Stoffe
Plexiglas
Schlagfeste Verschalungen
Elastol
Ölverschmutzungen
H2C
Propennitril (Acrylnitril)
C
N
CH3
Methyl-2methylpropenoat
(Methylmethacrylat)
H2C
O
O
CH3
CH3
2-Methylpropen
(Isobutylen)
H2C
CH3
Tab. 9
8.4.
Eigenschaften von Polymeren
8.4.1. Räumliche Struktur von Polymeren
Während bei den ionischen und radikalischen Mechanismen die Liganden der Alkene kaum
räumlich miteinander wechselwirken, kommt es bei der Katalyse durch Metallverbindungen zu
einer Abschirmung der Doppelbindung auf einer Seite. Deshalb müssen hier die Substituenten der
Alkene in eine bestimmte Richtung stehen. Den unterschiedlichen Anordnungen dieser Liganden
im Polymer hat man Namen gegeben. Um sie besser unterscheiden zu können, zeichnen wir nun
das Polymer in Sägebock-Schreibweise so, dass die lange Kette des Moleküls gestreckt ist. Die
zufällige Anordnung der Substituenten, die vorher an der Doppelbindung des Alkens gebunden
waren,
heißt
ataktisch.
Sie
entsteht
meist
durch
radikalische
und
ionische
Polymerisationsmechanismen. Bei der syndiotaktischen Anordnung stehen die Liganden
abwechselnd auf der einen und anderen Seite des Hauptstranges, während sich bei der
isotaktischen Anordnung alle Liganden auf derselben Seite des Hauptstranges befinden.
H
H
H
H
R
R
R
R
isotaktisch
R
H
R
R
H
R
H
H
H
H
R
H
syndiotaktisch
Abb. 88
61
R
R
R
ataktisch
H
In dieser Zeichnung wurde das Molekül der Übersichtlichkeit wegen „auseinander gezogen“.
Tatsächlich faltet sich das Molekül aber durch Drehung um C-C-Bindungen, so dass die
Substituenten in einer sterisch möglichst günstigen Anordnung stehen. Das Fadenmolekül mit
ataktischer Anordnung seiner Substituenten bildet am Ende ein Zufallsknäuel mit
uneinheitlicher Konformation. Bei der syndiotaktischen Anordnung der Liganden ist eine AntiStellung am günstigsten, die Konformation des Moleküls ist also der Zeichnung oben rechts
ähnlich. Bei isotaktischer Anordnung der Substituenten ist die räumliche Wechselwirkung sehr
günstig. Jede Einheit verdreht sich deshalb etwas gegen die andere, dadurch kann eine Helix
ausgebildet werden. Verschiedene Kunststoffe unterscheiden sich durch die Reste R. Aufgeführt
sind im Folgenden einige der bekannteren Namen mit den entsprechenden Resten R:
Rest (R)
Name des Polymers
–CH3
Polypropylen (PP)
–CN
Polyacrylnitril
–Cl
Polyvinylchlorid (PVC)
–C6H5
Polystyrol (PS)
–CONH2
Polyacrylamid (PAA)
Tab. 10
8.4.2. Temperaturabhängigkeit der Eigenschaften
Die Konformationen der einzelnen Moleküle sind für die makroskopischen Eigenschaften des
Polymers wichtig. Haben die einzelnen Fadenmoleküle eine stark bevorzugte, gleichmäßige
Konformation, so können sie sich leicht in einer sehr geordneten Weise anordnen: Die Fasern
liegen dann parallel zueinander. Dieser geordnete Zustand wird als kristallin bezeichnet.
Bei einer ataktischen Anordnung der Substituenten ist eine solche Ausrichtung der Fasermoleküle
zueinander kaum möglich, sie können sich nur in einer ungeordneten Weise aneinander lagern.
Dieser Zustand heißt amorph.
Ein Beispiel soll zeigen wie die äußere Erscheinungsform des Polymers durch die Anordnung der
Liganden beeinflusst wird: Isotaktisches Polypropylen besitzt eine große Härte und einen hohen
Schmelzpunkt; es wird z.B. für feste Teile in der Elektrotechnik und für Fasern verwendet.
Ataktisches Polypropylen ist dagegen klebrig, ölig und wird als Kleber und (gemischt mit anderen
Substanzen) als Kautschuk verwendet.
Ob amorphe oder kristalline Bereiche überwiegen, hängt zusätzlich von der Temperatur ab. Bei
tiefen Temperaturen sind viele Fadenmoleküle regelmäßig zueinander angeordnet, die Substanz
62
ist dann fest und spröde. Bei Temperaturerhöhung bekommen die Moleküle mehr Energie, um sich
zu bewegen, die Größe der ungeordneten Bereiche nimmt zu, die Substanz wird langsam
elastischer („hornartig“). Oberhalb der Schmelztemperatur gleiten die Ketten frei aneinander
vorbei, die Substanz kann durch Erhitzen verformt werden. Deshalb heißt diese Gruppe von
Polymeren auch Thermoplaste.
Die Struktur des Fadenmoleküls (z.B. ataktisch/isotaktisch) beeinflusst das Verhältnis von
amorphen und kristallinen Bereichen und führt so zu unterschiedlichen Schmelztemperaturen
(harte Thermoplaste haben einen Schmelzpunkt oberhalb der Raumtemperatur, bei öligen
Thermoplasten liegt er darunter). Es können auch Polymere hergestellt werden, deren Ketten
miteinander vernetzt sind, indem ein Teil des Alkens durch ein Dien ersetzt wird, das ja zwei
„Kupplungsstellen“ hat. Bei diesen Substanzen können sich die Fadenmoleküle nicht mehr frei
gegeneinander verschieben. Sind die Maschen des Netzes grob, kann eine Verformung stattfinden,
nach Entfernen der Belastung kehrt die Substanz aber in ihre alte Form zurück.
Diese Gruppe von Polymeren heißt deshalb auch Elastomere. Bei einer sehr engmaschigen
Vernetzung ist bei keiner Temperatur mehr eine Verschiebung der Ketten gegeneinander möglich.
Diese Substanzen bleiben also bei allen Temperaturen – bis hin zur Zersetzungstemperatur – fest,
sie werden als Duroplaste bezeichnet. Dieses unterschiedliche Verhalten bei Temperaturerhöhung
ist im folgenden Bild zusammengefasst:
Tiefe
Temperatur
Glastemperatur
SchmelzTemperatur
spröde
Duroplaste
Elastomere
spröde
Thermoplaste
spröde
hohe
Temperatur
Zersetzung
elastisch
hornartig
Schmelze
Zersetzung
Zersetzung
Tab. 11
8.4.3. Weichmacher
Die Eigenschaften von Polymeren können durch Zusätze beeinflusst werden; besonders wichtig
sind dabei die Weichmacher.
Die Kettenmoleküle der Polymere haften durch verschiedene Wechselwirkungen aneinander. Bei
PVC (Polyvinylchlorid) z.B. bilden die C-Cl-Bindungen Dipole. Die elektrostatischen Kräfte
zwischen ihnen wirken einer Verschiebung der Ketten entgegen und bedingen so eine recht hohe
Glastemperatur (80o C).
Die für PVC verwendeten Weichmacher besitzen ebenfalls polare Gruppen, aber wesentlich
kürzere Ketten als PVC. Sie werden zwischen Makromolekülen eingelagert und vermindern so
63
deren Verzahnung. Dadurch können die Ketten nun leichter aneinander vorbei gleiten, die
Glastemperatur kann für PVC bis auf 40o C gesenkt werden.
Je nachdem, wie stark der Effekt sein soll, werden bei PVC 30% bis 70% Weichmacher
zugegeben. Häufig eingesetzte Weichmacher sind Alkylphthalate und für Lebensmittel
Zitronensäureester.
Diethylhexylphthalat
DEHP
Zitronensäuretriethylester
8.4.4. Kautschuk
Der in tropischen Gegenden gewonnene Milchsaft (Latexkautschuk) aus der Pflanze
Hevea brasiliensis ist Ausgangsmaterial für die traditionelle Gummiherstellung (engl. Rubber).
Die Koagulation des Milchsaftes mit Hilfe von Salz und Essigsäure liefert den so genannten
Rohgummi.
Früher war Rohgummi nach Aufarbeitung das Ausgangsmaterial für die meisten erhältlichen
Produkte. Der englische Name rubber geht auf Joseph Priestley (1770) zurück, der herausfand,
dass sich Rohgummi hervorragend zur Entfernung von Bleistiftstrichen eignet. Alte
Rohgummiprodukte hatten jedoch zahlreiche unerwünschte Eigenschaften: sie neigten zum
„Zerfließen“ und waren entweder zu weich oder im Kalten zu steif.
1839 gelang es Charles Goodyear, einem Erfinder aus Connecticut, die Eigenschaften von
Rohgummi entscheidend zu verbessern. Mehr durch Zufall fand er heraus, dass eine erhitzte
Mischung aus Rohgummi mit Schwefel zu einem Produkt führt, das elastischer,
temperaturunempfindlicher und deutlich stärker war als das Ausgangsmaterial.
Dieser Prozess wird noch heute angewandt und als Vulkanisation bezeichnet. Chemisch betrachtet
handelt es sich bei der Vulkanisation um eine radikalische Quervernetzung.
64
Z
Isopren (Monomer)
n
Naturkautschuk
S
S
S
S
S
S
S
S
vulkanisierter Gummi
Abb. 89
Kautschuk lässt sich heutzutage auch auf chemischem Wege herstellen. Dieser synthetische
Kautschuk ist dem natürlichen Kautschuk ähnlich. Der Hauptunterschied liegt jedoch darin, dass
synthetischer Kautschuk aus einer recht komplexen Mischung von E/Z-Isomeren besteht, wohin
gegen der natürliche Kautschuk ausschließlich aus dem Z-Isomer aufgebaut ist.
9.
Eliminierungen
9.1.
E1-Eliminierungen
Da Alkene nicht nur zur Herstellung von Polymeren wichtig sind, sondern mit ihnen auch eine
Vielzahl
von
anderen
Substanzklassen
hergestellt
werden
kann
(wie
z.B.
durch
Anlagerungsreaktionen, die wir schon kennen gelernt haben), sind Reaktionen, mit denen Alkene
hergestellt werden können, besonders wichtig.
Um von gesättigten Verbindungen (Halogenalkanen, Alkoholen etc.) zu Alkenen zu gelangen,
müssen Teile aus dem Molekül entfernt werden – eine Eliminierungsreaktion findet statt.
Wir haben bereits eine Reaktion kennen gelernt, bei der (zunächst) ein Teil des Moleküls
abgespalten wurde: Die SN1-Reaktion. Ein Beispiel für eine SN1-Reaktion ist die spontane
Abspaltung von Chlorid aus tert-Butylchlorid in Ethanol. Es entsteht ein Carbokation, das in
65
diesem Fall durch den Einfluss der drei Methylgruppen besonders stabil ist. Dieses reagiert nun
mit Ethanol und es bildet sich tert-Butyl-ethyl-ether mit 81% Ausbeute.
+ EtOH
- Cl
Cl
O
-H
Abb. 90
Welches Produkt stellt die restlichen 19% dar? Das bei der Reaktion entstehende Carbokation ist
zwar durch die drei Methylgruppen stabilisiert, aber es ist energetisch immer noch wesentlich
ungünstiger als eine ungeladene Verbindung. Wenn dieser Zustand nicht durch die Anlagerung
eines Nukleophils erreicht werden kann, wird eine positiv geladene Gruppe aus dem Molekül
abgespalten,
z.B.
ein
Proton
(H+).
Bei
dieser
Eliminierungsreaktion
ist
die
Reaktionsgeschwindigkeit, wie bei der SN1-Reaktion, nur abhängig von der Konzentration des
Eduktes (hier: tert-Butylchlorid), deshalb heißt sie E1-Reaktion.
H3C
CH3
H
H
-H
H3C
CH3
H
Abb. 91
SN1- und E1-Reaktionen kommen immer zusammen (Konkurrenzreaktionen) vor. Welcher
Mechanismus bevorzugt wird, kann durch die Reaktionsbedingungen beeinflusst werden: bei
hoher Temperatur wird die Eliminierungsreaktion bevorzugt. Als zweites Beispiel wollen wir die
Reaktion von 2-Brom-2-methylbutan in Ethanol bei 25 oC betrachten. Hier entsteht zu 63% das
Produkt der SN1-Reaktion (2-Ethoxy-2-methylbutan). Die restlichen 37% entfallen auf die E1Reaktion. Hier gibt es allerdings zwei verschiedene Möglichkeiten, wo die Doppelbindung des
entstehenden Alkens liegen kann. Die beiden möglichen Produkte unterscheiden sich durch die
Anzahl der Alkylgruppen an der Doppelbindung.
Allgemein gilt: Je höher alkyliert eine Doppelbindung ist, desto energieärmer ist sie. Dies wird
deutlich, wenn man die Hydrierungsenthalpien verschiedener Alkene betrachtet, d. h. die
Energiemengen, die bei der Anlagerung von Wasserstoff an die Doppelbindung frei werden
(deshalb das negative Vorzeichen). Bei der höher substituierten Doppelbindung wird weniger
Energie bei der Reaktion zum Alkan frei, d. h. hier ist in der Doppelbindung weniger Energie
„gespeichert“, die höher substituierte Doppelbindung ist also energieärmer als die niedriger
substituierte.
66
E1
C2H5OH
Br
25°C
Br
O
SN1
Abb. 92
Bei der E1-Reaktion bildet sich bevorzugt die energieärmere, höher substituierte Doppelbindung.
Diese Gesetzmäßigkeit heißt nach ihrem Entdecker Saytzev-Regel.
H°= - 127 kJ /mol
H2
But-1-en
n-Butan
H°= - 118 kJ /mol
H2
2-Methyl-1-propen
2-Methylpropan
Abb. 93
Diese bevorzugte Bildung der höher substituierten Doppelbindung zeigt sich bei unserem zweiten
Beispiel in dem Verhältnis der beiden Eliminierungsprodukte zueinander: das „Saytzev-Produkt“
2-Methyl-2-buten hat einen Anteil von 82% an den Eliminierungsprodukten, während das Alken
mit der niedriger substituierten Doppelbindung 18% des entstehenden Alkens ausmacht.
2-Methylbut-2-en
2-Methylbut-1-en
Hofmann - Produkt
Saytzev - Produkt
Abb. 94
9.2.
E2-Eliminierung
Da primäre Halogenalkane nicht spontan Halogenid abspalten, muss zur Synthese von Alkenen
aus diesen Verbindungen eine andere Methode angewendet werden: dazu wird das Halogenalkan
mit einer sehr starken Base (z.B. einem Alkoholat-Ion, d. h. dem Anion eines Alkohols) umgesetzt.
67
Als Beispiel wollen wir die Reaktion von Bromethan mit dem Ethanolat-Ion (das leicht aus
Ethanol durch Zugabe von Natrium gewonnen werden kann) betrachten:
Br
- Br
- EtOH
H
EtO
Abb. 95
Die Base greift dabei ein Proton des Bromethans an, das in -Stellung (d. h. am Nachbar-C-Atom)
zur
Austrittsgruppe
steht.
Dadurch
wird
die
C-H-Bindung
geschwächt,
und
das
Bindungselektronenpaar kann für die entstehende π-Bindung genutzt werden. Dabei löst sich die
Austrittsgruppe (hier Br-) vom Molekül. Da alle diese Vorgänge gleichzeitig ablaufen, wird, wie
bei der SN2-Reaktion, von einer synchronen Reaktion gesprochen. Damit die elektronischen
Wechselwirkungen zwischen den beiden gleichzeitig vom Molekül abgespaltenen Gruppen
optimal sind, müssen diese eine bestimmte räumliche Anordnung zueinander haben: Die
Abgangsgruppe steht dabei antiperiplanar zum Proton, das von der Base angegriffen wird.
Br
Br
H
H
Base
Base
Abb. 96
Sind noch andere Substituenten im Molekül vorhanden, kann mit Hilfe dieser Konformation
vorhergesagt werden, ob die entstehende Doppelbindung bevorzugt E- oder Z-Konfigurationen
hat. Dies wollen wir anhand der Reaktion von 2-Brom-butan mit Ethanolat näher untersuchen:
Hier hat die Austrittsgruppe Bromid zwei verschiedene Nachbar-C-Atome, von denen ein Proton
abgespalten werden könnte.
Auch hier gilt die Saytzev-Regel, d.h. die höher substituierte Doppelbindung entsteht, die Base
greift also bevorzugt ein Proton von C-Atom Nr. 3 an.
Wie sieht dann die Konformation des Übergangszustandes aus? Es gibt zwei verschiedene
Konformationen, in denen das Proton und das Bromidion antiperiplanar zueinander angeordnet
sind:
68
Br
H
CH3
H
Br
CH3
H
H
CH3
H
H
CH3
Base
Base
H
CH3
H
CH3
H
CH3
Br
H3C
H
H
Br
CH3
H
H
H
H3C
H
CH3
Base
Base
H3C
H
Abb. 97
Die Konformation, die zu einer E-Doppelbindung führt, ist günstiger, weil hier die beiden
Methylgruppen weiter voneinander entfernt sind, die beiden Substituenten behindern sich so nicht
gegenseitig. Die Reaktionsgeschwindigkeit ist bei den letzten beiden Beispielen abhängig von den
Konzentrationen
beider
Edukte
(Halogenalkan
und
Base),
deshalb
werden
diese
Eliminierungsreaktionen als E2-Reaktionen bezeichnet. Bei den beiden eben besprochenen
Eliminierungsmechanismen (E1- und E2-Mechanismus) befinden sich die beiden Atomgruppen,
die das Molekül verlassen, an benachbarten Atomen, deshalb heißen sie - oder
1,2-Eliminierungen. (Dieser Name bezieht sich nur auf den Abstand der beiden Atomgruppen
zueinander und hat nichts mit der Nummerierung der Kette für die Nomenklatur zu tun).

- und -Eliminierungen
Zum Beispiel sind bei 1-Brom-2-buten Proton und Halogenatom durch eine Doppelbindung
voneinander getrennt. Sie wirkt als „Elektronenpuffer“, d. h. sie gibt die elektronischen
Wechselwirkungen weiter. Der Reaktionsmechanismus entspricht sonst im Prinzip dem einer E2Reaktion. Auch bei anderen Reaktionen kann die Reaktivität durch die Doppelbindung
„weitergegeben“ werden, man spricht vom Vinylogie-Prinzip.
Br
H
Base
Abb. 98
69
Da sich die beiden Atomgruppen, die das Molekül verlassen, im Abstand von 4 C-Atomen
befinden, heißt dieser Reaktionstyp 1,4-Eliminierung oder δ-Eliminierung. Bei diesem
Reaktionstyp kommt man zu 1,3-Dienen als Produkt. Wie der Name schon sagt, stehen bei der Eliminierung die beiden Atomgruppen, die aus dem Molekül entfernt werden, an ein und
demselben C-Atom. Die entstehende Verbindung gehört zur Gruppe der Carbene (hier:
Dichlorcarben, bzw Carben durch die Abspaltung von Stickstoff aus Diazomethan). Das
Kohlenstoffatom hat hier nur ein Elektronensextett. Schon der Name Carben drückt aus, dass
dieser Verbindungstyp ungesättigt ist. Diese Substanzen haben eine sehr kurze Lebensdauer (noch
kürzer als Carbeniumionen), so dass sie nur schwer isoliert werden können. Sie können aber durch
Verbindungen „abgefangen“ werden, die direkt bei ihrer Bildung anwesend sind. Zum Beispiel
reagieren sie mit einfachen π-Systemen (Doppelbindung), wobei Dreiringe entstehen.
