Organische Chemie 4 - Exam

Aufgabe 1)

Sterische Effekte bei ReaktionsmechanismenSterische Effekte beeinflussen die Geschwindigkeit und Selektivität chemischer Reaktionen durch räumliche Hinderung der Reaktanten.

• Resultiert aus der räumlichen Anordnung von Atomen und Molekülen (sterische Hinderung).
• Kann die Bildung von Übergangszuständen und Intermediaten beeinflussen.
• Beispiel: Die Sn2-Reaktion wird durch sterische Hinderung behindert, wodurch die Reaktionsgeschwindigkeit reduziert wird.
• Wichtig bei der Bestimmung der Reaktivität und Produktverteilung.
• Lösbarkeit und Stabilität von Zwischenprodukten können auch sterisch beeinflusst werden.
• Konzeptionell relevant für die Stereochemie.
• Reaktionsgeschwindigkeit und Selektivität oft durch sterische Modifikation der Reaktanden oder Katalysatoren gezielt steuerbar.

a)

Erkläre, warum die Sn2-Reaktion unempfindlich gegenüber der sterischen Hinderung am Nukleophil, aber sehr empfindlich gegenüber der sterischen Hinderung am Substrat ist. Nutze den Übergangszustand, um Deine Antwort zu illustrieren.

Lösung:

Erklärung zur Empfindlichkeit der Sn2-Reaktion gegenüber sterischer Hinderung:

Die Sn2-Reaktion ist ein bimolekularer nucleophiler Substitutionsmechanismus, bei dem der Angriff des Nukleophils und das Verlassen der Abgangsgruppe gleichzeitig erfolgen. Der Übergangszustand dieser Reaktion ist ein dicht gedrängter, fünffach koordinierter Zustand, in dem das Nukleophil und die abgehende Gruppe beide teilweise an das zentrale Kohlenstoffatom gebunden sind.

Einfluss der sterischen Hinderung am Nukleophil:

• Das Nukleophil nähert sich oft von der Rückseite des Substrats an (nukleophiler Rückenangriff).
• Die sterische Hinderung am Nukleophil beeinflusst den Übergangszustand nur minimal, weil das Nukleophil vergleichsweise klein ist und sich direkt am Substrat orientiert.
• Solange das Nukleophil klein genug ist, um den Angriff auszuführen, ist die Reaktion relativ unempfindlich gegenüber sterischen Effekten am Nukleophil.

Einfluss der sterischen Hinderung am Substrat:

• Der zentrale Kohlenstoff in einem Sn2-Übergangszustand ist bereits von drei Substituenten umgeben, und weitere räumliche Belastungen durch große Gruppen am Substrat erhöhen die sterische Hinderung erheblich.
• Die sterische Hinderung am Substrat verlangsamt die Reaktion, da es dem Nukleophil schwerer fällt, das Substrat zu erreichen und den Übergangszustand zu bilden.
• Wenn große Gruppen nahe am Reaktionszentrum vorhanden sind, ist der Raum für den Nukleophilen Angriff eingeschränkt, was die Reaktionsgeschwindigkeit signifikant reduziert.

Übergangszustand und Illustration:

Der Übergangszustand der Sn2-Reaktion kann wie folgt veranschaulicht werden:

• Das nukleophile Atom (N), das sich dem Kohlenstoffatom (C) annähert.
• Das Kohlenstoffatom, das simultan mit der Abgangsgruppe (X) verbunden ist.

 C - X --> [N - C - X] --> N - C 

Hier zeigt der Übergangszustand [N - C - X] den simultanen Einfluss von N und X auf das C-Atom. Durch diesen dichten Übergangszustand ist klar ersichtlich, warum sterische Hinderung am Substrat einen größeren Einfluss hat als am Nukleophil.

b)

Berechne, wie sich die Geschwindigkeit einer Sn2-Reaktion ändert, wenn der Substrat aus 1-Chlorbutan zu 2-Chlorbutan geändert wird. Gehe von der Arrhenius-Gleichung aus und berücksichtige sterische Effekte auf die Aktivierungsenergie. Formuliere die zugehörige Gleichung und erkläre die Schritte und Annahmen, die Du triffst.

