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Organische Chemie für Biologen - Vom Methan zu Biomolekülen
05 – Alkene und Alkine
Empfehlung: Kapitel 7 + 11-13, Vollhardt/Schore, WILEY-VCH, 2005.
Priv.-Doz. Dr. Stefan Immel Universität Leipzig, Wintersemester 2007/2008.
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Alkene und Alkine
Eliminierungen
Die wichtigste Nebenreaktion zur bereits angesprochenen nucleophilen Substitution von Halogenalkanen (und anderen, mit geeigneten Fluchtgruppen substituierten Alkanen) ist die Eliminierungs-Reaktion, die zur Ausbildung von C=C-Doppelbindungen führt:
Eliminierung von H-X Abgangs- / Flucht-Gruppe Ausbildung einer C=C-Doppelbindung
entspricht:
z.B.:
Base H Base H
HBr-Eliminierung
Reaktionsprodukte von solchen H-X Eliminierungen (oder, wie im unteren Beispiel gezeigt, der Eliminierung von Bromwasserstoffsäure HBr) sind die Alkene (Verbindungen mit C=C-Doppelbindungen), die hier neben den „verwandten“ Alkinen (Verbindungen mit C=C-Dreifachbindungen) behandelt werden sollen. Im Gegensatz zu den Alkanen, bei denen alle C-Atome vollständig mit Wasserstoff abgesättigt sind („gesättigte Kohlenwasserstoffe“), zählen die Alkene und Alkine zu den „ungesättigten Kohlenwasserstoffen“, bei denen die C-Atome nicht die jeweils maximal mögliche Anzahl an H-Atomen binden. Beide Stoffklassen – insbesondere aber die Alkene mit der funktionellen Gruppe der C=C-Doppelbindung – sind von großer Bedeutung – nicht nur für die Organische Chemie, aber auch vor allem für die Biochemie.
* Alkene werden häufig auch als Olefine bezeichnet, sowohl Alkane, wie auch Alkene und Alkine gehören aber gemeinsam zu der großen Gruppe der Aliphaten (im Gegensatz zu den Aromaten).
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Alkene und Alkine – Orbitalmodelle
Alkane (CnH2n+2) -2 H Alkene (CnH2n) -2 H Alkine (CnH2n-2) C 2H 6 (Ethan)
s-Bindung
sp 3 sp 3
Geometrie an den C-Atomen: Bindungslänge: Bindungswinkel: Bindungsenthalpie:
frei drehbare Bindung
Einfachbindung s(C sp3-C sp3)
tetraedrisch ~ 153 pm ~ 109.5° ~ 346 kJ / mol
p-Bindung
s-Bindung
sp 2 sp 2
"Gesättigte Kohlenwasserstoffe" "Ungesättigte Kohlenwasserstoffe"
Ausführliche Informationen zu den Molekülorbitalen: http://sugar.oc.chemie.tu-darmstadt.de/ak/immel/tutorials/orbitals/molecular.html
nicht frei drehbar
Doppelbindung s(C sp2-C sp2) + p(C p-C p)
2 p-Bindungen
s-Bindung
1. p-Bindung trigonal-planar ~ 134 pm ~ 120.0° 2. p-Bindung ?H ~ 260 kJ / mol ~ 602 kJ / mol ?H ~ 230 kJ / mol
sp sp
nur C-H und C-C-Einfachbindungen + C=C-Doppelbindungen + C=C-Dreifachbindungen
Gesamt-Elektronendichte:
sp 2
Dreifachbindung s(C sp-C sp) + 2 x p(C p-C p)
linear ~ 121 pm ~ 180.0° ~ 836 kJ / mol
Ethan Ethen Ethin
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Alkene und Alkine – Die p-Bindungen
Alkene (C nH 2n) Alkine (C nH 2n-2)
Ethen Ethin
1 p-Orbital 2 zueinander senkrechte p-Orbitale
? planare Molekülgeometrie ? nicht-rotations-symmetrische Bindung ? keine freie Drehbarkeit entlang der C-C-Bindungsachse ? sehr hohe Aktivierungsbarriere der Rotation von ca. 270 kJ/mol kann bei Raumtemperatur nicht überwunden werden
? lineare Molekülgeometrie
Von substituierten Alkenen können Stereoisomere mit unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften beobachtet werden:
Cl H d d C H d C d Cl
Cl Cl d d C C d d H H
? gegenüberliegende Substituenten ("trans") ? Inversionssymmetrie, Bindungsdipole heben sich auf ? kein Gesamtdipolmoment
? Substituenten auf der gleichen Seite ("cis") ? Bindungsdipole heben sich nicht auf ? Gesamtdipolmoment ? 0
Stereoisomerie der C=C-Doppelbindung (? Konfigurations-Isomere)
? unterschiedliche Dipolmomente ? z.B. unterschiedliche Siedepunkte ? Trennung durch physikalische Methoden
http://sugar.oc.chemie.tu-darmstadt.de/ak/immel/tutorials/orbitals/molecular/ethene.html http://sugar.oc.chemie.tu-darmstadt.de/ak/immel/tutorials/orbitals/molecular/ethyne.html
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E/Z-Konfigurations-Isomerie der Alkene
E/Z-Nomenklatur
Die alte „cis“- („zusammen“) oder „trans“- („entgegengesetzt“) Bezeichnung für die Konfiguration von Doppelbindungen sollte heute wegen vieler Zweideutigkeiten eingeschränkt verwendet werden.* Statt dessen sollte das „E/Z“ System, das – ähnlich wie das R/S-System für die Bezeichnung von Stereozentren – auf dem CIP-System von Prioritätsregeln beruht, benutzt werden.** Im ersten Schritt wird die Doppelbindung in zwei Hälften geteilt, und innerhalb jeder dieser Hälften wird unabhängig mittels der CIP-Regeln der jeweils „höherwertige“ Substituent bestimmt. Stehen nun jeweils die Substituenten höherer Priorität auf der gleichen Seite der Doppelbindung, so erhält diese das „Z“-Präfix (aus dem Deutschen: „zusammen“). Stehen die höherer Priorität allerdings auf entgegengesetzten Seiten, so ergibt sich das „E“-Präfix (aus dem Deutschen: „entgegengesetzt“):
Substituent höherer Priorität in dieser Hälfte
Substituent höherer Priorität in dieser Hälfte
Aufpassen! - Fallstricke:
(E)-1,2-Dichlorpropen
Teilung der Doppelbindung in zwei Hälften
Austausch H gegen Cl kann die Prioritäten ändern!
Substituent höherer Priorität in dieser Hälfte Substituent höherer Priorität in dieser Hälfte
E-Konfiguration der Doppelbindung (E)-1-Chlorpropen
Z-Konfiguration der Doppelbindung (Z)-1-Chlorpropen
Zwei Chlor auf einer Seite bedeuten nicht unbedingt (Z)-Konfiguration:
(E)-1-Brom-1,2-Dichlorethen
* Wir werden sie auch noch oft verwenden wo sie eindeutig ist. ** Zu den Details der Cahn-Ingold-Prelog (CIP) Regeln siehe das Kapitel „Stereochemie“.
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E/Z-Konfigurations-Isomerie der Alkene
Stabilität der E/Z-konfigurations-isomeren Alkene
Im Fall von 1,2-disubstituierten Alkenen stellen die E/Z-Isomeren unterschiedlich stabile Verbindungen dar – in der Regel sind die Z-konfigurierten Alkene thermodynamisch weniger stabil (d.h. sie sind energiereicher) als die E- Isomere. Da die Drehung um die p-Bindung die Überwindung einer sehr hohen Energiebarriere (ca. 270 kJ/mol) nötig macht, sind die Z-Verbindungen bei Raumtemperatur metastabil, und können nur bei hohen Temperaturen (400-500°C) oder durch photochemische Isomerisierung (durch Bestrahlung oder Licht-induzierte Umwandlung) in die stabileren E-konfigurierten Alkene umgewandelt werden:
sterische Abstoßung der Methylgruppen
nicht frei drehbare C=C-Doppelbindung
(Z)-2-Buten
(Licht)
(Z)-Diradikal
Drehung
Da es sich hier um einen Prozess handelt, in dessen Verlauf aus einem energiereicheren (Z)-Alken das stabilere (E)-Alken generiert wird, läuft dieser bei Bestrahlung (intensives UV-Licht) spontan ab. Der umgekehrte Weg, die Isomerisierung hin zum (Z)-Alken ist auf diesem Weg nicht möglich:
R R C C H H
(Z)-Alken
frei drehbare C-C-Einfachbindung
(E)-Diradikal
(E)-Alken
Relaxation
stabilere (E)-C=C-Doppelbindung
(E)-2-Buten
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E/Z-Konfigurations-Isomerie der Alkene
Biologische Bedeutung der E/Z-Konfigurations-Isomerie
Die angesprochene Licht-induzierte Isomerisierung einer Doppelbindung ist exakt der Prozess, der im Auge am Retinal abläuft, und uns damit erst das Sehen überhaupt ermöglicht:
Vitamin A
11-cis-Retinal (Pigment im Lichtrezeptor Rhodopsin)
(Licht)
* Ölsäure findet sich nicht nur besonders häufig in höheren Pflanzen, sondern auch in tierischen Fetten aus kalten klimatischen Lebensräumen.
