Reaktionstypen und Reaktionsmechanismen

1.Teil

• Einführung• Thermodynamik und Kinetik der Reaktionen• Substitutionen• Eliminationen

Mariazell 2006 Lisbeth Berner

Inhaltsverzeichnis

1. Einführung1.1.Trennung von Bindungen1.2. Induktive, mesomere Effekt1.3. Sterische Effekt1.4. Klassifizierung von Reagenzien1.5. Stabilität von Zwischenprodukten

2. Thermodynamik und Kinetik 2.1. Einführung2.2. Energiebilanz2.3. Kinetik von Reaktionen

3. Substitutionen3.1. Radikalische Substitution

3.1.1. Bildung von Radikalen3.1.2. Chlorierung von Methan3.1.3. Chlorierung von höheren Alkanen3.1.4. Allylbromierung

3.2. Elektrophile Substitution an Aromaten 3.2.1. Halogenierung

3.2.2. Nitrierung3.2.3. Sulfonierung3.2.4. Friedel-Crafts-Alkylierung

3.2.5. Friedel-Crafts-Acylierung

3.2.6. Azokupplung 3.2.7. Mehrfachsubstitution

3.3. Nucleophile Substitution an gesättigten C-Atomen3.3.1. Energieprofile3.3.2. Stereochemie3.3.3. Einfluss Struktur Substrat3.3.4. Einfluss Lösungsmittel3.3.5. Einfluss eintretende Gruppe3.3.6. Einfluss Abgangsgruppe3.3.7. OH-Gruppe

3.3.8. Typische SN-Reaktionen 3.3.9. ß-Dicarbonylverbindungen3.4. Nucleophile Substitution an Aromaten

4. Eliminationen4.1. E1-Reaktion4.2. E1cB-Reaktion4.3. E2-Reaktion4.4. Konkurrenz Substitution-Elimination4.5. Saytzeff-Hofmann -Regel

Verwendete Literatur:

1. Vollhardt, Schore, Organische Chemie, 4. Auflage, 2005, Wiley-VCH

2. Peter Sykes, Reaktionsmechanismen der organischen Chemie, eine Einführung, 8. Auflage, 1982, Verlag Chemie

3. Peter Sykes, Wie funktionieren organischen Reaktionen? Reaktionsmechanismen für Einsteiger, 2. Auflage, 2001, Wiley-VCH

4. Bülle, Hüttermann, Das Basiswissen der organischen Chemie, 2000, Thieme Verlag

5. Kaufmann, Hädener, Grundlagen der organischen Chemie, 10. Auflage, Birkhäuser Verlag

6. Latscha, Kazmaier, Klein, Organische Chemie, Chemie-Basis-wissen II, 5. Auflage, Springer Verlag

1. Einführung

1.1. Trennung von Bindungen

R:X R. + .X homolytische Spaltung, 2 Radikale

R:X R:- + X+ heterolytische Spaltung, Ionen

R:X R+ + :X- heterolytische Spaltung, Ionen

Radikalreaktion vorwiegend in der Gasphase und in unpolaren LM, katalysiert durch Licht oder andere Radikale

Ionenreaktionen in polaren LM (Energieaufwand für die Ladungstrennung herabgesetzt, Ionenpaare durch Solvation stabilisiert

C-Atom mit einem Elektron = C-Radikal

C-Atom mit positiver Ladung = Carbenium-Ion

C-Atom mit negativer Ladung = Carbanion

(Zusätzlich gibt es noch Carbene, Arine)

1.2. Faktoren, die die Elektronendichte in Bindungen und an einzelnen Atomen bestimmen

1.2.1. Induktiver Effekt

δ+ δ-H3C – Cl oder H3CCl schwacher Elektronenunterschuss am

C-Atom

längere Kette:C-C-CCCl 4 3 2 1

Effekt setzt sich über die Kette fort, nimmt rasch ab (jenseits von C2 kaum feststellbar)

Cl und andere Halogene: -I-Effekt (elektronenanziehend)Alkylgruppen: schwacher +I-Effekt (elektronenspendend)

1.2.2. Mesomerer (konjugativer) Effekt:Elektronenverteilung in ungesättigten und konjugierten Systemenz.B: Polarisation in C=O-Bindung durch mesomere Grenz-strukturen angegeben;ist C=O-Gruppe mit einer C=C-Doppelbindung in Konjugation, kann die Polarisation über die π-Elektronen weiter geleitet werden:

Kann sich ein Ion durch Mesomerie stabilisieren, so trägt dies wesentlich dazu bei, dass es sich überhaupt bildet. z.B. beim Phenolat-Ion

