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Sicherheitsbelehrung: Regeln für das Arbeiten im Labor
Seminar zum Organisch-Chemischen Praktikum für Biologen
Carbonsäuren und Derivate
Sommersemester 2018 Prof. Dr. Rasmus Linser/Dr. Martin Sumser September 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-Reaktion
OTs
+ KOH CO2EtEtO2C + Br2
CHO+
O +H H
OO+ Me2NH2
+ Cl-
CO2Et
+ PhMgBr
OH
+ Ca(OCl)2 + NaBH4O
Iodoform-Reaktion
ROH
O
Carboxylgruppe
O
OH
Benzoesäure
H3C
O
OH
Essigsäure
H
O
OH
Ameisensäure
R
O
OH+ H2O
Ka
R
O
O+ H3O
R
O
O
R pKS
H- +3.75
CH3- +4.76
C6H5- +4.20
ClCH2- +2.87
Cl2CH- +1.35
Cl3C- +0.66
F3C- +0.52 pKS (HCl) = -8
R OH
H H [O]R O
[O]H
R O
OH
Carbonsäuren
pKS= -log (KS)
=> Je niedriger der pKS-Wert, desto stärker die Säure
pKS (H2O) = ca. 16
Carbonsäure-Derivate
R
O
Xδ+
δ-
Elektrophile(z.B. H+)
Nucleophile
R
O
NR
RR
O
NR
R
R
O
Cl R
O
O
O
R R
O
OR
R
O
NR
RR
O
O> > > >
Reaktivität gegenüber Nuc- nimmt ab
Säurechlorid Säureanhydrid Ester Säureamid Carboxylat
Sehr gute Abgangsgruppestark positiv polarisiert
keine Abgangsgruppestark negativ polarisiert
R2C=O: 1x σ, 1x π Bindung
Bürgi-Dunitz Trajektorie (107 °)
Besetztes MO Nucleophil
Unbesetztes MO Elektrophil
H2O
Eisbad
Pumpe
Trocknen über Orange-Gel
O2N
Cl
O
O2N
OMe
O
+ HCl
p-Nitrobenzoesäurechlorid p-Nitrobenzoesäuremethylester
+ MeOHreflux
• MeOH wird zum Säurechlorid gegeben und anschließend unter Rückfluss erhitzt. • Auf RT abkühlen lassen • Kristallisation im Eisbad • Absaugen und mit wenig eiskaltem MeOH waschen
Versuch 4:
Veresterung durch nucleophilen Angriff
O
Cl
O2N
OCH3
H
O Cl
O
O2NH
CH3
Tetraedrisches Intermediat
O
OH
CH3
O2NCl
H
O
OCH3
O2N
Negative Ladung gut stabilisiert!
(Zum besseren Verständnis noch einmal zum Zählen von Ladungen: - Bindende Elektronenpaare zählen halb zum Partner 1, halb zum Partner 2. - Wenn also ein freies Elektronenpaar nun zum Binden verwendet wird (in einem Molekülorbital Verwendung findet), geht diesem Teilchen eine negative Ladung verloren. - Umgekehrt, wird ein Elektronenpaar aus einer Bindung einem Partner nun ganz überlassen, gewinnt dieser eine negative Ladung.)
Veresterung durch nucleophilen Angriff
O
Cl
O2N
OCH3
H
O Cl
O
O2NH
CH3
Tetraedrisches Intermediat
O
OH
CH3
O2NCl
H
O
OCH3
O2N
Synthese eines Carbonsäurechlorids
ClS
Cl
O
Thionylchlorid
R O
OH
R O
OH + Cl
SCl
O
R OS
O
Cl
O
Cl
R Cl
O O SO
Cl
O
Cl+ Cl + SO2
Ester
Säure + Alkohol Ester + H2O
HNO3 H2SO4O
OH
OO O
O2N
O2N
NO2
SO O
O
O
O
O
O
Essigsäureethylester
Essigsäurepentylester
Nitroglycerin
Kondensation
„Irgendwo zwischen Birne und Banane“
(Salznomenklatur: „Ethylacetat“ „Pentylacetat“)
Glycerin: Basis für die natürlichen Öle und Fette (Fettsäuren) -> viele essentiell!
Zellmembranen: DMPC etc.
Zellerkennung: Sphingolipide
H+-katalysierte Veresterung
R O
OH
R O
OH
H2SO4
H
R O
OH
H H
R'-OH
OR'
H
R O
HO OH
H
R'
~ H
R O
H2O OHR'
H2OR
O
O
H
R'
HR O
OR'
Reversibel!
H+-katalysierte Veresterung und Verseifung
R O
OH
R O
OH
H2SO4
H
R O
OH
H H
R'-OH
OR'
H
R O
HO OH
H
R'
~ H
R O
H2O OHR'
H2OR
O
O
H
R'
HR O
OR'
Irreversibel!
R O
OR'
OH
R O
O OHR' R
O
OH + O-R'
R
O
O+ HO-R'
Verseifung
H+-katalysierte Veresterung
R O
OH
R O
OH
H2SO4
H
R O
OH
H H
R'-OH
OR'
H
R O
HO OH
H
R'
~ H
R O
H2O OHR'
H2OR
O
O
H
R'
HR O
OR'
R O
OR'
OH
R O
O OHR' R
O
OH + O-R'
R
O
O+ HO-R'
OO O
O
RO
R
O
R
MeO
O
n
O
O
n
NaOH
Na
MeO
NaOH -> Kernseife, KOH -> Schmierseife
- Glycerin
- Glycerin
Verseifung
Umkristallisieren aus wenig EtOH
Trocknen über Orange-Gel
+Pyridin
0 °C, 2hOH
SCl
O O
+
p-Toluolsulfonsäurechlorid"TsCl"L(-)-Menthol
N
OTsNH Cl
Eisbad
TsCl
Kristallmassein Toluol
Waschen mit verd. HCl, gefolgt von verd. NaOH,
gefolgt von H2O Druckausgleich !!!
