ADDITIONSREAKTIONEN

1. Reaktionstypen und Reaktionsmechanismen 2.Teil ADDITIONSREAKTIONEN Mariazell, Dezember 2007 Lisbeth Berner

2. Inhaltsverzeichnis 1. Elektrophile Additionen 1.1 Addition an C=C-Bindung 1.2.Addition an konjugierte C=C-C=C-Bindung 1.3.Addition an die C≡C-Bindung 1.4 Addition an die C=O-Doppelbindung 3. Pericyclische Reaktionen 3.1 Elektrocyclische Reaktionen 3.2 Cycloadditionen 3.3 Spezielle [2+2]Addition, Hydroborierung 3.4 [2+1]Cycloadditionen 2. Radikalische Additionen 2.1 Addition an C=C-Bindung 2.2 Addition an C=C-C=C-Bindung 2.3 Addition an aromatische Doppelbindungen 2.4 Addition an C≡C-Bindung 4.Nucleophile Additionen 4.1 Addition an die C=C-Bindung 4.2 Addition an die C=O-Bindung 4.3 Addition an RCOX 4.4 Addition an die C≡N-Bindung Verwendete Literatur Peter Sykes, Wie funktionieren organische Reaktionen (Reaktionsmechanismen für Einsteiger), 2.Auflage, Wiley-VCH Peter Sykes, Reaktionsmechanismen der Organischen Chemie, 8.Auflage, Verlag Chemie, Taschentext U. Lünig, Organische Reaktionen (Eine Einführung in Reaktionswege und Mechanismen), 2.Auflage, Spektrum Akademischer Verlag K.P.C. Vollhardt, N.E. Shore, Organische Chemie, 4. Auflage, Wiley-VCH Clayden et al, Organic Chemistry, Oxford University Press Latsch, Kazmaier, Klein, Organische Chemie, Chemie-Basiswissen II, 5.Auflage, Springer Verlag

3. Allgemeines Betrachtung der Addition als Umkehr der Elíminierung. Es werden zwei neue Substituenten an eine Doppelbindung gebunden. Es wird eine relativ schwache π-Bindung gebrochen und zwei meist feste σ-Bindungen gebildet. • Mehrere Reaktionswege möglich: • Synchrone syn-Addition entspricht einer syn-Eliminierung • Zur E1- und E1cB-Reaktion gehören die elektrophile und nucleophile Addition – Zwischenstufen sind Kationen bzw. Anionen • c) (Umkehr der E2-Reaktion unwahrscheinlich, weil „Dreierstoß“ nötig wäre • d) Radikalische Additionsreaktionen • e) Cycloadditionen wie z.B. Diels-Alder

5. 1. Elektrophile Additionen 1.1 Additionen an die C=C-Doppelbindung 1.1.1 Addition von Brom Bromonium-Ion anti π-Komplex Polarisierung der Br-Br-Bindung  „Bromoniumion“ als cyclischer Übergangszustand; Br- greift von Rückseite an  stereospezifisch „anti“. Bildung des Bromoniumions ist der geschwindigkeitsbestimmende Schritt. Stereochemie wichtig bei Addition an geometrische Isomere oder cyclische Verbindungen:

6. Addition von Br2 an Z-But-2-en Addition von Br2 an E-But-2-en:

7. anti-Addition auch bei cyclischen Verbindungen: 1.1.1.1 Beweise für cyclische Zwischenstufe: a) Zusatz von „anderen“ Nucleophilen bei der Bromierung:

8. b) Isolierung einer cyclischen Bromoniumion-Zwischenstufe: 1.1.2 Addition anderer Halogene: Addition von F2 zu heftig, daher unbrauchbar; Addition von Cl2 möglich; Cl bildet aber wegen seiner höheren Elektronegativität und seiner geringeren Größe weniger gut cyclische Zwischenstufen. Es existieren daher auch einfache Carbeniumionen und die Addition erfolgt daher auch teilweise syn und nicht nur anti (d.h. Chloraddition ist stereoselektiv und nicht stereospezifisch wie bei Br2. Addition von I2 präparativ von geringer Bedeutung (häufig auch leicht umkehrbar).

9. 1.1.2.1 Einfluss der Struktur des Alkens: Jeder elektronenspendende Substituent erleichtert die Addition, weil die positiv geladene Zwischenstufe stabilisiert wird. Für die Addition von Br2 an die C=C-Bindung ergeben sich folgende relative Reaktionsgeschwindigkeiten: 1.1.3 Addition von HX: Alle HX (X = F,Cl,Br,I) addieren an C=C-Bindung. Die Ge-schwindigkeit folgt der Säurestärke HI>HBr>HCl>HF, weil die Protonierung der Doppelbindung geschwindigkeitsbestimmend ist. Es entsteht ein einfaches Carbeniumion (kein cyclisches möglich mit H), bei verschiedenen Möglichkeiten immer das stabilere Carbeniumion.

