Organische Chemie 1 – Teil 2 - Goethe

23.06.2015
Inhalte der 3. Vorlesung:
2. Carbonylchemie
• 2.1.2 H-Nukleophile
• 2.1.2.1 Reaktivitäten unterschiedlicher Carbonylderivate
• 2.1.2.2 Reduktionen mit NaBH4
• 2.1.2.3 Lithiumaluminiumhydrid (LiAlH4) als Reduktionsmittel
Organische Chemie 1 – Teil 2
3. Vorlesung Dienstag 16.06.2015
Harald Schwalbe
Institut für Organische Chemie und Chemische Biologie
Goethe Universität Frankfurt
Büro: N160 / 3. OG /Raum Nr. 313
Ext. +49 (0)69 / 798-29737
23. Juni 2015
H-Nukleophile
Abbildung 29: Eigenschaften von freiem H-, X bezeichnet ein beliebiges Atom
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Organische Chemie 1 - Teil 2 - 3.Vorlesung
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1
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Reaktivitäten unterschiedlicher Carbonylderivate
Abbildung 30: Reihenfolge der Reaktivitäten von Carbonylfunktionalitäten
enthaltenden organischen Verbindungen.
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Organische Chemie 1 - Teil 2 - 3.Vorlesung
C=O-Bindungsstärke und die IR-Schwingungsfrequenz
Abbildung 31: Vergleich der Effekte durch Mesomerie (oben) und Induktion (unten)
auf die Stabilität der C=O-Bindung und deren Frequenzen der IR Banden. Die
roten Pfeile in der unteren Abbildung symbolisieren den Elektronenzug
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Organische Chemie 1 - Teil 2 - 3.Vorlesung
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C=O-Valenzschwingungen der Carbonsäurederivate
C=OCarbonsäurederivat
C=O-
Streckschwingung/
Carbonsäurederivat
Streckschwingung/
cm-1
cm-1
~1850
~1745
~1790 und 1810
~1710
~1730
~1650
~1715
~1530
23. Juni 2015
Tabelle 5: C=OValenzschwingungen der
Carbonsäurederivate,
welche von oben nach
unten nach steigender
Reaktivität geordnet sind.
Organische Chemie 1 - Teil 2 - 3.Vorlesung
Elektrophilie von Carbonylverbindungen
O
O
H
CH3
>>
Benzaldehyd
Acetophenon
Abbildung 32: Vergleich der Reaktivität von einem Aldehyd und einem Keton
O
O
O
>
Cl3C
H
Chloral
O
>
H
H
Formaldehyd
>
Me
H
Acetaldehyd
t
Bu
H
Pivalinaldehyd
Abbildung 33: Abstufung der Reaktivität von Aldehydverbindungen
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Organische Chemie 1 - Teil 2 - 3.Vorlesung
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Elektrophilie von Ketonen in Abhängigkeit ihrer
Substituenten
O
O
O
>
H3C
>
CH3
Ph
Ph
CH3
Acetophenon
Aceton
Ph
Benzophenon
Abbildung 34: Abstufung der Reaktivität von Ketonen
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Organische Chemie 1 - Teil 2 - 3.Vorlesung
Reduktionen mit NaBH4
H
H
H
O
Na
B
H
H
B
H
R
H
H
O
Na
+
H
H
R
rac
Na
O
H
H
R
O
B
H
BH 2 (OCH 2 R)2
H
H
R
H
H
O
H
BH 2
O Na
+
R
H
R
H
B(OCH 2 R)4
Boronsäureester
Abbildung 35: Reaktion von Natriumborhydrid als synthetisches Äquivalent eines H-Nukleophils mit einem Aldehyden
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Reduktionen mit NaBH4
H
O
H
BH 4-n
OH
R
H
n
O
+
n
R
R´
R´
H
H
H
OH
n
R´
+
R
O
BH 4-n
n
O
n
BH 4-n
H
Abbildung 36: Hydrolyse des Borsäureester-Zwischenprodukts mittels eines Alkohols im
Überschuss zum reduzierten Produkt
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Organische Chemie 1 - Teil 2 - 3.Vorlesung
Reduktionen mit NaBH4
Resultat: Aldehyde werden zu primären Alkoholen reduziert
Ketone werden zu sekundären Alkoholen reduziert
O
H
OH
Reduktion
R
+I
H
R
-I
H
rac
Abbildung 37: Reduktion eines Aldehyds zum primären Alkohol
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Beispiele für die Reduktion mit NaBH4
OH
O
1. NaBH 4
MeO
H
H 2O
2.
MeO
H
O
H
OH
1. NaBH 4
2. MeOH
rac
O
OH
1. NaBH 4
2. i-PrOH
Abbildung 38: Reduktionen von Carbonylverbindungen zu Alkoholen mit NaBH4
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Lithiumaluminiumhydrid (LiAlH4) als Reduktionsmittel
H
Li
H
Al
-
+
H
H
Abbildung 39: Lewisformel von LiAlH4
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Selektive Reduktion von Carbonylfunktionen
Aldehyd
O
H
O
O
1. LiAlH 4
2. Hydrolyse
1. NaBH 4
2. EtOH
OH
Ester
H H
OH
H
H
O
H H
HO
O
Abbildung 40: Selektive Reduktion eines Aldehyden in Anwesenheit einer Estergruppe
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Organische Chemie 1 - Teil 2 - 3.Vorlesung
H2O als Nukleophil
O
HO
OH
+ H 2O
H
Gleichgewichtsreaktion
H
H
Formaldehyd
H
Hydrat
Mechanismus:
H
O
H 2O
O
H
H
H
H
H
O
H
O
H
H
HO
OH
H
O
HO
H
H
O
H
H
H
+ H 2O
Abbildung 41: Nukleophiler Angriff eines Wassermoleküls an Formaldehyd zum Monohydrat
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H2O als Nukleophil
Resultat: Addition von H2O an eine Carbonylverbindung zum Hydrat
HO OH
O
Allgemein:
K
+ H2O
R
HO
OH
R
R
R
K=
R
R
O
R
[H2O]
R
Abbildung 42: Gleichgewichtsreaktion einer Addition von Wasser an eine Carbonylverbindung
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Organische Chemie 1 - Teil 2 - 3.Vorlesung
Einfluss der Carbonylsubstituenten auf die
Gleichgewichtskonstante
Tabelle 6: Verhältnis einiger Carbonylverbindungen zu ihren
Hydraten. Die Gleichgewichtskonstante K gibt an, wie sehr
das Gleichgewicht auf der Seite des Hydrats liegt.