11-trans-Retinal ? Geometrie-Änderung löst dann im Licht-Rezeptor den Nervenimpuls aus
Weiterhin spielen ungesättigte Fettsäuren im gesamten Stoffwechsel eine entscheidende Rolle; ca. 90% aller Doppelbindungen in natürlichen Fettsäuren haben überraschenderweise die cis-Konfiguration! Dies äußert sich vor allem im niedrigeren Schmelzpunkt von Pflanzenölen die reich an diesen ungesättigten Fettsäuren sind, im Vergleich zu den gesättigten Fettsäuren der Margarine: die cis-konfigurierten Doppelbindungen verursachen einen „Knick“ in der Kette der Fettsäure, der sich nicht mehr gut in einem Feststoffgefüge stapeln lässt, und in der Folge sind Pflanzenöle flüssig.* COOH
Ölsäure (C 18H 34O 2), Schmp. 13°C (Z)-9-Octadecensäure
COOH
Elaidinsäure (C 18H 34O 2), Schmp. 51°C (E)-9-Octadecensäure
Stearinsäure (C 18H 36O 2), Schmp. 69°C Octadecansäure
COOH
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Alkene und Alkine
Nomenklatur
Propan
Propen
HC C CH 3 Propin
(E)-4-Chlorpent-2-en
2-Methyl-1,3-butadien
1-Buten (engl.: But-1-ene)
1-Butin (engl.: But-1-yne)
(Z)-4-Brom-2-methylhexa-1,3-dien
Die Nomenklatur der Alkene (Doppelbindungen) und Alkine (Dreifachbindungen) folgt in den wesentlichen Punkten der Namensgebung der Alkane, außer dass anstatt der Endung -„an“ (Alkane), die Endungen -„en“ (Alkene, engl.: - „ene“) und -„in“ (Alkine, im Englischen: -„yne“) verwendet werden; mehrere Doppel- und Dreifachbindungen werden durch Zahlwörter „di“, „tri“, etc. angedeutet („dien“, „triin“, usw.). Dann sind ein paar Ergänzungsregeln relevant:*
1. Längste Kette Der Stammname der Verbindung ergibt sich aus der längsten Kette, die möglichst viele Doppelbindungen und Dreifachbindungen enthält – das muss nicht die wirklich längste Kohlenstoffkette im Molekül sein. Die Nummerierung der Kette erfolgt so, dass sich die niedrigsten Positionsziffern für die Mehrfachbindungen ergeben (C=C vor C=C). 2. Substituenten und Mehrfachbindungen Substituenten der Hauptkette werden wie immer mit der Positionsziffer versehen und alphabetisch dem Stammnamen vorangestellt. Die Position der Doppel- und Dreifachbindungen wird – wenn nötig – als einzelne Ziffer (im Deutschen häufig) dem Stammnamen, oder der Endung (in der englischen Literatur) vorangestellt; diese einzelne Ziffer besagt, dass die Mehrfachbindung zwischen dem C-Atom mit dieser Nummer und dem nächsten C-Atom in der Kette lokalisiert ist (z.B. 2-Buten hat die Doppelbindung zwischen C-2 und C-3). 3. Konfigurationsbezeichnungen Die E/Z-Konfigurationsbezeichnungen werden – analog zu den R/S-Regeln – dem Gesamtnamen vorangestellt.
(Z)-2-Buten (engl.: (Z)-But-2-ene)
(E)-2-Buten (engl.: (E)-But-2-ene)
2-Butin (engl.: But-2-yne)
(2E,4E,7Z)-4-Methylnona-2,4,7-trien
* Die Details sind dann aber schrecklich: http://www.acdlabs.com/iupac/nomenclature/ Man muss vor allem mit dem Verfahren „Name ? Struktur“ vertraut sein!
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Alkene und Alkine
Cyclische Systeme
(Z)-Cycloocten H (E)-Cycloocten Cyclooctin
(S)-(-)-Limonen
(S)-1-Methyl-4-(prop-1-en-2-yl)cyclohex-1-en
COOH
Malvalinsäure (n = 6) Sterculinsäure (n = 7) Stinkbaum Fettsäuren (Sterculia foetida)
Für die Nomenklatur der cyclische Alkene oder Alkine gelten analogen Regeln wie oben beschrieben und wie bereits auch schon im Fall der Cycloalkane erläutert – als wichtigster Punkt ist zu nennen, dass auch hier das Präfix „cyclo“ dem Stammnamen der Verbindung vorangestellt wird.
Cyclopropen
Cyclopenten Cyclopentadien (lies: Cyclo-penta-di-en)
Zu erwähnen ist, das in den kleinen Ringsystemen (n = 7 Atome im Ring) nur cis-konfigurierte Doppelbindungen zu finden sind (hier wird oft einfach die Konfigurationsbezeichnung „Z“ fallen gelassen), weil die C-Ketten zu kurz sind, um einen Ringschluss zu ermöglichen. Trans-Doppelbindungen oder (lineare) Dreifachbindungen führen hier zu einer zu hohen Ringspannung, so dass diese erst ab 8-Ringen zu finden sind.* Weiterhin gibt es sehr viele Naturstoffe, deren Grundgerüst ungesättigte carbocyclische Ringsysteme umfasst.
Cyclohexen 1,3-Cyclohexadien 1,4-Cyclohexadien 1,3,5,7-Cyclooctatetraen (lies: Cyclo-octa-tetra-en)
* (E)-Cycloocten ist eine chirale Verbindung, nicht aber das (Z)-Isomere oder Cyclooctin! Warum? Ich bin gespannt ob mir dafür jemand eine Erklärung liefern kann *grins*.
Calicheamycin (Antitumor Mittel)
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Alkene und Alkine
Physikalische Eigenschaften
X = Abgangsgruppe
X a X R2 X a H R2 (Basen)
- HX
(Basen)
- HX
X R 2
(Basen)
- HX
Da es sich bei den Alkenen und Alkinen um Kohlenwasserstoffe handelt, stellen diese in Analogie zu den Alkanen unpolare (hydrophobe oder lipophile) Verbindungen dar, die nicht mit Wasser mischbar sind. Die niedermolekularen Vertreter dieser Stoffklassen sind gasförmig oder leichtflüchtig (Siedepunkte Ethan: -89°C, Ethen = Ethylen: -104°C, Ethin = Acetylen: -84°C unter Sublimation), und bilden mit Luft oder Sauerstoff hochexplosive Gemische. Insbesondere Ethin besitzt eine sehr hohe Verbrennungsenthalpie und erzeugt Flammentemperaturen von >2500°C, so dass es beim Schweißen eingesetzt wird (Acetylen-Brenner).
Synthese
Die wichtigste Synthesemethode zur Darstellung von Alkenen und Alkinen stellt die Eliminierung dar, die bereits als Nebenreaktion der nucleophilen Substitution angesprochen wurde. Unter geeigneten Bedingungen, kann man diese Reaktion auch zur „gewünschten“ Hauptreaktion machen:
X = Abgangsgruppe
R1 R3 H
X a R4 R2 (Basen)
- HX
Zu beachten bei der Synthese von Alkinen ist, dass zur Generierung der Dreifachbindung zwei Equivalente HX eliminiert werden müssen (d.h. es müssen zwei Abgangsgruppen X und zwei benachbarte Protonen im Edukt vorhanden sein):
Alkene
(u.U. als E/Z-Gemisch)
Alkine
* Man spricht auch von 1,2-Eliminierungen oder ß-Eliminierungen, da relativ zur Abgangsgruppe in Position 1 (oder a), das H-Atom (Proton) aus der benachbarten Position 2 (oder ß) stammt.
