Aromaten und Heteroaromaten WS 2011

Aromaten und
Heteroaromaten
1.
Aromatizität und Antiaromatizität
1.1. Benzol
•
Im späten 18. Jahrhundert und zu Beginn des 19. Jahrhunderts wurden
tierische und pflanzliche Materialien pyrolysiert und aus dem Pyrolysat
Substanzen isoliert.
•
Aus Walöl wurde seit dem Ende des 18. Jahrhunderts in England durch
Pyrolyse Leuchtgas für Straßenlaternen hergestellt. Daraus hat 1825
Michael Faraday eine Substanz isoliert, die er bicarburet of hydrogen
nannte. Faraday fand bereits aus der Elementaranalyse ein Verhältnis
von C : H = 1 : 1
•
1833 isolierte Mitscherlich aus dem Calziumsalz der Benzoesäure
dieselbe Substanz, die er Benzin nannte. Seine Ergebnisse
veröffentlichte Mitscherlich in Liebigs Annalen der Chemie. Liebig fügte
dieser Publikation eine Fußnote hinzu, in der er vorschlug, diese
Substanz Benzol zu nennen. Die Endung –ol sollte darauf hinweisen,
dass aus der festen Benzoesäure eine Flüssigkeit entstanden war (von
lat. Oleum = Öl)
•
1835 führte Viktor Mayer eine Molmassenbestimmung von Benzol durch
und berechnet daraus die Summenformel C6H6.
•
In der Folgezeit wurden weitere Benzolderivate entdeckt. Viele wurden
aus aromatisch riechenden pflanzlichen Materialien isoliert, z.B. aus
Nelken, Zimt, Lorbeer, Anis, bitteren Mandeln, Vanille usw. Deshalb
wurden diese Substanzen zur Klasse der Aromatischen Verbindungen
(kurz: Aromaten) zusammengefasst.
•
Im Laufe der Zeit stellte sich heraus, daß diese Aromatischen
Verbindungen mehrere Eigenschaften gemeinsam haben, die man unter
dem Begriff „Aromatizität“ zusammenfasst.
1.1.1. Das Benzol-Problem
•
Benzol ist eine hoch ungesättigte Verbindung, ähnlich wie Olefine oder
Acetylene.
•
ABER: Benzol zeigt ganz andere chemische Eigenschaften als Alkene
und Alkine.
•
Benzol reagiert im Dunklen nicht mit Brom unter Entfärbung, nur bei
Bestrahlung mit Licht.
•
Bayer-Probe (Reaktion mit schwach alkalischer KMnO4-Lösung) negativ.
•
Benzol polymerisiert nicht.
•
Benzol läßt sich katalytisch hydrieren und geht unter Aufnahme von 3
Equivalenten Wasserstoff in Cyclohexan über.
•
Benzol reagiert mit Ozon zu Glyoxal.
•
Benzol zeigt auch ganz andere physikalische Eigenschaften als Alkene
und Alkine.
•
Schmelzpunkt: +6 °C; zum Vergleich 1,3,5-Hexatrien: -12 °C
•
Siedepunkt: +80 °C; zum Vergleich 1,3,5-Hexatrien: +76 °C
1.1.2. Strukturvorschläge für Benzol
•
von 1862 bis 1865 schlug August Kekulé
verschiedene cyclische Strukturen für
Benzol vor.
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
•
1867 veröffentlichte Dewar seinen
Strukturvorschlag.
H
H
H
H
H
•
1869 schlug Ladenburg eine alternative
Struktur für Benzol vor.
H
H
H
H
H
H
•
1872 verfeinerte Kekulé seine Benzolstruktur.
Um zu erklären, dass es nur ein orthoDisubstituiertes Benzol gibt, führte er
oszillierende Strukturen ein.
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
•
•
1899 schlug Thiele eine Benzolformel vor, die
ohne oszillierende Strukturen auskam. Thiele
formulierte ganz allgemein Doppelbindungen
mit Hilfe sogenannter Partialvalenzen.
1925 übertrugen Robinson und Ingold ihre
Vorstellung von abgeschlossenen
Elektronenschalen (“Edelgaskonfiguration”)
auf Benzol und führten den Begriff
“aromatisches Elektronensextett” ein.
H
H
H
H
H
H
1.1.3. VB-Beschreibung von Benzol
•
Die VB-Theorie fasst die beiden Kekulé-Strukturen nicht mehr als
nebeneinander existierende Moleküle auf, sondern als mesomere
Grenzformeln zur Beschreibung eines einzigen Moleküls. D. h. die 6 πElektronen sind cyclisch delokalisiert.
Energie
•
Reales Benzol ist energetisch günstiger als beide mesomere
Grenzformeln.
•
Reales Benzol ist also gegenüber den Kekulé-Strukturen stabilisiert. Man
nennt diese Stabilisierung Mesomerieenergie oder Resonanzenergie
oder Delokalisationsenergie.
•
Man kann die Mesomerieenergie aus den Hydrierwärmen abschätzen.
Energie
fiktives Cyclohexatrien
Mesomerieenergie
151 kJ/mol
360 kJ/mol
232 kJ/mol
209 kJ/mol
120 kJ/mol
1.1.4. MO-Beschreibung von Benzol
•
Für konjugierte π-Systeme kann man mit guter Näherung die HMOTheorie anwenden (Hückel-MO-Theorie). Die HMO-Theorie gilt streng
nur unter folgenden Bedingungen:
•
Cyclische Systeme, die nur sp2-hybridisierte C-Atome enthalten.
•
Alle σ-Bindungen sollen gleich lang sein.
•
σ-π-Trennung
•
Für Überlappungsintegrale Sik zwischen einzelnen C-Atomen soll gelten:
Sik = 1 für i = k und Sik = 0 für i = k+1.
•
Die Energien der einzelnen p-Orbitale, die das π-System bilden, sollen
gleich sein und dem Coulom-Integral α entsprechen.
•
Die Wechselwirkungsenergie zweier benachbarter p-Orbitale ist durch
das Resonanzintegral β gegeben.
•
Aus diesen Annahmen lassen sich die Energien der einzelnen πMolekülorbitale berechnen.
•
MO-Schema von Benzol:
α-2β
α-β
α
α+β
α+2β
_
+
_
+
_
+
+
_
_
+
_
_
+
+
___________________________________________
_
+
_
+
+
+
+
+
+
+
+
_
+
_
•
Frost-Musulin-Schema für cyclisch konjugierte π-Syszeme:
Man zeichnet einen Kreis mit Radius 2β und zeichnet darin ein n-Eck mit
der Spitze nach unten so ein, dass die Ecken den Kreis berühren.
Dann liegen an den Berührungspunkten die Energieniveaus der MOs.
E
E
2ß
2ß
E
2ß
E
2ß
Anmerkung: α und β ist für jeden Ring ein anderer Wert.
E
2π
2π
C3H3+
C4H42+
6π
C5H5-
E
6π
C6H6
6π
C7H7+
6π
C8H82+
E
2π
6π
6π
C3H3+
C4H42-
C5H5-
E
6π
C6H6
6π
C7H7+
10π
C8H82-
Fazit: Bindende und nichtbindende MOs können mit 2, 6, 10,… πElektronen doppelt besetzt werden.
Will man 4, 8, 12,… π-Elektronen einfüllen, dann muss man auch
antibindende MOs besetzen oder nichtbindende MOs einfach.
Dies hat Hückel in einer Regel („Hückel-Regel“) formuliert:
Cyclisch konjugierte π-Systeme mit 2, 6, 10,…, (4n+2)π-Elektronen sind
stabilisierte aromatische Systeme.
Cyclisch konjugierte π-Systeme mit 4, 8, 12,…, (4n)π-Elektronen sind
destabilisierte antiaromatische Systeme.
aromatisch: C3H3+, C4H42+, C5H5-, C6H6, C7H7+, C8H82+, C8H82antiaromatisch: C4H4, C7H7-, C8H8
1.1.5. Elektronenbeugung und Röntgenstrukturanalyse von Benzol
•
1931 hat Wierl Elektronenbeugungsexperimente mit Benzoldampf
durchgeführt und dabei C-C- und C-H-Abstände bestimmt.
C-C 139,3 pm
C-H 108,4 pm
•
1958 hat Cox eine Röntgenstrukturanalyse von Benzol angefertigt
und den C-C-Abstand zu 139,2 pm bestimmt.
1.1.6. Ringstromeffekt und NMR
•
Chemische Verschiebung der Benzol-Hs: 7,25 ppm
Chemische Verschiebung olefinischer Hs: 4-7 ppm
•
Erklärung: Ringstromeffekt. Das Magnetfeld induziert im cyclischkonjugierten π-System einen Ringstrom, der wiederum nach der
Lenz´schen Regel ein Magnetfeld induziert, das im Innern des
Ringstroms zum äusseren Magnetfeld entgegengesetzt gerichtet ist.
Dadurch wird im Bereich der H-Atome das äussere Magnetfeld
verstärkt. Oberhalb und unterhalb des Rings wird das äussere
Magnetfeld abgeschwächt. Nach Larmor führt das zu höheren
Resonanzfrequenzen, als auf Grund vom äußeren Magnetfeld
erwartet.
•
Modellvorstellung
B0
B0
Ringstrom
H
H
H
H
H
Induziertes
Magnetfeld
H
Die H-Atome sind im Bereich des verstärken Magnetfeldes. Die CAtome bleiben unbeeinflusst.
•
Experimenteller Beweis bei Ansa-Verbindungen
-1,6 ppm bis -4,0 ppm
H2C
B0
CH2
CH2
B0
H2C
CH2
H
H
H2C
1,3 ppm bis
2,2 ppm
CH2
H
H
1.1.7. Kriterien aromatischer Zustände
Verbindungen sind als „aromatisch“ zu bezeichnen, wenn sie
•
ein ebenes, cyclisch-konjugiertes π-Elektronensystem mit (4n+2) πElektronen besitzen
•
Idealen Bindungslängenausgleich zeigen
•
Im NMR einen Ringstromeffekt zeigen
•
Chemisches Kriterium: aromatische Verbindungen gehen eher
Substitutionsreaktionen als Additionsreaktionen ein.
1.1.8. Valenzisomere von Benzol
•
271 theoretisch mögliche Konstitutionsisomere von Benzol:
•
Valenzisomere sind Verbindungen, die sich nur durch Verschieben
von C-C- und C=C-Bindungen ineinander umwandeln lasssen.
Valenzisomere von Benzol sind:
•
Tectadien
H
H
H
=
H
•
Benzvalen
=
•
Prisman
=
•
Bicyclopropenyl
1) Synthese von Tectadien
COOH
COOH
Na/Hg
+ Ac2O
O
O
COOH
COOH
- AcOH
O
[2+2]
O
O
+ H2O
COOH
COOH
hν
O
Pb(OAc)4
oder
anodische
Oxidation
Van Tamelen et al., J. Am. Chem. Soc. 1971, 6092.
COOMe
+ Cl2
∆
H
Cl
H
Cl
Cl
∆
COOMe
—
COOMe
Na/Hg
Ts
MeOOC
COOMe
MeOOC
Cl
HH
CAN
Fe2(CO)9
Fe
Cl
OC
OC
CO
Ts
Cl
2) Synthese von Benzvalen
nBuLi
NaNH2
Li
H
CH
Katz et al., Org. Synth. 53, 157 (1973).
CH2Cl2
– LiCl
CH2Cl
H
3) Synthese von Prisman
O
N
N
N
Ph
H
O
H
O
N
[2+2]
N
O
N
N
Ph
N
KOH
– CO2
– Ph-NH2
hν
Cu2+
NH
NH
O
Ph
O
N
– N2
N
Katz et al., J. Am. Chem. Soc. 1973, 2738.
explodiert beim
Kratzen mit dem
Spatel
4) Synthese von Bicyclopropenyl
SiMe3
H
2
C
Me3Si
Cl
nBu4NF
Cl
0 °C, 0,02 Torr
SiMe3
Me3Si
Cl
Billups et al., Angew. Chem. 101, 1735 (1989).
1.2. Cyclobutadien und Cyclooctatetraen
1.2.1. Cyclobutadien
•
Cyclobutadien ist extrem instabil
•
Herstellung erstmals 1965 von Pettit et al. In einer Ar-Matrix bei 10 K
O
hν
O
O
O
10 K
– CO2
COOMe
+ Cl2
Cl
COOMe
—
COOMe
Cl
H
Cl
H
Cl
MeOOC
COOMe
MeOOC
Cl
HH
Fe2(CO)9
Cl
CAN
Fe
OC
CO
OC
Nachweis durch
Abfangreaktionen
•
Abfangreaktionen für Cyclobutadien.
H
Dim.
H
•
Nach Hückel sollte Ccylobutadien antiaromatisch und ein Biradikal
sein.
+
E
–
+
–
+
+
–
+
–
•
Experimentelle Befunde: kein ESR-Spektrum ⇒ kein Biradikal
•
Aus IR-Spektrum: Cyclobutadien ist rechteckig, zwei Bindungen sind
137 pm lang (Doppelbindung), zwei sind 154 pm lang (Einfachbindung).
+
–
+
–
E
+
–
Verzerrung
+
+
–
•
Aus temperaturabhängigen 13C-NMR-Spektren von substituierten
Cyclobutadienen folgt:
Cyclobutadien ist ein fluktuierendes Molekül
H
2,5 kJ/mol
H
2,5 kJ/mol
H
•
Also: Cyclobutadien weicht dem instabilen antiaromatischen Zustand
teilweise durch Verzerrung aus.
•
Bildungsenthalpie: + 114 kcal/mol. Rechnungen ergeben eine
Destabilisierung von 87 kcal/mol gegenüber 1,3-Butadien (32 kcal/mol
wegen Ringspannung, 55 kcal/mol wegen „Antiaromatizität“).
•
Substituierte Cyclobutadiene sind deutlich stabiler als der
Grundkörper, so dass sie auch isoliert werden können.
O
O
hν
O
H
O
O
[2+2]
H
O
– CO2
H
– CO
5,38 ppm
G. Maier et al., Angew. Chem. 85, 1056 (1973).
S
S
S
[2+2]
160 pm
Krebs et al., Angew. Chem. 84, 952 (1972).
134,4 pm
Gelbe
Substanz,
m.p. 240 °C
1.2.2 Cyclooctatetraen
•
Cyclooctatetraen COT ist eine im Kühlschrank haltbare Flüssigkeit
mit einem Schmelzpunkt von -5 °C und einem Siedepunkt von 142
°C.
•
Nach Hückel sollte COT ein Antiaromat sein (8 π-Elektronen).
•
Aber: COT zeigt typische Olefinreaktionen.
•
Grund: COT ist nicht eben!
126 °
146 pm
•
133 pm
Also: HMO-Theorie darf nicht angewendet werden!
•
Aus Ab-initio-Rechnungen ergibt sich eine Destabilisierung von
ebenem antiaromatischen COT gegenüber dem nicht ebenen
olefinischen COT von ca. 15 kcal/mol.
15 kcal/mol
•
Sowohl beim Umklappen der COT-Wanne als auch bei der
Bindungsverschiebung wird das ebene, antiaromatische COT als
Übergangszustand durchlaufen.
•
Erste Synthese von COT durch Willstätter und Mitarbeitern (1905)
O
Na
N
OH
H+
1) MeI
N
N
EtOH
2) AgOH
– H2O
3)
N
Br
1) MeI
Me2NH
Br2
2) AgOH
3)
N
1) MeI
2) AgOH
N
3)
Br
•
Heute Synthese von COT nach Reppe
H
H
H
H
H
NC
NC
H
Ni
H
H
Ni(CN)2
200 bar
90%
NC
NC
Ni
1.3.
