1.0 Nucleophile Addition an das ungesättigte Carbonyl

Skript zum 5. OC-Kolloquium
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1.0 Nucleophile Addition an das ungesättigte Carbonyl-CAtom:
1.1 Allgemeines
In einer Carbonylgruppe sind wie in der olefinischen C=C_Doppelbindung zwei
Atome, hier jedoch ein Kohlennstoffatom und ein Sauerstoffatom, über eine σ- und
eine
π-Bindung
aneinander
gebunden.
Aufgrund
des
großen
Elektronegativitätsunterschieds zwischen Kohlenstoff und Sauerstoff ist die
Carbonylgruppe jedoch extrem polarisiert, was durch folgende Grenzformeln
beschrieben werden kann.
R2
δ+
C
R2
δ−
O
(-)
O
(+)
C
R1
R1
π-Bindung
O σ-Bindung
C
Im Prinzip handelt es sich bei den Reaktionen der Carbonylgruppe um ähnliche
Reaktionen wie bei Additionen an C=C-Doppelbindungen. Eine riesige Zahl
synthetisch wertvoller Reaktionen von und mit Carbonylverbindungen sowie bei C=CDoppelbindungen nicht zu beobachtende Folgereaktionen der Additionsprodukte
rechtfertigt aber, die Reaktionen der Carbonylgruppe separat zu behandeln.
Wegen ihrer Polarität reagiert eine Carbonylgruppe mit Elektrophilen und
Nucleophilen an verschiedenen Enden. Dabei kommt dem Angriff eines Nucleophils
an das positiv polarisierte Carbonyl-C-Atom die größere Bedeutung zu. Elektrophile
dagegen suchen das elektronenreiche Ende, greifen also das Carbonyl-O-Atom an.
Wichtig ist, dass sie dadurch einen Angriff eines Nucleophils erleichtern können,
denn durch ihren Angriff erhöhen sie die Elektrophilie des Carbonyl-C-Atoms. Dies
gilt für Protonen sowie für Lewis-Säuren.
E
E
+
O
O
O
E(+)
+
C
Angriff eines Nucleophils
wird erleichtert
O
H
+
O
H
O
+
C
Nu (-)
Nu (-)
O
+
(-)
BF3
BF3
O
+
C
Nu (-)
Die Vielzahl der Reaktionen von Carbonylverbindungen lässt sich in zweifacher
Weise unterteilen: nach der Art der Nucleophile und nach der Art der
Skript zum 5. OC-Kolloquium
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Carbonalverbindungen. Je nach Nucleophil können C-Hetereoatom- C-C- oder C-HBindungen gebildet werden. Die Carbonylverbindungen kann man unterteilen nach
der Anzahl der Bindungen zu Hetereoatomen: Aldehyde und Ketone (2-Bindungen),
Carbonsäure-Derivate (3 Bindungen) und Kohlensäure-Derivate (4 Bindungen).
Gegenüber verschiedenen Nucleophilen verhalten sich Carbonylverbindungen und
Carbonsäure-Derivate recht unterschiedlich. Grund hierfür ist die unterschiedliche
Elektrophilie der Carbonyl-C-Atome, die durch die beiden Substituenten R1 und R2
stark beeinflusst wird.
δ−
O
C
δ+
R1
R2
Elektronenschiebende Gruppen wie +M- und +I-Substituenten erhöhen die
Elektronendichte am C-Atom und erniedrigen daher die Reaktivität der
Csarbonylgruppe, während elektronenziehende Gruppen –M- und –I-Substituenten
die elektronendichte erniedrigen und zu schnelleren Reaktionen führen. Die
unreaktivsten Carbonsäure-Derivate sind daher die Carbonsäure selbst, Amide sowie
Carbonsäure-Anionen, während Säurehalogenide und –anhydride zu den reaktivsten
Carbonsäure-Derivaten gehören.
O
Cl
R
OH
R
O
NR'2
R
R'
R
O
O
OR'
O
H
R
R'
O
R
O
R
O
O
O
O
R
Bezüglich ihrer Reaktivität gegenüber Nucleophilen liegen Aldehyde und Ketone in
der Mitte, aber auch hier lässt sich aufgrund der mesomeren und induktiven, aber
auch sterischen Effekten eine abgestufte Reaktivität beobachten.
O
O
O
O
O
Cl3C
H
H
H
Me
H But-
O
Me
Ph
Ketonen und Carbonsäurederivaten
H
O
Ph
Ph
Me
Me
Skript zum 5. OC-Kolloquium
stereochemische Aspekte der Carbonyladdition
Eigenschaften der Carbonylgruppe:
Acetale
Ketale
Thioacetale
Thioketale
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Hydratisierung
Paraformaldehyd
Methaldehyd
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Skript zum 5. OC-Kolloquium
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Addition von HCN
Durch Addition von Blausäure an Carbonylverbindungen erhält man Cyanhydrine.
R1
OH
R1
O
R1
C
O
+
langsam
CN-
+ H(+)
C
R2
CN
R2
CN
R2
C
Cyanhydrin
R1 = R2 = Alkyl
R1 = H, R2 = Alkyl, Aryl
Das stark basische Cyanidion lagert sich im ersten Schritt langsam nucleophil an den
Carbonylkohlenstoff an. Das primäre Anlagerungsprodukt wird dann in einer
Gleichgewichtsreaktion durch Protonen unter Ausbildung des Cyanhydrins
abgefangen. Die praktische Durchführung der Cyanhydrinreaktion erfolgt so, dass
man zu einem aus Carbonylverbindung und wässrige NaCN-Lösung bestehenden
Gemisch langsam wässrige verdünnte Mineralsäure gibt. Zu stark saure Lösungen
müssen vermieden werden, da dadurch das Gleichgewicht der Blausäure auf die
Seite der undissozierten Säure verschoben wird und somit nur wenig CN--Ionen zur
Verfügung stehen. Zu stark basisch ist ebenfalls ungünstig, weil das CN- dann nicht
mehr als freies Ion vorliegt.
Cyanhydrine von Aldehyden sind stabiler als die von Ketonen und somit auch besser
darstellbar. Dafür sind vor allem sterische und elektronische Faktoren verantwortlich.
Alternativ besteht auch die Möglichkeit der Herstellung von Cyanhydrinen aus den
Hydrogensulfit-Addukten durch Austauschreaktion:
C
O
+
HSO3(-)Na(+)
SO3 (-) Na(+)
C
+ NaCN
C
CN + Na2SO3
OH
OH
Hierbei wirkt das gebildete NaHSO3 als Säure. Die synthetische Bedeutung der
Cyanhydrin-Reaktion liegt darin, dass man durch saures Verseifen zu αHydroxycarbonsäuren gelangen kann:
+
C
OH
R1
OH
R1
2 H2O
+
H(+)
C
+ NH4(+)
COOH
R2
CN
R2
Ein Beispiel für die technische Anwendung der Cyanhydrin-Reaktion ist die
Herstellung von Methacrylsäure (Plexiglas).