O

H H

O

H

O

+

O O O O

-

-

-

1.2.3. HyperkonjugationReihenfolge der I-Effekte von Alkylgruppen:tert.Butyl > Isopropyl > Ethyl > Methyl (wie erwartet)

Alkylgruppen an C=C-Bindung gebunden: Elektronendonor-Fähigkeit „umgekehrt“:Methyl > Ethyl > Isopropyl > tert.Butyl(das H+ -Atom wird aber nicht wirklich freigesetzt)

H

H

H

CH CH2H

H

CH CH2-

CH3

CH3

CH3

CH CH2

C C

H+

bei

C nicht möglich

Auf Hyperkonjugation von C-H-Bindungen ist auch die erhöhte Stabilität von Alkenen mit nicht-endständigen Doppelbindungen gegenüber ihren Isomeren mit endständigen Doppelbindungen zurück zu führen:

(CH3)2C=CH-CH3 (9 α-ständige H zur C=C)

H2C=C(CH3)-CH2-CH3 (5 α-ständige H zur C=C), daher weniger stabil

1.3. Sterische Effekte(werden bei den jeweiligen Reaktionen besprochen)

1.4. Klassifizierung von ReagenzienElektrophile Reagenzien greifen Substrate mit hoher Elektronen-dichte an entsprechen Lewis-Säuren (Elektronenpaar-Akzeptoren)z.B.: H+, H3O+, NO2

+, NO+, PhN2+, R3C+, SO3, CO2, BF3, AlCl3, ICl,

Br2, O3.

Nucleophile Reagenzien greifen Zentren mit Elektronenmangel anentsprechen Lewis-Basen (Elektronenpaar-Donatoren)z.B. H-, BH4

-, HSO3-, OH-, OR-, SR-, CN-, RCOO-, RC≡C-,

-:CH(COOC2H5)2, -O-, -S-, ≡N:, RMgX, RLi

1.5. Stabilität der Zwischenprodukte:

•RadikaleAllyl>Benzyl>tert.>sek.>prim,>Methyl

•CarbeniumionenBenzyl = tert.>Allyl =sek.>prim.>Methyl

Allyl- und Benzyl-Kationen bzw. –Radikale sind wegen der Mesomerieeffekte besonders stabil

•CarbanionenAlkylgruppen destabilisieren prim.>sek.>tert.

Nicht konjugierte Carbanionen haben pyramidale Form, d.h. das freie e-Paar besetzt ein sp3-Orbital,die pyramidale Form unterliegt einer sehr schnellen Inversion.Stabilität stark abhängig von Mesomerieeffekten

2. Kinetik und Thermodynamik einfacher Reaktionen

2.1. Einführung:Einfache chemische Reaktionen werden durch zwei grund-legende Prinzipien bestimmt:a) chem. Thermodynamik: befasst sich mit Energieänderungen bei der Reaktion, ein Maß dafür, wo sich ein chem. Gleichgewicht einpendeltb) chem. Kinetik: betrachtet die Geschwindigkeit, mit der sich die Konzentrationen der Reaktanten bzw. Produkte ändern, also die Schnelligkeit, mit der die Reaktion abläuft.Beide Aspekte stehen oft in Beziehung zueinander – manchmal verlaufen Reaktionen schneller als andere, obwohl sie zu thermo-dynamisch weniger stabilen Produkten führen (und umgekehrt)

Thermodynamisch kontrollierte Reaktionen = Reaktionen, bei denen die Produkte mit der geringsten Energie entstehen.

Kinetisch kontrollierte Reaktionen = Reaktionen, deren Aktivierungsenergie niedrig ist, es bilden sich thermodynamisch weniger stabile Produkte.z.B.

Beweis: Erhitzt man reines α-Isomeres oder ß-Isomeres mit H2SO4 bei 160o, entsteht 80% ß-Isomeres und 20% α-Isomeres.

SO3H

SO3H

H2SO4,160o

80 % 20 %

thermodyn. kontrolliertentsteht langsam

H2SO4,80o

fast 100% kinetisch kontrolliertthermodyn. weniger stabil

2.2. Energiebilanz chemischer Reaktionen

ΔGo = -RTlnK oder - ΔGo = RTlnKJe größer - ΔGo , desto größer ist K, desto mehr liegt das Gleichgewicht auf der Seite der ProdukteΔGo = 0 K = 1, 50% UmsatzΔGo = -42 kJ K ~ 107 (298 K), fast völliger Umsatz

ΔGo = ΔHo – TΔSo

ΔH-Werte sind Differenz der Bindungsenergien von Aus-gangsstoffen und Produkten; daher gut abschätzbar:ΔS nicht so gut; abschätzbar: Zunahme der Teilchenzahl EntropiezunahmeCyclisierungen EntropieabnahmeTΔS temperaturabhängig! ΔH fast nicht.- TΔS kann Vorzeichen von ΔG verändern. ΔGo < 0 exergonisch, ΔGo > 0 endergonisch

2.3. Kinetik von ReaktionenΔGo muss negativ sein, damit Reaktion überhaupt abläuft unter den Bedingungen; aber wie schnell?z.B. Oxidation von Cellulose:(C6H10O5)n + 6n O2 6n CO2 + 5n H2OΔGo ziemlich negativ, aber man kann Zeitung lesen, sogar in O2-Atmosphäre bei Raumtemperatur. Umwandlungsgeschwindigkeit sehr, sehr klein (steigt bei hoher T. an!)

