Seminar Reduktion/Oxidation Erklärung von Oxidation/Reduktion allgemein (wichtige Red. und Oxid.-mittel in der org. Chemie) Oxid. (El. Abgabe), Red. ( El. Aufnahme), immer Redoxprozesse, Oxidationszahlen am Kohlenstoff. Diskussion der Red./Oxid. Reihe prim. Alkohol/Aldehyd(Carbonsäure, sek. Alkohol/ Keton (Mit Oxid.zahlen) auch. formal [+2H od. – O] für die Red. bzw. [-2H od. + O] für die Oxid.

# 2 Reduktion Reduktionsmittel: NaBH4, LiBH4, LiAlH4 (komplexe Metallhydride) – Vgl. der Reaktivitäten in welchen Lösungsmitteln (Beispiele für protische und aprotische LM) – Warum darf LiAlH4 nicht in prot. LM verwendet werden. Warum kann man NaBH4 in H2O, bzw. EtOH und sogar in CH3CO2H verwenden? NaBH4: langsame Reaktion in EtOH: ( --> NaBH3(OEt) --> NaBH2(OEt)2 --> NaBH(OEt)3 ) wirken alle noch reduzierend auf Carbonylverb. NaBH4 bzw. LiAlH4 Red. Mechanismus nur kurz / ist nicht 100%ig aufgeklärt. Formaler Mechanismus: Komplexes Metallhydrid liefert Hydrid (H-) Protische (Wss.) Aufarbeitung liefert H+ ( = formal [+ 2H]). Reduktion von Estern und Carbonsäuren mit LiAlH4. Wieviel MolÄquiv. werden benötigt. Warum ist die Red. von Carbonsäuren deutlich schwieriger? Was geschieht im ersten Schritt. Reduktion von Estern mit LiAlH4. OR als Abangsgruppe. Warum kann die Reduktion nicht auf der Stufe des Aldehyds angehalten werden? (Z.B. durch Verwendung von nur 0.25. MolAqiv. LiAlH4). Primarprodukt(Aldehyd) ist deutlich reaktiver als Ester gegenüber Hydrid-Reagenz. Ausweg? Reduktion von Estern mit DIBAL-H. Genauer Mechanismus. Bildung des At-Komplexes (DIBAL-H als Lewissäure), Hydridübertragung (intramol.), gebildetes Intermediat ist bei tiefer Temp. ausreichend lange stabil (!!), Temp. erhöhung bzw. wss. Aufarb. liefert Aldehyd. Stichwort Reaktivität und (Chemo)Selektivität. Vgl NaBH4/LiAlH4. Beispiele: Reduktion von bifunktionellen Molekülen. Aldehyd bzw. Keton kann in Gegenwart von Estern mit NaBH4 reduziert werden. Ester bleibt erhalten (Chemoselektivität). Umgekehrt geht das nicht! Warum?

Anwendungsbeispiele von Chemoselektivität:

vgl. auch Chemoselektivität bei Oxidation (s.u.)

# 3 Oxidation Oxidation mit Cr(VI) Verbindungen – generelle Problematik/Giftigkeit genauer Mechanismus (via Chromsäuremonoester) am Bsp. von Pyridiniumchlorochromat (PCC) zur Oxidation eines prim. Alkohols zum Aldehyd. Warum muss wasserfrei gearbeitet werden? Aldehyd bildet mit Wasser im Glgw. das Hydrat welches dann erneut einen Chromsäuremonoester ausbildet und dem Glgw. entzogen wird und somit zur Säure weiter oxidiert wird. Modernere Reaktionen: Swern Oxidation und IBX Oxidation Swern Oxidation: Aktivierung von DMSO mit Oxalylchlorid bei tiefer Temp: liefert Chlordimethylsulfoniumchlorid (-CO, -CO2, ohne Mech.) als eigentl. reaktive Spezies. Dann Zugabe des Alkohols dann Base (NEt 3) – genauer Mechanismus. Warum benötigt man mind. 2 Äquiv. NEt3? Vorteil und Nachteile (+ nur flüchtige Nebenprodukte, CO, CO2, DMS; - Geruch von DMS). IBX-Oxidation: Synthese aus Iodbenzoesäure und Peroxodisulfat (ohne Mech.). Umsetzung mit prim od. sek. Alkohol. Mechanismus.

