Prof. Dr. P. Rademacher Organische Chemie IV

OCIV-SS2005-Teil14 Zwitterionen 1. Einleitung

Zwitterion: X(+)−Y(-) Ylid: Formal negativ geladenes C-Atom gebunden an ein formal positiv geladenes Heteroatom Heteroatome: P, S, N, As, Sb Beispiele: Ph3P(+)−CH2

(-) ↔ Ph3P=CH2 Triphenylphosphoniummethylid Methylentriphenylphosphoran Ylid Ylen Die Ylid-Struktur besitzt das größere Gewicht. Diese Teilchen besitzen ein nucleophiles Kohlenstoff-Atom. Der Name "Ylid" stammt von G. Wittig Analoge Strukturen lassen sich auch mit anderen Heteroatomen formulieren. Z. B. Me2S(+)−CH2

(-) ↔ Me2S=CH2 Dimethylsulfoniummethylid Me3N(+)−CH2

(-) Trimethylammoniummethylid, hier ist keine Ylen-Struktur möglich (N besitzt keine 2d-Orbitale) Ylide besitzen unterschiedliche Stabilität. Einige (insbesondere die Phosphorylide) sind isolierbar, jedoch nicht lange haltbar, sehr reaktiv. Die meisten treten nur im Verlauf von Reaktionen als reaktive Zwischenstufen auf.

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2. Phosphorylide

Darstellung Me3P + MeBr → [Me3P−CH3](+)Br(-) Tetramethylphosphoniumbromid Mit starken Basen ist eine Deprotonierung möglich. Me3P(+)−CH3 + LiMe → Me3P=CH2 + CH4 + Li(+) Ph3P(+)−CH3 + LiPh → Ph3P=CH2 + H−Ph + Li(+) Phosphinalkylene sind Alkenylierungsmittel für Carbonyl-Verbindungen. Wittig-Reaktion Siehe auch Vorlesung OCIII G. Wittig, 1953, Nobelpreis 1979 (zusammen mit H. C. Brown)

"… for their development of the use of boron- and phosphorus-containing compounds, respectively, into important reagents in organic synthesis." Beispiel:

CH2Ph3P O CPh

PhC C

Ph

PhH

H+ + Ph3PO

Triphenylphosphanoxid(Triphenylphosphinoxid)

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Mechanismus der Wittig-Reaktion

R3PO

O

R3P

O

P

P

OC

+(+)

(-)

R3

R3R3 P=O +

P-O-Betain

P-C-Betain

1,2-Oxaphosphetanechte Zwischenstufe

1 2

3

4

Alken

Die Schritte 1 und 2 sowie 3 und 4 können jeweils konzertiert verlaufen.

(+)(-)

Ob eizelne Schritte konzertiert erfolgen, hängt hauptsächlich von den P-Substituenten R ab. Das 1,2-Oxaphosphetan ist eine echte Zwischenstufe, Nachweis durch 31P-NMR. Schritt 1 und Schritt 2: assoziativ, pseudokonzertiert, formale [2+2]-Cycloaddition Schritt 3 und Schritt 4: dissoziativ, je nach Substituenten konzertiert (synchron) oder sukzessiv, entscheidend ist die Stabilität des P-C-Betains. Nahezu jedes Phosphorylid und jeder(s) Aldehyd (Keton) lassen sich umsetzen. Die Methode wird insbesondere zur Darstellung sonst nicht zugänglicher Alkene verwendet.

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Stereochemie

H

R'R3P O

H

R"

H

R"R'

H R"

HR'

H+ oder

Z E

Beispiele:

H

PhPh3P O

H

Ph

HH

Ph Ph H

H

Ph

Ph

H

MePh3P O

H

Ph

HH

Me Ph H

H

Me

Ph

+ +

30 % 70 %Stilben

+ +

70 % 30 % Relativ geringe Stereoselektivität

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H

R'R3P O

H

R"

H

R"R'

H R"

HR'

H

O

PH

R"H

R'+ oder

Z E

R3ass. diss.

1 u. 2 3 u. 4

Einfluss auf die Stereochemie der Wittig-Reaktion haben die Substituenten R, R', R" die Reaktionsbedingungen: Temperatur, Solvens, Salze (Lewis-Säuren) Die Stereochemie kann sich entscheiden: a) bei der Bildung des Oxaphosphetans (d.h. im assoziativen Teil der Reaktion) M. Schlosser, J. Am. Chem. Soc. 1982, 104, 5821. cis-Oxaphosphetan ist stabiler bei R = Ph → Z-Alken trans-Oxaphosphetan ist stabiler bei R = C2H5 u.ä. → E-Alken (Modelle betrachten!) b) beim Zerfall des Oxaphosphetans H. J. Bestmann, Pure Appl. Chem. 1979, 51, 515: Schritt 3 und Schritt 4 dürfen nicht synchron sein, d.h. das P-C-Betain muss relativ stabil (langlebig sein): R' = Elektronenakzeptorqruppen, z. B. CO2R Wenn das P-C-Betain im Vergleich zur inneren Rotation langlebig ist, entsteht das thermodynamisch kontrollierte Produkt.