Weitere Moleküle mit cyclisch-konjugierten
π-Elektronen
1.3.1. Monocyclische Teilchen
1) Cyclopropenyl-Kation
Cl
CCl2
Ph
Cl
Cl
nBu3SnH
Cl
Cl
Ph
Cl
“
N N
– N2
CN
”
Ph
Cl
H
Cl
SbCl5
Cl
Ph
CN
Ph
Ph
BF3 • OEt2
Cl
Cl
“
Cl =
Ph
“
Ph
Cl
Cl
Cl
Ph
“
Ph =
“
Ph
Ph
•
Das Cyclopropenyl-Kation ist stabiler als das Allyl-Kation
•
Tri-tert.Butylcyclopropenylium-perchlorat kann man aus Wasser
umkristallisieren
•
Cyclopropenon enthält ein Cyclopropenyl-Kation
•
Cylopropenyl-Kationen sind aromatisch
2) Cyclobutenyl-Dikation
O
HO
O
OH
” O
“
O”
“
HO
OH
” O
=
O”
2“
HO
OH
•
Das Cyclobutenyl-Dikation kommt z.B. in der Quadratsäure vor
•
Auf Grund der zwei positiven Ladungen im Ring ist diese Substanz
stark sauer: pKs1 = 1,0; pKs2 = 3,5
•
Cylobutenyl-Dikationen sind aromatisch
3) Cyclopentadienyl-Anion
•
Das Cyclopentadienyl-Anion kann leicht aus Cyclopentadien durch
Deprotonieren hergestellt werden (pKs = 16)
nBuLi
HH
”
H
=
”
•
Das Cyclopentadinyl-Anion wird häufig als Ligand für Metallkomplexe
verwendet und zur Synthese substituierter Cyclopentadiene (z.B. als
Dienkomponente für Diels-Alder-Reaktionen)
•
Das Cyclopentadienyl-Anion ist aromatisch
4) Cyclopentadienyl-Kation
•
Das Cyclopentadienyl-Anion ist nur unterhalb von -200 °C stabil.
1) nBuLi
HH
2) Cl2
SbF5
“
H
H Cl
=
“
•
Es zeigt ein ESR-Spektrum, wie es für ein Diradikal erwartet wird
•
Das Cyclopentadienyl-Kation ist antiaromatisch
•
Ein Cyclopentadienyl-Kation versteckt sich auch im Cyclopentadienon
O
H
H
DIPEA
Br
O
•
O
“
O
”
Cyclopentadienon ist ebenfalls antiaromatisch
O
5) Tropylium-Kation
•
Das Tropylium-Kation kann man durch Hydrid-Abspaltung aus
Cycloheptatrien herstellen
Ph3C+ BF4–
H
H
•
H
=
“
Bromcycloheptatrien liegt als Salz vor
H
Br2
H
H
H
•
“
Br
H
H
Br
DIPEA
Br
H
– HBr
“
Tropylium-Kationen treten auch in Tropolonen auf
OH
O
OH O
HO
OH
O
HO
MeO
H
NHAc
MeO
MeO
O
Tropon
Tropolon
Purpurogallin
Colchicin
OH
Br–
•
Herstellung von Tropon
Br
Br
Br
Br
CH2N2
Br2
DIPEA
– HBr
Br
”
“ Br
Br
Br
Br
•
H2O
O
Herstellung von Tropolon
Cl
ClCl
C O
Cl
HH
”
O
O H
KOH
O ”
O
[2+2]
Cl
ClCl
H
Cl
OH
O
OH
”
O
6) Cyclooctatetraen-Dianion
•
COT kann leicht durch Alkalimetalle zweifach reduziert werden.
”
+ Na
+ Na
•
- Na+
- Na+
Disproportionierung
•
Es bildet sich ein ebenes Dianion mit 10 π-Elektronen
•
Röntgenstruktur: alle Bindungen gleich lang: 141 pm
•
COT-Dianion ist aromatisch
2”
7) [10]-Annulen
•
n-gliedrige Ringe mit cyclisch konjugierten Doppelbindungen werden
als [n]-Annulene bezeichnet.
5,6-6,0 ppm
H
H
hν
+
H
+
HH
Winkelspannung nimmt ab
Transannulare Wechselwirkung nimmt zu
•
[10]-Annulen wird durch Photolyse von Dihydronaphthalin als
Isomerenmischung erhalten
•
1H-NMR
•
[10]-Annulen ist nicht eben und damit olefinisch
liegt im olefinischen Bereich
•
[10]-Annulen nach E. Vogel
Cl
Na / NH3 fl.
H
H
Br
Br2
H
H
KOH
H
– HBr
– 0,5 ppm
H
•
H
Br
Br
H
Na / NH3 fl.
CCl2
Br
H
Cl
+ 7,6 ppm
1,6-Methano- [10]-Annulen zeigt einen Ringstromeffekt, ist also
aromatisch.
hν
•
Weitere Vogel-Annulene
N
O
8) [12]-Annulen
hν
hν
+ cis/trans-Isomere
•
[12]-Annulen ist extrem instabil, weicht aber durch Verdrillung
(zumindest teilweise) dem antiaromatischen Zustand aus.
9) [14]-Annulen
•
[14]-Annulen wurde von Sondheimer et al. hergestellt und untersucht.
H
H
H+
H
H
Cu(OAc)2
Py
– H+
H
H
+ H+
H+
H
H
H
H
H
•
+
H
H
H
H
– 0,6 ppm
H
H
H
H
H
H
H
+ 7,6 ppm
H+
H
•
H
H
– H+
H2 / Pd
+ H+
BaCO3
H
H
H
H
H
– H+
+ H+
H
H
H
H
H
O
H H
Ringstromeffekt ⇒ aromatisch
•
Es gibt auch die entsprechenden überbrückten Vogel-Annulene:
eben, aromatisch
O
H
H
nicht eben, olefinisch
O
H H
O
H
H
O
H
H
H
H
10) [16]-Annulen
•
[16]-Annulen zeigt alternierende
Bindungslängen und ist damit
olefinisch.
134 pm
146 pm
11) [18]-Annulen
•
[18]-Annulen wurde ebenfalls von Sondheimer et al. hergestellt und
untersucht.
H
H
H
H
H
H
H
H
– 6 bis – 8 ppm
H
H
H
H
H
H
–1,8 ppm
H
H
H
H
H
+ 8,9 ppm
H
H
H
H
H
H
H
H
H
139 - 140 pm
H
H
H
H
H
H
H
H
+ 9 bis + 10 ppm
•
Synthese von [18]-Annulen
Cu(OAc)2
KOtBu
Py / Luft
tBuOH
H2 / Pd
BaCO3
1.3.2. Polycyclische Teilchen
•
Die Hückel-Regel ist hier nicht mehr anwendbar. Hückel fordert
monocyclische Moleküle!
•
Für Polycyclische Aromaten gilt die Clar´sche Regel: Eine
Verbindung ist um so stabiler, je mehr autonome πElektronensextetts sich formulieren lassen.
•
Clar´sche Regel ist rein empirisch und hat nichts mit der realen
Elektronenverteilung zu tun!
•
Polycyclische Aromaten werden unterteilt in Acene, Phene und
Helicene.
•
Man erhält polycyclische Aromaten formal durch Anhängen von
einem oder mehreren Benzolringen an Benzol.
1) Naphthalin und Azulen
•
Naphthalin und Azulen sind Isomere, beide haben die
Summenformel C10H8.
•
Naphthalin ist farblos (absorbiert also im UV-Bereich), Azulen ist
dunkelblau (absorbiert also bei 560-600 nm = grün bis gelb).
139 bis 140 pm
137 pm
141 pm
Naphthalin
151 pm
Azulen
•
Naphthalin und Azulen sind Isomere, beide haben die
Summenformel C10H8.
•
Naphthalin ist farblos (absorbiert also im UV-Bereich), Azulen ist
dunkelblau (absorbiert also bei 560-600 nm = grün bis gelb).
•
Naphthalin zeigt alternierende Bindungen, Azulen zeigt bis auf die
gemeinsame Bindung einen idealen Bindungslängenausgleich.
•
Napthalin besitzt kein Diplomoment, Azulen besitzt ein Dipolmoment!
”
“
E
0
∆E =
UV
Napthalin
∆E =
gelbgrün
Azulen
....
”
“
•
Ziegler-Hafner-Azulen-Synthese
H
N
”
N
Cl “
H
H3C
N“
H
CH3
NO2
N
NO2
N
– H+
NO2
NO2
N
H
CH3
NO2
+ H+
H
“
N
N
H
CH3
NO2
NO2
NO2
Zincke-Salz
H
“
N
H N
H3C H
H
H
N
“
N
H
CH3
NO2
N
H3C
N
H
CH3
NO2
N
H N
H3C H
N
H
CH3
NO2
– H+
NO2
NO2
NO2
+H
+
H
N
N
H H N“ H
CH3
H3C
NO2
N
–
NO2
“
N Cl ”
NaOH
N
H
O
O2N
H2N
NO2
König´sches Salz
Zincke-Aldehyd
Ph
H3C N
N
H
H3C
H
N Ph
O
H
NaOH
–
H3C
Zincke-Aldehyd
•
N
Die „Kunst“ bestand darin, einen Ersatz für den instabilen
Glutacondialdehyd zu finden. Der Zincke-Aldehyd erfüllt diese
Bedingung.
HO
H
O
Glutacondialdehyd
instabil
N
H
O
Zincke-Aldehyd
stabil
WISSENSCHAFTS-POSSE
Ahnungslose Chemiker entdecken Verbindung zum zweiten
Mal
Von Jens Lubbadeh (Spiegel online 6. 12. 2007)
Ein japanischer Chemiker glaubte, ein geniales neues Ringmolekül hergestellt zu haben.
Das aber kam einem emeritierten Professor aus Würzburg so bekannt vor, dass er
nachblätterte - und herausfand: Die Entdeckung wurde vor 102 Jahren schon mal gemacht.
Isao Yamaguchi war so stolz: Als erster hatte er mit seinen Kollegen einen Weg gefunden, ein
Ringmolekül aus 10 Kohlenstoff- und zwei Stickstoffatomen herzustellen. 12-Annulen nennen
die Chemiker diese Verbindung und Yamaguchi hatte zudem noch eine spezielle Unterart kreiert.
Annulene sind im Prinzip Seifen und senken die Oberflächenspannung des Wassers. Diese
Eigenschaft macht man sich unter anderem bei Seifenblasen zunutze - oder wenn man
Wasserläufer im Teich ärgern will: Ein Paar Tropfen Spüli ins Wasser, und der Läufer wird zum
Säufer, weil ihn das Wasser plötzlich nicht mehr trägt.
Der japanische Chemiker reichte seine Entdeckung bei dem Fachmagazin "Organic Letters" ein.
Im August 2006 wurde das Papier publiziert. Im August 2007 erschien - auf Yamaguchis Arbeit
aufbauend - im Magazin "Angewandte Chemie International Edition" eine weitere Publikation
zur Herstellung des besonderen 12-Annulens, diesmal von einem US-Chemikerteam um Frederic
Menger.
Yamaguchis und Mengers Arbeiten schienen ganz normale Entdeckungen im
Wissenschaftsbetrieb zu sein. Doch dann kam Manfred Christl, emeritierter Professor am Institut
für Organische Chemie in Würzburg. Trotz Ruhestand verfolgt er noch immer eifrig die
Fachpresse. Als Christl das Paper von Frederic Menger in "Angewandte Chemie" las, wurde er
stutzig.
Ihm kam die Entdeckung ziemlich bekannt vor. Daraufhin las er noch Yamaguchis
Veröffentlichung. Plötzlich dämmerte es ihm: Diesen Reaktionstyp zur Gewinnung des
besonderen 12-Annulens mit den beiden Stickstoffatomen war keineswegs neu. Christl hatte ihn
den Studenten schon vor Jahren in seiner Vorlesung erklärt. Es handelte sich um die so genannte
Zincke-Reaktion - benannt nach dem deutschen Chemiker Theodor Zincke, der von 1843 bis
1928 lebte. Er hatte diesen Reaktionstyp 1904 in "Justus Liebigs Annalen der Chemie"
veröffentlicht. Ganze 102 Jahre vor Yamaguchi.
Falsch interpretierte Reaktion
So wurde der Emeritus zum Detektiv: "Ich habe nachgeschaut, ob Zinckes Arbeit von Yamaguchi
und Menger zitiert wurde", sagt Christl im Gespräch mit SPIEGEL ONLINE. Aber Fehlanzeige Zincke tauchte weder in Yamaguchis noch in Mengers Papier auf.
"Ueber Dinitrophenylpyridiniumchlorid und dessen Umwandlungsproducte", erschienen 1904 in
"Justus Liebigs Annalen der Chemie" Zincke war Direktor des Chemischen Instituts in Marburg
und hatte einen berühmten Schüler: Otto Hahn, Entdecker der Kernspaltung, promovierte 1901
bei ihm. "Liebigs Annalen" war eine der bedeutendsten Chemie-Fachzeitschriften, 1832 von dem
berühmten Chemiker Justus Liebig gegründet. Ihm verdankt die Welt unter anderem die
Begründung der organischen Chemie, jener Fachrichtung, in der Yamaguchi und Menger
forschen. Außerdem entwickelte Liebig den Dünger und legte damit die Grundlage für die
moderne Landwirtschaft. Bis 1997 erschienen die "Annalen", danach wurden sie mit einigen
anderen Magazinen zum "European Journal of Organic Chemistry" vereint.
Christl schrieb seinen Kollegen Yamaguchi und Menger, dass ihre vermeintliche Neuentdeckung
altbekannt war. Noch schlimmer: Yamaguchi und Menger hätten die Reaktion falsch interpretiert.
Nicht etwa ein 12-Annulen hatten sie laut Christl hergestellt, sondern nur ein 6-Annulen - also eine
ringförmige Verbindung aus sechs statt zwölf Atomen. Zincke dagegen hatte trotz der beschränkten
Möglichkeiten seiner Zeit den Reaktionsmechanismus sorgfältig und richtig aufgeklärt.
Yamaguchi hatte offenbar schon vor Christl von anderer Seite einen Hinweis bekommen, dass er in
seiner Arbeit unvollständig zitiert hatte. Dennoch beharrte der Japaner zunächst darauf, ein 12Annulen hergestellt zu haben. Vier Wochen später zog er allerdings seine Publikation zurück "wegen Ungewissheiten, welche Produkte in der beschriebenen Reaktion entstanden sind", heißt es
auf der Homepage von "Organic Letters".
Menger reagierte einsichtiger, erzählt Christl. "Eine Viertelstunde nach meiner E-Mail schrieb er
mir, er werde das sofort überprüfen." Auch der Amerikaner wähnte sich zunächst im Recht: Er habe
tatsächlich ein neues 12-Annulen hergestellt, "I hate to disappoint you", schrieb er Christl
selbstsicher - und berief sich auf eine massenspektroskopische Analyse seines Produkts. Die habe
nunmal eine höhere Molekularmasse ergeben als bei einem 6-Annulen. Doch Menger übersah ein
wichtiges Detail.
"Ich bin kein Spezialist in analytischen Methoden - aber ich wusste, dass sich bei der
massenspektroskopischen Methode, die Menger verwendet hatte, Teilchen zusammenlagern", sagt
Christl. Aus dem 6-Annulen war also während der massenspektroskopischen Analyse ein 12Annulen geworden. Menger kannte diesen Effekt der Analysemethode nicht. Der Zeitschrift
"Nature" sagte er zerknirscht: "Ein Umstand, den wir zu der Zeit nicht beachtet hatten." Christl
wirft Menger ungenaues Arbeiten vor: "Er hätte seinen Spezialisten für Massenspektroskopie fragen
müssen."
