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Reaktionsmechanismen Reaktionen der C-O-Doppelbindung
Die C=O-Bindung ist polar
O
RR
O
RR
O
RR+-
Elektrophile(H , Lewissäuren)
Nucleophile
Elektronenziehende Substituenten (-I) erhöhen die Polarität(und damit auch die Reaktivität), +M-Substituenten verringern die Reaktivität
O
ORR
O
OHR
O
NR2R
O
OR
O
RR
O
HR
O
ClR
O
OR R
O>>>>>>>>
Reaktivität gegenüber Nucleophilen nimmt ab
Reaktionen von Nucleophilen mit der Carbonylgruppe:Addition und Substitution
R X
O+Nu
RNu
O
XAddition
R X
O+Nu
RNu
O
X
Substitution R Nu
O+ X
Addition Eliminierung
sp2
sp3
sp2
sp3sp2
X ist gute Abgangsgruppe
O
R H
O
R H
*
Generelle Regel:Substitutionen am sp2-C können nie nach einem SN2-artigen Mechanismus verlaufen! Es sind immer Additions-Eliminierungsreaktionen.Das gilt für C=C, C=O, C=N, C=S usw.
Addition von Nucleophilen an die Carbonylgruppe
R X
O+Nu
RNu
O
X
Direkte Addition (starke Nucleophile, reaktive Carbonylgruppe):
Säurekatalysierte Addition (Protonen oder Lewissäuren):
R X
O
NuR
Nu
OH
XR X
OH +
H
Achtung! Nu + H Nu-H
Addition/Eliminierung von Nucleophilen an die Carbonylgruppe
R1 R2
O+Nu
R1Nu
O
R2
R1 Nu
O
Nu R2
O+ R1
+ R2
Eliminierungsschritt:Die Qualität der Abgangsgruppe bestimmt das gebildete Produkt.Die Wahl der Reaktionsbedingungen kann die Qualität der Abgangsgruppeverändern.
Säurekatalysierte Veresterung von Carbonsäuren
R1
OH
OH
OHR1 OH
OH
R1 OH
O HO R2
R2+ H
- H
R1
OH
OH
O R2
R1 OR2
OH
R1 OR2
OR1
OH2
OH
O R2- H2O- H
+ H
Gleichgewichtsreaktion!Verschiebung des Gleichwichts auf die Produktseite (Ester):• Alkohol oder Carbonsäure im großen Überschuss• Wasser aus dem Gleichgewicht entfernen
• Physikalisch: Molekularsieb oder azeotrope Destillation• Chemisch: z.B. Verwendung/Zugabe von Orthoester
ROR2
OR2
O R2 + H2O R OR2
O
HO R2+
Basische Esterhydrolyse (Verseifung)
R1 OH
OO H
R1 OR2
O
R1
HO
O
O R2+ O R2
R1 O
O+ HO R2
Praktisch irreversibel !
Hydroxid-Ion ist starkes Nucleophil, Ester sind reaktive Carbonylverbindungen:-> Hydroxid-Angriff auf C=O-Bindung ist rasch.
Carbonsäuren sind stärkere Säuren als Alkohol oder Wasser:-> Carbonsäure liegt praktisch vollständig in der deprotonierten Form vor.
Carboxylate besitzen eine unreaktive Carbonylgruppe:-> Rückreaktion spiel keine Rolle, Gleichgewicht liegt vollständig auf der rechten Seite
Acetal/Ketal-Bildung
RH
OH
OHR H
OH
R H
O + H
- H
- H2O- H+ H
HOOH
OH
RH
OH
OOH
R
H ORH
HO
O
HO
RH
OH2
OOH
O-Atom kann benachbartepositive Ladung stabilisieren-> SN1 möglich
R
H O
HO
Halbacetal
R H
O O
O H OO
HOOH
TsOH+ H2O
NO2 NO2
H
R R
O HR
R R
O OR R
Acetal Ketal
Gleichgewichtsreaktion!Acetale/Ketale sind aberbasenstabil -> Eignung als Schutzgruppe
Adipinsäurediethylester
TsOH+ 2 H2OO
OO
O
HO
OOH
O
+ 2 EtOH
Mechanismus: 2 x Säurekatalysierter Additions/Eliminierungs-Mechanismus
Besonderheit: Cyclohexan, Wasser und Ethanol bilden ein ternäres AzeotropEin Teil des Ethanols wird zusammen mit Wasser abgeschieden,deshalb wird ein Überschuss an EtOH eingesetzt.