H2C
N
N
H
+
N2
+
HCl
Base
H
Cl
Cl
H
Cl
Cl
Cl
Cl
Cl
Cl
Cl
Abb. 99
Eine -Eliminierung kann auch an einem Stickstoffatom stattfinden; die entstehende reaktive
Verbindung heißt dann Nitren.
9.4.
Eliminierung nach Hofmann
Dieser Eliminierungstyp findet an quartären Ammoniumsalzen statt. Bei diesen Verbindungen
besitzt das Stickstoffatom vier Alkyl-Substituenten und trägt deshalb eine positive Ladung.
Zusammen mit einem Anion (das hier allgemein als „X – “ bezeichnet wird) bildet sich ein Salz.
H
Base
N
N
X
Abb. 100
70
+
Die Base (hier: Hydroxidion) hat zwei Möglichkeiten des Angriffs: an einem sekundären oder
primären C-Atom. Entgegen der Saytzev-Regel entsteht die weniger substituierte Doppelbindung.
Die C-Atome in Nachbarstellung zum N-Atom werden positiv polarisiert. Weil bei sekundären CAtomen ein Teil dieser Ladung durch den induktiven Effekt der benachbarten Alkylgruppen
ausgeglichen werden kann, trägt ein primäres C-Atom eine höhere positive Partialladung und wird
deshalb bevorzugt von der Base angegriffen. Außerdem spielt es eine (untergeordnete) Rolle, dass
das primäre C-Atom sterisch weniger abgeschirmt ist und daher von der Base leichter erreicht
werden kann.
9.5.
Synthese von 1,3-Cyclohexadien aus 1,2-Dibromcyclohexan
Durchführung der Reaktion:
1,2-Dibromcyclohexan wird mit der Base gemischt und auf 160 °C bis 179 °C gehalten. Als Base
dient frisch destilliertes Chinolin. Es wird nicht Pyridin verwendet, da dieses bei 115 oC siedet und
die Reaktion dann in einem Druckgefäß durchgeführt werden müsste, um die nötige Temperatur
zu erreichen. Chinolin ist (wie Pyridin) durch das freie Elektronenpaar am Stickstoffatom basisch.
N
H
Br
Chinolin
Br
H
G
AP
= 180°
G
G
G
AP
Abb. 101
Warum entsteht bei dieser Reaktion 1,3-Cyclohexadien und nicht 1-Bromcyclohexen? Um eine
Antwort zu erhalten, muss die Anordnung der Substituenten zueinander beachtet werden, weil eine
Eliminierung aus einer antiperiplanaren Anordnung heraus sehr stark bevorzugt wird. „Gauche“
bezeichnet dabei eine Anordnung, bei der die beiden Substituenten in der Newman-Projektion
einen Winkel zueinander bilden, der ungleich 180o ist. Eine Eliminierung, die zum 1Bromcyclohexen führt, müsste also aus einer gauche-Anordnung heraus erfolgen, deshalb entsteht
1,3-Cyclohexadien.
71
9.6.
Prinzip der mikroskopischen Reversibilität
Dieses Prinzip besagt, dass die Rückreaktion nach denselben Prinzipien abläuft wie die
Hinreaktion. Ein Beispiel für dieses Prinzip sind elektrophile Addition und -Eliminierung, beide
haben denselben Reaktionsmechanismus: Die elektrophile Addition führt zur antiperiplanaren
Anordnung der beiden eintretenden Gruppen, während bei der Eliminierung genau aus dieser
antiperiplanaren Anordnung abgespalten wird.
+
HX
X
H
Addition
Eliminierung
X
H
Abb. 102
9.7.
Diels-Alder-Reaktion
Als Beispiel betrachten wir die Reaktion von Cyclohexadien und Maleinsäureanhydrid.
Maleinsäureanhydrid hat diesen Namen, weil es aus einer internen Wasserabspaltung der
Dicarbonsäure Maleinsäure entsteht.
O
O
OH
O
OH
- H2O
O
O
Abb. 103
Maleinsäureanhydrid und Cyclohexadien werden gemischt und erwärmt, das entstandene Produkt
fällt aus dem Reaktionsgemisch aus.
O
+
O
H
O
H
T
H
=
O
O
H
O
O
O
O
Abb. 104
Zunächst wollen wir die Reaktion vereinfachen und als Edukte Butadien und Ethen betrachten.
72
+
Abb. 105
Aus den drei π-Bindungen der Edukte entstehen zwei σ-Bindungen und eine (neue) π-Bindung. Es
bleibt also keine der π-Bindungen an der Stelle, wo sie in den Edukten war. Da die Elektronen
während der Reaktion „im Kreis fließen“, zählt man die Diels-Alder-Reaktion zu den
elektrocyclischen Reaktionen. Daher spricht man auch von einer Cycloaddition. Als Produkt
entsteht bei dieser Reaktion immer ein Sechsring. Auch diese Reaktion gehorcht dem Prinzip der
mikroskopischen Reversibilität. Es ist nach demselben Mechanismus also auch eine Spaltung des
Ringes möglich, diese Reaktion heißt Cycloeliminierung oder Cycloreversion. Wir wollen den
Mechanismus der Cyloaddition nun auf zwei Beispiele anwenden:
O
O
O
H
T
H
O
endo
O
O
O
H O
T
O
H
O
O
endo
O
Abb. 106
Der Ring des Anhydrides steht im Produkt immer von der gesättigten Brücke weg („endo“).
Die Reaktionen können durch einen Übergangszustand beschrieben werden, in dem eine
Wechselwirkung zwischen den 4-Elektronen mit dem 2 -Elektronensystems des Dipolarophils
besteht. Da es sich nach den den Regeln von Woodward und Hoffmann um einen thermisch
erlaubten Prozess handelt, werden die Wechselwirkungen daher von den höchsten besetzten
-Orbitalen (HOMO) des Diens und den niedrigsten unbesetzten -Orbitalen (LUMO) des
Dienophils dominiert. Bei der Mehrheit der „All-Kohlenstoff“ Diels Alder Reaktionen tritt eine
73
Wechselwirkung zwischen einem nukleophilen Dien mit einem elektrophilen Dienophil auf. Die
Reaktionen weisen eine hohe Stereoselektivität auf, die aus dem kinetisch bevorzugten endoÜbergangszustand gebildet werden. Geschwindigkeit und Selektivität der Additionen können oft
durch Lewis-Säure-Katalysatoren, die mit dem Dienophil koordinieren, gesteigert werden. Viele
dieser Eigenschaften können auch auf die Reaktionen von Dienen mit Heterodienophilen
übertragen werden.
10. Benzol (Benzen) und seine Derivate (Aromaten)
10.1. Allgemeines
Diese Substanzklasse hat ihren Namen schon in der Anfangszeit der Chemie bekommen, weil viele
der Stoffe, die zu ihr gezählt werden, aromatisch riechen. Beispiele sind Bittermandel- und
Vanillearoma. Früher wurden nur alle Verbindungen in diese Klasse gerechnet, die sich strukturell
vom Benzol ableiten ließen.
Nach der Regel von Hückel ist eine Verbindung aromatisch, wenn sie aus einem cyclischen
System mit (4n+2) π-Elektronen (n = 0,1,2,3…) besteht, also 2, 6, 10, 14 ... π-Elektronen besitzt.
10.2. Benzol (Benzen)
10.2.1. Struktur des Benzols
Versuch: Zu Benzol und Cyclohexan, zwei farblosen Flüssigkeiten, wird Iod (violette, schuppige
Kristalle) gegeben. Die Lösung des Iods in Benzol ist kräftig rot/violett, die Lösung in Cyclohexan
dagegen blass rosa. Um eine Erklärung für diesen Unterschied zu finden, müssen wir die Struktur
des Benzols betrachten: Ähnlich wie bei Ethen, wo sich oberhalb und unterhalb der σ-Bindung der
„Wolke
der
π-Elektronen
aufhält,
wird
auch
der
flache
Benzolring
durch
σ-Bindungen gebildet, über und unter dieser Ebene befindet sich das Aufenthaltsgebiet der
π-Elektronen. Wie wir es schon vom Brom-Molekül kennen, lagert sich auch das Iod-Molekül an
diesen Bereich hoher Elektronendichte an und wird dabei polarisiert. Dieser Charge-TransferKomplex hat eine andere Farbe als das freie Iod-Molekül und kann durch seine veränderten
Absorptionseigenschaften spektroskopisch nachgewiesen werden. Benzol kann durch die beiden
folgenden Strukturformeln beschrieben werden, sie heißen Kekulé-Formeln:
Abb. 107
Die beiden Kekulé-Formeln sind verschiedene Beschreibungen für einen Zustand, es sind
Grenzstrukturen, man sagt auch Resonanzstrukturen oder mesomere Grenzstrukturen (zwischen
74
ihnen wird der Mesomeriepfeil geschrieben, dies ist kein Gleichgewichtspfeil). Der tatsächliche
Zustand liegt dazwischen: Alle Bindungen im Benzolring sind gleich lang, es kann also nicht
zwischen Einfach- und Doppelbindungen unterschieden werden.
Bindung
Bindungslänge
CC-Einfachbindung
147.6 pm
CC-Bindung mit Benzol
139.7 pm
CC-Doppelbindung
133.7 pm
Tab. 12
Die Bindungsabstände zwischen den Kohlenstoffatomen im Benzolring liegen also genau
zwischen den Längen von „normalen“ C-C-Einfach- und Doppelbindungen. Auch wenn man die
Hydrierungswärmen verschiedener Cycloalkene mit der des Benzols vergleicht, erkennt man seine
Sonderstellung. Die Hydrierungswärme ist die Energiemenge, die bei der Wasserstoffanlagerung
an eine Doppelbindung frei wird, dabei entsteht das entsprechende Alkan. Sie ist ein Maß für die
in der Doppelbindung gespeicherte Energie.
Cyclohexen
1,3-Cyclohexadien
Benzol
Abb. 108
Molekül
Hydrierungswärme
Cyclohexen
–120 kJ/mol
1,3-Cyclohexadien
–232 kJ/mol
Benzol
–208 kJ/mol
Tab. 13
Da die Verbindungen eine unterschiedliche Anzahl von π-Elektronen besitzen, müssen wir diese
Werte noch umrechnen. Wir nehmen die Hydrierungswärme (-120 kJ/mol) von Cyclohexen als
den Energiebeitrag einer Doppelbindung an. Für Cyclohexadien können wir dann eine
Hydrierungswärme von –240 kJ/mol berechnen, das entspricht recht gut dem gefundenen Wert.
Für Cyclohexatrien (drei Doppelbindungen) berechnen wir so –360 kJ/mol. Benzol hat aber einen
wesentlich geringeren Energieinhalt, es ist 150 kJ/mol energieärmer als das hypothetische
Cyclohexatrien, das nicht wirklich existiert. Außer durch die Grenzformeln kann Benzol auch
durch die folgende Struktur dargestellt werden:
75
Abb. 109
Dabei stellt der Kreis die Wolke der 6 π-Elektronen dar. Für Benzol erleichtert dies das Zeichnen
und drückt außerdem aus, dass die Elektronen gleichmäßig über den Ring verteilt sind. Probleme
treten bei den größeren Aromaten auf. Naphthalin müsste z.B. so geschrieben werden:
=
Abb. 110
10.2.2. Eigenschaften des Benzols
Benzol ist ein krebserregender Stoff, der akute und chronische Formen der Leukämie hervorruft.
Da Benzol schlecht wasserlöslich ist, kann es vom Körper schlecht abgebaut und ausgeschieden
werden. Es muss im Körper durch Hydroxylierungen wasserlöslich gemacht werden. Da der
aromatische Ring energetisch sehr günstig ist, sind die Reaktionen nur schwer durchführbar.
Toluol ist etwa 100 bis 200mal weniger giftig als Benzol, da seine Methylgruppe einen
Angriffspunkt für die abbauenden Enzyme bietet. Es kann so zu der gut wasserlöslichen
Benzoesäure umgewandelt werden, die leicht ausgeschieden werden kann.
10.3. Elektrophile aromatische Substitution
10.3.1. Energie-Bilanz
Da das Benzol eine ausgedehnte Elektronenwolke besitzt, kann es mit Elektrophilen reagieren
(z.B. NO2+, PhN2+, SO3, Halogen+). Elektrophile werden an Alkene addiert. Eine analoge Reaktion
von Brom mit Benzol müsste so aussehen:
Br
Br2
Abb. 111
Eine Substitution an Benzol sieht dagegen so aus:
76
Br
Br
Br2
+
HBr
Abb. 112
Wir wollen nun die beiden Reaktionen thermodynamisch miteinander vergleichen. Dazu benutzen
wir Bindungsenergien von Kohlenwasserstoffverbindungen. Während für die Addition 18 kJ/mol
aufgebracht werden müssen, werden bei der Substitution 41 kJ/mol frei. Die Substitution ist
energetisch um rund 60 kJ/mol günstiger als die Addition. Dabei ist der entscheidende Faktor die
Zerstörung des aromatischen π-Systems bei einer Addition. Deshalb sind Reaktionen an Aromaten
überwiegend elektrophile Substitutionen.
1. Addition
Bindungstyp
Energie
Spaltung der Br-Br-Bindung
+193 kJ/mol
C-C-Einfachbindung nach C=C Doppelbindung
+260 kJ/mol
2 x Bildung der C-Br-Bindung
2 x (–285 kJ/mol)
Verlust des aromatischen Systems von Benzol
+150 kJ/mol
Stabilisierung durch benachbartes
Elektronenpaar
–14 kJ/mol
Summe
+18 kJ/mol
Tab. 14
2. Substitution
Bindungstyp
Energie
Spaltung der C-H-Bindung
+415 kJ/mol
Spaltung der Br-Br-Bindung
+193 kJ/mol
Spaltung der C-Br-Bindung
–285 kJ/mol
Spaltung der H-Br-Bindung
–364 kJ/mol
Summe
–41 kJ/mol
Tab. 15
10.3.2. Mechanismus der elektrophilen aromatischen Substitution
Zunächst findet eine Polarisierung des Brommoleküls durch die hohe Ladungsdichte
der π-Elektronenwolke des Benzols statt. Dadurch kommt es zur Ausbildung eines
π-Komplexes.
Dieser π-Komplex kann nachgewiesen werden (bei Iod z.B. durch die Farbveränderung). Diese
beiden ersten Schritte sind reversibel.
77
Als nächstes wird der so genannte σ-Komplex gebildet. Dieser heißt so, weil nun eine neue
σ-Bindung entstanden ist. Der σ-Komplex kann bei tiefen Temperaturen nachgewiesen werden,
weil die Ionen zur Leitfähigkeit der Lösung führen.
Im letzten Schritt greift eine Base (hier: Bromid) aus der Lösung das Proton an, es wird dadurch
abgespalten. So wird das energetisch günstige π-System wiederhergestellt.
H

+

Br
Br2


Br
Br
Br
Br
-Komplex
- HBr
-Komplex
Abb.113
Vom σ-Komplex können folgende Grenzstrukturen geschrieben werden:
Br
H
Br
H
Br
H
Abb. 114
Die Grenzstrukturen können durch formales (!!) Verschieben der Doppelbindungen ineinander
überführt werden; dieses ist durch die kleinen Pfeile innerhalb des Rings angedeutet.
Man sieht, dass sich die positive Ladung nicht nur an einem Kohlenstoffatom befindet, sondern
über drei C-Atome verteilt wird.
Insgesamt wird folgendes Reaktionsprofil erhalten:
78
Abb. 115
Technisch wird meist statt der Bromierung eine Chlorierung durchgeführt. Im Labor wird dagegen
die Bromierung bevorzugt, da Brom (flüssig) leichter als Chlor (Gas) zu handhaben ist. Wie wir
bei unserem Versuch (Kap. 5) gesehen haben, reagiert Brom nur langsam mit Benzol. Die Reaktion
kann durch Lewis-Säuren (z.B. AlCl3, FeBr3) beschleunigt werden. Diese verstärken die
Polarisation des Brom-Moleküls und erleichtern so die Spaltung der Br-Br - Bindung.

Br

Br
FeBr3
Abb. 116
10.3.3. Nitrierung
Die offensichtlichste Reaktion, nämlich die Nitrierung mit Salpetersäure, verläuft nur sehr
langsam.
NO2
+
HNO3
- H2O
Abb. 117
Daher wird besser eine Mischung aus Salpeter- und Schwefelsäure (1:2), die sog. Nitriersäure
verwendet. Dabei wird durch die starke Säure H2SO4 die Hydroxyfunktion der Salpetersäure
protoniert. Schwefelsäure ist eine stärkere Säure als Salpetersäure. Eine ebenfalls mögliche
Autoprotonierung findet nur in geringem Umfang statt. Durch die nun mögliche Wasserabspaltung
wird das Elektrophil NO2+ freigesetzt.
79
H
O
O
N
H
O
- H2O
O
N
O
Abb. 118
NO2+ reagiert mit Benzol wie Br2. Der entstehende σ-Komplex kann spektroskopisch
nachgewiesen werden.
CH3
H
O2N
NO2
NO2
NO2
- Komplex bei
der Nitrierung
TNT
Abb. 119
Eine Nitrierung kann auch mit dem Salz Nitronium-Tetrafluoroborat (NO2+BF4-) durchgeführt
werden. Eine bekannte aromatische Nitroverbindung, Trinitrotoluol (TNT), entsteht aus der
vollständigen Nitrierung von Toluol.
10.3.4. Sulfonierung
Bei dieser Reaktion ist SO3 das Elektrophil, da das Schwefelatom durch die drei elektronegativen
Sauerstoffe stark positiviert ist. Durch H2SO4 tritt auch hier eine Protonierung ein, so dass das
Schwefelatom noch elektrophiler wird.
H
O
O
S
+ H
O
O
S
O
O
H
H
O
S
O
- H
O
-Komplex
SO3H
SO3H
-Komplex
Benzolsulfonsäure
Abb. 120
10.3.5. Friedel/Crafts-Alkylierung
Bei dieser Reaktion wird eine Alkylgruppe („R3C+“) als Elektrophil eingesetzt und so in den
aromatischen Ring eingeführt. Allgemein sind Reaktionen, bei denen C-C-Bindungen geknüpft
werden,
für
die
Synthese
von
Verbindungen
80
interessant.
Die
Friedel-Crafts-
Alkylierung/Acylierung zählt zu den großtechnisch am meisten angewendeten Reaktionen. Dabei
werden ein Alkylhalogenid (hier Methylbromid) und eine Lewis-Säure (z.B. Aluminiumbromid)
mit dem Aromaten umgesetzt. Durch Polarisation entsteht aus dem Alkylhalogenid erst das
eigentliche Elektrophil. Nach der Reaktion liegt AlBr3 in der ursprünglichen Form vor, d.h. es ist
ein „echter“ Katalysator. Das Problem dieses Reaktionstyps ist, dass nicht nur eine Alkylgruppe
eingeführt wird, sondern die Reaktion weitergeht, weil das Produkt reaktiver als das Edukt ist.
