1.0 Oxidationsreaktionen

Skript zum 4. Oc-Kolloquium
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1.0 Oxidationsreaktionen
1.1
Allgemeines
Bei vielen organischen Reaktionen werden die Oxidationsstufen einzelner Atome
verändert. Aus diesem Grund müssen die Begriffe der Oxidation und Reduktion
genauer angewendet werden. Oxidationsreaktionen sind beispielsweise
Additionsreaktionen oder radikalische Halogenierungen. Viele andere Oxidationen in
der Organischen Chemie sind jedoch kompliziertere Reaktionen, wie die Oxidation
von Toluol zu Benzoesäure durch Kaliumpermanganat zeigt.
O
CH3
+
+
-
MnO4
Mn
2+
OH
Das C-Atom der Methylgruppe des Toluols geht dabei von der Oxidationsstufe -III in
die Oxidationsstufe +III über, während Mangan beim Übergang vom PermanganatIon zum Mangan(II)-Ion fünf Elektronen aufnimmt. Beachtet man die
Elektroneutralität, so werden für die Reaktion 18H+-Ionen benötigt, und die
Reaktionsgleichung lautet:
H
- III
5
H
+
+ VII
6 [Mn O4]-
+
18 H+
H
O
+ III
+ II
+ 6 [Mn ]2+ + 14 H2O
OH
Viele Oxidationen sind also vielstufige, komplizierte Reaktionen. In den folgenden
Abschnitten sollen ausgewählte wichtige Einzelschritte, sortiert nach ihrer
präparativen Bedeutung, besprochen werden.
1.2
Anwendungen
Seitenkettenoxidation zur Darstellung von aromatischen Aldehyden und
Carbonsäuren (CrO3, KMnO4 (Phasentransferkatalyse), SeO2)
Wegen ihrer hohen Oxidationspotentiale werden Alkylaromaten nur von den
stärksten anorganischen Oxidationsmitteln (Kaliumpermangaganat,
Chromschwefelsäure, Ce(IV)-amoniumnitrat) angegriffen.
Die Oxidation verläuft als Elektronenübertragung:
Ar-CH3 + Mn+ → (Ar-CH3)+· + M(n-1)
(Ar-CH3)+· → Ar-CH2· + H+
Ar-CH2· + Mn+ → Ar-CH2+ + M(n-1)+
Ar-CH2+ + Nu-H (oder Nu-) → Ar-Nu + H+
Skript zum 4. Oc-Kolloquium
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Nu-H = H2O oder CH3OH
Das Benzylradikal wird leicht zum Benzylkation weiteroxidiert, das in Waasser oder
Essigsäure zum Alkohol bzw. zum Essigsäureester abgefangen wird. Dieses
Zwischenprodukt kann nun wiederum weiter reagieren, so dass mit Wasser als
Nucleophil schließlich eine Carbonsäure entsteht.
Alkylaromaten mit längerer Alkylseitenkette liefern zunächst α-Arylalkylketone, die
(falls sie Enole bilden können) unter C-C-Spaltung ebenfalls Carbonsäuren liefern.
Arylalkylketone sind auch durch Peroxygenierung darstellbar.
Im Laboratorium werden zur Oxidation von Alkylaromaten zu Arencarbonsäuren auch
heute noch die klassischen Oxidationsmittel Permanganat (meist in Gegenwart von
Alkali), Dichromat/Schwefelsäure, Chromsäure in Essig- oder Schwefelssäure, aber
auch Sauerstoff in Gegenwart von Cobalt- oder Mangansalzen verwendet, z.B.:
CH3
COOH
+ 2MnO2 + 2KOH
+ 2KMnO4
N
N
H2
C
CH3
COOH
+ 4MnO2 + 4KOH + CO2
+ 4KMnO4
CH3
COOH
+ Na2Cr2O7
+ 4H2SO4
O2N
+ Cr2(SO4)3
+ Na2SO4 + 5H2O
O2N
CH3
COOH
+ 3/2 O2
H3C
+ H2O
H3C
Während dimethylierte Aromaten von Permanganat ohne weiteres in die
entsprechenden Dicarbonsäuren übergeführt werden, z.B. o-Xylen in Phthalsäure,
werden sie von Sauerstoff unter Katalyse mit Cobaltsalzen zunächst nur zu
Monocarbonsäure oxidiert. Erst unter verschärften Bedingungen oder in Gegenwart
von Säuren, z.B. HBr mit Cobaltacetat/-bromid als Katalysator, lässt sich die zweite
Methylgruppe oxidieren.
Man kann dies aber für die partielle Oxidation von mehrfach alkylierten Aromaten
nutzen.
Die Überführung methylierter Aromaten in Aldehyde ist schwierig, da der
entstehende Aldehyd leichter oxidierbar ist als die Methylgruppe. Man muss daher
den Aldehyd ständig aus der Reaktionsmischung entfernen, indem man ihn z.B. in
Skript zum 4. Oc-Kolloquium
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gegen Oxidation beständige Derrivate überführt. Als Oxidationsmittel ist Chromsäure
in Acetanhydrid geeignet, wobei der Aldehyd als Diacetat abgefangen wird:
Ar
OCOCH3
CrO3/ (CH3CO)2O
CH3
Ar
C
H
OCOCH3
Beispiele für die Darstellung aromatischer Aldehyde durch Oxidation von
Methylaromaten mit Chromsäureanhydrid in Gegenwart von Acetanhydrid und
Hydrolyse des entsandenen Diacetats.