Menger musste eine Korrektur seiner Arbeit nachreichen - und Zincke kam durch den Einsatz
Christls doch noch zu seiner Anerkennung. Dabei waren Yamaguchi und Menger eigentlich schon
ganz dicht auf Zinckes Spur gewesen, sagt Christl amüsiert. Beide hätten in ihren Experimenten ein
bestimmtes Salz zur Herstellung ihres vermeintlichen 12-Annulens verwendet, das sie Zincke-Salz
nannten - nur waren sie offenbar völlig ahnungslos ob der Namensherkunft.
"Junge Forscher verlassen den Computer gar nicht mehr"
Eine Frage bleibt allerdings: Wie konnte eine 102 Jahre alte Entdeckung einfach übersehen werden
- obwohl jeder Artikel von externen Gutachtern der Fachmagazine geprüft wurde?
Natürlich - Zincke hatte seine Arbeit damals auf Deutsch veröffentlicht. Damals war Deutschland
ein Zentrum der Forschung, Englisch noch nicht die Amtssprache der Wissenschaft.
Aber war es wirklich nur die Sprachbarriere, die Yamaguchi und Menger den Zugang zu Zinckes
Arbeit erschwert hatte? Christl sagt: "Diese Literatur ist so wichtig, die gibt es auch auf Englisch."
Vielleicht nicht Zinckes gesamten Originalartikel aus den "Annalen", aber zumindest eine
Beschreibung der Reaktion in den chemischen Handbüchern. Die stehen in den Bibliotheken.
Und hier liege das Problem, denn in die Bücher schaue doch kaum noch jemand rein, klagt Christl:
"Junge Wissenschaftler verlassen doch gar nicht mehr ihren Computer. Die wissen meist gar nicht,
dass es solche Handbücher überhaupt gibt."
Zeitmangel und Überlastung der Gutachter seien aber sicher auch schuld. "Die müssen teilweise
eine Publikation pro Tag prüfen. Wie soll das gehen?" Es komme immer wieder vor, dass alte
Entdeckungen unwissentlich neu entdeckt werden - weil Wissenschaftler einfach ihre Hausaufgaben
nicht mehr machen, sagt Christl: "Das Lesen der Literatur ist für angesehene Wissenschaftler zum
Luxus geworden, den sie sich kaum noch gönnen können."
2) Acene und Phene
•
Acene leiten sich vom Naphtalin durch lineare Anellierung von einem
oder mehreren Benzolringen ab.
•
Phene leiten sich vom Naphtalin durch anguläre Anellierung von
7
8b
einem oder mehreren Benzolringen ab.
8
6
1
2
3
Aromatischer
Charakter und
Stabilität nimmt ab
4
9a 9 8a 8
4a
7
2
6
3
10a
10 5
Tetracen, gelb
Pentacen, orange
Hexacen, blaugrün
1 8a
4
4a
9
5
10a
10
Tetraphen, farblos
Pentaphen, gelb
Hexaphen, orange
•
Anthracen und auch die höheren Acene reagieren überwiegend entsprechend der Clar´schen Regel.
HH
H2 / Pd / C
HH
Aber:
HH
2H2 / Pd / C
HH
4H2 / Pd / C
H
H
H
H
HH
HH
HH
HH
H
H
H
H
H
H
H
H
O
+
CrO3 / H
O
Aber:
OH
OsO4
OH
OH
OH
O
O
O
O
O
O
H
H
Trypticen
•
Analoges gilt für Phenanthren und höhere Phene.
Br2
Br
Br
H2 / Pd / C
HH
H
H
CrO3
O
O
•
Wichtige Tetracenderivate sind die Tetracycline und die
Anthracycline. Beide Substanzklassen können aus StreptomycesKulturen isoliert werden und wirken antibiotisch bzw. cytostatisch.
•
Tetracycline hemmen die Protein-Biosynthese von Bakterien und
werden bei Infektionen als Breitbandantibiotika eingesetzt.
•
Anthracycline wirken als Topoisomerasehemmer und werden als
Cytostatika bei Krebserkrankungen eingesetzt.
•
Biosynthetisch machen die Streptomyceten solche Substanzen aus
vollständig ungesättigten Tetracenderivaten, die aus aktivierten
Malonsäurederivaten erzeugt werden.
3) Helicene
•
Helicene leiten sich vom Phenanthren ab durch anguläre
Annellierung von Benzolringen. Helicene besitzen eine Helicale
Struktur.
HH
H
H
H
H
H
H
Tetrahelicen
Pentahelicen
Hexahelicen
•
Helicene sind auf Grund ihrer Helix-Struktur chiral (P- und M-Helix).
•
Tetrahelicen und Pentahelicen lassen sich nicht in Enantiomere
trennen. Sie racemisieren bei Raumtemperatur sehr schnell.
•
Hexahelicen kann in Enantiomere getrennt werden.
•
Synthese von Hexahelicen
O
Br
H
KOH-Schmelze
Br
NaOAc / Ac2O
COOH
•
– CO2
COOH
rac.
Racematspaltung von Hexahelicen mit (-)-TAPA = Tetranitroflourenylidenaminooxypropionicacid
O2N
HNO3
H2SO4
O
•
– HBr
NO2
O2N
N O
NO2
+
H
O2N
COOH
NO2
O2N
O
TAPA bildet Charge-Transfer-Komplexe mit elektronenreichen Aromaten
NO2
N
O
COOH
(-)-TAPA
•
(-)-TAPA bildet nur mit (+)-Hexahelicen einen Charge-TransferKomplex, der in Benzol/Ethanol in Lösung bleibt, während (-)Hexahelicen keinen Charge-Transfer-Komplex bildet und unlöslich
ist.
•
Aus 2,27 g racemischem Hexahelicen konnte man auf diese Weise
durch 8-maliges Umkristallisieren 11,9 mg (!) enantiomerenreines (-)Hexahelicen erhalten.
(-)-Hexahelicen
(-)-TAPA
(+)-Hexahelicen • (-)-TAPA
(+)-Hexahelicen
+
Benzol
Ethanol
•
Schmelzpunkt: 264-267 °C
•
Spezifische optische Rotation [α]D24 = - 3640 (CHCl3)
(-)-Hexahelicen Ÿ
1.4. Heteroaromaten
1.4.1. Elektronenmangel-Heteroaromaten
•
Pyryllium-Kationen und Derivate, Pyridin und Derivate sowie 6gliedrige Heterocyclen mit mehreren Heteroatomen zählen zu den
Elektronenmagel-Aromaten, da die Heteroatome auf Grund der
höheren Elektronegativität Ladungsdichte aus dem πElektronensystem abziehen.
“
O
“
“
....
O
O
“
“
N
7,4 ppm
H
H
H
H
N
H
7,0 ppm
8,5 ppm
H
H
N
N”
N”
+ 0,1
136 ppm
H
H
....
H
H
H
+ 0,05
H
124 ppm
149 ppm
H
N
H
+ 0,15
– 0,5
139 pm
H
H
H
H
N
H
139 pm
134 pm
•
Kein idealer Bindungslängenausgleich mehr im Pyridin ⇒ HMOTheorie streng genommen nicht mehr anwendbar.
•
Weitere wichtige Elektronenmangel-Heterocyclen
N
N
N
Pyrazin
N
N
N
Pyrimidin
Pyridazin
N
N
N
1,3,5-Triazin
N
N
N
N
Chinolin
Isochinolin
N
N
Pteridin
•
Pyridin entspricht von der Elektronenverteilung her dem Nitrobenzol
(ähnliche Reaktivität)
•
Diazine verhalten sich ähnlich wie die entsprechenden
Dinitrobenzole, Triazine wie die Trinitrobenzole usw.
1.4.2. Elektronenüberschuss-Heteroaromaten
•
Furan, Pyrrol und Thiophen sowie deren benzokondensierte Derivate
als auch 5-gliedrige Heterocyclen mit mehreren Heteroatomen sind
Elektronenüberschuss-Aromaten, da das freie Elektronenpaar des
Heteroatoms mit den beiden Doppelbindungen zusammen das
aromatische π-Elektronensextett. Dann kommen aber 6 Elektronen
auf 5 Ringatome ⇒ Elektronenüberschuss (entspricht dem
Cyclopentadienid-Anion)
”
N
H
S
”
S“
....
O“
O“
”
....
N“
H
N“
H
”
O
”
”
....
S“
143 pm
6,2 ppm; 107 ppm
137 pm
138 pm
6,7 ppm; 116 ppm
N
H
6,3 ppm; 110 ppm
136 pm
O
136 pm
142 pm
7,4 ppm; 142 ppm
7,0 ppm; 126 ppm
137 pm
171 pm
142 pm
7,2 ppm; 124 ppm
S
•
Kein idealer Bindungslängenausgleich mehr in den Elektronenüberschussheterocyclen ⇒ HMO-Theorie streng genommen nicht
mehr anwendbar.
•
Weitere wichtige Elektronenmangel-Heterocyclen
N
N
H
Imidazol
N
N
O
S
Oxazol
Thiazol
N
N
H
Pyrazol
O
N
Isoxazol
S
N
Isothiazol
2.
Reaktionen von Aromaten
•
Die wichtigsten klassischen Reaktionen von Aromaten sind
elektrophile und nucleophile Substitutionen, wobei das aromatische
System erhalten bleibt.
•
Durch Deprotonierung von substituierten Aromaten in ortho-Position
zu bestimmten Substituenten (ortho-Lithiierung) können elektrophile
aromatische Substitutionen leicht durchgeführt werden, die sonst
schwierig zu bewerkstelligen sind.
•
Substitutionsreaktionen an Aromaten, die unter klassischen
Bedingungen schwierig oder gar unmöglich sind, können
übergangsmetallkatalysiert durchgeführt werden.
•
Moderne Methoden nutzen Aromaten als 6-gliedrigen cyclischen
Baustein für nicht-aromatische Moleküle. Solche Reaktionen fasst
man unter dem Begriff Dearomatisierungsreaktionen zusammen.
2.1. Elektrophile Aromatische Substitution
2.1.1. Allgemeiner Mechanismus
•
Das Elektrophil E+ nähert sich der π-Elektronenwolke des Aromaten
und bildet dabei zunächst reversibel einen sogenannten π-Komplex.
•
π-Komplexe können spektroskopisch nachgewiesen werden, sind
aber nur kurzlebig und i.d.R. nicht stabil.
•
Erst 2001 gelang es, π-Komplexe zu kristallisieren und durch
Röngenstrukturanalyse zu untersuchen.
•
Bei der Ausbildung des π-Komplexes lagert sich das Elektrophil an die
π-Elektronenwolke zwischen zwei C-Atome an. Bei Toluol bilden sich
zwei π-Komplexe, bei denen die Brommoleküle bereits über der 1,2Bindung (Angriff in ortho-Position) oder über der 3,4-Bindung (Angriff in
para-Position) sitzen.
•
Der π-Komplex geht anschließend in den σ-Komplex (WhelandKomplex) über.
•
Von einem σ-Komplex aus Brom und Hexamthylbenzol existiert
ebenfalls eine Röntgenstruktur.
•
Im σ-Komplex wird die cyclische
Konjugation der π-Elektronen
unterbrochen.
•
Durch Abspalten von H+ geht der
σ-Komplex in das Produkt über.
•
Auf Grund des Prinzips der
mikroskopischen Reversibilität
muss man annehmen, dass bei
der H+-Abspaltung auch ein πKomplex durchlaufen wird.
•
Reaktionsprofil einer elektrophilen aromatischen Substitution
(schematisch)
E
σ
π1
π2
Ar + E+
Ar-E + H+
E+
E
+
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H E
H “H
H
H+
H
H
E
H
H
H
H
H
E
H
H
H
H+
2.1.2. Reaktivität
•
Elektronenschiebende Substituenten am Aromaten erhöhen die
Elektronendichte im aromatischen π-System und damit auch die
Reaktivität gegenüber Elektrophilen („der Aromat wird nucleophiler als
Benzol“)
+I, +M
O
”
S
”
O
–I, +M
OH
OPh
OR
O
R
SH
SR
O
NH2
NHR
NR2
O
+I
R
O ”
indifferent
H
Ph
H
H
NH
R
•
Elektronenziehende Substituenten am Aromaten erniedrigen die
Elektronendichte im aromatischen π-System und damit auch die
Reaktivität gegenüber Elektrophilen („der Aromat wird weniger
nucleophil als Benzol“)
–I
–I, –M
+
+
SR2+
CF3
O
O
O
R
OH
OR
CN
SO3H
SO2R
NR3
PR3
O
H
O
NR2
NO2
–I, +M
F
Cl
Br
I
•
Nicht alle Elektrophile können mit allen Aromaten reagieren.
•
Elektrophile, die mit aktivierten und desaktivierten Aromaten reagieren:
O
H
“
O N O
H2SO4
O N“
O ”
"Br+"
Br
Br
"Cl+"
Cl
Cl
SO3
O
+
HOSO2
HO S
O
Cl
MXn
MXn
O
H
“ O N“
O ”
H
NO2+
– H2O
Br
Br
MXn
Br+ BrMXn–
Cl
Cl
MXn
Cl+ ClMXn–
•
Elektrophile, die mit aktivierten Aromaten und Benzol reagieren:
R3C
+
R3C
RCH2+
RCO
Cl
RCH2
Cl
O
+
R
MXn
MXn
MXn
X
O
R
R3C+ ClMXn–
RCH2
R
“
“
MXn
R
X
RCOH2+
O
R
R2COH
O
R
R
O
”
O MXn
“
+
H
O H
R
H
“
+
H
O H
R
R
MXn
MXn+1–
X
H
+
Cl
+
RCH2
ClMXn–
•
Elektrophile, die nur mit stark aktivierten Aromaten reagieren:
“
N H
R
+
NO
“
Ar N N
+
R
N
H O N O
Ar NH2
Ar NH2
H
H+
NaNO2
HCl
iAmONO
NaOH
R
“
N H
“
H O N O
H
“
Ar N N
“
Ar N N
NO+
– H2O
2.1.3. Regioselektivität bei Mehrfachsubstitutionen
•
Substituenten 1. Ordnung am Aromaten dirigieren Zweitsubstituenten
in ortho- und para-Position.
+I, +M
O
”
S
”
O
–I, +M
OH
OR
OPh
O
R
SH
SR
O
NH2
NHR
F
Cl
O
+I
R
O ”
NR2
Br
NH
R
I
•
Substituenten 2. Ordnung am Aromaten dirigieren Zweitsubstituenten
in meta-Position.
–I
–I, –M
NR3+
+
+
PR3
SR2
CF3
O
O
O
O
O
H
R
OH
OR
NR2
NO2
CN
SO3H
SO2R
•
Erklärung mit Hilfe des Hammond-Postulats: Frühe Übergangszustände
sind eduktähnlich, späte Übergangszustände sind produktähnlich.
•
Bei elektrophilen aromatischen Substitutionen liegen überwiegend späte
Übergangszustände vor, nur bei sehr reaktiven Elektrophilen treten
frühe Übergangszustände auf.
•
Substituenten 1. Ordnung stabilisieren die Übergangszustände, die zu
o- und p-Produkt führen stärker, als die, die zu m-Produkt führen.
•
Substituenten 2. Ordnung destabilisieren die Übergangszustände, die
zum m-Produkt führen, weniger stark als die, die zu o- und p-Produkt
führen.
•
E
Reaktionsprofil einer SEAr mit Substituenten 1. Ordnung
Benzol
meta
ortho
para
Ar + E+
Ar-E + H+
•
Die Stabilität der Übergangszustände kann aus den mesomeren
Grenzformen für die jeweiligen Übergangszustände abgeschätzt
werden
•
Reaktionsprofil einer SEAr mit Substituenten 2. Ordnung
E
Benzol
meta
ortho
para
Ar + E+
Ar-E + H+
•
Die Stabilität der Übergangszustände kann aus den mesomeren
Grenzformen für die jeweiligen Übergangszustände abgeschätzt
werden
•
Experimentelle Daten
2.2.