H
H3C
Br
CH3
CH3
AlBr3
- HBr
- AlBr3
AlBr4
-Komplex
Toluol
Abb. 121
10.3.6. Friedel/Crafts-Acylierung
Bei dieser Reaktion stellt das intermediär entstehende Acylium-Ion das Elektrophil dar. Analog
zur Friedel/Crafts-Alkylierung wird es aus einer Lewis-Säure (z.B. AlCl3) und einem
Carbonsäurehalogenid hergestellt. Die zunächst entstehende Anlagerungsverbindung dissoziiert
relativ leicht zum Acylium-Ion, da dieses resonanzstabilisiert ist.
O
R
AlCl3
C
Cl
R
O
C
O
AlCl4
R
O
O
R
C
O
AlCl3
AlCl3
R
- H
R
Abb. 122
Da der neue Substituent elektronenziehend wirkt, schützt er den Ring vor weiteren elektrophilen
Angriffen. Dieser Effekt wird noch verstärkt, da die Carbonylgruppe des Ketons einen starken
Komplex mit AlCl3 bildet.
Weil dadurch AlCl3 als Katalysator blockiert wird, muss mindestens ein ganzes Äquivalent der
Lewis-Säure zugegeben werden, um eine vollständige Reaktion zu gewährleisten. Eine wässrige
Aufarbeitung ist nötig, um das Keton durch Hydrolyse freizusetzen.
81
Die Carbonylgruppe des Produktes kann mit verschiedenen Methoden reduziert werden, dadurch
bietet die Reaktionsfolge Acylierung-Reduktion einen guten Zugang zu Alkylbenzolen, und die
Möglichkeit, die Nachteile der Friedel/Crafts-Alkylierung (Mehrfachalkylierung) zu umgehen.
O
RCOCl
R
Reduktion
R
AlCl3
Abb. 123
10.3.7. Einfluss von Substituenten auf die Zweitsubstitution
Wie wir oben gesehen haben, beeinflussen Substituenten am Aromaten die Reaktivität des Ringes.
Substituenten, die Elektronen aus dem aromatischen System herausziehen, erniedrigen die
Reaktivität (gegenüber Elektrophilen).
Die Wirkung auf das aromatische System kann durch den induktiven oder mesomeren Effekt
geschehen (abgekürzt: I- bzw. M-Effekt).
Der Einfluss auf die Elektronendichte wird mit + (Erhöhung der Elektronendichte im
aromatischen System) bzw.  (Verminderung der Elektronendichte im aromatischen System)
symbolisiert.
Als Beispiel betrachten wir SO3 als Substituent am Benzolring. Schwefel ist elektronegativer als
Kohlenstoff, deshalb zieht er Elektronen aus dem aromatischen π-Elektronen-System ab. Er übt
also einen –I-Effekt aus. Wird dagegen ein Wasserstoffatom, das ja sehr klein ist und deshalb nur
eine geringe Elektronendichte hat, des Benzolrings gegen ein Kohlenstoffatom (einer Alkylkette)
ausgetauscht, kann dieses mehr Elektronendichte in das aromatische System abgeben als vorher
das Wasserstoffatom. Eine Alkylkette übt also einen +I-Effekt aus.
10.3.8. Vergleich von Dissoziationskonstanten
Der elektronische Einfluss von Substituenten auf das aromatische System (bzw. allgemein von
Gruppen auf Nachbargruppen) ist natürlich schwer mess- und quantifizierbar. Eine Möglichkeit
ist die Messung der Dissoziationskonstanten von Carbonsäuren. Je elektronenreicher das SäureKohlenstoffatom (durch den Einfluss eines Substituenten „R“) ist, desto ungünstiger ist eine
negative Ladung in direkter Nachbarschaft, d. h. desto weniger sauer ist die entsprechende
Carbonsäure.
82
Der pKa-Wert einer Säure (auch „pKs-Wert“) wird so berechnet:
RCOOH
RCOO
+
H
Ka = [RCOO–][H+] / [RCOOH]
pKa = log10Ka
Rest
pKa
Trivialname
H
3.8
Ameisensäure
CH3
4.8
Essigsäure
CH3 (CH3) 2C
5.1
Pivalinsäure
ClCH2
2.8
Chloressigsäure
Cl3C
0.6
Trichloressigsäure
CH3CH2CHCl
3.8
-Chlor-Butansäure
CH3CHClCH2
4.1
-Chlor-Butansäure
CH2Cl(CH2)2
4.5
-Chlor-Butansäure
Tab. 16
Der induktive Einfluss auf Nachbaratome ist deutlich zu sehen: Bei Essig- und Pivalinsäure im
Vergleich zu Ameisensäure erhöhen die Alkylsubstituenten die Elektronendichte am SäureKohlenstoffatom, die beiden Verbindungen sind deshalb weniger sauer. Je stärker die Alkylgruppe
verzweigt ist, desto stärker ist dieser Einfluss.
Umgekehrt wird durch den elektronegativen Chlorsubstituenten die Elektronendichte am SäureKohlenstoffatom vermindert, dadurch kann die negative Ladung der dissoziierten Säure besser
verteilt werden, eine Dissoziation ist günstiger, die Chloressigsäuren sind deutlich saurer als
Essigsäure. Der Einfluss mehrerer Chloratome addiert sich, so dass Trichloressigsäure fast
vollständig dissoziiert ist und in ihrer Säurestärke einer Mineralsäure entspricht. Bei einem
Vergleich der drei Chlor-Butansäuren sieht man, dass der induktive Effekt deutlich mit der
Entfernung abnimmt.
Rest der Carbonsäure
pKa
Trivialname
C6H5
4.2
Benzoesäure
CH3OC6H4
4.5
Anissäure
NO2C6H4
3.4
p-Nitro-Benzoesäure
Tab. 17
83
Benzoesäure ist etwas stärker sauer als Essigsäure, da der Phenylring etwas weniger
elektronenschiebend wirkt als die Methylgruppe der Essigsäure. Die Unterschiede in der
Säurestärke der drei Verbindungen werden durch die Substituenten des Phenylrings
hervorgerufen, die durch Verschiebung von freien Elektronenpaaren (formal durch das Klappen
von Bindungen dargestellt) das π-Elektronensystem des Aromaten beeinflussen – und damit auch
die Elektronendichte am Säure-Kohlenstoffatom. Die elektronischen Effekte, bei denen freie
Elektronenpaare beteiligt sind, heißen mesomere Effekte. Bei der Anissäure nehmen die freien
Elektronenpaare des Sauerstoffatoms der Methoxygruppe am π-Elektronensystem teil.
O
O
O
H3C
O
OH
H3C
OH
Abb. 124
So wird die Elektronendichte des Aromaten erhöht, man spricht von einem +M-Effekt.
Dadurch wird wiederum die Carbonsäuregruppe in gewohnter Weise so beeinflusst, dass eine
Dissoziation ungünstig ist. Bei der p-Nitro-Benzoesäure ist der Stickstoff der Nitrogruppe positiv
geladen. Er zieht π-Elektronen aus dem Ring heraus. Da dies nicht (nur) durch eine Polarisierung
(I-Effekt) geschieht, sondern auch ein Klappen von Elektronenpaaren möglich ist, spricht man von
einem M-Effekt.
O
O
O
N
O
O
N
OH
O
OH
Abb. 125
So wird wiederum die Carbonsäuregruppe beeinflusst, weil nun die negative Ladung besser vom
Ring stabilisiert werden kann.
10.3.9. Hammett-Gleichung
Die Hammett-Gleichung ermöglicht, den elektronenziehenden bzw. –schiebenden Einfluss von
Substituenten auf die Reaktivität aromatischer Ringe anhand von empirisch ermittelten Konstanten
quantifizieren zu können. Die Hammett-Gleichung soll anhand der Hydrolyse von
Benzoesäureestern näher betrachtet werden.
84
O
O
OC2H5
O
+ OH
+
C2H5OH
Abb. 126
Eine alkalische Hydrolyse von Estern wird auch Verseifung genannt, da die erste bekannte
Reaktion dieser Art die Hydrolyse von Fetten (Fettsäure-Estern) zu Seifen (Fettsäuren) war. Die
folgende Gleichung wurde 1937 von Hammet erstellt.
log(Ksubst/Kunsubst) = σ 
σ:
Substituentenkonstante
:
die Reaktionskonstante, sie ist nicht nur für die verschiedenen Reaktionstypen
unterschiedlich, sondern ändert sich auch mit den Reaktionsbedingungen (z.B.
Temperatur).
K:
die
Dissoziationskonstante.
Dieselbe
Gleichung
kann
auch
mit
Reaktionsgeschwindigkeit geschrieben werden.
Substituentenkonstante σ:
Substituent
σ (meta)
σ (para)
H2N
-0.16
-1.3
CH3O
-0.047
-0.778
CH3
-0.066
-0.311
H
0
0
Cl
0.399
0.114
Br
0.405
0.150
(CH3)3N+
0.359
0.408
HO2C
0.322
0.421
CN
0.562
0.659
NO2
0.674
0.790
Tab. 18
85
k
als
Reaktionskonstante :

Reaktion
Bromierung: Br2 in Eisessig, 25oC
–12.1
Chlorierung: Cl2 in Eisessig, 25oC
–10
Friedel-Crafts-Acetylierung
–9.1
Nitrierung: HNO3 in Nitromethan
–6.0
Friedel-Crafts-Ethylierung
–2.4
Tab. 19
1. Beispiel:
Wir betrachten eine Substitutionsreaktion in para-Stellung zu –NO2 und –OCH3.
Elektronendonoren besitzen negative σ-Werte, Elektronenakzeptoren positive. Der entsprechende
σ-Wert
für
–OCH3
ist
negativ.
Zusammen
mit
einem
der
ebenfalls
negativen
-Werte ergibt sich daraus, dass der Bruch Ksubst/Kunsubst größer als 1 ist, die aromatische
Substitution verläuft also mit einer –OCH3-Gruppe in para Stellung schneller als ohne sie.
Umgekehrt ist eine Substitution in para-Stellung zu einer –NO2-Gruppe langsamer als bei Benzol,
weil der σ-Wert dieser Reaktion positiv ist. Allgemein gilt: Je kleiner der Betrag eines
σ-Wertes ist, desto geringer ist der Einfluss des entsprechenden Substituenten auf die Reaktion.
2. Beispiel
Ein Prodrug ist eine nicht wirksame Form eines Arzneistoffes, die eingenommenen wird und aus
der im Körper der wirksame Stoff freigesetzt wird. Oft geschieht das durch Hydrolyse. Ein
bekanntes Beispiel für einen aromatischen Ester ist die Acetyl-Salicylsäure (Aspirin ®).
CO2H
O
O
Abb. 127
Mit Hilfe der Hammett-Beziehung kann ausgerechnet werden, wie die Verseifungs(Hydrolyse-)-geschwindigkeit des Esters durch Substituenten beeinflusst wird. Verfahren, bei
denen, wie in diesem Fall, quantifizierbare strukturelle Variationen an einem Molekül
quantifizierbare Effekte bewirken, heißt Quantitative Structure-Activity-Relation (QSAR).
86
3. Beispiel:
Als drittes Beispiel betrachten wir die Bromierung von Toluol (Toluen). Es sind drei verschiedene
Produkte möglich: ortho-, meta- und para-Brom-Toluol (was einem 1,2- 1,3- bzw. 1,4disubstituenten Benzolring entspricht):
Br2
Br
+
+
Br
Br
Abb. 128
Die Reaktionskonstante  für die Bromierung beträgt –12.1. Dieser Wert wird mit der
Substituenten-Konstante σ der –CH3-Gruppe multipliziert, da deren Einfluss auf die Bromierung
untersucht werden soll. Nachteilig dabei ist, dass σ nicht für die ortho-Position bestimmt werden
kann.
meta-Position
para-Position
 (Bromierung) = 12,1
σ (CH3) = –0.066
σ (CH3) = –0.311
σ = 0.798
σ = 3.76
Tab. 20
Aus den Ergebnissen kann abgeleitet werden, dass die Bromierung in meta-Stellung zur
Methylgruppe nur etwas schneller ist als ohne die –CH3-Gruppe, während die Bromierung in paraStellung wesentlich schneller ist. Aus dem Verhältnis der Reaktionsgeschwindigkeiten kann das
Verhältnis der Reaktionsprodukte vorhergesagt werden. Für die Bromierung von Toluol beträgt
dieses Verhältnis 1:1000 für meta- zu para-Substitution. Dieses Ergebnis muss noch durch einen
Versuch überprüft werden.
Da uns die entsprechenden Zahlenwerte für die Bromierung nicht zur Verfügung standen, wollen
wir die Isomerenverhältnisse der Nitrierung von Toluol betrachten:
87
NO2
HNO3
+
+
NO2
NO2
65 %
5%
30 %
Abb. 129
Für die Bromierung sind die Anteile von ortho- und para-Substitution ähnlicher als für die
Nitrierung, der Anteil der meta-Substitution ist geringer.
4. Beispiel:
CH3I
+
AlCl3
+
Abb. 130
meta-Position
para-Position
 (Alkylierung) = –2,4
σ (CH3) = –0,066
σ (CH3) = –0,311
σ = 1,4
σ = 5,5
Tab. 21
Als viertes Beispiel betrachten wir eine einfache Friedel/Crafts-Alkylierung. Das Verhältnis von
meta- zu para-Substitutionsprodukt ist bei dieser Reaktion also nur etwa 1 : 4, d h. der Einfluss
des ersten Substituenten ist weniger stark als bei einer Bromierung. Die experimentellen
Ausbeuten stimmen gut mit diesem berechneten Wert überein:
ortho: 49 %
meta: 11 %
para: 40 %
Das Ergebnis unserer Berechnungen kann auch mit mechanistischen Betrachtungen erklärt
werden. Besonders wichtig sind dabei die Grenzstrukturen der σ-Komplexe, die beim Angriff des
Broms an verschiedenen Stellen des aromatischen Rings entstehen.
88
1. Ortho-Substitution
H
H
Br2
H
Br
Br
Br
Br
2. Meta-Substitution
Br2
H
Br
H
H
Br
Br
Br
3. Para-Substitution
Br2
Br
Br
Br
H
H
Br
H
Abb. 131
Energetisch besonders günstig ist, wenn sich die positive Ladung in direkter Nachbarstellung zur
Methylgruppe befinden kann, weil dann durch den induktiven Einfluss der Methylgruppe
(+I-Effekt) ein Teil dieser positiven Ladung im Ring ausgeglichen werden kann.
Bei ortho- und para-Substitution ist das möglich, während bei meta-Substitution die positive
Ladung in keiner der Grenzstrukturen durch die Methylgruppe ausgeglichen werden kann. Deshalb
ist eine Substitution in ortho- und para-Stellung zur Methylgruppe günstiger als in meta-Stellung,
die Methylgruppe dirigiert in ortho / para-Stellung. Dies gilt für alle Gruppen mit negativem σWert (diese stehen in Tabelle 18 oberhalb von Wasserstoff).
Im Praktikum wird die Nitrierung von Toluol durchgeführt:
HNO3
2 H2SO4
NO2
+
NO2
Abb. 132
89
Es entsteht eine Mischung aus ortho- und para-substituierten Isomeren. Wenn der Angriff auf
ortho- und para-Positon gleich wäre, müsste das Verhältnis 2:1 betragen, da es zwei
ortho-Positionen, aber nur eine para-Stellung gibt. Tatsächlich wird ein Verhältnis von etwa 1:1
gefunden. Die Substitution in ortho-Stellung zur Methylgruppe ist nämlich ungünstiger, weil die
CH3-Gruppe eine gewisse Raumerfüllung hat und so die ortho-Positionen besser abschirmt.
Befindet sich statt der Methylgruppe eine elektronenziehende Gruppe wie die Nitrogruppe
(M-Effekt) am aromatischen Ring, ist es ungünstig, wenn sich in direkter Nachbarschaft zu ihr
die positive Ladung befindet.
1. Ortho-Substitution
NO2
NO2
NO2
H
Br
Br
Br2
NO2
H
H
Br
Br
2. Meta-Substitution
NO2
NO2
NO2
NO2
Br2
H
Br
H
H
Br
Br
Br
3. Para-Substitution
NO2
NO2
NO2
NO2
Br2
Br
Br
Br
H
H
Br
H
Abb. 133
Da sich bei der meta-Substitution die positive Ladung nicht direkt neben der Nitrogruppe befindet,
findet nur eine meta-Substitution des Nitrobenzols statt. Weil aber die Elektronendichte des
aromatischen Rings insgesamt verringert ist, verläuft die Substitution viel langsamer als bei
Aromaten, die elektronenspendende Substituenten tragen. Eine Reaktion, bei der ein anderes
Produkt entsteht als durch die Hammett-Beziehung vorausgesagt wird, ist die Umsetzung von
90
Benzol mit tert-Butylchlorid unter AlCl3-Katalyse (Friedel/Crafts-Alkylierung). Da Alkylgruppen
ortho/para-dirigierend sind, erwarten wir also Produkte mit entsprechendem Substitutionsmuster.
Tatsächlich findet man die doppelt meta-substituerte Verbindung als einziges Produkt. Bei dieser
Reaktion ist nach der ersten Substitution durch eine tert-Butylgruppe der Angriff in einer orthoPosition nicht möglich, da die tert-Butylgruppe besonders Raum erfüllend ist. Die HammettBeziehung sagt ein Verhältnis von meta- zu para-Substitution von 1:4 voraus. Das metaSubstitutionsprodukt kann weiterreagieren. Das so entstehende Produkt ist besonders günstig, da
es sehr symmetrisch ist. Da die Friedel/Crafts-Alkylierung eine Gleichgewichtsreaktion ist, wird
das Verhältnis von meta- zu para-substituiertem Produkt immer wieder eingestellt, indem die
entstandene para-substituierte Verbindung zurück zu tert-Butyl-Benzol reagiert und dann 1,3-Di(tert-butyl)-benzol entsteht, das dann natürlich wieder weiterreagiert.
ortho
Cl
meta
AlCl3
para
Abb. 134
10.3.10.
Herstellung von 1,3,5-Tri(tert-butyl)-benzol
In einer geeigneten Reaktionsapparatur werden trockenes Benzol und frisch destilliertes
tert-Butylchchlorid vorgelegt. Nach Abkühlen der Mischung auf 0 oC wird vorsichtig wasserfreies
AlCl3 portionsweise zugegeben. Nach einigen Minuten ist die Reaktion abgeschlossen.
Anschließend beginnt die Aufarbeitung der Reaktionsmischung, bei der zunächst das
Aluminiumsalz von dem Produkt abgetrennt wird. Dies erfolgt in unserem Beispiel durch eine
91
einfache 2-Phasen-Extraktion mit Ether/Wasser. Bei dem entstandenen Produkt handelt es sich um
1,3,5-Tri-tert-butylbenzol, das mit einer Ausbeute von etwa 70 % gebildet wird.