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Eliminierungen und Nucleophile Substitution
Konkurrenzreaktionen
Die Tatsache, dass Eliminierungen oft als Nebenreaktionen zur nucleophilen Substitution auftreten, liegt in den molekularen Mechanismen der Reaktionen begründet: Erstens sind Nucleophile immer auch mehr oder weniger starke Basen,* die neben der Substitution auch die Eliminierung einleiten können, und zweitens folgen Eliminierungen und Substitution sehr eng verwandten Mechanismen:
Die Konkurrenzreaktionen E2 und S N 2:
S N 2
Angriff an C-ß
Angriff an C-a
Base
Nucleophil
Die Konkurrenzreaktionen E1 und S N 1:
S N 1
Angriff an C-ß
Angriff an C-a
Base
Nucleophil
Gleichzeitiger Angriff der Base B - und Austritt von X -
Eliminierung
Gleichzeitiger Angriff des Nucleophils Nu - und Austritt von X -
Nucleophile Substitution
Angriff der Base B - nach Austritt von X -
Eliminierung
Angriff des Nucleophils Nu - nach Austritt von X -
Nucleophile Substitution
Base H
Base H
* Zu den Unterschieden und Gemeinsamkeiten zwischen Nucleophilie und Basizität siehe: Kapitel 4 – Halogenalkane
Nucleophil
Nucleophil
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Eliminierungen – Die Mechanismen E1 und E2
Eliminierungen: der E1 und E2 Mechanismus
‡ H C H C H
Gleichzeitiger Angriff der Base (B - ) und Austritt von X -
E2-Mechanismus ? 2 Teilchen im Geschw.-bestimmenden ÜZ ? bimolekulare Reaktion 2. Ordnung ? Geschwindigkeitsgesetz v = k 2 [ B ] [ X ]
mit v k 2 [ B ] [ X ]
Reaktionsgeschwindigkeit [mol l -1 s -1 ] Geschwindigkeitskonstante 2. Ordnung [l mol -1 s -1 ] Konzentration desr Base [mol l -1 ] Konzentration des Substrates R 3CX [mol l -1 ]
ÜZ (Austritt von X) E1-Mechanismus ? 1 Teilchen im Geschw.-bestimmenden ÜZ ? unimolekulare Reaktion 1. Ordnung ? Geschwindigkeitsgesetz v = k2 [ X ]
mit v k 1 [ X ]
Geschwindigkeitsbestimmender Schritt
Reaktionsgeschwindigkeit [mol l -1 s -1 ] Geschwindigkeitskonstante 1. Ordnung [s -1 ] Konzentration des Substrates R 3CX [mol l -1 ]
bevorzugter anti-periplanarer ÜZ mit noch nicht ganz ausgebildeter C=C
ÜZ = Übergangszustand ZS = Zwischenstufe C ‡ Gleichzeitiger Austritt von H C C X C + X + und X- B H und Bildung von C=C B H +
Geschwindigkeitsbestimmender Schritt
Rotation um C-C Bindung möglich
Trigonal-planare (sp 2) ZS mit "3-bindigem" Kohlenstoff (Carbeniumion)
schnell
Vorderseitenangriff von B
Rückseitenangriff von B
bevorzugt trans-Eliminierung ? Stereoselektive Reaktion
- BH
- BH
oder
Summe führt zur Bildung von cis- und trans-Alkenen ? Stereounspezifische Reaktion
cis- Eliminierung
trans- Eliminierung
Anmerkung: vergleiche dieses Schema mit der nucleophilen Substitution S N 1/S N 2 –Kapitel 4!
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Eliminierungen – Energieprofile E1 und E2
Charakteristika der Eliminierung: der E1 und E2 Mechanismus
Energie
Geschwindigkeits-bestimmender ‡ Schritt (Austritt von X ‡ oder ‡ - C ) H C C C X H B H C
cis oder trans
+ B H
Übergangszustand (ÜZ)
Aktivierungs- Energie E A
Zwischenstufe (Carbeniumion)
Geschwindigkeits-bestimmender Schritt (gleichzeitiger Angriff von B - und Austritt von X - )
E1 E2
B C X
Ausgangsstoffe (Edukte)
Übergangszustand Aktivierungs- Energie E A
Energieprofil E1-Reaktion Energieprofil E2-Reaktion Produkte Produkte
E1-Reaktion (unimolekulare Eliminierung) ? Austritt von X - vor dem Angriff der Base B - ? 1 Teilchen im Geschw.-bestimmenden ÜZ (unimolekulare Reaktion) ? Schrittweise Reaktion mit beobachtbarer ZS (und 2 ÜZ) ? Trigonal-planare ZS (sp 2) mit "3-bindigem" Kohlenstoff (Carbeniumion) ? Angriff der Base von 2 Seiten möglich ? cis/trans-Gemische ? Polarer ÜZ, da Ladung zwischen C-X erzeugt wird (heterolytisch)
ÜZ = Übergangszustand ZS = Zwischenstufe
E2-Reaktion (bimolekulare Eliminierung) ? Angriff der Base B - und Austritt von X - gleichzeitig ? 2 Teilchen im Geschw.-bestimmenden ÜZ (bimolekulare Reaktion) ? Konzertierte Reaktion ohne ZS (nur ÜZ) ? Konzertierter ÜZ mit partieller C=C-Doppelbindung ? Rückseitenangriff der Base ? 1,2-anti-Eliminierung ? Unpolarer ÜZ, da die Ladung von B - auf B-H-C-C-X verteilt wird
Anmerkung: vergleiche dieses Schema mit der nucleophilen Substitution S N 1/S N 2 –Kapitel 4!
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Eliminierungen – Orbitalmodelle für E1 und E2
E2-Mechanismus
Edukte
Edukte
Abb.: © Vollhardt/Schore, WILEY-VCH, 2005.
Übergangszustand
H3C H3C H3C H3C Produkte
Carbeniumion
Produkte
Zwischenstufe
Edukte Übergangszustand Produkte
Carbeniumion Übergangszustand Produkte
Anmerkung: vergleiche dieses Schema mit der nucleophilen Substitution S N 1/S N 2 –Kapitel 4!
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Eliminierungen – Stereoselektivität für E1 und E2
Geometrie im Übergangszustand
konformativer Anker tert-Butyl
cis-1-tert-Butyl-4-chlorcyclohexan
trans-1-tert-Butyl-4-chlorcyclohexan
OCH 3
Newman- Projektion:
Newman- Projektion:
OCH 3
schnelle anti-Eliminierung
OCH 3
- HOCH 3, - Cl
keine syn-Eliminierung
OCH 3
Produkt
4-tert-butyl-1-cyclohexen
Die Orbitalmodelle verdeutlichen einen wesentlichen Unterschied zwischen den Mechanismen E1 und E2: ? E2 Eliminierungen sind einstufige (konzertierte) Prozesse, bei denen alle Bindungen gleichzeitig gebrochen bzw. gebildet werden. Angriff der Base und Austritt der Abgangsgruppe X erfolgen auf gegenüberliegenden Seiten des Moleküls – man spricht auch von einer 1,2-anti-Eliminierung, oder einer trans-Eliminierung:
Anmerkung: Die Bezeichnung „trans-Eliminierung“ (oder besser: „anti-Eliminierung“) bezieht sich ausschließlich auf die Orientierung der Abgangsgruppe relativ zum angegriffenen ß-H-Atom (Abgangsgruppe und H-Atom stehen „anti“ oder „trans“), nicht aber auf die Konfiguration des gebildeten Produkts! Wie in diesem Beispiel deutlich wird, führt die trans-Eliminierung hier zum cis-konfigurierten (Z)-Alken!
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Eliminierungen – Stereoselektivität für E1 und E2
konformativer Anker tert-Butyl
cis-4-tert-Butylcyclohexanol
trans-4-tert-Butylcyclohexanol
(konz. H 2SO 4)
(konz. H 2SO 4)
? E1 Eliminierungen sind mehrstufige Prozesse, über die (tatsächlich beobachtbare und nachweisbare) Zwischenstufe des Carbeniumions. Da sich alle C-C-Bindungen am planaren Carbeniumion frei drehen können, gibt es keinen Zusammenhang zwischen der Seite des Moleküls auf der die Abgangsgruppe X austritt, und der Seite auf der die Base angreift.
Im Gegensatz zu der Eliminierung ausgehend von 1-tert-Butyl-4-chlorcyclohexan (siehe Beispiel vorherige Seite) läuft die Säure-katalysierte E1 Eliminierung von Wasser aus den konfigurations-isomeren Cyclohexanolen mit vergleichbaren Geschwindigkeiten ab, da hier die gemeinsame Zwischenstufe des Carbeniumions durchlaufen wird:
gemeinsame Zwischenstufe des Carbeniumions
schnell
- H 2O
- H 2O
schnell
4-tert-butyl-1-cyclohexen
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Eliminierung contra Nucleophile Substitution
Konkurrenzreaktionen
Nucleophile Substitution möglich oder wahrscheinlicher
1. Basenstärke H2O ROH Hal RS CN HO RO H2N 2. Sterische Hinderung am Alkyl-X Edukt
3. Sterische Hinderung am Nucleophil oder an der Base
Wasser
Alkohole
PR 3 Phosphane
Halogenide
Sulfide
Cyanid
NR 3 Amine
Da Eliminierung und nucleophile Substitution als Konkurrenzreaktionen auftreten können, ist es nicht immer ganz einfach zu entscheiden, welcher Prozess der dominierende ist und welche Produktverteilung auftritt. In der Regel ist es einfacher, relative Tendenzen im direkten Vergleich zweier Systeme abzuschätzen, als exakte Produktverhältnisse vorherzusagen. Hier die wichtigsten Faktoren, die die Selektivität zwischen Eliminierung und Substitution beeinflussen:
1. Basizität Je stärker die Basizität eines Nucleophils ist, umso eher findet Eliminierung statt. 2. Sterische Hinderung am reagierenden Kohlenstoffatom Je höher das C-Atom substituiert ist, das die Abgangsgruppe trägt, um so eher tritt Eliminierung ein. 3. Sterische Hinderung am basischen Nucleophil Je größer und sterisch anspruchsvoller ein basisches Nucleophil ist, desto eher dominiert die Eliminierung.
Eliminierung möglich oder wahrscheinlicher
Hydroxid Alkoholate Amid
schwache Basen starke Basen R R R H C X H C X R C X H primär R sekundär R tertiär
kaum sterische Hinderung starke sterische Hinderung
Hydroxid Methanolat Ethanolat Amid
K-tert-butanolat
kleine, sterisch wenig anspruchsvolle Nucleophile und Basen große, sterisch sehr anspruchsvolle Basen
R 2N
Amide
2 Li-diisopropylamid (LDA)
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Eliminierung und Nucleophile Substitution
Beispiele
2-Brom-2-methylpropan (= tert-Butylbromid, ein tertiäres Halogenalkan) reagiert mit Wasser oder Methanol (beides sind schwache Basen und auch schwache Nucleophile) bevorzugt unter S N 1 Substitution (typisch für tertiäre Halogenalkane), daneben findet in geringerem Ausmaß die Eliminierung E1 statt:*
2-Brom-2-methylpropan
In Gegenwart von starken Basen (vor allem in hohen Konzentrationen) findet allerdings die schnellere E2 Eliminierung statt, wobei das Eliminierungsprodukt das gleiche wie im oben beschrieben Fall ist:
2-Brom-2-methylpropan
E2 Eliminierung
- H 3C-OH, - Br
* Formulieren Sie alle Mechanismen einmal vollständig aus!
