OCI_folie107

Synthese von Alkylhalogeniden: R X (X = F, Cl, Br, I)

1) Radikalische Substitution:

R H + X2∆T oder hν R X + H X (X = F, Cl, Br)

2) Elektrophile Addition an Alkene:

R2C CR2

X X

X2+Alken

(X = Cl, Br, I) R2C CR2

H X

H X+R2C CR2

(X = Cl, Br)R2C CR2

X X

X2+Alken

(X = Cl, Br, I) R2C CR2

H X

H X+R2C CR2

3) Elektrophile Addition an Alkine:

(X = Cl, Br) C CR R + 2 X2 C C

X X

X X

RR

Alkin

4) Substitution der OH-Funktion in Alkoholen:

R OH + HX (PX3) R X + HOH (P(OH)3) (X = Cl, Br, I)

Alkohol

5) Fluorhaltige Kohlenwasserstoffe:

2 CoF2 + F2 2 CoF3

C7H16+ 32 CoF3 C7F16 + 32 CoF2 + 16 HFHeptan Perfluorheptan

CCl4SbF3

CCl2F2 (Freon 12)

OCI_folie108

Eigenschaften der Alkylhalogenide:

Dichte d :

H2O: d = 1 g/cm3

------------------------------------------------------------------------------------------------

Kohlenwasserstoffe, N-haltige Verbindung (Amine, Nitro-Verbindung, Amide),

O-haltige Verbindung (Alkohole, Ether, Ester, Säuren, Ketone, Aldehyde,

Phenole): d < 1 g/cm3

------------------------------------------------------------------------------------------------

Polychlor-Verbindung, Brom- und Iod-Verbindung: d > 1 g / cm3

________________________________________________________________

Beispiele: d [g/cm3]

X: Cl Br I

C3H7-X 0.89 1.34 1.75

CH2X2 1.34 2.49 3.33

CHX3 1.49 2.89 4.01

CX4 1.60 3.42 4.32

________________________________________________________________

−+−

δδXC - Bindung gute Lösungsmittel für polare und

ist polar: unpolare Substanzen, wenig wasserlös-

lich, keine H-Brückenbindungen

________________________________________________________________

OCI_folie109a

Verwendung von Alkylhalogeniden

CH2Cl2

(Sdp. 40° C)

Dichlormethan(Methylenchlorid)

Lösungsmittelz.B. für Cellulose-acetat (entfettend)in Reinigungslö-sungen enthalten

CHCl3

(Sdp. 61° C)

Trichlormethan(Chloroform)(enthält 0.5-1.0 %Ethanol alsStabilisator)(krebserzeugend!)

Lsm. für Fette,Öle, Wachse inFeuerlöschern, umdie Schm.-Temp.von CCl4 zuerniedrigen

CCl4

(Sdp. 121° C)

Tetrachlormethan(Tetrachlorkohlenstoff) (leber- undnierenschädigendruft Sehstörungenhervor)(krebserzeugend!)

TetrafeuerlöscherLösungsmittelChemischeReinigung

Cl2CH-CHCl2

(Sdp. 147° C)

1,1,2,2-Tetrachlorethan(toxisch wie CCl4)

(org. Zwischen-produkt; inInsektiziden undin "Unkrautex"enthalten

OCI_folie109b

Verwendung von Alkylhalogeniden

Cl2C=CCl2

(Sdp. 124° C)

Tetrachlorethylen("Per"chlorethylen)

Lösungsmittel inder chemischenReinigung zumEntfetten vonMetallen

H2C=CHCl(Sdp. -13° C)

ChlorethylenVinylchlorid(hochtoxisch,krebserzeugend)

Monomeres fürPVC(Polyvinylchlorid)

CHCl

CCl3

Cl

(gering flüchtig)

(tödliche Dosis für denMenschen:500 mg/kg(Körpergewicht)

1,1,1-Trichlor-2,2-bis(p-chlorphenyl)-ethanDDT(wird nur langsamabgebaut;Rückstände werdenin der Umwelt undim Körpergewebeakkumuliert)

Kontakt-Insektizidbesonders wirk-sam gegenAnophelesMoskito(Überträger derMalaria)

OCI_folie110

Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) (Chlorfluorcarbon: CFC)

Chlorfluoralkane (Freon bzw. Frigene)

CFCl3

(Sdp. 23.7° C)

Trichlorfluormethan

Freon 11 (CFC-11)

Kühlflüssigkeiten in

Kühlaggregaten

(Eisschränke)

CF2Cl2

(Sdp. -29° C)