Reaktionskoordinate

Produkte

Aus-gangs-stoffe

G

(a)

Go

Reaktionskoordinate

Produkte

Aus-gangs-stoffe

G

(b)

Go

x

G

2.3.1. Reaktionsgeschwindigkeit, freie AktivierungsenthalpieIm Energieprofil (b) ist die Position x Anordnung höchster Energie, die die Moleküle der Ausgangsstoffe auf dem Weg zu den Pro-dukten durchlaufen müssen = Aktivierungskomplex oder Übergangszustand =rasch durchlaufener instabiler Zustand, kein isolierbares Produkt. z.B.

ΔG* in (b).. Freie Aktivierungsenthalpie (je größer, desto lang-samer die Reaktion) setzt sich zusammen aus ΔH* - TΔS*.

ΔH* ist die Aktivierungsenthalpie = Energie, die zur Dehnung bzw. zur Lösung der Bindungen erforderlich ist.

HH

Br

H

BrOH

HH

H

OH

H

HH

HO- + C C C + Br-

Temperaturerhöhung mehr Moleküle haben diese Mindest-energie Reaktion wird schneller.

ΔH* steht in enger Beziehung zur Aktivierungsenergie EA aus der Arrhenius-Gleichung

k = A. e –EA

/RT bzw. ln k = -EA/RT + ln AEA graphisch ermitteln, ln k auftragen gegen 1/T oder rechnerisch:

ln k1/k2 = - EA/T (1/T1 – 1/T2)

ΔS* = Aktivierungsentropie, ist mit der Wahrscheinlichkeit ver-knüpft ( ist der Aufbau des Übergangszustandes mit einem hohen Maß von Ordnung verbunden, ist mit einem großen Entropieverlust zu rechnen, d.h. die Wahrscheinlichkeit der Bildung des Übergangszustandes ist entsprechend gering.

2.3.2. Kinetik und geschwindigkeitsbestimmender Schritt

Reaktionsgeschwindigkeiten experimentell messen (wie rasch Ausgangsstoffe und/oder Produkte entstehen, bei const. T) (titrimetrisch, spektrometrisch etc.)

Man findet z.B. für CH3Br + OH- CH3OH + Br-

v = k.[CH3Br] [OH-] 2.Ordnung; je 1.Ordnung für CH3Br und OH-

aber für die basenkatalysierte Bromierung von Aceton

v= k.[CH3COCH3] [OH-]; Br2 kommt gar nicht vor!

d.h. Br2 kommt in keinem geschwindigkeitsbestimmenden Schritt vor. Die meisten Reaktionen laufen nicht so einfach wie in Energie-profil (b) ab, sondern sind eine Folge mehr oder weniger komplexer Folgeschritten – gewöhnlich Zweiteilchen-Kollisionen

Wir messen den langsamsten Schritt = geschwindigkeits-bestimmenden Schritt („Flaschenhals“)

*G

Reaktionskoordinate

G

G1

G2*

x1

x2

Ausg.stoffe

Produkte

Zwischen-produkt

Ausgangsstoffe werden über den Übergangszustand x1 in ein Zwischenprodukt umgewandelt, das dann rasch über den 2. Übergangszustand x2 in die Produkte übergeht.

ΔG1* > ΔG2* 1. Schritt geschwindigkeitsbestimmend

Für die Bromierung von Aceton wurde gefunden:O

H

O O

BrOH-

langsam-

Br-Br

+ H2O

Br2

schnell+ Br-

OH-

Stereochemische Kriterien sind oft wertvolle Hinweise auf Reaktionsmechanismen: z.B. wenn aus einem Enantiomeren nach der Reaktion ein racemisches Gemisch entsteht, muss eine planare Zwischenstufe (Carbeniumion oder Carbanion) durchlaufen werden.

Die Addition von Br2 an Cyclopenten liefert ein trans-Dibromid, was einen 2-Stufenmechanismus nahe legt.

Katalysierte Reaktionen: Es werden neue, energieärmere Zwischenstufen durchlaufen;

z.B. Addition von H2O an Alkene sehr langsam; saure Katalyse: Protonierung zum Carbeniumion, Addition von H2O erfolgt sehr rasch, H+ wird wieder frei zur erneuten Katalyse.

