Skript zum 5. OC-Kolloquium Seite 1 von 39
1.0 Nucleophile Addition an das ungesättigte Carbonyl-C-Atom:
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.
C
R2
R1
O C
R2
R1
O
C O
δ−δ+ (+) (-)
π-Bindung
σ-Bindung
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=C-Doppelbindungen 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.
O O+
E
C+
O
E
E(+)
Angriff eines Nucleophils wird erleichtert
O
Nu
O+
H
C+
O
H
O+
BF3
C+
O
BF3
Nu 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 Seite 2 von 39
Carbonalverbindungen. Je nach Nucleophil können C-Hetereoatom- C-C- oder C-H-Bindungen 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.
CR2 R1
Oδ−
δ+
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.
R
O
Cl R
O
O R'
O
R
O
H R
O
R'
R
O
OR' R
O
OH R
O
NR'2 R
O
O 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.
Cl3C
O
H H
O
H Me
O
H
O
HBut- Me
O
MeO
MePh
O
Ph Ph Ketonen und Carbonsäurederivaten
Skript zum 5. OC-Kolloquium Seite 3 von 39
stereochemische Aspekte der Carbonyladdition Eigenschaften der Carbonylgruppe: Acetale Ketale Thioacetale Thioketale
Skript zum 5. OC-Kolloquium Seite 4 von 39
Hydratisierung Paraformaldehyd Methaldehyd
Skript zum 5. OC-Kolloquium Seite 5 von 39
Addition von HCN Durch Addition von Blausäure an Carbonylverbindungen erhält man Cyanhydrine.
R1
C
R2
OR1
C
O
R2 CN
R1
C
OH
R2 CN
+ CN-langsam + H(+)
CyanhydrinR1 = R2 = AlkylR1 = 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 C
OH
SO3 C
OH
CN Na2SO3+ HSO3(-)Na(+) (-) Na(+) ++ NaCN
Hierbei wirkt das gebildete NaHSO3 als Säure. Die synthetische Bedeutung der Cyanhydrin-Reaktion liegt darin, dass man durch saures Verseifen zu α-Hydroxycarbonsäuren gelangen kann:
R1
C
OH
R2 CN
R1
C
OH
R2 COOH+ 2 H2O
+ H(+)+ NH4
(+)
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 CN- angegriffen werden kann und zu Aminonitrilen führt:
CH3 CH
O CH3 CH
NH CH3 CH
CN
NH2
CH3 CH
COOH
NH2
NH3 HCN 2 H2O/ H(+)
- H2O
Skript zum 5. OC-Kolloquium Seite 6 von 39
Die Aminosäuren liegen am isoelektrischen Punkt in einer Zwitterion-Form vor, der so genannten Betainform:
COOH
CH3
NH2H
COOH
CH3
HNH2
HNH2
CH3
COOH HNH2
CH3
HOOC
"D" "L"
D,L-Nomenklatur (Fischer-Konvention)
R, S- Nomenklatur nachCahn, Ingold, Prelog
"R" "S"
H3N CH
CH3
O
O
+
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:
HB C O HB C O
B C OH++
konjugierte Base
konjugierte Säure
Protonenübertragung
(im Sinne einer Säure-Base-Reaktion)
C O
R1
NH
R2
NH
R1
R2
C O
R1
N
R2
C OH+ +
Halbaminal
Skript zum 5. OC-Kolloquium Seite 7 von 39
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 NH
C OH R1 NH
C OH2 R1 NH
C R1 N
H
C
R1 N C
H(+)+
+
Carbimmoniumion
Schiff'sche Base
- H2O
- H(+)
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 NH2 OH (Hydroxylamin)
C NOH
(Oxim) NH2 NH2 (Hydrazin)
C N NH2
(Hydrazon) NH2 N
HC6H5
(Phenylhydrazin) C N NH
C6H5
(Phenylhydrazon)
NH2 NH
NO2
O2N (2,4-Dinitrophenylhydrazin)
C N NH
NO2
O2N (2,4-Dinitrophenylhydrazon)
NH2 NH
C NH2
O
(Semicarbazid) C N N
HC NH2
O
(Semicarbazon)
Skript zum 5. OC-Kolloquium Seite 8 von 39
Addition sekundärer Amine an Carbonylverbindungen Werden sekundäre Amine an Carbonylverbindungen addiert, so gibt es verschiedene Möglichkeiten zur Weiterreaktion.
a) Enaminbildung:
R1
N
R2
C OH2
C H
R1
N
R2
C
C H
R1
N
R2
CC H
R1
N
R2
C
C
R1
N
R2
CC
++
+
(-)
(+)
Carbimonium-Ion
Enamin (mesomeriestabilisiert)
- H2O
- H(+)
-H2O
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.