•
Nucleophile Aromatische Substitution
Nucleophile aromatische Substitutionen können nach zwei
verschiedenen Mechanismen ablaufen, a) Additions-EliminierungsMechanismus und b) Eliminierungs-Additions-Mechanismus (ArinMechanismus).
2.2.1. Additions-Eliminierungs-Mechanismus
•
Elektronenarme Aromaten reagieren nach dem AdditionsEliminierungs-Mechanismus. Der geschwindigkeitsbestimmende
Schritt ist die Addition des Nucleophils.
•
Der Aromat muss eine geeignete Abgangsgruppe besitzen, meist ein
Halogen, aber auch Methoxy-Gruppen, Nitro-Gruppen oder
Sulfonylgruppen können als Abgangsgruppen fungieren.
•
Hydrid-Ionen sind extrem schlechte Abgangsgruppen und werden
nur ganz selten abgespalten.
•
Als Reaktionspartner
können
die_ üblichen Nucleophile
verwendet
_
_
_
_
_
werden, OH , RO , ArO , RS , F , RNH2, RNH , C-Nucleophile sind
eher selten.
•
Nucleophile aromatische Substitutionen nach dem AdditionsEliminierungs-Mechanismus verlaufen besonders leicht, wenn in
ortho- oder para-Position zur Abgangsgruppe eine
elektronenziehende Gruppe vorhanden ist.
X
X
X Nu
”
–
Nu
”
Nu
Z
Z
Z
Meisenheimer-Komplex
Nu
Nu
”
X
– X–
Z
•
Z
Eine Abgangsgruppe in m-Position zu einem elektronenziehenden
Substituenten wird weniger leicht substituiert als eine
Abgangsgruppe in o- und/oder p-Position.
•
Dirigierende Effekte
X
Nu
X
+ Nu–
X
– X–
Z
Z
X
+ Nu–
X
X
– X–
Nu
Z
Z
X
Nu
+ Nu–
X
Z
– X–
X
Z
2.2.2. Eliminierungs-Additions-Mechanismus
•
Unter drastischen Bedingungen können auch elektronenreiche
Aromaten, die eine Abgangsgruppe X besitzen, mit Nucleophilen
umgesetzt werden.
•
Dabei wird zunächst die Abgangsgruppe als HX eliminiert, erst dann
addiert das Nucleophil.
•
Als Zwischenverbindung tritt ein nicht isolierbares Arin auf.
Nu
X
H
Base
HNu
H
H
Nu
+
– HX
R
•
R
R
R
Die Regioselektivität ist in der Regel nur schwach ausgeprägt.
•
Dirigierende Effekte
Z
Z
X
Z
Z
Base
Nu
H
NuH
+
H
H
Nu
Hauptprodukt Nebenprodukt
Z
Z
Base
Z
Z
NuH
+
H
Nu
H
X
H
Nu
Hauptprodukt Nebenprodukt
Z
H
NuH
Base
H
Nu
H
+
+
+
H
Nu
X
viel
Z
Z
Z
Z
Z
Nu
wenig
Hauptprodukt
Nebenprodukte
H
D
D
X
D
D
Base
H
Nu
NuH
+
H
Nu
H
Hauptprodukt Nebenprodukt
D
D
Base
D
D
NuH
+
H
H
Nu
X
Nu
H
Hauptprodukt Nebenprodukt
D
D
H
+
+
+
H
Nu
X
H
Nu
H
NuH
Base
viel
wenig
D
D
D
D
H
Hauptprodukt
Nu
Nebenprodukte
H
•
Bindungsverhältnisse in Arinen
schwache
Bindung
=
•
Auf Grund der schwachen Bindung aus 2 sp2-Hybridorbitalen sind
Arine extrem reaktiv und können nur durch Abfangreaktionen
nachgewiesen werden.
•
Durch photochemische Abspaltung von CO2 aus Phthaloylperoxid
kann Arin in einer Ar-Matrix erzeugt und spektroskopisch untersucht
werden.
O
O
O
O
H2O2
O
O
O
hν
– 2 CO2
•
Herstellungsmöglichkeiten für Arine
F
Li
F
Cl
oder
Li
– LiF
nBuLi
COOH
iAmONO
COO–
NH2
NaOH
N2+
– CO2
– N2
N
Pb(OAc)4
N
N
N
NH2
•
N
N
– 2 N2
Wenn kein geeigneter Reaktionspartner vorhanden ist, dann
dimerisieren Arine zu Biphenylenen
2
2.2.3. Radikal-Mechanismus
•
Aromatische Substitutionen lassen sich auch photochemisch bei
tiefen Temperaturen (in flüssigem Ammoniak, Sdp. – 33 °C)
durchführen.
•
Die Reaktionen unterscheiden sich von anderen nucleophilen
aromatischen Substitutionen dadurch, dass Radikalanionen als
Intermediate auftreten.
•
Weil die angreifenden Teilchen Nucleophile sind, spricht man von
einem SRN1-Mechanismus.
X
X
+ e–
– X–
”
•
– X–
X
X
Nu
+
•
”
•
Nu
+ Nu–
•
”
•
Es gibt keine dirigierenden Effekte.
•
Elektronenziehende oder elektronenschiebende Substituenten wirken
sich nicht auf die Reaktionsgeschwindigkeit aus.
•
Der geschwindigkeitsbestimmende Schritt ist die Bildung des
Radikalanions des Edukts, unterschiedliche Nucleophile zeigen alle
praktisch die gleiche Reaktivität.
•
Radikalfänger bringen die Reaktion zum Stillstand.
•
Nucleophile, die nach einem SRN1-Mechanismus reagieren, sind
Enolate von Ketonen, 1,3-Diketonen, Estern und Amiden, Phenolate,
Thiophenolate, Phosphit-Anionen und Phosphidanionen.
2.3.
Radikale Aromatische Substitution
•
Einige wenige Reaktionen von Aromaten sind radikalische
Substitutionsreaktionen.
•
Aromaten zeigen nur mittelmäßige Reaktivität gegenüber Radikalen.
•
Von Bedeutung ist die Umsetzung von Aromaten mit Arylradikalen zu
Biphenylen.
•
Arylradikale können aus Aryldiazoniumsalzen oder aus NNitrosoacetaniliden erzeugt werden.
•
Die Ausbeuten liegen selten über 50%.
“
N N
–
–
+ OH
N N O H
+ OH
N N O
– H2O
”
Diazohydroxid
“
N N
2
N N O N N
– N2O
Diazoniumoxid
Diazoanhydrid
•
N
N
1) AcCl / Py
NH2
– AcO
–
O
2) NaNO2 / HCl
O
N N O
O
•
•
H
•
– H•
•
Weil keine dirigierenden Effekte auftreten, können als aromatische
Reaktionspartner für Arylradikale nur symmetrisch substituierte
Benzole eingesetzt werden, weil man sonst Mischungen aus
verschiedenen Regioisomeren erhält.
•
Diese Reaktion heisst Gomberg-Bachmann-Reaktion.
2.4.
Orto-Lithiierung von Aromaten
•
Der pKS-Wert von Benzol liegt bei ca. 43, der von nBuLi bei ca. 50.
•
Prinzipiell könnte Benzol also von nBuLi deprotoniert werden,
allerdings ist die Reaktion extrem langsam.
nBuLi
Li
H
3 h / 80 °C
nur 5 %
•
Setzt man der Lösung TMEDA (Tetramethylethylendiamin) zu, dann
bildet sich nach 3 h bei RT Ph-Li in 76% Ausbeute.
nBuLi
N
N
N
Li
H
N
3 h / RT
76 %
•
Grund: das PhLi wird durch Komplexbildung mit TMEDA stabilisiert,
ausserdem wird nBuLi durch denselben Prozess reaktiver gemacht.
•
Erkenntnis: Aromaten lassen sich nur gut deprotonieren, wenn das
entstehende Phenylmetall (hier PhLi) durch Komplexierung
stabilisiert wird.
•
Dies wird bei der ortho-Lithiierung dadurch ausgenutzt, dass sich ein
stabilisierender Substituent bereits im Aromaten befindet.
O
nBuLi
O
Li
H
Et2O / T < 0 °C
•
Lithiierte (= deprotonierte) Aromaten sind sehr gute Nucleophile, d.h.
sie können von Elektrophilen sehr leicht angegriffen werden (viel
leichter als bei der elektrophilen aromatischen Substitution).
•
Mechanismus: nBuLi (oder sec. BuLi oder tertBuLi) komplexiert erst
an den stabilisierenden Substituenten und wird dadurch so orientiert,
dass eine Deprotonierung in ortho-Stellung zu diesem Substituent
leicht möglich wird. –I-Effekte erleichtern die Deprotonierung.
O
O
Li
Li
H
•
+
H
Im Laufe der Zeit hat man viele Substituenten entdeckt, die die orthoLithiierung begünstigen.
O
O
O
NR2
NR2
N
O
O
S NR2
O
NR2
O
O
Ortho-dirigierende Wirkung nimmt ab
F
NR2
O
O
O
O
•
Wenn ein Aromat mehrere ortho-dirigierende Substituenten enthält,
dann kann man mit der sehr starken Base nBuLi + KOtBu in orthoPosition zum elektronegativeren Substituenten deprotonieren.
•
Mit der schwächeren Base nBuLi deprotoniert man neben dem
besseren Ligand für Lithium.
Li
Li
nBuLi
F
nBuLi
F
OMe
OMe
F
OMe
KOtBu
•
Als Elektrophile sind alle denkbaren Elektrophile einsetzbar, z. B.
O
O
R I
R
R
R'
H
Br2
CO2
NBS
O
O
Cl
H
NMe2
NMe2
•
Es lassen sich auch mehrere ortho-Lithiierungen nacheinander
ausführen, wenn der nach der ersten ortho-Lithiierung eingeführte
Substituent selbst wieder ein Substituent ist, der die ortho-Lithiierung
begünstigt.
MeO
O
NEt2
O
MeO
O
NEt2
O
nBuLi
+ ClCONEt2
O
MeO
Li
O
MeO
O
MeO
O
nBuLi
NEt2
NEt2
O
MeI
NEt2
O
Li
O
Me
O
O
NEt2
– LiCl
NEt2
NEt2
•
Um reversibel eine orto-Position zu blockieren, kann man eine TMSSchutzgruppe einführen.
H
NEt2
O
H
O
H
O
NEt2
+ TMSCl
O
nBuLi
O
H
NEt2
O
Li
TMS
– LiCl
O
NEt2
Li
O
O
+ ClCONEt2
nBuLi
Et2N
O
Et2N
O
NEt2
O
H
O
Et2N
O
TBAF
O
TMS
TMS
O
NEt2
NEt2
O
nBuLi
Li
O
Et2N
OH
O
NEt2
•
Trick, um in ortho-Position zu einer Aldehyd-Gruppe ein Elektrophil
einzuführen: in situ-Schutzgruppe
O
H
N
nBuLi
N
Li
N
Li
H
N
O
− 78 °C
− 78 °C
N
N
Li
O
nBuLi
− 78 °C
O
1) DMF
N
Li
2) H3O+
N
H
H
O
•
Kann Benzylmethylether auch ortho-lithiiert werden? Nein!
Benzylmethylether geht die 1,2-Wittig-Umlagerung ein!!!
•
R = H, Alkyl, Aryl, Alkenyl, Alkinyl, COOR, COOM,
R‘ = Alkyl, Allyl, Benzyl, Aryl
R
O
R'
nBuLi
”
R
O
R'
R'
(1)
R
O ”
(2)
”
R
O•
• R'
• R'
•
R
O
”
•
(1) beschreibt einen konzertierten Mechanismus, (2) einen
Radikalmechanismus. Beide Mechanismen laufen nebeneinander ab,
wobei (2) aber deutlich überwiegt.
•
Der Radikal-Mechanismus läuft in einem Lösungsmittelkäfig ab.
•
Wittig hat solche Umlagerungen lange vor der Wittig-Olefinierung
beschrieben.
•
Ausserdem gibt es noch die 2,3-Wittig-Umlagerung.
R'
R'
R'
nBuLi
R
•
O
”
R
O
R
O
”
Dabei handelt es sich um eine Reaktion, die nach einem
konzertierten Mechanismus abläuft (sigmatrope Umlagerung).
2.5.
Übergangsmetallkatalysierte Reaktionen
2.5.1. Essentielle Grundlagen der Metallorganik
•
Die Metallorganische Chemie befasst sich mit Metallkomplexen, die
neben anorganischen Liganden auch organische Liganden besitzen.
allgemeine Formel
[MXaLb]
c
•
M = Metall (meistens ein Nebengruppenmetall)
•
X und L sind Liganden (mindestens ein organisches Molekül).
•
c ist die Ladung bei geladenen Komplexen.
•
In metallorganischen Komplexen liegt mindestens eine MetallKohlenstoff-Bindung vor.
•
Ganz allgemein: das Metall beeinflusst den organischen Liganden
durch elektronische und sterische Effekte und verändert so die
Reaktivität des komplexierten organischen Moleküls im Vergleich zum
unkomplexierten Zustand.
1) Metall M
•
Die für die Organische Chemie wichtigsten metallorganischen
Komplexe sind solche mit Fe, Co, Ni, Cu, Rh, Pd, Pt.
•
Hier in dieser Vorlesung: Pd
•
Wichtig: Elektronenkonfiguration der Metalle. Achtung! Die
Elektronenkonfiguration der Metalle in Komplexen sind anders als die
der elementaren Metalle!
•
Bei den elementaren Metallen liegt das n s-Orbital (n = Hauptquantenzahl) energetisch unter den (n-1) d-Orbitalen, wird also vor
den d-Orbitalen besetzt.
•
Bei den Metallen in Komplexen ist das n s-Orbital energiereicher als
die (n-1) d-Orbitale, wird also nicht besetzt.
2) Liganden X und L
•
Übliche Liganden: H, Alkylreste, Arylreste, CO, CN−, H2O, OH−,
CH3-COO−, NH3, NR3, Halogene, PPh3, Alkene, Diene, R-CN, R-NC,
usw.
•
Nach Crabtree und Greene werden Liganden in zwei Klassen
unterteilt: X und L
•
Liganden des L-Typs sind neutrale 2-Elektronen-Donoren, wie z. B.
CO, PPh3, Ethen, H2O usw.
•
Liganden des X-Typs sind einfach negativ geladene 2-ElektronenDonoren, wie z. B. CN−, Cl−, CH3− usw. Als Neutralteilchen sind XLiganden 1-Elektron-Donoren.
•
Liganden können auch gemischte Typen sein, wie z. B. das
Allylanion CH2=CH−CH2−. Insgesamt liegt ein 4-Elektronen-Donor
vor, der als LX zu klassifizieren ist.
•
Wenn man alle Liganden eines Komplexes entsprechend klassifiziert
hat, dann kann man relativ einfach verschiedene Kenngrößen
berechnen, die den Komplex charakterisieren.
3) Charakteristische Größen für Komplexe
•
Zahl der Elektronen in der Valenzschale des Metalls in einem Komplex
[MXaLb]c, wobei M in der Gruppe N des Periodensystems steht:
VE = N + a + 2b – c
•
Koordinationszahl:
CN = a + b
•
Oxidationsstufe des Metalls:
OS = a + c
•
Zahl der d-Elektronen des Metalls:
dn = d(N – a – c)
•
Beispiele:
RhCl(PPh3)3 = MXL3
N=9
Pd(PPh3)2Br(C6H5) = ML2X2 N = 10
VE = 9 + 1 + 2·3 - 0 = 16
VE = 10 + 2 + 2·2 - 0 = 16
CN = 1 + 3 = 4
CN = 2 + 2 = 4
OS = 1 + 0 = 1
OS = 2 + 0 = 2
dn = 9 - 1 = 8
dn = 10 - 2 = 8
4) 18-Elektronen-Regel
•
Hauptgruppenverbindungen gehorchen (mehr oder weniger) der 8Elektronen-Regel (Oktett-Regel).
