Der Mechanismus bestimmt die Regiochemie Der Mechanismus bestimmt die Stereochemie Der Mechanismus bestimmt die Regiochemie Regiochemie: Wo genau findet die Reaktion statt? a) Wenn wir H und Cl eleminieren, kann die Doppelbindung an verschiedenen Stellen entstehen b) Wo entsteht die Doppelbindung? 1. Möglichkeit: Hier 2. Möglichkeit: Da Frage: Wie unterscheiden wir zwischen hier und da? Antwort: Wir unterscheiden zwischen hier und da - wie viele Reste = Substituenten an jeder Doppelbindung gebunden sind Rest = Substituenten 1.) Einfach Substituiert = 1 Rest 2.) Zweifach Substituiert = 2 Reste 3.) Dreifach Substituiert = 3 Reste 4.) Vierfach Substituiert = 4 Reste Beispiel: 1. Möglichkeit = als Produkt entsteht eine einfach substituierte Doppelbindung 2. Möglichkeit = als Produkt entsteht eine doppelt substituierte Doppelbindung a) Elemenierungsreaktion bei der die Entstehung verschiedener nicht gleichwertiger Doppelbindung möglich ist: b) unterschiedliche Produkte nach Entdeckern benenen. c) Namensgebung basiert darauf: Welches Produkt ist höher Substitueiert 1.) Höher: Saytzeff-Produkt 2.) Niedriger: Hofmann-Produkt Addition von H und Cl 1.) Markownikow-Addition: Cl kann an höher Substituierten Kohlenstoff landen 2.) Anti-Markownikow-Addition: Cl landet am niedriger substituierten Kohlenstoff Regiochemie: Wo genau findet die Reaktion statt? Regiochemie: Der Unterschied zwischen Saytzeff und Hofmann-Produkt besteht darin, wo die Doppelbindung entsteht, das ist Regiochemie Regiochemie: Woher wissen wir ob wir es mit einer Markownikow oder Anti-Markownikow-Addition zu tun haben? Das ist eine Frage der Regiochemie Regioselektivität: Bevorzugung einer der beiden regiochemischen möglichen Reaktionsverläufen: Regioselektivität Aspekt: Die Stabilität + Wir müssen den Reaktionsmechanismus vollständig verstehen Der Mechanismus bestimmt die Stereochemie Chiralitätszentren: R/S Doppelbindung: E/Z Syn-Addition: Die gegenüberliegenden Seiten sind symmetrisch: RR, SS Anti-Addition: RS, SR Manchmal: Alle 4 Produkte Alle 4 Produkte = beide Enantiomerenpaare 1.) Syn 2.) Anti 3.) Nicht stereospezifisch a) Stereochemie: Konfigurationen von Chiralitätszentren (R/S) und Doppelbindung (E/Z) b) Frage: Bei Reaktion entsteht Chiralitätszentrum - erhalten wir eine racemische Mischung oder nur eine einzige Konfiguration? c) Bei einer Doppelbindung: Ob das E als auch das Z-Isomer gebildet werden, oder beide d) Reaktionsmechanismus verstehen!!! e) Beispiel: Azan, mit einer Doppelbindung und Me und Et, reagiert mit Br2. Es entstehen SR RS RR SS Konfigurationen Syn-Addition: Die gegenüberliegenden Seiten sind symmetrisch: RR, SS Anti-Addition: RS, SR Manchmal: Alle 4 Produkte Alle 4 Produkte = beide Enantiomerenpaare 1.) Syn 2.) Anti 3.) Nicht stereospezifisch ... Beispiel: 1.) im ersten Schritt entsteht eine überbrückende Zwischenstufe - Bromoniumion 2.) Im nächsten Schritt kehrt das entstandenene Bromid zurück und kehrt das Bromoniumion an - drei gliedriger Ring - mit zwei Kohlenstoffatomen - und einem Brom - Brom kann sowohl das obere als auch untere jetzt angreifen, in diesem dreier Ring - es muss anti sein ---- Reaktionsmechanismus Reaktionklasse: 1.) Addition 2.) Eliminierung 3.) Substitution Substitutionsreaktion Typen von Substitutionen: 1.) S_N1 2.) S_N2 - Nucleophil: Verbindung die negativ geladen ist, oder einen Bereich mit hoher Elektronendichte aufweist - Elektrophil: Positiv geladen, oder Bereich geringer Elektronendichte S_N2: - Nucleophil greift Verbindung mit Kohlenstoff-Atom an - das an Abgangsgruppe gebunden ist - Abgangsgruppe kann abgespalten werden - Konfiguration kann umgekehrt werden. Beispiel: Schirm im Wind - Nukleophil: Interessiert die Geschwindigkeit der Reaktion - Der Reaktionsmechanismus besteht aus einem einzigem Schritt - zwei Dinge: nucleophil und electrophil => Reaktionsgeschwindigkeit hängt davon ab: Wie viel nucleophile, wie viel elektrophile => Von der Konzentration beider Reaktionspartner - reaktionsgeschwindigkeit - Enthalpie S_N1-Reaktion: Zwei Schritte: 1.) AG wird ohne jedes Zutun durch ein angreifendes Nucleophil abgespalten. Es entsteht Carbokation 2.) Carbokation wird durch Nucleophil angegriffen. Carbokation tritt ausschliesslich bei der SN1-Reaktion als Zwischenstufe auf S_N2 Reaktion kann, Regenschirm, Konfiguration umkehren - Inversion Carbokation nicht Carbokation: sp^2 hybridisiert Kohlenstoffatom: trigonal planar koordiniert - alle drei Substituenten liegen in der gleichen Ebene) S_N1: Zwei Schritte Sanduhr: Oben klein, unten gross Geschwindigkeit hängt nur von oben ab Erste Geschwindigkeit läuft langsam ab: Nicht von der konzentration des Nucleophils abhängig 1. Ordnung: Nur von einem Stoff abhängig 2. Ordnung: Von beiden Von der Konzentration Läuft eine Reaktion nach S_N1 oder S_N2 ab: Vier Faktoren 1.) Elektrophil 2.) Nucleophil 3.) Abgangsgruppe 4.) Lösungsmittel Elektrophil = Substrat An das Elektrophil sind vier Bindungen 1.) AG = Abgangsgruppe 2.) Erster Rest 3.) Zweiter Rest 4.) Dritter Rest Reste ^= Alkylgruppen 1.) Methyl 2.) Ethyl 3.) Propyl 4.) ... Oder x.) R für nichts genaueres 1.) Einzige Alkylgruppe = primär (1°) 2.) Zwei Alkylgruppen = sekundär (2°) 3.) Drei Alkylgruppen = tertiär (3°) S_N2: Alkylgruppen schirmen das elektrophile Zentrum räumlich ab 1.) Drei: Nahezu unmöglich ... Sterische Hinderung S_N1: Sterische hinderung spielt keine Rolle <=> S_N1: Wichtig Stabilität der Carbokation => Alkylgruppen = Elektronenspender 3°) Am besten 2°) Ganz gut 1°) Nicht optimal ====> Gegenläufige Trends: SN_1 und SN_2 - Anzahl der Reste 1.) Bei 1°-substrat verläuft die Reaktion über einen S_N2 Mechanismus: Konfiguration kehrt sich um 2.) Bei 3°-Substrat: S_N1 Mechanismus: Es entsteht Racemische Mischung Und 1°-Substrat? => Faktor 2 Faktor 2 - Nucleophil - Die Geschwindigkeit einer S_N2-Reaktion hängt von der Stärke des Nucleophils ab. - Ein starkes Nucleophil wird die Geschwindigkeit der S_N2 Reaktion erhöhen - Schwach, herabsetzen S_N1-Reaktion: Nicht durch die Stärke beeinflusst = Nur vom