Lösung:

Berechnung der Geschwindigkeitsänderung einer Sn2-Reaktion bei Änderung des Substrats von 1-Chlorbutan zu 2-Chlorbutan:

Die Sn2-Reaktion unterliegt der Arrhenius-Gleichung, die die Abhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit (\textit{k}) von der Temperatur und der Aktivierungsenergie beschreibt:

 k = A \times e^{-\frac{E_a}{RT}} 

Hierbei steht:

• \textit{k} für die Reaktionsgeschwindigkeit
• \textit{A} für den präexponentiellen Faktor
• \textit{E}_a für die Aktivierungsenergie
• \textit{R} für die universelle Gaskonstante
• \textit{T} für die Temperatur (in Kelvin)

Die sterischen Unterschiede zwischen 1-Chlorbutan (primär) und 2-Chlorbutan (sekundär) führen zu unterschiedlicher Aktivierungsenergie. Allgemein gilt:

• 1-Chlorbutan: Geringere sterische Hinderung → Niedrigere Aktivierungsenergie (\textit{E}_a1)
• 2-Chlorbutan: Größere sterische Hinderung → Höhere Aktivierungsenergie (\textit{E}_a2)

Nehmen wir an, dass \textit{E}_a2 größer ist als \textit{E}_a1 aufgrund der erhöhten sterischen Hinderung, was die Bildung des Übergangszustands erschwert.

Um die relative Änderung der Reaktionsgeschwindigkeit zu berechnen, setzen wir die Arrhenius-Gleichungen für beide Substrate ins Verhältnis:

 \frac{k_2}{k_1} = \frac{A \times e^{-\frac{E_a2}{RT}}}{A \times e^{-\frac{E_a1}{RT}}} 

Vereinfachen der Gleichung ergibt:

 \frac{k_2}{k_1} = e^{-\frac{E_a2 - E_a1}{RT}} 

Um die tatsächliche Änderung der Reaktionsgeschwindigkeit zu bestimmen, muss man die Differenz der Aktivierungsenergien (\textit{∆E}_a = \textit{E}_a2 - \textit{E}_a1) und die Temperatur (\textit{T}) kennen. Diese Differenz ergibt sich aus den sterischen Effekten, die bei 2-Chlorbutan größer sind:

• Da die exakte Berechnung der Aktivierungsenergien aus den Sterischen Effekten komplex ist, gehen wir zunächst von einer qualitativen Betrachtung aus.

Qualitative Einschätzung:

• Da 2-Chlorbutan sterisch gehinderter ist als 1-Chlorbutan, führt die Erhöhung der Aktivierungsenergie (\textit{E}_a2 > \textit{E}_a1) zu einer Verringerung der Reaktionsgeschwindigkeit (\textit{k}_2 < \textit{k}_1).
• Quantitativ bedeutet dies: Der Geschwindigkeitsfaktor wird kleiner.

Fazit: Die Reaktionsgeschwindigkeit der Sn2-Reaktion nimmt ab, wenn das Substrat von 1-Chlorbutan zu 2-Chlorbutan geändert wird, da 2-Chlorbutan eine höhere sterische Hinderung aufweist, was zu einer höheren Aktivierungsenergie führt.

c)

Beschreibe, wie die sterische Hinderung bei der Design von Katalysatoren genutzt werden kann, um die Selektivität einer Reaktion zu verbessern. Gib ein konkretes Beispiel mit Strukturformeln und erläutere die Rolle der sterischen Effekte in diesem Beispiel.

Lösung:

Nutzen der sterischen Hinderung bei der Gestaltung von Katalysatoren zur Verbesserung der Selektivität:

Sterische Hinderung kann strategisch eingesetzt werden, um Katalysatoren zu entwerfen, die bevorzugt bestimmte Reaktionen oder Produkte fördern. Durch die gezielte Modifikation der Katalysatorstruktur kann die Zugänglichkeit zu aktiven Zentren eingeschränkt und somit die Selektivität der Reaktion erhöht werden.

