1. Gruppe: Nucleophile Substitution

1. Gruppe: Nucleophile Substitution
1.
1
Substitutionstypen:
C
X
Y
+
C
Y
+
X
Klassifizierung der Substitution je nach Natur von Y:
- Y kann ein Nukleophil sein: (ersetzt das Nukleophil X => Lewis - Base):
Bsp.:
PhS
,
Na
δ δ
BuMgBr
,
H3N
Nukleophile Substitution
- Y kann ein Elektrophil sein: (ersetzt das Elektrophil X => Lewis- oder Brönsted - Säure)
Br+, H+, Met+, (Hg2+, Zn2+, ...)
Bsp.:
Elektrophile Substitution
- Y kann ein Radikal sein: (ungepaartes Elektron)
C
C
H
+
C
Cl
Cl
+
C
Cl
+
Cl +
HCl
Radikalkettenreaktion
Cl
Radikalische Substitution
2.
2.1
Nukleophile aliphatische Substitution
Klassifizierung
2.1.1 Kinetisches Kriterium
A:
X
+
Y
Y
X
X
+
Y
assoziativer Mechanismus
Bsp.:
I
+
OH
k
OH
-d[Et-I]/dt = k[Et-I][OH-] Geschwindigkeit hängt von [Et-I] und [OH-] ab!
SN2 Substitution: Kinetik 2. Ordnung
+
I
1. Gruppe: Nucleophile Substitution
2
E
Y
R
ÜZ
X
∆G*
RX + Y
∆G
RY + X
t
B:
schnell
k2
langsam
k1
+
X
Y
X
Y
k-1
schnell
Carbeniumion
Bsp.:
langsam
k1
(CH3)3C-Cl
+ Cl
k-1
OH
t-BuOH + Cl
k2
-d[t-BuCl]/dt = k1 [t-BuCl]
E
ÜZ
∆G*
∆G
t
2.1.2 Stereochemisches Kriterium
SN2 - Reaktion:
H
Ph
Me
O
Me
O
EtOH
K2CO3
CH3
S
O
EtO
Me
Me
1) NaH, THF
H
Ph
H
Ph
[α]D = -19,9°
Tosylat = OTs
TsCl
S
OH
R
2) CH3CH2Br
H
OEt
Ph
[α]D = +19,9°
1. Gruppe: Nucleophile Substitution
3
SPh
Cl
H
Cl
Me
H + PhSLi
Me
H
H
BuLi
cis
Me
SPh
Me
trans
PhSH
HOMO - LUMO - Betrachtung:
X
C
Nu
HOMO
X
C
Nu
LUMO
linear
SN1 - Reaktion:
OH
OH
Cl
H2O/OH
Ph
Ph
Me
H
+
Me
H
H
Me
Ph
44 : 56
Retention
Inversion
Me
Ph
H
Cl
planares Intermediat
Bsp.:
H
Me
H
Me
H
H
Me
H (+) Me
Me
(+)
(+)
=
(+)
SN1 - Mechanismus verlangt ein stabiles Carbeniumion
Geometrie des Carbeniumions ist auch wichtig:
Me
Br
Me
Me
krel.
1
Br
Br
Br
-3
10
-6
10
10-12
Solvolyse in Dioxan / Wasser = 70 : 30 bei 100°C
Ein Carbeniumion ist planar, daher erschweren sterische Hinderungen zur Planarität SN1-Reaktionen
1. Gruppe: Nucleophile Substitution
4
2.1.3 Carbenium - Umlagerungen
Bei SN1 - Reaktionen werden oft Gerüstumlagerungen beobachtet
EtONa (SN2)
EtOH
langsam
Br
OEt
OH
H2O/
EtOH
64%
H2O (Substitution)
H
H3C
H
36%
Eliminierung
H3C
CH3
Orbitalbetrachtung (Hyperkonjugation):
Me
Me
H3C
H
Me
H
Me
H
H3C
H
CH3
CH3
Bsp.:
CH3
O
O S
R
Br
OAc
AcOH
S
OAc
O
R
racemische Mischung
Brosylat (OBs)
Bsp.:
OTs
H2 O
EtOH
HO
OH
D
D
D
H
H
H
O
O H
D
D
D
H
H
HO
D
nicht klassisches
Carbokation
1. Gruppe: Nucleophile Substitution
2.2
5
Die SN2 - Reaktion
2.2.1 Die Struktur des Substrats
Aceton
R-Br + I
R
krel
CH3
30
Et
R-I
CH2
40
CH2
120
CH2
15000
Xδ
δ Nu
0.4
Me
H
Me
krel
R
1
CH3CH2CH2
+ Br
0.025
O
Me
Me
CH2
Me
0.00001
Ph
SN2 : Me > prim > sek >> tert- ~ Neopentyl, aber Allyl, Benzyl, π-Substituenten reagieren schnell
2.2.2 Das Nukleophile Agens
I > Br > Cl > F ; R3P > R3N; RSe > RS > RO
Nukleophilie und Basizität laufen parallel am selben Zentralatom
Nukleophilie:
pka:
α-Effekte:
NH2-NH2, HO-NH2, >> NH3
HO-OH > H2O
MeO > PhO > CH3CO2 > MeOH
15.7
9.9
4.75
-1.7
Vgl.
