organisch-chemischen praktikum für biologen aromatische...
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Sicherheitsbelehrung: Regeln für das Arbeiten im Labor
Seminar zum
Organisch-Chemischen Praktikum für Biologen
Aromatische Substitution
Sommersemester 2018
Prof. Dr. Rasmus Linser und Dr. Martin SumserSeptember 2018
Gruppe A
Aliphatische Substitution
Gruppe B
Carbonsäuren und Derivate
Gruppe C
Aromatische Substitution
Gruppe D
Alkene
Gruppe E
Carbonylverbindungen
Gruppe F
Oxidation und Reduktion
COOHCl + NH3
OH+ HCl
OH+ HCl/ZnCl2
COCl
O2N
+ MeOH
OH
+ TsCl
NH2
+
CHO
Cl
O2N
+ Pyridin
NO2 Zincke-Salz
Hinsberg-ReaktionOTs
+ KOH CO2EtEtO2C + Br2
CHO
+O +
H H
OO+ Me2NH2
+ Cl-
CO2Et
+ PhMgBr
OH
+ Ca(OCl)2 + NaBH4O
Iodoform-Reaktion
August Kekulé (Darmstadt/Giessen)
Vierbindiger Kohlenstoff,
Einführung von Strukturformeln,
Struktur von Benzol (1865)
C6H6, Destillat aus Steinkohleteer mit aromatischem Geruch
→ Struktur?
hydH
(kJ mol-1)
-120 kJ mol-1+ H2
-230 kJ mol-1+ 2 H2
-206 kJ mol-1+ 3 H2
"1,3,5-Cyclohexatrien"
139 pm
HH
H
H
H
HH
H
HH
133 pm
154 pm
Keine spontane Reaktion mit Br2
Aromatische Verbindungen
Hückel-Regel
Ringverbindungen, deren Gerüstatome sich durch sp2-Hybridisierung
beschreiben lassen, insgesamt 4n+2 p-Elektronen beitragen, sowie planar
und konjugiert angeordnet sind.
N O NH
aromatisch
antiaromatisch nichtaromatisch
Naphtalin
Cyclohepta-
trienylkation
Cyclopenta-
dienylanion
(Cp-)
Pyridin FuranPyrrol
Aromatische Verbindungen
(4n p-Elektronen)
Aromatische Verbindungen
Anisol
Reaktionen von aromatischen Verbindungen
H
+ E
HH
E
-Komplex
H
+ H
E
H
+ Nu
HLG
Nu
Meisenheimer-Komplex
H
+ LG
NuLG
Elektrophile aromatische Substitution SEAr
Nucleophile aromatische Substitution SNAr
Nitrierung, Sulfonierung, Halogenierung, Friedel-Crafts-Alkylierung/Acylierung uvm.
Elektrophile aromatische Substitution
H
+ E
HH
E
-Komplex
H
+ H
E
H E
p-Komplex I
H
p-Komplex II
E
H
langsam
Intermediäres
Cyclohexadienyl-Kation
nicht aromatisch
schnell
aromatisch
aromatisch
Nitrierung und Sulfonierung
H
+ HNO3
NO2
+ H2O
NH2
HN
OHO
ParacetamolAnilin
ON
O
O H
H2SO4
HON
O
O H
H
H2O Nitronium-Ion
O N O
H
HO2N
HHO2N
HHO2N
H
H
O2N
Nitriersäure
Nitriersäure: rauchende Salpetersäure in konzentrierter Schwefelsäure, bei 100 °C
Nitrierung und Sulfonierung
H
+ HNO3
NO2
+ H2O
NH2
HN
OHO
ParacetamolAnilin
H
+ H2SO4
SO3H
+ H2O
N
NS
OO
O
NH
NN
N
O
Sildenafil
via SO
O
Ound
HH
S
O
O
O
ON
O
O H
H2SO4
HON
O
O H
H
H2O Nitronium-Ion
O N O
H
HO2N
HHO2N
HHO2N
H
H
O2N
Sulfonierung:
Halogenierung
Br2
X
Br
FeBr3, Br2
Br/Cl
od. AlCl3, Cl2
Br Br FeBr3
+
-
H
Br
H HBr
+ HBr + FeBr3
FeBr4
CH3
Br2, h oder T
radikalisch
Br
via
HH
Br2, FeBr3
elektrophil
CH3
Br+
CH3
Br
KKK (Kern, Katalysator, Kälte)
SSS (Sonne, Siedehitze, Seitenkette)
Friedel-Crafts-Alkylierung (Alkylierung von Aromaten)
+ R-Cl
[AlCl3]
+ HCl
R
Lewis-Säuren = AlBr3, AlCl3, FeCl3, SbCl5, BF3
(noch reaktiver, weil elektronenreicher!)