CH3 C
O
CH2
C
O
OR
C
C
CH3 NH2
HOOC H
C
C
NH2 CH3
HOOC H
+NH3 +
"E" "Z"β-Aminocrotonsäureester
Zu den meisten genutzten sekundären Aminen für die Enaminbildung gehören Pyrolidin, Morpholin, Piperidin. Beispiel:
O
NH
ON
O
N
O
H
+(-)
(+)
Skript zum 5. OC-Kolloquium Seite 9 von 39
Aufgrund der Elektronenverteilung im Enamin ist eine elektrophile Substitution in α-Stellung 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:
N C
C
R1
R2
N C
C
R1
R2
NHR2
R1
N C
C
R1
R2
NH
R1
R2
N C
C
N
R1
R2
R1
R2
(+)(+) (+)
Vollaminal
-H(+)
-H2O
Beispiel:
NH
CH2 O NN CH2
+ +H(+)
Piperidin FormaldehydAminal des Formaldehyds
Ein Vollaminal mit Adamantanstruktur liegt im Urotropin (Hexamethylentetramin) vor:
CH2O NH3N
NN
N
6 4+-6H2O
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 Seite 10 von 39
CH3(CH2)5 CH
OCH3(CH2)5
CH
NOH+ H3(+)NOHCl(-) H(+)
Hydroxylamin-Hydrochlorid Heptanal-Oxim
-H2O
-H2O
-H2O
Hydrazone Hydrazin, H2NNH2, und einige seiner Derivate kondensieren zu Hydrazonen. Erfolgt die Reaktion an beiden Enden des Hydrazinmoleküls, werden Azine gebildet.
CH3 C CH3
O
NH2 NH2C
N
NH2
CH3 CH3
+
Hydrazin Propanon (Aceton)-Hydrazon
C6H5 CH
O
NH2 NH2
C
N
NH
H5C6 H
CH C6H5
+
Mannich-Reaktion Die Umsetzung eines primären oder sekundären Amins mit einem Aldehyd, i.a. Formaldehyd, und einer C,H-aciden Verbindung bezeichnet man als Mannich-Kondensation. 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
O
R3
R4
R1NH
R2
O
R3
R4
R1
N
R2
OH
R3
R4
N
R1
R2
C+
R3
R4N
+R1
R2
R3
R4
+ + Protonenübertragung
R3, R4 meist H
+ H+/ -H2O
Carbimmoniumion Die Carbimmonium-Ionen stellen gleichfalls auch ammonoanaloge Carbonylverbindungen dar, die sich in einer normalen sauer katalysierten
Skript zum 5. OC-Kolloquium Seite 11 von 39
Aldolreaktion mit dem Enol einer C,H-aciden Verbindung zu Mannichbasen umsetzen lassen:
N
R1
R2
C+
R3
R4N
+R1
R2
R3
R4
CH2
OH
R
R1
N
R2
CH2
CH2
C R
OHR1
N
R2
CH2
CH2
C R
OH
R1NH
R2
CH2
CH2
C R
O
R1
N
R2
CH2
CH2
C R
O
Carbimmoniumion
+für R3, R4 = H
(+)
(+)(+)
Umpro-tonierung
Salz der Mannichbase
Mannich-Base = β-Aminoketon
-H+
-H2O
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 Hydrid-Transfer:
R
H
O R
OH
H
O
R
H
O R
OH
O
R
H
H
O
R
O
O
R
H
H
OH
+ OH- +langsam +
+
Die Kinetik dieser Reaktion ist 2. Ordnung. Die Kinetik und vor allem D2O-Untersuchungen machen einen Mechanismus über das Dianion wahrscheinlich.