Vergleich (Analogie) der drei Oxidationen: Elektronepaar welches zu X klappt entspricht formal der Elektronenaufnahme (Reduktion) an X. Das Oxid.mittel wird ja reduziert (Redoxprozess!). Hinweis: Generell gibt es viel mehr Möglichkeiten einen prim. Alkohol zu einem Aldehyd zu oxidieren als umgekehrt einen Ester zum Aldehyd zu reduzieren. Da die Red. zum Aldehyd in der Praxis nicht immer so gut funktioniert bevorzugt man häufig die zweistufige Variante (Red. zum prim Alkohol, dann Oxid. zum Aldehyd. Oxidation mit MnO2. MnO2 muss aktiviert sein (große Oberfläche), da es sich um eine surface-reaction handelt! – ohne Mech. (Vermutlich SET). MnO2 oxidiert chemoselektiv unter milden Bedingungen allylische und benzylische Alkohole. Beispiele von solchen Alkolen gezeigt. Anwendungsbeispiele von Chemoselektivität:

und ähnliche (z.B. mit allylischem Keton und nicht-allylischem Ester). Einstufig nicht möglich. Warum? Vorgehensweise: Zunächst vollständige Reduktion mit LiALH4. Dann chemoselektive Oxidation mit MnO2.

# 4 Aromaten (I) Erklärung von Aromaten allgemein (cyclisch planar, konugierte DB, 4n+2 p-Elektronen = Hückelregel) Beispiele dazu.

Elektrophile Aromatische Substitution (SEAr) +

+

allgemeiner Mechanismus: Benzol, Angriff des Elektrophils (E ) -> Wheland-Komplex -> Elim. von H --> Substituiertes Benzol +

Diskussion der wichtigsten Elektrophile: NO2 (Nitronium aus HNO3/konz. H2SO4), SO3 (aus Oleum), Halogene (Cl2 und Br2) Alkylhalogenide (R-X) und Acylhalogenide bzw. Carbonsäureanhydride. Die Elektrophile X2, RX und RCOX benötigen eine Aktivierung durch Lewissäure (z.B. AlCl 3, FeCl3, BF3, SnCl4, TiCl4) – Prinzip erklärt. Mechanismus der Ausbildung des Acyliumions (mit mesomeren Grenzformeln) erklärt.

Friedel Crafts-Alkylierung am Beispiel Benzol + Ethylbromid – Problematik Produkt ist reaktiver als Edukt (warum?) => Mehrfachalkylierung! Überschuß von Benzol reduziert die Problematik. (Chemisches Gleichgewicht) weites Beispiel: FC-Alkylierung mit Propylbromid. Problematik w.o. Hinzu kommt jedoch das Problem der Umlagerung (WagnerMeerwein-Typ) Wie synthetisiert man also n-Propylbenzol? – Ausweg: F.C. Acylierung Acylierungsreaktion mit Propionylchlorid/AlCl3 liefert Phenylethylketon. Warum keine Mehrfach Acylierung? Produkt ist weniger reaktiv als Benzol (warum? –M-Effekt, erklärt mit Mesomeren Grenzstrukturen). Wie kommt man zum gew. Produkt. Reduktion der Carbonyl-Funktion (durch Wolff-Kishner oder Clemmensen Reduktion – ohne Mechnismus)

# 5 Aromaten (II) – Zweitsubstitution – Mesomere Effekte - Diazoniumverbindungen

aktivierende Substituenten: +M (-i): -OR, -NR2, -OAc, -NRAc, ... +i: -Alkyl desaktivierende Substituenten. – i: -X (Hal), -CF3, CCl3, ... –M: -COR, -COOR, -CONR2, -CN, -NO2 Aktivierende Substituenten dirigieren o/p. Desaktivierende Subst. dirigieren m. Sonderfall Halogene (desaktiv.) dirigieren o/p. Erklärung der mesomeren Effekte anhand von mesomeren Grenzstrukturen! Warum aktivierend bzw. desaktivierend Synthesebeispiele: 1-Chlor-3-Nitrobenzol und 1-Chlor-4-Nitrobenzol. Acidität und Mesomerie: Vergleich von cyclo-Hexanol (pKa 16), Phenol (pKa 10), p-Nitrophenol (7,2) und Pikrinsäure (0,3). -

