Lösung 12 (OC IV)

Lösung 12 (OC IV)
Aufgabe 1  Substitutionen
O
Cl
+
H2O
Cl
+
H2O
O

OH
+
Cl
OH
+
Cl 
1)
2)
Bei beiden Reaktionen handelt es sich um nucleophile Substitutionen (Cl wird durch
OH bzw. H2O ersetzt). Deshalb ist für beide Substrate abzuklären, ob sie nach einem
SN1- oder SN2-Mechanismus reagieren können.
Cl
SN 1
Eine SN1-Reaktion führt zum Propyl-Kation, einem primären Carbeniumion. Die
Bildung primärer Carbeniumionen ist aber energetisch dermassen aufwändig, dass sie
normalerweise nicht auftritt. Eine Ausnahme stellt die Friedel-Crafts Alkylierung
insofern dar, als dort solche Carbeniumionen formuliert werden (vgl. im Skript
elektrophile aromatische Substitution, S. 17-22). Die Reaktionsbedingungen sind in
jener Reaktion aber drastisch (Umsatz mit konz. H2SO4 oder mit AlCl3, wasserfrei),
im Gegensatz zu wässriger Lösung bei den Hydrolysen. Wir können deshalb davon
ausgehen, dass in wässrigen Lösungen keine primären Carbeniumionen gebildet
werden. Damit entfällt auch eine SN1-Reaktion für Propylchlorid. Es bleibt nur noch
die SN2-Variante. Da es sich um ein primäres Chorid handelt, sollte die SN2-Reaktion
sterisch gut möglich sein. Wir erwarten, dass Propylchlorid nach dem SN2Mechanismus reagiert.
Ganz anders die zweite Verbindung. Wenn ein Chloridion abgespalten wird, so
entsteht eines der gut stabilisierten Carbeniumionen:
O
Cl
SN 1
O
O
In der Grenzstruktur rechts haben alle Atome ihre Valenzschale gefüllt. Daher ist
Chlormethyl-methyl-ether (so heisst das Edukt für die Bildung dieses stabilisierten
Carbeniumions) ein Paradesubstrat für eine SN1-Reaktion.
Auf der Nucleophilieskala ist Wasser ein schwaches Nucleophil. Wir erwarten deshalb
eine langsame SN2-Reaktion, da im geschwindigkeitsbestimmenden Schritt dieses
Nucleophil am halogentragenden C-Atom angreifen muss.
Im Fall einer SN1-Reaktion ist der geschwindigkeitslimitierende Schritt die
Abspaltung der Abgangsgruppe. Bei der Bildung eines gut stabilisierten
Carbeniumions erwarten wir eine rasche Abspaltung der Abgangsgruppe (Hammond).
Die Anlagerung des Nucleophils ist nicht mehr geschwindigkeitsbestimmend. Zudem
ist ein Carbeniumion (volle positive Ladung) ein wesentlich besseres Elektrophil als
ein halogentragendes neutrales C-Atom (bezeichnet mit +).
Da die Reaktionen in Wasser ablaufen, ist die erste Reaktion pseudo-erster Ordnung;
die zweite ist echt erster Ordnung; die beiden Konstanten haben aber die gleichen
Einheiten.
Die Umwandlung des entstandenen Halbacetals in Formaldehyd kann man sich so
vorstellen:
Die Protonierung am Sauerstoffatom der Hydroxygruppe findet zwar auch statt, führt
aber nur zu den Reaktanten zurück.
Aufgabe 2  Swain-Scott
Die Bildung der Produkte B und C wird durch folgende kinetische Gleichungen
beschrieben:
dcB
 kBr  cA  cBr
dt
dcC
 kCN  cA  cCN
dt
c 
dc
c
k
1
Zu Beginn der Reaktion gilt: B  B  Br  Br  .
dcC cC kCN cCN 19
Daraus folgt: 19 
kBr
 c   cCN .
kCN Br
Nach einigen Umformungen lässt sich die Cyanid-Konzentration als Funktion der
Bromid-Konzentration ausdrücken, modifiziert mit den Nucleophilieparametern von
Swain und Scott. Der Ausdruck wurde durch c° dividiert, was zu den normierten
Konzentrationen führt.
kBr
k H 2O
kBr



cCN
19  cBr
19
  c  
 
Br
kCN
kCN
k H 2O
10 n Br
n Br n CN 

19  cBr
19
 10
n CN
10
Nun ist aber die Cyanid-Konzentration vom pH der Lösung abhängig. Dazu
betrachten wir die Dissoziationsfunktionen einer einprotonigen Säure (vgl. S. 11-30).
Ka



cCN
 cHCN,tot
 1
  cHCN,tot 
K a  cH 


cCN
  c  
Br
 c


Auflösen nach cH  ergibt: cH   K a   HCN,tot

1

 cCN






 c

cHCN,tot
  8.41
  pK a  log 
pH  pK a  log  HCN,tot

1

1
( n  n  )