10. 1.1.3.1 Orientierung der Addition – Markovnikov-Regel Stabilität der Carbeniumionen: tertiär>Benzyl>Allyl~sekundär>primär~Vinyl>Phenyl Manchmal erfolgen auch Umlagerungen zum stabileren Carbeniumion (Wagner-Meerwein-Umlagerung) Addition erfolgt regioselektiv (d.h. es entsteht bevorzugt eines der möglichen Isomeren, nicht regiospezifisch (wäre nur ein Isomeres).

11. 1.1.3.2 Hydratisierung Anlagerung von H2O in Anwesenheit von Säuren, deren Anionen möglichst wenig nucleophil sein sollten, z.B. HSO4- aus H2SO4. Es entstehen Markovnikov-Produkte. Sollte das Anion der Säure als Nucleophil angreifen, wird es in der Folge durch das im Überschuss vorhandene H2O nucleophil substituiert. 1.1.3.3 Oxymercurierung Quecksilber-katalysierte Addition von H2O an Alkene  Markov-nikov-Produkt; es entsteht kein Carbeniumion, das umlagern kann. Das gebundene Quecksilberacetat wird mit NaBH4 entfernt.

12. Mechanismus: 1.1.3.4 Addition von HOX, Bildung von „Hydrinen“ X2/H2O oder HOX wird addiert, X+ ist das Elektrophil.

13. 1.1.4 Kationische Polymerisation In Abwesenheit starker Nucleophile addieren Carbeniumionen auch an Doppelbindungen, und durch fortgesetzte Additionen entstehen schließlich langkettige Polymere. z.B. Kationische Polymerisation von Methylpropen: Kationische Polymerisationen von Alkenen gegenüber radikalischen Polymerisationen von geringer Bedeutung.

14. 1.2. Addition an konjugierte Doppelbindungen C=C-C=C: 1.2.1 Addition von Br2: Addition von Br2 (oder HBr) erfolgt an konjugierte Doppel-bindungen rascher, weil das entstehende Carbeniumion durch Mesomerie stabilisiert ist und daher rascher gebildet wird. Es entsteht kein cyclisches Bromoniumion, weil dann keine Delokalisierung möglich wäre. Die beiden Zwischenstufen eröffnen zwei Wege der Addition: 1,2-Addition und 1,4-Addition. Beide Wege werden beschritten:

15. 1.2.2 Addition von HBr: Orientierung bestimmt durch die Stabilität der Carbeniumionen; Ergebnis ist wieder 1,2- und 1,4-Addition

16. 1.3 Addition an die C≡C-Bindung Verlaufen langsamer als an C=C-Bindung: Begründung: π-Elektronen der Dreifachbindung fester gehalten, d.h. weniger nucleophil und als Zwischenprodukt entstehen Vinylkationen (z.B. H2C=CR+), die deutlich instabiler sind als die aus Alkenen entstehenden Alkylkationen. 1.3.1 Addition von Br2: Stufenweise über (E)-1,2-Dibromethen zu 1,1,2,2-Tetrabromethan 1.3.2 Addition von HBr: Reaktion kann oft nach der Addition von einem Molekül HX gestoppt werden. 2. Addition folgt den Regeln von Markovnikov  erfolgt langsamer als Erstanlagerung und liefert bevorzugt geminales Dibromprodukt.

17. 1.3.3 Addition von H2O: liefert Enolform eines Ketons, lagert sich rasch in Keton um (gute präparative Methode)

18. 1.4 Addition an die C=O-Doppelbindung: C=O-Bindung ist polar; elektrophiler Angriff nur am O-Atom möglich; nur bei säurekatalysierten Additionen von Nucleophilen, wie z.B. ROH von Bedeutung (ohne H+-Katalyse ist ROH zu wenig nucleophil um mit einer CO-Gruppe zu reagieren):

19. 2. Radikalische Addition Begünstigt durch Licht, Startradikale und nichtpolare Lösungs-mittel, oft auch in der Gasphase; elektrophile Additionen durch Lewis-Säure-Katalysatoren und polare Lösungsmittel gefördert 2.1 Additionen an die C=C-Doppelbindung 2.1.1 Addition von HX Nur die Addition von HBr verläuft gut, da beide Schritte der Reaktionskette exotherm sind (bei HCl ist die Spaltung der starken HCl-Bindung endotherm, bei HI ist der 1. Schritt endotherm). Läuft als Kettenreaktion ab; in Ether mit Peroxiden als Radikal-starter; es entsteht das anti-Markovnikov-Produkt, weil das sekundäre Alkylradikal stabiler ist als das primäre.