C(CH3)3
3 (H3C)3CCl
AlCl3
+
(H3C)3C
3 HCl
C(CH3)3
Abb. 135
10.4. Halogenierte Aromaten
10.4.1. DDT
Eine der bekanntesten Verbindungen dieser Klasse ist 1,1-p,p´-Dichlor-diphenyl-2,2,2trichlorethan (DDT). Sie wird hergestellt aus Chloral-Hydrat und Chlorbenzol. (Chloral-Hydrat
entsteht aus der Anlagerung von Wasser an Chloral).
CCl3
Cl
CO2H
Cl
Cl
DDT
Cl
Diphenylessigsäure
Abb. 136
Da die Substitution an dem Aromaten sowohl in ortho- als auch in para-Stellung stattfinden kann,
entstehen bei dieser Reaktion Isomerengemische. DDT ist relativ wenig toxisch, die tödliche Dosis
für den Menschen beträgt 10g (zum Vergleich bei Nicotin: 40mg, Koffein: 1 g), es wirkt auf das
zentrale Nervensystem.
Tatsächlich sind nur wenige Todesfälle durch DDT bekannt und auch diese wurden wahrscheinlich
durch das Lösungsmittel, nicht durch DDT selbst verursacht. Es konnte durch DDT kein erhöhtes
Krebsrisiko festgestellt werden (bei Arbeiten in entsprechenden Fabriken) und auch bei längerer,
erhöhter Gabe (2 Jahre) traten keine akuten Erkrankungen auf. Daher wurde es anfangs für ein
besonders gutes Insektizid gehalten. Problematisch an DDT ist aber, dass diese Verbindung sehr
stabil (persistent) ist und deshalb nur langsam abgebaut werden kann. Der Umbau zu
Diphenylessigsäure durch Reaktion mit Hydroxid-Radikalen kann im Körper nur von wenigen
Enzymen durchgeführt werden. Erst dann kann es über den Urin ausgeschieden werden. Außerdem
ist DDT nur wenig in Wasser, dagegen aber sehr gut in organischen Lösungsmitteln (z.B. CH2Cl2,
Toluol) und in Fetten und Ölen löslich. Da nur wasserlösliche Verbindungen gut aus dem
92
Organismus ausgeschieden werden können, bewirken diese beiden Eigenschaften zusammen eine
Anreicherung von DDT im Fettgewebe. 1967 wurde beobachtet, dass die Eier von Greifvögeln
(Habicht, Falke, Adler, Bussard, Kondor, Eule etc.) brüchiger wurden. Durch den Abbau von DDT
wird im Körper das Cytochrom-System aktiviert. Dadurch wird der Steroid-Stoffwechsel
beeinflusst, der wiederum für den Calcium-Stoffwechsel wichtig ist.
H
CCl3
H
H2O
HO
O
OH
Chloral
H
+ H
CCl3
HO
Chloral-Hydrat
H
- H2O
OH
CCl3
CCl3
Ph-Cl
HO
Cl3C
Cl
H
OH
+ H
- H2O
CCl3
Ph-Cl
Cl
Cl3C
Cl
Cl
H
DDT
Abb. 137
Als Ersatz für DDT wird z.T. noch Lindan (Hexachlor-Hexan) eingesetzt.
Cl
Cl
Cl
Cl
Cl
Cl
Cl
Cl
Cl
Cl
Cl
Cl
Abb. 138
Wie wir wissen, ist der Cyclohexanring nicht eben, sondern gewellt, deshalb stellt die oben
gezeigte Formel viele verschiedene Isomere dar, die sich in der Stellung der Chloratome
zueinander unterscheiden. Da nur ein bestimmtes dieser Isomeren zur Konzentrationsbestimmung
verwendet wird, ist die gemessene Konzentration an Lindan geringer als die tatsächliche,
entsprechend ist die Nachweisgrenze (d. h. minimal nachweisbare Menge) höher.
93
10.4.2. PCB
PCB steht für polychlorierte Biphenyle:
Cl
Cl
PCB
Abb. 139
Die Formel stellt 209 Isomere dar, da jeder der beiden Ringe ein bis fünf Chloratome in
unterschiedlichen Substitutionsmustern enthalten kann. PCBs sind sehr schwer brennbar und
chemisch innert. Sie werden in der Kunststoffindustrie als Weichmacher und als Kühlflüssigkeit
in Transformatoren eingesetzt. Bei ihrer Vernichtung müssen sie bei Temperaturen über 1200 oC
verbrannt werden, um eine vollständige Verbrennung zu CO2, H2O, HCl zu erzielen (HCl muss
anschließend natürlich aus dem Verbrennungsgas entfernt werden). Bei niedrigeren Temperaturen
können andere chlorierte Kohlenwasserstoffe entstehen z.B. auch 2,3,7,8-Tetrachlor-dibenzo-pdioxin (TCDD), kurz Dioxin, das durch das Unglück von Seveso bekannt geworden ist.
O
Cl
O
Cl
O
Cl
O
Cl
1,4-Dioxin
TCDD
Abb. 140
TCDD ist für Meerschweinchen sehr giftig: LD50= 0,06 µg/kg (LD50: Dosis, bei der die Hälfte der
Tiere stirbt; Angabe der Dosis in µg der Substanz pro kg Körpergewicht). Diese Toxizität liegt in
der Größenordnung von Diphtherie- und Botulinustoxinen. Wahrscheinlich ist TCDD aber für
Menschen weniger giftig als für Meerschweinchen. Außer bei der Verbrennung von PCBs entsteht
TCDD auch bei der Herstellung von 2,4,5 T (2,4,5-Trichlorphenol) und 2,4 D
(2,4-Dichlorphenol, einem Herbizidgrundkörper. Bei der Vernichtung der Phenole können in der
Hitze zwei Ringe miteinander zu Dioxinen reagieren.
94
Cl
OH
Cl
OH
Cl
O
Cl
Cl
Cl
Cl
Cl
O
Cl
2,4D
2,4,5T
TCDD
Abb. 141
10.4.3. Weitere Beispiele
Pentachlorphenol (PCP) wurde als Desinfektionsmittel und zum Imprägnieren von Holz
eingesetzt. Auch bei seiner Verbrennung können Dioxine entstehen.
OH
Cl
O
Cl
NH
Cl
S
Cl
O
O
Cl
PCP
Saccharin
Abb. 142
Saccharin wird seit etwa 80 Jahren als Süßstoff eingesetzt. Es ist so stabil, dass es meist
unverändert wieder ausgeschieden wird.
10.5. Nukleophile aromatische Substitution
1902 setzte Meisenheimer den Methylether der Pikrinsäure mit Natrium-Methanolat um. Bei
dieser Reaktion entsteht ein Niederschlag. Die Struktur dieses sog. Meisenheimer-Komplexes
wurde erst nach 1950 aufgeklärt.
OCH3
O2N
NO2
NaOCH3
H3CO
O2N
OCH3
NO2
Na
NO2
NO2
Meisenheimer Komplex
Abb. 143
Normalerweise ist ein Aromat sehr elektronenreich und reagiert deshalb mit Verbindungen, die
einen Elektronenunterschuss haben. Bei der Meisenheimer-Reaktion reagiert der Aromat aber mit
95
einem Nukleophil (OCH3). Diese nukleophile, aromatische Substitution kann nur geschehen, wenn
der Aromat durch entsprechende Substituenten (hier: drei Nitrogruppen) sehr elektronenarm ist.
Diese Reaktion wollen wir anhand der Reaktion von 2-Chlor-1,3,5-trinitrobenzol betrachten.
Zuerst reagiert das Nukleophil mit dem Aromaten zum Meisenheimer-Komplex und dann durch
Substitution zum Produkt:
Cl
O2N
Cl
NO2
NaOCH3
OCH3
OCH3
NO2
O2N
O2N
Na
NO2
NO2
- NaCl
NO2
NO2
Meisenheimer Komplex
Abb. 144
Fred Sanger wandte 1954 dieses Prinzip der Meisenheimer´schen Chemie auf die PeptidSequenzierung an. 2,4-Dinitroflorbenzol (DFB) reagiert in der eben besprochenen Weise mit
Nukleophilen. Bei der Sequenzierung von Peptiden wirkt die freie Aminogruppe des Peptides als
Nukleophil.
O2N
F
+
H2N
Peptid
- HF
NO2
O2N
N
H
Peptid
NO2
Abb. 145
Bei der Reaktion wird HF abgespalten. Die entstehende Verbindung des Peptides ist durch die
Nitrogruppen gelb gefärbt. Nun werden die Peptidbindungen mit 6M Salzsäure hydrolysiert,
d.h. die Amidbindungen werden gespalten. Da nur die erste Aminosäure eine freie Aminofunktion
besitzt kann nur sie mit DFB reagieren. Zum Vergleich werden die entsprechenden Derivate von
allen 20 natürlich vorkommenden Aminosäuren hergestellt (durch Reaktion der einzelnen
Aminosäuren mit DFB). Da sich die Vergleichssubstanzen durch die verschiedenen Reste R
unterscheiden, haben sie verschiedene Laufgeschwindigkeiten bei einer Dünnschichtchromatographie (siehe nachfolgenden Versuch zur Dünnschichtchromatographie). Allein durch
seine Laufgeschwindigkeit kann nun das aus dem Peptid gewonnene Derivat zugeordnet und so
die erste Aminosäure bestimmt werden. Um die gesamte Sequenz eines Peptides zu bestimmen,
müssen verschiedene Bruchstücke dieses Peptides hergestellt werden. Da diese enzymatischen und
96
chemischen Methoden zT. sequenzspezifisch sind (d. h. nur nach oder zwischen bestimmten
Aminosäuren spalten) und zusätzlich manchmal auch DFB-Derivate von Dimeren getrennt und
zugeordnet werden können, kann durch Ordnen der erhaltenen Bruchstücke die gesamte Sequenz
bestimmt werden. Sanger sequenzierte so Insulin mit 54 Aminosäuren.
H
R
H
R
O
N
O2N
N
H
N
O2N
H
6N HCl
Peptid
CO2H
NO2
H
+
NO2
H2N
Peptid
Abb. 146
10.6. Dünnschichtchromatographie
Versuch: Eine Glasplatte ist mit einer dünnen Schicht Kieselgel bedeckt. Darauf werden
konzentrierte Lösungen von verschiedenen Farbstoffen mit Hilfe einer dünnen Kapillare als kleine
Flecken aufgetragen. Nun wird ein Glasgefäß mit Lösungsmittel gefüllt (hier: Aceton, die Wahl
richtet sich nach den Substanzen, die auf das Kieselgel aufgetragen werden), die Glasplatte wird
in das Gefäß gestellt und dieses abgedeckt. Die Lösungsmittelfront wandert langsam nach oben.
Je nachdem, ob die Farbstoffe besser in der flüssigen Phase (Aceton) gelöst oder an der festen
Phase (Kieselgel) gebunden werden, wandern die Flecken dieser Farbstoffe mehr oder weniger gut
mit dem Lösungsmittel nach oben. Die Laufgeschwindigkeit wird als Verhältnis der Laufstrecke
der jeweiligen Substanz zur Laufstrecke der Lösungsmittelfront angegeben. Dieser Retentionswert
(kurz: Rf-Wert = retention factor) ist charakteristisch für eine Verbindung in einem gegebenen
Laufmittel und kann zu ihrer Identifizierung benutzt werden.
Abb. 147
97
10.7. Detonation von Pikrinsäure
Versuch: Eine kleine in einer Glasampulle eingeschweißte Menge Pikrinsäure wird über einem
Gasbrenner erhitzt. Nach kurzer Zeit explodiert die Ampulle mit sehr lautem Knall, ihre Splitter
sind in einem Umkreis von mehreren Metern verstreut.
OH
O2N
NO2
NO2
Pikrinsäure
Abb. 148
Die Explosion wird durch einen schnellen Übergang des dichten Feststoffes in gasförmige
Substanzen ausgelöst, die sich dann rasch ausdehnen. Dieses wird durch die bei der Reaktion
freiwerdende Wärme unterstützt.
2 C6H3N3O7
CO2
+
11CO
+
H2O
+
2 H2
+
3 N2
Explosionstemperatur: 320°C
Explosionswärme: 1000 kcal / mol
Pikrinsäure ist ein Phenol. Der Wasserstoff der Hydroxylgruppe kann in Wasser als Proton
abgespalten werden. Das dabei entstehende H3O+-Ion kann mit Indikatorpapier nachgewiesen
werden.
O
OH
+
H2O
+
Phenol
H3O
Phenolat
Abb. 149
Wie aus der anorganischen Chemie bekannt, kann die Dissoziationskonstante Ka durch die
folgende Gleichung beschrieben werden:
Ka = [Phenolat] [H3O+] / [Phenol]
pKa = − log[Ka]
98
Substanz
pKa-Wert
Phenol
9.9
para-Nitrophenol
7.14
Pikrinsäure
1.02
Tab. 22
Vergleicht man die pKa-Werte dieser Verbindungen, dann erkennt man den Einfluss der
Nitrogruppen am Benzolring. Durch ihren elektronenziehenden Einfluss wird die πElektronenwolke aus dem Ring herausgezogen. Je mehr Nitrogruppen sich also am Ring befinden,
desto günstiger wird die negative Ladung des Phenolats. Da Pikrinsäure so sauer ist, wirkt sie sehr
korrosiv. Deshalb wird heute meist TNT verwendet, obwohl es etwas weniger wirksam ist
(Explosionswärme: 950 kcal/mol).
11. Carbonylverbindungen
11.1. Allgemeines
11.1.1. Struktur
Carbonylverbindungen besitzen als Strukturmerkmal eine C-O-Doppelbindung. Diese besteht wie
die C-C-Doppelbindung der Alkene aus einer σ-Bindung und einer π-Bindung, das
Kohlenstoffatom ist auch hier sp2-hybridisiert.
O
Alken
Carbonylverbindung
MO-Modell
Abb. 150
Da Sauerstoff elektronegativer als Kohlenstoff ist, zieht er einen Teil der Elektronen der
Doppelbindung zu sich, die Elektronenverteilung ist also unsymmetrisch. Dies kann mit Hilfe des
Valence-Bond-Modells (VB-Modell) ausgedrückt werden, indem eine mesomere Grenzstruktur
gezeichnet wird, die diesen Zustand übertrieben darstellt; alternativ dazu können die
Partialladungen, die mit einem δ gekennzeichnet werden, an das Kohlenstoff- und das
Sauerstoffatom geschrieben werden:


O
Abb. 151
99
Da das Kohlenstoffatom eine positive Teilladung besitzt, können hier Nukleophile angreifen, das
negativ polarisierte Sauerstoffatom reagiert dagegen mit Elektrophilen.
11.1.2. Klassen von Carbonylverbindungen
Je nachdem, welche Reste sich an dem Carbonylkohlenstoffatom befinden, werden die
Carbonylverbindungen in verschiedene Klassen eingeteilt. Alle können durch die gemeinsame
Schreibweise dargestellt werden.
O
R
R´
R
R´
Klassenname
Beispiel
H
C
Aldehyd
Acetaldehyd
C
C
Keton
Aceton
C
OH
Carbonsäure
Essigsäure
C
OC
Carbonsäureester
Essigsäureethylester
H,C
NR2
Carbonsäureamid
Acetamid
C
Halogen
Carbonsäurehalogenid
Acetylchlorid
C
SH
Thiocarbonsäure
Thioessigsäure
Tab. 23
11.2. Addition von Nukleophilen
11.2.1. Addition von Wasser
Bei dieser Reaktion wird ein so genanntes Hydrat gebildet, d. h. eine Verbindung, die kovalentgebundenes Wasser enthält.
O
H2O
OH
OH
Abb. 152
Diese Reaktion sieht zwar einfach aus, aber wir können an ihr die Grundlagen der Reaktion von
Nukleophilen mit Carbonylverbindungen lernen. Diese Reaktion ist eine Gleichgewichtsreaktion.
Je nach Carbonylverbindung liegt das Gleichgewicht mehr auf der einen oder der anderen Seite.
Liegt es auf der Seite des Hydrates, kann dieses einfach isoliert und identifiziert werden. Liegt das
Gleichgewicht dagegen auf der anderen Seite der Carbonylverbindung, müssen besondere
Methoden angewandt werden, um die intermediäre Bildung des Hydrates nachzuweisen. Dazu
wird Isotopenmarkierung benutzt. Dabei wird der Versuch mit Wasser durchgeführt, das ein
100
anderes Sauerstoffisotop als das normalerweise vorkommende Isotop
16
O enthält. Das nun
entstehende Hydrat enthält 2 Sauerstoffatome mit verschiedenen Massen.
Bei der Rückreaktion zur Carbonylverbindung werden sie mit gleicher Wahrscheinlichkeit
abgespalten, etwa die Hälfte der Carbonylmoleküle enthält also nach einer gewissen Zeit ein
schweres Sauerstoffatom. Durch Massenspektroskopie können beide Molekülsorten nach ihrem
Molekulargewicht getrennt und ihr Verhältnis zueinander bestimmt werden. Diese Methode der
Isotopenmarkierung ist auch wichtig bei der Aufklärung von Reaktionsmechanismen von
Enzymen.
O
O18H
H2O18
O18
OH
- H2O
Abb. 153
Nun wollen wir den Mechanismus dieser Hydratbildung betrachten: Das Wasser lagert sich als
Nukleophil an das positiv polarisierte Carbonyl-Kohlenstoffatom an.
O
O
O
H
OH
OH2
H
OH
Abb. 154
Für das entstehende Zwischenprodukt ist der Zustand der Protonierung besonders wichtig, der
Reaktionsmechanismus hängt also sehr stark vom pH-Wert der Lösung ab. Da die Reaktion nur
durch die Anzahl der vorhandenen Protonen beeinflusst wird, wird von einer allgemeinen
Säure/Base-Katalyse gesprochen. Ist dagegen die Art der Säure oder Base wichtig, handelt es sich
um eine spezielle Katalyse.
11.2.2. Säurekatalyse
Säuren können allgemein so dargestellt werden:
HA
H
101
+
A
Die Säure dissoziiert in ein Proton und das Anion A- der Säure. Das Proton kann sich an das negativ
polarisierte Sauerstoffatom der Carbonylverbindung anlagern.
Dadurch werden noch mehr Elektronen aus der Doppelbindung abgezogen und so die Polarisation
noch verstärkt. Auch hier hat der Übergangszustand eine sehr kurze Lebensdauer und wird sehr
schnell durchschritten.
H
O
H
O
OH
+H
-H
OH
OH2
OH
H
Abb. 155
Die sonst sehr langsame Wasseranlagerung wird durch Säuren stark beschleunigt, da die
Protonenübergabe erleichtert wird. Die Esterhydrolyse durch Enzyme läuft analog ab. Sie ist 105
bis 106mal schneller als in Wasser, da die Anordnung im Zentrum des Enzyms optimal ist, um den
Übergangszustand zu bilden.