Toluol
H2OOrg. Phase trocknen
über Na2SO4
Filtrieren
• Menthol in Pyridin kühlen • TsCl dazugeben und rühren bis sich alles gelöst hat • Nach 2 h kristallisiert das Rohprodukt aus
Versuch 5:
Für Versuch 10
Veresterung durch nucleophilen Angriff
N
Pyridin = Lewis-Base
freies Elektronenpaar
N
pKa (H2O) 16.5 5.2
OH N H
SO O
Cl
N
SO O
N
Cl OH
R
SO
O O
H
R
N
SO
O O+
NH
N H
O
+N
OH
+
Lsgsm.: hoher Überschuss!
Gute Abgangsgruppe -> Menthen
Umkristallisieren aus wenig MeOH
Trocknen über Orange-Gel
+ H2ONH2
+
AnilinBenzaldehyd
O
H ΔN
H
Benzyliden-anilin
Benz-aldehydAnilin
Erstarrt nach dem Abkühlen
H2O
Pumpe
Stopfen
Schliffthermometer
Vorlage
Liebig-Kühler
Wieso Benzaldehyd und Anilin vorher destillieren?
• Benzaldehyd und Anilin vermengen • Erhitzen bis Trübung eintritt • Abkühlen lassen
Versuch 6:
NH2
AnilinBenzaldehyd
O
H
Verunreinigung durch Benzoesäure (Autoxidation)
O
H hνO
O2O
OO
O
HO
OOH
Radikal-KettenreaktionO
HO
OH
PerbenzoesäureBenzoesäure
2
Anilin bildet sehr leicht ein farbiges Polymer.
O
O
O2
vgl. Ether-Autoxidation
O
O
OO
OO
Oktettregel nicht erfüllt!
Hintergrundinfos zu den Ausgangsstoffen:
+ H2ONH2
+
AnilinBenzaldehyd
O
H ΔN
H
Benzyliden-anilin
Bildung von Halbacetalen
H
R1O
H+ H
OR2
H O
HO
HO
H
O
H
Ein Halbacetal/HemiacetalOR2
OHH
R1
Bildung von (Voll-)Acetalen
H
R1 O R2
+ HO H H
R1 O R2
O HH
H
R1O
R2
- H2O
+ R2-OH
H
R1 O R2
O R2H
H
R1 O R2
O R2 - H
R
O
H+ HO
OHH O O
R H+ H2O
ein Vollacetal
ein Halbacetal
Halbacetale:
+ H2ONH2
+
AnilinBenzaldehyd
O
H ΔN
H
Benzyliden-anilin
O
H
NH2
NH2
O H~ H
NH
HO H
Halbaminal
H
H2O
N
Imin
Die Reaktion von Carbonylverbindungen mitprimären Aminen liefert Imine
+ H
R3
R2N
R1
R3
R2 N R1
O HH
R3
R2 NR1
O
– H
R2
O
R3+R1 N
H
HH
H
R3
R2 N R1
O
H
H
(Halbaminal)
H
– H2OHR3
R2N
R1
Imin Iminium Ion
Carbonyle und Imine
R1
C OR2
δ+ δ-
R1
C OR2 H
R1
C OR2 H
R1
C NR2
δ+ δ-
R1
C NR2 R3
R1
C NR2 R3
R3
H H
Imin
Iminium Ion
Oxocarbenium Ion
Carbonylverbindung
Zwischenschritt Iminiumion:
Reaktion von Carbonylverbindungen mitHydrazinen und Hydroxylamin
R1
O
R2N O
H
H HR1
N
R2
OH
Oxim
PhN NH2
HR1
N
R2
N
Phenylhydrazon
Ph
H
R1
N
R2
N
2,4-Dinitrophenyl-hydrazon
H
NO2
NO2
N NH2H
O2N
O2N
2,4-Dinitrophenyl-hydrazin
Organische Chemie I LMU München • Sommersemester 2015
Reaktionen von Carbonylverbindungen
26
Reaktion von Carbonylverbindungen mitHydrazinen und Hydroxylamin
R1
O
R2N O
H
H HR1
N
R2
OH
Oxim
PhN NH2
HR1
N
R2
N
Phenylhydrazon
Ph
H
R1
N
R2
N
2,4-Dinitrophenyl-hydrazon
H
NO2
NO2
N NH2H
O2N
O2N
2,4-Dinitrophenyl-hydrazin
Organische Chemie I LMU München • Sommersemester 2015
Reaktionen von Carbonylverbindungen
26
Bei sekundären Aminen kein Imin möglich!
+ H2ONH2
+
AnilinBenzaldehyd
O
H ΔN
H
Benzyliden-anilin
NN
E-Form Z-Form
b
a b
a b
a a
bIUPAC
O
H
NH2
NH2
O H~ H
NH
HO H
Halbaminal
H
H2O
N
Imin
Zusammenfassung
R
O
Cl R
O
O
O
R R
O
OR
R
O
NR
RR
O
O> > > >
Reaktivität gegenüber Nuc- nimmt ab
Säurechlorid Säureanhydrid Ester Säureamid Carboxylat
Sehr gute Abgangsgruppestark positiv polarisiert
keine Abgangsgruppestark negativ polarisiert
R
O
Xδ+
δ-
Elektrophile(z.B. H+)
Nucleophile
O2N
Cl
O
O2N
OMe
O
+ HCl+ MeOHreflux
+ H2ONH2
+
O
H ΔN
H