"Carbanionen" sind gute Nukleophile
Bsp.:
MgBr ;
LiO
MgBr ;
Bu
;
;
S
H
Ambidente Nucleophile:
N
C
O
Isocyanat
C
S
Thiocyanat
N
C
R-X
O
N
R
N
C
O +
N
C
Cyanat
C
S
Rhodanid
OE
O
E
E
E
Li
Isocyanat
O
O
Bu2CuLi
R
Cyanat
N
S
;
O
1. Gruppe: Nucleophile Substitution
6
M = Na oder Li
R
X
+
C
NM
R
C
N
R
N
C
M = Ag
R
N
C
Pearson's Hard-Soft Prinzip (HSAB) - einfaches Modell:
Harte Säuren:
H+, Li+, BF3, CO2, SO3
Grenzfälle:
R3C+, BR3, Zn2+, SO2, Cu2+
Weiche Säuren: RS+, CH2, Pd2+, Hg2+, I+, I2
Harte Basen:
F-, Cl-, RO-, ROH, R2O, NH3, N2H4, RNH2, SO42-, CO32-, RCO2-, NO3-
Grenzfälle:
Br-, SO32-, NO2-, Ph-NH2, Py, N3-
Weiche Basen:
H-, I-, RS-, RSH, R2S, R2Se, SCN-, R3P, CH2=CH2, CN-, CO, R3C-
Harte Basen reagieren bevorzugt mit harten Säuren
Weiche Basen reagieren bevorzugt mit weichen Säuren
2.2.3 Die austretende Gruppe:
Pr-X +
Me
X
EtOH
S
Me
S
I
Br
Cl
OTs
Pr + X
krel
Schlechte Abgangsgruppen: OH, NR2, OR, N3 (meistens starke Basen)
I, Br, Cl, SR2, NR3, RSO3, CF3SO3, C4F9SO3
gute Abgangsgruppen:
Bsp.:
R
NaBr
CH2OH
keine Reaktion
H
HBr
R
Bsp.:
C
H2
O
CH3
O
CH2Br + H2O
Me
BBr2
OH
H2O
-CH3Br
BBr3
Me
R
H
Br3B
OCH3
Br
O
Me
Me
krel
1
0.29
0.0007
0.12
1. Gruppe: Nucleophile Substitution
7
2.2.4 Solvenseffekte:
MeI +
-Li
X Li
krel:
krel: MeOH
X
Cl
Br
O
H
NMe2
Solvenz
MeOH
DMSO
DMF
MeCN
HMPT
6
1
20
10
6 105
ÜZ
BuN3 + Br
BuBr + N3
MeX + I
RX + Y
Y
R
X
RX + Y
Y
krel
1
1300
2800
5000
200000
R
X
RX + Y
Y
R
X
Edukte
Produkte
unpolares LM
leichte Verlangsamung
starke Beschleunigung
starke Verlangsamung
CH3Br + I
EtI + NEt3
CH3-SMe2 + OH
krel (H2O/EtOH)= 2
1
krel (H2O)=
krel(Hexan)= 1
krel(PhCN)= 2000
krel(EtOH)= 22000
1
krel(H2O)=
Reaktionen in der Gasphase: F > Cl > Br;
OH > RO > RS
Reaktivität in aprotischen LM ist die gleiche wie in der Gasphase: F > Cl > Br > I
Kronenether:
O
O
O
K
O
O
O
[18]-Krone-6
ideal für die Komplexierung von K
KMnO4 kann mit [18]-Krone-6 in Benzol gelöst werden
Phasentransfer - Katalyse:
Cl
+ NaCN