Strecker-Synthese
Diese von Strecker bereits 1850 gefundene Reaktion ist die amonoanaloge
Cyanhydrin-Reaktion; denn die zur C=O-Gruppe isoeletronische Gruppe im
Ammonosystem ist die Imin-Gruppe C=NH, die ebenfalls nucleophil von CNangegriffen werden kann und zu Aminonitrilen führt:
H3C
C
H
O
NH3
- H2O
H3C
C
H
NH
HCN
H3C
H
C
NH2
CN
2 H2O/ H(+)
H3C
H
C
NH2
COOH
Skript zum 5. OC-Kolloquium
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Die Aminosäuren liegen am isoelektrischen Punkt in einer Zwitterion-Form vor, der
so genannten Betainform:
COOH
H
COOH
NH2
H2N
H2N
H
CH3
CH3
"D"
"L"
H
COOH
H
HOOC
NH2
CH3
CH3
"R"
"S"
+
H3N
D,L-Nomenklatur
(Fischer-Konvention)
R, S- Nomenklatur nach
Cahn, Ingold, Prelog
O
H
C
O
CH3
Diese Zwitter-Ionen sind im Allgemeinen kristalline, hochschmelzende und gut
wasserlösliche Verbindungen.
Addition von Ammoniak und Aminen (Imine, Schiff’sche Basen, Aminale)
Allgemeines:
Grundsätzlich reagieren Basen mit Carbonylverbindungen nach folgendem Schema:
konjugierte Base
HB
+
C
Protonenübertragung
+
HB
O
O
C
B
C
OH
N
C
OH
(im Sinne einer SäureBase-Reaktion)
konjugierte Säure
R1
R1
NH
R2
+
C
O
H
N
+
R2
R1
C
O
R2
Halbaminal
Skript zum 5. OC-Kolloquium
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Die Halbaminale sind ebenso wie die Halbacetale sehr unbeständig und nicht
isolierbar. Je nachdem, ob es sich um primäre Amine (R1 = H, R2 = Alkyl, Aryl) oder
um sekundäre Amine (R1 = R2 = Alkyl, Aryl) handelt, ergeben sich versiedne
Möglichkeiten zur Weiterreaktion:
Die Addition primärer Amine an Carbonylverbindungen
Die gebildeten Halbaminale reagieren nach folgendem Mechanismus weiter:
R1
N
H
C
OH
H(+)
R1
N
H
C
OH2
- H2 O
+
R1
C+
N
H
R1
N
C
H
Carbimmoniumion
- H(+)
R1
N
C
Schiff'sche Base
Das durch Protonierung und Abspaltung von Wasser gebildete Carbimonium-Ion (=
Carbeniumimmonium-Ion) spaltet als konjugierte Säure einer N-Base leicht ein
Proton ab, und man erhält für R1 = H sogenannte Imine, für R1 = Alkyl, Aryl
sogenannte Azomethine, die auch Schiff’sche Basen genannt werden.
Die gut kristallisierenden Produkte aus den Kondensationsreaktionen werden zur
Reinigung und in der Analytik zur Identifizierung von Carbonylverbindungen
verwendet.
primäres Amin
Derivat
H2N
OH
(Hydroxylamin)
NOH
C
H2N
NH2
(Oxim)
(Hydrazin)
C
N
NH2
(Hydrazon)
H2N
N
H
C6H5
(Phenylhydrazin)
C
N
N
H
C6H5
(Phenylhydrazon)
H2N
N
H
NO2
O 2N
C
C
NH2
NO2
O2N
(2,4-
Dinitrophenylhydrazon)
O
O
N
H
N
H
(2,4-
Dinitrophenylhydrazin)
H2N
N
C
(Semicarbazid)
N
N
H
(Semicarbazon)
C
NH2
Skript zum 5. OC-Kolloquium
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Addition sekundärer Amine an Carbonylverbindungen
Werden sekundäre Amine an Carbonylverbindungen addiert, so gibt es verschiedene
Möglichkeiten zur Weiterreaktion.
a) Enaminbildung:
R1
N
R2
+
OH2
C
C
R1
R1
- H2O
N
R2
H
+
N
C+
C
C
C
R2
H
H
Carbimonium-Ion
- H(+)
R1
R1
N
C
R2
(+)
N
C
C (-)
R2
C
Enamin (mesomeriestabilisiert)
Hier wäre die Abspaltung eines R+ energetisch zu ungünstig; daher stabilisiert sich
das Carbeniumion durch Abspaltung eines H+ vom β-C-Atom unter Bildung von
Enaminen.
Die Enaminbildung findet im allgemeinen nicht mit primären Aminen statt. Ausnahme
findet man jedoch, wenn die Enamin-Doppelbindung durch Konjugation weiter
stabilisiert werden kann.
O
H3C
H3C
O
C
C
H2
C
+NH3
C
OR
NH2
-H2O
H2N
C
+
C
HOOC
CH3
C
H HOOC
H
"E"
"Z"
β-Aminocrotonsäureester
Zu den meisten genutzten sekundären Aminen für die Enaminbildung gehören
Pyrolidin, Morpholin, Piperidin.
Beispiel:
O
O
O
N
(+)
N
O
+
H
N
H
(-)
Skript zum 5. OC-Kolloquium
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Aufgrund der Elektronenverteilung im Enamin ist eine elektrophile Substitution in αStellung leicht möglich. Anschließende Spaltung des Enamin ins Ausgangsketon
liefert das auf anderem Weg kaum zugängliche α-substituierte Keton.
b) Vollaminalbildung
Ist am β-C-Atom kein abspaltbarer Wasserstoff vorhanden, so ist keine Stabilisierung
durch Enaminbildung möglich. In diesem Falle findet eine Vollaminalbildung statt:
R1
R1 (+)
N
C (+)
N
R2
R2
C
C
N
R2
(+) R1
NH
C
R2
C
R1
N
R2
R1
NHR2
C
R1
-H(+)
R1
C
N
Vollaminal
R2
C
Beispiel:
+
H2C
O
+H(+)
-H2O
N
N
H
Piperidin
C
H2
N
Aminal des Formaldehyds
Formaldehyd
Ein Vollaminal mit Adamantanstruktur liegt im Urotropin (Hexamethylentetramin) vor:
N
6 CH2O +
4 NH3
-6H 2O
N
N
N
Enamine (Reaktionen der Enamine)
Oxime
Mehrere Aminderivate kondensieren mit Aldehyden und Ketonen zu Iminen, die gut
kristallisieren und oft scharfe Schmelzpunkte haben. Zum Beispiel kondensieren
Hydroxylamin, H2NOH, in Form seines Hydrochlorids zu Oximen.
Skript zum 5. OC-Kolloquium
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O
CH3(CH2)5
CH
CH3(CH2)5
H(+)
-H2O
+ H3(+)NOHCl(-)
NOH
C
H
Heptanal-Oxim
HydroxylaminHydrochlorid
Hydrazone
Hydrazin, H2NNH2, und einige seiner Derivate kondensieren zu Hydrazonen. Erfolgt
die Reaktion an beiden Enden des Hydrazinmoleküls, werden Azine gebildet.
NH2
N
O
H3C
C
CH3 + H2N
NH2
C
-H2O
H3C
Hydrazin
CH3
Propanon (Aceton)-Hydrazon
C6H5
H
C
O
C6H5
NH
CH
+ H2N
NH2
N
-H2O
C
H5C6
H
Mannich-Reaktion
Die Umsetzung eines primären oder sekundären Amins mit einem Aldehyd, i.a.