Konkretes Beispiel: Verwendung von sterisch anspruchsvollen Phosphinliganden in der homogen-katalysierten Hydroformylierung:

Die Hydroformylierung ist ein industriell wichtiger Prozess zur Herstellung von Aldehyden durch Addition von CO und H₂ an Alkene unter Verwendung eines Übergangsmetallkatalysators, häufig Rhodium. Durch den Einsatz von sterisch anspruchsvollen Phosphinliganden (z.B. Triphenylphosphin, PPh₃) kann die Selektivität der Reaktion beeinflusst werden.

Strukturformeln:

• Rhodium-Tris(triphenylphosphin)-Chlorid-Komplex:

 [RhCl(PPh₃)₃] 

• Triphenylphosphinligand:

      Ph      /  P - Ph      \       Ph 

Rolle der sterischen Effekte in diesem Beispiel:

• Sterische Abschirmung: Die sterisch voluminösen Phosphinliganden (PPh₃) erschweren den Zugang zu bestimmten Bereichen des aktiven Metallzentrums. Dies kann die Positionen beeinflussen, an denen die Substrate (Alkene) koordinieren und reagieren.
• Regioselektivität: In der Hydroformylierung führt die sterische Hinderung durch die PPh₃-Liganden dazu, dass terminale Alkene bevorzugt zu linearen (Anti-Markownikow) Aldehyden reagieren, anstatt zu verzweigten (Markownikow) Aldehyden. Dies liegt daran, dass die lineare Produktformation weniger sterisch behindert wird als die verzweigte.

Durch den Einsatz von sterisch anspruchsvollen Liganden können Katalysatorsysteme gezielt so modifiziert werden, dass bestimmte Reaktionswege bevorzugt ablaufen. In diesem Beispiel wird die Selektivität der Hydroformylierung durch die gezielte sterische Modifikation der Katalysatorumgebung verbessert, um die Bildung von linearen Aldehyden zu fördern.

Aufgabe 2)

Angenommen du hast das Zielmolekül 1-Phenyl-1-propanol und möchtest eine retrosynthetische Analyse für die Synthese dieses Moleküls durchführen. Anhand des rückführenden Ansatzes, zerlege das Zielmolekül in strategische Synthesevorläufer und erkläre deinen Ansatz. Identifiziere wichtige funktionelle Gruppen und mögliche syntehsestrategien, die zur Bildung des Zielmoleküls führen können.

a)

Führe eine retrosynthetische Analyse für das Zielmolekül 1-Phenyl-1-propanol durch. Überlege, welche wesentlichen Bindungen du auftrennen könntest und welche funktionellen Gruppen in Frage kommen. Leite daraus die entsprechenden Synthesevorläufer ab und benenne diese.

Lösung:

Retrosynthetische Analyse des Zielmoleküls 1-Phenyl-1-propanol

• Zielmolekül: 1-Phenyl-1-propanol

Schrittweise Analyse

1. Identifikation der funktionellen Gruppen:

• 1-Phenyl-1-propanol enthält eine Hydroxylgruppe (-OH) und eine Phenylgruppe (eine Benzylgruppe, die an ein Kohlenstoffatom gebunden ist).

2. Überlegen, welche Bindungen aufgetrennt werden können:

• Der erste Schritt könnte die Auftrennung der Bindung zwischen dem Phenylring und dem dritten Kohlenstoffatom (C3) sein.
• Des Weiteren könnte die Bindung zwischen dem C1 und der Hydroxylgruppe betrachtet werden.

3. Zielvorläufer identifizieren:

• Ein möglicher Vorläufer für die phenylische Bindung könnte 1-Brom-1-propan sein, das mit Benzol in einer Friedel-Crafts-Alkylierung zur Reaktion geführt wird.
• Ein weiterer Vorläufer für die Hydroxylgruppeneinführung könnte Propionaldehyd sein, das durch eine Reduktion in 1-Propanol umgewandelt wird.

4. Synthesevorläufer benennen:

• Benzol: Das aromatische Ausgangsmaterial für die Friedel-Crafts-Alkylierung.
• 1-Brom-1-propan: Der Reaktant für die Alkylierung.
• Propionaldehyd: Das Aldehyd, das zur Reduktion gebraucht wird.