Auch mit synthetischem Braunstein (erhältlich durch Komproportionierung von
Kaliumpermanganat mit Mangansulfat) lassen sich bei genauer Dosierung aus
Methylaromaten Arylaldehyde herstellen.
Als weiteres selektives Oxidationsmittel wird Cerammoniumnitrat benutzt:
H 3C
CHO + 4Ce3+ + 4H+
H3C
CH3 + 4Ce4+ + H2O
Oxidation mit Selenoxid
Methylen- und Methylgruppen, die einer Carbonylgruppe benachbart sind, lassen
sich mit Selendioxid selektiv in Carbonylverbindungen überführen. Dabei entstehen
mit sehr unterschiedlichen Ausbeuten α-Oxo-aldehyde, z.B.:
H3C
CHO
CHO
CHO
Glyoxal
H3C
CO CH3
C
H2
H3C
C
H2
CO CHO
H3C
CO CO CH3
17%
1%
Wahrscheinlich bilden sich intermediär ein Enolester der selenigen Säure:
O
OH
Se
Se
O
O
O
H
O
O
O
O
O
H
Se
H
OH
-Se, -H2O
H
Phasentransfer-Katalyse
Quartäre Ammoniumsalze mit hydrophoben Alkylsubstituenten können eine Reaktion
zwischen Reaktanten vermittteln, die in unmischbaren Lösungsmitteln gelöst sind –
meist Wasser und einem organischen Lösungsmittel. Diese Wirkung bezeichnet man
als Phasentransfer-Katalyse, da sie eine Spezies durch die Phasengrenze zur
anderen Spezies transportieren.
Oft taucht in der Planung einer Reaktion das Problem auf, ein Lösungsmittel für
Reagenzien mit verschiedenen Löslichkeitseigenschaften zu finden. Bei derartigen
Reaktionen bietet sich die Verwendung von Phasentransfer-Katalysatoren an. Dabei
wird das Problem umgangen, indem der Katalysator den Durchgang der
Skript zum 4. Oc-Kolloquium
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Reaktionspartner zwischen den unlöslichen Phasen ermöglicht. Mit Hilfe von
katalytischen Mengen an quartären Ammoniumsalzen können die beiden
Reaktanden durch die Phasengrenze hindurch zueinander gelangen.
Wenn man beispielsweise die Umsetzung eines langkettigen primären
Alkylhalogenids mit Natriumcyanid betrachtet, so findet in einem Lösungsmittel wie
Decan meist keine Reaktion statt. In Gegenwart eines geeigneten
Phasentransferkatalysators beobachtet man jedoch häufig eine glatt ablaufende
Reaktion zum Nitril.
abb. vollhardt seite 1054 (scannen)
Die Reaktion findet statt, da das quartäre Ammonium-Ion aufgrund seiner
hydrophoben Substituenten und seines polaren Endes sowohl in wässriger als auch
in organischer Phase löslich. Beim Eintritt in die organische Phase trägt es jedes Mal
ein Chlorid oder ein Cyanid als Gegenion. Chlorid führt zu keiner sichtbaren
Reaktion, Cyanid tauscht rasch gegen Chlorid aus. Das resultierende quartäre
Ammoniumchlorid kehrt in die wässrige Phase zurück, wo es wiederum sein
Gegenion gegen Cyanid austauscht und so weiter. Das quartäre Ammoniumion wirkt
also als shuttle, der Cyanid in die organische Phase und Clorid in die wässrige Phase
transportiert.
abb. vollhardt seite 1054
Oxidation von Alkenen:
Oxidative Spaltung von Naphtalin und Phenatren (Steuerung durch
Substituenten)
Die Synthese von Chinonen durch Oxidation aromatischer Kohlenwasserstoffe
verläuft als Elektronenübertragung entsprechend und gelingt deshalb umso leichter,
je niedriger das Oxidationspotential des Aromaten ist. Deshalb erfordert die Oxidation
von Benzen zum p-Benzochinon das äußerst starke Oxidationsmittel Silber(II)-oxid.
Die Oxidationspotentiale von Naphthalin, Anthracen oder Phenanthren sind dagegen
so niedrig, dass mit Chromsäure, Wasserstoffperoxid oder Luftsauerstoff/V2O5
erreichbar und die entsprechenden Oxidationen thermodynamisch möglich sind. Man
erhält die folgenden Ausbeuten an den möglichen Produkten:
O
O
O
O
20%
O
90%
ortho-Chinone können leicht weiter zu Diphensäuren oxidiert werden:
O
37%
Skript zum 4. Oc-Kolloquium
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O
HOOC
COOH
O
Besonders leicht lassen sich Chinone aus o- bzw. p-Diphenolen oder Aminen
herstellen, da diese Ausgangsprodukte sehr niedrige Oxidationspotentiale beistzen,
so dass die Elektronenübertragungen thermodynamisch sehr günstig ist.