Formaldehyd, und einer C,H-aciden Verbindung bezeichnet man als MannichKondensation.
Hierbei findet wie allgemein bei Aminen zunächst eine Addition des Amins an die
Carbonylverbindung mit nachfolgender Ausbildung des mesomeriestabilisierten
Carbimmonium-Ions statt:
R1
NH
+
R2
R3
R1
O
R4
R3
+
NH
R2
Protonenübertragung
O
R4
R3, R4 meist H
R3
R1
OH
N
R2
R4
+ H +/ -H 2O
R3
R1
N
R2
+
R3
R1
+
C
N
R4
R2
R4
Carbimmoniumion
Die
Carbimmonium-Ionen
stellen
gleichfalls
auch
ammonoanaloge
Carbonylverbindungen dar, die sich in einer normalen sauer katalysierten
Skript zum 5. OC-Kolloquium
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Aldolreaktion mit dem Enol einer C,H-aciden Verbindung zu Mannichbasen umsetzen
lassen:
R3
R1
N
C
R1
+
R2
N
R4
OH
R3
+
+
R2
für R3, R4 = H
CH2
R
R4
Carbimmoniumion
OH
R1
N
C
H2
R2
C
H2
C
(+)
R
N
R2
C
H2
C
H2
C
UmprotonierungR1
R
R2
N
C
H2
C
H2
C
(+)
NH C
H2
O
C
H2
C
R
Salz der Mannichbase
O
R1
-H+
(+)OH
R1
R
R2
Mannich-Base = β-Aminoketon
Cannizarro-Reaktion
Bei der Cannizzaro-Reaktion handelt es sich um eine Disproportionierung von
aromatischen und nicht enolisierbaren aliphatischen Aldehyden unter der Einwirkung
von Alkali- oder Erdalkalihydroxiden zu Carbonsäuren und Alkoholen durch HydridTransfer:
R
H +
R
+ OH-
O
langsam
+ H
R
O
H
O
R
O
+ H
R
O
H
O
R
OH
R
OH
H
OH
H
O
Die Kinetik dieser Reaktion ist 2. Ordnung.
Die Kinetik und vor allem D2O-Untersuchungen machen einen Mechanismus über
das Dianion wahrscheinlich.
R
O
OH
H
O
+
OH-
R
H
+ OH-H2O
R
H
O
O
In diesem Falle wird das Salz der Säure direkt gebildet, und das Proton kommt vom
Solvens.
Benzoin-Addition
Skript zum 5. OC-Kolloquium
H
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OH
HO
O
Umpolung
C
+ CN(-)
O
CN
Ar
Ar
Ar
H
Ar
Aldol-Addition und Aldol-Kondensation
Carbanionen von Carbonylverbindungen addieren sich ebenfalls an die
Carbonylgruppe. Bei der Aldoladdition kann man sowohl mit Basen als auch mit
Säuren die Reaktion katalysiert.
Basenkatalyse:
R
H3C
O + B
C
R
(-)
CH2
C
H3C
R
O
Carbonylkomponente
H3C
O
H2C
C
(-)
O
Base = Carbanion
CH-Acide Verbindung
(Methylenkomponente)
R
R
C
R
C
H2
C
O
O
(+)
+ BH
-B
+
(+)
BH
konjugierte
Säure der Base
R
H3C
C
C
H2
C
O
OH
Aldol (=Aldehydalkohol)
β-Hydroxyketon
Im ersten geschwindigkeitsbestimmenden Schritt löst die Base ein Proton von der
CH-aciden Methylenkomponente unter Ausbildung eines mesomeriestabilisierten
Carbanions, das dann an die Carbonylkomponente addiert wird. Dieses intermediär
gebildete Ion wird dann durch Protonierung durch die konjugierte Base der Säure
stabilisiert.
Säurekatalyse:
R
H3C
C
O + H(+)
H3C
C
(+)
R
R
R
OH
H3C
C
(+)
OH
-H(+)
H2C
C
OH
Im Anschluss daran führt dann die Addition des Enols an das Carbenium-Ion (=
protonierte Carbonylverbindung) zu Aldolen:
Skript zum 5. OC-Kolloquium
R
R
C (+)
H3C
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+
H2C
R
Aldoladdition
C
H3C
OH
Retro-Aldoladdition
OH
R
- H(+)
H3C
C
C
R
C
H2
(+)
OH
C
OH
R
C
H2
OH
C
O
Aldol
Im sauren Milieu sind die rch Addition gebildeten Aldole nicht stabil, sondern durch
Protonierung der Hydroxylgruppe und Wasserabspaltung findet eine AldolKondensation statt:
R
H3C
C
R
R
C
H2
C
+
O
H(+)
H3C
R
-
H3C
C
R
C
H
C
C
H2
C
R
O
- H2O
H3C
C
(+)
OH
(+) 2
OH
H(+)
C
R
R
C
H2
C
O
O
Ist R = H (Acetaldehyd als Carbonylverbindung), dann wird Crotonaldehyd gebildet,
und zwar das thermodynamisch stabilere trans-Isomere.
Gemischte Aldolkondensation und gezielte Aldolkondensation nach G. Wittig
Setzt man zwei verschiedene Carbonylverbindungen bei der Aldolkondensation ein,
so hängt die Tatsache, welche der Carbonylverbindungen die Methylenkomponente
und welche die Carbonylkomponente darstellt, im wesentlichen von der
Carbonylaktivität der jeweiligen Verbindung ab. Da die Unterschiede häufig jedoch
nur ggraduell sind, ist ein eindeutiger Reaktionsablauf im allgemeinen nicht gegeben.
Problemlos verläuft die gemischte Aldolkondensation nur dann, wenn eine
Carbonylverbindung keinen α-ständigen Wasserstoff besitzt, z.B. beim Benzaldehyd:
C6H5
O
O
CH + H3C
C
OH
C6H5
C6H5
C
H
O
C
H2
C
C6H5
O
-H2O
C6H5CH
C
H
C
C6H5
Als CH-acide Verbindung ist auch Nitromethan geeignet, das hier nur als
Methylenkomponente fungieren kann:
Skript zum 5. OC-Kolloquium
O
H3C
+ B
N
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- BH(+)
CH2
O
O
O
H2C
N
N
O
O
So reagiert Nitromethan durch successiven Ersatz aller Wasserstoffatome mit
Formaldehyd zu Trihydroxymethylnitromethan.
Auch Cyclopentadien bzw. Alkine können als Methylenkomponente verwendet
werden.
Verbidnungen, die auf dem Wege einer gemischtten Aldolkondensation nicht zu
erhalten sind, wie z.B. β,β-Dimethylacrolein aus Aceton und Acetaldehyd, lassen sich
auf folgende Weise durch eine gezielte Aldolkondensation nach G. Wittig herstellen:
CH2OH
CH2OH
C
NO2
CH2OH
Trihydroxymethylnitromethan
Dabei wird die Komponente mit höher Carbonylaktivität durch Überführung in die
Schiff’sche Base zur Methylenkomponente. Die Schiff’sche Base wird durch
Lithiumdiisopropylamid in das Carbanion überführt, das sich dann an eine weitere
Carbonylkomponente addieren kann.