3. Substitutionen

3.1. Radikalische Substitution SR

3.1.1. Bildung von Radikalen:

a) Photolyse:

b) Thermolyse:

c) Redox-Reaktionen:

Cl2 2 Cl .Licht

RO-OR Wärme

2 RO .

H2O2 + Fe2+ HO . + OH- + Fe3+

ArN2+ + Cu+ Ar . + N2 + Cu2+

3.1.2. Chlorierung von Methan:

Startreaktion: Cl2 2 Cl .

Kettenreaktionen:

(1)

CH4 + Cl . CH3 . + HCl (2)

CH3 . + Cl2 CH3Cl + Cl . (3)

CH4 + Cl2 CH3Cl + HCl (4) = (2) + (3)

Licht

Kettenabbruch:

2 Cl . Cl22 CH3

. CH3-CH3

CH3 . + Cl . CH3Cl

Enthalpiewerte (kJ/mol) für Reaktionen (1) – (3) und (4) F Cl Br I

(1) +159 +243 +193 +151(2) -125 +8 +75 +142(3) -306 -113 -105 -88(4) -431 -105 -30 +54

Reaktion (1) erfordert die meiste Energie für Cl2Relative Reaktivität von X. bei der Wasserstoffabspaltung:

F. > Cl. > Br. > I.

Aus den Werten von (4) sieht man: Fluorierung sehr stark exotherm, explosionsartig; Íodierung endotherm, geht nichtSynthetisch interessant Chlorierung und Bromierung.3.1.3. Chlorierung höherer Alkane

Cl

Cl

Cl2 ++

1- Chlorpropan 2-Chlorpropan

erwartetes Verhältnis: 63

::

21

6 primäre C-Atome,2 sekundäre C-Atome

experimentelles Verhältnis (bei 25oC): 43:57; daraus errechnet sich die relative Reaktivität pro H-Atom:6 prim. H-Atome: 43:6=7,2% für jedes primäre H-Atom2 sek. H-Atome: 57:2=28,5% für jedes sekundäre H-Atom;Relatives Reaktivitätsverhältnis: 7,2: 28,5~ 1:4.d.h. sekundäre H-Atome bei Chlorierung 4x reaktiver.ebenso ergibt sich: tertiäre H-Atome bei Chlorierung 5x reaktiver als primäre.Bei Chlorierung rel. Reaktivität bei 25o: tert: sek: prim = 5:4:1 Bei Bromierung rel. Reaktivität bei 98o: tert: sek: prim = 6300:250:1.Br ist viel selektiver als Cl, Br ist sehr regioselektiv Regioselektivität = Bevorzugung einer bestimmten Position; sie zeigt sich im Isomerenverhältnis, das sich vom statistischen unterscheidet.allgemein gilt: je weniger reaktiv ein Reagenz , desto selektiver ist es.

Aufgabe 1: Wie viele und welche Produkte entstehen bei der Chlorierung von 2-Methylbutan? Schätzen Sie die Ausbeuten der verschiedenen Produkte.

ClCl

Cl Cl1-Chlor-2-methylbutan1-Chlor-3-methylbutan 2-Chlor-3-methylbuten 2-Chlor-2-methylbutan

6 prim. H 3 prim. H 2 sek. H 1 tert. H

Berechnung: 6 x 1 = 6; 3 x 1 = 3; 2 x 4 = 8; 1 x 5 = 5 Summe 22;

Ausbeuten: 6/22 = 0,27 3/22 = 0,148/22 = 0,365/22 = 0,22

27%14%36%22%

Aufgabe 2: In welchem Verhältnis stehen die Ausbeuten bei der Chlorierung bzw. Bromierung von 2-Methylpropan?

< 1%

X

X

9 prim. H, 1 tert. HChlorierung: 9 x 1 = 9; 1 x 5 = 5; Summe 14.Ausbeuten: 9/14 = 0,64 (64%), 5/14 = 0,36 (36%)

Bromierung: 9 x 1 = 9; 1 x 6300 = 6300; Summe 6309Ausbeuten: 9/6309 = 0,0014 ( < 1%), 6300/6309 = 0,998 (> 99%)

3.1.4. Bromierung in Allyl- bzw. Benzylstellung

Allylische und benzylische H-Atome werden besonders leicht substituiert, weil die entstehenden Radikale durch Mesomerie stabilisiert werden.

NBS = N-Bromsuccinimid (=N-Brombutanimid) dient als Quelle für geringe Mengen Br2, welches aus Spuren HBr und NBS (suspendiert in CCl4) entsteht. Start der Reaktion mit einem Initiator, Licht oder Peroxide:

Br

NBr

O

O

NH

O

O

Br2 2 Br . + Initiator

+ Br .

.

+ HBr

Br-Br

+ Br .

+ HBr + Br2

3.2. Elektrophile Substitution an Aromaten SE

Elektrophiles Reagenz substituiert H-Atom im Aromaten.