Das durch Entzug eines Elektrons gebildete Radikal, ein sogenanntes Semichinon,
wird durch Mesomerie stabilisiert. Am bekanntesten ist die Oxidation von 4-AminoN,N-dimethylanilin durch Brom, die zu Wursters Rot führt:
NH2
NH2
NH2
N (+)
N (+)
(+)
NH2
+Br2
-Br-
N
H3C
CH3
H3C
CH3
H3C
CH3
N
H3C
CH3
Diese Verbindung geht bei weiterer Oxidation in das entsprechende ChinonImmoniumsalz über, das in wässriger Lösung sehr schnell zum p-Benzochinon
hydrolysiert wird:
NH2
+
O
NH
+2H2O
+Br2
-NH3, -H+, -(CH3)2NH
-H+, -Br-
N
H3C
CH3
N+
H3C
O
CH3
Analog wird auch Hydrochinon über das in das p-Benzochinon überführt. Diese
Reaktion lässt sich besonders gut als Atooxidation durchführen.
Skript zum 4. Oc-Kolloquium
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O
OH
+
OH
O
+
O2
OH
HO
O
OH
O
+
H2O2
O
Chinone können unter Aufnahme von zwei Elektronen leicht in den aromatischen
Zusstand überführt werden.
OH
O
+ 2e- + 2H+
OH
O
Oxidation von Alkoholen (CrO3, MnO2/Aceton, KMnO4)
Welche Oxidationsprodukte man aus Alkoholen erhält, hängt vom Alkohol und von
den Reaktionsbedingungen ab. Tertiäre Alkohole tragen kein H-Atom am α-C-Atom
und werden daher nur äußerst schwer oxidiert. Sekundäre Alkohole werden zu
Ketonen oxidiert, primäre zunächst zu Aldehyden, dann zu Carbonsäuren.
Skript zum 4. Oc-Kolloquium
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R
R
OH
R
R
R
R
O
OH
R
H
R
O
R
H
OH
R
O
H
OH
H
Eine wichtige Rolle spielen Oxidationen mit Chrom(VI)-veribindungen. Dabei bilden
sich zunächst Chrom(VI)-säureester, die dann zu Chrom(IV)säure und
Carbonylverbindungen zerfallen. Chrom(IV) disproportioniert zu Chrom(VI) und
Chrim(III), so dass Chrom(VI) insgesamt drei Elektronen aufnehmen kann. Die
Oxidation von Aldeshyden zu Carbonsäuren, verläuft ebenfalls über Ester, die aus
dem Hydrat des Aldehyds gebildet werden (R2 = OH).
R1
R2
O
H
+
O
Cr
O
H
R1
OH
- H2O
OH
O
O
Cr
R2
H
O
OH
O
R1
O
R2
+ HO
IV
Cr
OH
Oxidation von Thioethern zu Sulfoxiden und Sulfonen
Siehe Protokoll Antje
Oxidation von Olefinen (mit KMnO4, OsO4, Persäure, CrO3, Ozonolyse)
Da sich C=C-Doopelbindungen gut in Diole überführen lassen, können durch eine
Periodat- oder Bleiacetat-Oxidation auch Doppelbindungen oxidativ gespalten
werden, allerdings in einer zweistufigen Reaktionsfolge. Eine direkt Methode zur
oxidativen Spaltung von C=C-Doppelbindungen ist die Ozonolyse. Eine Ozonolyse
kann auch auf Ketone angendet werden, wenn diese zuvor in Enolether überführt
wurden. Zu einer C=C-Bindungsspaltung im Eintopfverfahren kommt es auch, wenn
man OsO4 und NaIO4 als Gemisch eingesetzt werden. Auch aromatische
Doppelbindungen können unter C=C-Spaltung oxidiert werden. Hierzu gibt es
geeignete Katalysatoren. Im Labor verwendet man NaOCl mit RuO2, in der Technik
Sauerstoff und V2O5. So kann Naphthalin zu Phthalsäure oxidiert werden.
Oxidation mit Kaliumpermanganat:
Skript zum 4. Oc-Kolloquium
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Ozonolyse:
Oxidation von 1,2-Diolen (Crigee-Spaltung, Peroxidsäure-Oxidation)
Riley-Oxidation zur Darstellung von α-Diketonen
α-Diketone und α-Ketoaldehyde stellt man häufig durch Oxidation von αHydroxycarbonylverbindungen dar. Wegen der Empfindlichkeit der Produkte sind
besondere Reagenzien und Reaktionsbedingungen erforderlich, um eine
Weiteroxidation zu Carbonsäuren unter Aufspaltung von C-C-Bindungen zu
vermindern. Ein relativ einfaches Reagenz ist KMnO4 in Essigsäureanhydrid als
Lösungsmittel, das α-Hydroxyketone mit relativ wenig Weiteroxidation als
Nebenreaktion in die gewünschten Produkte überführt. Ein Beispiel hierfür ist die
Oxidation von 2-Hydroxy-1,2-diphenylethanon zu Diphenylethandion.
OH O
O
O
C
H
2-Hydroxy-1,2-diphenylethanon
Diphenylethandion
Oppenauer-Oxidation
2.0 Reduktionsreaktionen
2.1 Allgemeines
Bei Metallionen bedeuten Redoxreaktionen immer die Zugabe oder Wegnahme von
Elektronen. Dies allein wird bei ungeladenen organischen Molekülen selten
beobachtet, da durch Reduktion oder Oxidation sehr reaktive Radikalanionen oder
Radikalkationen entstehen. Redoxrektionen an organischen Molekülen komplizierter
als bei anorganischen Ionen. Bei einem Vergleich der Oxidationsstufen von
Kohlenstoffatomen in Ausgangsmaterialien und Produkten wird aber in vielen
organischen Reaktionen eine Änderung der Oxidationsstufe der C-Atome
beobachtet. Viele Reaktionen der Organischen Chemie sind daher aucch
Redoxreaktionen. Als Beispiele sind die Addition von Halogenen an Alkene oder aber
auch Aldolreaktionen zu nennen.