Tollens-Kondensation
Einen Mehrfach-Ersatz aciden Wasserstoffs in der Aldolreaktion findet man in der
sogenannten Tollens-Reaktion, bei der Tollens-Reaktion handelt es sich um eine
gemischte Aldolkondensation mit nachfolgender gekreutzter Cannizarro-Reaktion.
Bruttoreaktion:
CH2OH
4 H2C
O
+
H3C
C
H
O
NaOH
CH2OH
C
CH2OH + HCO2Na
CH2OH
Pentaerythrit
Primär reagieren alle drei aciden H-Atom der Methylgruppe des Acetaldehyds in
einer normalen Aldoladdition. Dieses primäre Reaktionsprodukt ist unter den
Reaktionsbedingungen(starke Basen) nicht stabil, sondern es reagiert mit einem
weiteren Molekül Formaldehyd unter Disprotortionierung in der sogenannten
gekreutzen Cannizzaro-Reaktion.
Skript zum 5. OC-Kolloquium
H
C
O
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+ OH(-)
C
H
CH2OH
OH
H
O
+ CH2OH
C
H
C
C
H2
CH2OH
O
CH2OH
OH
CH2OH
CH2OH
C
H
O
+ H
C
O
O
Protonentransfer
Pentaerythrit + R
C
O
Formiat
Die CH2OH-Gruppen werden von OH- wegen der Neopentylstellung nicht
angegriffen. Schließlich erfolgt Protonentransfer unter Ausbildung der Salze der
Ameisensäure (Formiate), da die Ameisensäuure die stärkere Säure ist.
Aldolkondensation
mit
anderen
CH-aciden
Verbindungen
(aliphatische
Nitroverbindungen)
Knoevenagel-Reaktion
Bei dieser Reaktion handelt es sich um einen Spezialfall der Aldolkondensation,
wobei Methylenkomponenten mit besonders hoher CH-Acidität verwendet werden.
Z1
R1
Z1
R1
Base
C
O + H2C
C
C
- H2 O
Z2
R2
Z2
R2
Das entstehende Reaktionswasser wird azeotrop entfernt. Im allgemeinen reagieren
Aldehyde besser als Ketone. Durch Variation der Reste Z lassen sich eine Vielzahl
von Verbindungen einsetzen, z.B. Malonester, Cyanessigester, Acetessigester,
Nitromethan, Dipenylmethan, Malodinitril und S-haltige Verbindungen.
Als Basen werden verwendet: Piperidin, NEt3, KOH, NaOH (wässrig oder alkoholisc),
KNH2, RO-, CH3CO2- und NH3.
Michael-Addition
O
C
O
C
C
+
C
C
O
O
C
C
C
C
C
H2O
-OH(-)
O
O
C
C
C
C
C
H
Reaktionen OH-, NH- und CH-acider Verbindungen mit a,b ungesättigten Aldehyden,
Ketonen, Estern und anderen aktivierter C-C-Doppelbindungen
Cyanethylierung
Skript zum 5. OC-Kolloquium
Seite 16 von 39
Olefinierungsreaktionen (Wittig- und Horner-Emmons-Reaktion)
Kondensation von Phosphoniu-Yliden mit Crbonyverbindungen: Wittig-Reaktion
Ein Ylid ist eine Verbindung, für den sich eine Grenzstruktur formulieren lässt, bei
welcher zwei benachbarte Atome mit vollem Oktett entgegengesetzte Ladungen
aufweisen.
Ylide sind relativ stabil, falls man das Oktenn aufweiten und die entsprechende YlenForm schreiben kann (also ab 3. Periode: P-Ylide, S-Ylide, aber nicht N-Ylide)
Betain-Struktur
Nucleophiles
Zentrum
Me
Me P CH2
Me
Me
Me P CH2
Me
Ph
Ph P CH2
Ph
Ph
Ph P CH2
Ph
Wichtiges Phoshonium-Ylid
Stammsubstanz
der PhosphoniumYlide
en = Doppelbindung
yl = Kovalenzbindung, id = Ionenbindung
Darstellung von Phosphonium-Yliden:
Ph3P
R
H2C X
Ph3P
R
Ph3P
R
n-BuLi
RCH2PPh3
X
-LiX
- BuH
Skript zum 5. OC-Kolloquium
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Bei einer Wittig-Reaktion werden Ylide eingesetzt:
Li
PPh3 Hal
H
R2
O
H
R1
Li Hal
kcis
O PPh3
kDrift
PPh3
O
R1
H
H
Oxaphosphetane
R2
R1
R2
R1
O=PPh3
O PPh3
ktrans
R1
R2
R2
R1
R2
Li Hal
Li
O
H
R1
PPh3 Hal
R2
H
cis-selektive Wittig-Reaktionen:
Unterbindung des stereochemischen Drift bei Wittig-Reaktionen labiler Ylide durch
Anwendung sogenannter „salzfreier-Bedingungen“ (Basen: NaNH2, KOtert-Bu,
KHMDS).
Wichtig: salzfrei-Wittig-Reaktionen labiler Ylide stellen eine stereoselektive Synthese
von cis-Olefinen dar.
R
O
NaNH2
R
Ar3P CH2 Me
Ar3P CH2 Me Br
THF
Me
% cis Olefin für ...
... R = Pent
Ph
Pr
Pr
Ar = Ph
96
90
92
84
Ar = o-Tolyl
98
97
96
95
Skript zum 5. OC-Kolloquium
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P-Ylide reagieren mit C=O-Doppelbindungen umso rascher, je elektrophiler sie sind:
Aldehyde lassen sich sogar in Gegenwart von Ketonen olefenieren
(Chemoselektivität).
O
Ph3P C Hex
H2
Br
O
Oct
KOtertBu
O
Ph3P C Hex
H
THF
Hex
Oct
Verwendet man labile P-Ylide unter nicht-salzfrei Bedingungen, so erhält man ein
cis/trans-Produktgemisch. Ein Beispiel dafür ist die Heterolyse von Oxaphophetanen:
O
Ph3P CH2
(dargestellt aus
Br
Ph3PHCH3
nBuLi)
R
Ph3P CMe2
O
R
(dargestellt aus
Ph3PHCHMe2
I
nBuLi)
Eine trans-selektive Form der Wittig-Reaktion stellt die Schlosser-Variante.
O PPh3
R1
R2
O
ktrans
R1
H
H
PPh3
kcis
R2
kDrift
O PPh3
R1
Li Hal
Li
PPh3 Hal
R2
H
O
H
R1
R2
Li Hal
PhLi
Li
O
H
R1
PPh3 Hal
R2
PhLi
Li
PPh3 Hal
H
R2
O
H
R1
A
B
C
Lithiobetain
Oxidoylid
Lithiobetain
HCl oder t-BuOH
KOtert-Bu (- LiOtert-Bu)
PPh3
O
R2
R1
D
R2
O PPh3
R1
E
R2
R1
O=PPh3
Skript zum 5. OC-Kolloquium
Seite 19 von 39
Wittig-Horner-Olefenierung
Die Wittig-Horner-Reaktion ist eine C,C-verknüpfende Olefinsynthese aus einem
Alkyldiphenylphosphanoxid R1-CH2-P(=O)Ph2 und einem Aldehyd R2-CHO. Man
kann die Reaktion einstufig oder zweistufig führen. Der Vorteil der zweistufigen
Reaktionsführung ist das der Protonierungsschritt involviert ist und die phospholierten
Alkohole leicht trennbar sind. Bei der einstufigen Form erhält man ein 1:1-Gemisch
der diastereomeren Alkoholaten. Die entstandenen Olefine können meist nur schwer
getrennt werden.