11.2.3. Basenkatalyse
Die Base greift an dem Wassermolekül an und erleichtert so die Abspaltung eines Protons. Die
Base macht also aus dem Wasser ein gutes Nukleophil vom Typ OH. Außerdem tritt bei der
Basenkatalyse die sehr ungünstige positive Ladung am Sauerstoffatom im Übergangszustand nicht
auf. Bei der Wahl der Base muss darauf geachtet werden, dass sie bevorzugt mit dem Wasser
reagiert und nicht am Carbonyl-Kohlenstoffatom angreift. Auch durch die Basenkatalyse wird die
Reaktion erheblich beschleunigt.
B
O
O
H
O
- BH
+ H2O
OH
OH
OH
H
Abb. 156
Das Proton, das im letzten Schritt angelagert wird, stammt z.B. aus dem Wasser. Die Säurekatalyse
beruht also auf einer Aktivierung der Carbonylgruppe, während die Basenkatalyse auf einer
Aktivierung des Wassers beruht.
102
11.2.4. Stabilität des Produktes
Lage des Gleichgewichts bei einigen Carbonylverbindungen:
Verbindung
Hydrat
Formaldehyd
H2CO
99.99%
Acetaldehyd
CH3CHO
58%
Aceton
(CH3)2CO
0%
Chloral
Cl3CCHO
100%
Benzaldehyd
PhCHO
gering
Tab. 24
„0% Hydrat“ bei Aceton bedeutet, dass zwar der Austausch mit Wasser durch Isotopenmarkierung,
aber kein Produkt nachgewiesen werden kann. Durch die oben angegebenen Zahlen wird die Regel
von Erlenmeyer bestätigt.
Regel von Erlenmeyer: Je mehr elektronegative Substitutenten sich an einem C-Atom befinden,
desto instabiler ist diese Verbindung.
Bildlich kann man sich das z.B. für Chloral so vorstellen: der Substituent CCl3 zieht die Elektronen
stark vom Carbonylkohlenstoff ab. Dieser Elektronenmangel kann teilweise durch die OH-Gruppe
ausgeglichen werden. Aceton ist dagegen nur von elektronenschiebenden Gruppen umgeben, eine
Hydratbildung ist also ungünstig. Wir können die Regel von Erlenmeyer noch einmal anders
formulieren: Elektronenakzeptoren als Substituenten an einer Carbonylgruppe führen dazu, dass
die Hydratbildung beschleunigt wird. Auch bei Cyclobutanon liegt das Gleichgewicht zu 100 %
auf der Seite des Hydrates.
+ H2O
- H 2O
O
OH
OH
Abb. 157
Am Modell kann gezeigt werden, dass der Vierring durch die planare Carbonylgruppe mit
Bindungswinkeln von 120o sehr gespannt und fast planar ist. Im tetraedrischen Hydrat ist der Ring
wesentlich weniger gespannt und die Kohlenstoffatome des Rings können ihre „normale“
tetraedrische Konformation einnehmen. Dies ist energetisch so günstig, dass die ungünstige
elektronische Situation des Hydrates ausgeglichen wird.
103
11.2.5. Formaldehyd
Formaldehyd ist der Aldehyd der Ameisensäure, die im Englischen formic acid heißt (daher der
Name). Der IUPAC-Name ist Methanal (typische Endung für Aldehyde: -al) Formaldehyd kann
in sehr geringen Mengen nachgewiesen werden. Hier einige Luft-Konzentrationen:
Konzentration (ppm)
Charakterisierung
0.0005 – 0.002
„saubere Luft“
0.004 – 0.05
Stadtluft
bis 0.8
Räume mit Spanplatten
0.2 – 0.8
stechender Geruch
2–3
leichte Reizerscheinungen
4–5
starke Reizerscheinungen
ruft bei Ratten und Mäusen, die über 2 Jahre
dieser Dosis ausgesetzt werden,
6 – 15
Nasenkarzinome hervor
Tab. 25
In der Anatomie wird eine 8%ige Formalin-Lösung verwendet. Formaldehyd liegt zwar in der
wässrigen Lösung zu 99.99% als Hydrat vor, aber die sehr geringen Mengen der freien Form
können in die Gasphase übertreten.
11.3. Addition von Alkoholen
Während die Bildung von Hydraten chemisch relativ uninteressant ist, da sie in eine „Sackgasse“
führt, wird die Addition von Alkoholen häufiger durchgeführt. Wie bei der Wasseranlagerung ist
eine Katalyse nötig, meist wird Säurekatalyse angewandt. Wir wollen in diesem Beispiel
p-Toluolsulfonsäure verwenden, da sie auch im Praktikum benutzt wird. Besonders günstig an
dieser starken Säure ist, dass sie sich gut in organischen Lösemitteln löst. Zunächst wird ein
Molekül Ethanol angelagert. Nach einer Reaktion, die wir analog schon von der Wasseranlagerung
kennen, bildet sich ein Halbacetal. Halbacetale und –ketale (die analogen Verbindungen der
Ketone) kommen häufig in der Natur vor, so liegen Glukose und Ribose natürlich als Halbacetale
vor. In einem zweiten Schritt wird nun die Hydroxygruppe des Halbacetals protoniert, dann tritt
eine Dissoziation in ein Molekül Wasser und ein Carbeniumion ein. Dieses hat eine gewisse
Lebensdauer, da die positive Ladung durch die freien Elektronenpaare des Sauerstoffs zum Teil
ausgeglichen werden kann. An das Carbeniumion lagert sich dann ein zweites Ethanolmolekül an.
Das Produkt heißt Acetal (bzw. Ketal).
104
Eine Acetalisierung (Ketalisierung) tritt nur dann ein, wenn zwei Äquivalente Alkohol vorhanden
sind.
H
HO
O
O
O
H
H
H
H
O
-H
+H
O
H
H
Halbacetal
+H
-H
HO
H
+ H2O
O
O
H
H
+
-
H
O
O
- H2O
H
O
H
H
H
O
O
H
Acetal
Abb. 158
Da die OH-Gruppe des Halbacetals durch Protonierung in eine Abgangsgruppe verwandelt werden
muss, ist hier nur eine saure Katalyse möglich. Weil die Umwandlung vom Halbacetal in das
Acetal eine Gleichgewichtsreaktion ist, kann die Lage dieses Gleichgewichts durch Entfernen des
Wassers aus dem System auf die Seite des Acetals verschoben werden. Umgekehrt bildet sich bei
Zugabe von Wasser bevorzugt das Halbacetal. Es gibt prinzipiell zwei Möglichkeiten, Wasser aus
einem System zu entfernen:
1. Möglichkeit:
Zugabe eines Trockenmittels (z.B. CaCl2 oder PCl5), das eine hohe Affinität zu Wasser hat und
dieses bindet.
2. Möglichkeit:
Es wird ein Lösungsmittel verwendet, das mit Wasser ein Azeotrop bildet (azeotrope Destillation).
Beim
Sieden
verdampft
ein
Wasser-Lösungsmittelgemisch.
Zwischen
Vorlage
und
Rückflusskühler wird ein Wasserabscheider befestigt, in dem sich das kondensierte,
zurücklaufende Gemisch in zwei Phasen trennt. Die schwerere wässrige Phase kann unten mit
einem Hahn abgelassen werden, die leichtere organische Phase läuft in den Kolben zurück.
105
Da im Acetal das Kohlenstoffatom weniger stark polarisiert ist, reagiert es nicht so gut mit
Nukleophilen wie die Carbonylverbindung. Deshalb kann eine Carbonylgruppe in ein Acetal
überführt werden, um sie bei einer Reaktion mit einem Nukleophil an einer anderen Stelle des
Moleküls zu schützen. Anschließend kann die Carbonylgruppe wieder regeneriert werden. Das
Acetal dient als eine Schutzgruppe für die Carbonylgruppe.
Die Reaktionen von Aldehyden mit Alkoholen zu Halbacetalen bzw. Acetalen laufen auch mit
Ketonen ab. Hierbei bilden sich die analogen Halbketale bzw. Ketale aus. In Gegenwart von
wässrigen Säuren ist die beschriebene Reaktion reversibel. Die Umwandlung eines Ketons über
sein Halbketal in ein Ketal verläuft entsprechend den Reaktionen bei Aldehyden. Die
Ketalisierung kann genau wie die Acetalisierung zum Schutz von Aldehyden bzw. Ketonen bei
chemischen Reaktionen verwendet werden. Dazu werden häufig vicinale Diole wie Ethylenglycol
eingesetzt. Bei dieser Reaktion bilden sich dann cyclische Acetale bzw. Ketale aus, die am Ende
einer Reaktion leicht mit etwas Säure hydrolysiert werden können.
11.3.1. Reaktion von Cyclohexanon mit Ethylenglykol
In einer Reaktionsapparatur mit Wasserabscheider wird Ethylenglykol und p-Toluolsulfonsäure in
Benzol vorgelegt. Die Lösung wird anschließend so lange erhitzt, bis sich kein zusätzliches Wasser
im Messkopf des Wasserabscheiders nachweisen lässt. Die Mischung sollte an diesem Punkt also
wasserfrei geworden sein. Nach Zugabe von Cyclohexanon wird weiter erhitzt, bis sich ebenfalls
kein zusätzliches Wasser mehr azeotrop abscheiden lässt. Nach Beendigung der Reaktion kann
mit der Produktaufarbeitung (z.B. Destillation) begonnen werden.
O
p-Toluolsulfonsäure
+
Cxclohexanon
HO
OH
O
+
Benzol
H2O
O
Cyclohexanomethylenacetal
(1,4-dioxaspiro[4.5]decan)
Ethylenglykol
Abb. 159
11.3.2. Kohlenhydrate
Allgemeines
Kohlenhydrate haben ihren Namen bekommen, weil sie nur die Elemente Kohlenstoff,
Wasserstoff und Sauerstoff (zusammen: Wasser, deshalb „Hydrat“) enthalten. Ein besonders
bekanntes Kohlenhydrat ist die Glucose.
106
Es handelt sich um einen Zucker mit sechs Kohlenstoffatomen, d. h. eine Hexose, mit der
Summenformel C6H12O6
.
Sie besitzt vier asymmetrische C-Atome, es gibt also 24 = 16
Stereoisomere von ihr.
CHO
H
HO
OH
OH
H
H
OH
H
OH
OH
R
OH
R
OH
S
H
R
O
OH
CH2OH
Abb. 160
Die hier gezeichnete Formel stellt die D-Glucose dar, da die OH-Gruppe am untersten
asymmetrischen C-Atom (C-Atom Nr. 5), nach rechts zeigt. Damit D/L richtig bestimmt werden
kann, muss der Zucker in der Fischer-Projektion gezeichnet werden (wie oben). Dabei zeigt das
am höchsten oxidierte C-Atom nach oben („nach Norden“), dieses ist hier das C-Atom, das die
Aldehyd-Funktion trägt. Die längste Kette wird in Nord-Süd-Richtung geschrieben. Die
Substituenten in Ost/West-Richtung zeigen dann nach vorne. Mit der Nummerierung der Kette
wird am obersten C-Atom begonnen. Tatsächlich liegt Glucose in wässriger Lösung nur zu einem
sehr geringen Anteil in offenkettiger Form, sondern hauptsächlich als Ring vor. Das weiss man
z.B. aus der Röntgenstruktur des Kristalls.
OH
O
HO
HO
OH
OH
Abb. 161
Die hier gezeichnete -D-Glucose, bei der alle Substituenten des Sechsrings äquatorial stehen, ist
die stabilste Form der Glucose. Der Ring ist recht flach und kann deshalb gut gestapelt werden.
Die Sechsring-Form der Glucose wird auch als Glucopyranose bezeichnet, da ihre Struktur von
Pyran abgeleitet werden kann. Zucker, die einen Fünfring bilden heißen auch Furanosen, weil sie
von Furan abgeleitet werden können.
107
O
O
Pyran
Furan
Abb. 162
Wie wird aus der offenkettigen Form der Ring erhalten? Wir erkennen das Strukturmerkmal des
Halbacetals als Bestandteil des Rings.
O
H
HO
H
H
H
1
2
3
4
5
OH
H
OH
OH
6 CH OH
2
Abb. 163
Es wird gebildet durch den Angriff der OH-Gruppe des C-Atoms Nr. 5 (die hier die AlkoholKomponente darstellt) an der Aldehydfunktion. Da die Carbonylfunktion planar ist, kann dieser
Angriff von oben oder unten stattfinden; die Kette der C-Atome ist lang genug, um die dafür
nötigen Bewegungen zu ermöglichen. Durch diese beiden Möglichkeiten ergeben sich zwei
Stellungen der OH-Gruppe am C-Atom Nr. 1: steht die Hydroxyfunktion, die aus dem Aldehyd
gebildet wurde äquatorial, so ist die -Form der D-Glukose entstanden, steht sie dagegen axial, ist
die -Form entstanden.
In der folgenden Zeichnung ist die Halbacetalfunktion markiert.
OH
OH
O
HO
HO
O
HO
OH
HO
OH
OH
OH
-D-Glukose
-D-Glukose
Abb. 164
Obwohl die Sesselschreibweise die vollständigste Art ist, den Zuckerring darzustellen, gibt es noch
andere Möglichkeiten.
108
HO
H
HO
H
H
OH
OH
H
OH
H
H
O
HO
H
OH
O
H
OH
H
H
CH2OH
CH2OH
-D-Glukose
-D-Glukose
Abb. 165: Formeln von Tollens
Bei dieser Art der Zeichnung kann der Zusammenhang mit den offenkettigen Formeln gut erkannt
werden. Es muss aber unbedingt beachtet werden, dass die absichtlich rund gezeichneten Linien
zum Ring-Sauerstoffatom keine Kohlenstoffatome enthalten! Hier wird die tatsächliche Struktur
der Glukose am schlechtesten wiedergeben.
Bei der zweiten Darstellungsvariante (siehe unten) wird der Ring flach gezeichnet, dadurch kann
die Stellung der Substituenten zueinander besser erkannt werden. Mit den Formeln von Haworth
kann die Entstehung der - und -Form der Glucose gut dargestellt werden:
HO
HO
OH
O
OH
OH
O
OH
OH
OH
OH
OH
-D-Glukose
-D-Glukose
Abb. 166: Formeln von Haworth (1930)
HO
HO
OH
OH
H
OH
O
OH
-D-Glukose
OH
H
O
OH
OH
OH
-Form: Angriff der
OH-Gruppe on unten
-Form: Angriff der
OH-Gruppe von oben
Abb. 167
109
-D-Glukose
Schließlich hat sich in den letzten Jahren noch die "Mills"-Schreibweise etabliert, bei der sowohl
die absolute Konfiguration an den einzelnen C-Atomen als auch die relative Position der
Substituenten zueinander besonders übersichtlich zu erkennen ist.
HO-CH2
O
HO
OH
HO-CH2
OH
HO
OH
O
OH
OH
OH
-D-Glucose
-D-Glucose
Abb. 168
-D-Glucose
–D-Glucose
Schmelzpunkt
146o
150o
Drehwert D
+112o
+18,7o
Tab. 26
Da Enatiomere immer den gleichen Betrag des Drehwertes nur mit unterschiedlichen Vorzeichen
haben, können - und -D-Glukose keine Enantiomeren sein. Sie unterscheiden sich nur durch
die Konfiguration an einem asymmetrischen Kohlenstoffatom, nämlich am C-Atom Nr. 1, sie sind
Epimere. Das Enantiomere der D-Glukose ist die L-Glukose. Wird der Drehwert einer Lösung
von -D-Glukose oder -D-Glukose in Abhängigkeit der Zeit beobachtet, so wird festgestellt, dass
dieser sich bei beiden Lösungen verändert und schließlich bei den beiden denselben Wert annimmt
(D= +52,50). Dieses Phänomen heißt Mutarotation.
Abb. 169
110
Aus dem Drehwert kann abgeleitet werden, dass die entstehende Mischung 64% - und 36%
-D-Glukose enthält. Die Umwandlung von  in -D-Glukose kann nicht durch ein „Umklappen“
des Sechsrings geschehen, da dabei die relative Stellung der OH-Gruppen zueinander nicht
verändert wird. Die Umwandlung muss über die offenkettige Form stattfinden, die zu 0,02% in
wässriger Lösung vorliegt.
Warum reagiert bei der Bildung des Halbacetals nur die Hydroxyfunktion am C-Atom Nr. 5, d.h.
warum entsteht nur ein sechsgliedriger Ring? Da dieselbe Frage auch bei vielen Reaktionen
wichtig ist, bei denen Ringe entstehen, die nur aus C-Atomen aufgebaut sind, stellte Adolf von
Bayer bereits 1880 die sog. Spannungstheorie auf. Dazu berechnete er die Winkel für verschiedene
Ringgrößen unter der Annahme, dass die Ringe eben sind.
Ringgröße
Winkel
3
4
5
6
7
60o
90o
108o
120o
128,5o
Tab. 27
Diese Winkel verglich Bayer nun mit dem Tetraederwinkel (109o). Damit müsste die Spannung
im Fünfring also am geringsten sein. Da die Ringe (außer dem Dreiring) aber nicht wirklich eben
sondern gewellt sind, gibt die sog. Bayerspannung, die durch Deformation des Tetraederwinkels
entsteht, allein den tatsächlichen Sachverhalt nicht ganz richtig wieder. K. Pitzer betrachtete die
Stellung der Substituenten am Ring (normalerweise H) zueinander. Im Vierring stehen sie
ekliptisch, während sie im Sechsring die optimale gestaffelte Konformation einnehmen können.
Die Pitzerspannung entsteht also dadurch, dass die Substituenten ekliptisch zueinander stehen.
Abb. 170
Im Sechsring ist keiner der Tetraederwinkel deformiert und alle Wasserstoffatome stehen auf
Lücke (gestaffelt). Ein Fünfring dagegen hat die Form eines Briefumschlages, die H-Atome stehen
dann nicht in der optimalen gestaffelten Anordnung. Auch an den Verbrennungsenergien der
entsprechenden Cycloalkane erkennt man, dass die Verbindung mit dem Sechsring den geringsten
Energieeinhalt hat.
111
Ringgröße
Verbrennungsenergie
Pro CH2-Gruppe
Energiedifferenz
3
2092.7 kJ/mol
697.6
115.4
4
2745.7 kJ/mol
686.4
109.3
5
3322.3 kJ/mol
664.5
26.8
6
3954.3 kJ/mol
659.1
0
7
4639.8 kJ/mol
662.8
26.1
Tab. 28
Die letzte Spalte gibt an, um wie viel die entsprechende Verbindung energiereicher ist, als eine
theoretische Verbindung, die nur aus spannungsfreien CH2-Einheiten des Sechsrings aufgebaut ist.
Bei Drei- und Vierringen liefert die Bayerspannung den wesentlichen Anteil zum Energieeinhalt,
beim Fünf- und Siebenring ist die Stellung der Substituenten zueinander ungünstig. Die
energetisch ungünstigen Ringgrößen können nur mit Reaktionen hergestellt werden, bei denen nur
diese eine Ringgröße entstehen kann. Gibt es mehrere Möglichkeiten, entsteht die energetisch
günstigste Ringgröße – deshalb entsteht bei der Glucose meist nur der energiearme Sechsring. In
der Natur kommen häufig Glycoside vor. Dieses sind keine Halbacetale wie die cyclische Form
der
Glucose,
sondern
Acetale,
da
die
Hydroxygruppe
am
C-Atom Nr. 1 durch eine Alkoxygruppe ersetzt ist. Wie alle anderen Acetale ist das Glycosid stabil
gegen Basen, aber labil gegen Säuren. An der OH-Gruppe des C-Atoms Nr. 1 findet auch z.B. bei
Zellulose oder Stärke die Verknüpfung zum nächsten Zuckerring statt.