20. Mechanismus: 2.1.2 Polymerisation von Monomeren der Struktur H2C=CH-X 3 Phasen der Polymerisation: Start (Initiierung), Kettenver-längerung (Propagierung) und Kettenabbruch (Terminierung). Propagierung verläuft meist sehr rasch; für den Abbruch ist üblicherweise die Kombination zweier Moleküle des wachsenden Polymer verantwortlich (b).

21. Monomere wie CH2=CH-X polymerisieren „Kopf-Schwanz“, d.h. die länger werdende Kette addiert an das weniger substituierte C-Atom (sterisch günstiger).

22. 2.1.3 Katalytische Hydrierung Freie H-Radikale treten nicht auf: H2 wird an der Metalloberfläche (Katalysatoren, Ni, Pt, Pd, Rh) adsorbiert, dadurch wird die H-H-Bindung geschwächt, wenn nicht sogar gebrochen; Alken koordiniert über die π-Bindung mit der Oberfläche des Katalysators; während der Reaktion werden die reagierenden Teilchen wie auf einem Art Träger festgehalten. Das resultierende Alkan-Molekül wird von der Oberfläche desorbiert und so neue aktive Zentren zur Verfügung gestellt. Es erfolgt syn-Addition.

23. 2.2 Addition an konjugierte Doppelbindungen C=C-C=C 2.2.1 Addition von Br2 und HBr Wie bei der elektrophilen Addition entstehen die stabileren, sekundären Zwischenstufen (durch Mesomerie stabilisiert) und schließlich 1,2- bzw. 1,4-Additionsprodukte. Die Addition erfolgt in einem anti-Markovnikov-Modus.

24. 2.2.3 Polymerisation von konjugierten Dienen Start: Radikalstarter, dann fortgesetzte 1,4-Addition; Polymer enthält eine Doppelbindung pro Einheit. Vernetzung („cross linking“) z.B. durch S  Vulkanisation. Stereochemie an der Doppelbindung für Eigenschaften des Polymeren von Bedeutung: Natürlicher Kautschuk: „all-cis-Doppelbindungen“, Monomer Isopren, klebrige Masse. Guttapercha: „all-trans-Doppelbindungen“, Monomer Isopren, hart und spröde.

25. 2.3 Addition an aromatische Doppelbindungen 2.3.1 Addition von Cl2 an Benzen: Bei Bestrahlung oder in Gegenwart von Peroxiden Addition bis zum Additionsprodukt C6H6Cl6 (Enthält der Benzenring Substituenten, die durch Cl-Radikale substituiert werden können, läuft die Substitution bevorzugt ab).

26. 2.3.2 Reduktion mit Na in NH3(l) + C2H5OH – Birch-Reaktion 2.4 Addition an die C≡C-Bindung • 2.4.1 Katalytische Hydrierung: • mit Katalysatoren wie Pt, Pd, Ni und Rh werden 2 Äquivalent H2 addiert und es entstehen die entsprechenden Alkane. • Alkine sind etwas reaktionsfähiger als Alkene.

27. b) Bei der Hydrierung an einem „vergifteten“ Katalysator (Pd mit Pb(II)salzen versetzt), dem so genannten Lindlar-Katalysator, wird nur 1 Äquivalent H2 aufgenommen und es entsteht nach dem syn-Modus bevorzugt das entsprechende (Z)-Alken 2.4.2 Birch-Reduktion Alkine werden mit Na in NH3(l) zu (E)-Alkenen reduziert; es ist kein EtOH nötig, weil das Vinylanion basisch genug ist, um NH3 zu deprotonieren und man keine externe Protonenquelle braucht.

28. 3. Pericyclische Reaktionen Einführung Reaktionen, bei denen keine reaktiven Teilchen wie Radikale, Anionen oder Kationen eine Rolle spielen (so genannte „no mechanism“-Reaktionen), sie laufen z.B. bei der Diels-Alder-Reaktion konzertiert über cyclischen Übergangszustand, an dem sechs cyclisch konjugierten -Elektronen beteiligt sind. Ein solcher Übergangszustand ist nach der Hückel-Regel besonders energiearm. Pericyclische Reaktionen sind so genannte orbital-kontrollierte Reaktionen, die mit Hilfe der Grenzorbitaltheorie (Woodward-Hoffmannn-Regeln) verstanden werden können. Name „pericyclisch“ (gr. „um den Ring herum“) soll andeuten, dass die Elektronen um einen ringförmigen Bereich verschoben werden.