Zusammenfassung der retrosynthetischen Analyse:

• Das Zielmolekül 1-Phenyl-1-propanol kann durch die Friedel-Crafts-Alkylierung von Benzol mit 1-Brom-1-propan synthetisiert werden.
• Nach der Alkylierung wird das Produkt durch eine Reduktion von Propionaldehyd mit einem geeigneten Reduktionsmittel zu 1-Phenyl-1-propanol umgesetzt.

b)

Stelle eine mögliche Syntheseroute für 1-Phenyl-1-propanol auf, beginnend mit den von dir identifizierten Synthesevorläufern. Beschreibe jede Synthesereaktion und die dabei benötigten Reagenzien sowie Reaktionsbedingungen. Verwende dabei bekannte Reaktionen der organischen Chemie, die im Rahmen des Vorlesungsmaterials behandelt wurden.

Lösung:

Syntheseroute für 1-Phenyl-1-propanol

• Zielmolekül: 1-Phenyl-1-propanol
• Identifizierte Synthesevorläufer: Benzol, 1-Brom-1-propan, Propionaldehyd

Schrittweise Syntheseroute

1. Syntheseschritt: Friedel-Crafts-Alkylierung

• Reaktion:

  Benzol + 1-Brom-1-propan → 1-Phenylpropan

• Reagenzien: Benzol, 1-Brom-1-propan, Aluminiumchlorid (AlCl₃)
• Reaktionsbedingungen: Raumtemperatur, trockenes Lösungsmittel (z.B. Dichlormethan)
• Mechanismus: Die Friedel-Crafts-Alkylierung erfolgt durch die Aktivierung des Alkylhalogenids (1-Brom-1-propan) durch Aluminiumchlorid, was ein Alkylkation (Carbokation) bildet. Dieses Carbokation greift den Benzolring an und bildet 1-Phenylpropan.

2. Syntheseschritt: Oxidation von 1-Phenylpropan zu 1-Phenylpropan-1-on

• Reaktion:

  1-Phenylpropan + Oxidationsmittel → 1-Phenylpropan-1-on (Propiophenon)

• Reagenzien: 1-Phenylpropan, Kaliumpermanganat (KMnO₄) oder ein anderes mildes Oxidationsmittel
• Reaktionsbedingungen: Wässrige Lösung unter leicht sauren Bedingungen (z.B. bei pH 4-5)
• Mechanismus: Die Oxidation erfolgt durch die Übertragung von Sauerstoff vom Oxidationsmittel auf 1-Phenylpropan und die Bildung eines Ketons (Propiophenon).

3. Syntheseschritt: Reduktion von 1-Phenylpropan-1-on zu 1-Phenyl-1-propanol

• Reaktion:

  1-Phenylpropan-1-on + Reduktionsmittel → 1-Phenyl-1-propanol

• Reagenzien: 1-Phenylpropan-1-on (Propiophenon), Natriumborhydrid (NaBH₄) oder Lithiumaluminiumhydrid (LiAlH₄)
• Reaktionsbedingungen: Anhydrisches Lösungsmittel (z.B. trockenes Methanol oder Diethylether), niedrige bis Raumtemperatur
• Mechanismus: Die Reduktion erfolgt durch die Hydridübertragung vom Reduktionsmittel auf das Keton, wodurch das Alkohol (1-Phenyl-1-propanol) gebildet wird.

Zusammenfassung der Syntheseroute:

• Startmaterialien: Benzol, 1-Brom-1-propan, Propiophenon
• Schritt 1: Friedel-Crafts-Alkylierung von Benzol mit 1-Brom-1-propan unter Verwendung von AlCl₃ als Katalysator
• Schritt 2: Oxidation von 1-Phenylpropan zu 1-Phenylpropan-1-on (Propiophenon) mit einem Oxidationsmittel wie KMnO₄
• Schritt 3: Reduktion von 1-Phenylpropan-1-on zu 1-Phenyl-1-propanol mit einem Hydrid-Reduktionsmittel wie NaBH₄ oder LiAlH₄

c)

Berechne die theoretische Ausbeute der Syntheseroute, die du in der vorherigen Teilaufgabe beschrieben hast. Gehe davon aus, dass jede Reaktionsstufe eine Ausbeute von 85% hat. Wie hoch ist die Gesamtausbeute nach der letzten Reaktionsstufe? Verwende bei deinen Berechnungen die Kettenregel für Ausbeuten: \[ \text{Gesamtausbeute} = \text{Ausbeute}_{1} \times \text{Ausbeute}_{2} \times \text{...} \times \text{Ausbeute}_{n} \]