OH
O
O
HO
OH
HO
O
O
O
OH
OH
Abb. 171: Ausschnitt aus einer Zellulosekette
11.4. Umsetzung von Cyclohexanon mit Hydroxylamin-Hydrochlorid
O
N
[NH3OH]+ ClNa - Acetat
( Base )
Abb. 172
112
OH
Bei dieser Reaktion ist das Säure/Base-Gleichgewicht besonders wichtig, es muss genügend Base
vorhanden sein, damit das Stickstoffatom durch Abgabe eines Protons ein freies Elektronenpaar
besitzt und dann als Nukleophil das Keton angreifen kann.
O
HO H2N
O
HO HN
OH
HONH2
Abb. 173
Die zunächst entstehende doppelt geladene Verbindung ist sehr ungünstig, deshalb werden die
Protonen gleich wieder umverteilt.
Aber auch die so entstehende Verbindung ist nicht stabil, nach Protonierung durch eine Säure
spaltet sie Wasser ab, Cyclohexanonoxim wird erhalten.
H
HO HN
OH
HO
N
N
OH2
120°
- H2O
+H
OH
Abb. 174
Wie aus der Zeichnung ersichtlich ist, ist das Oxim gewinkelt, der Winkel am N-Atom beträgt
120o.
Trägt der Ring noch einen Substituenten, gibt es zwei verschiedene Stellungen der OH-Gruppe
zum Rest. Die beiden Isomere werden wie die Alkene nach der E/Z-Nomenklatur benannt.
N
OH
OH
N
R
R
E
Z
Abb. 175
Da bei einem Reaktionsschritt (zur Deprotonierung des Stickstoffatoms im Edukt) Base, in einem
anderen aber Säure (zur Protonierung der Hydroxygruppe des Zwischenproduktes) nötig ist, ist
die Reaktionsgeschwindigkeit vom pH-Wert der Lösung abhängig.
113
Wird die Reaktionsgeschwindigkeit gegen den pH-Wert aufgetragen, sieht man, dass es einen
optimalen pH-Wert gibt, ist die Lösung saurer oder basischer, wird die Reaktion langsamer.
Abb. 176
Die Kurve heißt nach ihrer Form Glockenkurve. Eine ähnliche Kurve wird häufig für Reaktionen
erhalten, bei denen sowohl Base als auch Säure benötigt wird. Hier ist das pH-Optimum etwas ins
Saure verschoben, da die Protonierung etwas schwieriger als die Deprotonierung ist. Eine
Glockenkurve wird auch für enzymatische Reaktionen erhalten. Hier liegt das Optimum in der
Nähe des physiologischen pH-Wertes; meist ist das der Neutralpunkt, aber z.B.
Verdauungsenzyme wie Trypsin arbeiten bei einem pH-Wert von 1-2 am besten, dies entspricht
dem pH-Wert des Magens.
Ähnlich verlaufen die Reaktionen von Ketonen mit anderen Stickstoffnukleophilen. Wird statt
Hydroxylamin ein gewöhnliches Amin eingesetzt, wird als Produkt ein Imin erhalten, mit
Hydrazin erhält man ein Hydrazon.
O
+
H2N-R
Imin
N
R
O
+
H2N-NH2
Hydrazon
N
NH2
Abb. 177
114
11.5. Haloform-Reaktion
11.5.1. Umsetzung von Aceton mit Iod
Versuch: Drei Flaschen werden mit einer Lösung von Iod in Aceton gefüllt. Zu dieser braunen
Lösung wird entweder Wasser, Natronlauge oder Phosphorsäure gegeben. Die Iodlösung mit dem
Wasser entfärbt sich nicht, Säure führt zu einer langsamen Entfärbung. Die Lösung mit dem
Natronlaugezusatz entfärbt sich dagegen schnell. Die entstehende farblose Flüssigkeit ist durch
fein verteilten Feststoff leicht getrübt. Da die braune Farbe der Lösung durch Iod hervorgerufen
wird, zeigt eine Entfärbung, dass Iod abreagiert hat. Hier findet die Reaktion an der Methylgruppe
statt.
O
O
I2 NaOH
Na
O
+
CHI 3
Abb. 178
Es entstehen Natriumacetat und Iodoform, das als Feststoff anfällt und so die Trübung der Lösung
hervorruft. Analog zu dieser "Iodoformreaktion" verläuft auch die Umsetzung von Aceton und
ähnlichen Methylketonen mit Brom oder Chlor unter dem allgemeinen Namen "HaloformReaktion".
11.5.2. Keto-Enol-Gleichgewicht
Befindet sich ein Wasserstoffatom an dem zur Carbonylgruppe benachbarten "α"-C-Atom, kann
sich ein Gleichgewicht zwischen Keto- und Enol-Form einstellen.
O
OH
Enol-Form
Keto-Form
Abb. 179
Tatsächlich findet die Reaktion bei Aceton kaum statt. Dies stimmt mit unserer Beobachtung
überein, denn falls eine Doppelbindung vorhanden wäre, müsste sich sofort Jod addieren. Wir
haben gesehen, dass sich die neutrale Lösung nicht entfärbt. Je nach Carbonylverbindung liegt das
Gleichgewicht mehr oder weniger stark auf der Seite des Enols:
115
Substanz
Aceton
Cyclohexanon
2,4-Pentandion
Acetessigester
% Enol
0.0002
0.02
80
7.5
Tab. 29
Für den besonders hohen Anteil der Enol-Form im Gleichgewicht bei 1,3-Dicarbonylverbindungen gibt es mehrere Gründe:

O
H

O
O
H
O
O
H
O
Abb. 180
 Durch den induktiven Effekt der Carbonylgruppen werden Elektronen aus der Doppelbindung
abgezogen und die Polarisation der Carbonylgruppe so ausgeglichen.
 C-C- und C-O-Doppelbindung sind konjugiert zueinander, das bedeutet eine Stabilisierung
durch den mesomeren Effekt.
 Durch eine Wasserstoffbrückenbindung von der Hydroxy- zur Carbonylgruppe entsteht ein
sechsgliedriger Ring, dieser ist besonders günstig.
Bei den 1,3-Dicarbonylverbindungen ist der Anteil an Enol so hoch, dass mit Iod in neutraler
Lösung sofort Entfärbung eintritt. Bei z.B. Aceton ist die Base nötig, um die Abspaltung des
Protons vom -C-Atom (dem der Carbonylgruppe benachbarten C-Atom) zu erleichtern. Dabei
entsteht das Anion des Enols, das sog. Enolat. Das Enolat reagiert sehr schnell mit Iod. Der
Mechanismus entspricht der Reaktion von Iod als Elektrophil mit einer Doppelbindung. Beim
Enolat wird die Elektronendichte der Doppelbindung durch die freien Elektronenpaare des
Sauerstoffatoms erhöht, so dass die Reaktion noch schneller ist.
O
H
O
O
OH
I
- H2O
I
-I
I
Abb. 181
Insgesamt wird also ein Wasserstoffatom am -C-Atom der Carbonylgruppe gegen ein Iodatom
ausgetauscht. Da dieses Iodatom elektronegativer als das H-Atom ist, wird durch den Austausch
die Bildung des Enolats beschleunigt, da π-Elektronen aus der Doppelbindung abgezogen werden
können. Die Reaktion findet also ein zweites Mal statt, dabei entsteht Diiodaceton.
116
O
H
+ NaOH
+ I2
O
I
+ NaOH
+ I2
- H2O
- NaI
+ NaOH
+ I2
O
- H2O
- NaI
I
I
O
I
- H2O
- NaI
H
I
I
Abb. 182
Durch die zwei Iodatome wird die Bildung des Enolats nochmals beschleunigt, es entsteht
Triiodaceton. Bei einem nukleophilen Angriff eines Hydroxidions am stark positiv polarisierten
C-Atom der Carbonylgruppe kann nun CI3- als Abgangsgruppe abgespalten werden, da die
negative Ladung durch den induktiven Einfluss der drei Iodatome ausgeglichen werden kann. Da
die entstehende Essigsäure viel saurer als CHI3 ist, findet nun noch eine Umprotonierung statt.
Iodoform (HCI3) fällt als gelber, kristalliner Niederschlag aus.
OH
O
HO
O
O
I
I
H
I
I
O
+ CHI3
I
Abb. 183
Insgesamt erfolgt die Iodoformreaktion also nach dieser Summenformel:
H3CCOCH3 + 3 I 2 + 4 NaOH
H3CCO2 Na
+ CHI3 +
3 H2O + 3 NaI
Der langsamste Reaktionsschritt ist die erste Enolatbildung. Die folgenden Enolatbindungen sind
schneller, da sie durch den induktiven Einfluss der Iodatome beschleunigt werden. Alle
Verbindungen, die eine Acetylgruppe (CH3CO) enthalten, können auf diese Weise mit Iod und
Natronlauge reagieren. Deshalb kann die Bildung von Iodoform (das nach seiner Isolierung durch
Farbe und Schmelzpunkt identifiziert werden kann) in der organischen Analyse zum Nachweis
einer Acetylgruppe in einer unbekannten Verbindung benutzt werden.
11.6. Aldol-Reaktion
Wichtiger als Reaktionen, bei denen Verbindungen abgebaut werden (wie z.B. bei der
Iodoformreaktion) sind Reaktionen, bei denen neue C-C-Bindungen geknüpft werden. Ketone und
Aldehyde sind dabei häufig Ausgangsverbindungen. Auch bei der Aldol-Reaktion wird zunächst
eine Carbonylverbindung durch die Einwirkung von Base in ihr Enolat überführt:
117
O
O
NaOH
H
H
Na
H
- H2O
Abb. 184
Im Gleichgewicht ist sowohl Enolat als auch Ketoform vorhanden. Das -C-Atom des Enolats ist
durch den „Elektronenschub“ des negativ geladenen Sauerstoffatoms negativ polarisiert. Es kann
von hier aus ein nukleophiler Angriff auf das positiv polarisierte Carbonyl-C-Atom eines noch
nicht
enolisierten
Acetaldehydmoleküls
stattfinden.
Auch
diese
Reaktion
ist
eine
Gleichgewichtsreaktion.
O
O
O
Na
H
O
Na
H
H
Abb. 185
Das negativ geladene Sauerstoffatom des Produktes wird schließlich durch das vorhandene Wasser
protoniert. Da das so entstandene Produkt (systematischer Name: 3-Hydroxybutanal) eine
Aldehyd- und eine Alkohol-Funktion enthält, heisst die Reaktion Aldol-Reaktion.
Wie alle Produkte einer Aldol-Reaktion besitzt 3-Hydroxybutanal in 1,3-Stellung (-Stellung) zur
Carbonylgruppe
eine
Hydroxyfunktion,
gehört
also
zur
Klasse
der
-Hydroxy-
Carbonylverbindungen. Das angegriffene Carbonyl-C-Atom geht bei der Reaktion von der
vorher planaren Geometrie in einen Tetraeder über. In unserem Beispiel bildet dieses
Kohlenstoffatom ein asymmetrisches Zentrum. Weil die Carbonylgruppe planar ist, kann der
Angriff des Enolats von oben und von unten mit gleicher Wahrscheinlichkeit erfolgen, deshalb
entstehen die beiden Enantiomeren des Produktes in gleichem Ausmaß (Racemat).
O HO
O
H
H
H
OH
H
Abb. 186
In vielen Arbeiten wird versucht, eine Seite des Carbonyls „zuzubauen“, um so den Angriff aus
einer Richtung zu erschweren und als Produkt nur eines der Enantiomeren zu erhalten. Die oben
gezeigte -Hydroxy-Carbonyl-Verbindung ist meist nicht das Endprodukt der Reaktion. Bei
höherer Temperatur kann die Hydroxygruppe (unter Säure- oder Basenkatalyse) leicht eliminiert
118
werden, es entsteht dann eine ,-ungesättigte Carbonylverbindung. Wenn also nach dem
Additionsschritt, der Aldol-Addition, noch Wasser aus dem Molekül abgespalten wird, bezeichnet
man die gesamte Reaktionsfolge als Aldol-Kondensation.
O HO
H
O
H
- H2O
H
Abb. 187
Bei unserem Beispiel entsteht so But-2-enal. Die Eliminierung von Wasser geschieht bei
-Hydroxyverbindungen deshalb so einfach, weil im Produkt die π-Systeme der beiden
Doppelbindungen miteinander wechselwirken können: Die Bindungslänge der C-C-Bindung
zwischen den Doppelbindungen ist kürzer ist als eine „normale“ C-C-Einfachbindung, also ein
Teil der π-Elektronen ist delokalisiert. Man sagt, die beiden Doppelbindungen sind „konjugiert“,
dadurch ist das Produkt, die ,-ungesättigte Carbonylverbindung, energetisch besonders günstig.
Dieser günstige energetische Aspekt bildet die Triebkraft der Reaktion. Dazu kommt, dass das
Proton in -Stellung zur Carbonylgruppe durch den Elektronenzug der Carbonylgruppe leichter
abspaltbar, d. h. acider ist.
Durch die Addition einer CH-aciden Verbindung an eine Carbonylgruppe können ausgehend von
einfachen kleinen Verbindungen großen Moleküle aufgebaut werden. Dieses Prinzip der AldolReaktion wird auch im Stoffwechsel häufiger angewendet.
11.7. Esterkondensation
Auch Ester bilden alkylierbare bzw. acylierbare Enolate. Die Acidität eines -Wasserstoffatoms
ist bei Estern groß genug, um beim Behandeln mit starker Base bei niedrigen Temperaturen zur
Bildung von Ester-Enolaten zu führen. Ester-Enolate reagieren wie die Enolate von Ketonen.
Der pKa von Estern ist um fünf Einheiten größer als der von Aldehyden und Ketonen. EsterEnolate sind also basischer als die Enolate von Ketonen. Sie zeigen daher die typischen
Nebenreaktionen starker Basen: E2 Prozesse (insbesondere bei sekundären, tertiären und
verzweigten Halogeniden) und Deprotonierungen. Ester-Enolate greifen nicht nur die
Carbonylgruppe von Aldehyden und Ketonen, sondern auch die von Estern an. Bei dieser
Umsetzung, die als Claisen-Kondensation (Ludwig Claisen, 1851 – 1930; Professor an der
Universität Berlin) bekannt ist, reagiert das Enolat-Ion über einen Additions-EliminierungsMechanismus mit der Esterfunktion, wobei ein 3-Ketoester entsteht. Das Enolat muss nicht in
stöchiometrischen Konzentrationen vorliegen, es genügt, wie bei der Aldolkondensation, eine
119
Gleichgewichtskonzentration.Sowohl das Alkoxid wie der Ester sollten sich von demselben
Alkohol ableiten, um zu verhindern, dass Nebenprodukte durch Umesterung entstehen.
Na OC2H5
EtOH
O
O
O
+
O
- EtOH
O
O
O
75 %
Ethyl-3-oxobutanoat
Abb. 188
11.7.1. Mechanismus der Claisen-Kondensation
Die Claisen-Kondensation ist das Ester-Analogon der Aldolkondensation. Sie ist eine
Gleichgewichtsreaktion, die auf der Stufe der Bildung des 3-Ketoesters endotherm ist.
Das Gleichgewicht wird durch irreversible Überführung des 3-Ketoesters in das entsprechende
Enolat-Ion auf die Seite der Produkte verschoben. Dieser letzte Schritt ist energetisch begünstigt,
da die Acidität des Protons, das von den beiden Carbonylgruppen umgeben ist, durch
Resonanzstabilisierung des Anions stark erhöht ist (pK  11). Bei der Claisen-Kondensation
isoliert man den freien Ketoester daher erst bei der anschließenden sauren Aufarbeitung. Hierdurch
ergibt sich, dass 3-Ketoester und -Dicarbonylverbindungen ganz allgemein wichtige
Zwischenstufen bei Synthesen sind.
Exkurs: Die Chemie der Ester ist stark von der Carbonylfunktion geprägt. Mit wässriger Säure
oder Base hydrolysieren sie zu den entsprechenden Carbonsäuren oder Carboxylaten, mit
Alkoholen erfolgt eine Umesterung, mit Aminen reagieren sie bei erhöhten Temperaturen zu
Amiden. Erhitzt man Ester auf über 300 oC, pyrolysieren sie (Esterpyrolyse) in einem
konzertierten Eliminierungsprozess zu Alkenen und Carbonsäuren.
120
1. Schritt: Bildung des Ester-Enolats
O
O
Na OEt
Na
O
+ EtOH
H
H2C
OEt
OEt
H2C
OEt
2. Schritt: Nucleophile Addition
Na
O
Na
O
+
H2C
OEt
O
O
OEt
EtO
OEt
3. Schritt: Eliminierung
Na
O
O
O
O
EtO
+ Na OEt
OEt
OEt
3-Ketoester
(-Ketoester)
4. Schritt: Deprotonierung
Na
O
O
O
OEt
O
O
O
O
O
Na OEt
C
H
pK ~ 11 sauer
OEt
OEt
OEt
+ EtOH
5. Schritt: Protonierung bei der Aufarbeitung
O
O
O
O
H , H2O
C
H
OEt
OEt
Abb. 189
11.7.2. Reaktionen mit Acetessigester
Ludwig Knorr führte 1883 die folgende Reaktion von Acetessigester mit Phenylhydrazin durch.
Phenylhydrazin ist ein Stickstoffnukleophil, das mit seinem freien Elektronenpaar die
Carbonylfunktion angreifen kann, ähnlich wie wir es in 12.2. für die Reaktion von Hydroxylamin
mit Cylohexanon gesehen haben. Acetessigester besitzt zwei Carbonylgruppen, aber nur eine
121
reagiert leicht mit dem Hydrazin, da das C-Atom der zweiten durch den elektronenschiebenden
Einfluss der C2H5O-Gruppe weniger stark positiv polarisiert ist.
Ph
O
Et
O
O
Ph
H2N NH
O
- H2O
Et
Ph
NH
N
N
- EtOH
O
N
O
Abb. 190
Als Produkt dieser Wasserabspaltung wird ein Hydrazon erhalten. Dieses Hydrazon reagiert nun
weiter, indem das freie Elektronenpaar des Stickstoffs die noch vorhandene Carbonylgruppe des
Esters angreift, ein Fünfring wird erhalten, und schließlich wird Ethanolat aus dem Molekül
abgespalten. Die so hergestellte Verbindung heißt Antipyrin und gehört zur Klasse der
Pyrazolone. Die Gruppe hat ihren Namen nach dem Fünfring mit zwei Stickstoffatomen
(Pyrazol) und der Carbonylgruppe (-on), die als Strukturmerkmal vorhanden sind.