R
H
O R
OH
H
O
R
O
H
O
+ OH-+ OH-
In diesem Falle wird das Salz der Säure direkt gebildet, und das Proton kommt vom Solvens. Benzoin-Addition
Skript zum 5. OC-Kolloquium Seite 12 von 39
H O
Ar
OH
CAr
CN
OH
ArH
O
Ar
+ CN(-)
Umpolung
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:
CH3 C
R
O CH2 C
R
O CH2 C
R
O
BH
CH3
R
OCH3 C
R
CH2
C
R
O
O
BHCH3 C C
H2
C O
R
OH
B+(-)(-)
+(+)
Base = Carbanion konjugierteSäure der BaseCH-Acide Verbindung
(Methylenkomponente)
(+)+
Carbonyl-komponente
Aldol (=Aldehydalkohol)β-Hydroxyketon
B-
-H(+)
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:
CH3 C
R
O CH3 C
R
OH CH3 C
R
OH CH2 C
R
OH+ H(+)
(+)
(+)
Im Anschluss daran führt dann die Addition des Enols an das Carbenium-Ion (= protonierte Carbonylverbindung) zu Aldolen:
Skript zum 5. OC-Kolloquium Seite 13 von 39
CH3 C
R
OH
CH2 C
R
OH CH3 C
R
OH
CH2
C OH
R
CH3 C
R
OH
CH2
C O
R
(+) +Aldol-addition
Retro-Al-doladdition
Aldol
(+)
- H(+)
- H2O
- H(+)
-H2O
Im sauren Milieu sind die rch Addition gebildeten Aldole nicht stabil, sondern durch Protonierung der Hydroxylgruppe und Wasserabspaltung findet eine Aldol-Kondensation statt:
CH3 C
R
OH
CH2
C O
R
CH3 C
R
OH2
CH2
C O
R
CH3 C
R
CH2
C O
R
CH3 C
R
CH
C O
R
+ H(+)
(+)
(+)
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 CH
O
CH3 C C6H5
O
C6H5 CH
OH
CH2
C
O
C6H5
C6H5CH CH
C C6H5
O
+
Als CH-acide Verbindung ist auch Nitromethan geeignet, das hier nur als Methylenkomponente fungieren kann:
Skript zum 5. OC-Kolloquium Seite 14 von 39
CH3 N
O
OB CH2 N
O
O
CH2 N
O
O
+-
- BH(+)
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
CCH2OH 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:
CH2 O CH3 CH
O C
CH2OH
CH2OH
CH2OH
CH2OH HCO2Na+4NaOH +
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 Seite 15 von 39
C O
H
HC O
H
H
OH
CCH2OH
CH2OH
CH2OH
CH
O
CCH2OH
CH2OH
CH2OH
CH2
O H C
OH
O R C
O
O
+ OH(-)
+
+ Protonentransfer Pentaerythrit +
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.
C O
R1
R2
CH2
Z1
Z2
C C
R1
R2
Z1
Z2
+ Base
- H2O
-OH(-)
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
C C
OC C
C
O
C C C C C
O O
C C C C C
O O
H
+ H2O
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.
PMe
Me CH2Me
PMe
Me CH2Me
PPh
Ph CH2Ph
PPh
Ph CH2Ph
Stammsubstanz der Phosphonium-
Ylide
Wichtiges Phoshonium-Ylid
Betain-Struktur
yl = Kovalenzbindung, id = Ionenbindung en = Doppelbindung
NucleophilesZentrum
Ph3P R
Ph3PRH2C X n-BuLi
-LiX- BuH
X
Ph3P R
RCH2PPh3
Ylide sind relativ stabil, falls man das Oktenn aufweiten und die entsprechende Ylen-Form schreiben kann (also ab 3. Periode: P-Ylide, S-Ylide, aber nicht N-Ylide)
Darstellung von Phosphonium-Yliden:
Skript zum 5. OC-Kolloquium Seite 17 von 39
O
R1 H
PPh3
H R2
O PPh3kcis
kDrift
ktrans
R1 R2
O PPh3
R1 R2
Li Hal
PPh3O
R1 HR2H
HalLi
O=PPh3Oxaphosphetane
R1 R2
R1
R2
elektive Wittig-Reaktionen: rbindung des stereochemischen Drift bei Wittig-Reaktionen labiler Ylide durcendung sogenannter „salzfreier-Bedingungen“ (Basen: NaNH2, KOtert-Bu, DS).
htig: salzfrei-Wittig-Reaktionen labiler Ylide stellen eine stereoselektive Synthese cis-Olefinen dar.