Benzoylchlorid und Glycin
+ HCl
O Cl
OH
OH2N+
OHN
OH
O
H2O / NaOH
Glycin(einfachste Aminosäure)
N-BenzoylglycinHippursäure
Mechanismus: Additions/Eliminierungs-MechanismusBesonderheit: Benzoylchlorid ist mit Wasser nicht mischbar,
es wird deshalb nur relativ langsam zu Benzoesäure hydrolysiert.
Warum ist NaOH notwendig?
1. HCl ist giftig und muss deshalb durch Neutralisation „unschädlich“ gemacht werden.2. Die Reaktionsmischung darf nicht sauer werden, weil sonst andere Produkt(e)
entstehen.3. Benzoylchlorid ist sehr reaktiv. Mit zusätzlicher Säurekatalyse wird die Reaktion
zu heftig.
Benzoylchlorid und Glycin
O Cl
O
OH2N
OHN
O
OO
HN
O
O
Cl - Cl
O Cl
HO
ONH3
HO ONH3
Cl O
O ONH3
O
O Cl O OH
ClOH
O O
- HCl, - H
O Cl HO OH
Cl
O OH
- HCl+ H + OH2
- HCl
pH-abhängige Reaktionsgeschwindigkeit
pH 0 pH 14
Phenylmagnesiumbromid und Benzophenon (Grignard)
O
+MgBr
O
MgBr
MgBr
OH
PhPhPh
H2O / H
Phenylanion: Nicht mesomeriestabilisiert, das Orbital des freien Elektronenpaarsliegt in der Ringebene -> Keine Überlappung mit -Orbitalen.Sehr starke Base/Nucleophil (pkS von Benzol: 43!).
Phenylgrignard: C-Mg-Bindung ist stark polarisiert, aber nicht ionisch.Immer noch sehr starke Base/Nucleophil -> Hohe Reaktivität!
Zu beachten: Protische Lösungsmittel oder wasserhaltige Lösungsmittel zerstören die Grignardverbindung!In der Regel werden wasserfreie Ether als Lösungsmittel verwendet:Diethylether, THF, Dioxan etc.
Grignard-Bildung
MgBrBrMg
Ether
R Br R Br
Mg MgR MgBr
Die Reaktion erfolgt an der Metalloberfläche:
Magnesium bildet an der Oberfläche eine relativ stabile Oxidschicht:-> „Anätzen“ mit etwas Iod, häufig verzögertes Einsetzen der ReaktionDie Grignardbildung ist stark exotherm -> Eisbad bereithalten!
Grignardverbindungen liegen in der Regel assoziiert vor (Schlenck-Gleichgewicht),Stabilisierung durch Lösungsmittel (meistens Ether):
RMg
Br
BrMg
R
RMg
Br
R BrMg
OEt2Et2O
OEt2 OEt2
2R
MgBr
Et2O
OEt2R
MgR OEt2
OEt2
+ MgBr
Einige Reaktionen von Grignard-Reagenzien:
MgBr +H2Ooder D2Ooder T2O
H D Tbzw. bzw.
Defunktionalisierung Isotopenmarkierung
MgBr + CO
O O
OH
MgBr +OH
RR H
O
H
MgBr +OH
RR R'
O
R'
MgBr +O
RR OR'
O
OR' R Ph
OR
OH
PhPh
PhMgBr
nach Hydrolyse (H )
nach Hydrolyse (H )
nach Hydrolyse (H )
nach Hydrolyse (H )
Aufpassen bei Estern:- OR'
Reaktion lässt sich nichthier stoppen!
Syntheseproblem: Ph
Ph
OO
OEt
O ???
OH
PhPh
O
OMgBr
PhPh
OOO
OEtOO
OH
PhPhPh
OH
HOOH
TsOH
Ph
Ph
OO
OEt
O ???
2 PhMgBr
2 PhMgBr
H+ / H2O
H+ ,- H2O