Pyrazol gehört zur Gruppe der Heterocyclen, einer Verbindungsklasse, die innerhalb ihres
Ringsystems andere Atome als Kohlenstoff besitzen. Die häufigsten dieser Heteroatome sind
Stickstoff, Sauerstoff und Schwefel. 80% aller pharmazeutischen Wirkstoffe enthalten
Heterocyclen. Pyrazolone wirken fiebersenkend und werden auch als Antirheumatika eingesetzt.
Stoffe dieses Typs sind z.B. in Pyramidon (nicht mehr im Handel) und Novalgin (gegen
Schmerzen) enthalten.
N
N
N
N
N
O
N
Pyramidon
CH2SO3 Na
O
Novalgin
Abb. 191
Durch die Sulfonsäuregruppe liegt Novalgin als Natrium-Salz vor, was die Wasserlöslichkeit
steigert und so die Bioverfügbarkeit und das Wirkprofil des Moleküls günstig beeinflussen.
122
11.8. Michael-Addition
Dieser Reaktionstyp ist von besonderer, präparativer Bedeutung. Bei den Edukten sind viele
Variationen möglich, aber immer wird eine „CH-acide Verbindung“ – d. h. eine Verbindung, der
durch eine (starke) Base ein Proton entzogen werden kann, und die auch Michael-Donor genannt
wird – an eine vinyloge, also eine , -ungesättigte Carbonylverbindung (Michael-Akzeptor)
addiert. In unserem Beispiel wird eine 1,3-Dicarbonyl-Verbindung als Michael-Donor eingesetzt.
Sie wird zunächst in das Enolat-Ion überführt, das sich dann als Elektronenpaar-„Spender“ (lat.
Donor) an den Akzeptor addiert. Alle Teilschritte sind Gleichgewichtsreaktionen, bei günstigen
Reaktionsbedingungen kann die Rückreaktion aber vernachlässigt werden.
O
Na
O
O
O
NaOEt
O
O
O
OEt
OEt
OEt
O
Abb. 192
O
O
O
NaOEt
O
Na
O
NaOEt
O
O
O
O
H
-
O
Na
H2O
O
Grundgerüst der Steroide (Gonan oder Steran)
Abb. 193
123
Na
Eine Kombination von Michael-Addition und intramolekularer Aldolkondensation heißt
Robinson-Annelierung und ist zum Aufbau cyclischer Verbindungen (vorallem von 5- und
6-Ringen) sehr wichtig.
Das auf diese Weise entstandene bicyclische System ist ein Bestandteil des Kohlenstoffgerüstes
der Steroide, einer Verbindungsklasse, zu der zahlreiche biochemisch sehr interessante Naturstoffe
gehören (z.B. Cholesterin, Gallensäure, Sexualhormone usw.).
11.9. Carbonyl-Reaktionen an Carbonsäure-Derivaten
11.9.1. Mechanismus
Durch einen nukleophilen Angriff eines Alkohol-Moleküls am positiv polarisierten C-Atom der
Carbonylgruppe einer Carbonsäure entsteht ein tetraedrischer Übergangszustand. Durch
Wasserabspaltung reagiert dieser zum Carbonsäureester weiter. Da die Veresterung eine
Gleichgewichtsreaktion ist, kann durch Reaktion des Esters mit Wasser die umgekehrte Reaktion,
die Verseifung, eintreten.
O
O
Veresterung
OH
+
CH3OH
+
OCH3
Verseifung
H2O
Abb. 194
Bei der Veresterung findet zunächst eine Addition des Alkohols an die Carbonylgruppe und dann
eine Eliminierung von Wasser statt.
O
+ CH3OH
O
O
OH
O
OH
H
-H2O
OCH3
CH3
Abb. 195
Die Veresterung wird durch Säure erheblich beschleunigt. Wie bei der Hydratbildung handelt es
sich hier um eine allgemeine Säurekatalyse (siehe 10.2.1). Auch hier wird durch Protonierung der
Carbonylgruppe der Elektronenzug auf das Carbonyl-C-Atom verstärkt.
124
11.9.2. Synthese von Essigsäure-1-butylester
Versuch: 0.3 mol Eisessig (konz. Essigsäure) und 0.25 mol 1-Butanol werden mit
p-Toluolsulfonsäure in Benzol am Rückflusskühler mit Wasserabscheider zum Sieden erhitzt.
Wenn die berechnete Menge Wasser (0.25 mol = 4,5 ml) durch diese azeotrope Destillation
abgetrennt ist, wird (nach dem Abkühlen) mit Wasser und Natriumcarbonat-Lösung (zum
Neutralisieren der überschüssigen Säure) ausgeschüttelt. Durch Destillation erhält man den Ester.
SO3H
O
O
OH
Benzol
+
OH
O
+
H2O
Abb. 196
Die hier verwendete Methode (Säure und Alkohol in Gegenwart von Säure als Katalysator
miteinander umzusetzen) heißt Fischer-Veresterung.
11.9.3. Verseifung
Dieser Begriff ist historisch begründet, da die alkalische Hydrolyse (Kochen mit konzentrierter
Natronlauge) von Fetten die als Seife verwendeten Natrium-Salze der Fettsäuren ergibt. Viele der
in der Natur vorkommenden Fette bestehen aus langkettigen Carbonsäuren (Fettsäuren), die mit
Glycerin verestert sind.
O
O O
O O
O
Abb. 197
Im hier gezeigten Beispiel sind häufig vorkommende Fettsäuren mit Glycerin verestert. Von oben
nach unten: Palmitinsäure (gesättigte Kette von 16-C-Atomen). Stearinsäure (gesättigte Kette von
18-C-Atomen) und Ölsäure (18-C Atome mit einer Doppelbindung zwischen den C-Atomen 9 und
10, sie hat cis-Konfiguration, wie alle Doppelbindungen in natürlichen Fettsäuren). Da es sehr
ungünstig ist, wenn Wassermoleküle, die ja Dipole sind, in die sehr unpolare Umgebung der
Alkylketten der Fettsäuren kommen, sind Fette nicht in Wasser löslich.
125
O
O
O
O
O
O
OH
R1
O
NaOH
R2
OH
R3
+
Na
O
O
R1
+
Na
O
O
R2
+
Na
O
R3
OH
Abb. 198
Die Ketten richten sich so aus, dass sie nebeneinander liegen. Diese Wechselwirkung der
Alkylketten untereinander, die nur in wässriger (oder allgemein: polarer) Umgebung auftritt, heißt
hydrophobe Wechselwirkung. Bei der Hydrolyse mit Natronlauge greift ein Hydroxidion als
Nukleophil am Carbonyl-C-Atom an, im nächsten Schritt wird die Alkoholgruppe des Glycerins
vom Carbonyl-C-Atom abgespalten. Die technische Seifenherstellung erfolgt folgendermaßen: In
einem offenen Kessel werden Rindertalg bzw. Pflanzenöle mit wenig Wasser und konzentrierter
Alkalilauge gekocht. Das entstehende Glycerin sammelt sich in der Wasserphase, die Seife
schwimmt oben auf. Sie muss nicht extra ausgefällt werden. Um eine bessere Trennung der Phasen
zu erreichen (geschmolzene Seife und Glycerinphase, „Unterlauge“ genannt) wird Kochsalzlösung
zugesetzt („Aussalzen“). Verseifung mit Natronlauge liefert feste Seife („Kernseife“), die zu
Feinseife verarbeitet wird, die Verseifung mit Kalilauge führt zur Schmierseife. Auch
Lithiumhydroxid kann zur Verseifung verwendet werden. Mit Stearin umgesetzt entsteht
Lithiumstearat, das z.B. in der Technik als Schmiermittel eingesetzt wird. Seifen gehören zur
großen Gruppe der Detergenzien oder Tensiden.
O
Na O
hydrophil
hydrophob
H2O
Schmutz
Abb. 199
Allen ist gemeinsam, dass sie auf der einen Seite eine hydrophile Kopfgruppe tragen, die die
Löslichkeit in Wasser vermittelt (bei den Fettsäuren ist das die negativ geladene CarboxylatGruppe), und auf der anderen Seite einen hydrophoben Schwanz (meist eine lange Alkylkette), an
126
den sich fettige (hydrophobe) Schmutzpartikel anlagern können. In wässriger Lösung organisieren
sich die Fettsäuren zu Micellen, wobei sich die unpolaren, hydrophoben Schwänze im Inneren
zusammenlagern ("hydrophobe Wechselwirkung") und die polaren, hydrophilen Köpfe in das
umgebende Wasser hineinragen. Durch die gleichsinnige Ladung stoßen sich die einzelnen
Micellen ionischer Tenside gegenseitig ab, wodurch die im Inneren der Micellen eingeschlossenen
Schmutzpartikel emulgiert und in der Schwebe gehalten werden.
Umgekehrt lagern sich die Moleküle bei Öl-in-Wasser-Emulsionen so zusammen, dass die polaren
Köpfe einen Hohlraum einschließen, der mit Wasser und den Gegenionen (z.B. Na+) gefüllt ist
und die unpolaren Schwänze dicht gepackt in das umgebende Öl ragen.
Öl
H2O
Abb. 200
Eine andere Möglichkeit ist die Bildung einer Doppelschicht, bei der zwei Schichten so angeordnet
sind, dass die Schwänze in das Innere der Doppelschicht, die polaren Köpfe aber nach außen in
das Wasser zeigen. Dies ist die Grundstruktur von allen in der Natur vorkommenden Membranen.
Ihre Entwicklung war bei der Entstehung des Lebens ein besonders wichtiger Schritt, da so eine
Abgrenzung der (Ur-) Zelle von der Umgebung möglich war. Dieser Vorgang heißt
Kompartimentierung. Seifen gehören zur Klasse der anionenaktiven Detergenzien. Es gibt
auch Detergenzien mit positiv geladenen Kopfgruppen, man verwendet hier meist (quartäre)
Ammoniumgruppen. Diese kationenaktiven Substanzen wirken zusätzlich desinfizierend
(bakterizid), da sie mit den Membranen der Mikroorganismen wechselwirken und von ihnen nicht
abgebaut werden können. Bei Neutralseifen vermitteln OH-Gruppen die Wasserlöslichkeit.
11.9.4. Aminolyse von Carbonsäurederivaten
Nach dem gleichen Prinzip wie bei der Veresterung und Esterhydrolyse reagieren Carbonsäuren
und Carbonsäurederivate mit primären und sekundären Aminen unter Addition an die
Carbonylgruppe und nachfolgender Abspaltung der vorhandenen Abgangsgruppe zu
Carbonsäureamiden. Allerdings erhält man bei der Umsetzung von Carbonsäuren mit Aminen
127
zunächst nur die entsprechenden Ammoniumsalze, die erst unter verschärften Bedingungen
(Erhitzen, ggf. unter Druck) in die Amide übergehen. Reaktivere Carbonsäurederivate wie
Carbonsäurechloride, -anhydride und -ester reagieren dagegen oft schon bei Raumtemperatur glatt
zu Amiden.
Versuch: 0.1 Mol Cyanessigsäureethylester werden mit 30 ml konz. Ammoniak-Lösung für
30 min. bei Raumtemperatur gerührt. Das beim Abkühlen des Reaktionsgemischs auf 0 °C
abgeschiedene Reaktionsprodukt wird abfiltriert und aus wenig Ethanol umkristallisiert. Man
erhält so etwa 80 % Cyanacetamid.
O
NC
+
Raumtemp.
NH3
OC2H5
O
NC
30 min
+
C2H5OH
NH2
Abb. 201
Amide sind neutrale, wenig reaktive und daher meist recht stabile Carbonsäurederivate, die z.B.
in Form der Polyamide (Kapitel 14) technisch und insbesondere in Form der Peptide und Proteine
physiologisch von eminenter Bedeutung sind. In den Peptiden und Proteinen sind die Aminosäuren
über Peptidbindungen (= Amidbindungen zwischen Carboxyl- und Aminogruppen benachbarter
Aminosäuren) zu Makromolekülen verknüpft, die im Organismus aufgrund ihrer enormen
strukturellen Vielfalt die unterschiedlichsten Aufgaben erfüllen können.
12. Redoxreaktionen
12.1. Allgemeines
Die Mechanismen der bisher betrachteten Reaktionen können alle durch Addition oder
Eliminierung oder eine Kombination aus beiden (wie z.B. bei der Substitution) erklärt werden. Bei
den Redoxreaktionen ist es wichtig, dass Reduktion und Oxidation immer gleichzeitig auftreten,
d. h. wird die Substanz oxidiert, wird gleichzeitig eine andere reduziert und umgekehrt. Wird eine
Verbindung oxidiert, gibt sie Elektronen ab. Bei einer Reduktion werden Elektronen
aufgenommen.
Oxidationsmittel sind Substanzen, die andere Verbindungen oxidieren, sie selbst werden bei der
Reaktion reduziert, nehmen also Elektronen auf. Umgekehrt reduzieren Reduktionsmittel andere
Verbindungen und werden dabei selbst oxidiert, geben also Elektronen ab.
128
reduzierte Verbindung
oxidierte Verbindung
+
Elektron
In der Organischen Chemie sind vor allem die Reagenzien interessant, mit denen Redoxreaktionen
durchgeführt werden können und weniger die Reaktionsmechanismen der einzelnen Reaktionen.
12.2. Versuch: Tollens-Probe
Die Tollens-Probe ist ein Nachweis für Zucker (den Namen Tollens kennen wir schon von der
entsprechenden Schreibweise für Zucker – siehe 12.1).
Durchführung der Reaktion: Silbernitrat wird in Wasser gelöst und unter Rühren mit
Ammoniak-Lösung versetzt, bis sich der gebildete Niederschlag gerade wieder auflöst.
Nun wird eine Kaliumhydroxidlösung zu gegeben und anschließend wieder Ammoniak, bis sich
der gebildete dunkelbraune bis schwarze Niederschlag wieder aufgelöst hat. Die so hergestellte
Lösung ist etwa eine Stunde haltbar. Wird nun eine Zuckerlösung zugegeben, scheidet sich
innerhalb von 10 bis 30 Minuten Silber ab, wenn reduzierende Zucker enthalten sind.
OH
OH
O
HO
HO
HO
OH
OH
O
HO
Ag+
D-Glucose
Ag0
OH
O
D-Glucono--lacton
Abb. 202
Durch die Silberabscheidung wird das Reagenzglas von innen verspiegelt. Glukose liegt zwar zum
größten Teil in Lösung als Halbacetal vor, aber ein geringer Anteil ist auch in der offenkettigen
Form vorhanden (Aldehydfunktion). Die Aldehydgruppe kann zur Carbonsäure oxidiert werden.
Die Silber(I)-Ionen wirken dabei als Oxidationsmittel, d. h. sie nehmen die Elektronen auf und
werden so zu Silber reduziert, das sich dann auf der Gefäßwand als „Spiegel“ abschneidet. Auch
andere Zucker, die eine Aldehydgruppe tragen, können leicht zur Säure oxidiert werden. Der
ebenfalls häufig angewendete Fehling-Nachweis ist analog zur Tollens-Probe, nur dass hier statt
Silberionen Kupferionen als Oxidationsmittel verwendet werden. Auch hier erhält man eine
charakteristische Färbung.
12.3. Oxidationszahlen
Um die Elektronenbilanz für Redox-Reaktionen von organischen Verbindungen berechnen zu
können (die benötigt werden um die richtige Menge von Reduktions- und Oxidationsmittel
einzusetzen), werden Oxidationszahlen benutzt. Als Bezugssystem für die Oxidationszahlen dient
129
Wasser (H20). Da Wasser nicht geladen ist, muss die Summe der Oxidationszahlen Null sein. Der
elektronegativere Sauerstoff trägt die Oxidationszahl –II, der elektropositive Wasserstoff die Zahl
+I. Diese Oxidationszahlen tragen sie auch in allen anderen organischen Verbindungen. Für jedes
Kohlenstoffatom werden die Oxidationszahlen der Substituenten zusammengezählt und das CAtom bekommt dann die Oxidationszahl, die nötig ist, um die Summe Null zu ergeben. Ein
Kohlenstoffsubstituent wird dabei mit Null gerechnet.
Als Beispiel wollen wir die Oxidationszahlen des Kohlenstoffs in den verschiedenen
Oxidationsstufen des Methans berechnen:
H
H
-IV
C
H
H
H
H
+I
+I
Methan
-II
C
H
O
H +I
0
O
H
-II
C
+I
Methanol
-II
H
+I
-II
O
+II
C
H
O
+I
-II
+IV
C
O
-II
-II
+I
Formaldeyd
O
H
Ameisensäure
Kohlendioxid
Abb. 203
Zwischen zwei Oxidationsstufen liegt also immer ein Zwei-Elektronen-Schritt, d. h. um z.B. vom
Aldehyd zur Säure zu kommen (Oxidation), müssen zwei Elektronen abgegeben werden. Dieses
Prinzip der Oxidationszahlen wollen wir nun auf die Tollens-Probe anwenden. Dabei wird Glucose
(Aldehyd) zur Gluconsäure oxidiert.
+I
+I
H
O
-II
-II
+I
H
O
O
-II
+III
Rest
2 Ag+
2 Ag0
Rest
Abb. 204
Die zwei Elektronen, die bei der Oxidation des C-Atoms Nr. 1 von der Oxidationsstufe +I zur
Stufe +III pro Molekül Glucose abgegeben werden, werden von Silber (I)-Ionen aufgenommen.
Da diese nur jeweils ein Elektron aufnehmen können, werden pro Molekül Glucose zwei
Silberionen reduziert.
13.4. Oxidationen
12.4.1. Oxidation von Toluol zu Benzoesäure
Versuch: Als Oxidationsmittel wird hier Kaliumpermanganat verwendet. Die intensiv violette
Lösung wird während der Reaktion entfärbt, es entsteht ein brauner, schlammiger Niederschlag
von Braunstein (MnO2).
130
CH3
CO2H
KMnO4
Abb. 205
Bei der Oxidation von Toluol zu Benzoesäure werden pro Molekül 6 Elektronen abgegeben. Ein
Molekül MnO4- kann drei Elektronen aufnehmen:
3e
+
4H
+
MnO4
2H2O
+
MnO2
Die Summe dieser beiden Gleichungen ergibt nicht die Reaktionsgleichung, da die Bilanz der
Wasserstoff- und Sauerstoffatome noch nicht ausgeglichen ist. Die vollständige Reaktionsgleichung lautet daher:
CH3
COO
+
+
2 KMnO4
2 MnO2 +
H2O
+
2K
+ OH
Abb. 206
Wie aus der Gleichung hervorgeht, ist die entstehende Benzoesäure in der alkalischen Lösung
zunächst deprotoniert und liegt als Kaliumsalz vor. Durchführung der Reaktion:
Kaliumpermanganat, Wasser und Toluol werden gemischt und erhitzt. Nach Ende der Reaktion
wird Ethanol zugegeben, um überschüssiges KMnO4 zu entfernen, dann wird der ausgefallene
Braunstein heiß abgesaugt. Nach Ansäuern mit Schwefelsäure (sonst wird das Kaliumsalz der
Benzoesäure erhalten) kristallisiert die Benzoesäure aus.