NaNH2 OR
Li Hal
PPh3O
R1 R2HH
HalLi
ei einer Wittig-Reaktion werden Ylide eingesetzt:
B
is-s
cUnte h
nwHMic
on
AKWv
RAr3P CH2 MeTH
BrF
Ar3P CH2 MeMe
% cis Olefin für ... ... R = Pent
Ar = Ph
Ar = o-Tolyl
96
98
Pr Ph Pr
90
97
92
96
84
95
Skript zum 5. OC-Kolloquium Seite 18 von 39
P-Ylide reagieren mit C=O-Doppelbindungen umso rascher, je elektrophiler sie sind: Aldehyde lassen sich sogar in Gegenwart von Ketonen olefenieren (Chemoselektivität).
Ph3P CH2
Hex
Br
KOtertBu
THFPh3P C
HHex
O
OctO O
Oct
Hex
Verwendet man labile P-Ylide unter nicht-salzfrei Bedingungen, so erhält man ein cis/trans-Produktgemisch. Ein Beispiel dafür ist die Heterolyse von Oxaphophetanen:
(dargestellt aus
Ph3PHCH3 BrnBuLi)
OPh3P CH2
RORPh3P CMe2
nBuLi)
(dargestellt aus
Ph3PHCHMe2 I
Eine trans-selektive Form der Wittig-Reaktion stellt die Schlosser-Variante.
O
R1 H
PPh3
H R2ktrans
kcis
kDrift
O PPh3
R1 R2
O PPh3
R1 R2
PPh3O
1 2
HalLiPPh3O HalLi PPh3O
1
HalLi
Li Hal Li Hal
A B C
Lithiobetain LithiobetainOxidoylid
HCl oder t-BuOH
KOtert-Bu (- LiOtert-Bu)
PPh3O
R1 R2
O PPh3
R1 R2D E
R1
R2O=PPh3
PhLi PhLi
R RHH
R1 HR2H
RR2H
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.
PPh2
O
HR1
PPh2
O
LiR1
PPh2
O
R1
PPh2
O
R1
nBuLi
-BuHLi
R2
OLi
PPh2
O
R1R2
OLi
O
R2
Zugabe von
HClPPh2
O
R1R2
OH
PPh2
O
R1R2
OH
R1R2
OK
R1R2
OK
50 : 50bis
10:90
A B
syn-C anti-C
Ph2PO
R1
R2
OK
Ph2PO
R1
R2
OK
trans-G cis-G
Ph2PO
OK syn-F anti-F
syn-D anti-D
PPh2
O
PPh2
O
K Otert-BuLi Otert-Bu
R2R1R1 R2
trans-E cis-E
K Otert-Buvia trans-G
K Otert-Buvia cis-G
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 dem Li-, Na- oder K-Salz eines β-Keto- oder β(Alkoxycarbonyl)phosphonsäuredialkylesters und einem Aldehyd dar. Die Vorteile dieser Reaktion ist die Bildung eines wasserlöslichen Phosphorsäuredialkylester-Anions, und die hohe trans-Selektivität. Mechanismus:
(EtO)2PO
CH2
OO R2
in situ: n-BuLioder NaHoder KOtertBu
(EtO)2PO
CHO
O R2 (EtO)2PO
CH
OO R2 (EtO)2HP
OCH
OO R2
M M M
?
O
R1
O P(OEt)2
O
R1 OO
R2
M O P(OEt)2
O
R1 OO
R2R1 O
OR2 P(OEt)2O
O
O P(OEt)2
O
R1 OO
R2
M O P(OEt)2
O
R1 OO
R2
A B C
D E
(racemisch) (racemisch)
(racemisch) (racemisch)
Leuckart-Wallach-Reaktion
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
R O H
O
R O H
O+
H
RC
+
O H
O
H
R O+
H
O
H
Dihydroxycarbeniumion
+ H(+)
-H(+)
Schritt 2: Angriff durch den Alkohol
R O H
O+
H
CH3 OHR O H
O
H
O+
CH3 H
R O H
O
H
OCH3
+ H(+)
-H(+)
chritt 3: Wasserabspaltung S
R O H
O
H
R O+
H
O
H
OCH
H
R
O+
H
R C+
O
H
O
-H2O
+H2O
+ H(+)
-H(+)
(+)
OCH3 3 OCH3 OCH3
-H
R O CH3+ H(+)
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,
elcher als Lacton bezeichnet wird: w Beispiel:
O
2CH2CH2CH2COOHOH2SO4, H2O + H2O
HOCH
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:
CH3 COH
O
CH3
O
COCH3+ CH3OHH2SO4, ∆ + 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.