Lösung:

Theoretische Ausbeute der Syntheseroute für 1-Phenyl-1-propanol

• Zielmolekül: 1-Phenyl-1-propanol
• Synthesevorläufer: Benzol, 1-Brom-1-propan, Propionaldehyd
• Anzahl der Syntheseschritte: 3

Berechnung der Gesamtausbeute

• Angenommene Ausbeute pro Reaktionsstufe: 85% (also 0,85)
• Die Gesamtausbeute wird berechnet durch Multiplikation der Ausbeuten aller einzelnen Schritte:
• \[ \text{Gesamtausbeute} = \text{Ausbeute}_{1} \times \text{Ausbeute}_{2} \times \text{Ausbeute}_{3} \]

Schrittweise Berechnung:

• Schritt 1: Friedel-Crafts-Alkylierung \( \text{Ausbeute}_{1} = 85\% = 0,85 \)
• Schritt 2: Oxidation \( \text{Ausbeute}_{2} = 85\% = 0,85 \)
• Schritt 3: Reduktion \( \text{Ausbeute}_{3} = 85\% = 0,85 \)

Berechnung der Gesamtausbeute:

• \( \text{Gesamtausbeute} = 0,85 \times 0,85 \times 0,85 \)
• \( \text{Gesamtausbeute} = 0,614125 \)
• Um die Gesamtausbeute in Prozent anzugeben, multiplizieren wir mit 100:
• \( \text{Gesamtausbeute} = 0,614125 \times 100\% = 61,41\% \)

Zusammenfassung:

• Die theoretische Gesamtausbeute der Syntheseroute für 1-Phenyl-1-propanol beträgt ca. 61,41%.

Aufgabe 3)

Einer der wichtigsten Aspekte in der modernen organischen Chemie ist die stereoselektive Synthese, die es ermöglicht, gezielt bestimmte Stereoisomeren herzustellen. Das ist besonders relevant für Arzneimittel, da oft nur ein Stereoisomer die gewünschte biologische Aktivität zeigt. Zu diesem Zweck werden folgende Methoden verwendet:

• Enantioselektivität: Bevorzugte Bildung eines Enantiomers.
• Diastereoselektivität: Bevorzugte Bildung eines Diastereomers.
• Stereospezifität: Jeder Reaktant führt zu einem spezifischen Stereoisomer des Produkts.
• Chirale Katalysatoren und Auxiliare: Durch den Einsatz chiraler Katalysatoren und Auxiliare kann die Chiralität während der Reaktion kontrolliert werden.
• Asymmetrische Synthese: Chiralität wird von Anfang an oder während der Synthese berücksichtigt.
• Wichtige Reaktionen: Sharpless-Epoxidierung, Asymmetrische Hydrogenierung (Noyori, Wilkinson).

a)

(a) Asymmetrische Synthese und ihre Mechanismen: Erkläre den Mechanismus der Sharpless-Epoxidierung. Diskutiere die Rolle der chiralen Katalysatoren und ihrer Bedeutung für die Enantioselektivität dieser Reaktion. Zeichne das Übergangszustandmodell und beschreibe, wie es zur enantioselektiven Bildung des Epoxids führt.

Lösung:

Die Sharpless-Epoxidierung ist eine der bekanntesten asymmetrischen Synthesemethoden, die speziell zur Herstellung von epoxyden aus Alkenen verwendet wird. Diese Reaktion ist für ihre hohe Enantioselektivität bekannt, was im Wesentlichen durch die Verwendung chiraler Katalysatoren erreicht wird.

Der Mechanismus der Sharpless-Epoxidierung umfasst mehrere Schritte:

• Das Alkoxid von Titan, das durch Reaktion von Titan(IV)-isopropoxid mit einem chiralen Diol, meist (R,R)- oder (S,S)-Tartrat, erzeugt wird, dient als chiraler Komplex.
• Dieser chirale Komplex bildet eine Koordination mit dem Allylalkohol, was zur Aktivierung und Orientierung des Substrats führt.
• Ein perknochyles Reagens wie tert-Butylhydroperoxid reagiert dann mit dem aktivierten Alkene, um das Epoxid zu bilden.