1. Annäherung des Elektrophils (E) an π-System π-Komplex

2. Übertragung von 2 Elektronen σ-Komplex

3. Regeneration des π-Systems durch Abspaltung von H+

Energieprofil zeigt, dass der 1. Schritt geschwindigkeitsbe-stimmend ist, die Abspaltung von H+ erfolgt rasch (kein Isotopeneffekt, wenn man Hexadeuteriobenzen substituiert)

Elektrophil muss reaktiver sein als für Addition Lewis-Säuren oder Brönsted-Säuren zur Erhöhung der positiven Partialladung nötig.

Elektrophile: X+(X2, AlX3 oder FeX3); NO2+(HNO3+H2SO4);

SO3(H2SO4); R+(RX, AlX3); R-C=O+(RCOCl, AlCl3, Anhydride); PhN2

+ Azokupplung.

3.2.1. Halogenierung:

3.2.2. Nitrierung:

NO2

HNO3 H+

NO2+ + H2O

+ NO2+

-H+

H

Cl

Cl

Cl Cl + AlCl3 Cl Cl AlCl3

Cl Cl AlCl3 +- H+

+ AlCl4-

3.2.4. Friedel-Crafts-Alkylierung:

H

SO3-

SO3H

+ SO3

+

H

R

R

+ R Cl AlCl3

+

+ AlCl4-

-H+

Einschränkungen bei Alkylierungen: • nur Alkylhalogenide, Aryl- und Vinylhalogenide reagieren nicht•oft Mehrfachsubstitution•Aromaten mit stark e-ziehenden Gruppen reagieren nicht•oft Umlagerungen der angreifenden Carbokationen

Cl+

AlCl3nicht

3.2.3. Sulfonierung:

3.2.5. Friedel-Crafts-Acylierung:

R Cl

OO

R

O

R

HR

O

O

R

+ AlCl3 C +

Acylium-Ion(auch aus Anhydridenmit Lewis-Säuren)

C+

+

AlCl4-

•keine Mehrfachsustitutionen•keine Umlagerungen•keine Reaktion bei e-anziehenden Gruppen im Ring•CO-Gruppen reduzierbar zu Alkylgruppen mit Zn/Hg und HCl (Clemmensen-Reduktion) oder H2NNH2/NaOH (Wolff-Kischner-Reduktion)•äquimolare Mengen Lewis-Säure erforderlich, weil gebildetes Keton über die CO-Gruppe die Lewis-Säure komplexieren kann.

3.2.6. Azokupplung:

Das Diazonium-Kation (ArN2+, entsteht aus aromatischen Aminen

mit salpetriger Säure im sauren Milieu) ist das Elektrophil, aber es ist schwach und reagiert daher nur mit aktivierten Aromaten wie z.B. Phenolaten oder Aminen

O

N+

N Ar

O

H N=N-Ar

O

N=N-Ar

NR2

N+

N Ar H N=N-Ar

NR2+NR2

N=N-Ar

-H+

-H+

3.2.7. Mehrfachsubstitutionen bei SE-Reaktionen:Reaktionsgeschwindigkei Regiochemie

H

O

CH3

stark aktivierend

starkdesaktivierend

NH2OH

OCH3

CH3

N

H

FBr Cl

I

CHO

SO3H

NO2

COORCOOH

CN

NR3+

COR

o- und p-dirigierend

m-dirigierend

Aktivierende Gruppen haben +I-Effekt bzw. +M-Effekt, d.h. „schicken“ Elektronen in den Aromaten, erhöhen die Reaktions-geschwindigkeit. Substitution erfolgt in o- und p-Stellung:

OMe OMe+ OMe+OMe+

- -

-

m-dirigierende Gruppen desaktivieren alle Positionen außer die m-Position für einen elektrophilen Angriff, sie haben –I-Effekte bzw. –M-Effekte.

N+

O ON

+O O

N+

O O

N+

O O

+

+

+

Halogene haben starken –I-Effekt (reagieren langsamer als Benzen, sind desaktivierend), der schwächere +M-Effekt erhöht aber die e-Dichte in o-bzw. p-Stellung durch Resonanz:

Bei Mehrfachsubstitutionen addieren sich die Effekte oder der am stärksten aktivierende Substituent bestimmt die Regiochemie

Aufgabe 3: Welche Produkte erwarten Sie bei der Nitrierung von 4-Nitrotoluen bzw. der Bromierung von 4-Methoxytoluen?

Cl Cl Cl Cl

-

-

-

CH3

NO2

NO2

CH3

OMe

Br

CH3

OMe

Br2/FeBr3

CH3

NO2

HNO3 bzw

3.3 Nucleophile Substitution (am gesättigten C-Atom) SN

Br OHHO- + C C + Br-

nucleophile Substitution

vergleichbar mit einerSäure-Base-Reaktion

Es zeigt sich, dass die Reaktion von CH3Br mit OH- einem Ge-schwindigkeitsgesetz 2. Ordnung gehorcht:

v = k [CH3Br] [OH-] SN2-Reaktion

Vergleich von Geschwindigkeiten für verscheidene R:

CH3Br CH3CH2Br (CH3)2CHBr (CH3)3CBr v= 1 0,079 0,014 47,2 !!