R CO H
O
R C O
O
NH4+ NH3
(+)
Die Salzbildung ist beim Erhitzen reversibel, dabei läuft ein langsamer, aber thermodynamisch günstiger Prozess, bei dem das Stickstoffatom das Carbonyl-Kohlenstoffatom angreift, ab. Eine Additions-Eliminierungs-Reaktion führt zu einem Amid, in dem NR2 die OH-Gruppe ersetzt hat.
R OH
O
R
NH3
OH
O
R
NH2
OH2
O
R NH2
O
+ NH3
+Protonen-übertragung
++ H2O
ch die Reaktion von Carbonsäuren mit Aminen ewinnen. Die Amidbildung ist reversibel. Beim Behandeln von Amiden mit heißer,
basischer oder saurer wässriger Lösung gewinnt man die Carbonsäure und Amine wieder zurück.
Man bezeichnet diese Reaktion als Ammonolyse. Man kann aber Amide auch durg
CH3CH2CH2COOH (CH3)2NH CH3CH2CH2 CN(CH3)2
O
+155C + 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.
actameL etzt man hingegen größere Moleküle mit beiden funktionellen Gruppen ein, so ilden sich intramolekular, cyclische Amide und man erhält die so genannten
.
SbLactame
NH
H
CH2
CH2
CH2
COO H2NCH2CH2CH2COOHNH(-)(+) ∆
+ H2O
O
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.
or. 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:
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 v
R C N R C+
N
Nitrilsystem jedoch weitaus weniger leicht protoniert. Basizität des freien Elektronenpaars am Stickstoff
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
N
R R R
sp3 sp2 sp
R
C N
RR
R C N
Herstellung siehe Cyanhydrin Bildung Verseifung Nitrile lassen sich säure- oder basenkatalysiert zu Carbonsäuren hydrolisieren. Mechanismus der säurekatalysierten Hydrolyse von Nitrilen
NH
R C N R C N+
H R C+
N H R
COH2
R
C
OH
NH
R
C
OH
NH2
R
COH
NH2
R
C
O
NH2
RCOOH
+H(+)
-H(+)
+H2O
-H2O
+H(+) +H2O
+
+H(+)
-H(+)
+
+H(+)
-H(+)
+
+H(+)
-H(+)+ NH4
+
Skript zum 5. OC-Kolloquium Seite 25 von 39
Mechanismus der basenkatalysierten Hydrolyse von Nitrilen
N N
H
+H2O+ OH(-)
R C N C C
C
N
C
N
C
NH2
RCOOH
-H2O
+H(+)+H2O
+ OH(-)
+ OH(-)
+ NH4+
R OH R O HH H
R O R O
R O
Anhydride Carbonsäureanhydride gehören zu den reaktivsten Carbonsäurederivaten. Herstellung Carbonsäureanhydride können durch die Reaktion von Alkanoylhalogeniden mit einem Carboxylatsalz gebildet werden.
CH3CH2CH2COONa CH3 CCl
O
CH3 CH2
CH2
CO CCH3
O O
+ + NaCl
"gemischtes" Anhydrid m Namen schon ersichtlich ist leiten sich die Anhydride von der
tung eines Wassermoleküls ab. Daher ist ebenso eine arstellung durch thermische Dehydratisierung möglich. Geht man dabei von einer icarbonsäure aus, so erhält man ein cyclische Anhydrid.
Wie aus deCarbonsäure unter AbspalDD
CH2CH2 O573K
+ H OCH2
COOH
COOHCH2
C
C
O
O
2
Butandisäure Dutandisäureanhydrid Desweiteren kann man die Anhydride durch e Reaktion eines Ketens mit der entsprechenden bonsäure darstellen: Darstellung des Ketens:
diCar
R CH2
CCl
O
RCH C O
R CH
CBr
Br
RCH C O
N(CH2CH3)3 + HN(+)(CH2CH3)3Cl(-)
Zn + ZnBr2
O
Skript zum 5. OC-Kolloquium Seite 26 von 39
Darstellung des Anhydrids
RCH C O CH3 COH
O
CH3 CO
O
CCH3
O
+Keten Essigsäure Essigsäureanhydrid
Alkoholyse Versetzt man ein Carbonsäureanhydrid mit einem Alkohol, so tritt ein Additions-Eliminierungs-Mechanismus ein und man erhält die entsprechenden Carbonsäureester:
O
O
O
OH CCH2
O
CH
COCH3
O
3CH OH, 372K
2
Ammonolyse Durch das versetzen eines Anhydrids mit Ammoniak erhält man ein Ammoniumsalz sowie eine Aminogruppe.