•
Analog zur Oktett-Regel existiert für Übergangsmetallkomplexe die
18-Elektronen-Regel, die besagt, dass das Metall im Komplex
bestrebt ist, in seinen Verbindungen die Elektronenkonfiguration des
nächsten Edelgases einzunehmen. Diese umfasst 10 d-Elektronen, 2
s-Elektronen und 6 p-Elektronen, also zusammen 18 Valenzelektronen.
•
Es gibt jedoch (wie bei der Oktett-Regel auch) zahlreiche
Ausnahmen der 18-Elektronen-Regel.
•
Beispiele:
Cr(CO)6 = MX0L6 N = 6
Rh(H)(H)(PPh3)2(CO)Cl = MX3L3 N = 9
VE = 6 + 2·6 - 0 = 18
VE = 9 + 3 + 2·3 - 0 = 18
OS = 0 + 0 = 0
OS = 3 + 0 = 3
5) Strukturen von Metallkomplexen
•
Die Struktur von Metallkomplexen hängt von der Koordinationszahl,
von der Art des Liganden und von der Zahl der d-Elektronen ab.
•
Man kann die Struktur von Metallkomplexen mit Modellen zu
Bindungsverhältnissen erklären (vgl. nächstes Kapitel), aber nicht
ohne weiteres vorhersagen.
•
Allgemein beobachtet man folgende Strukturen:
Koordinationszahl
2
3
Struktur
L M L
L
L M
L
4
L
L M L
L
5
L
L M
L
6
L
L
L
M
L
L
L M
L
L
L M L
L
L
L
L
L
L
M
L
L
L
L
M
L
L
6) Bindungsverhältnisse in ÜM-Komplexen
•
In der Organischen Chemie verwendet man zur Beschreibung der
Struktur von organischen Molekülen Formeln, die auf der ValenceBond-Theorie von Pauling basieren.
Prinzipielle Vorgehensweise: 1) Hybridisierung der Valenzorbitale
des Zentralatoms zu geeignet ausgerichteten Hybridorbitalen. 2)
Überlappung dieser Hybridorbitale mit geeigneten Orbitalen der
Substituenten zu lokalisierten Bindungsorbitalen.
Vorteile: 1) Anschaulich. 2) Die so erhaltenen Formeln lassen sich
durch Lewis-Formeln darstellen. 3) In Fällen, in denen 2) nicht
möglich ist, wird der Begriff „Mesomerie“ eingeführt. 4)
Reaktionsmechanismen lassen sich durch „Elektronenschieben“
verdeutlichen.
•
Nachteil: Aus heutiger Sicht zu einfach und nicht genau genug, wenn
man Molekülstrukturen und Moleküleigenschaften berechnen will.
•
Im Vergleich dazu sind die Bindungsverhältnisse in Übergangsmetallkomplexen extrem (!) kompliziert.
•
Es gibt prinzipiell drei verschiedene Möglichkeiten, die Bindungsverhältnisse in ÜM-Komplexen zu beschreiben: VB-Theorie,
Ligandenfeldtheorie und MO-Theorie.
VB-Theorie
Ligandenfeldtheorie
MO-Theorie
Struktur
Struktur
Struktur
Hybridisierung
Aufspaltung der
Aufspaltung der
des Metalls
d-Orbitale des Metalls
d-Orbitale des Metalls
Überlappung
Hinzufügen von
Überlappung mit
mit Ligandenorbitalen
Ligandenorbitalen
Ligandenorbitalen
geeigneter Symmetrie
lokalisierte
lokalisierte
Bindungsorbitale
Bindungsorbitale
delokalisierte
(Summe aus Metall-
Bindungsorbitale
und Ligandenorbitalen)
(erstrecken sich über
mehrere Atome)
•
Dilemma: egal, durch welche Theorie man die Bindungsverhältnisse
beschreibt, man hat immer Probleme, die Verhältnisse mit LewisFormeln zu veranschaulichen.
•
Ausweg: man beschränkt sich auf die Veranschaulichung einzelner
Bindungen und betrachtet in den seltensten Fällen den gesamten
Komplex.
•
Beispiel: Cr(CO)6 oktaedrisch, 18 Valenzelektronen, Koordinationszahl 6, Oxidationsstufe 0, d6-Konfiguration.
CO
OC
OC
Cr
CO
C O
C O
CO
CO
übliche Darstellung
(die Details muss
man sich denken)
irgend ein leeres
d-Orbital von Cr
nichtbindendes
Elektronenpaar
von CO
M-C-σ-Donor-Bindung
irgend ein volles
d-Orbital von Cr
leeres antibinden-
des π-MO von CO
M-C-π-Akzeptor-Bindung
•
Beispiel: [Pt(CH2=CH2)Cl3]− quadratisch, [MX3L]−-Typ, N = 10, 16
Valenzelektronen, Koordinationszahl 4, Oxidationsstufe +2, d8Konfiguration.
Cl
Cl
CH2
Pt
−
CH2
Cl
übliche Darstellung
(die Details muss
man sich denken)
irgend ein leeres
d-Orbital von Pt
CH2
CH2
CH2
CH2
bindendes π-MO
von Ethylen
M-C-σ-Donor-Bindung
irgend ein volles leeres antibindendes
d-Orbital von Pt π-MO von Ethylen
M-C-π-Akzeptor-Bindung
•
Fazit: in der Metallorganischen Chemie bedeutet ein Bindungsstrich oft
viel mehr als nur eine Einfachbindung.
•
Dadurch wird das bekannte (und bewährte!) Elektronenschieben der
Organischen Chemie nicht unbedingt auf die Metallorganik übertragbar.
•
Auf Grund der möglichen Bindungsverhältnisse kann man die Liganden
genauer klassifizieren.
•
σ-Donor-Liganden: NR3, OR2, σ-Alkyl, σ-Alkenyl, σ-Aryl, H; erhöhen die
Elektronendichte am Metall.
•
σ-Donor-π-Akzeptor-Liganden: CO, CN−, PPh3, Alkene, Alkine,
Aromaten; erniedrigen die Elektronendichte am Metall.
•
σ-Donor-π-Donor-Liganden: OH− , OR− , F−, Cl−, RCOO− ; erhöhen die
Elektronendichte am Metall.
•
Ob ein Ligand im konkreten Fall als σ-Donor, als π-Donor oder/und als πAkzeptor fungiert, hängt auch vom Metall und dessen Oxidationsstufe ab.
•
Durch die Koordination eines organischen Liganden an ein Metall wird
nicht nur die Elektronendichte im Metall verändert, sondern auch die
Elektronendichte im Ligand selbst.
•
Dadurch kann ein komplexiertes organisches Molekül ganz andere
Reaktionen eingehen als das nicht-gebundene Molekül. Dies wird bei
Übergangsmetall-katalysierten Reaktionen ausgenutzt.
2.5.2. Reaktionsmechanismen in der Metallorganik
1) Ligandenaustauschreaktionen
•
Formal wird ein Ligand durch einen anderen ersetzt, z. B. Br− durch
OH−
Ph3P
Br
Ph3P
+ NaOH
Pd
OH
Pd
Ph3P
– NaBr
Ph3P
•
Ligandenaustauschprozesse können dissoziativ oder assoziativ
ablaufen.
•
Koordinativ gesättigte 18-Elektronenkomplexe reagieren
(überwiegend) nach dem dissoziativen Mechanismus:
CO
OC
OC
Cr
CO
CO
CO
CO
130 °C
– CO
OC
OC
Cr
CO
CO
PPh3
CO
OC
OC
Cr
CO
PPh3
CO
•
Koordinativ ungesättigte 16-Elektronenkomplexe können nach dem
assoziativen Mechanismus reagieren:
+
N
Et3P
Cl
•
Pt
N
Cl
Et3P
PEt3
Cl
– Cl
–
Et3P
Cl
PEt3
Pt
N
PEt3
Es sind aber auch Fälle bekannt, in denen 16- Elektronenkomplexe
nach einem dissoziativen Mechanismus reagieren.
Br
Ph3P
Ph3P
Pd
Ph3P
•
Pt
Cl
– Br
–
Pd
Ph3P
+ OH–
OH
Ph3P
Pd
Ph3P
Bisher gibt es noch keine überzeugenden Argumente für einen
assoziativen Mechanismus bei quadratisch-planaren Pd(II)Komplexen.
2) Oxidative Addition und Reduktive Eliminierung
•
Bei der Oxidativen Addition wird eine C-X-Einfachbindung durch einen
koordinativ ungesättigten Metallkomplex (oder ein Metall) in niedriger
Oxidationsstufe gespalten und beide Komponenten werden koordiniert.
Dabei erhöht sich die Oxidationsstufe des Metalls um 2 Einheiten.
•
Auch die Oxidative Addition kann nach mehreren Mechanismen
ablaufen: konzertiert, SN2-artig und nach einem Radikalmechanismus.
•
Nach einem konzertierten Mechanismus werden unpolare Verbindungen,
wie H2, wenig polare C-H-Bindungen und Csp2−X-Bindungen oxidativ
addiert. X = Abgangsgruppe Cl, Br, I, OTf, OTs usw.
#
Br
Ph3P
R
Ph3P
Pd
Pd
PPh3
Br
Ph3P
Br
Pd
Ph3P
R
Ph3P
R
•
Bei einem konzertierten Mechanismus sind die addierten Liganden
zunächst immer cis-ständig angeordnet. Anschließende (schnelle)
Isomerisierungen sind möglich, müssen aber nicht stattfinden.
•
Csp3−X-Bindungen werden nach einem SN2-Mechanismus und COXBindungen nach einem SN2t-Mechanismus oxidativ addiert. Dabei
fungiert das Metall als Nucleophil.
Ph3P
OC
Ir
CH3 Cl
Cl
PPh3
CH3
Ph3P
OC
Ir
Cl
+ Cl
CH3
”
Ph3P
OC
PPh3
Ir
Cl
PPh3
Cl
•
Die Reduktive Eliminierung ist die Umkehrung der Oxidativen Addition.
Dabei müssen die zu eliminierenden Liganden immer cis-ständig sein.
•
Entscheidend für den Nutzen in der Organischen Synthese: bei der
Reduktiven Eliminierung werden andere Liganden entfernt als vorher
oxidativ addiert wurden.
R2
Ph3P
Ph3P
Pd
2
+
Pd
Ph3P
PPh3
R1
1
R
R
3) Transmetallierung
•
Bei der Transmetallierung wird ein ÜM-Komplex mit einer Hauptgruppenmetallverbindung (B-Verbindung, Al-Verbindungen, Si-Verbindung, SnVerbindung, Grignard-Verbindung u.ä.) oder mit einer anderen ÜMVerbindung (Cu-organische Verbindung oder Zn-organische Verbindung,
Zr-organische Verbindungen u.a.) umgesetzt.
•
Dabei überträgt die zweite Verbindung ihren organischen Substituenten
auf den ÜM-Komplex. Aus der Sicht des übertragenen Substituenten
findet eine Transmetallierung („Ummetallierung“) statt.
•
Die Reaktion funktioniert gut, wenn die Elektronegativität des ÜM größer
ist als die des Hauptgruppenmetalls oder des zweiten ÜM.
•
Es liegt sehr wahrscheinlich ein konzertierter Mechanismus mit einem 4gliedrigen Übergangszustand vor.
”
Ph3P
OH
Pd
OH
B OH
OH
Ph3P
OH
Pd
Ph3P
Ph3P
R1
R1
OH
HO
B”
OH
Ph3P
Pd
– B(OH)4
–
Ph3P
R1
4) Nucleophile Addition an Liganden
•
An ÜM koordinierte Liganden verhalten sich chemisch anders als
ungebundene Liganden.
•
Donor-Liganden werden in der Regel durch Koordination an ein ÜM
positiver als in freier Form. Dadurch können Nucleophile addiert werden.
• π-gebundene Liganden gehen dabei meist in σ-gebundene Liganden
über.
Ph3P
OH
Ph3P
Pd
Ph3P
OC
Cr
CO
H
+
Ph3P
OH
Pd
OC
OC
Cr
CO
“
C
CO
”
O
OH
Ph3P
R
CO
CO
O
–H
Ph3P
“
R
CO
H
Pd
CO
OC
OH
R
CH3 Li
CO
OC
OC
Cr
CO
O
C
CO
”
CH3
2.6.
•
Knüpfung von C-C-Bindungen
Wichtigste Reaktionen in der modernen synthetischen Chemie:
Knüpfung von C-C-Bindungen zum Aufbau von Kohlenstoffgerüsten.
2.6.1. Synthese von aromatischen
Carbonsäuren und Derivaten
1) durch Kolbe-Schmidt-Reaktion
•
Reaktion von Natriumphenolat mit CO2 zu Salicylsäure (als Ausgangsmaterial für Aspirin)
”
OH
NaOH
“
Na
O
O
O
”
“
Na
O
C
O ” “
Na
H2O / H+
HO
O” “
Na
OH
OH O
O
COOH
•
Reaktion von Kaliumphenolat mit CO2 zu p-Hydroxybenzoesäure (als
Ausgangsmaterial für Parabene)
”
OH
KOH
O
K“
O
O
O
”
OH
K
C
O
“
O
OH
H
O ” K“
H2O / H+
O
•
O
COOH
” “
K
Grund für die unterschiedlichen Reaktionsverläufe: Komplexierungsverhalten von Na+ und K+.
Na
”
O
“
”
O
C
O
O
K“
O C O
2) aus Aryl-Grignard-Verbindungen und CO2
•
Arylhalogenide lassen sich mit Mg in Grignard-Verbindungen überführen,
die dann mit CO2 zu den entsprechenden Carbonsäuresalzen reagieren.
Wässerig-saure Aufarbeitung liefert Benzoesäurederivate.
Mg
O
O C O
H+ / H2O
O
Mg–Br
Br
OH
OMgBr
•
Der Arylring kann funktionelle Gruppen enthalten, die mit GrignardReagenzien bei RT oder höherer Temperatur kompatibel sind.
•
Man kann Arylgrignard-Reagenzien auch durch Umgrignardisierung mit
Isopropylmagnesiumbromid bei -40 °C herstellen. Dann können
Arylhalogenide auch Estergruppen, Nitrilgruppen und Nitrogruppen
enthalten (!).
Mg
FG
Br
Br
FG
1) O C O
Mg Br
THF / – 40 °C
+
2) H / H2O
FG
O
OH
•
Mit Chlorameisensäureestern kommt man direkt zu Benzoesäureestern.
O
FG
1)
Mg Br
Cl
OR
FG
2) H+ / H2O
O
OR
3) durch Ortholithiierung und Reaktion mit CO2
•
Durch ortho-Lithiierung erzeugte Aryl-Lithium-Verbindungen können
ebenfalls mit CO2 in substituierte Benzoesäuren und mit Chlorameisensäureestern in Benzoesäureester überführt werden.
O
O
tBuLi
O
THF / -90 °C
Li O
O
O
tBuLi
O
THF / -90 °C
Li O
1) CO2
+
O
O
2) H / H2O
COOH
1) Cl-CO-OR
+
2) H / H2O
O
O
COOR
4) aus Arylhalogeniden und CO
•
Häufig eingesetzter Katalysator: Pd(PPh3)4
ML4
PPh3
Ph3P
•
Pd PPh
3
PPh3
N = 10
VE = N + 2·4 = 18
OS = 0
CN = 4
d =d
n
10
)=d
Pd(PPh3)4 geht durch Verlust von 2 PPh3-Liganden in die katalytisch
aktive Spezies über.
PPh3
Ph3P
Pd
PPh3
PPh3
PPh3
•
(N-0-0
Pd
– 2 PPh3
PPh3
Arylhalogenide lassen sich sehr leicht an Übergangsmetallkomplexe
oxidativ addieren.