Substrat abhängig Wettbewerb zwischen S_N2 und S_N1: - Ein starkes Nucleophil begünstigt den Verlauf von S_N2 - ein schwaches Nucleophil behindert S_N2 (wodurch S_N1 zunimmt) Stärke eines Nucleophils, viele Faktoren: 1.) An und Abwesenheit einer negativen Ladung - Hydroxidion (OH^-) - Wassermolekül (H_2O) Beidermassen nukleophile Hydroxidion: Stärkeres Nukleophil 2.) Ladung nicht der einzige Faktor: Polarisierbarkeit - Fähigkeit eines Atoms oder Moleküls seine Elektronendichte als Reaktion auf externe Einflüsse ungleichmässig zu verteilen - Schwefel leichter polarisierbar als Sauerstoff - Polarisierbarkeit abhängig mit der grösse des Atoms - Polarisierbarkeit abhängig mit der Anzahl der Elektronen, die sich weit entfernt vom Kern aufhalten - Schwefel grösser als Sauerstoff - Schwefel leichter polarisierbar Homologen: Sauerstoff, F, Cl, Br Gut: Iod, Schwefel, HS^-, H2S stark Faktor 3: Abgangsgruppe: - Schlechte Abgangsgruppe Nachteil für SN_1 und SN_2 - Einfluss deutlich stärker ausgeprägt auf SN_1 als auf SN_2 - S_N1: Abgangsgruppe muss stabilisiert werden - konjugierte Base - Iodit gute Abgangsgruppe - Hydroxid: Schlechte Häufigst verwendete Abgangsgruppen 1.) Halogenide 2.) Sulfonat-Ionen 1.) Halogenide - Iodid - Bromid - Chlorid 2.) Sulfonat-Ionen - Tosylat-Anion - Mesylat-Anion - Tiflat-Anion Tosylat: Abgekürzt: Tos Faktor 4: Lösungsmittel Wirklich starker Lösungsmitteleffekt, der den Konkurrenzkampf zwischen S_N1 und S_N2 sehr beeinflusst: polare aprotische Lösungsmittel begünstigen S_N2-Reaktionen 1.) Polar 2.) Aprotisch 1.) Gleiches löst sich im gleichen. Polare Verbindungen lösen sich gut in polaren, unpolare gut in unpolaren Wir brauchen polares Lösungsmittel 1.) Bei SN_1 wegen Carbokation 2.) S_N2 ist das Nucleophil nur in einem polaren Lösungsmittel löslich Protisch: Protisch: Kann Proton abgeben - Protonenquelle Aprotisch: Kein durch Elektronennegativitätsdifferenz positiv polarisierbares Wasserstoffatom Beispiele: - Aceton - Dimethylsulfoxid (DMSO) - Dimethyloxyethan (DME) - Dimethylformamid (DMF) Lösungsmittelhülle, Solvathülle Polare aprotische Lösungsmittel bilden qausi keine Lösungsmittelhüllen um negative Ladungen Substrat Nucleophil Abgangsgruppe Lösungsmittel 1° - S_N2, nie S_N1 stark - S_N2 schlecht - keine Reaktion polar aprotisch - S_N2 2° - beide Beide gut - beide (aber eher S_N2) 3° - nur S_N1, nie S_N2 schwach - S_N1 excellent - S_N1 Substitutionsreaktionen lehren wichtige Zusammenhänge: - S_N2 Reaktion führt zu einer Inversion am Chiralitätszentrum - S_N1-Reaktionen entsteht eine racemische Mischung Hauptpunkt: Frage nach der Konfiguration des Chiralitätszentrums Frage: Verläuft eine Reaktion nach S_N1 oder S_N2 1 C-C-Einfachbindung 2 C=C-Doppelbindung 3 Alkohole 3.1 Aus Reaktionen mit Doppelbindungen 3.2 Vicinale Diole 3.3 Aus Reduktion von Aldehyden/Ketonen/Carbonsäuren 4 3-Ringe 4.1 Cyclopropane 4.2 Oxirane 5 4-Ringe 5.1 Cyclobutan-Synthesen 5.2 Oxetane 6 5-Ringe 6.1 Cyclopentane 6.2 Cyclopentenone 6.3 3-Thiazoline 7 6-Ringe 7.1 