29. 3.1 Elektrocyclische Reaktionen: ein konjugiertes, lineares π-System bildet unter Verlust einer π-Bindung eine neue σ-Bindung und damit einen Ring. 3.2 Cycloadditionen: 3.2.1 [4+2]-Cycloaddition: Diels-Alder Reaktion

30. Beispiele für Diene: Beispiele für Dienophile (möglichst elektronenarme Alkene, π-Bindung möglichst mit –M-Gruppe konjugiert) Bei unsymmetrisch substituierten Dienen und Dienophilen muss man mit Regioisomeren rechnen (Regioselektivität)

31. Beispiele zu Diels-Alder-Reaktionen: Stereochemie der Diels-Alder-Reaktion: Reaktionspartner können sich von verschiedenen Seiten nähern. Es kann ein exo- oder ein endo-Produkt entstehen.

32. „endo“ (gr. innen): in bi- oder höher cyclischen Verbindungen sind funktionelle Gruppen einander zugekehrt oder ins Innere des Ringsystems gerichtet „exo“ (gr. außen): das Gegenteil von „endo“. Addition von Maleinsäureester an Cyclopentadien:

33. Es entsteht bevorzugt das endo-Produkt, das aber thermo-dynamisch weniger stabil ist (kinetische Kontrolle!) Bei höheren Temperaturen wird die Diels-Alder-Reaktion reversibel, dann entsteht das thermodynamisch stabilere exo-Produkt. 3.2.2 [3+2]-Cycloadditionen: 3.2.2.1 Ozonolyse: Alken + O3 zum Ozonid und anschließende reduktive oder oxidative Aufarbeitung.

34. Spaltung: • Reduktiv mit z.B. Zn/HAc oder (CH3)2S oder H2/Kat. • Oxidativ z.B. mit H2O2 3.2.2.2 cis-Dihydroxylierungen mit OsO4 oder KMnO4:

35. 3.3 Spezielle [2+2]-Addition, die Hydroborierung Aus einer π-Bindung und einer σ-Bindung werden 2 neue σ-Bindungen gebildet  ein nicht-cyclisches Produkt. Alken + BH3 (oder R2BH); B weniger elektronegativ wie H, daher trägt in der B-H-Bindung H die neg. Partialladung und wird an das stärker substituierte C-Atom gebunden  anti-Markovnikov Hydroborierung verläuft syn-stereospezifisch und auch regio-selektiv  primäre Alkohole. BH3 kann alle 3 H-Atome übertragen, alkylierte Borane nur jeweils 1 oder 2 H-Atome. Aufarbeitung mit H2O2 in Base, es entsteht R2BOH bzw. RB(OH)2 oder B(OH)3.

36. 3.4 [2+1]-Cycloadditionen, bei denen jeder Partner für die zweiσ-Bindungen zu einem Atom ein Elektronenpaar zur Verfügung stellt, die π-Bindung geht verloren. 3.4.1 Carben-Addition: z.B. Dichlorcarben (aus CHCl3 in Base) addiert stereospezifisch (syn-Addition) zu cis-substituierten Cycloproanen.

37. 3.4.2 Epoxidierung – anti-Dihydroxylierung O-Atom aus Persäure wird auf die Doppelbindung übertragen  Epoxid (Oxiran). Konzertierte Reaktion, auch in unpolaren LM stereospezifisch „syn“. Meist verwendet: MCPBA = m-Chlorperbenzoesäure; je elektronenreicher die Doppelbindung, desto rascher verläuft dieEpoxidierung (d.h. tetrasubstituierte Alkene werden am schnellsten umgesetzt). Epoxide sind wichtige Zwischenprodukte für die stereoselektive Bildung von Diolen, weil sowohl basische wie auch eine sauer katalysierte Hydrolyse anti verläuft  anti-Dihydroxylierung

39. Übung zu Additionen an C=C-Bindungen:

40. Mit etwas Stereochemie:

41. 4. Nucleophile Addition Allgemeines Voraussetzung für nucleophile Addition ist eine gewisse „Elektro-nenarmut“ an einem C-Atom. Daher vorwiegend an C=O-Bindungen. An C=C-Bindungen nur, wenn eines der C-Atome elektronenziehende Gruppen trägt. 4.1. Addition an die C=C-Bindung 4.1.1 Addition an C=C-C≡N (Cyanethylierung) z.B. ROH Andere Nucleophile: RO-, H2O, Amine, Phenole, H2S

42. 4.1.2 Addition an die C=C-C=O: auch C=O-Gruppe elektronenziehend; 4.1.2.1 Addition von HBr Addition von HBr an Me2C=C(Me)=O; O wird protoniert, dann nucleophiler Angriff durch Br-; Enol lagert spontan zu Keton um. Auch mit ROH als schwachem Nucleophil und mit saurer Katalyse möglich.