BnCl + R4N CN
Et3NBnBr als
CN
Katalysator
schnelle Reaktion
+ NaCl
1. Gruppe: Nucleophile Substitution
8
2.3 Die SN1 - Reaktion:
2.3.1 Die Struktur des Substrates:
Findet nur mit stabilisierten Carbeniumionen statt:
Ph3C,
, Ph-CH2
Polare LM beschleunigen SN1 - Reaktionen:
krel
t-BuBr + H2O
OEt
OEt
t-BuOH + HBr
krel: Aceton/H2O
krel:
H2O
H
90:10 =
1
= 400000
OEt
OEt
SN1
+ RMgX
R
OEt
H
2.3.2 Carbeniumionen in Lösung:
FSO3H/SbF5
t-BuCl
(13C = 335 ppm)
+ SbF5Cl
SO2(l) bei -60°C
Ionisierung erfolgt über diskrete Zwischenstufen
R
R
X
R
X
R
X
solvenzgetrenntes
Ionenpaar
Kontaktionenpaar
X
freie Ionen
1) Isomerisierung ist rascher als Substitution:
18
O
R
18
O
S
R
Ph
O
O
S
Ph
O
O
O
R
18
O
S
Ph
O
Kontaktionenpaar in einem
Lösungsmittelkäfig
2) Spezieller Salzeffekt: => der Zusatz kleiner Mengen LiClO4 beschleunigt die Solvolyse
ROAc
R // ClO4
R // OTs
ROTs
A
lan cO
Solvens
gs H
am
getrennntes
Ionenpaar
ROAc
2.4 Intramolekulare SN - Reaktion => Nachbargruppen - Effekte:
Me
Me
SNi
O
H
Retention
SOCl2
Ph
OH
Me
O
Inversion
Pyr
Me
Cl
Ph
Cl
SN2
-SO2
H
Ph
Me
H
Cl
S
Ph
H
-SO2
Ph
Cl
1. Gruppe: Nucleophile Substitution
9
Nachbargruppeneffekte:
1) Reaktionsgeschwindigkeit wird erhöht:
Nu
H
2 mal Inversion
Nu
R
Inversion
Retention
Nu
H
H
R
Y
Inversion
R
Y
X
Y
Bsp.:
Br
H
H
Me
Me
SN
HBr
OH
Br
H
H
Me
H
Me
Br
Me
OH2
Br
H
Racemat
Me
R,R
Br
Br
Me
H
H
Me
SN
HBr
OH
Me
H
H
Me
Br
OH2
H2O
S
S
Cl
Cl
Cl
Br
Meso - Produkt
Me
R,S
Giftgas:
Me
S
Cl
OH
Alkylierungsreagenz (alkyliert die Lungen!)
Bsp.:
OMe
O
OMe
Me
AcOH
AcOH
OMe
+
115°C
OTs
H O Ac
OAc
OAc
Allylische Substitution:
OH
H2O
NaHCO3
+
H2O
Cl S 1
N
OH
15
Bsp.:
OH
OH
Et2O
SOCl2
Cl
Cl
SOCl2
S
O
:
O
Cl
85
1. Gruppe: Nucleophile Substitution
10
CN
Bsp.:
I
Zn, THF
Ph
PdL2
Br
Cu
I Zn
Br
CN
CuCN 2LiCl
CN
Pd(PPh3)4
SN2'
Ph
Br
CN
SN 2
CN
92%
Ph
Ph
68%
Stereochemie der SN2' - Substitution: Anti-Substitution
Bsp.:
O
O
Me
OMe
i-Pr
i-Pr
Et2CuLi
H
Me
H
O
H
H
100% anti
Me
Et
X
Nu
X
O3
Et
Anti-Subst.