Cyclohexenone 7.2 Cyclohexene 7.3 Benzol 8 Dicarbonylverbindungen 8.1 1,2-Dicarbonyl-Verbindungen 8.2 1,3-Dicarbonyl-Verbindungen 8.3 1,4-Dicarbonyl-Verbindungen 8.4 1,5-Dicarbonyl-Verbindungen 8.5 1,6-Dicarbonyl-Verbindungen C-C-Einfachbindung Grignard-Reaktion (Addition von halogenierten Organomagnesiumverbindungen der Struktur an Carbonylgruppen) Ortho-Metallierung (Metallierung von entsprechend substituierten Aromaten mit Alkyllithiumverbindungen) Negishi-Kupplung (Umsetzung von Arylhalogeniden oder -triflaten in einer nickel- oder palladiumkatalysierten Reaktion mit Organozinkverbindungen) Acyloin-Kondensation (Kondensation zweier Ester zu α-Hydroxycarbonylverbindungen) C=C-Doppelbindung Wittig-Reaktion (Umsetzung von Phosphoryliden mit Carbonylverbindungen) Horner-Wadsworth-Emmons-Reaktion (Umsetzung von Aldehyden oder Ketonen mit den Anionen von organischen Phosphonaten) Peterson-Olefinierung Olefin-Metathese Aldolkondensation (durch Säuren oder Basen katalysierte Reaktion von Aldehyden oder Ketonen mit anschließender Wasserabspaltung) Alkohole Aus Reaktionen mit Doppelbindungen Hydrolyse von C=C-Doppelbindungen mit Wasser oder Oxymercurierung, Markownikow-Produkt Hydrierung von C=C-Doppelbindungen mit Boranen, Anti-Markownikow Hydrierung von C=O-Doppelbindungen mit chiralen Boranen, z. B. Alpine-Boran Vicinale Diole Oxidation von C=C-Doppelbindungen mit alkalischer Kaliumpermanganat-Lösung oder Osmiumtetroxid, cis-Diol Oxidation von C=C-Doppelbindungen mit Persäuren und anschließender Hydrolyse, trans-Diol Aus Reduktion von Aldehyden/Ketonen/Carbonsäuren Corey-Fuchs-Reaktion aus Aldehyden 3-Ringe Cyclopropane Cheletrope Reaktion ([2+1]-Addition eines Carbens an ein Olefin) 1,3-Dibromalkan mit Magnesium (Grignard-Reaktion) Oxirane Oxidation von Olefinen mit Persäuren (z. B.: meta-Chlorperbenzoesäure) Stereoselektive Epoxidierung mit tert-Butylhydroperoxid unter Zuhilfenahme von Weinsäurediethylester (Sharpless-Epoxidierung) 4-Ringe Cyclobutan-Synthesen (2+2)-Cycloaddition von Olefinen Oxetane Paternò-Büchi-Reaktion (2+2-Cycloaddition eines Olefins mit einer Carbonylverbindung) 5-Ringe Cyclopentane 1,3-Dipolare Cycloaddition Cyclopentenone Pauson-Khand-Reaktion (Reaktion eines Alkins, Alkens und Kohlenmonoxid) 3-Thiazoline Asinger-Reaktion 6-Ringe Cyclohexenone Robinson-Anellierung (Michael-Addition, dann Aldolreaktion) Cyclohexene Diels-Alder-Reaktion (4+2-Cycloaddition) Benzol Vollhardt-Cyclisierung 3-fache Aldolkondensation Diels-Alder-Reaktion 4+2-Cycloaddition mit Alkinen Dicarbonylverbindungen 1,2-Dicarbonyl-Verbindungen Riley-Oxidation 1,3-Dicarbonyl-Verbindungen Claisen-Kondensation 1,4-Dicarbonyl-Verbindungen Stetter-Reaktion Corey-Seebach-Reaktion an einem Michael-System 1,5-Dicarbonyl-Verbindungen Michael-Addition (Addition an eine α,β-ungesättigte Carbonylverbindung mit einem weichen Nukleophil) 1,6-Dicarbonyl-Verbindungen Cyclopropantrick (Michael-Addition einer Carbonylverbindung an ein Cyclopropen-homo-System) Ozonolyse eines cyclischen Olefins