Dichlordifluormethan

Freon 12 (CFC-12)

Treibmittel für

Aerosole (Spraydosen)

Polymethan-Schäume

CF3Cl

(Sdp. -81.5° C)

Chlortrifluormethan

Freon 13 (CFC-13)

(chemisch sehr inert:

Schädigung der Ozon-

Schicht)

CF4

(Sdp. -130° C)

Tetrafluormethan

Freon 14 (CFC-14)

Treibhausgase

analog zu CO2

CF3-CHClBr

(Sdp. 50.2°C)

1-Brom-1-chlor-2,2,2-

trifluorethan Halothan

Inhalierungs

Anästhetikum

OCI_folie111

Vergleich von FCKW und HFCKW

1.5

1.0

0.5

0

0 1 2 3

Potential a) zur Zerstörungder Ozonschicht

Potential a) für die globale Erwärmung(Treibhauseffekt)

CHCl2-CF3

HCFC(123)

CH3CCl3HCFC(141b)CH3-CCl2F

CHCF2 (22)

CF3-CH2F(134a)

a) jeweils bezogen auf (11)(Größe der Kreise ist proportional zur Lebensdauer)

CCl4

(11)CFCl3

C2Cl3F3

(113)

CF2Cl2

(12)C2Cl2F4

(114)

C2ClF5

(115)

OCI_folie112

Ozon – Abbau in der Stratosphäre (vereinfacht)

durch FCKW (Fluorchlorkohlenwasserstoffe)

CF2Cl2hν

CF2Cl Cl+ (Bindungshomolyse)

Katalytischer Zyklus

O3 + Cl O2 OCl 2 x+

OCl2 Cl2O2

Cl2O2hν ClO2 + Cl

ClO2 +O2 Cl

2 O3 3 O2

Mesomerie (Resonanz):

O OOO

OOO

OO

mesomere Grenzstrukturen oder Resonanzstrukturen

folie113

Reaktionen der Alkylhalogenide

1) Nucleophile Substitution: (SN)-Reaktion

X

XR

RNu : X

: X

R Nu

R NuNu:

2) β-Eliminierung: (E)-Reaktion

CβH

Cα

X

B

C C H−B + X+

Beispiel für die Konkurrenz von (SN)- und (E)-Reaktion

H−C C + (H3C)2CH−Br

(H3C)2CH−C CH

+ Na

+ NaBr

H3CC

HC

H

H+ NaBr

SN

E

3) Metallorganische Verbindungen

Beispiel: Grignard-Synthese

R−Xδ+ δ−

+ Mg R−MgXH2O (D2O)

R−H(D) + Mg(OH)Xδ+δ−

OCI_folie114

OCI_folie115

Nucleophile Substitution

a)k2

BrCH3OHOHBrCH3

Reaktionsgeschwindigkeit (R.G.):

OH ][[CH3Br]k2

dt

d[CH3Br]=R.G. =

bimolekular

Reaktion 2. Ordnung

bei 55° C : smoll

k2 = 0.0214 SN2

Ethanol-H2O

80 : 20 bei [CH3Br] = [ ]OH =1mol/l : τ1/2= 47 s

b)OH

k1

Br(CH3)3C Br(CH3)3COH

dt=R.G. =

d[(CH3)3CBr]k1 [(CH3)3CBr]

monomolekular

Reaktion 1. Ordnung

KonzentrationIonenOHunabhängig von der

SN1

sec69s-1=k1C°55 =: τ1/20 010.

OCI_folie116

Bk1Reaktionen 1. Ordnung: A

Reaktionsgeschwindigkeit: v =d[A]

dt= k1 [A]; [A]

k1 dtd[A]

=

∫∫ −=tA

A

dtkAdt

0

][

][ 0

1]ln[

[A]oe= [A]t; =[A]t

[A]oln;k1tln[A]o =ln[A]t k1t k1t

[A]t[A]o

=

; =2

ln[Ao]

[A]o/2k1t1/2=

ln 2

ln 2

t1/2

=

k1

Halbwertszeit t1/2

________________________________________________________________

B. Ordnung: A CReaktion 2 2k2

Zeit t →

v =d[A]

dt= k2[A]2

∫∫ =−tA

A

dtkA

Adt

0

][

][2

2

0][

][

1 1

[A]t [A]o= ; t1/2 =

1

k2[A]o

k2t

OCI_folie117

Mögliche Mechanismen der SN2-Reaktion

OCI_folie118

Mechanismus der bimolekularen nucleophilen Substitution: SN2-Reaktion

Konfigurationszuordnung:

C

CH3

H

C6H13

Br

C6H13

H

CH3

C OH

Die relativen

Konfigurationen der

beiden Verbindungen

sind gleich

R-(-)-2-Bromoctan

[α]25D = -34.6°

R-(-)-2-Octanol

[α]25D = -9.9°

Experiment:

SN2-Reaktion unter Umkehr (Inversion) der Konfiguration

R-(-)-2-Bromoctan

[α]25D = -34.6°

o.R. = 100 %

∆+ OH S-(+)-2-Octanol + Br

[α]25D = -9.9°

o.R. = 100 %

stereospezifische Reaktion

Br

C6H13

H

CH3

CHO HO C

CH3

C6H13

HHO C

CH3

C6H13

H

Br

R S

δ− δ−

Synchronprozess

OCI_folie119

Relative Reaktionsgeschwindigkeiten:

a) In Abhängigkeit vom Alkylrest bei Verzweigung am αααα-C-Atom

Finkelstein-Reaktion:

XR-I + Na

unlösl. in Acetonlösl. in Aceton

SN2

(Aceton)IR-X + Na (X=Cl, Br)

H3Cα-Br > H3C-CH2

α-Br > (H3C)2-CHα-Br > (H3C)3Cα-Br

prim. sec. tert.

krel. 150 : 1 : 0.01 : 0.001

Sterische Abstoßung in den pentavalenten Übergangszuständen

(Gruppenhäufung am αααα-C-Atom)

ααααC BrI

CH3

CH3 CH3H

C BrI

CH3

CH3H H

C BrI

CH3

H H

C BrI

H

OCI_folie119a

b) in Abhängigkeit vom Alkylrest bei Verzweigung am ββββ-C-Atom

SN2R-Br + Li Cl

DMFR-Cl + Li Br

DMF: Dimethylformamid: (CH3)2N-CH=O

CH3ß CH2

α-Br > CH3-CH2-CH2-Br > (CH3)2CH-CH2-Br >> (CH3)3C-CH2Br

Neopentyl

krel. 1.0 : 0.7 : 0.3 : 0.0000066

β

β

α

α

Br

HH

H3C CH3

H

Br

HH

H3C CH3

CH3

Übergangszustand:sterischextremgehindert

C Br

HH

CH

CH3CH3

C Br

HH

C

CH3CH3

H3C

Cl Cl

Cl Cl

OCI_folie120

Nucleophilie (Lösungsmitteleffekte) bei der SN2-Reaktion

+ −

polares Lösungsmittel

Solvatisierung durch Dipol-

Ion-Wechselwirkung

Protisch

µ[D]

Dipolmoment

ε

Dielektrizitäts

Konstante

HO

H

δ

δ

δ

1.85 78.5 Wasser

H3CO

H

δ

δ

δ

1.70 32.6 Methanol

Aprotisch

-+δδ

NH3C-C≡ 3.92 36.2 Acetonitril

H3C Nδ δ

+ -

( )2

-CH=O 3.82 36.7 Dimethylformamid DMF

2)(

-+δδ

H3C S=O2)(

δH3C 3.96 49 Dimethylsulfoxid DMSO

2)(

-+δδ

H3C2

)(δ

H3C C=O 2.88 20.7 Aceton

OCI_folie120a

X25° C

X-CH3 + Ik

Lsm

+ CH3-I

X kDMFk CH3OH k kCH3OHDMF

C N 3.4 x 102 6.5 x 10-4 5.2 x 105

C NS- 7.3 x 10-2 4.6 x 10-4 1.6 x 102

XkDMF k CH3OH k kCH3OHDMF

Cl 2.5 2.9 x 10-6 8.7 x 105

Br 1.3 8.6 x 10-5 1.5 x 104

I 3.0 x 10-3 4.0 x 10-1 7.5 x 10-3

OCI_folie121

Phasentransferkatalyse:

15-Krone-5 komplexiertbevorzugt Na+

2.6-3.2 A

CH2 N

CH2CH3

CH2CH3

CH2CH3Cl

Phasentransferkatalysator:

Benzyltriethylammoniumchlorid

TEBA (c)

Q

CN

R X

+ + +QK Cl +K Cl +K Cl

+N C R X N C R X+ +Q

H2O-Phase

Phasengrenze

Etherphase

Kronenether:

N C

O

O

O

O O

O

CN

O

O

O

O O

O

K+

+K+

löslich in organischenSolventien wie Ether, Benzol

18-Krone-6

Ionendurchmesser:K+:2.66 A; Na+:1.80 A; Li+: 1.20 A

NaOO

O

O O O

O

O

O

L i

12-Krone-4 komplexiertbevorzugt Li+

OCI_folie122a

Mechanismus der monomolekularen nucleophilen Substitut ion: SN1-Reaktion

(CH3)3C Brk1

k-1A R B

Br langsam

(CH3)3C OHk2 (CH3)3C OH schnell

R C P

(CH3)3C

Kinetik: Bedingung des quasistätionären Zustandes (steady state) derKonzentration der reaktiven Zwischenstufen R

R.G. =

d[A]

dt= k1[A] k-1[R][B]

d[R]

dt= k-1[R][B]k1[A] k2[R][C]

0=dt

d[R]steady-state-Bedingung

k-1[B] + k2[C][R] =

k1[A]

k2[C]

k-1[B]+1

dt

d[A]=

k1[A]

0k-1[B] << k2[C]k-1[B]

k2[C]=

-d[A]

dt= k1[A]

folie122b

Stereochemie der SN1-Reaktion

Das Produkt ist partiell bis vollständig racemisch.

C Br

H3C

H13C6

H

C OH

H3C

H13C6

H

CHO

CH3

H13C6

HCH3

C

C6H13H

Inversion der Konfiguration

Retention der Konfiguration(Erhalt)

"S"

"R"

a.)

b.)

b.)a.) H

H

HO

H

C2H5OH

H2O

Carbeniumion(sp2), planarR-(-)-2-Bromoctan

Br

OCI_folie123

Heterolytische Bindungsdissoziationsenergien

∆H[kcal/mol]

Br

H3C Br H3C219

BrCH2 H3C Br H3C CH2

prim.

184

Br

sek.

H3C CH Br

CH3CH

H3C

H3C164

Br

H3C C Br

CH3

CH3

C CH3H3C

H3C

tert.

149

(Gasphase)

1 cal = 4.184 JStabilit ät der Carbeniumionen: tert. > sek. > prim. > CH3

+

____________________________________________________________________

SN1-Substitution: relative Reaktivit ät:

sehr polares Lösungsmittel

Trif luoressigsäure

HX

CF3 C

O

OH

O C CF3

O

Rschnell

XRlangsam

R X

R: CH3 C

CH3

CH3

X > CH3 C

CH3

HX >CH3 C

H

HX> H C

H

HX

tert.-Butyl Isopropyl Ethyl Methyl

tert sek prim.

krel. > 106 1.0 < 10-4 < 10-5

OCI_folie124

Lösungsmitteleffekte:

Im polaren Lösungsmittel: Stabili sierung der Ionen durchIon-Dipol-Wechselwirkungen

Generierung von stabilen Carbokationen, die spektroskopisch charakterisiertwerden können.

R X R X

Reaktand Übergangszustand Heterolyseprodukte

R Xδ+ δ -

R-X

Epot

geringeStabilisierungdes ungeladenenReaktanden

große Stabilisierungdes partiell geladenenÜbergangszustandesdurch das Lösungsmittel

Abstand (R-X)

R+ + X-

Gasphase

Lösung

RR ClSbF5

SO2(flüssig)SbF5Cl

polares aprotisches Lsm.

77 Kkomplexes Anion: nicht nucleophil

R Xδ+ δ -

OCI_folie125

Wagner-Meerwein-Umlagerung

a) Alkylwanderung:

tert. Kation (stabiler)

H3C C CH2 CH3

CH3

O CH2CH3

H3C C CH2 CH3CH3

OH CH2CH3

CH3CH2OHH3C C CH2

CH3

CH3

H3C C CH2

CH3

CH3

H3C C CH2

CH3

CH3

BrHeterolyse

H3C C CH2

CH3

CH3Brprimäres Kation

H2O

-H3O

b) Hydr id-Wanderung

CH2 XCH2CH3 CH2CH2CH3 CH2CH2CH3

H

CH2CHCH3

H

CH2CHCH3

HZ

X

X

Z

prim. Kation (instabil)

sek. Kation (stabiler)

OCI_folie125a

Wagner-Meerwein-Umlagerungen

Xsek. Kation

CH3-Wanderung

H-Wanderung

prim. Kation (instabiler)

tert. Kation (stabiler)

H3C C CH

CH3

CH3

CH2

H

H3C C CH

CH3

CH3

CH3

H3C C CH

CH3

CH3

C

H

H

H

OCI_folie126

Austrit tsgruppe (leaving group)