Me
Me
H
anti
syn
Anti - Produkt
Syn - Produkt
C. Spino, J. Org. Chem. 2000, 65, 7091
Nu
Weitere präparative Anwendungen:
-N-Nucleophile: Gabriel - Synthese
O
O
NH2NH2
N K
+
Bu
Bu-X
O
Me
+ NaN3
THF
oder
Cl
Na
Ph
N3
HN
S
CF3CONH K
LiAlH4
NH2
DMF
-S-Nucleophile:
H2N
Ph
BuNH2
heute verwendet man
O
Me
Ph
N
I
CN
OH
S
NH2
CN
RSH
H2N
-O-Nucleophile: Methylester-Synthese
R
R
O
+
HO
OH
H2C
R
O
H3C
N2
HO
O
O
N2
HO
OMe
1. Gruppe: Nucleophile Substitution
11
Die Mitsunobu - Inversion:
CO2Me
R
CO2Me
R
PPh3
EtO2C-N=N-CO2Et
(DEAD), PhCO2H
OH
OH
+
N
CO2Et
Ph3 P
CO2Et
Ph3P
CO2Me
R
Mechanismus:
N
N
EtO2C
Ph H
O
N
N
H
EtO2C
O
O
PhCOO
OMe
O
NH
EtO2C
O
-EtO2C N N CO2Et
R
H H
CO2Et
Ph3 P
O
R
MeOH
OMe
SN2
O
PPh3
CO2Me
R
K2CO3
Ph
OH
O
Appel - Reaktion:
Ph3P
+
Ph3P-Cl
ClCCl3
+
CCl3
H-OR
SN2
R-O-PPh3
R-Cl
Cl
Bsp.:
Bu
Bu
PPh3
CCl4
Me
OH
Me
3. Radikalische aliphatische Substitutionen
3.1 Radikalische Halogenierungen
Radikalische Reaktionen sind abhängig von der Thermodynamik
=> Eine Kettenreaktion ist nur möglich für exotherme Reaktionen:
siehe OC I
Start: X-X
hν
oder ∆
X + H-CH3
CH3 + X2
2X
HX + CH3
CH3-X +X
=> Fluorierung ist explosiv
=> Chlorierung ist technisch wichtig
=> Im Labor wird bromiert
=> Keine Reaktion mit I2
Cl
keine Isomerisierung der
Doppelbindung!!!
1. Gruppe: Nucleophile Substitution
12
O
Bsp.:
Br
NBS, CCl4,
+ HBr
80°C, AIBN
N Br
76%
O
NBS: N-Brom-succinimid
Br
NBS, CCl4,
80%
+ HBr
(PhCOO)2
N N
Br
CH3
CN
NBS, CCl4,
S
S
AIBN: 2,2'-Azobisisobutyronitril
+ HBr
(PhCOO)2
CN
Br
Br
Br2
Br2
AlCl3
- 2HBr
∆ oder hν
- 2HBr
Br
Br
Zerfallsmechanismus der Radikalstarter:
O
O
O
Ph
Ph
O
O
N
2 Ph
2 Ph
BE (O-O) : 32 kcal/mol
N
N
CN
+ 2 CO2
O
N + 2
CN
CN
Mechanismus:
Kettenstart:
CN
CN
O
+ Br N
NC
O
O
Br
Br N
O
+
N
O
O
Propagationsschritte:
Br
+ HBr
H
+
O
O
N Br
HBr +
Br-Br
H N
+
O
O
+
Br
+
Br Br
Br
Autoxidation: industriell wichtig => Hock - Prozess
O2
Ph
O
Ph
HO O
Ph
O
Ph
O O Ph
kat. O
O
H
Ph OH
O
Ph O
Ph-OH +
H
H
-H2O
O
H
H2O
Ph O
H
H
-H
O
1. Gruppe: Nucleophile Substitution
13
Leichte Autoxidation von Ethern:
hν
oder ∆
Et2O
H
Rad
O
+
O
O
HO
RadH
O
O
+
O
O O
O
+
O
O2
Bsp.: THF
O
O
OOH
Moderne radikalische Substitutionsreaktionen:
I
O
O
O
Bu3SnH
O
AIBN (kat.)
Br
O
O
(Me3Si)3Si-H
AIBN (kat.)
Rad
Mechanismus:
H-Rad
R-X
R-H + Rad
R
Bsp.:
Bu3Sn-D
S
HO
N
N
O
O
N N
O
S
D
AIBN (kat.)
hν
O
N
N
Bu3Sn
Bu3Sn
O
S
N
N
D-SnBu3
O
Bsp.:
S
H
O
N
N
N
H
N
H
(Me3Si)3Si-H
H
H
H
Ringspannung ist
nur 40 kJ/mol
H
wird nicht gebildet, da
eine Ringspannung von
66 kJ/mol aufgebaut
wurde.

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