Zusätzliche Methylgruppen verlangsamen die Reaktion (Angriff sterisch gehindert), das tertiäre Alkylhalogenid reagiert aber viel schneller anderes Geschwindigkeitsgesetz:

v = k [(CH3)3CBr] SN1-Reaktion

Konzentration von OH- beeinflusst die Reaktion nicht!

3.3.1. Energieprofile:

SN2 SN1

3.3.2. Stereochemie der SN-Reaktionen:

a) SN2: H

Br

CH3CH2

CH3

I Br

H

CH2CH3CH3

I

H

CH2CH3

CH3CI- C C + Br-

chiral, opt.aktiv Rückseitenangriff chiral, opt.aktiv Inversion

b)SN1

Br

CH3

C2H5

C3H7CH3

C2H5

C3H7

OH

CH3 C2H5

C3H7

OH

CH3

C2H5

C3H7

C Br- + C

+ H2O

H2O

-HBr

-HBr

C

C

(R)-3-Brom-3-methylhexan

(R)-3-Methyl-3-hexanol

(S)-3-Methyl-3-hexanol

+Racemat

planar, achiral

3.3.3. Einfluss der Struktur des Substrates:

Primäre und sekundäre Alkylderivate reagieren nach SN2 (sekundäre langsamer als primäre, s.o.), tertiäre Alkylderivate nach SN1. Je stabiler das gebildete Carbeniumion, desto eher SN1.

3.3.4. Einfluss des Lösungsmittels:

Cl- + CH3-I Cl-CH3 + I- läuft in DMF 106 x schneller als in MeOH

MeOH solvatisiert Cl- gut, bevor Cl- reagieren kann, muss die Solvathülle entfernt werden, benötigt Energie.

SN2 läuft besser in unpolaren, aprotischen LM

(CH3)3C-Br (CH3)3C+ + Br- in EtOH/H2O(1:1) viel schneller als in reinem EtOH; polare LM bilden mit beiden Ionenpaaren Solvathüllen, stabilisieren die Ionen.

SN1 läuft besser in polaren LM

3.3.5. Einfluss der eintretenden Gruppe:

Nucleophilie Basizität

a) proportional: EtO- > C6H5O- > CH3COO- > NO3- (hier ist immer

O an der nucleophilen bzw. basischen Reaktion beteiligt)

b) nicht proportional: Basenstärke: EtO- > EtS-; F->Cl->Br->I-

Nucleophilie: EtS- > EtO-; I->Br->Cl->F- (Erklärung: je größer ein Atom, desto leichter polarisierbar desto größer nucleophile Kraft)

c) Negative Ladung erhöht Nucleophilie: NH2- > NH3

d) Nucleophilie nimmt im PSE nach „rechts“ ab: H2O < NH3

e) Nucleophilie nimmt im PSE nach „unten“ zu: EtS- > EtO-

f) Sterisch gehinderte Nucleophile reagieren langsamer: (CH3)3CO- < CH3O-

In SN1-Reaktionen spielt Nucleophilie keine Rolle;Nucleophil am geschwindigkeitsbestimmenden Schritt nicht beteiligt.

3.3.6. Einfluss der Abgangsgruppen:

•Gute Abgangsgruppen stabilisieren negative Ladungen gut

•Gute Abgangsgruppen sind (meist) schwache Basen

•Bei Halogenen: I- > Br- > Cl- > F-

•Schwefelderivate: ROSO3-Alkylsulfate

RSO3- Alkylsulfonate od. Arylsulfonate

O

O

OCH3

O

O

OF3C

O

O

OCH3S-

Methansulfonat-Ion(Mesylat-Ion, -OMes)

S-

Trifluormethansulfonat-Ion(Triflat-Ion, -OTfl)

S-

Toluensulfonat-Ion(Tosylat-Ion, -OTos)

Dimethylsulfat als Methylierungsreagenz:O

O

O

O

O

CH3CH2O- + MeO S OMe CH3CH2OCH3 + S OMe

3.3.7. Reaktionen der schlechten Abgangsgruppe –OH:

•Protonierung:

H

H

R-OH + HBr R-O + Br- R-Br + H2O

Abgangsgruppe wird nun H2O, eine sehr schwache Base. Auch Ether können durch starke Säuren protoniert werden (Etherspaltung durch Iodwasserstoff).