2-Methyl-1-propen
Unter stark sauren Bedingungen (oder anders ausgedrückt: in Abwesenheit von starken Basen oder guten Nucleophilen) reagieren vor allem tertiäre Alkohole unter E1 Eliminierung von Wasser (H 2 O) zu den entsprechenden
Eliminierungsprodukten:
tert-Butanol
- Br
(konz. H 2SO 4)
tertiäres Carbeniumion
gute Abgangsgruppe Wasser
- H 2O
2-Methyl-1-propen
tertiäres Carbeniumion
E1 Eliminierung (~ 20%)
2-Methyl-1-propen
S N 1 Substitution (~ 80%)
E1 Eliminierung
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Eliminierung und Nucleophile Substitution
1-Brompropan (ein primäres, sterisch wenig gehindertes Halogenalkan) reagiert mit der ebenfalls sterisch wenig anspruchsvollen, starken Base Natriumethanolat (NaOC2H5 = NaOEt) vorwiegend unter Substitution, mit Kalium-tertbutanolat (KOtBu, einer sterisch sehr großen und starken Base) dominiert aber die Eliminierung. Analog verhält sich 2- Brompropan (ein sekundäres Halogenalkan), allerdings sind hier die Eliminierungsprodukte in beiden Fällen dominierend (sekundäre Halogenalkane sind am angegriffenen C-Atom sterisch anspruchsvoller, und damit ist die Eliminierung im Vergleich zu 1-Brompropan wahrscheinlicher): Br O Na OEt Na OEt Br O
1-Brompropan
1-Brompropan
EtOH (Lösungsmittel) - NaBr
K OtBu
HOtBu (Lösungsmittel) - KBr
Aus den beschriebenen mechanistischen Details der Eliminierungen bzw. nucleophilen Substitutions-Reaktionen ergibt sich die nebenstehende Abschätzung für die Reaktivität von Halogenalkanen in Abhängigkeit der Substrat-Struktur:*
S N 2 (90%) E2 (10%)
S N 2 (15%) E2 (85%)
R Hal
R H C H
R H C R
R R C R
methyl
primär
sekundär
tertiär
EtOH (Lösungsmittel) - NaBr 2-Brompropan
2-Brompropan
keine Reaktion
keine Reaktion
S N 1/E1 (langsam)
S N 1/E1
K OtBu
HOtBu (Lösungsmittel) - KBr
S N 2
S N 2
S N 2
S N 1/E1
S N 2 (15%) E2 (85%)
kein S N 2 Produkt
E2 (100%)
schwache Base, schwaches Nu- starkes Nu- starke Base, ungehindert Nu- starke Base, gehindert Nu- (z.B. H2O) (z.B. Iodid I- ) (z.B. CH3O- ) (z.B. tBuO- )
* Die Frage nach der Konkurrent von Eliminierung und Substitution stellt sich nicht, wenn keine ß-H-Atome vorhanden sind die eliminiert werden können – wie z.B. im Fall von Methylhalogeniden.
S N 2
S N 2
S N 2
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Regioselektivität von Eliminierungen
Bildung von konstitutions-isomeren Eliminierungsprodukten
Während bei Substitutionsreaktionen (vor allem bei SN2-Reaktionen) die Konstitution des zu erwartenden Produkts eindeutig ist – der Angriff des Nucleophils muss zwangsläufig an dem C-Atom erfolgen, das die Abgangsgruppe trägt – taucht bei Eliminierungen häufig eine neue Frage auf: liegen mehrere, nicht equivalente ß-H-Atome vor, die angegriffen werden können, ist die Frage der Regioselektivität zu untersuchen. Je nachdem an welchem ß-H-Atom die Base angreift – und das gilt sowohl für E1 wie auch für E2 Eliminierungen – muss berücksichtigt werden, dass sich die Doppelbindung in unterschiedlichen Positionen ausbilden kann, und damit zu konstitutions-isomeren Produkten führen kann: Br Br Angriff an H-ß' oder H-ß'' H O C2H5 E2 Eliminierung 30%
Bei Eliminierungen ist in der Regel das thermodynamisch stabilere, an der C=C- Doppelbindung höher substituierte Alken (Saytzev-Produkt) auch das Hauptprodukt:
? 3 Substituenten ? H an der Doppelbind. ? thermodynamisch stabiler ? Saytzev-Produkt
- NaBr - C 2H 5OH
E2 Eliminierung
- NaBr - C 2H 5OH
2-Methyl-1-penten
2-Methyl-2-penten
statistisch erwartet: 75%
statistisch erwartet: 25%
? 2 Substituenten ? H an der Doppelbind. ? thermodynamisch weniger stabil ? Hofmann-Produkt
Man bezeichnet die Produktverteilung solcher Reaktionen auch als Regioselektivität (engl.: regioselectivity), da die Konstitution der Produkte davon abhängt , welche „Molekülregion“ angegriffen wird. Zu unterscheiden hiervon ist die Frage der Stereoselektivität (engl.: stereoselectivity) einer Reaktion, die untersucht ob Produkte unterschiedlicher Konfiguration (unterschiedlicher Stereochemie) gebildet werden (siehe Beispiel unten).
* In der Organischen Chemie – und auch in der Biochemie – muss streng nach Regio- und Stereoselektivität unterschieden werden!
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Regioselektivität von Eliminierungen
(konz. H 2SO 4)
E1 Eliminierung
- H 2O - H
Auch bei E1 Eliminierungen ist das höher substituierte Alken, das Saytzev-Produkt, in der Regel das Hauptprodukt:
Hauptprodukt Nebenprodukt
? Saytzev-Produkt ? Hofmann-Produkt
Lediglich bei Verwendung sterisch sehr anspruchsvoller Basen wie dem bereits angesprochenen Kalium-tert-butanolat (KOtBu) kann der Angriff an der höher substituierten Position soweit sterisch soweit gehindert sein, dass das thermodynamisch weniger stabile Hofmann-Produkt zum Hauptprodukt wird (vergleiche das weiter vorne schon erwähnte Beispiel):
Na OEt
sterisch "kleine" Base
Hauptprodukt
? Saytzev-Produkt
1-Brompropan
K OtBu
sterisch "sehr große" Base
Hauptprodukt
? Hofmann-Produkt
Vielleicht ist an diesem Punkt bereits aufgefallen, dass in allen bisher angeführten Beispielen lediglich die Bildung konstitutions-isomerer Alkene (Regioisomere) zu berücksichtigen ist, in keinem Fall war die Bildung von cis/trans (d.h. E/Z) konfigurations-isomerer Alkene (Stereoisomere) zu erwarten. Die oben angeführten Regeln zur Regioselektivität lassen sich aber auch auf die Stereoselektivität übertragen: Im allgemeinen ist auch hier das thermodynamisch stabilere trans-Alken gleichzeitig auch das Hauptprodukt – sowohl bei E1 wie auch bei E2 Eliminierungen.
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Stereoselektivität von Eliminierungen
Beispiele
E2 Eliminierung
Na OEt
sterisch "kleine" Base
Konfigurations-Isomere
Konstitutions-Isomere
(E)-2-Penten (Z)-2-Penten 1-Penten
51% 18% 31% trans (stabiler) Hauptprodukt cis (weniger stabil)
E1 Eliminierung
(konz. H 2SO 4)
Konfigurations-Isomere
+ (E) (Z)
95% 5%
? Regioselektivität
? Stereoselektivität
Zu beachten ist in den gezeigten Beispielen insbesondere der Unterschied zwischen konstitutions-isomeren und konfigurations-isomeren Produkten: Wie im Kapitel „Stereochemie“ schon dargelegt, beschreibt der Begriff Konstitution die Verknüpfungsreihenfolge der Atome und die Art der Bindungen zwischen ihnen (hier: die Lage der Doppelbindungen im Kohlenstoffgerüst). Die Konfiguration beschreibt die Lage der Atome zueinander (Stereochemie, 3D-Geometrie), in diesen Beispielen also die cis- oder trans-Geometrie der Doppelbindungen!
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Eliminierungs-Mechanismen
Zusammenfassung
Alle Eliminierungs-Mechanismen unterscheiden sich im wesentlichen in der zeitlichen Reihenfolge in der der Austritt der Fluchtgruppe (X), und der Angriff der Base oder des Nucleophils (B) erfolgen: gleichzeitig (E2, sehr häufig), X vor B (E1, häufig), oder – hier nur der Vollständigkeit halber erwähnt – B vor X (E1cb, selten).* Insbesondere für die häufig wiederkehrenden Mechanismen E1 und E2 sollte man sich vergewissern, dass sich die Produkteigenschaften, die Reaktivitäten und Selektivitäten in entsprechenden Reaktionen, und die stereochemischen Zusammenhänge direkt aus den Mechanismen und ihrer vorhandenen oder nicht vorhandenen Zwischenstufen, sowie den dazugehörenden Übergangszuständen ergeben!