O
O
3 CH3
O
CH3
CH
O CCH2
O
CCH2
CH3
CNH2
O2 NH3 NH4
+
Herstellung von Carbonsäurederivaten
albester
H
Skript zum 5. OC-Kolloquium Seite 27 von 39
Carbaminsäure
Harnstoff
Urethane
Phosgen
Isocyanate
Skript zum 5. OC-Kolloquium Seite 28 von 39
Claisen-Dieckmann-Kondensation (mit Oxalsäure- und Ameisensäureester) ei dieser Synthese werden als Carbonylkomponente Carbonsäureester und als ethylenkomponente ebenfalls Carbonsäureester oder Ketone oder Nitrile ingesetzt.
ie Claisen’sche Esterkondensation und die Diekmannkondensation unterscheiden ich wie folgt:
BMe Ds
C
O
C
R
C
O
OR' C C C R
OO
R O(-) +intermolekular
Carbanion Ester b-Dicarbonylverbindung Alkoholat
+
Diekmann-Kondensation
C C OR'
O
C C O(-)intramolekular
+ RO(-)
llgemeiner Mechanismus: ie Esterkondensationen beginnen mit der Bildung von Carbanionen: Wegen der nolatbildung sind stöchiometrische Mengen Base notwendig:
ADE
H C C
O
R O C C
O
R OH+ +(-)
er Nachweis für das intermediär Auftreten von Carbanionen gelingt einmal durch arkierungversuche mit C2H5-OD als Base,
DM
C C
OROD D C C
O
(-)+ + RO(-)
eiterhin durch Racemisierung in der α-Position zur Estergruppe von chialen Estern: w
HR1
R2 COORR O CR1
R2
C
O
OR R1H
COOR R2+ (-) +ROH
as durch die Base aus der CH-aciden Komponente gebildete Carbanion greift dann
Deine Carbonylverbindung an:
Skript zum 5. OC-Kolloquium Seite 29 von 39
R1
C
H R1O
(-)C COOR CH R3
R1 OR
CH
R2
R3
O
R1 CH
R3
O
OR R2
O
R1 C R3
O
R2
O
OR3
R2
R1
O
M
+ RO(-) + ROH
+(-)
+ RO(-)
+ RO(-)
-ROH
COORR2 R2 R2
O
H-RO(-)
Von größerer Bedeutung ist die Tatsache, dass es sich bei allen Schritten dieser
eaktion um Gleichgewichte handelt, der letzte Schritt der Enolatbildung jedoch die tung der Produkte verschiebt. Durch die Enolatbildung
Sie steigt in der Reihe i < 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.
ie präparative Bedeutung dieser Reaktion liegt in ihrer großen Anwendungsbreite:
RReaktion irreversibel in Richwird wieder freiwerdendes Alkoholat verbraucht, das ist auch der Grund dafür, dass stöchiometrisches Mengen Alkoholat benötigt werden. Durch die verwendeten M+-onen wird die Reaktion unterschiedlich schnell bbeschleunigt. IL
D
mit dem Rest R1 der Carbonylkomponente
werden eingeführt
R1 = H (Ameisensäure) = Alkyl (Carbonsäureester) = OR (Kohlensäureester)
Formylgruppen Acylgruppen Acyloxygruppen
mit dem Rest R2 der Methylenkomponente
werden eingeführt
R2 = Alkyl, Aryl Substituenten in α-Stellung
durch Variation des Restes R3 der Methylengruppe
erhält man folgende Produkte
R3 = Alkyl, Aryl (Ketone) R3 = OR (Carbonsäureester) -CO-R = CN (Carbonsäurenitrile
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