PPh3
Pd
PPh3
Ph3P
IsomeriPd
Br
Ph3P
Br
sierung
Ph3P
Pd
Br
PPh3
•
Nun folgt ein Ligandenaustausch mit CO
Ph3P
Pd
Br
•
PPh3
– PPh3
“
O
Ph3P
Pd
Pd
Br
Br
CO
Der Arylring greift nun intramolekular das CO nucleophil an („COInsertion“.
Ph3P
Ph3P
Pd
Br
+ PPh3
Pd
C
O
•
”
C
Ph3P
Br
C
O
PPh3
Ph3P
Pd
Br
C
O
Durch Reaktion mit Wasser bildet sich die Carbonsäure und ein
Hydridokomplex. Mit Alkoholen als Nucleophil erhält man
Benzoesäureester und mit primären oder secundären Aminen erhält man
Carbonsäureamide.
PPh3
Ph3P
H
Pd
Br
•
C
O
H
O
PPh3
Ph3P
Pd
Br
+
COOH
H
Eine von aussen zugesetzte Base (K2CO3 oder NEt3) spaltet HBr ab und
regeneriert die katalytisch aktive Spezies.
PPh3
Ph3P
Pd
Br
•
PPh3
H “
Pd
O H
Br
C O
”
Ph3P
NEt3
Ph3P
Pd
PPh3
H
Üblicherweise werden solche Reaktionssequenzen in einem Katalysecyclus dargestellt (wobei man oft Details wie z.B. Isomerisierungen
einfach weglässt).
•
Katalysecyclus
PPh3
Ph3P
Pd
PPh3
PPh3
– 2 PPh3
HBr
PPh3
Br
Pd
PPh3
Ph3P
PPh3
Ph3P
Pd
Pd
Br
Ph3P
H
Br
COOH
PPh3
Ph3P
Ph3P
Pd
Br
Pd
C
O
Br
PPh3
Ph3P
CO
Pd
Br
CO
5) aus aktivierten Aromaten und Trichloracetonitril
•
Trichloracetonitril ist in der Lage, als Elektrophil aktivierte (elektronenreiche) Aromaten anzugreifen.
•
Mechanismus: elektrophile aromatische Substitution.
EDG
Cl3C C N
H+
EDG
“
Cl3C C N H
– H+
EDG
C N
– CHCl3
N H
CCl3
6) durch Gattermann-Amid-Synthese
•
Mit Carbamoylchlorid und AlCl3 läßt sich in Aromaten eine Amidgruppe
einführen.
•
Man benötigt äquimolare Mengen an AlCl3.
•
Mechanismus: elektrophile aromatische Substitution.
O
H2N
AlCl3
Cl
H+ / H2O
“
H2N
O
AlCl3–
Cl
O
AlCl3–
Cl
NH2
O
NH2
•
Aromatische Amide kann man ebenfalls aus Isocyanaten in Gegenwart
von H+ erhalten.
2.6.2. Synthese von Arylketonen und
Arylaldehyden durch C-C-Knüpfung
1) durch Friedel-Crafts-Acylierung
•
Umsetzung von Benzol und aktivierten Aromaten mit Carbonsäuren und
Derivaten (Säurechloride, Anhydride) in Gegenwart von Lewis-Säuren
oder starken Brönstedt-Säuren zu aromatischen Ketonen.
•
Mechanismus: Elektrophile aromatische Substitution SEAr
•
Das Produkt bindet 1 Äquivalent Lewis-Säure, daher benötigt man >1
Äquivalent Lewis-Säure als „Katalysator“. Ausnahme: Sc(OTf)3 als
Lewis-Säure!
•
Angreifendes Elektrophil ist der Komplex aus Säurederivat und LewisSäure oder das freie Acyliumion (hängt von der Stabilität des
Acyliumions ab).
•
Wenn sich durch CO-Abspaltung aus freien Acyliumionen stabile
Carbeniumionen bilden können, dann beobachtet man Friedel-CraftsAlkylierungen als Nebenreaktionen oder auch als Hauptreaktionen
(hängt auch von der Stabilität des Acyliumions ab).
•
Beispiel: Haworth-Naphthalin-Synthese
O
O
O
O
AlCl3
1) Na / EtOH
KOH
HOOC
200 °C
HOOC
O
+ S / 200 °C
2) H+
•
H+
N2H4
– H2S
Fries-Umlagerung
O
OH
R-COCl
O
R
OH O
AlCl3
OH
R
AlCl3
R
O
2) durch Vilsmeier-Formylierung
•
Es gibt keine Friedel-Crafts-Formylierung weil Ameisensäurechlorid
nicht stabil ist. H-CO-Cl zerfällt in CO und HCl !!!
Das Anhydrid der Ameisensäure H-CO-O-CO-H ist auch nicht stabil !
Gemischte Anhydride aus Ameisensäure und Essigsäure oder
Trifluoressigsäure führen zum acetylierten bzw. trifluoracetylierten
Aromaten!!!
•
Deshalb die Entwicklung der Vilsmeier-Formylierung = Übertragung der
Formyl-Gruppe aus Dimethylformamid auf den Aromaten.
•
Benzol und aktivierte Aromaten reagieren mit DMF/POCl3 zu den
entsprechenden aromatischen Aldehyden.
Cl
•
Das reaktive Teilchen ist das Vilsmeier-Salz
•
Die Vilsmeyer-Reaktion funktioniert auch gut bei elektronenreichen
Heterocyclen wie Pyrrol, Thiophen und Furan und deren
benzokondensierten Derivaten sowie Imidazol.
•
Alternativ zu DMF wird oft auch N-Methyl-Formanilid verwendet.
“ N
H
•
Mechanismus
O
O ”
O
H
H
O
P Cl
Cl
Cl
O
O P Cl
Cl
Cl
H
“N
N
“
N
”
O P
“N
Cl
H
Cl
Cl
”
O
O P
N
Cl
Cl H
Cl
Cl
– PO2Cl2
H
•
– Cl–
N
H
H
N
Cl
“ N
–
+
H2O / H
N
“
Cl
“
H
– H+
H
O
Beispiele:
O
H
N
H
2) TBAF
POCl3 / DMF
TIPS-Cl
1) POCl3 / DMF
N
Si
DIPEA
N
H
O
N
H
H
3) durch Gattermann-Reaktion
•
Es gibt verschiedene Varianten der Gattermann-Reaktion
•
Gattermann-Koch-Reaktion: Einleiten von wasserfreiem HCl und CO zu
einem Gemisch aus aktivierten Aromaten und AlCl3 und CuCl
Cl
“
“
O C Cu2” H
Cl
HCl
CuCl
”
“
C O
HCl
AlCl3
“
”
H C O AlCl4
•
Das Reaktionsgemisch verhält sich so, als ob Formylchlorid eingesetzt
worden wäre.
•
Gattermann-Reaktion: Einleiten von Wasserfreier Blausäure und
wasserfreie HCl zu einem Gemisch aus aktiviertem Aromaten und
Lewis-Säure.
H C N
•
HCl
“
H C N H
”
Cl
Gattermann-Adams-Reaktion: Statt gasförmiger Blausäure wird
Zinkcyanid verwendet (besseres Handling).
Zn(CN)2
HCl
– ZnCl2
H C N
HCl
“
H C N H
”
Cl
4) durch Reimer-Tiemann-Reaktion
•
Bei der Reimer-Tiemann-Reaktion werden Phenol oder Phenolderivate
mit NaOH/CHCl3 zu Salicylaldehyd oder Derivaten davon umgesetzt.
•
Es entsteht überwiegend ortho-Produkt
•
Mechanismus:
”
Cl
Cl
Cl
”
O H
H
– H2O
”
O
Cl
Cl
H
Cl
”
Cl
Cl
Cl
–
– Cl
”
”
O H
– Cl–
O
O
O
Cl
O
”
H
Cl
H
”
O
H Cl
”
Cl
O
O H
OH O
H
+
H2O / H
–
– Cl
– H2O
•
Ausbeuten klassisch: o-Hydroxybenzaldehyd: 35%
p-Hydroxybenzaldehyd: 12%
•
Verbesserung der Ausbeuten und verkürzen der Reaktionszeit durch
Microwellenheizung!
H
•
Mit Pyrrol bildet sich zu 31% der Pyrrol-2-aldehyd und zu 13% 3-Chlorpyridin.
CHCl3 / NaOH
Cl
O
N
H
N
H
+
N
H
31%
•
13%
Mechanismus der Nebenreaktion (wird oft auch als „anormale“ ReimerTiemann-Reaktion bezeichnet):
Cl
N
H
Cl
Cl
Cl
N
H
”
Cl
O H
– Cl–
– H2O
N
5) durch Houben-Hösch-Reaktion
•
Bei der Houben-Hösch-Reaktion werden Phenol oder Phenolderivate
mit Nitrilen in Gegenwart von wasserfreier HCl zu aromatischen Ketonen
umgesetzt.
•
Es entsteht überwiegend para-Produkt
•
Mechanismus:
R
HCl
R C N
R
H
“
N
H
– Cl–
“
R C N H
–H
R
H 2 O / H+
O
+
N
H
+ H+
6) durch Ortho-Lithiierung
•
Die durch ortho-Lithiierung erhaltene Lithiumorganische Verbindung
kann mit Dimethylformamid formyliert werden.
O
O
tBuLi
O
THF / -90 °C
Li O
O
1) DMF
O
+
2) H / H2O
H
O
•
Als Formylierungsreagenz kann auch ein gemischtes Anhydrid aus
Ameisensäure und Essigsäure verwendet werden.
O
O
O
tBuLi
O
THF / -90 °C
Li O
1) H
O
O
O
O
+
2) H / H2O
H
O
•
Um bessere Ausbeuten zu erhalten, setzt man der Ar-Li-Verbindung
gelegentlich MgBr2 zu (Transmetallierung!).
7) durch übergangsmetallkatalysierte
Carbonylierung
•
Analog zur übergangsmetallkatalysierten Carboxylierung können auch
Carbonylierungen (Formylierungen) ausgeführt werden.
PPh3
Ph3P
Pd
PPh3
Pd
PPh3
– 2 PPh3
PPh3
PPh3
Ph3P
IsomeriPd
Pd
Br
Ph3P
PPh3
Ph3P
Br
Pd
Br
PPh3
Ph3P
Pd
sierung
”
C
Ph3P
– PPh3
PPh3
“
O
Br
Ph3P
Pd
Br
PPh3
Pd
Br
CO
•
Unterschied zur Carboxylierung: der entstandene Acyl-Komplex wird
durch Wasserstoff zum Aldehyd und zum Hydrido-Komplex reduziert.
•
Wie diese Reduktion mechanistisch funktioniert, ist ungeklärt.
•
Gezeigt ist eine hypothetische Möglichkeit.
Ph3P
H
Ph3P
Pd
Br
Br
O
H
Ph3P
Pd
Br
H
Pd
C
PPh3
PPh3
Ph3P
Pd
H
Pd
C
+
Br
O
C
Br
+ H H
H
H
Ph3P
NEt3
Ph3P
Pd
PPh3
O
•
PPh3
Katalysecyclus
Ph3P
Pd
PPh3
PPh3
– 2 PPh3
HBr
PPh3
Br
Pd
PPh3
H
O
Ph3P
PPh3
Ph3P
Pd
Pd
Br
Ph3P
H
Br
H2
PPh3
Ph3P
Ph3P
Pd
Br
Pd
C
O
Br
Ph3P
CO
Pd
Br
PPh3
PPh3
CO
PPh3
2.6.3. Synthese von Benzylalkoholderivaten
1) durch Hydroxyalkylierung
•
Man setzt Benzol oder aktivierte Aromaten mit Aldehyden oder Ketonen
in Gegenwart von katalytischen Mengen Säure um und erhät
Benzylakoholderivate.
+
H
O
R
•
O
R'
H
R “ R'
R
–H
OH
+
R'
Beispiel:
Cl
O
Cl3C
Cl
H
+
cat. H
Cl
OH
H
CCl3
H
Cl
cat. H
+
Cl
CCl3
DDT
2) durch Blanc-Reaktion
•
Man setzt Benzol oder aktivierte Aromaten mit Formaldehyd in
Gegenwart von HCl um, dann wird der gebildete Benzylalkohol
anschließend noch in einer SN1-Reaktion in das Chlorid überführt.
H
O
H
•
H
+
O
H
H “ H
H
–H
+
OH
H
HCl
H
Cl
H
Funktioniert auch mit anderen Aldehyden, wird aber selten angewendet.
3) durch Ortho-Lithiierung
•
Die durch ortho-Lithiierung erhaltene Lithiumorganische Verbindung
kann mit Aldehyden und Ketonen in Benzylalkoholderivate überführt
werden.
O
O
O
tBuLi
O
THF / -90 °C
Li O
1)
R
O
R'
O
+
2) H / H2O
HO
R
R'
•
Manchmal findet auch vor der Umsetzung mit Aldehyden oder Ketonen
eine Ummetallierung mit MgBr2, mit ZnBr2 oder mit CeCl3 zu den
entsprechenden Reagenzien statt.
•
Durch Ummetallierung erhaltene Zn- und Ce-metallorganische
Verbindungen tolerieren viele funktionelle Gruppen im Rest R.
•
Wichtig: Zn-Organische Reagenzien reagieren nur noch mit Aldehyden.
2.6.4. Synthese von Biarylen, Arylalkenen und
Arylalkinen durch C-C-Knüpfung
•
Die Übergangsmetall-katalysierte Verknüpfung zweier sp2- oder sphybridisierter C-Atome nennt man Kreuzkupplungsreaktionen.
•
Als Übergangsmetallkatalysatoren werden überwiegend Pd(0)Komplexe eingesetzt.
•
Alternativ können auch Pd(II)-Verbindungen eingesetzt werden, die in
situ zu Pd(0) reduziert werden.
•
Kombinationsmöglichkeiten:
X
R
R
Y
R
R
R'
X
R'
R'
R
Y
Noch mehr Kombinationen
unter Einbeziehung von sphybridisierten C-Atomen
R'
R
R'
R'
1) durch Heck-Reaktion
•
Die Heck-Reaktion ist eine der wichtigsten Pd-katalysierten
Kreuzkupplungsreaktionen.
•
Ein Ausgangsmaterial enthält eine C(sp2)-X-Bindung, wobei X = Cl, Br, I
oder OTf ist. Das zweite Ausgangsmaterial hat üblicherweise die
Struktur CH2=CH-Z, wobei Z eine elektronenziehende Gruppe oder ein
Aromat ist. Auch höher substituierte Alkene wurden erfolgreich
umgesetzt.
•
Bruttoreaktionen:
R
X
Pd(0)-Kat. / PAr3
+
Z
R
X
Z
•
Z
LM / Base
Pd(0)-Kat. / PAr3
+
R
LM / Base
Z ist meist Estergruppe, Keton, Nitril, Aromat.
R
Z
•
Für die Heck-Reaktion wurden viele unterschiedliche
Reaktionsbedingungen beschrieben, z.B.
a) Pd(OAc)2 / PPh3 / NEt3 / DMF (Heck)
b) Pd(OAc)2 / nBu4NCl / NaHCO3 / DMF (Jeffrey)
c) Pd(OAc)2 / (oTol)3P / nBu4NBr / DMA (Beller)
•
Der Mechanismus ist ziemlich komplex und noch nicht bis in alle
Einzelheiten geklärt. Möglicherweise liegen bei unterschiedlichen
Reaktionsbedingungen auch unterschiedliche Mechanismen vor.
•
Oxidative Addition:
PPh3
Ph3P
Pd
PPh3
PPh3
PPh3
PPh3
Pd
PPh3
Pd
– 2 PPh3
PPh3
Ph3P
IsomeriPd
Br
Ph3P
Br
sierung
Ph3P
Pd
Br
PPh3
•
Coordinierung vom Alken:
Ph3P
Ph3P
Pd
Br
– PPh3
PPh3
Z
Ph3P
Pd
Ph3P
Pd
Br
Pd
Br
Br
Z
•
Z
Nucleophiler Angriff vom Arylring auf das coordinierte Alken: dies ist die
eigentliche Kreuzkupplung der beiden Liganden.