E2 Eliminierung
Base
Gleichzeitiger Angriff der Base B - und Austritt von X -
E1 Eliminierung
Austritt von X - vor Angriff der Base B -
E1cB Eliminierung
Base
keine Zwischenstufe
Base
Zwischenstufe: Carbeniumion
Base H +
Austritt von X - nach Angriff der Base B - Zwischenstufe: Carbanion
Base H
Base H
Base H
* Hier erfolgt erst Abspaltung eines Protons (H + ) unter Ausbildung eines Carbanions (negativ geladenes Ion), und anschließend erst Abspaltung der Fluchtgruppe („cb“= conjugate base).
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Alkine
Darstellung durch Eliminierung
Alkine lassen sich ebenfalls über Eliminierungs-Reaktionen darstellen, wobei aber zu beachten ist, dass zur Generierung der C=C-Dreifachbindung zwei Abgangsgruppen und jeweils zwei benachbarte ß-H-Atome vorhanden sein müssen. Allerdings können die Abgangsgruppen durchaus entweder an benachbarten (vicinal) C-Atomen, oder aber auch am selben (geminal) C-Atom gebunden sein:
geminale Abgangsgruppen (a,a-Substitution)
vicinale Abgangsgruppen (a,ß-Substitution)
X a X R2 X a H R2 X = Abgangsgruppe z.B. Dihalogenalkane
(Basen)
- HX
Die Reaktion erfolgt stufenweise über die Zwischenprodukte der Alkene, wobei insbesondere für die Zweit- Eliminierung (Alken ? Alkin) starke Basen wie z.B. Kalium-tert-butanolat (KOtBu in tert-Butanol) oder Natriumamid (NaNH 2 in flüssigem NH 3 ) erforderlich sind:
KOtBu
HOtBu
(Basen)
- HX
X R 2
Alkene
(Basen)
- HX
NaNH 2
Alkine
flüssiges NH 3 H
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Additionsreaktionen
Das Pendant zur Eliminierung: die Addition
Wie in der Einleitung dargelegt, sind die Bindungsenergien von C=C-Doppel- und C=C-Dreifachbindungen (p- Bindungen) niedriger als die Summe einer entsprechenden Anzahl von Einfachbindungen (s-Bindungen). Die Bildung von Alkenen und Alkinen durch Eliminierungsreaktionen wird im allgemeinen durch die hohe Triebkraft der Salzbildung zwischen angreifender Base und austretender Abgangsgruppe ermöglicht (z.B. entsteht ? NaBr bei der Basen-induzierten (NaOH) HBr-Eliminierung aus Bromalkanen). Umgehrt kann der Bruch von p-Bindungen unter Bildung neuer s-Bindungen zu einem Energiegewinn führen: dieser der Eliminierung umgekehrte Prozess bezeichnet die Addition an Alkene und Alkine: Addition von Teilchen X- Y (s-X-Y-Bindung) an die p-Bindung von Alkenen und Alkinen erfolgt unter Ausbildung von zwei neuen C-X und C-Y s- Bindungen (in der Summe ergibt sich für diesen Prozess: p + s?s+ s + Energiegewinn):
p R R
Alkine
X s Y X R s Y s R + R s X Y s R und R R p R R X s Y X s
R R R R s Y (cis) Alkene (trans) Alkene Alkane
Additions-Reaktionen sind nicht nur in der Organischen Chemie bedeutend, sondern besitzen ebenfalls eine herausragende Stellung in der gesamten Biochemie. Es soll hier bereits erwähnt werden, das sich Additionsreaktionen nicht nur auf C=C-Doppelbindungen beschränken, sondern analog auf andere Doppelbindungen des allgemeinen Typus X=Y anwendbar sind. Die gesamte Bandbreite der Chemie der noch zu behandelnden Carbonylverbindungen (Carbonylverbindungen enthalten C=O-Doppelbindungen) lässt sich prinzipiell auf die Addition an C=O- Doppelbindungen zurückführen.
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Additionsreaktionen – Hydrierung
Katalytische Hydrierung von Doppelbindungen
Pt-Metall-Oberfläche
Adsorption
Reaktion
+ H2 Pt-Metall-Oberfläche Pt-Metall-Oberfläche molekularer Wasserstoff adsorbierter "atomarer" H2 (aktivierter Wasserstoff) R R R R Katalysator- Substrat- R R Regeneration Anlagerung H H R R
Pt-Metall-Oberfläche
R R s H H p H H s R R R R R Alkene Alkane R Das einfachste Beispiel einer Additionsreaktion an Alkenen ist die Hydrierung mit molekularem Wasserstoff H2 . Da Wasserstoff allerdings unter normalen Bedingungen nicht mit Doppelbindungen reagiert, weil die Reaktion eine sehr hohe Aktivierungsbarriere besitzt, muss zur Reaktionsbeschleunigung ein Katalysator eingesetzt werden. Hier haben sich Edelmetalle wie Platin (Pt), Palladium (Pd), aber auch aktivierte Metalle wie z.B. Nickel (Ni, in Form des besonders aktiven und fein verteiltem Raney-Nickel) bewährt.
unkatalysierte Reaktion Katalytische s Hydrierung katalysierte Reaktion (Nettoreaktion) Pt/Pd-Katalysator Übergangszustand Zustand A
Energie
Aktivierungs- Energie E A
Energieunterschied ?G
Zustand B
Wirkungsweise eines Katalysators: ? Reaktionsbeschleunigung durch Absenkung der Aktivierungsbarriere ? Energieunterschied A ? B bleibt unverändert ? Ein Katalysator ermöglicht keine thermodynamisch "ungünstige" Reaktion, er wirkt nur auf die Kinetik ? Der Katalysator wird in der Summe nicht chemisch "verbraucht" (Regeneration)
Beispiele für Katalysatoren: ? Metallische Hydrierungskatalysatoren ? Enzyme als biochemische Katalysatoren
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Additionsreaktionen – Hydrierung
2-Hexin
2-Hexin
+ H 2
+ H 2
Lindlar-Katalysator
(Z)-2-Hexen
(Z)-2-Hexen
+ H 2
+ H 2
Lindlar-Katalysator
n-Hexan
Katalysatoraktivität unzureichend für Weiterreaktion
Das Katalysatormodel zeigt, dass es sich bei der Hydrierung um eine cis-Addition von Wasserstoff handelt – d.h. beide H-Atome werden auf die gleiche Seite des Alkens übertragen:
+ H 2
Pd-Katalysator
Analog lassen sich Alkine hydrieren, wobei die Zwischenstufe des Alkens normalerweise gleich zum Alkan weiterhydriert wird. Mit speziellen, partiell vergifteten Katalysatoren (Lindlar-Katalysator), kann die Katalysatoraktivität so gesteuert werden, dass selektiv nur das reaktivere Alkin hydriert wird, und die Reaktion dann aber auf der Stufe des weniger reaktiven Alkens stehen bleibt. Auch hier werden die Wasserstoffatome an der Katalysatoroberfläche auf die gleiche Molekülseite, unter stereospezifischer Ausbildung von cis-Alkenen übertragen:
nicht:
Lindlar-Katalysator: ? Pd auf CaCO 3, vergiftet mit Pb(OAc) 2 (Bleiacetat) oder Chinolin
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Additionsreaktionen – Hydrierung
Härten von Fetten
Enzym-Cofaktor
NADP ACP
NH 2
NADPH (reduzierte Form)
engl.: nicotinamide adenine dinucleotide phosphate engl.: acyl carrier protein
NH 2
Säuren
+ H H
NADP entspricht formal "H2" (oxidierte Form) wachsende Fettsäurekette
S ACP
S ACP
Die technische Hydrierung von Fetten (pflanzlichen Öle ? Margarine) beruht auf einer Hydrierung der ungesättigten Fettsäuren in den Pflanzenölen – da die resultierenden gesättigten Fettsäuren einen höheren Schmelzpunkt besitzen als die ungesättigten (siehe Diskussion weiter vorne; Margarine ist fest, Pflanzenöle flüssig) spricht man von der Fetthärtung:
Ölsäure (C 18H 34O 2), Schmp. 13°C (Z)-9-Octadecensäure
Biochemische Hydrierung (Reduktion)
+ H 2
COOH
Stearinsäure (C 18H 36O 2), Schmp. 69°C Octadecansäure
Im Rahmen der biochemischen Synthese von Fettsäuren müssen ebenfalls C=C-Doppelbindungen hydriert werden. Da aber molekularer Wasserstoff schwer zu speichern und zu aktivieren ist, hat die Natur ein elegantes „H 2 -Equivalent“ entwickelt, mit dessen Hilfe sich ungesättigte Fettsäuren zu gesättigten Fettsäuren reduzieren lassen:
COOH
Enoyl-ACP-Reduktase
Seite Energie
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Additionsreaktionen – Hydrierung
Hydrierwärmen als Maß für Bindungsenergien
1-Buten
(Z)-2-Buten -7.1 kJ/mol (E)-2-Buten -4.2 kJ/mol
Energieunterschiede ??H
+ H 2 -129.9 kJ/mol + H 2 -119.8 kJ/mol + H 2 -115.6 kJ/mol Hydrierwärme (Enthalpie) ?H
Elektrophile Additionen
Die Orbitalmodelle der C=C-Doppelbindung (siehe dieses Kapitel, Einleitung) haben gezeigt, dass die Elektronendichte der C=C-Doppelbindung am höchsten über- und unterhalb der Ebene der Doppelbindung sind. Es ist daher zu erwarten, dass C=C-Doppelbindungen bevorzugt elektrophil angreifbar sind, und dass der Angriff von „oben“ bzw. von „unten“ auf die Doppelbindung erfolgt. In der Tat folgen die mit Abstand häufigsten Reaktionen von C=C- Doppelbindungen, die im folgenden behandelt werden sollen, dem Mechanismus der Elektrophilen Addition.*
Referenzpunkt n-Butan
Die bei Hydrierungen freiwerdende Energie kann als Maß für die relative Stabilität von Verbindungen und Bindungsenergien herangezogen werden, wenn man sie Werte auf einen gemeinsamen Standard bezieht:
? die höher substituierten 2-Butene sind um 7.1 bzw. 4.2 kJ/mol stabiler als 1-Buten (Saytzev-Regel) ? die trans-substituierte Doppelbindung ist um 4.2 kJ/mol stabiler als die cis-Form
* Elektrophil = Positiv geladene oder polarisierte, und daher „Elektronen-liebende“ Teilchen, die bevorzugt negativ geladene oder polarisierte Positionen angreifen.