C3 CO2R R O CH2 CO2R ROH
CH3 C CH
C OR
CH
O
+ +(-)
Säure-Base-Gleichgewicht
+ ROH
AcetessigestersEnolat-FoAcetessigesters
H
RO C
CH3
O
CH2 CO2R RO C
CH3
O
CH2
C
O
OR
+(-)
Additionsphase-Gleichgewicht
R O OOR O
3
+-
2
OROb-Diketo-Form des
rm des
eaktion ga es Reaktionproduktes ( des ndung) gezog
Bei Raum etessigester in einem Gleichhgewicht von 92,5 % β-
7,5% Enolform vor:
Durch Enolat-Bildung wird die R nz zur Seite dEnolats der β-Dicarbonylverbi en
temperatur liegt der AcDiketo-Form und
CH3
OC
O
OROH CH3
CH2
C
O
OR
Enol-Form (7%) β-Diketo-Form er Nachweis von enolisierbaren β-Dicarbonylverbindungen gelingt mit wässrig-thanolischer FeCl3-Lösung durch Bildung von tief-violett gefärbten Chelat-omplexen unter der Voraussetzung, dass der Enolgehalt mindestens 1-2% beträgt:
DeK
Skript zum 5. OC-Kolloquium Seite 31 von 39
O O OFe3+
O OH
OFe
β-Diketon cis-Enol"H-Brücke"
Metall-Chelat
II. Carbonylkomponente und Methylkomponente verschieden
von Acetylaceton: Die urch ter in Ether mit ulverisiertem Natrium in Gegenwart von katalytischen Mengen C H OH behandelt:
Darstellung
D führung erfolgt so, dass man 0,5 mol Keton mit 1 mol Esp 2 5
RO C
CH3
CH2 C CH3 RO C
CH3
O
CH2
C CH3
O
CH3 C CH2
C CH3
OO
CH3
O
CH3 O
+
-RO(-)
+ROH
+RO(-)
-ROH
Keto-Form (15%)
Enolat-Form (85%)
O O
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
O
C OR
O O O
+(-)
EtO OEt
CH
R
C
OEt
CH
R
C OREtO
OEt C
O
CH
R
C OR
O
OEt C
O
C
R
C OR
O
CO2RO
-EtO(-) +RO(-) (-)
C CREtO kaum Enol
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:
OEt C
O
CH
C R
O
R Dies erfolgt vor allem dann, wenn der Ester zu stark zur Selbstkondensation neigt.
IV. Oxalester als Carbonylkomponente Ester als Methylenkomponente
RO
O OH
OR
OO O O(-)
C COR
C C
R
RO C C OR CH C OR
R
RO C C
O O
CH
C OR
O
R
RO C
O
CH
C OR
O
R
+
-CO
∆Fe-Pulver u.B(OH)3
substituierter Malonester
V. Ameisensäure als Carbonylkomponente Ester als Methylenkomponente
H C OR CH C OR
R
H C CH
C OR
ROR
O
+(-)
O O O O
H
R
O
sigester
-RO(-)
H C C C ORFormyles
ion
Cyclische intramolekulare Esterkondensation
VI. Diekmann-Kondensat
OR
O
COOR
OR
O
COOR
O
COOR
O
COOR
+RO(-) -RO(-)
+RO(-)Me(+)
Me(+)
Me = Metall
+ ROH
Skript zum 5. OC-Kolloquium Seite 33 von 39
Der mittlere Ringbereich wird durch diese Reaktion jedoch nicht abgedeckt. Die
Eigenschaften und Reaktionen der entsprechenden β-Ketoester und β-Diketone (Acetessigestersynthese, Ketospaltung, Säurespaltung, Chelat-Komplex)
I. Alkylierung von β-Dicarbonylverbindungen Beim Ac β-Dicarbonylverbindungen Keto-Enol-
automerie auf:
transannularen Wechselwirkungen sind thermodynamisch ungünstige Faktoren zur Einstellung einer Gleichgewichtsreaktion.