O
O
PPh2
PPh2
nBuLi
PPh2
-BuH
H
R1
O
R1
Li
R1
Zugabe von
R2
Li
B
A
O
O
O
PPh2
PPh2
R2
R1
HCl
R2
R1
OH
OH
50 : 50
bis
10:90
syn-C
O
O
PPh2
PPh2
R2
R1
O
anti-C
R2
R1
R1
R2
cis-E
O
O
K
trans-G
Li
Otert-Bu
K
Ph2P
O
K
O
O
PPh2
PPh2
R2
O
R2
R1
O
K
K
syn-F
R1
R1
R2
anti-D
Otert-Bu
R1
O
Ph2P
O
Li
Otert-Bu
K
via cis-G
trans-E
Ph2P
O
syn-D
Li
Otert-Bu
K
via trans-G
R2
R1
O
cis-G
R2
K
anti-F
Skript zum 5. OC-Kolloquium
Seite 20 von 39
Wittig-Wadsworth-Emmons-Reaktion (HWE-Reaktion)
Die HWE-Reaktion stellt eine C=C-Doppelbindung bildende Kondensation zwischen
β-Ketooder
dem
Li-,
Naoder
K-Salz
eines
β(Alkoxycarbonyl)phosphonsäuredialkylesters und einem Aldehyd dar. Die Vorteile
dieser Reaktion ist die Bildung eines wasserlöslichen PhosphorsäuredialkylesterAnions, und die hohe trans-Selektivität.
Mechanismus:
O
O
(EtO)2P CH2
O R2
in situ:
n-BuLi
oder NaH
oder KOtertBu
O
O
(EtO)2P CH
O R2
O
(EtO)2P C
H
M
O
O R2
O
(EtO)2HP C
H
M
O
O R2
M
O
?
R1
O
O P(OEt)2
O
O
M
P(OEt)2
R1
O
O R2
R1
O
O R2
B
(racemisch)
(racemisch)
M
O
O
O P(OEt)2
R1
P(OEt)2
O
O R2
R1
O
O R2
D
E
(racemisch)
(racemisch)
Leuckart-Wallach-Reaktion
R1
O
C
A
O
O
R2
O
O P(OEt)2
Skript zum 5. OC-Kolloquium
Seite 21 von 39
Eigenschaften von Carbonsäureestern, Amiden, Nitrilen und Anhydriden
Ester
Ester besitzen die allgemeine Formel RC=O-OR’. Sie sind die wichtigsten
Carbonsäure-Derivate. Sie entstehen durch die Reaktion von Carbonsäuren mit
Alkoholen.
Gibt man eine Carbonsäure sowie in einen Alkohol in einem Reaktionsgefäß
zusammen, so wird man keine Reaktion feststellen können. Erst nach der Zugabe
von katalytischen Mengen einer starken Säure wie Schwefelsäure findet eine
Reaktion unter Wasserabspaltung statt. Eine derartige Reaktion wird als
Vereseterung bezeicchnet.
Veresterung
Bei einer Veresterung handelt es sich um eine Gleichgewichtsreaktion deren Lage
durch die Konzentration der Edukte sowie der Produkte bestimmt werden kann. Eine
Veresterung verläuft über eine säurekatalysierte Additions-Eliminierungsreaktion.
Mechanismus
Schritt 1: Protonierung der Carboxylgruppe
H
O
O
+ H(+)
H
H
+
O
O
+
O
R
C
-H(+)
H
O
R
H
O
R
+
O
H
O
H
R
H
Dihydroxycarbeniumion
Schritt 2: Angriff durch den Alkohol
O
+
O
H3C
O
R
H
H
H
OH
R
H
O
H3C
O
O
-H(+)
+
H
R
+ H(+)
H3C
H
O
Schritt 3: Wasserabspaltung
H
H
O
O
R
O
H
+ H(+)
H3C
O
O
-H(+)
+ H(+)
R
O
CH3
H
+
R
O
-H(+)
H3C
H
O
H
+
H
O
-H2O
+H2O
R
H3C
O
O
+
R
C
H3C
O
Skript zum 5. OC-Kolloquium
Seite 22 von 39
Lactone
Eine Veresterung kann auch intramolekular verlaufen, falls ein Molekül sowohl eine
Alkoholfunktion sowie eine Carboxylgruppe trägt. Man erhält einen cyclischen Ester,
welcher als Lacton bezeichnet wird:
Beispiel:
O
HOCH2CH2CH2CH2COOH
O
H2SO4, H2O
+ H2O
Neben der Säurekatalysierten Veresterung können Carbonsäuren auch über andere
Reaktionen in Ester überführt werden. Zwei besonders wichtige Wege sind die
nucleophile Substitution von Halogenalkanen mit Carboxylat-Ionen und die Bildung
von Methylestern durch Reaktion von Carbonsäuren mit Diazomethan, CH2N2.
Verseifung
Die Umkehrung der Veresterung wird als Esterhydrolyse bezeichnet. Diese verläuft
nachdem gleichen Mechanismus wie die Esterbildung. Dies ist möglich, da alle
Reaktionsschritte reversibel sind:
O
O
H3C
COH
+ CH3OH
H2SO4, ∆
H3C
COCH3
+ H2O
Eine irreversible Methode Ester zu spalten ist die Verseifung hierbei wird der Ester
mit einer starken Base versetzt und man erhält den entsprechenden Alkohol sowie
das Carboxylat der Carbonsäure.
Skript zum 5. OC-Kolloquium
Seite 23 von 39
Amide
Eine weitere wichtige Gruppe von Carbbonsäurederivate sind die Amide, welche die
allgemeine Formel RC=ONR2’ aufweisen.
Da Stickstoff nicht so elektronegativ wie Sauerstoff ist, sind Amine nucleophiler und
basischer als Alkohole, und sie können auf beide Arten mit Carbonsäuren reagieren.
Gibt man eine Säure und ein Amin zusammen, bildet sich sofort das Ammoniumsalz.
O
O
(+)
NH4
R
C
O
CO H
R
+ NH
3
Die Salzbildung ist beim Erhitzen reversibel, dabei läuft ein langsamer, aber
thermodynamisch günstiger Prozess, bei dem das Stickstoffatom das CarbonylKohlenstoffatom angreift, ab. Eine Additions-Eliminierungs-Reaktion führt zu einem
Amid, in dem NR2 die OH-Gruppe ersetzt hat.
OH
R
O
O
O
R
+ NH3
OH
+ NH
R
Protonenübertragung
3
O
+
OH2
+ H2O
R
NH2
NH2
Man bezeichnet diese Reaktion als Ammonolyse.
Man kann aber Amide auch durch die Reaktion von Carbonsäuren mit Aminen
gewinnen. Die Amidbildung ist reversibel. Beim Behandeln von Amiden mit heißer,
basischer oder saurer wässriger Lösung gewinnt man die Carbonsäure und Amine
wieder zurück.