Skript zum 4. Oc-Kolloquium
H
-II
C
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X
H
-II
X2
C
H
H
H
H3C
-I
C
H
-III
-II
H
H3C
H
X
O
H
2
-I
H
O
+II
C
H
OH
+I
CH3
H
CH3
H
Die Begriffe Reduktion und Oxidation werden daher in der Organischen Chemie
häufig engger verwendet. Als Oxidation diskutiert man meist die Einführung von
Sauerstoff oder den Übergang von Einfach- zu Mehrfachbindungen, während man
mit Reduktion die Addition von Wasserstoff an CC- oder CO-Mehrfachbindungen,
oder den Ersatz von C-Heteroatom- durch CH-Bindungen bezeichnet.
Bei Reduktionen organischer Moleküle wird also letztendlich Wasserstoff in ein
Molekül eingeführt. Dieser kann prinzipiell als Proton, Wasserstoff-Radikal (-Atom)
oder als Hydrid-Ion übertragen werden.
Oxidationszahlen in organischen Molekülen
Während in der Ionenchemie die Bestimmung von Oxidationszahlen trivial ist,
müssen bei organischen Moleküle hierzu ein paar Regeln beachtet werden.
- Bindungen zwischen gleichen Atomen (auch Mehrfachbindungen) werden
formal homolytisch gespalten
- Die Bindungselektronenpaare zwischen verschiedenen Elementen werden
formal dem elektronegativeren Element zugeschlagen
- Ein Vergleich der so erhaltenen Elektronenzahl eines Atoms mit der Zahl im
elementarem Zustand ergibt die Oxidationszahl
- Als Kontrolle muss die Summe der Oxidationszahlen bei elektrisch neutralen
Molekülen o sein. Bei Ionen entspricht sie der Gesamtladung.
+I
H
+I
H
-III
C
H
+I
+I
H
-I
C
-II
O
H+I
H
+I
Hydrierung von C-C-Mehrfachbindungen (katalystisch, Diimin-Verfahren)
Alkine können unter den gleichen Bedingungen wie Alkene hydriert werden.
Üblicherweise werden Platin oder Palladium-Katalysatoren auf Aktivkohle in der
Lösung des Alkins suspendiert und die Mischung einer Wasserstoffatmosphäre
ausgesetzt. Unter diesen Bedingungen wird die Dreifachbindung vollständig
abgesättigt.
Skript zum 4. Oc-Kolloquium
CH3CH2CH2C
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H2, Pt
CCH2CH3
CH3CH2CH2CH2CH2CH2CH3
Heptan
3-Heptin
CH3OCH2CH2C
H2, Pt/C
CH
CH3OCH2CH2CH2CH3
1-Methoxyybutan
4-Methoxy-1-butin
Die Hydrolyse ist ein schrittweiser Prozess, das heisst, dass man in manchen Fällen
die Reaktion auf der intermediären Alken-Stufe anhalten kann. Daneben besteht
auch die Möglichkeit, die Hydrierung des Alkens durch die Verwendung modifizierter
Katalysatoren zu vermeiden. Ein solches System ist auf Caclciumcarbonat
niedergeschlagenes Palladium, welches mit Bleiacetat und Chinolin behandelt
wurde. Dieses Material ist unter dem Begriff Lindlar-Katalysator bekannt. Die
Metalloberfläche des Lindlar-Katalysators hat eine weniger aktive Konfiguration als
Palladium auf Aktivkohle, so dass nur eine π-Bindung hydriert wird. Da die
Hydrierung stereoselektiv syn verläuft, stellt diese Methode eine stereoselektive
Synthese von cis-Alkenen dar.
O
Lindlar-Katalysator: 5% Pd/CaCO
Pb(OCCH3)2
N
CH3CH2CH2C
CCH2CH3
H2, Lindlar-Katalysator, 298K
H
CH2CH2CH3
H
CH2CH3
cis-3-Hepten
Reduktion von Alkoholen zu Alkenen
siehe Protokoll darstellung von cyclohexen
Reduktion von Carbonylverbindungen zu Alkoholen (LiAlH4, NaBH4)
Da Sauerstoff elektronegativer als Kohlenstoff ist, sind die Elektronen in der
Carbonylgruppe ungleichmäßig verteilt, dass Kohlenstoffatom ist elektrophil, das
Sauerstoffatom nucleophil. Die Elektronenverteilung lässt sich durch polare
Resonanzformeln beschreiben, in denen das Carbonyl-Kohlenstoffatom einem
Carbeniumion, das Sauerstoffatom eine Alkoxidion entspricht:
O
O
+
C
O
Das elektrophile Carbonyl-Kohlenstoffatom kann durch ein Äquivalent Hydrid, H-,
reduziert werden. Als hydridübertragende Reagenzien verwendet man
Natriumborhydrid, NaBH4 und Lithiumaluminiumhydrid, LiAlH4.