Ethen
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Elektrophile Addition – Halogenwasserstoffsäuren
Halogenwasserstoffsäuren
Die Addition von Halogenwasserstoffsäuren HI (Iodwasserstoffsäure), HBr (Bromwasserstoffsäure) und HCl (Salzsäure) – nicht aber HF (Flusssäure) – an Alkene wird eingeleitet durch den elektrophilen Angriff eines Protons auf die Doppelbindung unter Ausbildung eines Carbeniumions. Diese Zwischenstufe wird dann nucleophil vom Halogenid abgefangen, wobei sich das entsprechende Halogenalkan bildet:
Alken H H X H H X H H = Halogenalkan X H X = Cl, Br, I H Carbeniumion H X
Wenn sich im ersten Angriffsschritt (Alken + H + ? Carbeniumion) regioisomere Zwischenstufen bilden können, so besagt die Regel von Markovnikov, dass die Reaktion bevorzugt über das stabilere Carbeniumion verläuft (Stabilität von Carbeniumionen: primär < sekundär < tertiär):* tertiäres Carbeniumion ist stabiler ? einziges Produkt
Alken
Carbeniumion
tertiäres
primäres
tertiäres
primäres
Halogenalkan
primäre Carbeniumion ist weniger stabil ? wird nicht gebildet
Die elektrophile Addition von Halogenwasserstoffsäuren wird in der Regel in inerten Lösungsmitteln unter Einleitung der gasförmigen Säure durchgeführt. In wässriger Lösung findet ansonsten bevorzugt die Hydratisierung (Addition von Wasser an das Carbeniumion, siehe unten) statt.
* Die Markovnikov-Regel besagt, dass bei der Addition von Halogenwasserstoffsäuren das höher substituierte Halogenalkan entsteht (Erklärung über die Stabilität der intermediären Carbeniumionen).
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Elektrophile Addition – Halogenwasserstoffsäuren
(S)-(-)-Limonen (chirale Verbindung)
Alkin
+ HI
+ HBr
+ HBr
tertiäres Carbeniumion
Verlust der Chiralität !!! (achirale Verbindung)
cis/trans-Gemisch
"Oberseitenangriff"
"Unterseitenangriff"
Die planare (sp 2 -hybridisierte) Zwischenstufe des Carbeniumions ist es auch, die die Stereochemie dieser Additions- Reaktion bestimmt: wirken keine, oder nur relativ weit entfernte sterische Einflüsse abschirmend auf das Carbeniumion, so ist mit der Bildung einer Produkt-Mischung und der Bildung von Konfigurations-Isomeren zu rechnen:*
+ HBr Br Br Gemisch von Konfigurations-Isomeren
Alkine reagieren analog den Alkenen unter zweifacher (stufenweiser) Addition, oft kann das Mono-Additionsprodukt nicht in reiner Form erhalten werden, da die Zweit-Addition vergleichsweise schnell verläuft. Die Regioselektivität der Addition folgt der oben beschriebenen Markovnikov-Regel unter Bildung der jeweils stabilsten Carbeniumionen- Intermediate:**
+ HI
I I I I
sekundäres Carbeniumion Iodalken sekundäres Carbeniumion geminales Diiodalkan (2,2-Diiod-4,4-dimethylpentan)
* Untersuchen Sie die Stereochemie der zweiten Beispiel-Reaktion am Modell! ** Verdeutlichen Sie sich sehr eingehend diese Kurzschreibweisen!
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Elektrophile Addition – Hydratisierung
Addition von Wasser
Hydratisierungen, d.h. die Addition von Wasser an C=C-Doppelbindungen laufen nicht spontan ab: zum einen sind Alkene (ohne weitere funktionelle Gruppen) unpolare, mit Wasser nicht mischbare Substanzen, zum anderen ist Wasser (und das O-Atom) kein Elektrophil wie für die Addition an C=C benötigt, sondern ein Nucleophil. Führt man die Reaktion von Alkenen mit Wasser allerdings Säure-katalysiert – zum Beispiel in verdünnter Schwefelsäure (H 2 SO 4 ) – durch, so läuft die Hydratisierung nach dem Mechanismus der elektrophilen Addition analog der Addition von Halogenwasserstoffsäuren (siehe oben) ab:
H2SO4 2 SO4 + 2 H Nucleophil H2O Katalysator H (verdünnt) Alken H CH3 Protonenquelle H H H H2SO4 CH3 (verdünnt) Carbeniumion H O H H O H CH3 Protonenabgabe - H OH CH3 Alkohol
Eliminierung
Verschiebung der Gleichgewichtslage durch:
? verdünnte Schwefelsäure (großer Überschuss von Wasser) ? niedrige Temperatur
? konzentrierte Schwefelsäure (Abfangen von Wasser) ? hohe Temperatur (abdestillieren des Alkens)
Wichtig ist die Tatsache, dass die Protonen hier nur als Katalysator wirken – sie werden weder verbraucht, noch in der Gesamtreaktion chemisch „verändert“ – und am Ende der Reaktion wieder „regeneriert“, gleichzeitig senken sie aber die Aktivierungsbarriere so deutlich, dass die Reaktion schnell abläuft – unkatalysiert findet keine Reaktion statt.*
* Diese Kriterien – Senkung der Aktivierungsbarriere und Beschleunigung einer Reaktion ohne chemisch verbraucht zu werden – gelten allgemein für Katalysatoren (siehe kat. Hydrierung).
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Elektrophile Addition – Hydratisierung
Markovnikov-Hydratisierung
Wichtig ist festzuhalten, dass die oben beschriebene Säure-katalysierte Hydratisierung (Alken + H2O / verd. H2SO4 ) entsprechend der Markovnikov-Regel immer über das jeweils stabilste Carbeniumion verläuft, und damit den höher substituierten Alkohol als Produkt liefert: Elektrophil H Nucleophil H2O H3C H3C H H3C H
Alken
Anti-Markovnikov-Hydratisierung
tertiäres Carbeniumion
Ist man an der Darstellung des konstitutions-isomeren Alkohols (Anti-Markovnikov-Produkt) interessiert, so muss man zu einem Trick greifen – der so genannten Hydroborierung, die nach oxidativer Aufarbeitung (H2O2 ) den weniger hoch substituierten Alkohol als Reaktionsprodukt liefert: Elektrophil BH3 Übertragung von H H3C H B H H3C H H3C H H H3C O O H
Alken
B 2H 6 2 B H
H3C C H2 B H H tertiäres Carbeniumion
+ H 2O 2
oxidative Spaltung der C-B-Bindung
BH 3 kann 3-mal reagieren
primärer Alkohol
Borsäure H 3BO 3
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Elektrophile Addition – Hydratisierung
Biochemische Hydratisierung
Citrat - Isocitrat Isomerisierung im Citrat-Cyclus (Aconitase):
OOC COO
Citrat (achiral)
Eliminierung Hydratisierung COO - H2O OOC COO + H2O + H 2O
cis-Aconitat
- H 2O
OOC COO
(2R,3S)-Isocitrat (chiral)
Ein interessantes Wechselspiel zwischen Hydratisierung (Wasseraddition) und Eliminierung (Wasserabspaltung) hat die Natur im Citrat-Cyclus in Rahmen der Citrat – Isocitrat – Isomerisierung verwirklicht. Das Enzym Aconitase stellt lediglich das thermodynamische Gleichgewicht zwischen beiden Formen der Zitronensäure (Citrate = Salze der Zitronensäure) her, in dem es die reversible Eliminierung und Hydratisierung katalysiert, ohne dabei selbst modifiziert zu werden (an der Katalyse sind verschiedene Protonen-liefernde Aminosäuren, sowie ein Eisen-Sulfid Cluster (FeS) 4 beteiligt). Der detaillierte Mechanismus ist komplex – die Einzelreaktionen entsprechen aber exakt den bereits besprochenen Mechanismen der Eliminierung und Addition:
Oder in Form der altmodischen Fischer-Projektionen - betrachten Sie es als eine zusätzliche Übung in Stereochemie die Formeln zu überprüfen:
COO Eliminierung Hydratisierung
- H2O H H COO + H2O + H2O H - H2O Hydratisierung COO Eliminierung
HO H
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Elektrophile Addition – Halogenierung
Elektrophile Halogenierung von Alkenen
Cl 2
Alkene reagieren mit elementaren Halogenen Cl 2 und Br 2 – nicht aber F 2 (? zu reaktiv, Zersetzung) oder I 2 (? zu unreaktiv) unter Addition zu Dihalogenalkanen. Bei Alkinen findet die Reaktion analog in zwei Stufen Alkin ? Dihalogenalken ? Tetrahalogenalkan statt.