Name
Struktur
der
K
Carbonylverbindung
O
Aceton
0.001
O
Acetaldehyd
1.06
H
O
Chloral
2000
Cl3C
H
O
Formaldehyd
2280
H
H
Betäubungsmittel
Chloralhydrat ist
isolierbar.
als
Kristall
wasserfreies Formaldehyd?
→ polymeres Paraformaldehyd
∆
HO
O
n
OH
CH2 O
O
Hexafluoroaceton
1200000
F3C
O
Cyclopropanon
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CF3
>> 1
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Alkohole R-OH als Nukleophile
O
Et
O
EtOH
R
H
OH
R
Hemiacetal
Halbacetal
H
H
H
O
H
Et
O
R
H
O
Et
O
R
H
Et
H
O
R
O
Et
O
H
OH
Abbildung 43: Mechanismus der Bildung eines Halbacetals
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Halbketal
Wird an Stelle eines Aldehyds ein Keton als Edukt verwendet, dann reagiert dieses mit
dem Alkohol und bildet ein Halbketal.
R2
O
R1
OH
R3
Abbildung 44: Struktur eines Halbketals, welches bei der Addition eines Alkohols
an ein Keton gebildet wird.
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Säure katalysierte Acetal-Bildung
R´
H+
R´
O
R´
O
OH
R
O
OH2
H
R
H
-H2O
R
H
OH
R´
R´
OR´
OR´
R´
O
O
H
R
H
(Voll-)Acetal
R
H
Abbildung 45: Weiterreaktion von Halbacetalen in saurem Milieu zum Vollacetal
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Ketale
Halbacetale sind säurelabil, weshalb sie bei sauren Bedingungen zum Vollacetal
reagieren. Dies gilt analog für Halbketale die zum Vollketal weiter reagieren.
OR´´
OR´´
R
R´
Abbildung 46: Struktur eines Ketals, welches in saurem Milieu in der Folgereaktion
der Halbketalbildung entsteht
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Zusammenfassung: Acetal- und Ketal-Bidlung
Resultat:
Addition eines Äquivalents Alkohol zum Halbacetal (Halbketal) und im sauren
Addition eines weiteren Äquivalentes zum Acetal (Ketal)
R-OH
Aldehyd
Acetal
H+
R-OH
Keton
Ketal
+
H
Abbildung 47: Übersicht der Reaktionen von Carbonylverbindungen mit Alkoholen
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D-Glucopyranosen enthalten Halbacetal-Gruppen
O
C
OH
OH
Halbacetal
HO
HO
OH
O
H
HO
HO
HO
HO
OH
OH
α-D-Glucopyranose
OH
Halbacetal
O
OH
HO
H
β-D-Glucopyranose
CH2OH
seco-Form
Abbildung 48: Isomere der D-Glucose. Die zyklischen Isomere besitzen eine
Halbacetal-Gruppe
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Synthese eines Ketals
O
RO
TsOH
+ ROH
OR
+ H2O
Toluol
(Wasserabscheider
verschiebt das
Gleichgewicht auf die
Produktseite)
TsOH = para-Toluolsulfonsäure
O
HO
S
O
Abbildung 49: Synthese eines Ketals mit p-Toluolsulfonsäure als Katalysator
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Acetale als Schutzgruppen
O
O
+
Cyclohexanon
OH
TsOH
HO
O
+ H2O
Ethylenglykol
Abbildung 50: Acetalbildung ist entropisch begünstigt
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Acetale als Schutzgruppen
+
H
H
- +
O O
O
OH
HO O
OH
+
OH
HO
OH
+
H+
H2O O
H
O
+
O
O
O
-H+
-H2O
Abbildung 51: Mechanismus zur Bildung eines Acetals aus Cyclohexanon und Ethylenglykol
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Alkohol Schutzgruppe Tetrahydropyranylethern
R
THP-Ether
Tetrahydropyranylether
OH +
O
Dihydropyran
RO
*
O
rac
Abbildung 52: Bildung von Tetrahydropyranylethern als Schutzgruppe von Alkoholen
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Selektive Reduzierung mit Hilfe von Schutzgruppen
a.
b.
CHO
b.
O
+
HOC2H4OH, H
*
C
O
O
O
C
H
LiAlH4
H
COOCH3
CH2OH
COOCH3
a.
+
H /H2O
NaBH4
CH2OH
COOCH3
CHO
CH2OH
Abbildung 53: Reaktionswege zur selektiven Reduzierung einer Verbindung mit zwei
funktionellen Gruppen. a.) Mit Natriumborhydrid ohne Einführung einer
Schutzgruppe b.) Nach der Einführung einer acetalischen Schutzgruppe Behandlung
mit Lithiumaluminiumhydrid und anschließender Entschützung.
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