C X

SN1

+Z

SN2

C

Z C X

X

Z

Austrittsgruppe

Nucleophil

δ δ

Z C X

+

Ein Maß für die Stabilität der ausgetretenen Gruppe ist die Aciditätskonstante KX

XH X H2O H3O Ka =[H3O

+] X[ ]

[HX]

X = Cl, Br, I starken Säuren ⇒ Halogenid-Anionen sehr stabil : gute Austrittsgruppen

X =

OSO2Ar

Sulfonsäuren: starke Säuren ⇒ Sulfonat-Anionen sehr stabil:

gute Austrittsgruppen

H O SO2 CH3H O SO2 CH3 H O SO2 CF3

p-Toluolsulfonsäure

p-Toluolsulfonyl-Rest

Tosyl-: Ts-OH

Methansulfonsäure

Methansulfonyl-Rest

Mesyl- MS-OH

Trifluormethansulfonsäure

Trifluormethansulfonyl-Rest

Trifyl-: Tf-OH

OCI_folie127

Austrit tsgruppe (leaving group)

Sulfonsäureester Sulfonylchlorid

RAr S O

O

O

HClR OHClAr S

O

O

Austrittsgruppen

gute

tert.-Butyltrif lat tert.-ButanolTrifylchlorid

Isopropylmesylat IsopropanolMesylchlorid

EthyltosylatEthanolTosylchlorid

CH3 C O

CH3 CH2 O

CH3 CH2 OHCl

(CH3)3 C OH

(CH3)2 CH OH

CH3 CH2 OH

Tf Cl

Ms Cl

Ts Cl

Ms

Tf

Ts

X= O C CH3

O

Acetyl-Rest

Essigsäure: schwache Säure ⇒

Ac-OH Ka = 1.8 x 10-5

AcO

Acetat-Anion

wenigstabil: schlechtereAustrittsgruppe

X = OH Wasser: sehr schwache Säure ⇒

Ka = 1.8 x 10-16

OHHydroxid-Anion

schlechte Austrittsgruppesehr instabil : sehr

________________________________________________________________

jedoch:

O

H

HprotonierterAlkohol

Alkohol gute Austrittsgruppe

stabilWasserC OH

H

HHC O

OCI_folie128

Solvolyse: Lösungsmittel (Solvens) fungiert als Nucleophil. Die Reaktion kann

sowohl nach dem SN1 als auch SN2-Mechanismus verlaufen und folgt

entweder einer Kinetik 1.Ordnung oder einer Kinetik pseudo 1.

Ordnung, da auch bei der bimolekularen SN2-Reaktion die Konzentration

des Nucleophils [S-H] wegen des großen Solvens-Überschusses als eine

Konstante betrachtet werden kann.

R X S H R S H H XX R S

Solvens

kk k=pseudo

[S-H]

Beispiel:Ethanol

H3C C CH2 Br

CH3

CH3

CH3 C CH2

OCH2CH3

CH3

CH3 HBr∆

Neopentylbromid Solvolyse nach SN1 mitWagner-Meerwein-Umlagerung

CH3CH2OH

OCI_folie129

Hinweise auf SN1 - und SN2-Reaktionen

SN1-Reaktion SN2-Reaktion

1. Kinetik 1. Ordnung

R.G. = k1 [R-X]

1. Kinetik 2. Ordnung

R.G. = k2 [R-X] [Nu]

2. Kein Einfluß durch Art und

Konzentration des Nucleophils (Nu)

2. Großer Einfluß durch Art und

Konzentration des Nucleophils (Nu)

(hohe Konz. [Nu] und starkes Nu

begünstigen SN2)

3. Für Carbeniumionen typische

Umlagerungsreaktionen (Wagner-

Meerwein-Umlagerung)

3. Keine Umlagerungen

4. großer Lösungsmitteleffekt: stark

polare protische Lösungsmittel

begünstigen SN1

4. polare aprotische Lösungsmittel, in

denen Nu "nackt" vorliegt, begünstigen

SN2 (Phasen-Transfer-Katalyse)

5. Stereochemie: partielle bis

vollständige Racemisierung auf der

Stufe der achiralen Carbeniumionen

bei Verwendung von chiralen,

optisch aktiven Substraten

5. Stereochemie: Rückseitenangrif f des

Nucleophils. Vollständige Inversion am

Chiralitätszentrum

6. Abhängigkeit von der

Substratstruktur:

tert. > sec- >> prim.

abnehmende

Reaktionsgeschwindigkeit

6. Abhängigkeit von der Substratstruktur:

CH3 > prim. > sec. >> tert.

abnehmende Reaktionsgeschwindigkeit