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stabiler cis- trans- 3,4-Dimethyl-2,2,2-triphenyl-1,2-oxaphosphetan

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"Salzfreie" Wittig-Reaktion

P+

H

R

H

CH31.) NaNH2/THF

Br

Ph3Z-Alken > 90 %2.) R-CH=O-

cis-Selektivität Das Oxaphosphetan steht nicht im Gleichgewicht mit den Edukten. Deshalb isomerisiert das primär gebildete cis-Oxaphosphetan nicht zum trans-Oxaphosphetan. Schlosser-Variante der Wittig-Reaktion

Ph3PH

R

CH3

H

2.) R-CH=O

1.) PhLi/LiBrE-Alken> 95 %

Br

+

-

trans-Selektivität

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Technische Anwendung der Wittig-Reaktion 1.) Vitamin A1 (BASF) = Retinol, Diterpen-Alkohol mit β-Ionon-Struktur

PPh3

H

OOAc

OAc+

Retinol-Acetat, 98 %

NaOMe/MeOH

- Ph3PO

2.) β-Carotin, Pro-Vitamin A

PPh3

H

OH

O+

2

β-Carotin 3.) Pheromone (Bestmann) 4.) Vitamin D3 (Inhoffen 1958) 5.) Die Synthese zahlreicher Pharmaka beinhaltet die Wittig-Reaktion als wichtige Syntheseschritte.

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3. Schwefelylide

Darstellung

Me2S CH3Me2S CH2

O

SMe CH3

Me

O

SMe CH2

Me

Me2S + CH3I (+) Me-SO-CH2

(-)Na(+) (+) (-)

Dimethylsulfoniummethylidsehr reaktiv, nur kurzeZeit beständig

Me2SO + CH3I(+) NaH

DMSODimethylsulfoxidDMSO

(-)

Dimethylsulfoxoniummethylidbeständiger

oder n-BuLi

Umsetzung mit Carbonyl-Verbindungen

OR

RCH2 SMe2

R2CO

CH2 SMe2

OC

CH2+

(-) (+)

(-)

(+)

R2 + SMe2

OxiranEpoxid

Es erfolgt also eine Addition der Methylengruppe an die Carbonylgruppe. Mit dem Oxosulfoniumylid ergibt sich eine analoge Reaktion.

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4. Stickstoffylide

sind schwieriger zu erzeugen und instabiler als Phosphor- und Schwefelylide. Darstellung

CH3Me3N CH2Me3N

(+)

QuartäresAmmoniumsalz

PhLi (+) (-)Me3N + :CH2

n x

(CH2)n

Carben

Trimethylammonium-methylid

Keine Stabilisierung des Ylids durch (d-p)-π-Bindung. Isoelektronisch mit den Ammoniummethyliden sind die Aminoxide. Meisenheimer-Umlagerung (vgl. Stevens-UL)

R3N O R2NO

RR3N:H2O2 (+) (-)

> 100 °CHydroxylamin-Derivat

Bei Aminen, die am β-Kohlenstoffatom Wasserstoff besitzen, tritt Eliminierung als Konkurrenzreaktion ein.

NOH N OH

(-)

(+)+

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5. 1,3-Dipole

1,3-Dipolare Cycloaddition (pericyclische Reaktion, siehe OCIII) Beispiel:

N N N|PhN

NNPh

+ __(-) (+)

Phenylazid Es gibt auch (instabilere) 1,3-Dipole, die als reaktive Zwischenstufen auftreten. Weitere 1,3-Dipole: Nitriloxide: R−C≡N(+)−O(−) ↔ R−C(+)=N−O(−)

Nitrilimine R−C≡N(+)−N(−)−R ↔ R−C(+)=N−N(−)−R

N2O: N≡N(+)−O(−) ↔ N(+)=N−O(−)

Ozon: O=O(+)−O(−) ↔ O(+)−O−O(−)

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Moleküle in elektronisch angeregten Zuständen Literatur: P. Rademacher, Strukturen organischer Moleküle, Kapitel 9.6, VCH Verlagsges., Weinheim 1987. Grundzustände und angeregte Zustände