O
CH3CH2CH2COOH
+ (CH3)2NH
155C
CH3CH2CH2
CN(CH3)2
+ H2O
N,N-Dimethylbutanamid
Die entstehende Bindung wird als Peptidbindung bezeichnet. Setzt man
beispielsweise Aminosäuren ein so kann man Polypeptide synthetisieren.
Aminosäuren enthalten sowohl eine Aminfunktion als auch eine Carboxylgruppe,
somit gibt es pro Molekül zwei „aktive“ Gruppen und es kann zu einer
Polykondensation kommen.
Lactame
Setzt man hingegen größere Moleküle mit beiden funktionellen Gruppen ein, so
bilden sich intramolekular, cyclische Amide und man erhält die so genannten
Lactame.
O
(+)
HN
H
C
H2
C
H2
C
H2
(-)
COO
H2NCH2CH2CH2COOH
∆
NH
+ H2O
Skript zum 5. OC-Kolloquium
Seite 24 von 39
Verseifung
Man kann amide analog zu Estern in Gegenwart von starken Basen verseifen. Die
Reaktion verläuft prinzipiell über den gleichen Mechanismus.
Nitrile
Eine besondere Klasse von Carbonsäure-Derivaten stellen die Nitrile mit der
allgemeinen Formel RC≡N, dar. Der Kohlenstoff liegt bei Nitrilen in der gleichen
Oxidationsstufe wie in einer Carboxylgruppe vor. Außerdem lassen sich Nitrile leicht
in andere Derivate der Carbonsäuren überführen.
Die elektronenziehende Kraft des Stickstoffs der Nitrilgruppe lässt sich über eine
dipolare Resonanzformel darstellen:
R
C
N
R
C
+
N
Das freie Elektronenpaar am Stickstoffatom macht die Nitrilfunktion leicht basisch,
das Stickstoffatom kann also ebenso wie das Carbonylsauerstoffatom der
Carbonsäure ein Proton addieren. Im VVergleich zu einem Imin oder Amin wird das
sp-hybridisierte Nitrilsystem jedoch weitaus weniger leicht protoniert.
Basizität des freien Elektronenpaars am Stickstoff
R
R
R
C
N
R
R
R
N
C
N
R
sp3
sp2
sp
Herstellung
siehe Cyanhydrin Bildung
Verseifung
Nitrile lassen sich säure- oder basenkatalysiert zu Carbonsäuren hydrolisieren.
Mechanismus der säurekatalysierten Hydrolyse von Nitrilen
NH
R
C
N
+H(+)
-H(+)
R
C
NH
-H(+)
+H(+)
+H(+)
C
R
-H(+)
OH
R
+
N
+
R
H
C
+
NH2
NH2
C
C
OH
R
N
-H2O
NH2
-H(+)
C
+H(+)
OH
+
+H2O
H
R
O
+H(+)
C
R
+H2O
OH2
+
RCOOH + NH4+
Skript zum 5. OC-Kolloquium
Seite 25 von 39
Mechanismus der basenkatalysierten Hydrolyse von Nitrilen
H
N
R
C
N
+
OH(-)
C
N
N
O
R
NH2
+H2O
H
+ OH(-)
+H(+)
C
C
C
O
R
H
H
-H2O
+ OH(-)
C
OH
R
R
N
+H2O
O
R
O
RCOOH + NH4+
Anhydride
Carbonsäureanhydride gehören zu den reaktivsten Carbonsäurederivaten.
Herstellung
Carbonsäureanhydride können durch die Reaktion von Alkanoylhalogeniden mit
einem Carboxylatsalz gebildet werden.
O
O
O
CH3CH2CH2COONa
+ H3C
H3C
CCl
C
H2
C
H2
CO CCH3 + NaCl
"gemischtes" Anhydrid
Wie aus dem Namen schon ersichtlich ist leiten sich die Anhydride von der
Carbonsäure unter Abspaltung eines Wassermoleküls ab. Daher ist ebenso eine
Darstellung durch thermische Dehydratisierung möglich. Geht man dabei von einer
Dicarbonsäure aus, so erhält man ein cyclische Anhydrid.
O
C
COOH
H2C
H2C
H2C
573K
O
H2C
+ H2O
C
COOH
O
Dutandisäureanhydrid
Butandisäure
Desweiteren kann man die Anhydride durch die Reaktion eines Ketens mit der
entsprechenden Carbonsäure darstellen:
Darstellung des Ketens:
O
R
C
H2
CCl
N(CH2CH3)3
RCH
C
O
+ HN(+)(CH2CH3)3Cl(-)
O
R
H
C
Br
CBr
Zn
RCH
C
O + ZnBr2
Skript zum 5. OC-Kolloquium
Seite 26 von 39
Darstellung des Anhydrids
O
O
RCH
C
Keten
O
+ H3C
H3C
COH
Essigsäure
O
CO CCH3
Essigsäureanhydrid
Alkoholyse
Versetzt man ein Carbonsäureanhydrid mit einem Alkohol, so tritt ein AdditionsEliminierungs-Mechanismus
ein
und
man
erhält
die
entsprechenden
Carbonsäureester:
O
O
O
O
CH3OH, 372K
HO
CCH2C
H2
COCH3
O
Ammonolyse
Durch das versetzen eines Anhydrids mit Ammoniak erhält man ein Ammoniumsalz
sowie eine Aminogruppe.
O
O
CH3 O
H3C
2 NH3
NH4+ O
CCH2CCH2CNH2
O
H3C
O
Herstellung von Carbonsäurederivaten
Halbester
CH3
Skript zum 5. OC-Kolloquium
Carbaminsäure
Harnstoff
Phosgen
Urethane
Isocyanate
Seite 27 von 39
Skript zum 5. OC-Kolloquium
Seite 28 von 39
Claisen-Dieckmann-Kondensation (mit Oxalsäure- und Ameisensäureester)
Bei dieser Synthese werden als Carbonylkomponente Carbonsäureester und als
Methylenkomponente ebenfalls Carbonsäureester oder Ketone oder Nitrile
eingesetzt.
Die Claisen’sche Esterkondensation und die Diekmannkondensation unterscheiden
sich wie folgt:
O
R
C
C (-) + C
Carbanion
O
intermolekular
OR'
O
C
O
Ester
C
R + R
C
b-Dicarbonylverbindung
O
Alkoholat
Diekmann-Kondensation
O
intramolekular
C
OR'
C
C (-)
C
O
+ RO(-)
Allgemeiner Mechanismus:
Die Esterkondensationen beginnen mit der Bildung von Carbanionen: Wegen der
Enolatbildung sind stöchiometrische Mengen Base notwendig:
H
C
+
C
R
(-)
C
O
+
C
R
OH
O
O
Der Nachweis für das intermediär Auftreten von Carbanionen gelingt einmal durch
Markierungversuche mit C2H5-OD als Base,
(-)
C
+
C
D
ROD
C
+ RO(-)
C
O
O
weiterhin durch Racemisierung in der α-Position zur Estergruppe von chialen Estern:
R1
H
+
R2
COOR
R
O
R1
(-)
C
R2
OR
C
O
H
R1
COOR
R2
+ROH
Das durch die Base aus der CH-aciden Komponente gebildete Carbanion greift dann
eine Carbonylverbindung an:
Skript zum 5. OC-Kolloquium
O
R1
H
R1
C
+ RO(-)
C
(-)
CH
COOR
R2
COOR
R2
(-)
CH
+
OR
R3
+ ROH
R2
O
O
R1
Seite 29 von 39
O
R3
H
C
R1
R2
O
R3
OR R2
R1
O
-RO(-)
+ RO(-)
R1
O
H
C
R3
R2
+ RO(-)
R2
O
-ROH
M
R3
O
Von größerer Bedeutung ist die Tatsache, dass es sich bei allen Schritten dieser
Reaktion um Gleichgewichte handelt, der letzte Schritt der Enolatbildung jedoch die
Reaktion irreversibel in Richtung der Produkte verschiebt. Durch die Enolatbildung
wird wieder freiwerdendes Alkoholat verbraucht, das ist auch der Grund dafür, dass
stöchiometrisches Mengen Alkoholat benötigt werden. Durch die verwendeten M+Ionen wird die Reaktion unterschiedlich schnell bbeschleunigt. Sie steigt in der Reihe
Li < Na < K << Cs.