Die Rolle der chiralen Katalysatoren, wie z.B. tartaric acid derivatives, ist entscheidend für die Enantioselektivität der Reaktion. Der chirale Katalysator induziert die bevorzugte Bildung eines spezifischen Enantiomers durch die sterische Beeinflussung der Reaktanten und Übergangszustände.

Das Übergangszustandmodell dieser Reaktion zeigt, wie das chirale Titan-Tartrat-Komplex das Alkene so positioniert, dass das perknochyles Reaktionsmittel von einer bevorzugten Seite angreifen kann, was zu einer sehr selektiven Epoxidierung führt. Der Übergangszustand ist dadurch gekennzeichnet, dass die chirale Umgebung des Katalysators einen der beiden möglichen enantiotopischen Gesichter des Alken bevorzugt. Dadurch gelangt nur ein bestimmtes Enantiomer als Produkt.

Hier ist ein schematisches Diagramm des Übergangszustands:

 R-OH (Allylalkohol)       Ti O         *        \t-         BHT   (tert-Butylhydroperoxid)  --OH 

Zusammengefasst führt der chirale Katalysator durch seine spezifische räumliche Anordnung und die Beeinflussung der Reagerationsteilnehmer zur enantioselektiven Bildung des Epoxids, wobei nur ein Enantiomer bevorzugt gebildet wird.

b)

(b) Enantioselektive Reaktionsbedingungen: Angenommen, Du führst eine asymmetrische Hydrogenierung nach Noyori durch. Wie würden sich verschiedene Reaktionsbedingungen (Temperatur, Druck, Konzentration der Reagenzien) auf die Enantioselektivität der Reaktion auswirken? Begründe Deine Antwort unter Einbeziehung der thermodynamischen und kinetischen Aspekte.

Lösung:

Die asymmetrische Hydrogenierung nach Noyori ist eine wichtige Methode in der organischen Chemie, um chirale Verbindungen mit hoher Enantioselektivität herzustellen. Die Reaktionsbedingungen wie Temperatur, Druck und Konzentration der Reagenzien spielen eine entscheidende Rolle für die Selektivität und Effizienz der Reaktion. Schauen wir uns diese Faktoren im Detail an:

• Temperatur:
  • Kinetische Kontrolle: Bei niedrigen Temperaturen wird die Reaktion stärker von kinetischen Faktoren beeinflusst. Dies bedeutet, dass der Übergangszustand, der zur bevorzugten Bildung eines Enantiomers führt, bevorzugt wird. Niedrigere Temperaturen begünstigen oft eine höhere Enantioselektivität, da sie unerwünschte Nebenreaktionen unterdrücken.
  • Thermodynamische Kontrolle: Höhere Temperaturen können die Energieschranken zwischen verschiedenen Übergangszuständen verringern. Dies kann zu einer geringeren Enantioselektivität führen, da die Reaktion dann eher durch thermodynamische Faktoren kontrolliert wird, was zur Ausbildung eines Gleichgewichts zwischen verschiedenen Produkten führt.
• Druck:
  • Erhöhter Druck kann die Reaktionsgeschwindigkeit einer Hydrogenierung erhöhen, da mehr Wasserstoff in die Lösung gedrückt wird. Dies könnte theoretisch auch die Enantioselektivität beeinflussen, indem es einen schnelleren Zugang zu den bevorzugten Übergangszuständen ermöglicht.
  • Allerdings ist der Einfluss des Drucks auf die Enantioselektivität in der Regel geringer als der Einfluss der Temperatur und der Konzentration der Reagenzien.
• Konzentration der Reagenzien:
  • Eine erhöhte Konzentration der chiralen Katalysatoren kann die Effizienz und Selektivität der Reaktion verbessern, da mehr aktive Zentren zur Verfügung stehen, um die gewünschten Enantiomere zu produzieren.
  • Zu hohe Konzentrationen können jedoch zu Problemen wie Agglomeration oder Deaktivierung des Katalysators führen, was wiederum die Reaktionsselektivität verringern kann.