Skript zum 4. Oc-Kolloquium
(-)
Li H3Al
+
OAlH3 Li
H
O
H
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+
H
Lithiumalkoxyaluminiumhydrid
+ H2O
H
OH
O
4
Al Li
+
Lithiumtertraalkoxyaluminat
+ Al(OH)3 + LiOH
Mechanismus der Natriumborhydrid-Reduktion
(-)
+
Na H3B
O
H
H
H
OCH2CH
Ethanol
+ Na+H3BOCH2CH3
OH
Alkohol
Natriumethoxyborhydrid
Mechanismus der Lithiumaluminiumhydrid-Reduktion
abb. vollhardt seite 299
Selektivität der Reduktionsmittel
Meerwein-Ponndorf-Verley-Reduktion von Carbonylverbindungen
Auch organische Verbindungen können Hydrid-Ionen auf andere Moleküle
übertragen. Eine recht schonende Methode zur Reduktion von Aldehyden und
Ketonen ist die Meerwein-Ponndorf-Verley-Reduktion, bei der Isopropanolat als
Hydridquelle dient. In einer Gleichgewichtsreaktion, die sich durch die Konzentration
der Reaktionsparameter oder die Reaktionsführung steuern lässt, wird in einem
sechsgliedrigen Übergangszustand ein Hydrid-Ion vom Isopropanolat-Ion aud die
Carbonylverbindung übertragen und diese reduziert. Die Reaktion lässt sich auch als
Oppenauer-Oxidation nutzen, wenn man einen Alkohol und Aceton als
Hydridakzeptor mit Aluminiumisopropanolat mischt.
O
Al(OiPr)3
+
R
R
O
OH
OH
OiPr
iPrO
H
R
Al
O
R
R
+
H
O
R
H
Auch die Reduktion von sterisch gehinderten Ketonen durch Grignard-Verbindungen,
anstelle von Additionsreaktionen, die man bei ungehinderten Ketonen findet verläuft
über einen Hydridtransfer in einem sechsgliedrigen Übergangszustand.
Skript zum 4. Oc-Kolloquium
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X
Mg
R
R
O
R
R
H
R
R
Rosenmund-Reduktion von Carbonsäurechloriden zu Aldehyden
Es gibt zwei Möglichkeiten, Alkanoylchloride in Aldehyde zu überführen: die
Reduktion durch Hydrid oder die katalytische Hydrierung. Da die normalerweise
verwendeten reduzierten Hydride wie Natriumborhydrid oder Lithiumaluminiumhydrid
Aldehyde in Ketone überführen, muss man ihre Reaktivität verringern, um eine
Weiterreaktion zu verhindern. Durch Umsetzen von LiAlH4 mit drei Äquivalenten 2Methyl-2-propanol entsteht Lithiumtri(tert-butoxy)aluminiumhydrid. Bei dieser
Vorbehandlung werden drei der reaktiven Hydridliganden durch andere Gruppen
ersetzt. Der eine verbleibende ist nucleophil genung, um ein Alkanoylchlorid
anzugreifen, aber nicht den entstehenden Aldehyd.
abb. vollhardt seite 961
Bei der Reaktion von katalytisch aktiviertem Wasserstoff wird die Carbonyl-ChlorBindung reduktiv geöffnet, es entstehen der entsprechende Aldehyd und
Chlorwasserstoff. Eine Hydrierung mit gleichzeitigem Bindungsbruch bezeichnet man
als Hydrogenolyse. Die Hydrierung von Alkanoylchloriden nennt man nach ihrem
Entdecker Rosenmund-Reaktion. Bei dieser Reduktion wird ein besonderer
Katalysator verwendet, Palladium auf Bariumsulfat, den man mit Zusätzen von
Chinolin teilweisevergiftet, um die Metallobberfläche in eine weniger aktive Form zu
überfühhren:
H2
C
O
CCl
H2
C
H2, Pd/BaSO4/Chinolin
O
CH
+ HCl
Reduktion von Carbonsäureamiden und Nitrilen zu Aminen
Reduktion aromatischer Stickstoffverbindungen
3.0 Umlagerungen
3.1 Allgemeines
Bei den meisten chemischen Reaktionen werden funktionelle Gruppen transformiert
neue C-C-Bindungen oder Heterobindungen geschlossen. Es gibt jedoch auch
Reaktionen bei denen das Gerüst der Verbindung verändert wird. Man spricht in
Skript zum 4. Oc-Kolloquium
Seite 13 von 21
diesem Zusammenhang von Umlagerungen. Bei einer Umlagerung wandert ein
Substituet W von einem A an ein Atom B, wobei diese Atome häufig benachbart sind.
Prinzipiell kann man zwei Formen der Umlagerung unterscheiden: solche, in denen
überbrückte Zwischenstufen durchlaufen werden, und solche ohne Zwischenstufe.
Weiterhin kann man Umlagerungen danach einteilen, ob der Rest R mit oder ohne
die W-A-Bindungselektronen wandert oder, in anderen Worten, ob das Zentrum B
zunächst Elektronenmangel wie in einem Kation, ein freies Elektronenpaar wie in
einem Anion oder radikalischen Charakter besitzt. In den meisten Fällen sind A und
B direkt aneinander gebunden. Ein Substituent W wandert von einem Atom an ein
benachbartes (zweites). Mn nennt eine solche Reaktion eine 1,2-Umlagerung. Es
sind aber auch Wanderungen über eine größere Anzahl von Zentren möglich (1,nUmlagerung). Wird die neue Bindung zu einem anderen Atom im Rest R gebildet als
zu dem, das an A gebunden ist, spricht man von m,n-Umlagerung. Durch Wanderung
einer σ-Bindung entsteht das Umlagerungsprodukt.