etessigester tritt wie bei allen T
O
OR
COOR
OR
O
COOR
O
O
COOR
+ RO(-) -RO(-)
+RO(-)Me(+)
Me(+) + ROH
COOR
Au nd Carboxyl-Funktion α-ständigen H-
tome acid und lassen sich durch Basen leicht als Protonen abspalten. Dabei bilisierte, ambidente Anion des Acetessigesters:
fgru dieser Keto-Enol-Tautomerie sind die zur Aentsteht dann das mesomeriesta
CH3
O
O
H
H
CH3
O
ORO
HCH3
O
ORO
H
-H(+)(-)
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
O
ORO
HCH3
O
ORO
H
CH3
OCH2OCH3
RO
H
CH3
OH
ORO
CH3
CH3
O
ORO
CH3
H
(-)
SN1
+CH3OCH2Cl
SN2
+CH3I
Skript zum 5. OC-Kolloquium Seite 34 von 39
Ein weiters Beispiel für derartige Reaktionen stellt das Cyclohexadion-1,3 dar:
O O
O OH
O
O
O
O
ewicht geringeres Gewicht
C+Base-HB(+)
trans-fixiertes Enol hohes G form, 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 erhä n folgende Reaktionen:
Nach der Abspaltung eines Protons erhält man ein mesomeristabilisiertes Anion. Die mesomere Grenz
lt ma
O
O
C
O
O
OMe
O
O
O
H
CH3
OH
O
CH3
SN1 SN2+ (CH3O)SO2in NaOH/ H2O
+ CH3Iin CH3OH
nente einsetzen, die auch der Ester enthält, da sonst durch Umesterung Estergemische gebildet werden.
II. Esterspaltung (Retro-Claisen-Reaktion) Die Esterspaltung gelingt mit überschüssigem wasserfreiem Alkoholat. Man muss jedoch die gleiche Alkoholkompo
R C CH2
O
CO2R R C CH2
O
CO2R
OR
CH3
O
OR
CH2 CO2R
RO(-)
+(-)
H2O/ H(+)
Ester
Skript zum 5. OC-Kolloquium Seite 35 von 39
III. Säurespaltung von β-Ketoestern mit konz. Alkali
R C CH
O
OR
O R
R C CH
C
O
O
O
OH R
O
OH(-)
OH(-)-Überschuss
(-) + H O(-)
R C
O
CH CO2
R
CH2
R
CO2+ 2
-OH(-)
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
R C CH
O
OR
O
R
R C CH
C
O
O
O
R
R C CH
O
R
R C CH
O
R
R C CH2
R
O
OH(-) -CO2
H2O(-)
Reaktionen von Carbonyl- und Carboxylverbindungen mit Grignard-Reagenzien Bei Grignard-Verbindungen handelt es sich um metallorganische Verbindungen mit Magnesium.
R-Hal + Mg → R-Mg-Hal Gri istens Ether) stabilisiertgnard-Verbindungen werden von Lösungsmittel (me .
Mg
R
OO
R'R'
RR'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 → primäre Alkohole Aldehyde → sekundäre Alkohole Ketone → tertiäre Alkohole CO2 → Carbonsäuren
Skript zum 5. OC-Kolloquium Seite 36 von 39
a) Reaktionen mit Aldehyden und Ketonen Mechanismus:
C O
R
R
C
O
R
R
R'Mg X
R'
Mg
C
R
R
R'
OH
2 R'MgX H2O
X An der Reaktion sind im allgemeinen 2 Mol Reagens pro mol Carbony erbindung
b) Reaktion mit Carbonsäurederivaten Ca yden und Ketonen:
lvbeteiligt, wobei ein sechsgleidriger cyclischer Übergangszustand gebildet wird.
rbonsäurederivate (z.B. Ester) reagieren zunächst analog zu den Aldeh
R C
O
OR2
C
O
R2O
R
R1" Mg X
R1"
Mg
X
C
R1
OMgXR
RO2 R1MgX
C
R1
RO R C R1
O
R2 OMgX+OMgXR
Man erhält primär Salze von Halbacetalen, die jedoch instabil sind und in Ketone
Herstellung von primären, sek holen und von Carbonsäure
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.
zerfallen. Die Ketone reagieren dann wie oben beschrieben zu tertiären Alkoholen weiter.
undären und tertiären Alko Reaktionen von Carbonyl- und Carboxylierungverbindungen
CH3
C O CH2 CO2R C C CO2R
CH3 OH+
1. Zn/ Ether2. H(+)/H2O
CH3 ClH2CH3
C C -DimethylacrylsäureesterHCH3+H(+)/ -H2O β,β
CO2RCH3 erbindung. Es bildet sich intermediär eine zinkorganische V
Skript zum 5. OC-Kolloquium Seite 37 von 39
2.0 stanzen
Vorproben
Identifizierung organischer Sub
Skript zum 5. OC-Kolloquium Seite 38 von 39
Prüfung auf funktionelle Gruppen
Skript zum 5. OC-Kolloquium Seite 39 von 39
Darstellung geeigneter Derrivate (Reagenzien, Reaktionsgleichungen)
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