CCl4 (inertes Lösungsmittel) Cl CCl4 Br CCl4 Br Br Alken Dihalogenalkan Alkin Tetrahalogenalkan
Die Stereochemie dieser Reaktion ist allerdings überraschend: es handelt sich hier um eine trans-Addition (vergleiche mit der cis-Hydrierung, weiter oben):
Bromierung ? trans-Addition
Br 2
CCl 4
Br 2
Hydrierung ? cis-Addition
Rational verstehen lässt sich der Befund der trans-Addition wieder, wenn man den Mechanismus genau betrachtet.
Br 2
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Elektrophile Addition – Halogenierung
Mechanismus der Elektrophilen Halogenierung
Br 2
trans-Addition
d Br Br d Elektrophiler Angriff d Br p-Komplex Br d Bromoniumion
Br 2
CCl 4 (inertes Lösungsmittel)
Nucleophile Ringöffnung Br H
Die elektrophile Halogenierung ist ein zweistufiger Prozess, der eingeleitet wird durch einen Angriff des Halogens senkrecht zur p-Bindung des Alkens (Angriff ist nicht möglich in der Ebene der p-Bindung, da sich die Elektronendichte der C=C-Doppelbindung nur ober- bzw. unterhalb der Ebene befindet!), und es kommt zu einer Polarisierung der Halogen-Halogen Bindung (Vorkomplexierung in einem so genannten p-Komplex). Anschließend wird unter Bruch der Halogen-Halogen-Bindung elektrophil eine cyclisches 3-Ring Halogeniumion (im gezeigten Beispiel ein Bromoniumion, im Fall von Chlorierungen ein analoges Chloroniumion) gebildet. Das verbleibende Halogenid (Bromid oder Chlorid) kann anschließend aus sterischen Gründen nur einen Rückseitenangriff auf ein C- Atom des Halogeniumions in einer S N 2-artigen Reaktion starten, der zur Ausbildung des trans-Additionsprodukts führt:
Mesomere Schreibweisen
* Animationen des Mechanismus: http://sugar.oc.chemie.tu-darmstadt.de/ak/immel/tutorials/reactions/index8.html#bromination
Br H
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Elektrophile Addition – Halogenierung
(E)-2-Buten
H3C CH3 (Z)-2-Buten
Bildung des Bromoniumions auf der "Oberseite" des Alkens
Br 2
CCl 4
Bildung des Bromoniumions auf der "Unterseite" des Alkens
Bildung des Bromoniumions auf der "Oberseite" des Alkens
Br 2
CCl 4
Bildung des Bromoniumions auf der "Unterseite" des Alkens
H3C H
H3C H3C H3C H3C H
Br H
HBr CH 3
H3C Br
HBr H
meso-2,3-Dibrombutan
(2R,3R)-2,3-Dibrombutan
Br (2S,3S)-2,3-Dibrombutan
Die exakte Stereochemie der trans-Addition wird – wie hier gezeigt – besonders am Beispiel cyclischer Ausgangsstoffe deutlich. Im Fall von offenkettigen Substraten ist ebenfalls die trans-Addition der einzige tatsächlich ablaufende Prozess, der dazu führt, dass ausgehend von cis- bzw. trans-Alkenen unterschiedliche Produkte gebildet werden:*
Säge-Bock-Projektion
Diastereomere
* Betrachten Sie dieses Schema als eine kleine Übung und Wiederholung in Stereochemie. Was würde man erwarten wenn es sich um eine cis-Addition handeln würde?
Enantiomere (als Racemat 1:1) achirale meso-Verbindung
3 Konfigurations-Isomere
Seite 05-38
Elektrophile Addition – Hydrohalogenierung
Br 2
Mesomere Schreibweisen der Zwischenstufe als Bomoniumion oder Carbeniumion:
tertiäres (stabiler)
Carbeniumion
Die Addition von Halogenen an Alkene ist typisch für diese Stoffklasse, die Entfärbung von Bromwasser (bräunliche Lösung von Br 2 in Wasser ? Entfärbung durch Addition von Br 2 an die Doppelbindung) wird auch als qualitative Schnell-Nachweisreaktion für Alkene oder Alkine verwendet.
Im allgemeinen wird Halogenierung mit Br 2 oder Cl 2 in inerten Lösungsmitteln durchgeführt. Sind allerdings im Verlauf der Reaktion in der Lösung noch weitere, konkurrierende Nucleophile vorhanden (z.B. Wasser), so kann die Ringöffnung auch durch eine andere Spezies erfolgen (Hydrohalogenierung ? Brom- oder Chlorhydrine).
Zu beachten ist weiterhin, dass die nucleophile Ringöffnung des Bromoniumions mit unterschiedlicher Regioselektivität erfolgen kann. Entscheidend für die Bildung der Produkte ist die Stabilität der intermediär auftretenden Carbeniumionen, deren relative Energien letztendlich die beobachtbaren Produktverhältnisse widerspiegeln. Im gezeigten Beispiel ist das tertiäre Carbeniumion deutlich bevorzugt gegenüber dem sekundären, was zu der aufgeführten Produktselektivität führt. Die Bromaddition in Wasser entspricht der Addition von HOBr (Hypobromige Säure) an die C=C-Doppelbindung. Als Nebenprodukt entsteht das Dibromalkan als Folge der Konkurrenz von Wasser und Bromid als Nucleophil. Da Wasser im Überschuss vorliegt, ist das Bromhydrin das Hauptprodukt.
Bromhydrin (Hauptprodukt)
Dibromalkan (Nebenprodukt)
sekundäres (weniger stabil)
- H OH
Br 2 + H 2O HOBr + HBr
Hypobromige Säure
Seite 05-39
Elektrophile Addition – Epoxidierung
Synthese von Epoxiden
Chlor- und Bromhydrine stellen einen möglichen Zugang zu Epoxiden (O-haltige 3-Ringe) dar, die wertvolle Synthese- Bausteine der Organischen Chemie sind. Der Ringschluss wird ermöglicht durch eine Basen-katalysierte intramolekulare SN2-Reaktionen unter Substitution des Halogens: Cl Cl Cl H Cl2 + NaOH = H H2O - H2O Cl H OH O Na Na O H O
Epoxid
Intramolekulare S N 2-Reaktion
- NaCl (? Triebkraft der Reaktion)
Einen alternativen Zugang zu Epoxiden bietet die direkte Oxidation von Alkenen mit Persäuren (hier findet vor allem käufliche MCPBA breite Anwendung): MCPBA O R H O R O H O O H O O Persäure Persäure H
"normale" Säure
MCPBA meta-chlor-perbenzoic acid
Seite 05-40
Elektrophile Addition – Epoxidierung
(E)-2-Buten
MCPBA
Epoxide Polarität der Ringbindungen:
R R R R
Elektrophil
Nucleophil
H3C + H
? nucleophiler Angriff an den Ring-Kohlenstoff-Atomen möglich ? elektrophiler Angriff am Sauerstoff-Atom möglich
MCPBA
Aufgrund der Bildung eines kleinen 3-Rings muss die Epoxidierung eine cis-Addition darstellen, die je nach der Konfiguration der Doppelbindungen im Ausgangsmaterial unterschiedliche Konfigurations-Isomere als Produkte liefert (vergleiche die weiter vorne beschriebene Halogenierung von (E/Z)-2-Buten):
Enantiomere (als Racemat 1:1) achirale meso-Verbindung
3 Konfigurations-Isomere
H3C H3C Diastereomere
(Z)-2-Buten
Die starke Polarisierung der C-O-Bindungen im Epoxid-Ring, in Verbindung mit der ausgeprägten Ringspannung (Baeyer-Winkelspannung) macht die Epoxide zu vielseitigen Reagenzien in der Organischen Synthese:
Seite 05-41
Reaktionen der Epoxide
Gute Nucleophile reagieren nach dem S N 2-Mechanismus mit Epoxiden unter Ringöffnung:
Thiole und Thiolate
Amine
Die Carcinogenität von polycyclischen aromatischen Verbindungen beruht z.T. auf dem Mechanismus der unkontrollierten Ringöffnung von Epoxiden durch „biologische“ Nucleophile:
Enzymatische Oxidation
S N 2
S N 2
+ HCl O Na R - NaCl S
nucleophile Ringöffnung
a-Benzpyren OH OH (Zigarettenrauch) Störung der DNA-Replikation ? carcinogen
Seite 05-42
Reaktionen der Epoxide
Schlechte Nucleophile wie z.B. Wasser können Basen- oder Säure-katalysiert mit Epoxiden reagieren:
Basenkatalyse:
schlechtes Nucleophil O Erhöhung der Nucleophilie H H H NaOH H H O H O H (Wasser) Na
Säurekatalyse:
gutes Elektrophil
OR OR OR OR 1.) Sulfonierung Ringschluss Ringöffnung OH O O RO 2.) NaH (Base) O O RO zum Epoxid des Epoxids RO O HO O OH OR O O OR OR O OR HO S O H H a-D-Glucose-Derivat a-D-Altrose-Derivat
S N 2
S N 2
Regeneration des Katalysators
Und manchmal hilft nur ein bisschen „feine“ Gewalt:*
Regeneration des Katalysators
* Ein Beispiel aus der eigenen Forschung: S. Immel et al., Angew. Chem. 1997, 109, 1987-1991.