Dies zeigt, dass das Metallatom als Koordinationszentrum wirkt und mit steigendem
Atomradius immer besser in der Lage ist, die Reaktionspartner in eine für die
Reaktion günstige Lage zu bringen.
Die präparative Bedeutung dieser Reaktion liegt in ihrer großen Anwendungsbreite:
mit dem Rest R1 der
Carbonylkomponente
R1 = H (Ameisensäure)
= Alkyl (Carbonsäureester)
= OR (Kohlensäureester)
mit dem Rest R2 der
Methylenkomponente
R2 = Alkyl, Aryl
durch Variation des Restes R3 der
Methylengruppe
R3 = Alkyl, Aryl (Ketone)
R3 = OR (Carbonsäureester)
-CO-R = CN (Carbonsäurenitrile
werden eingeführt
Formylgruppen
Acylgruppen
Acyloxygruppen
werden eingeführt
Substituenten in α-Stellung
erhält man folgende Produkte
β-Diketone
β-Ketoester
β-Ketonitrile
Skript zum 5. OC-Kolloquium
Seite 30 von 39
Diekmann-Reaktion
R1
R2
Cyclische β-Dicarbonylverbindung
α,ϖ -Dicarbonsäureester
Bei Variation der Reste R und verschiedenen Kombinationen ist somit eine große
Zahl von Verbindungen zugänglich. Wie bei der gemischten Aldolreaktion ist es
jedoch auch bei der gemischten Esterkondensation wichtig, dass einer der
Reaktionspartner eindeutig als Carbonylkomponente reagiert. Andernfalls erhält man
Produktgemische.
Beispiele:
I.
Carbonylkomponente und Methylenkomponente identisch
Darstellung von Acetessigester
H3C
+
CO2R
R
(-)
CH2
O
O
RO
C
+
(-)
CH2
CO2R
+
ROH
O
CO2R
RO
CH3
Säure-Base-Gleichgewicht
O
C
H2
C
AdditionsphaseGleichgewicht
C
OR
CH3
CH3
-R
O
O
H3C
O
OR
C
C
H2
b-Diketo-Form des
Acetessigesters
+R
O
O
+ ROH
C
RO
O
Enolat-Form des
Acetessigesters
Durch Enolat-Bildung wird die Reaktion ganz zur Seite des Reaktionproduktes ( des
Enolats der β-Dicarbonylverbindung) gezogen
Bei Raumtemperatur liegt der Acetessigester in einem Gleichhgewicht von 92,5 % βDiketo-Form und 7,5% Enolform vor:
CH3
O
H
RO
O
O
O
C
H3C
C
H2
C
OR
β-Diketo-Form
Enol-Form (7%)
Der Nachweis von enolisierbaren β-Dicarbonylverbindungen gelingt mit wässrigethanolischer FeCl3-Lösung durch Bildung von tief-violett gefärbten ChelatKomplexen unter der Voraussetzung, dass der Enolgehalt mindestens 1-2% beträgt:
Skript zum 5. OC-Kolloquium
Seite 31 von 39
O
O
Fe
H
O
O
O
β-Diketon
II.
O
Fe3+
Metall-Chelat
cis-Enol
"H-Brücke"
Carbonylkomponente und Methylkomponente verschieden
Darstellung von Acetylaceton:
Die Durchführung erfolgt so, dass man 0,5 mol Keton mit 1 mol Ester in Ether mit
pulverisiertem Natrium in Gegenwart von katalytischen Mengen C2H5OH behandelt:
O
O
RO
C
+ CH2
O
C
CH3
RO
O
C
H2
C
C
CH3
CH3
CH3
O
-RO(-)
H3C
C
+ROH
CH3
O
C
H2
C
O
+RO(-)
CH3
-ROH
H3C
Keto-Form
(15%)
O
Enolat-Form
(85%)
Hierbei handelt es sich um eine gemischte Aldolkondensation, in der beide
Komponenten sowohl die Methylen- als auch die Carbonylkomponente darstellen
können.
Aufgrund
der
unterschiedlichen
Carbonylaktivität
und
der
Reaktionsdurchführung (Ester-Überschuss) lässt sich die Reaktion im oben
dargestellten Sinne lenken.
III.
Ethylcarbonat als Carbonylkomponente
Ester als Methylenkomponente
+
C
EtO
O
O
O
(-)
CH
OEt
C
EtO
OR
O
OEt
C
+RO(-)
OR
CO2R
O
C
R
OEt
C
(-)
C
R
R
EtO
OR
C
O
O
H
C
C
C
H
C
OEt R
R
-EtO(-)
C
O
kaum Enol
O
C
OR
Skript zum 5. OC-Kolloquium
Seite 32 von 39
Man erhält substituierte Malonester. In einer Variante arbeitet man mit Ketonen als
Methylenkomponente und erhält β-Ketoester:
O
OEt
C
O
H
C
C
R
R
Dies erfolgt vor allem dann, wenn der Ester zu stark zur Selbstkondensation neigt.
IV.
Oxalester als Carbonylkomponente
Ester als Methylenkomponente
RO
O
O
C
C
O
O
OR
(-)
CH
+
RO
OR
C
O
H
C
C
OR
R
C
R
O
RO
C
O
O
O
H
C
C
-CO
C
OR
R
V.
RO
C
∆
Fe-Pulver u.
B(OH)3
O
OR
C
O
H
C
C
OR
substituierter Malonester
R
Ameisensäure als Carbonylkomponente
Ester als Methylenkomponente
H
O
O
O
OR
C
+
(-)
CH
H
OR
C
O
H
C
H
C
C
OR
OR R
R
-RO(-)
C
O
O
H
C
OR
C
Formylessigester
R
VI.
Diekmann-Kondensation
Cyclische intramolekulare Esterkondensation
COOR
COOR
+RO(-)
O
-RO(-)
O
OR
OR
COOR
+RO(-)Me(+)
Me(+) + ROH
O
COOR
Me = Metall
O
Skript zum 5. OC-Kolloquium
Seite 33 von 39
Der mittlere Ringbereich wird durch diese Reaktion jedoch nicht abgedeckt. Die
transannularen Wechselwirkungen sind thermodynamisch ungünstige Faktoren zur
Einstellung einer Gleichgewichtsreaktion.