•Reaktionen mit anorganischen Halogenderivaten: z.B. PBr3, PCl5, SOCl2, RSO2Cl RCH2OH + SOCl2 RCH2Cl + HCl

•Bildung von Sulfonaten mit Sulfonylchloriden (Methansulfonyl-chlorid, Tolylsulfonylchlorid, Trifluormethansulfonylchlorid) RCH2OH + CH3SO2Cl RCH2OSO2CH3 + HCl Amine (z.B. Pyridin, Triethylamin) binden das freiwerdende HCl

3.3.8. Typische SN2-Reaktionen:

CH3-CH2-X

RO-HO-

EtOHEtOR

Br-

EtBr

RS-

EtSR

PPh3 EtPPh3+ X-

NH3

EtNH2, Et2NH, Et3N, Et4N

+ X-N3-

EtN3

RLi

EtR

HS-

EtSH

NaI

Et-I

CN-

EtCN

RCOO-RCOOEt

EtSCN

SCN-RC CNa

RC CEt

3.3.9. Alkylierung von ß-Dicarbonylverbindungen verlaufen auch nach SN2-Mechanismen:

•Acetessigestersynthesen: mono- oder dialkylierte Ketone.

O O

OEt

O O

OEt

O O

OEtH CH3

O O

OEtCH3 CH3

O O

OHCH3 CH3

O

CH3

CH3

+ -OEt

-

H3C-Br+

- Br-- EtOH

2. Alkylierung mit CH3Br

NaOH, H2O- CO2

Hitze

•Malonestersynthesen mono- oder dialkylierte Carbonsäuren

O O

OEtEtO

O O

OEtEtOR H

O O

OEtEtOR R

O O

OHOHR R

OH

O

R

R

NaOH, H2O

- CO2

Hitze

Aufgabe 4: Nach welchem Mechanismus verläuft die Reaktion von Na-Ethylat mit Bromethan in Ethanol? Wie wird die Reaktion beeinflusst, wenn man folgende Änderungen durchführt:

1) Verwendung von Fluorethan statt Bromethan?2) Verwendung von Brommethan statt Bromethan?3) Verwendung von NaSEt statt NaOEt?4) Verwendung von DMF statt EtOH als Lösungsmittel?Antwort: SN2; langsamer; schneller; schneller; schneller.

3.4. Nucleophile Substitution am Aromaten

3.4.1. Arene mit stark elektronenanziehenden Gruppen und z.B. einem Halogen als austretende Gruppe können durch starke Nucleophile substituiert werden.

F

NO2

NO2

OH

NO2

NO2

OH-

Mechanismus: SN1 nicht möglich, es müsste ein Aryl-Kation ent-stehen, welches extrem instabil wäre; SN2 auch nicht möglich, weil der Ring den Angriff den Nucleophils behindert. Additions-Eliminations-Mechanismus:

F

NO2

NO2

F OHNO2

NO2

OH

NO2

NO2

OH-

-langsam

-F-

schnell

Geschwindigkeitsbestimmend ist nur der 1. Schritt:v = k [Ar-X] [OH-];

d.h. Bindungsstärke Ar-X beeinflusst die Reaktion nicht.

3.4.2. Arin-Mechanismus:Nucleophile aromatische Substitution über Eliminations-Additions-Mechanismus: Cl NH2

NH2-

-33oCfl. NH3

+ Cl-

Beweis: Substitution an 4-Chlortoluen:

Cl

CH3

H

Cl

CH3CH3

CH3

H

NH2

CH3

NH2

HNH2-

-

Arin-Zwischenstufe

NH3

NH3

38%

62%

4. Eliminierungen

Sind die wichtigsten Konkurrenzreaktionen der aliphatischen Sub-stitutionen. Meist ß-Eliminierungen (d.h. austretende Gruppen an benachbarten C-Atomen); aus gesättigten Verbindungen Alkene. Br Cl OH OHCl-

H2O

Substitution

oder oder

oder oder

Hydrolyse Hydrolyse undUmlagerung

Eliminierung Eliminierung undUmlagerung

3 Mechanismen möglich:

4.1. E1-Reaktion: Bindung C-Ab (=Abgangsgruppe) wird hetero-lytisch gespalten Carbokation Verlust von H+ π-Bindung

H-CH2-CH2-Ab - Ab-

langsamCarbokation

H-CH2-CH2+

- H+

schnellCH2=CH2

Monomolekulare Eliminierung, v = k [R-X]; besonders bei tert. Halogenalkanen, polare LM begünstigen, ebenso hohe Temp.

4.2. E1cB-Reaktion (cB = “conjugate base”)

Zuerst wird das H+ entfernt, es entsteht die “conjugate base”, dann wird die Abgangsgruppe abgespalten:

H-CH2-CH2-Ab - Ab-

langsam

- H+

schnellCH2=CH2CH2-CH2-Ab -

conjugate base

Der 2. Schritt ist geschwindigkeitsbestimmend.

Die Bildung von Arin aus Chlorbenzen mit NH2- läuft nach E1cB.