Br
Br
 cCN


19  cBr 10
Zu dieser Aufgabe gibt es auch eine graphische Lösung
Aus der Gleichung
kBr
k H 2O
k Br



cCN
19  cBr
19
  c  
 
Br
kCN
kCN
k H 2O


log cCN
  log c   log
Br
kBr
k

 log CN  log19  log cBr
 n CN  log19  2.83
 n
Br 
k H 2O
k H 2O
Die Graphik sieht dann so aus:
folgt:
Aufgabe 3  Substitution vs. Elimination
a) Der stereochemische Verlauf einer E2-Reaktion ist antiplanar:
Um im Cyclohexan 1 diese Anordnung zu erreichen, muss das Br-Atom axial
stehen. Damit ist folgende Konformation nötig:
Die Lage der Doppelbindung ist damit eindeutig bestimmt. Elimination auf die
andere Seite ist nicht möglich.
b) Auch beim Cyclohexan 2 muss die Br-Gruppe axial stehen für eine E2Reaktion. Wenn dies der Fall ist, steht kein H-Atom mehr antiplanar zur
Verfügung. E2 ist daher nicht möglich.
Als einzige weitere Möglichkeit bleibt eine SN2-Reaktion übrig.
Aufgabe 4  Aldol-Kondensation
O
H
H H H
Die fett markierten Protonen lassen sich mit EtO entfernen (-
H Stellung zur Carbonylgruppe)
O
A
AB
Das ist der Prototyp einer Aldol-Reaktion.
BC
HO ist keine Abgangsgruppe bei SN-Reaktionen, aber bei Eliminationen wird sie abgespalten (vgl. S.
17-19).
Aufgabe 5  Stereochemie
In welchem (stereochemischen) Verhältnis stehen die gezeichneten Moleküle a-e
untereinander (gleich, enantiomer, diastereomer)? Geben Sie den Chiralitätssinn der
Chiralitätszentren von a an!
H 3C
H
Br
(S)
(R)
a
COOH
H
OH
H3C
(S)
H
Br
COOH
OH
(S)
H3C
(R)
Br
H
COOH
OH
(S)
H
H3C
(R)
Br
H
(R)
H
c
b
a/b
a/c
a/d
a/e
b/c
b/d
b/e
c /d
c /e
d/e
d
COOH
HOOC
(R)
H
OH
HO
H
(S)
CH3
Br
H
e
diastereomer
enantiomer
diastereomer
gleich
diastereomer
enantiomer
diastereomer
diastereomer
enantiomer
diastereomer
Aufgabe 6  Elektrophile aromatische Substitution

Die Dimethylaminogruppe ist ein -Acceptor; gleichzeitig aber ein -Donor.
Die beiden Effekte sind gegenläufig, aber in den allermeisten Fällen haben
die -Effekte die grössere Wirkung (Ausnahme: die Halogene Cl, Br und I).

Gemäss Tabelle dirigieren -Donoren einen weiteren Substituenten in die
para- bzw. ortho-Stellung. Als Produkte können wir daher 2-Brom-N, Ndimethylanilin und 4-Brom-N, N-dimethylanilin erwarten.
H3C
N
CH3
H3C
N
CH3
Br
Br
Die N,N-Dimethylaminogruppe aktiviert den Aromaten, d.h. eine weitere
Substitution verläuft schneller als diejenige bei Benzen.
Mechanismus:
Aufgabe 7  Hydrolyse eines Lactons
1. Die Hydrolyse eines Lactons (= cyclischer Carbonsäureester) unterscheidet
sich prinzipiell nicht von der eines normalen Carbonsäureesters (vgl. S. 17-42;
die Hydrolyse ist die Rückreaktion der Veresterung!).
Wir können daher die Hydrolyse wie folgt formulieren:
H+
O
H 2O
O
O
O
O
H
H
OH
OH
O
H
H 2O = H218 O
HO
OH
O
HO
OH
O
Die ersten zwei Reaktionsschritte sind reversibel. Beim dritten Schritt
(Spaltung des Vierringes) wird die gesamte Ringspannung von ca. 110 kJmol-1
frei, was diesen Vorgang de facto irreversibel macht. Die Markierung ist bei
dieser Reaktion in der Carboxylgruppe (ob einfach oder doppelt gebunden
spielt keine Rolle).
2. Wenn als Reaktionsprodukt 3-Hydroxy-butansäure (2) entstehen soll, so ist
dies mit dem unter 1. gezeigten Hydrolysemechanismus nicht zu schaffen (die
normale Hydrolyse bringt die Markierung nie an das C-3!). Falls die 18OMarkierung ans C-3 gelangen soll, so ist das nur mit einer Substitution zu
erreichen. Da eine Carboxylatgruppe keine gute Abgangsgruppe ist (vgl. S. 1719), wird sie auch nicht spontan abgespalten (zudem resultiert kein tertiäres
Carbeniumion bei der Abspaltung). Daher ist eine SN1-Reaktion nicht in
Betracht zu ziehen. Übrig bleibt noch eine SN2-Reaktion. Diese bringt die
Markierung an das C-3.
H
H
H
H
O
O
O
H
H +
SN2
O
O
O
O
O
O
1
H
O
2
OH
O
Wenn es sich tatsächlich um eine SN2-Reaktion handeln sollte, dann müsste
dies mit einer Inversion am C-3 der Butansäure gekoppelt sein, was sich
experimentell nachprüfen lässt.
Unter Annahme des SN2-Mechanismus findet am C-3 eine Inversion statt. Mit
Cyanid-Ionen als Nucleophile kann die Reaktion so formuliert werden:
N
H
CN–
H3 C
SN2
O
O
N
C
H
H 3C
H+
COO
C
H
H 3C
COOH
Aufgabe 8  Elimination
E2-Reaktionen verlaufen antiplanar. Die kann man am Besten mittels NewmanProjektionen darstellen. In Frage kommen die beiden Konformationen A und B. B ist
die energetisch ungünstigere Konformation. Da die Aktivierungsenergien für die
Elimination von HBr aus beiden Konformationen etwa gleich ist, findet die
Elimination hauptsächlich aus der Konformation A statt, was (E)-1,2-Diphenyl-ethen
(= trans-1,2-Diphenyl-ethen) ergibt.