Ph3P
Ph3P
Pd
Pd
HH
Br
Br
Z H
Z
Dadurch wird ein π-gebundenes Alken zum σ-gebundenen Alken, wobei
eine neue C-C-Bindung zwischen den beiden coordinierten Liganden
geknüpft wurde.
•
Der neu entstandene Ligand kann verschiedene Konformationen
annehmen und durch β-Eliminierung weiter reagieren.
Ph3P
Pd
Ph3P
HH
H
Pd
Ph3P
H
Pd
Br
Br
H
Br
Z H
Z H
H
Z H
β-Eliminierung
Ph3P
H
Pd
Ph3P
H
Br
Pd
H Z
Nebenprodukt
H
Ph3P
Pd
H
Br
H Z
H
Br
H Z
Ph3P
H
Hauptprodukt
H
Pd
Br
H
Z
H
trans-Alken
•
Anschließend dissoziiert das neu entstandene Alken ab, die
freiwerdende Koordinationsstelle wird durch ein PPh3 besetzt. Durch die
eingesetzte Base wird schließlich HX abgespalten.
Ph3P
H
Pd
Br
H
Ph3P
Br
H
H
Pd
Z
H
+
H
Br
Z
H
Pd
Ph3P
PPh3
PPh3
Ph3P
Pd
Br
H
NEt3
– HBr
Ph3P
Pd
PPh3
•
PPh3
Katalysecyclus
Ph3P
Pd
PPh3
PPh3
– 2 PPh3
HBr
PPh3
Br
Pd
PPh3
Ph3P
PPh3
Ph3P
Pd
Pd
Br
Ph3P
H
Br
Z
PPh3
Ph3P
Ph3P
Pd
Pd
Br
Br
Z
PPh3
Ph3P
Pd
Z
Br
Z
PPh3
•
Beispiel 1) Teilschritt aus der Synthese von FR-900482
OBu
H
I
MeOOC
N
OBu
H
Pd(PPh3)4 / Et3N
H
OMOM
O
CH3CN / 90 °C / 18 h
N
OH
Pd
MeOOC
N
N
O
H
H
OMOM
COOMe
N COOMe
N H
H
H
Pd
MeOOC
N
Pd
OBu
H
H
O
OMOM
MeOOC
N
N
O
FR-900482
OBu
H
O
N
OCONH2
OH
OBu
MeOOC
93%
COOMe
OHC
OMOM
COOMe
S. J. Danishefsky et al. JACS 117, 4722-4723 (1995).
N
O
OMOM
N COOMe
•
Beispiel 2) Teilschritt aus der Synthese von Morphin
OMe
OH
OMe
Pd(OCOCF3)2(PPh3)2
OH
I
PG
Pentamethylpiperidin
N
PG
Toluol / 110 °C / 10 h
H
60%
OMe
O
CH3
OH
Morphin
N
H
L. E. Overman et al., THL 33, 4859-4862 (1992).
N
H
2) durch Suzuki-Kupplung
•
Die Suzuki-Kupplung ist eine der wichtigsten Pd-katalysierten
Kreuzkupplungsreaktionen.
•
Ein Ausgangsmaterial enthält eine C(sp2)-X-Bindung, wobei X = Cl, Br, I,
OTs, OPO(OR)2 oder OTf ist. Das zweite Ausgangsmaterial ist eine
Alkenyl- oder Aryl-Boronsäure oder ein Boronsäurederivat.
•
Bruttoreaktionen:
OH
1
R
HO B
X
+
R2
R1
X
B
+
HO
•
R2
LM / NaOH oder NaOR
R2
HO
1
R
Pd(0)-Kat. / PAr3
Pd(0)-Kat. / PAr3
R1
LM / NaOH oder NaOR
Statt Ar-X kann man auch Vinyl-X oder Allyl-X einsetzen.
2
R
•
Der Mechanismus der Suzuki-Kupplung ist ziemlich komplex und noch
nicht bis in alle Einzelheiten geklärt.
•
Oxidative Addition:
PPh3
Ph3P
Pd
PPh3
PPh3
PPh3
PPh3
Pd
PPh3
•
Pd
– 2 PPh3
PPh3
Ph3P
Ph3P
Pd
Br
Ph3P
Br
– Br–
Pd
Ph3P
OH
–
Ph3P
Pd
Ph3P
OH
Nach der oxidativen Addition von Ar-X findet ein Ligandenaustausch von
X− durch OH− statt. OH− erhöht die Elektronendichte am Metall und
macht es nucleophiler für den nachfolgenden Schritt.
•
Transmetallierung:
OH
HO
Ph3P
”
OH
B
R
Pd
Pd
Ph3P
Ph3P
Ph3P
Ph3P
OH
HO B OH
OH ”
OH
Pd
– B(OH)4–
Ph3P
R
•
Reduktive Eliminierung:
PPh3
Ph3P
Pd
Pd
R
Ph3P
R
•
+
PPh3
Wichtig! Die Geometrie der Doppelbindung der Vinylboronsäure bleibt
erhalten.
•
PPh3
Katalysecyclus
Ph3P
Pd
PPh3
PPh3
R
– 2 PPh3
Br
PPh3
Pd
PPh3
Ph3P
Pd
Ph3P
Ph3P
Pd
Br
Ph3P
R
OH
B(OH)4
–
Ph3P
Pd
R
B OH
HO ”
HO
Ph3P
Br–
OH
–
•
Beispiel 1) Teilschritt aus der Synthese von Milbemycin β3
OTBDMS
OTBDMS
COOMe
Pd(OAc)2 / PPh3
I
+
TBDMSO
B
O
OMe
O
CH3CN / Tl2CO3
TBDMSO
COOMe
80 °C / 68%
OMe
O
O
O
O
OH
I. E. Marko et al. THL 37, 25072510 (1996).
Die Reaktion geht nur gut mit Tl2CO3! Um geeignete Reaktionsbedingungen zu finden, haben
die Autoren Katalysator, Lösungsmittel und Base
variiert:
Lösungsmittel Katalysator
Base
Dioxan
Pd(PPh3)4
K3PO4
THF
PdCl2
NaHCO3
DMF
Pd(OAc)2
NaOMe
Benzol
Pd(dba)2
NaOEt
Toluol
PdCl2dppf
Na2CO3
Acetonitril
PdCl2dppe
TlNO3
TlOH
•
Beispiel 2) Teilschritt aus der Synthese von Michellamin A
OBn
Bn
N
OBn
OBn
B(OH)2
Bn
N
OTf
OBn
Me
OAc OMe
MeO
OAc
Pd(PPh3)4 / DME / H2O
Ba(OH)2 / 80 °C / 8h
Me
OTf
74%
Me
OAc OMe
MeO
OAc
Me
BnO
B(OH)2
N
BnO
N
Bn
OBn
Bn
OBn
OH
H
N
OH
Me
OH OH
HO
OH
Michellamine A, B, C
Me
HO
N
OH
H
G. Bringmann et al., THL 35, 76217624 (1994).
3) durch Stille-Reaktion
•
Die Stille-Reaktion ist in der universitären Forschung eine der
wichtigsten Kreuzkupplungsreaktionen. In der Industrie ist die StilleKupplung tabu!!! (Warum???)
•
Ein Ausgangsmaterial enthält eine C(sp2)-X-Bindung, wobei X = Cl, Br, I,
OAc, OPO(OR)2 oder OTf ist. Das zweite Ausgangsmaterial ist ein
Alkenyl- oder Aryl-Stannan.
•
Bruttoreaktionen:
1
R
X
+
R3Sn
Pd(0)-Kat. / PAr3
R2
R
X
+
2
R
LM
2
R1
R1
R3Sn
Pd(0)-Kat. / PAr3
R2
R1
LM
2
R
R1
X
+
R3Sn
Pd(0)-Kat. / PAr3
LM
R1
R2
•
Als Pd-Katalysatoren verwendet man oft Pd(PPh3)4, PdCl2(CH3CN)2,
Pd(dba)2 und Pd(OAc)2. Als Lösungsmittel haben sich THF, Dioxan,
DMF, DMA und NMP bewährt.
•
Wichtig für Syntheseplanung: Der „Dummy“-Rest R am Zinn darf nicht
übertragen werden, deshalb wählt man oft R = Me oder R = Bu (bessere
Handhabung der Zinn-Verbindung).
Übertragbarkeit von Resten am Zinn: Alkinyl > Alkenyl > Aryl > Allyl >
Benzyl > Alkyl
•
Oxidative Addition:
PPh3
Ph3P
Pd
PPh3
PPh3
PPh3
PPh3
Pd
PPh3
Pd
– 2 PPh3
PPh3
Ph3P
Isomeri-
Pd
Br
Ph3P
Br
sierung
Ph3P
Ph3P
Pd
Br
PPh3
– PPh3
Pd
Br
•
Transmetallierung und reduktive Eliminierung:
R3Sn
Ph3P
R
Ph3P
Ph3P
Pd
Pd
– R3SnBr
Br
R3Sn
Br
Pd
R
Ph3P
R
PPh3
Ph3P
Pd
Pd
R
Ph3P
R
•
+
PPh3
Wenn Stille-Reaktionen schlecht funktionieren, dann setzt man Ph3As
oder (2-Furyl)3P zu. In obigen Reaktionen tauschen dann diese
Liganden den PPh3-Liganden aus. Mit Ph3As oder mit (2-Furyl)3P laufen
die Transmetallierungen bis zu 1000 mal schneller.
•
Katalysecyclus
PPh3
Ph3P
Pd
PPh3
PPh3
R
– 2 PPh3
Br
PPh3
Pd
PPh3
Ph3P
Pd
Ph3P
Ph3P
Pd
Br
Ph3P
R
R3SnBr
Ph3P
Pd
Br
R
SnR3
PPh3
•
Beispiel 1) Teilschritt aus der Synthese von Zearalenon
MEMO
MEMO
O
I
MEMO
O
Pd(PPh3)4
O
nBu3Sn
Toluol
O
MEMO
54%
HO
O
O
HO
O
Zearalenon
O
J. K. Stille et al., JOC 56, 2883-2887 (1991).
O
•
Beispiel 2) Teilschritt aus der Synthese von Himastatin
I
COOtBu
TBDMSO
N
N H
Me3Sn
Cbz
COOtBu
TBDMSO
N
+
N H
Cbz
Cbz
Cbz
Pd2dba3 / Ph3As
DMF / 45 °C
83 %
Cbz
Cbz H N
N
tBuOOC
COOtBu
TBDMSO
OTBDMS
Himastatin
N
N H
Cbz
Cbz
S. J. Danishefsky et al., Angew. Chem. 110, 3164-3166 (1998).
4) durch Sonogashira-Kupplung
•
Die Sonogashira-Kupplung verknüpft sp2-hybridisierte C-Atome mit sphybridisierten C-Atomen.
•
Als Katalysatoren werden Pd(0)-Komplexe und Cu(I)-Salze verwendet.
Zusätzlich werden tertiäre Amine als Basen benötigt. Üblicherweise gibt
man noch Triarylphosphin als Ligand zu.
•
Bruttoreaktionen:
R1
+
X
H
Pd(0)-Kat. / PAr3
2
R
R1
R2
Base / LM
1
R
X
+
H
2
R
Pd(0)-Kat. / PAr3
1
R
Base / LM
•
2
R
Die Sonogashira-Kupplung ist zur Zeit die beste Reaktion zur
Herstellung von Arylalkinen.
•
Der Mechanismus der Sonogashira-Kupplung besteht aus den
Teilschritten Oxidative Addition, Transmetallierung und Reduktive
Eliminierung.
PPh3
Pd
Ph3P
PPh3
PPh3
PPh3
– 2 PPh3
Ph3P
Trans-
Pd
Br
Ph3P
PPh3
Ph3P
– CuBr
H
–H
+
”
R
PPh3
PPh3
Pd
R
Pd
Base
Br
reduktive
Pd
metallierung
Eliminierung
R
R
Pd
Ph3P
Br
Cu
PPh3
Pd
Ph3P
Ph3P
PPh3
+
R
+ Cu+
R
Cu
•
Katalysecyclus
PPh3
Ph3P
Pd
PPh3
PPh3
– 2 PPh3
Br
PPh3
Pd
PPh3
Ph3P
R
Pd
Ph3P
Br
R
Ph3P
Pd
Ph3P
R
Cu
•
Beispiel 1) Teilschritt aus der Synthese von Hellianuol E
H
MeO
Me
OH
I
PdCl2(PPh3)2 / CuI
OMe
Et2NH / Benzol / RT
99%
HO
Me
O
OH
MeO
OH
K. Shishido et al., JOC 66, 309-314 (2001).
Me
OMe
•
Beispiel 2) Teilschritt aus der Synthese von Mappicin
OH
N
Cl
H
TMS
PdCl2(PPh3)2 / CuI
Et3N / DMF / RT / 1h
98%
N
O
N
OH
M. Ihara et al., JOC 65, 7110-7113 (2000).
OH
N
TMS
2.6.4. Synthese von Arylalkanen durch C-CKnüpfung
1) durch Friedel-Crafts-Alkylierung
•
Bei der Friedel-Crafts-Alkylierung werden Alkylhalogenide, Alkene oder
Alkohole in Gegenwart von Lewis- oder Brönstedt-Säuren zu
Alkylaromaten umgesetzt. Als Alkylhalogenide können primäre,
secundäre und tertiäre Alkylhalogenide sowie Benzyl und
Allylhalogenide eingesetzt werden.
•
Reaktivität der Halogenide: I > Br > Cl > F. Letzteres wird selten
eingesetzt.
•
Als Elektrophile treten polarisierte C-Hal-Bindungen bis hin zu
Carbeniumionen auf, je nach Stabilität des Carbeniumions.
•
Wenn freie Carbeniumionen auftreten, die sich durch Umlagerung
stabilisieren können, dann laufen diese Umlagerungen ab und man
erhält ein umgelagertes Produkt.
•
Allylkationen können unter SN2‘-Reaktion reagieren (Allylverschiebung).
•
Problem bei Friedel-Crafts-Alkylierung: Mehrfachalkylierung weil Produkt
reaktiver (elektronenreicher!) als Edukt ist. Ausweg: großen Überschuss
Edukt verwenden!
•
Wichtig: Friedel-Crafts-Reaktionen sind reversibel! D.h. man kann sie
unter kinetischer Kontrolle (niedrige Temperatur, kurze Reaktionszeit)
oder unter thermodynamischer Kontrolle (hohe Temperatur, lange
Reaktionszeit) durchführen.
•
Unter kinetischer Kontrolle beobachtet man die üblichen dirigierenden
Effekte (o,p > m).
•
Unter thermodynamischer Kontrolle erhält man bevorzugt das metaProdukt (Minimierung von sterischer Hinderung).
•
Friedel-Crafts-Alkylierungen können intermolekular und intramolekular
durchgeführt werden. 6-Ringe werden bei intramolekularer Reaktion
bevorzugt vor 5-Ringen gebildet. Oft findet dann vor der Cyclisierung
noch ein Hydrid-Shift statt.
•
Beispiel 1) Teilschritt aus der Synthese von Brasilichinon B
O
O
MeO
OMe Br
OMe
SnCl4 / CH2Cl2
0 °C / 1h / 84%
O
OH O
OH
V. H. Deshpande et al., THL 40, 4437-4438 (1999).
O
OMe
O
•
Beispiel 2) Teilschritt aus der Synthese von α-Tocopherol (Vitamin E)
OH
Me
(
HO
Me
OH
Me
Sc(OTf)3
)3
H
Me
HO
Me
O
(
Me
96%
H. Yamamoto et al., Bull. Chem. Soc. Jpn. 68, 3569 (1995).
)3
H
2) durch Ziegler-Alkylierung
•
Die Ziegler-Alkylierung ist eine nucleophile aromatische Substitution, die
bevorzugt mit Elektronenmangel-Heteroaromaten abläuft, wenn man sie
mit Alkyllithiumverbindungen umsetzt.