Moleküle in einem elektronisch angeregten Zustand treten als Zwischenstufen bei photochemischen Reaktionen auf (vgl. Vorlesung OCIII). Der Transfer eines Elektrons von einem MO in ein anderes verursacht eine beträchtliche Änderung in der Elektronenverteilung und den Bindungsverhältnissen, die mit entsprechenden Veränderungen in der Geometrie verbunden ist. Die meisten organischen Moleküle besitzen einen Singulett-Grundzustand, der mit S0 bezeichnet wird. Daneben sind der erste angeregte Singulett- (S1) und der erste Triplett-Zustand (T1) am wichtigsten, weil die meisten photochemischen Prozesse über diese Zustände ablaufen. Bei kleinen und hochsymmetrischen Molekülen werden die Zustände durch Termsymbole näher gekennzeichnet. Z. B. lautet die Bezeichnung für den (linearen) Grundzustand des Kohlendioxids 1Σg

+ und für den (gewinkelten) S1-Zustand 1B2. Dass ein Molekül bei der elektronischen Anregung seine Struktur ändern könne, wurde erstmals im Jahre 1935 von R.S. Mulliken in einer Untersuchung des UV-Spektrums von Schwefelkohlenstoff geäußert. Seine Vermutung, der angeregte Zustand sei gewinkelt, wurde in nachfolgenden Arbeiten bestätigt. In ähnlicher Weise wurde gefunden, dass zahlreiche andere kleinere mehratomige Moleküle ihre Struktur bei einer elektronischen Anregung erheblich verändern.

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Regeln für die Struktur einfacher Moleküle im ersten angeregten Zustand

Die Gestalt in einem angeregten Zustand kann man für kleine Moleküle ebenso vorhersagen wie bei den Grundzuständen. Dabei macht man von der empirischen Regel Gebrauch, dass die Einführung eines Elektrons in ein leeres Orbital einen größeren strukturellen Effekt hat als die Entfernung eines Elektrons aus einem doppelt besetzten MO. Beispiel: CH2O(+)-Ion (15 Elektronen) ist wie CH2O planar. CH2O(−)-Ion (17-Elektronen) besitzt eine pyramidale Struktur CH2O* besitzt in seinem 1. angeregten Singulett-Zustand (S1) eine nichtebene Struktur. Postulat von A. D.Walsh (1953): "Der erste angeregte Zustand eines Moleküls mit n Elektronen sollte zur selben Punktgruppe gehören wie der Grundzustand eines ähnlichen Moleküls mit n + 1 oder n + 2 Elektronen." Für die linearen Moleküle N2O und CO2 werden daher dem NO2 ähnliche, gewinkelte angeregte Zustände (N2O*, CO2*) vorhergesagt. Angeregtes Wasser, H2O*, sollte eine Struktur wie NeH2 haben, also linear sein und leicht dissoziieren. Für angeregtes Ethin, C2H2*, folgt eine dem gewinkelten N2H2 analoge und für angeregtes Ethen, C2H4*, eine dem N2H4 ähnliche Struktur. Für C2H4* erwartet man demnach eine um die CC-Bindung verdrillte Struktur mit abgeknickten CH2-Gruppen.

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Grundzustand (S0) angeregter Zustand S1 Elektronenreichere

Modellverbindung

C C HH 14 Elektronen, D∞h

C CH

H C2h

N NH

H 16 Elektronen, C2h

C C OH

H 22 Elektronen, C2v

C COH

H Cs

N NH

H

ON N

H

H

O(-)

(+)

24 Elektronen, Cs

C CH

H H

H

16 Elektronen, D2h

C CH

HHH

D2d

N NH H

HH

18 Elektronen, C2

In den angeregten Zuständen S1 und T1 des Ethens sind die beiden Methylengruppen um 90° gegeneinander verdrillt. In diesen Zuständen sind das π- und das π*-MO jeweils einfach besetzt. Die Struktur wird durch das π*-Orbital dominiert. Die planare Konfiguration entspricht einem Energiemaximum.

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Experimentelle Informationen über die Struktur angeregter Zustände gewinnt man aus der Schwingungs- und der Rotationsfeinstruktur der an den Molekülen in der Gasphase gemessenen Elektronenspektren. Die Analyse der Rotationsfeinstruktur liefert die Trägheitsmomente der angeregten Moleküle, aus denen die Struktur zu ermitteln ist. Allerdings wird eine solche Analyse aus experimentellen Gründen mit zunehmender Molekülgröße sehr schwierig, so dass genaue Strukturdaten nur bei kleinen bis mittelgroßen Molekülen zu gewinnen sind. Auch sind hier, wie bei der MW-Spektroskopie, die Spektren isotopomerer Moleküle für die Strukturanalyse erforderlich. Neben experimentellen Untersuchungen haben theoretische Verfahren Bedeutung erlangt und wesentlich zur Bereicherung des Kenntnisstandes beigetragen.

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Strukturdaten einiger Moleküle in verschiedenen elektronischen Zuständen (Bindungslängen in pm)