4.3. E2-Reaktion:

H-CH2-CH2-Ab Ab-CH2=CH2

BaseH-Base+ +

Konzertierte, bimolekulare Reaktion, H+ und Ab- werden gleich-zeitig abgespalten; v = [R-X][Base]; bei primären und sekundären Halogenalkanen.

CH3

Cl

HCH3

HH

CH3

CH3H

H

H-O-

+ H2O + Cl-

E2- Eliminierungen laufen am leichtesten, wenn die austretenden Gruppen zueinander anti-ständig sind, d.h. wenn die H-, Cα-, Cß- und X-Atome (=Ab) in einer Ebene liegen („antiperiplanar“):

RR

X

H

RR

OH-

ß

α

Diese Konformation kann von allen offenkettigen, um die Cα-Cß-Bindung frei drehbaren Molekülen einge-nommen werden.

Aufgabe 5: Welches Produkt entsteht, wenn man 2-Brombutan mit K-tert.Butylat umsetzt?

HCH3

Br

CH3

H

H

CH3

H

CH3

H-O-C(CH3)3

günstigste KonformationZ-But-2-en

Bei cyclischen Verbindungen anti-Anordnung nur möglich, wenn sowohl das H-Atom als auch das X-Atom axial stehen:

H

Cl

CH3H

CH3

H

CH3

Cl

HH

H

H

CH3

H

H H

Base

cis-1-Chlor-2-methyl-cyclohexan

1-Methylcyclohex-1-en

BaseB:-

trans-1-Chlor-2-methyl-cyclohexan

3-Methylcyclohex-1-en

thermodynamisch weniger stabil, weilweniger substituierteDoppelbindung

4.4. Konkurrenz Substitution – Eliminierung4.4.1. Basenstärke des Nucleophils: schwache Basen starke BasenH2O, ROH, PR3, N3

- OH-, OR-, H2N-, R2N-

Halogenide, RCOO-

wahrscheinlicherSubstitution Eliminierung4.4.2. Sterische Hinderung am Substrat:sterisch ungehindert sterisch gehindertprim. Halogenalkane verzweigte prim., sek.,

tert. Halogenalkanewahrscheinlicher

Substitution Eliminierung4.4.3. Sterische Hinderung am Nucleophil:sterisch ungehindert sterisch gehindertOH-, CH3O-, H2N- (CH3)3CO-, [CH(CH3)2]2N-

Substitution möglich Eliminierung bevorzugtEinfache Voraussage: Gewichtung 1-3 ~ gleich

Verwendet man Lithiumdiisopropylamid (LDA) [(CH3)2CH]2N-Li+ als Base, tritt nur Eliminierung auf, weil LDA nicht als Nucleophil reagieren kann.

Br O-Na+

O

Br O-K+

O

BrO-Na+

O

+

sterische Hinderungam Substrat

+ NaBr

15%

SN2

E2

in EtOH

+ NaBr

85%

+

sterische Hinderung am Nucleophil

SN2

E2

in t-BuOH

+ KBr

15%

85%+ HBr

+

SN2

E2

in EtOH

+ NaBr

90%

+ NaBr + EtOH

+ EtOH

10%

4.5. Saytzeff- und Hofmann-Regel (Regioselektivität)

Saytzeff-Regel: Bei den meisten E1- und E2-Reaktionen entsteht bevorzugt das thermodynamisch stabilere Alken, d.h. das Alken mit der höher substituierten Doppelbindung.

Br

Br

-Br-

langsam

+

schnell+

99% < 1%

oft auch Umlagerungen des Carbenium-Ions:

-Br-

-H+

-H+

+ +

Hofmann-Regel: Es wird das weniger substituierte Alken gebildet – kinetische Kontrolle – meist bei E2-Reaktionen mit sperrigen Basen wie z.B. t-BuO-K+

Br

(CH3)3CO-K+

+

70% 30%( mit OH- Verhältnis 20:80 )

Energieprofile für E2: (Saytzeff-Hofmann-Orientierung):

Hofmann fand seine Alkene bei der nach ihm benannten Abbau-reaktion: Hofmann Abbau nach erschöpfender Methylierung: quartäre Ammoniumgruppe = schlechte Abgangsgruppe bevorzugt Hofmann-Produkt)

NH2 N+(CH3)3N+(CH3)3

CH3I (Überschuss)

I-

Ag2O

OH-

erhitzenE2-Reaktion)

- H2O- N(CH3)3

H2O

Aufgabe 6: Welches Alken entsteht durch wiederholte Hofmann-Eliminierung aus N-Methylazacycloheptan?

N

CH3

N(CH3)2

1. CH3I2. Ag2O, H2O3. erhitzen

1. CH3I2. Ag2O, H2O3. erhitzen + N(CH3)3

Hexa-1,5-dien