Zusammengefasst, niedrige Temperaturen und optimale Konzentrationen von Reagenzien und Katalysatoren sind in der Regel förderlich für eine hohe Enantioselektivität bei der asymmetrischen Hydrogenierung nach Noyori. Der Druck spielt eine weniger dominante Rolle, kann jedoch ebenfalls die Reaktionsrate und damit indirekt die Selektivität beeinflussen.

Aufgabe 4)

Betrachte die Aminokatalyse, bei der Amine als Katalysatoren verwendet werden, um Enaminmechanismen in Gang zu setzen. Primäre und sekundäre Amine katalysieren die Bildung von Enaminen durch Reaktion mit Ketonen oder Aldehyden. Diese Enamine fungieren dann als Nucleophile und addieren an Elektrophile. Ein Schlüsselschritt in diesem Mechanismus ist die Bildung eines Imins, das durch die Reaktion eines Amins mit einer Carbonylgruppe entsteht. Die abschließende Hydrolyse des Imins führt zur Rückbildung der Carbonylverbindung.

a)

(a) Zeichne den detaillierten Mechanismus der Enaminbildung ausgehend von Cyclohexanon und Pyrrolidin und erkläre jeden Schritt kurz.

Lösung:

Um den detaillierten Mechanismus der Enaminbildung ausgehend von Cyclohexanon und Pyrrolidin zu zeichnen und zu erklären, folge diesen Schritten:

• Schritt 1: Nukleophiler Angriff des AminsZunächst greift das Stickstoffatom des Pyrrolidins (eines sekundären Amins) das Carbonylkohlenstoffatom des Cyclohexanons nucleophil an. Dies führt zur Bildung eines zwitterionischen Intermediats.
• Schritt 2: Protonierung und Bildung eines IminiumsEin Proton (H⁺) wird von der Lösung aufgenommen, um das Sauerstoffatom zu protonieren. Dies führt zur Bildung eines protonierten Iminiums.
• Schritt 3: Bildung des Iminium-IonDie Abspaltung eines Hydroxidions (OH^-) führt zur Bildung eines Iminium-Ions.
• Schritt 4: Deprotonierung und Bildung des EnaminsEin Proton wird vom Alpha-Position des Iminiums entfernt, was zur Ausbildung einer Doppelbindung führt und das Enamin bildet.

Hier ist eine bildliche Darstellung des Mechanismus:

• Schritt 1: Cyclohexanon + Pyrrolidin → Zwitterionischer Intermediat
• Schritt 2: Protonierte Iminium
• Schritt 3: Iminium-Ion
• Schritt 4: Enamin

Dieser Mechanismus zeigt, wie Pyrrolidin als Katalysator wirkt, um die Bildung eines Enamins aus Cyclohexanon zu erleichtern. Jedes dieser Schritte ist entscheidend, um die Reaktivität der Carbonylgruppe zu erhöhen und das Enamin zu erzeugen.

b)

(b) Zeige anhand eines geeigneten Beispiels die Reaktion eines Enamins als Nucleophil in einer Michael-Addition. Erkläre, wie das Enamin die Katalyse beeinflusst und füge alle relevanten Zwischenschritte hinzu.

Lösung:

Um die Reaktion eines Enamins als Nucleophil in einer Michael-Addition anhand eines geeigneten Beispiels zu zeigen, betrachten wir die Reaktion eines Enamins, das aus Cyclohexanon und Pyrrolidin gebildet wurde, mit Methylvinylketon. Diese Reaktion demonstriert, wie das Enamin als Nucleophil agiert und die Michael-Addition katalysiert.

• Schritt 1: Bildung des EnaminsDas Enamin wird durch Reaktion von Cyclohexanon mit Pyrrolidin gebildet, wie in Subexercise (a) beschrieben.
• Schritt 2: Nukleophiler Angriff des EnaminsDas Enamin greift das Methylvinylketon am Beta-Kohlenstoffatom nukleophil an. Dieser Schritt ist der Michael-Addition.
• Schritt 3: Bildung der neuen C-C-BindungNach dem nucleophilen Angriff entsteht ein intermediäres Produkt, das eine neue C-C-Bindung zwischen dem Enamin und dem Methylvinylketo enthält.
• Schritt 4: Hydrolyse des IminsDas Intermediat wird hydrolysiert, um das Produkt der Michael-Addition und das Pyrrolidin zurückzugewinnen. Das Cyclohexanon regeneriert sich.