Friedel-Crafts-Acylierung (Synthese von aromatischen Ketonen)
+
R Cl
O 1. 1 eq. AlCl3
2. H+/H2OR
O
+ HCl
AlCl3 ist hier Reagenz !!!
R Cl
O+ AlCl3
R Cl
OAlCl3
R Cl
OAlCl3
R Cl
O
AlCl3 RC
O
RC
O
Acylium-Ion
AlCl4
RC
O AlCl4 HR
O
AlCl4
HCl
R
OCl3Al
H3O+
R
O
+ Al(OH)3 + 3 HCl
Monofunktionalisierung !!!
Acylium-Ion
Zweitsubstitution
X
+ E
X
ortho
meta
para
1) Induktiver Effekt (+I/-I) über -Bindungen
2) Mesomerer Effekt (+M/-M) über das p-System
3) Sterische Effekte bei der Substitution
Stark aktivierend Stark desaktivierend
-NH2, -NR2, -OH, -OR, -O- -NO2, -CF3, -CO2R, COR, -COOH, -
CN
Schwach aktivierend Schwach desaktivierend
-Alkyl, -Phenyl -F, -Cl, -Br, -I
Rot = meta-dirigierend, schwarz = ortho- und para-dirigierend.
- -----E+ + -----Nu-
+ ------E+
+M Effekt:
-M Effekt:
H2O
Trocknen über
Orange-Gel
• Alle Reagenzien werden solange refluxiert bis die
Zugabe von H2O keine Fällung mehr bewirkt.
• Das Lösemittel wird am Rotationsverdampfer
entfernt
• Die Kristalle werden mit Ether gewaschen
• Umkristallisation aus EtOH unter Zugabe von
wenig Aktivkohle
Cl
NO2
O2N N
+EtOH, reflux
N
NO2
O2N Cl
2,4-Dinitrochlorbenzol Pyridin N-(2,4-Dinitrophenyl)pyridiniumchlorid
Umkristallisieren aus
EtOH mit Aktivkohle
Pumpe
Versuch 7:
Für Versuch 8(Nucleophile aromatische
Substitution SNAr)
Cl
NO2
O2N N
+EtOH, reflux
N
NO2
O2N Cl
2,4-Dinitrochlorbenzol Pyridin N-(2,4-Dinitrophenyl)pyridiniumchlorid
Nucleophile Aromatische Substitution SNAr
• Nur bei stark „desaktivierenden“ Aromaten (elektronenarmer Aromat)
• Abgangsgruppe muss vorhanden sein
N
NO2
ClN
O
O
N
NO2
ClN
O
O
NO2
N
ClN
OO
NO2
N
ClN
OO
Cl
NO2
NO2
N
NO2
NO2
ClNN
NO2
NO2
Cl
NO2
NO2
ClN
Meisenheimer-Komplex
Sanger-Methode für die N-terminale Aminosäure eines Peptides (in Kombination mit Edman-Abbau)
Chromatographie
H2O
Pumpe
Trocknen über
Orange-Gel
• Das Gemisch solange erhitzen bis sich Kristalle
abscheiden.
• Nach dem Abkühlen gibt man Aceton zu, rührt 5
min bei 50 °C und gibt anschließend konz. HCl zu.
• Nach dem Erkalten saugt man ab und wäscht mit
wenig warmen Aceton.