+

-

Säure-Base-Gleichung (AH -> A + H ): Bei vergleichbaren Verbindungen wird die Acidität (von AH) über die Stabilität des Anions A (=konjugierte Base) argumentiert. Stabilität des Anions kann häufig über mesomere Grenzstrukturen abgeschätzt werden. Z.B. liegt m-Nirophenol mit pKa 8.4 genau zwischen p-Nitrophenol und Phenol. Welcher pKa - Wert ist für o-Nitrophenol zu erwarten? (fast gleich wie für p-Nitro-Phenol !) Synthese von Diazoniumverbindungen: Stöchiom. Reaktionsgleichung: ArNH2 + NaNO2 + 2HX --> ArN2+ X- + NaX + 2 H2O. Temp. 0 bis 5 °C. Mechanismus:

Verwendung von Diazoniumverbindungen: Azokupplung (nur mit elektronenreichen Aromaten z.B. p-NO2-C6H4N2+ + 1,3-(MeO)2C6H4 --> Azofarbstoff. Mesomere Grenzstruktur unter Beteilgung aller funktionellen Gruppen gezeigt. Diazonium kann durch versch. Reaktionen in andere Funktionalitäten überführt werden. -OH, -OR (durch Verkochen mit H2O bzw ROH); -F (Schiemann, mit NaBF4); -Cl, -Br, -CN (Sandmeyer, mit CuX); -I (mit KI, Praktikumsbeispiel); -H (mit hypophoshoriger Säure H2PO3). Alles ohne die einzelnen Mechanismen Synthesebeispiele: m-Bromphenol, m-ChlorIodbenzol u.ä aus Benzol über Nitrierung, SEAr Halogenierung, Reduktion der Nitrogruppe zum Amin, dann Diazoniumverb, dann Subst..

#7

Carbonylderivate - Praktikumsbeispiel Acetalisierung

Was haben die obenstehenden Verbindungen gemeinsam? Sie haben dieselbe Oxidatidationszahl (innerhalb der jeweiligen Reihe). D.h. aus Aldehyd bzw. Keton werden die entsprechenden Derivate (Hydrat, Halbacetal, Acetal) zumindest formal über eine Säure/Base-Reaktion gebildet. Wiederholung: Bestimmung der Oxidationszahl (Oxidationsstufe) Reaktionsmechanismus der säurekatalyisierten Bildung von Halbacetal und Acetal (ein grundlegender Reaktionsmechanismus in der Organischen Chemie !) Die Carbonylfunktion ist polarisiert: Dies wird auch durch die nachfolgenden Schreibweisen ausgedrückt.

Das heißt, der negativ polarisierte Carbonyl-Sauerstoff reagiert mit Elektrophilen (z.B. H+), der positiv polarisierte CarbonylKohlenstoff reagiert mit Nucleophilen (z.B. Alkohol).

Da es sich bei dieser Reaktion um eine 'echte' Gleichgewichtsreaktion handelt ist es nötig, das entstehende Wasser kontinuierlich aus dem Gleichgewicht zu entfernen um eine möglichst vollständige Umsetzung zum Acetal zu bewirken (Verschiebung des Chemischen Gleichgewichts nach dem Prinzip von Le Chatelier). Mechanismus fragen (insbes. auch Hydrolyse)

Reaktionsbeispiele

Üben Sie das Formulieren von Mechanismen anhand der o.a. Beispiele. Formulieren Sie auch den Mechanismus der jeweiligen Rückreaktion (Hydrolyse).

Halbacetale sind i.A. instabil und kommen deshalb hauptsächlich als Intermediate bei der Acetalbildung vor (und natürlich auch bei der Acetal-Hydrolyse). Eine Ausnahme bilden jedoch cyclische Halbacetale (insbes. Fünfring und Sechsring) diese bilden sich häufig auch spontan.