W
W
A
A
B
B
W
W
W
A
B
A
B
A
B
Im folgenden sollen kurz die drei möglichen Mechanismen charakterisiert werden.
1. aniontrope Umlagerung (nucleophile Umlagerung, Sextett-Umlagerung):
Hierbei nimmt die wandernde Gruppe W das Bindungselektronenpaar mit, und das
ursprünglich bindende Atom A besitzt nur noch ein Elektronensextett.
2. kationtrope Umlagerungen (elektrophile Umlagerungen)
Hier verbleibt das bindende Elektronenpaar am Atom A. Handelt es sich beim
wandernden Atom W um ein H-Atom, spricht man von prototropen Umlagerungen.
3. freie-Radikal-Umlagerungen
Hier verbleibt ein Elektron an A und eines an W.
Daneben gibt es noch einen 4.Mechanismus, der über cyclische Übergangszustände
verläuft. Aniontrope, nucleophile Umlagerungen überwiegen bei weitem. Daher soll
im folgenden dieser Mechanismus genauer behandelt werden.
Nucleophile Umlagerung
Der Mechanismus besteht aus 3 Teilschritten, wobei der 2. Teilschritt die eigentliche
Umlagerung darstellt ( sog. Whitmore-1,2-shift):
1. Teilschritt: Erzeugung des Elektronensextetts (SN1)
2. Teilschritt: Umlagerung
3. Teilschritt: Wiederherstellung des Elektronenoktetts
Skript zum 4. Oc-Kolloquium
Seite 14 von 21
Einzelne oder auch mehrere Teilschritte können daneben auch synchron verkaufen.
Beweise für diesen Dreistufenmechanismus sind unter anderem, dass die
Reaktionsgeschwindigkeit der Umlagerung von Neopentylbromid mit der Polarität
des Lösungsmittels steigt unabhängig von der Basenkonzentration, und dass mit
derselben Verbindung SN2-Bedingungen keine Reaktion erfolgt:
CH3
CH3
CH2Br
H3C
Ag2O
H2O
+
CH2
H3C
CH3
-CH3
+
H3C
C
C
H2
CH3
CH3
CH3
CH3
H3C
C
H2
CH3
OH
Auch die Tatsache, dass Umlagerungen dann begünstigt sind, wenn stabilere
Carbenium-Ionen gebildet werden können, beweist den Mechanismus.
Stereochemie der nucleophilen Umlagerung
Nucleophile 1,2-shifts verlaufen meistens intramolekular; d.h. die wandernde Gruppe
W wird zu keinem Zeitpunkt vom Restmolekül gelöst. Dies kann gezeigt werden,
wenn die wandernde Gruppe W chiral ist. Bei der Umlagerung bleibt die absolute
Konfiguration von W erhalten.
Am Zentrum B findet man dagegen teils Racemisierung, teils Inversion. Dies
bedeutet, dass die Bildung des Elektronensextettes an B (1. Scchritt der
Umlagerung) manchmal mehr SN1, dann mehr SN2-Charakter zeigt. In jedem Fall
bewirkt die wandernde Gruppe W eine anchimere Unterstützung.
Bei der Wanderung von Methylgruppen treten protonierte Cyclopropane nur als
Übergangszustand, nicht dagegen als Zwischenstufe aus. Beweise hierfür ergeben
sich aus Reaktionen mit deuterierten oder 14C-markierten Verbindungen:
CH3
H+
+
CD2
H3C
CH3
H3C
H2
C
+
CD2 CH3
CH3
CD2
H3C
CH3
H3C
+
C
H2
CH3
Es werden jedoch nur Folgeprodukte von B gebildet
Wäre A eine echte Zwischenstufe, müssten auch Folgeprodukte von C gebildet
werden. Dies ist jedoch nicht der Fall
3.1Anwendungen
CD2H
Skript zum 4. Oc-Kolloquium
Seite 15 von 21
Sextettumlagerung am Kohlenstoff:
Wagner-Meerwein-Umlagerung
Wagner-Meerwein-Umlagerung wurde zuerst bei bicyclischen Terpenen entdeckt:
CH2
OH
H2C
+ H (+)
- H 2O
H
Isoborneol
Caphen
Heute werden in der Literatur allgemein solche Reaktionen als Wagner-MeerweinUmlagerungen bezeichnet, bei denen bei der Eliminierung eines Substituenten X (X
= Hal, OH) Umlagerungen am Kohlenstoffgerüst auftreten.
Wanderund einer Methylgruppe
CH3
H3C
CH2Cl
- Cl(-)
CH3(+)
CH3
CH2
H3C
H3C (+) C CH3
H2
CH3
CH3
CH3
- H (+)
H3C
C CH3
H
Wanderung eines Hydrid-Ions
CH3CH2CH2Br
+
(+)
AlBr3
CH3CH2CH2
(+)
CH3CHCH3
H3C
H
C
CH3
Br
In manchen Fällen bezeichnet man die Wagner-Meerwein-Umlagerung auch als
Retro-Pinakol-Umlagerung.