Hier ist eine bildliche Darstellung des Mechanismus:

• Schritt 1: Cyclohexanon + Pyrrolidin → Enamin
• Schritt 2: Enamin + Methylvinylketon → Michael-Addition Intermediat
• Schritt 3: Intermediat → Hydrolyse
• Schritt 4: Produkt + Pyrrolidin

Der Enamin-Mechanismus funktioniert, indem es das Nucleophil bereitstellt, das eine Michael-Addition ermöglicht. Im Verlauf des Prozesses entsteht eine neue Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindung, die durch die Hydrolyse des resultierenden Imins zur Rückbildung der ursprünglichen Carbonylverbindung führt. Diese Katalyse funktioniert effizient aufgrund der besonderen Reaktivität des Enamins.

c)

(c) Beschreibe die Hydrolyse des Imins zurück zur Carbonylverbindung. Verwende als Beispiel die Hydrolyse des Imins, das aus der Reaktion von Piperidin mit Benzaldehyd entstanden ist. Berechne den Geschwindigkeitskonstanten der Hydrolyse in einem Lösungsmittel mit Dielektrizitätskonstante 78, wenn die Rate des Prozesses als k = Ae^{-Ea/RT} gegeben ist und die Aktivierungsenergie E_a = 50 kJ/mol, der Frequenzfaktor A = 1.0 \times 10^{12} s^{-1} und die Temperatur 298 K beträgt.

Lösung:

Um die Hydrolyse des Imins zurück zur Carbonylverbindung zu beschreiben, und den Geschwindigkeitskonstanten zu berechnen, folgen wir diesen Schritten:

• Aufbau des Beispiels: Wir betrachten die Hydrolyse des Imins, das aus der Reaktion von Piperidin und Benzaldehyd entstanden ist. Das Imin hat die Struktur:

C6H5CH=N-C5H10

Das Imin wird durch ein Proton protoniert, um ein protoniertes Iminiumion zu bilden:

C6H5CH=NH-C5H10 + H+ → C6H5CH=N(H)-C5H10

Ein Wassermolekül greift das protonierte Iminiumion nucleophil an, was zu einem instabilen Intermediat führt:

C6H5CH=N(H)-C5H10 + H2O → C6H5CH(OH)-NH-C5H10

Das Intermediat zerfällt unter Freisetzung des Benzaldehyds und des Piperidins:

C6H5CH(OH)-NH-C5H10 → C6H5CHO + H2O + C5H10N

Der komplette Mechanismus der Hydrolyse ist somit wie folgt:

• Piperidin-Benzaldehyd-Imin + H₂O → Protoniertes Iminiumion
• Protoniertes Iminiumion + H₂O → Intermediat
• Intermediat → Benzaldehyd + Piperidin

Berechnung der Geschwindigkeitskonstanten:

Die Arrhenius-Gleichung wird verwendet, um die Geschwindigkeitskonstante k zu berechnen:

\[k = A e^{-E_a / (RT)} \]

Wobei:

• A: Frequenzfaktor = $1.0 \times 10^{12} \text{s}^{-1}$
• E_a: Aktivierungsenergie = 50 kJ/mol = $50,000 \text{J/mol}$
• R: Universelle Gaskonstante = 8.314 J/(mol·K)
• T: Temperatur = 298 K

Einsetzen der Werte in die Arrhenius-Gleichung ergibt:

k = 1.0 \times 10^{12} \text{s}^{-1} \times e^{-50,000 \text{J/mol} / (8.314 \text{J/mol·K} \times 298 K)}

Weiterrechnen ergibt:

k = 1.0 \times 10^{12} \text{s}^{-1} \times e^{-20.121}

k = 1.0 \times 10^{12} \text{s}^{-1} \times 2.0 \times 10^{-9}

k ≈ 2.0 \times 10^3 \text{s}^{-1}

Der Geschwindigkeitskonstanten der Hydrolyse in einem Lösungsmittel mit Dielektrizitätskonstante 78 bei 298 K beträgt somit etwa 2.0 × 10³ s^-1.