+ H O 2O Na H - NaOH O
Basenkatalyse Säurekatalyse unkatalysiert
? Zersetzung ? Zersetzung ? 4 Tage, Rückfluss, 100°C in reinem Wasser ? 70%
Seite 05-43
Stereoselektive Synthese von Diolen
MCPBA
KMnO 4
Alken Epoxidierung Säure-katalysierte Ringöffnung ? trans-Angriff des Nucleophils (H 2O)
Alken Oxidation mit Kaliumpermanganat ? tief violett gefärbt
Von der Anorganischen Seite betrachtet:
[2+3]-Cycloaddition ? konzertierter (gleichzeitiger) Prozess ? cis-Addition von Permanganat
Kaliumpermanganat KMnO 4 (violett)
Kaliummanganat KMnO 3
MnO 2
Braunstein
Zwischenprodukt ? hydrolysiert sehr schnell
+ H 2O
+ H 2O
- KMnO 3
trans-1,2-Diol
cis-1,2-Diol
Kaliummanganat (KMnO 3) disproportioniert schnell zu Braunstein (MnO 2) und Permanganat (KMnO 4) ? Braunstein setzt sich als braunes Feststoff ab ? Entfärbung der KMnO 4-Lösung ? Qualitativer Nachweis von C=C-Doppelbindungen (Baeyer'sche Probe)
? Alken wird zum Diol (Alkohol) oxidiert ? Permanganat (Mn +7 ) wird zum Manganat (Mn +5 ) reduziert (? Disproportionierung Mn +5 ? Mn +7 und Mn +4 unter Bildung von Braunstein)
* Moderne Varianten der Kaliumpermanganat-Oxidation (? cis-Dihydroxylierung) setzten katalytisch Osmiumtetroxid OsO 4 als Oxidationsmittel ein.
Seite 05-44
Oxidative Spaltung von C=C-Doppelbindungen (Ozonolyse)*
Alken Ozon ? sehr reaktiv ? Reaktion mit C=C Ozonolyse (Gesamtreaktion) H
[2+3]-Cycloaddition ? konzertierter (gleichzeitiger) Prozess ? cis-Addition von Ozon
Dialdehyd (siehe Carbonylverbindungen) ? offenkettig, da Spaltung der C=C-Doppelbindung
reduktive Hydrolyse
Zwischenprodukt Primär-Ozonid ? wird nicht isoliert (explosiv) ? schnelle Umlagerung
Oxidative Spaltung von C=C-Doppelbindungen ? Ersatz von C=C ? C=O + O=C ? Ringöffnung bei cyclischen Alkenen ? Spaltung in 2 Moleküle bei offenkettigen Alkenen ? sehr komplizierter Mechanismus (siehe unten)
Alken elektrische Glimmentladung Dialdehyd Erzeugung von Ozon O2 O3 ? niedriger Ozongehalt (wenige Prozent) ? sehr charakteristischer Geruch (durchgeschmorte Elektrokontakte)
* Die Gesamtreaktion ist einfach (C=C ? 2x C=O), der detaillierte Mechanismus ist sehr komplex.
Seite 05-45
Radikalische Polymerisation von Alkenen
Monomer (Alken)
Generierung eines Anfangs-Radikals
Ketten- Wachstum
Radikal-Starter R R
Radikalische Addition an die C=C-Doppelbindung
Kettenabbruch durch Rekombination von zwei Radikalen
Fortsetzung der Reaktion durch das neue (verlängerte) Radikal
? Kunststoffe mit sehr variablen Eigenschaften je nach verwendetem Monomer:
Beispiele: Monomer Polymer H H Ethen (= Ethylen) PE Polyethylen H H
Propen
Vinylchlorid (= Chlorethen)
Polypropylen
Polyvinylchlorid
Styrol PS Polystyrol
Kunststoffe, Plaste, etc.
Polymer (Alkan)
n kann leicht einige 1000 übersteigen ? Molmassen oft >1.000.000 g/mol
Cl Cl Cl Cl
* Die Polymerisation wird oft als radikalische Kettenreaktion durchgeführt – sie kann allerdings auch anionisch, kationisch oder koordinativ ausgeführt werden.
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Besonderheiten der Alkine – Hydratisierung
Markovnikov-Hydratisierung
Alkine zeigen in vieler Hinsicht ein ähnliches Reaktionsverhalten wie Alkene, so z.B. im Verlauf der schon diskutierten Hydrierung (? Alkane oder Alkene, je nach verwendetem Hydrierungskatalysator, siehe oben), Halogenierung (Addition von Br 2 oder Cl 2 ), oder der Hydrohalogenierung (Addition von HBr oder HCl). Prinzipiell gilt diese Ähnlichkeit auch für den Mechanismus der Hydratisierung (Addition von Wasser) oder Hydroborierung (Addition von Boran), jedoch sind die Produkte dieser Reaktionen völlig anderer Natur: die bei diesen beiden letztgenannten Reaktionen primär gebildeten Alken-Alkohole (besser: „Enole“) sind instabil, und lagern spontan um in Ketone bzw. Aldehyde (zu diesen neuen Stoffklassen siehe das Kapitel „Carbonylverbindungen“), diese sind unter den Reaktionsbedingungen stabil und stellen die isolierbaren Endprodukte dar:*
Alkin
Alken
direkter Vergleich!
Elektrophil H
NICHT:
Nucleophil H2O H O H H - H
sekundäres Carbeniumion H
primäres Carbeniumion
sekundäres Carbeniumion
* Umlagerungen dieses Typus, die ausschließliche eine Wanderung eines Protons (H + ) und von Elektronen beinhalten werden als Tautomerie bezeichnet – hier speziell „Keto-Enol-Tautomerie“.
analoge Produkte
Alkohol (Endprodukt)
Keto-Enol- Tautomerie
H3C C C H O H
Anmerkung: die Reaktion der Alkine wird auch durch Hg 2+ Ionen (HgSO 4) katalysiert, daher oft die Angabe Alkin + H + /H 2SO 4/HgSO 4 als Reaktionsbedingungen!
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Besonderheiten der Alkine – Hydroborierung
Anti-Markovnikov-Hydratisierung (Hydroborierung)
Alkin
Alken
Elektrophil BH 3
BH 3
BH 3
Anti-Markovnikov-Produkt
Oxidative C-B-Spaltung
Anti-Markovnikov-Produkt
+ H 2O 2
- H 3BO 3
H3C C C B + H2O2 H3C H C C O H H H H - H3BO3 H H H H H H
Keto-Enol- Tautomerie
Wie erwähnt, folgt der Mechanismus der Hydroborierung von Alkinen ebenfalls dem der Alkene, jedoch liefert auch hier die Tautomerisierung des Zwischenprodukts völlig andere Endprodukte (Alkine ? Aldehyde):
direkter Vergleich!
C-H-Acidität
Alkohol (Endprodukt)
Eine bemerkenswerte Eigenschaft terminaler Alkine ist die C-H-Acidität der =C-H Bindung (im Gegensatz zu den C-H Bindungen in Alkanen oder Alkenen), so gelingt deren Deprotonierung mit starken Basen (z.B. NaNH 2 ):*
Alkin
starke Basen
NaNH 2
- NH 3
Synthesebausteine
? Nucleophile Substitutionen ? Additionen an Carbonylverbindungen ? Metallorganische Chemie
pK a-Werte
Alkane C(sp3)-H ? 50 Alkene C(sp2)-H ? 44 Alkine C(sp)-H ? 25
* „C-H-Acidität“ heißt in diesem Zusammenhang nicht, dass Alkine „sauer“ reagieren, sie sind immer noch sehr schwache Säuren zu deren Deprotonierung starke Basen gebraucht werden.
ca. 20 Zehner- Potenzen der Säurestärke !!!
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Besonderheiten der Alkine – Naturstoffe
Natürliche Alkine
Dehydromatricaria ester (Kamillenblüten)
HO H
Ichthyothereol (Pfeilgift ? Krampf-auslösend)
Capillin (Chrysanthemen ? Aktivität gegen Hautpilze)
Histrionicotoxin (Pfeilgiftfrösche der Gattung Dendrobates)
Im Vergleich zu Doppelbindungen sind C=C-Dreifachbindungen in Naturstoffen relativ selten anzutreffen, allerdings sind einige dieser Naturstoffe pharmakologisch sehr interessant und biologisch hoch aktiv, die biochemischen Synthesewege dieser Stoffe liegen noch vielfach im Dunkeln:*
* Die Zusammenstellung soll nur einen kleinen Einblick in die strukturelle Vielfalt von Naturstoffen vermitteln, ohne hier eine Wertung nach Bedeutung oder Verbreitung vorzunehmen.