Neopentylumlagerung
(siehe nucleophile Umlagerung)
Pinakolumlagerung
Behandelt man vic-Diole mit Säuren, so erhält man unter Umlagerung des
Kohlenstoffgerüstes Aldehyde bzw. Ketone.
Skript zum 4. Oc-Kolloquium
R2
R1
R3
C
C
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R1
R4
+ H (+)
R2
- H 2O
OH OH
C
R1
R3
C
(+)
(+)
R2
R4
C
C
R3
OH R4
OH
R1
- H (+)
R2
C
C
R3
O
R4
Die Reaktion hat vom Pinakol (R1 = R2 = R3 = R4 = CH3) ihren Namen erhalten.
Nach Protonierung und Abspaltung von Wasser wird ein Carbeniumion gebildet, dass
durch 1,2-shift umlagert und durch Protonenabspaltung stabilisiert wird. Treibende
Kraft der Umlagerung ist die Ausbildung eines mesomeriestabilisierten CarboxoniumIons.
Sind die Reste R verschieden, dann ist entscheidend dafür, welcher Rest wandert,
die Frage, welches das stabilste Carbeniumion ist, das primär gebildet wird.
Beispiel:
Ph
Ph
H
C
C
H
+ H (+)
- H 2O
Ph
Ph
H
C
C
(+)
H
~H
Ph
-H (+)
Ph
H
C
C
O
H
OH
OH OH
Es werden jedoch auch Ausnahmen von dieser Regel gefunden, die im
wesentlichhen durch die Reaktiondbedingungen beeinflusst werden.
Beispiel:
Ph
Ph
C
Ph
Me
C
kalte
H2SO4
Ph
C
Me
C
Me
Me
Me O
OH OH
Anchimere Assistenz spielt hierbei eine Rolle.
HOMe
+ Spur
H2SO4
Ph
C
C
O
Ph
Me
Umlagerungen im Sinne einer Pinakol-Umlagerung findet man auch dann, wenn man
die Carbenium-Ionen auf anderem Wege erzeugt.
Beispiel: sog. Semipinakol-Umlagerung
R
R
C
R
C
OH NH2
R
Diazotierung
-N2
R
R
R
C
C
OH
(+)
R
R
-H(+)
R
C
C
O
R
R
Wolff-Umlagerung
Beim Erwärmen oder Bestrahlen mit Licht spalten Diazoketone in Gegenwart von AgKatalysatoren (AgO2/ H2O oder Ag-bezoat/ Triethylamin) Stickstiff ab, und man erhält
intermediär ein Carben, dass sich je nacch Reaktionsbedingungen entweder zum
Skript zum 4. Oc-Kolloquium
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α,β-ungesättigten Keton durch Hydridwanderung oder zum Keten durch Wanderung
eines Restes R stabilisiert:
R
323K
R
C
O
(-) (+)
C
N
N
-N2
O
O
~H
R
C
C
C
H
C
R
R
CH2R
CH2R
C
H
323K
~R
O
C
C
C
H2
R
Arndt-Eistert-Reaktion
Die Wolff-Umlagerung nutzten Arndt und Eistert zur Kettenverlängerung von
Carbonsäuren um ein C-Atom aus:
Addition von Diazomethan an Säurechloride führt zu Diazoketonen, deren
Umlagerung erneut Carbonsäuren ergibt, wobei die C-Kette um ein C-Atom
verlängert ist:
O
Cl
R
R
+ CH2N2
C
C
O
(-) (+)
CH N
N
R
C
CH
O
~R
CH C
R
O
+ H2O
R
C
H2
COOH
Sextettumlagerung am Stickstoff:
Die drei bekannten Namensreaktionen sind mechanistisch eng miteinander
verwandt. Sie unterscheiden sich lediglich in der Art, wie das Elektronensextett am
N-Atom erzeugt wird.
Curtius-Abbau
Beim Curtius-Abbau werden die Nitrene durch thermische Zersetzung von
Säureaziden erzeugt. Die Säureazide erhält man aus Säurechloriden mit
Natriumazid:
O
- NaCl
O
∆
O
R
C
usw.
-N2
(-) (+)
N
N
N
N
Cl
Im Gegensatz zum Hofmann-Abbau können beim Arbeiten in inerten Lösungsmitteln
die Isocyanate isoliert werden.
R
C
+ NaN3
R
Hofmannscher Säureamidabbau
C
Skript zum 4. Oc-Kolloquium
Seite 18 von 21
Bei der Einwirkung von Hypohalogenid auf Säureamide erhält man primäre Amine,
die ein C-Atom weniger als die Ausgangssubstanzen haben. Primär werden Nitrene
(Azene) gebildet, die in Isocyanate ugelagert werden
O
R
C
NH2
O
O
+Br(+) OH(-)
-H2O
R
+ OH(-)
C
NHBr
R
C
- Br(-), H2O
N
O
+ ROH
~R
O
C
N
R
N
R
OR
O
H
+H2O
R
RNH2 + H2O
N
OH
H
Arbeitet man in wässrigen Lösungen, erhält man substituierte Carbaminsäuren, die
instabil sind und in primäre Amine und CO2 zerfallen. In alkoholischen Lösungen,
erhält man Urethane. Technisch sind do Athranilsäure aus Phtalimid hergestellt.