•
Die Reaktion verläuft nach einem Additions-Eliminierungs-Mechanismus
unter Abspaltung von LiH.
•
Beispiel: Synthese von Coniin (Schierlingsgift).
Li
N
– LiH
H2 / Pd / C
N
N
H
3) durch Suzuki-Kupplung
•
Durch Suzuki-Kupplung lassen sich auch Alkylgruppen an Arylhalogenide (oder Vinylhalogenide) kuppeln, wenn man 9-Alkyl-BBN als
Borankomponente einsetzt.
R
B
R
Br
Pd(PPh3)4 / NaOH
•
Das benötigte 9-Alkyl-BBN läßt sich einfach durch Hydroborierung von
terminalen Alkenen mit 9-BBN herstellen.
2.7.
Synthese von Aryl-Heteroatom-Bindungen
2.7.1. Halogenierung
•
Aromaten können durch Chlor oder Brom in Gegenwart von LewisSäuren halogeniert werden. Mechanismus: Elektrophile aromatische
Substitution.
•
Elektronenreiche Aromaten wie z.B. Phenole, Aniline, mehrfach
alkylierte Aromaten, Naphthalin u.a. reagieren auch ohne Katalysator.
Aniline werden oft mehrfach chloriert oder bromiert. Ausweg: Überführen
in N-Acetylanilide.
•
Iod reagiert nur gut mit elektronenreichen Aromaten wie z.B. mit Phenol
und mit mehrfach hydroxylierten Benzolen.
•
Bessere Reaktion zur Iodierung: Sandmeyer-Reaktion.
•
Direkte Fluorierungen funktionieren sehr schlecht auf Grund der hohen
Reaktivität von F2.
•
Bessere Reaktion zur Fluorierung: Schiemann-Reaktion.
2.7.2. Nitrierung
•
Reagenzien zur Nitrierung: HNO3/H2SO4, NO2+ BF4−, NO2+ PF6−,
Ac2O/HNO3, N2O5/CCl4 u.a.
•
Reaktive Aromaten (Phenole, Aniline, Pyrrole) werden schon von HNO3
allein nitriert.
•
Eigentliches Elektrophil: NO2+
•
Wichtig: Aniline werden in konz. HNO3 im m-Position nitriert (warum?)
Ausweg: N-Acetylierung.
•
Weitere Nitrierungsreaktion: Sandmeyer-Reaktion mit NaNO2/CuCl.
•
Weitere Möglichkeiten zur Knüpfung von Ar-N-Bindungen:
a) Nitrosierung (nur reaktive Aromaten wie z.B. Phenole oder tert.
Aniline).
b) Azokupplung
2.7.3. Buchwald-Hartwig-Reaktion (Aminierung)
•
Durch Buchwald-Hartwig-Reaktion werden Arylhalogenide oder
Aryltriflate mit primären oder sekundären Aminen in Gegenwart eines
Pd(0)-Katalysators und einer starken Base in Arylamine überführt.
•
Bruttoreaktion:
R
R1
X
+
Pd(0) / Ligand
H N
R
R1
N
R2
Base
R2
•
Als Pd(0)-Quelle verwendet man oft Pd(OAc)2, als Ligand bevorzugt
Chelatliganden wie BINAP oder dppf oder dppe, aber auch P(o-Tol)3.
Als Base werden üblicherweise NaOtBu, LiHMDS, K2CO3 oder Cs2CO3
in stöchiometrischer Menge eingesetzt.
•
Der Mechanismus besteht aus den Schritten Oxidative Addition,
Ligandenaustausch und reduktive Eliminierung des Produkts unter
Rückbildung der katalytisch aktiven Pd(0)-Spezies.
•
L
Katalysecyclus
L
Pd
L
L
R1
N
2
R
L
Br
L
Pd
L
L
Pd
L
L
Pd
L
Br
1
N R
2
R
NaOtBu
tBuOH
L
Pd
L
1
R
H N
R2
NaBr
OtBu
•
Beispiel 1) Teilschritt aus der Synthese von Cyclazocin-Derivaten
N
N
CH3
TfO
CH3
Ph-NH2
Pd2dba3 / dppf
NaOtBu / Toluol
CH3
CH3
Ph N
H
80 °C / 57%
M. P. Wentland et al., Bioorg. Med. Chem. Lett. 10, 183-187 (2000).
•
Beispiel 2) Teilschritt aus der Synthese von Mitomycin
TBDMSO
Br
I
N3
N
H
Pd2dba3 / BINAP
NaOtBu / Toluol
80 °C / 66%
Br
Mitomycin
N
OTBDMS
N3
J. Sulikowski et al., JOC 64, 4224-4225 (1999).
2.7.4. Hydroxylierung
•
Halogenierte oder sulfonierte Aromaten können durch nucleophile
aromatische Substitution nach dem Arin-Mechanismus in Phenolderivate überführt werden (Dow-Phenol-Synthese, Alternative:
Phenolverkochung von aromatischen Diazoniumsalzen).
•
Dakin-Reaktion: Elektronenreiche aromatische Ketone oder Aldehyde
können mit NaOH/H2O2 oder auch mit Persäuren analog zur BaeyerVilliger-Oxidation in Phenolester überführt werden, die nach Hydrolyse
die entsprechenden Phenole liefern. Wichtig: die Aromaten müssen
stark elektronenschiebende Substituenten in o- oder/und p-Stellung
besitzen. Statt R‘O- kann auch R2‘N- eingesetzt werden.
O
H2O2
R'O
R'O
R
•
O
NaOH
O
OH–
R'O
OH
R
Analog zur Buchwald-Hartwig-Aminierung kann auch eine
entsprechende Hydroxylierung durchgeführt werden. Wenn man
Buchwald-Hartwig-Hydroxylierungen durchführen will, darf man kein
Alkoholat als Base verwenden (warum?).
•
Halogenierte Aromaten können durch Magnesium in Grignardverbindungen überführt werden, die mit B(OMe)3 zu aromatischen
Boronsäureestern reagieren. Diese können mit H2O2/NaOH zu Phenolen
oxidiert werden.
R
Mg
R
X
R
OMe
O B
OMe
MgX
OH–
B(OMe)3
R
OH
R
OMe
B
OMe
H2O2
NaOH
2.7.5. Sulfonierung
•
Klassisch werden Sulfonierungen mit H2SO4 konz., mit Oleum oder mit
Chlorsulfonsäure HSO3Cl durchgeführt. Sulfonierungen sind bei hohen
Temperaturen thermodynamisch kontrolliert.
In der medizinischen Chemie werden Sulfonierungen von Aromaten oft
durchgeführt, um Wirkstoffe besser wasserlöslich zu machen.
•
Die Umsetzung von aromatischen Grignard-Verbindungen mit
elementarem Schwefel führt zu Thiophenolen. Die Umsetzung mit
elementarem Selen ergibt Selenophenole.
•
Setzt man Diazoniumsalze mit NaSH oder mit H2S um, dann entstehen
analog zur Phenolverkochung Thiophenole.
Wichtig: Thiophenole werden an Luft leicht oxidativ zu Disulfiden
dimerisiert. Gleiches gilt für Selenophenole.
2.8.
Dearomatisierungsreaktionen
2.8.1. Birch-Hückel-Reduktion
•
Aromaten werden durch Alkalimetalle (Li, Na, K) in flüssigem Ammoniak
oder in Aminen zu Cyclohexadienen reduziert.
•
Birch-Variante: Alkalimetall + Aromat + tert.BuOH in fl. NH3 (Eintopf)
Hückel-Variante: Alkalimetall + Aromat in fl. NH3, erst wenn der Aromat
vollständig zum Dianion reduziert ist, wird ges. NH4Cl-Lösung
zugegeben.
•
Reaktivität: elektronenreiche Aromaten reagieren langsamer als Benzol,
elektronenarme Aromaten reagieren schneller als Benzol.
Naphthalinderivate und Heterocyclen werden ebenfalls reduziert.
Wichtig: isolierte Doppelbindungen werden nicht reduziert, isolierte
innere Dreifachbindungen werden zu Doppelbindungen reduziert.
Konjugierte Diene und α,β-ungesättigte Carbonylverbindungen werden
ebenfalls reduziert.
•
Regioselektivität:
Z
Z
Na / NH3 fl.
– 37 °C
D
D
Na / NH3 fl.
– 37 °C
2 eq. Na
1 eq. Na
NH3 fl. / EtOH
NH3 fl. / EtOH
Beispiel: Teilschritt einer Synthese von Aeruginosin 298-A
Li / NH3 fl.
COOH
NH2
MeO
COOH
EtOH
NH2
MeO
HO
O
HO
N
OH H
H
O
H
NH
N
O
N
H
CH2OH
J. Bonjoch et al., Chem. Eur. J. 7, 3446-3462 (2001)
N
H
NH2
2.8.2. Wesseley-Oxidation und Pelter-Oxidation
•
Substituierte Phenole werden durch Blei(VI)acetat in o-Chinonmonoacetale oder in o-Chinole überführt (Wesseley).
O
OH
Pb(OAc)4
O
OAc
OAc
OAc
O
OH
Pb(OAc)4
•
OAc
AcO
AcO
O
Analoge Reaktionen lassen sich mit Diacetoxyiodbenzol PhI(OAc)2, mit
Bis-(trifluoracetoxy)-iodbenzol PhI(OOC-CF3)2 (Pelter) und mit Oxon
(Mischung aus KHSO5, KHSO4 und K2SO4) in Gegenwart von
verschiedenen Nucleophilen durchführen.
•
Mechanismus:
O
H
O
Pb(OAc)4
Pb(OAc)3
O
O
”
O
H
O
OAc Pb(OAc)4
O
CH3
H
OAc
O
O
Pb(OAc)3
OAc
O
”
O
CH3
OAc
I
O
Ph
H
Ph–I(OAc)2
OAc
OAc
O
Ac–O–H
- AcOH
OAc
Beispiel 1): Teilschritt einer Synthese von Aranorosin
OH
O
Ph–I(OAc)2
H
Cbz
N
COOH
MeOH / 0 °C
O
40%
Cbz N
H
H
O
O
O
O
O
O
N
H
O
P. Wipf et al., J. Org. Chem. 58, 7195-7203 (1993)
Beispiel 2): Teilschritt einer Synthese von Halleridon
Oxon
OH
O
O
PPh3
NaHCO3
CH3CN / H2O
OH
25 min / RT
80 %
HOO
OH
oder Me2S
oder Na2S2O3
O
H
HO
O
A. Urbano et al., Angew. Chem. 118, 2803-2807 (2006)
HO
OH
3.
3.1.
•
Synthese von Aromaten
Reppe-Synthese
Reppe entdeckte bei der BASF, dass Acetylen in Gegenwart bestimmter
Ni-Katalysatoren entweder trimerisiert oder tetramerisiert.
H
H
Ni (acac)2
150 °C / 150 bar
Ph3PNi(CO)3
H
H
120 °C / 120 bar
•
Weitere Reppe-Reaktionen: a) Acetylide + Aldehyde oder Ketone zu
Propargylalkoholen, b) Acetylen + Alkohole oder Carbonsäuren zu
Vinylethern oder Vinylestern und c) Acetylen + CO + Wasser oder
Alkoholen zu Acrylsäure oder Acrylsäureestern.
•
Mechanismus der Acetylen-Trimerisierung:
PPh3
Ni
OC
CO
H
CO
H
PPh3
a
b PPh3
Ni
- 3 CO
Ni
a
b
b
PPh3
H
H
Ni
a
PPh3
b
Ni
H
H
3.2.
•
Vollhardt-Synthese
Vollhardt wollte analog zu Arbeiten von McComber unsubstituiertes
Cyclopentadienon herstellen.
tBu
McComber
tBu
tBu
CpCo(CO)2
O
tBu
Co
O
Vollhardt
H
H
CpCo(CO)2
(geplant)
•
Reaktion läuft aber nicht wie geplant!
Co
•
Ergebnis:
H
H
CpCo(CO)2
•
Erklärung (formal):
•
Ausführliche Untersuchungen zeigten:
R
H
H
R
•
CpCo(CO)2
R
R
Hexadiin-1,5 und ein symmetrisches Acetylen liefert Benzocyclobutane.
•
Mechanismus:
CpCo(CO)2
– CO
TMS
CO
TMS
CpCo
CpCo(CO)
– CO
TMS
TMS
TMS
CpCo
CpCo
TMS
CpCo
TMS
TMS
TMS
TMS
TMS
TMS
CpCo
TMS
TMS
TMS
TMS
TMS
TMS
Beispiel: Synthese von Östron
1) 3 nBuLi
2)
O
1)
OH 1) TsCl / Py
O
I
2) NaI
OTMS
MgBr
”
LiNH2
2) TMSCl
O
O
NH3 fl.
TMS
TMS
TMS
TMS
O
O
O
TMS
TFA
H
TMS
H
H
–30 °C
TMS
TMS
O
O
H
H
TMS
Pb(CF3COO)4
H
H
H
H
H
H
HO
K. P. C. Vollhardt et al., J. Am. Chem. Soc. 102, 5253-5261 (1980).
3.3.
Sato-Synthese
•
Sato und Mitarbeiter haben die Reppe-Synthese weiterentwickelt. Ein
Nachteil der Reppe-Synthese mit Ni-Katalysatoren war die fehlende
Regioselektivität bei der Verwendung von substituierten Acetylenen.
•
Mit einem Katalysator, der aus Ti(OiPr)4 und iPrMgCl hergestellt wird,
lassen sich regioselektiv hoch substituierte Aromaten aufbauen.
COOtBu
R
Ts
COOtBu
1) Ti(OiPr)4 + iPrMgCl
R
1
2) H
1
+
2
R
2
R
+
H / H2O
Ti(OiPr)2
R
1
COOtBu
OiPr
Ti
OiPr
R
2
iPrO OiPr
Ti
Ts
1
R
Ts
R
iPrO
OiPr
tBuOOC
Ti
1
R
Ts
1
R
– Ts
2
R
2
COOtBu
Ti(OiPr)2Ts
”
2
R
3.4.
•
Witulski-Synthese
Witulski und Mitarbeiter fanden, dass sich mit dem Wilkinson-Katalysator
drei Doppelbindungen, die sich in geeignetem Abstand innerhalb einer
Kette befinden, zu Aromaten trimerisieren lassen. Die Regioselektivität
ist durch die Anordnung der Dreifachbindungen bereits festgelegt.
R
RhCl(PPh3)3
R
CH2Cl2 / RT
R
L L
Rh
R
RhL2
Beispiel: Synthese von Alcyopterosin E
RhCl(PPh3)3
TsO
O
CH2Cl2 / RT
O
71%
NBu4NO3
TsO
O
O
O2N O
O
O
B. Witulski et al., Angew. Chem. 114, 3415-3418 (2002).
3.5.
Synthese von Aromaten durch Diels-AlderReaktion
•
Durch die Kombination von Diels-Alder-Reaktion und Retro-Diels-AlderReaktion kann man ebenfalls Aromaten herstellen.
•
Das Dien ist dabei ein 1,3-Cyclohexadien-Derivat oder ein α-PyronDerivat, als Dienophile verwendet man elektronenarme Acetylene oder
auch Arine.
R
1
1
R
R
R
3
COOR
COOR
2
R1
R
2
∆
R2
–
3
R
COOR
R3
O
R1
O
O
R2
O
R
3
1
R
COOR
COOR
2
R
3
R
R1
∆
– CO2
COOR
R2
R3