43. 4.1.2.2 Addition von RMgBr (Grignard-Reagentien) hier Konkurrenz zwischen 1,2- und 1,4-Addition, weil Angriff sowohl auf C=C- als auch auf C=O-Bindung möglich; die Addition eines Carbanions an die C=C-Bindung nennt man Michael-Reaktion

44. 4.2 Addition an die C=O-Bindung in Carbonylverbindungen 4.2.1 Reaktivität der C=O Sterische Effekte, elektronische Einflüsse, Delokalisierung  und CH3 größer als H  nucleophiler Angriff erschwert; Methyl-gruppen sind Elektronendonatoren  nucleophiler Angriff er-schwert; Phenylgruppen stabilisieren durch Delokalisierung die C=O-Gruppe  nucleophiler Angriff erschwert. Wichtig: nucleophile Reaktionen an C=O sind meist reversibel (Ausnahme: Hydridübertragungen), daher muss man wissen, wie leicht oder schwer eine bestimmte Addition erfolgt und nach welcher Seite hin das Gleichgewicht verschoben ist. Beispiel: Hydrat-Bildung

45. 4.2.2 Addition von H2O = Hydrat-Bildung Lässt man die Umsetzung von H218O mit Aceton ablaufen, so nimmt im Laufe der Zeit der Anteil an 18O-Isotop im Aceton zu, d.h. das Gleichgewicht wird durchlaufen! Substituenten mit –I-Effekt stabilisieren die Hydrate:

46. 4.2.3 Addition von ROH – Acetal- bzw. Ketalbildung Die Reaktion von Aldehyden (Ketonen) mit Alkoholen verläuft unter Bildung von Halbacetalen (Halbketalen). Diese lassen sich inGegenwart von Säuren und überschüssigem Alkohol zu Acetalen (Ketalen) umsetzen. Acetalbildung verläuft in zwei Schritten. Der 1. Schritt benötigt keine Säure, im 2. Schritt benötigt man H+ zur Protonierung der OH-Gruppe:

47. Da alle Reaktionsschritte Gleichgewichtsreaktionen sind, lassen sich Acetale im sauren Milieu leicht wieder spalten. Im basischen Milieu sind sie stabil. Um das Gleichgewicht in Richtung Acetale zu verschieben, kann man bei der Reaktion die Alkohole imÜberschuss verwenden oder H2O aus dem Gleichgewicht entfernen (besonders wichtig bei Ketalen). Besonders günstig verläuft die Acetalbildung mit Diolen, da hierbei cyclische Acetale gebildet werden. Cyclische Acetale und Ketale sind relativ stabil und werden gerne als Schutzgruppen fürCarbonylverbindungen verwendet.

48. Befinden sich OH- und Carbonylgruppe in einem Moleküle, so bilden sich leicht cyclischeHalbacetale (z.B. bei Kohlen-hydraten)

49. Polymerisation von Methanal  „Paraformaldehyd“ 4.2.4 Reaktion mit S-Nucleophilen 4.2.4.1 Thioacetale und Thioketale Thiole reagieren mit Carbonylverbindungen analog zu Alkoholen zu Thioacetalen und Thioketalen. Bildung sehr leicht, weil Thiole sehr nucleophil sind. Spaltung mit Quecksilbersalzen, damit wird abgespaltenes Thiol aus dem Gleichgewicht entfernt. Mercaptid Thioacetal

50. Cyclische Thioacetale dienen zur „Umpolung“ von Carbonyl-verbindungen (d.h. das C-Atom der Carbonylgruppe wird selbst zum nucleophilen Zentrum, das nucleophil angreifen kann). Die S-Atome sind elektronenanziehend und leicht polarisierbar, stabilisieren daher eine neg. Ladung am Carbonyl-C-Atom. 4.2.4.2 Addition von Natriumhydrogensulfit  „Bisulfit“-Bildung zur Abtrennung und Reinigung von Carbonylverbindungen; spalten wieder mit Säuren oder Basen.