Lossen-Abbau
Beim Lossen-Abbau werden Hydroxamsäuren eingesetzt:
O
R
C
N
H
O
P2 O 5
R
-H2O
OH
C
N
Schmidt-Abbau
Bei der Reaktion mit Stickstoffwasserstoffsäure erhält man ausgehend von Ketonen
Säureamide, aus Carbonsäuren Amine, die um ein C-Atom verkürzt sind gegenüber
den eingesetzten Säuren.
R'
O
+
H
(-)
(+)
N
N
R'
+H(+)
N
R
N
(+)
N
N
OH
R
R'
-H2O
N
(+)
N
R
R'
H
(+)
C
N
R
R'
-N2
N
N
R
OH
+H2O
-H(+)
(+)
~R
O
R
R
N
R
N
H
R
Vor der eigentlichen Umlagerung erfolgt Addition von NH3 an die C=ODoppelbindung. Die Eliminierung von Wasser und die Umlagerung bilden einen
Synchronprozess aus der trans-Lage heraus. Da die Wasserabspaltung immer so
Skript zum 4. Oc-Kolloquium
Seite 19 von 21
erfolgt, dass der voluminösere Rest in trans-Stellung zur Diazoniumgruppe steht
können sich Abweichungen von der erwarteten Wanderungsreihenfolge ergeben.
Arbeitet man mit überschüssiger NH3, addiert sich diese an das nach der
Umlagerung entstehende Carbenium-Ion unter Bildung eines Tetrazolen.
R'
(+)
C
H
N
N
R
+HN3
(+)
N
N
-H(+)
R'
N
N
(+)
N
N
N
R'
R
R
Beckmann-Umlagerung
Bei der Reaktion von Oximen (hergestellt aus Carbonylverbindungen und
Hydroxylamin mit Säuren (z.B. H2SO4, PCl5) erhält man Carbonsäureamide:
R'
OH
N
R'
+ H(+), -H2O
R
(+)
N
~R
R'
(+)
C
N
+H2O
R
-H(+)
R
O
OH
R'
R'
NHR
NR
Es tritt das gleiche Zwischenprodukt wie bei der Schmidet-Reaktion auf. Auch hier
wandert der trans-ständige Rest. Mit caclischen Ketonen erhält man Lactame
(cyclische Säureamide). Von technischer Bedeutung ist die HHerstellung von єCaaprolactam aus Cyclohexanonoxim, das zur Herstellung von Polyamidfasern
(Perlon) gebraucht wird.
Sextettumlagerung am Sauerstoff:
Hydroperoxid-Umlagerung (Phenolsynthese nach Hock)
Behandelt man Hydroperoxide mit Protonen oder Lewis-Säuren, so erhält man
Ketone (bzw. Aldehyde) und Alkohole. Großtechnisch angewandt wird dieses
Verfahren bei der sogenannten Hock’schen Phenolsynthese, bei der man durch
Umlagerung von Cumolhydroperoxid Phenol und Aceton erhält:
CH3
CH3
C6H5
O
OH
CH3
+H2O
-H(+)
+H(+)
-H2O
O
CH3
O
~Ph
C6H5
+
C
O
C5H6
H3C
CH3
CH3
HO
+
C6H5
H3C
C6H5
OH
+
H3C
O
H3C
Ausgelöst wird die Umlagerung durch Protonierung des Hydroperoxides, bei der
zunächst eine Zwischenstufe mit einem Elektronensextett am Sauerstoff erzeugt
wird. Wanderung von Phenyl (der die größere Wanderungstendenz zeigt), Addition
Skript zum 4. Oc-Kolloquium
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von Wasser und Protonenabspaltung führt zu Halbacetalen, die instabil sind und in
Aceton und Phenol zerfallen.
Baeyer-Villiger-Oxidation
Bei der Behandlung von Ketonen mit Persäuren (z.B. Perbenzoesäure,
Peresssigsäure) erhält man unter Einschub von Sauerstoff Ester.
Bruttogleichung
O
O
O
+
OR
R
R
O
OH
R'
R
Besonders gute Ergebnisse werden mit Peroxy-trifluoressigsäure erhalten,
gegebenenfalls unter Verwendung von Puffern wie Na2HPO4, um Umesterung zu
vermeiden.
O
O
R'
O
+R''-CO3H
R
R''
O
-R''
R'
O
O
O
R'
R
R
OH
OH
~R'
O
R'
O
+
C
+
-H(+)
R
OR'
R
OH
Protonierung des Additionsproduktes von Persäure an das Keton führt zu einer
Zwischenstufe mit Elektronensextett am Sauerstoff. Wanderung von R’ und
Abspaltung eines Proton führt zum Ester.
Aus cyclischen Ketonen erhält man Lactone.
Benzilsäureumlagerung
Beandelt man α-Diketone mit Basen, so erhält man Salze von αHydroxicarbonsäuren:
O
Ph
Ph
O
Ph
+OH(-)
Ph
Ph
HO
O
Ph
Ph
O
O
OH
O
Ph
HO
O
O
Skript zum 4. Oc-Kolloquium
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Nucleophile Addition von OH- an die C=O-Doppelbindung führt zur Wanderung eines
Phenylrestes. Die daraus entstehende Zwischenverbindung stabilisiert sich durch
Umprotonierung.
Auch aliphatische α-Diketone und α-Ketoaldehyde können so umgelagert werden.
Benzidin-Umlagerung
Sigmatrope [3,3]-Umlagerung:
Cope-Umlagerung
Claisen-Umlagerung