Eigenschaften und Reaktionen der entsprechenden β-Ketoester und βDiketone (Acetessigestersynthese, Ketospaltung, Säurespaltung, ChelatKomplex)
I.
Alkylierung von β-Dicarbonylverbindungen
Beim Acetessigester tritt wie bei allen β-Dicarbonylverbindungen Keto-EnolTautomerie auf:
COOR
COOR
COOR
+ RO(-)
O
-RO(-)
O
OR
OR
O
COOR
+RO(-)Me(+)
Me(+)
+ ROH
O
Aufgrund dieser Keto-Enol-Tautomerie sind die zur Carboxyl-Funktion α-ständigen HAtome acid und lassen sich durch Basen leicht als Protonen abspalten. Dabei
entsteht dann das mesomeriestabilisierte, ambidente Anion des Acetessigesters:
CH3
H
H
O
RO
(-)
-H(+)
H
RO
O
CH3
CH3
H
O
O
O
RO
O
Beide Zentren können nucleophile Substitutionsreaktionen eingehen; es handelt sich
also wieder um ein ambidentes Ion. Für dieses Ion gelten nun auch die bereits
besprochenen Voraussetzungen:
CH3
H
OCH2OCH3
SN1
H
CH3
(-)
RO
CH3
O
O
+CH3OCH2Cl
RO
O
H
O
RO
O
SN2
+CH3I
CH3
H3C
CH3
OH
H3C
O
H
RO
O
RO
O
Skript zum 5. OC-Kolloquium
Seite 34 von 39
Ein weiters Beispiel für derartige Reaktionen stellt das Cyclohexadion-1,3 dar:
O
O
O
O
C
+Base
-HB(+)
OH
O
O
O
trans-fixiertes Enol
hohes Gewicht
geringeres Gewicht
Nach der Abspaltung eines Protons erhält man ein mesomeristabilisiertes Anion. Die
mesomere Grenzform, bei der die negative Ladung am Sauerstoff sitzt, entspricht
dabei dem elektronegativsten Ende (SN1), diejenige, bei der die negative Ladung am
Kohlenstoff sitzt, entspricht dem polarisierbaren Ende (SN2). Bei nucleophilen
Substitutionen unter verschiedenen Bedingungen erhält man folgende Reaktionen:
O
O
C
O
O
+ (CH3O)SO2
in NaOH/ H2O
+ CH3I
in CH3OH
SN2
SN1
O
O
O
CH3
CH3
H
OMe
O
OH
II.
Esterspaltung (Retro-Claisen-Reaktion)
Die Esterspaltung gelingt mit überschüssigem wasserfreiem Alkoholat. Man muss
jedoch die gleiche Alkoholkomponente einsetzen, die auch der Ester enthält, da
sonst durch Umesterung Estergemische gebildet werden.
O
O
R
C
C
H2
CO2R
R
C
OR
RO(-)
O
C
H2
CO2R
H3C
+
(-)
CH2
OR
H2O/ H(+)
Ester
CO2R
Skript zum 5. OC-Kolloquium
III.
Seite 35 von 39
Säurespaltung von β-Ketoestern mit konz. Alkali
O
R
C
R
O
O
C
H
OH(-)-Überschuss
R
C
OR
O
H
C
C
O
OH R
OH(-)
O
R
+
C
(-)
CH
O
+ H2O
CO2
H2C
-OH(-)
(-)
CO2
R
R
Diese Reaktion hat jedoch präparativ nur geringe Bedeutung, da substituierte
Essigester auf dem Wege einer Malonestersynthese leichter zugänglich sind.
IV.
Ketospaltung von β-Ketoestern mit verd. Alkali oder verd. Säure
O
R
C
O
H
C
O
OH(-)
R
O
C
-CO2
O
R
O
O
O
C
C
OR
R
R
H
C
(-)
CH
R
C
H
C
R
R
H2 O
R
C
H2
C
R
Reaktionen von Carbonyl- und Carboxylverbindungen mit GrignardReagenzien
Bei Grignard-Verbindungen handelt es sich um metallorganische Verbindungen mit
Magnesium.
R-Hal + Mg → R-Mg-Hal
Grignard-Verbindungen werden von Lösungsmittel (meistens Ether) stabilisiert.
R
R'
R'
O
Mg O
R'
R'
R
Die Struktur von Grignard-Verbindungen ist noch nicht in allen Einzeheiten geklärt.
Sie hängt von der Konzentration und vom Lösungsmittel ab, wobei das sogenannte
Schlenk-Gleichgewicht eine Rolle spielt.
Die Addition von Grignard-Reagenzien an Carbonalverbindungen besitzt große
präparativer Bedeutung zur Darstellung von Alkoholen (Carbinolen):
Formaldehyd
Aldehyde
Ketone
CO2
→
→
→
→
primäre Alkohole
sekundäre Alkohole
tertiäre Alkohole
Carbonsäuren
Skript zum 5. OC-Kolloquium
Seite 36 von 39
a) Reaktionen mit Aldehyden und Ketonen
Mechanismus:
R
R
R'
2 R'MgX
Mg
C
C
O
R
O
R
R'
X
R'
R
H2O
C
R
OH
Mg
X
An der Reaktion sind im allgemeinen 2 Mol Reagens pro mol Carbonylverbindung
beteiligt, wobei ein sechsgleidriger cyclischer Übergangszustand gebildet wird.
b) Reaktion mit Carbonsäurederivaten
Carbonsäurederivate (z.B. Ester) reagieren zunächst analog zu den Aldehyden und
Ketonen:
R2O
O
R
R
2 R1MgX
C
R1
C
"
O
OR2
"
Mg
R1
Mg
X
RO
R1
C
R
OMgX
X
O
R1
RO
R
C
R
C
R1
+
OMgX
R2
OMgX
Man erhält primär Salze von Halbacetalen, die jedoch instabil sind und in Ketone
zerfallen. Die Ketone reagieren dann wie oben beschrieben zu tertiären Alkoholen
weiter.
Herstellung von primären, sekundären und tertiären Alkoholen und von Carbonsäure
Reaktionen
von
Carbonylund
Carboxylierungverbindungen
mit
Organozinkverbindungen (Reformatzky-Reaktion)
Die Reformatsky-Reaktion ist eine Grignard-analoge Reaktion von α-Chlor- oder
Bromessig- bzw. Propionsäureestern mit Aldehyden oder Ketonen unter Bildung von
β-Hydroxycarbonsäuren, aus denen man durch H2O-Abspaltung α,β-ungesättigte
Ester erhalten kann.
1. Zn/ Ether H C
H3C
OH
3
(+)
C
O
+ H2C
H3C
+H(+)/ -H2O
CO2R
C
H3C
C
H3C
Cl
H3C
2. H /H2O
H
C
C
H2
CO2R
β,β-Dimethylacrylsäureester
CO2R
Es bildet sich intermediär eine zinkorganische Verbindung.
Skript zum 5. OC-Kolloquium
2.0 Identifizierung organischer Substanzen
Vorproben
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Skript zum 5. OC-Kolloquium
Prüfung auf funktionelle Gruppen
Seite 38 von 39
Skript zum 5. OC-Kolloquium
Seite 39 von 39
Darstellung geeigneter Derrivate (Reagenzien, Reaktionsgleichungen)