Bekannteste Beispiele aus dem täglichen Leben: Kohlenhydrate ( z.B. Glucose, Fructose)

Glucose liegt als cyclisches Halbacetal (6-Ring = Pyranose Form) vor. Deweiteren: Verwendung von Acetalen als Schutzgruppe! Ketone werden mit 1,2-Diolen od. 1,3- Diolen geschützt. 1,2 od 1,3-Diole werden mit Ketonen (z.B. Aceton) geschützt. Acetonidschutz auch mit 2,2-Dimethoxypropan. Beispiele gebracht. Mechanismus der Umacetalisierung (Beim Acetonidschutz mit mit 2,2-Dimethoxypropan) gebracht. Reaktionsbeispiele:

Fragen nach Hydrolyse von Acetalen (Praktikumsbeispiel) – mit Mechanismus! Fragen nach Anwendung als Schutzgruppe. Fragen nach dem zugrunde liegenden Keton/Aldehyd bzw. Alkohole (Hydrolyseprodukte) bei komplexeren Acetalen (nur formale Retrosynthese):

#7

Carbonylreaktion - Grignard

Reaktion von Carbonylverbindungen mit C-Nucleophilen (Analogie zur Reduktion, Nu = H-)

Metall M = Li, Mg, Zn, ... mit M = Mg: Grignard-Reaktion Bildung der Grignard-Verbindung: RX + Mg (Ether) --> RMgX (Ether) , X = Cl, Br, I. Schlenck-Gleichgewicht - nur kurz erwähnt.

RMgX ist nur in Ethern (Et2O, THF) ausreichend stabil. Ether muss trocken sein. Warum? (RMgX + H 2O --> RH + MgXOH). Wie trocknet man Ether und andere wichtige Lösungsmittel / siehe auch Ergebnisblatt-Fragen Grignard-Bildung an MetallOberfläche:

Reaktion mit Carbonylverbindung

Wichtige Grignard-Reaktionen (Synthesemöglichkeiten)

Übungen/Fragen nach konkreten Beispielen (z.B. PhCH(OH)Et, Ph2C(OH)Bu, ... über Grignard Reaktion ) gemäß:

#8

Knoevenagel

Reaktivität von Carbonylverbindungen (allg.)

Aldol-Reaktion Enolat als Nucleophil, nicht deprotoniertes Carbonylverbindung als Elektrophil. Klassische Aldoreaktion (Acetaldehyd --> Acetaldol). Aldoladd. liefert β-Hydroxy-Carbonyl Verbindung (Stukturmerkmal eines Aldol-Prod.) Aldolkonsenation (= Aldoladd. und H2O Elim.) Gekreuzte Aldol-Addition (Problematik?), geht nur mit sehr starken nicht-nuclophilen Basen (zB LDA): Adoldonor + Base --> Enolat, dann Aldol-Akzeptor --> gekreuztes Aldolprodukt. Beispiele/Fragen (Erkennen von Aldol Produkten / Retrosynthetisch)

Aldol-analoge Reaktion mit Estern (Esterkondesation = Claisenskondensation)

intramoleular (Dieckman Kondensation)

Acetessigester ist eine Verbindung des Typs Z-CH2-Z’ (“aktive Methylenverbindung”), Z, Z’ = elektronenziehende Substituenten (-M Effekt) z.B. -CO2R (Ester), -CONR2 (Amid) , -C(=O)R od. -C(=O)H (Keton od. Aldehyd), -CN (Nitril), NO2 (Nitro), ... . Reaktionen: Z-CH2-Z’ + Base ---> Z-C-H-Z’ (C-Nuclephil) welches mit verschied. E+ reagieren kann. 1. Malonestersynthese (Synthese von Carbonsäuren aus Alkylhalogenid und Malonester)

2. Knoevenagel Reaktion (Reaktion von aktiven Methylenverb. mit Carbonylen)

Speziell (Praktikumsbeispiel): Malonsäure (akt. Methylenverb.), Pyridin als Base, Benzaldehyd, Piperidin als echter Katalysator (akiviert Benzaldehyd unter Ausbildung des Iminium-Ions), Nach Addition des Nucleophils wird Piperidin wird wieder freigesetzt (E1cB-Mechanismus) und liefert olefinische 1,3-Dicarbonsäure die unter den Reaktionsbedingungen zu Zimtsäure decarboxyliert. (Kompletten Mechanismus gezeigt).