• Umkristallisieren aus MeOH
EtOH
reflux
N
NO2
O2N Cl
N-(2,4-Dinitrophenyl)pyridiniumchlorid
+ 2
NH2
Anilin
N
H
N
H
+
NH2
NO2
NO2
Zincke-Salz
2,4-dinitroanilin
Aceton
Okonz. HCl
Umkristallisieren
aus MeOH
Versuch 8:
Aus Versuch 7
2,4-Dinitroanilin
EtOH
reflux
N
NO2
O2N Cl
N-(2,4-Dinitrophenyl)pyridiniumchlorid
+ 2
NH2
Anilin
N
H
N
H
+
NH2
NO2
NO2
Zincke-Salz
2,4-dinitroanilin
https://de.wikipedia.org/wiki/Zincke-Reaktion
Theodor Zincke
(um 1900)
Zurück zu einer (anderen) Pyridinium-
Verbindung:
2,4-Dinitroanilin
EtOH
reflux
N
NO2
O2N Cl
N-(2,4-Dinitrophenyl)pyridiniumchlorid
+ 2
NH2
Anilin
N
H
N
H
Zincke-Salz
E
pHOMO
pLUMO
H
H
H
H 2
max 165 nm 217 nm 455 nm
NH
HN
O
O
Indigo
NO
OH
O
O
Ruhemanns Purpur
NN
SO3Na
OHNaO3S
Azorubin
c = → E = h
(h = 6.626 10-34 Js)
(ursprgl. pflanzlich) Ninhydrin und Aminosäuren
NaOH
5 min, RT
N
R = H (Anilin, prim. Amin) = CH3 (N-methylanilin, sek. Amin)
R H
SCl
O O
SN
O O
R
R = H (löslich in NaOH) = CH3 (unlöslich in NaOH)
+
Benzolsulfonylchlorid
Hinsberg-Trennung
(„Antike“ Form der qualitativen Analyse)
Versuch 9:
Oscar Hinsberg, ca. 1900
Amin Primär Sekundär Tertiär
Basisch löslich löslich unlöslich
Hinsberg
(verd. NaOH)
löslich fällt aus keine
Änderung
sauer fällt aus keine
Änderung
keine
Änderung
Edukt
Produkt
Produkt
Zusammenfassung
Cl
NO2
O2N N
+EtOH, reflux
N
NO2
O2N Cl
EtOH
reflux
N
NO2
O2N Cl
+ 2
NH2
N
H
N
H
H
+ E
HH
E
-Komplex
H
+ H
E SEAr (Nitrierung, Sulfonierung,
Halogenierung, Friedel-Crafts-Rkt.)
Hückel-Regel
• zyklisch
• planar
• konjugiertes p-System
• 4n+2 p-Elektronen
SNAr
(Addition-Eliminierungs-
Mechanismus)
H
+ Nu
HLG
Nu
Meisenheimer-Komplex
H
+ LG
NuLG
(NO2)x (NO2)x(NO2)x
Stark aktivierend Stark desaktivierend
-NH2, -NR2, -OH, -OR , -O- -NO2, -CF3, -CO2R, COR, -
COOH, -CN
Schwach aktivierend Schwach desaktivierend
-Alkyl, -Phenyl -F, -Cl, -Br, -I
Rot = meta-dirigierend, schwarz = ortho-und para-dirigierend.
Zusammenfassung
Cl
NO2
O2N N
+EtOH, reflux
N
NO2
O2N Cl
EtOH
reflux
N
NO2
O2N Cl
+ 2
NH2
N
H
N
H
H
+ E
HH
E
-Komplex
H
+ H
E SEAr (Nitrierung, Sulfonierung,
Halogenierung, Friedel-Crafts-Rkt.)
Hückel-Regel
• zyklisch
• planar
• konjugiertes p-System
• 4n+2 p-Elektronen
SNAr
(Addition-Eliminierungs-
Mechanismus)
H
+ Nu
HLG
Nu
Meisenheimer-Komplex
H
+ LG
NuLG
(NO2)x (NO2)x(NO2)x
Stark aktivierend Stark desaktivierend
-NH2, -NR2, -OH, -OR , -O- -NO2, -CF3, -CO2R, COR, -
COOH, -CN
Schwach aktivierend Schwach desaktivierend
-Alkyl, -Phenyl -F, -Cl, -Br, -I
Rot = meta-dirigierend, schwarz = ortho-und para-dirigierend.