12.4.2. Chromsäure-Oxidation
Im Gegensatz zu den meisten anderen Redoxreaktionen, die in der organischen Chemie
angewendet werden, kann die Oxidation mit Chromsäure mechanistisch erklärt werden. Wir
wollen die Reaktion von Chromsäure mit Isopropanol (systematischer Name: 2-Propanol)
betrachten. Dabei wirkt Chromsäure als Oxidationsmittel, d. h. sie wird bei der Reaktion zu
Chromdioxid reduziert, während Isopropanol zu Aceton oxidiert wird. Da die Chromsäure sehr
instabil ist, wird sie erst im Reaktionsgefäß aus Chromtrioxid und Schwefelsäure hergestellt.
131
O
O
Cr +
H2O
O
H2SO4
HO
O
O
Cr
OH
Abb. 207
Diese Säure, bei der das Metall die Oxidationszahl +VI hat, reagiert mit dem Alkohol unter
Wasserabspaltung zu einem Ester.
H
H
+
H2CrO4
+ H2O
O
O
OH
Cr
OH
O
H
O
O
Cr
O
+
H2CrO3
OH
O
H
Abb. 208
Dieser Ester zerfällt, wenn er durch eine Base angegriffen wird. Diese Base kann z.B.
Hydrogensulfat (HSO4) sein. Bei dieser Reaktion verändert Chrom seine Oxidationszahl von +VI
nach +IV, wird also reduziert. Cr(VI) reagiert über mehrere Stufen vollständig zu Cr(III) ab. Das
C-Atom Nr. 2 des Isopropanols hat die Oxidationszahl 0, die zu +II verändert wird.
12.5. Cannizzaro-Reaktion
Diese Reaktion wurde von S. Cannizzaro 1853 entdeckt. Setzt man Benzaldehyd mit Kalilauge
um, entstehen Kalium-Benzoat (Kaliumsalz der Benzoesäure) und Benzylalkohol im Verhältnis
1:1.
CHO
2
CH2OH
CO2 K
KOH
+
Abb. 209
132
Aus Benzaldehyd mit der Oxidationszahl +I entstehen also durch Oxidation Kaliumbenzoat
(Oxidationszahl +III) und durch Reduktion Benzylalkohol (Oxidationszahl I). Eine solche
Reaktion, bei der die Ausgangsverbindung sowohl oxidiert als auch reduziert wird, so dass die
Gesamtbilanz der Elektronenverschiebungen Null ergibt, heißt Disproportionierung. Zuerst
reagiert das Hydroxidion mit Benzaldehyd. Dabei ist keine Enolisierung möglich, weil
Benzaldehyd am -C-Atom keine Wasserstoffatome trägt, es kann also nur ein nukleophiler
Angriff am Carbonyl-C-Atom erfolgen, wobei das -C-Atom tetraedrische Konformation
einnimmt. Das entstehende Produkt ist ein Hydrat-Analogon.
K
O
H
O
H
OH
O
H
COOH
CH2OH
OH
K
+
+ KCl
HCl
Abb. 210
Von diesem Hydrat-Analogon kann nun eine Hydrid-Übertragung auf ein Benzaldehyd-Molekül
stattfinden. Dabei wird ein Wasserstoffatom mit seinem Bindungselektronenpaar (dieses Teilchen
heißt Hydridion) übertragen. Das Molekül, von dem das Hydridion abgespalten wird, wird
oxidiert; das Molekül, das das Hydridion aufnimmt, wird dagegen reduziert. Im Übergangszustand
bilden die beteiligten Atome einen sechsgliedrigen Ring. In diesem Reaktionsschritt entstehen
Benzoesäure und Benzylalkoholat. Es findet sehr schnell eine Umprotonierung statt, da
Benzylalkohol viel weniger sauer als Benzoesäure ist.
12.6. Reduktionen
12.6.1. Reduktionen mit Hydriden
Die Cannizzaro-Reaktion ist für Synthesen recht uninteressant, da die beiden Produkte immer im
Verhältnis von 1:1 entstehen. Aber das Prinzip der Hydrid-Reduktion wird häufig angewendet.
Mechanistisch ist dabei allerdings noch nicht geklärt, ob das Hydridion tatsächlich als „H-“
übertragen wird, oder ob die Übertragung des Elektronenpaares und des Protons in zwei Schritten
abläuft. Wir wollen aber auf diese Feinheiten nicht eingehen und nur von einer Hydridübertragung
sprechen. Die bekanntesten Reagenzien sind:
NaBH4
Natriumborhydrid
LiAlH4
Lithiumaluminiumhydrid
133
Sie werden eingesetzt, um Carbonylverbindungen zu reduzieren. Dabei sieht der allgemeine
Reaktionsablauf so aus:
H
H
H
H
O
O
HO
Abb. 211
Als Zwischenprodukt entsteht das Natrium- bzw. Lithium-Salz des Alkohols, das dann durch
Ansäuern zum freien Alkohol umgesetzt wird. Wir wollen die Reduktion von Aceton zu
Isopropanol genauer betrachten. Im ersten Schritt wird ein Hydridion auf ein Carbonyl-C-Atom
übertragen und die freigewordene Bindungsstelle am Aluminium durch das entstandene Alkoholat
eingenommen. Dieser Schritt kann viermal stattfinden, bis alle Hydridionen ausgetauscht sind.
4 O
+
Li[AlH4]
H
O
H Li
Al
H
Al
H
Li
H
4 H2O
H
4
O
OH
4
+
Al (OH)4
Li
Abb. 212
Die Aluminiumverbindung bleibt in allen diesen Schritten negativ geladen, das Gegenion ist
jeweils Lithium. Dieses Zwischenprodukt wird mit Säure hydrolisiert. Dabei fallen neben dem
erwünschten Alkohol große Mengen Aluminiumhydroxid-Gallerte an (Vorsicht: LiAlH4 reagiert
explosionsartig mit Wasser, d. h. die Lösungsmittel müssen gründlich getrocknet werden).
Etwas weniger reaktiv als LiAIH4 ist NaBH4, es kann auch in Wasser angewendet werden und
findet daher auch in der Biochemie Verwendung. Das Sehpigment Rhodopsin enthält eine
Carbonylgruppe. Diese reagiert mit der Seitenkette einer Aminosäure (Lysin) des Enzyms zu
einem Imin. Dieses Imin ist nicht so stabil, kann aber wie Carbonyl mit NaBH4 reduziert werden.
Das entstehende Amin kann untersucht werden, und man kann so feststellen, mit welcher
Aminosäure des Enzyms die Reaktion stattfindet.
H
O
Rhodopsin
N
Rhodopsin
H
H
Abb. 213
134
R
NaBH4
H N
Rhodopsin
H
R
12.6.2. Reduktive Dimerisierung (Acyloin-Kondensation)
Aldehyde und Ketone können außer durch Hydride oder katalytische Hydrierung auch durch
Metalle reduziert werden. Der Mechanismus verläuft dabei über einen (Ein-) ElektronenÜbertragungsschritt vom Metall auf die Carbonylgruppe. Zuerst nimmt die Carbonylgruppe unter
Bildung eines Radikal-Anions ein Elektron auf, dann kombinieren zwei solcher Radikal-Anionen
unter Bildung eines Dianions, das bei der wässrigen Aufarbeitung protoniert wird. Bei dieser
Reduktion kommt es also zur Ausbildung einer Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindung zwischen zwei
Carbonyl-Kohlenstoffatomen.
Bei der Umsetzung von Aceton mit Magnesium in Benzol wird nach einer stark exothermen
Reaktion und nach wässriger Aufarbeitung 2,3-Dimethylbutan-2,3-diol (Pinakol) erhalten.
O
Mg0
Mg2+
O
O
2
Mg2+
HCl
Mg2+
O
O
OH
+ MgCl2
OH
Abb. 214
Wird Ester mit metallischem Natrium in Benzol erhitzt, erfolgt eine reduktive Kupplung, bei der–
nach Hydrolyse – das entsprechende -Hydroxyketon (oder „Acyloin“) erhalten wird. Auch hier
entstehen zunächst die dimeren Dianionen, die aber durch Abspaltung der Alkoholatgruppen (gute
Abgangsgruppen!) zum 1,2-Diketon abreagieren, das zwei weitere Elektronen aufnehmen kann.
Hydrolyse liefert anschließend das 1,2-Endiol, das sich in sein stabileres Tautomeres, das Hydroxyketon (Acyloin) umlagert.
Diese sog. Acyloinkondensation findet synthetische Anwendung bei der Cyclisierung langkettiger
Diester H5C2OOC–(CH2)n–COOC2H5 zu makrocyclischen Hydroxyketonen.
135
O
O
2 Na0
2
R
OEt
Na
R
O
R
O
O
O
Et
Na
R
OEt
R
OEt
Et
O
R
O
2 NaOEt
R
O
Na
Na
2 Na0
R
O
R
OH
OH
R
OH
H
R
O
Na
R
O
Na
R
O
Na
R
O
Na
H
R
Abb. 215
13. Umlagerungen
13.1. Allgemeines
Formal können alle Umlagerungsreaktionen folgendermaßen dargestellt werden:
G
A
G
B
A
B
Abb. 216
„G“ steht für die wandernde Gruppe, die vom Zentrum A an das Zentrum B wandert.
Dabei kann sie:
 mit Elektronenpaar wandern (als G–): Die Umlagerung ist dann anionisch
 ohne Elektronenpaar wandern (als G+): Die Umlagerung ist dann kationisch
 mit einem einzelnem Elektron wandern (als G*): Die Umlagerung ist dann radikalisch
Die meisten Umlagerungsreaktionen finden nach einem anionischen Mechanismus statt.
Bei unsymmetrisch substituierten Edukten mit mehreren potentiellen "Wandergruppen" ist
festzustellen, dass zum einen bevorzugt die jeweils zur Abgangsgruppe entgegengesetzt stehende
Gruppe wandert und zum anderen aromatische Reste (z.B. Phenylreste) bevorzugt vor
aliphatischen (Alkylgruppen) wandern.
136
13.1.1. Pinakol - Umlagerung
Beim Erhitzen des (durch reduktive Dimerisierung von Aceton erhältlichen) 2,3-Dimethylbutan2,3-diols (Pinakol, s. vorheriges Kapitel) mit Säure erhält man unter Wasserabspaltung,
Wanderung der benachbarten Methylgruppe (einschließlich des Bindungselektronenpaares) und
abschließende Deprotonierung 3,3-Dimethylbutan-2-on (Pinakolon).
CH3 CH3
H3C
CH3 CH3
H+
CH3
H3C
OH OH
H3C
CH3
CH3
OH O
CH3
HO
H
CH3
H
-
H3C
H+
CH3
CH3
O
CH3
Abb. 217
In ähnlicher Weise wie Pinakol selbst reagieren auch andere bis-tertiäre Diole zu tertiären
Ketonen, so dass man diesen Typ der Umlagerung verallgemeinert als "Pinakol – Umlagerung",
die zugrunde liegenden Diole als "Pinakole" und die gebildeten Ketone als "Pinakolone"
bezeichnet.
13.1.2. Beckmann - Umlagerung
Versuch: Cyclohexanon reagiert mit Hydroxylamin zu Cyclohexanonoxim, dieses lagert sich
unter sauren Bedingungen zu ε-Caprolaktam um.
O
N
[NH3OH] Cl
OH
O
H
HN
Abb. 217
Zunächst wollen wir eine einfache Reaktion betrachten, nämlich die analoge Umlagerung von
Acetonoxim. In Gegenwart von starken Säuren wird zunächst das Sauerstoffatom protoniert. Nach
der anschließenden Abspaltung von Wasser besitzt das Stickstoffatom nur noch 6 statt 8
Elektronen, also energetisch sehr ungünstiges Elektronensextett. Deshalb wandert eine
137
Methylgruppe mit ihrem Elektronenpaar zum Stickstoff, um dessen ungünstige Elektronenlücke
aufzufüllen, wobei ein Carbokation entsteht.
H
N
OH
H
N
O
N
H
- H2O
C
+ H2O
N
O
-H
H
N
C
HO
C
Abb. 218
Die positive Ladung am C-Atom wird durch Anlagerung von Wasser ausgeglichen, es bildet sich
ein Enol-Analogon. Nach Umprotonierung bildet sich daraus Essigsäure-Methylamid
(N-Methylacetamid).
Diese Reaktionsfolge wenden wir nun auf Cyclohexanon-oxim an. Auch hier wird zuerst die
Hydroxygruppe protoniert. Die wandernde Gruppe ist diesmal aber Teil eines Ringes, d.h. bei der
Umlagerung wird der Ring geöffnet und unter Einbeziehung des Stickstoffatoms wieder neu
verknüpft, dabei entsteht ein siebengliedriger Ring. Durch Wasseranlagerung, Deprotonierung und
Umprotonierung entsteht wieder Amid, diesmal ein cyclisches Amid, d.h. ein Laktam. Der
Buchstabe “ε“ in ε-Caprolaktam gibt dabei die Größe des Rings bzw. die Entfernung zwischen
Carbonylgruppe und N-Atom an. ε-Caprolaktam ist das Ausgangsmaterial zur Herstellung von
Perlon. 1935 wurde Nylon von Carruthers in den USA entdeckt, kurz vor dem zweiten Weltkrieg
war dies besonders für die militärische Ausrüstung interessant (z.B. für die Herstellung von
besonders leichten und unempfindlichen Fallschirmen). Nylon wird aus zwei Komponenten
hergestellt. Unter Wasserabspaltung wird zwischen dem Amin und der Säure eine Amidbindung
geknüpft.
138
H2N
+
NH2
HO2C
CO2H
O
H
N
H
N
N
H
O
O
Nylon 6,6
Abb. 219
Da Perlon nur aus einer Komponente hergestellt wird, fällt es nicht unter das amerikanische NylonPatent. Die Herstellung von Polyamiden aus ε-Caprolaktam wurde 1938 von Paul Schlack
entwickelt.
O
N
H
O
N
H
N
H
O
Polyamid 6
Abb. 220
Diese Formel stellt Perlon dar. Es heißt auch Polyamid 6, da sich jeweils 6-C-Atome zwischen
den Amid-Gruppen befinden.
139
14. Literatur
Vollhardt, K.P.C; Schore, N.E; Butenschön, H: Organische Chemie
Wiley-VCH, Weinheim
ISBN: 9783527313808
im Set mit Arbeitsbuch 9783527324934
€ 89,90
€ 124,-
Becker, H.G.O., Berger, W., Domschke, G.: Organikum 24.Aufl.
Wiley-VCH, Weinheim
ISBN: 978357322923
€ 69,90
Lüning, U.: Organische Reaktionen
Spektrum Akademischer Verlag, 2. Auflage
€ 32,99
Molekülbaukasten Organische Chemie
PEARSON STUDIUM
ISBN: 3827372631
€ 43.-
ORBIT Molekülbaukasten Chemie
Wiley-VCH
Basisset €19,00; Profiset € 42,00
140
15. Anhang
15.1. Benzol (Benzen)derivate und Aromaten
Wichtige Benzolderivate (Aromaten)
NH2
OH
NO2
COOH
COOH
COOH
m-Xylol
p-Xylol
Toluol
Anilin
Nitrobenzol
OH
Phenol
H
COOH
Benzoesäure
O
C
H
C
Phthalsäure
O
OH
O
O
HN
COOH
O
Paracetamol
OCH3
O
OCH3
Aspirin,
Acetylsalicylsäure
Salicylsäure
OH
Anisaldehyd
Acetophenon
Vanillin
OH
OH
O2N
NO2
O2 N
Cl
NO2
Cl
Cl
Cl
NO2
Naphtalin
Cl
O-CH2-COOH
NO2
2,4,6-Trinitrotoluol, TNT
Anthracen
Cl
O
1
Cl
2,4,5-Trichlorphenoxyessigsäure
Agent Orange, 2,4,5-T
Cl
O
5
Pentachlorphenol, PCP
Pikrinsäure
Cl
Cl
Cl
Cl
Cl
C
CCl3
Cl
2,3,7,8-Tetrachlordibenzodioxin
TCDD, Dioxin
Di-(p-chlorphenyl)-trichlorethan, DDT
O
C
NH
S
N
N
O
Benzopyren
Pyridin
Chinolin
141
Saccharin
O
15.2. Kohlenhydrate und Zuckerderivate
Wichtige Kohlenhydrate
OH
HO
O
HO
HO
OH
HO
OH OH
D-Glucopyranose
HO
HO
OH OH
OH
D-Mannopyranose
D-Galactopyranose
OH
HO
OH
O
HO
HO
OH
O
HO
O
O
NH OH
O
HO
2-Acetamido-2-desoxy-D-glucopyranose
(N-Acetylglucosamin)
O
OH
Ascorbinsäure
(Vitamin C)
HO
HO
O
HO
O
OH
OH
OH
HO
D-Ribofuranose*
2-Desoxy-D-ribofuranose*
*Gezeigt ist jeweils nur die Furanose-Form, wie sie in DNA bzw. RNA vorkommt.
In Lösung liegen freie Ribose und Desoxyribose als Pyranose (Sechsring) vor.
OH
OH
OH
HO
O
OH
O
HO
O
OH OH
OH
-D-Galactopyranose
HO
HO
-D-Glucopyranose
O
HO
-D-Fructofuranose
O
OH
OH
O
D-Glucopyranose
HO
Lactose (Milchzucker)
OH
Saccharose (Rohrzucker)
142
15.3. Aminosäuren
Aminosäuren
H3C
NH
COOH
H
H2N
NH2
N
H
Alanin
Ala, A
HO2C
COOH
H
H
NH2
Asparaginsäure
Asp, D
H
H
H
Arginin
Arg, R
NH2
HN
NH2
N H
Glycin
Gly, G
H3C
NH2
S
COOH
H
Lysin,
Lys, K
HO
Prolin
Pro, P
H3C
H
H3C H
Tryptophan
Trp, W
NH2
H
NH2
Phenylalanin
Phe, F
CH3
HO
NH2
COOH
H
NH2
Threonin
Thr, T
CH3
COOH
HO
NH2
COOH
NH2
Serin
Ser, S
H
COOH
Leucin
Leu, L
COOH
COOH
HN
COOH
Methionin
Met, M
COOH
H
NH
NH2
Glutaminsäure
Glu, E
COOH
H
NH2
COOH
H
H
NH2
Isoleucin
Ile, I
Histidin
His, H
H2N
HO2C
CH3
COOH
NH2
Asparagin
Asn, N
H
NH2
Glutamin
Gln, Q
Cystein
Cys, C
COOH
OH
COOH
H2N
COOH
NH2
O
COOH
HS
H2N
COOH
H
Tyrosin
Tyr, Y
143
NH2
H3C
COOH
H
NH2
Valin
Val, V
15.4. Sonstige Naturstoffe (Auswahl)
H
N
N
N
N
N
N
N
N
H
NH2
NH
N
H
N
O
N
H
O
OH
H
H
HO
HO
Estron
Estradiol
OH
H
Androsteron
N
N
O
O
H
O
O
N
Nicotin
Cocain
O
O
OH
Limonen
O
Thymin
Cytosin
H
Testosteron
O
N
O
HO
O
Coffein
N
Adenin
Guanin
N
NH2
NH2
NH
N
N
O
N
Theobromin
O
N
N
NH
N
O
Theophyllin
N
H
O
O
O
Menthol
144
Carvon
145