CHE172
Dozent: Prof. Oliver Zerbe
Dozent: Prof. Oliver Zerbe
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Flashcards
Hyperkonjugation
Die Stabilisierung kann auf die induktiven (elektronenschiebenden) Effekte der Alkylgruppen zurückgeführt werden, die auf die Polarisation von Bindungen aufgrund der Differenzen der Elektronegativitäten zurückzuführen sind. Elektronenschiebende Gruppen helfen so die positive Ladung teilweise zu kompensieren.
Es kommt aber auch zur Hyperkonjugation: Hyperkonjugation (auch Sigma-Konjugation genannt) beruht im Wesentlichen auf der Überlappung eines Sigma-Orbitals. (Beispiel: C-H-Bindung mit gefülltem Orbital). Aufgrund dieser Wirkung gilt die Alkylgruppe als "elektronenliefernd" und kann benachbarte positive Ladungen stabilisieren.
Regioselektivität der Brom Addition an Alkene in Gegenwart eines nukleophilen Lösungsmittels
Was passiert bei Addition an unsymmetrisch substituierte Alkene?
Beim Rückseitenangriff des Bromidions auf das Bromonium Molekül wird im ersten Schritt eine der beiden Br-C Bindungen im Bromonium gebrochen. Es wird dabei ein Carbokation gebildet, und hier bildet sich wiederum dasjenige Carbokation, das stabiler ist, das heisst das am positiv geladenen Kohlenstoff höher substituiert ist. Normalerweise spielt dies keine Rolle, weil zwei Bromatome formal addieren und die Reihenfolge keine Auswirkung auf das gebildete Produkt hat. In einem nukleophilen Lösungsmittel für die Bromaddition du, dass das nukleophile Lösungsmittel an das stabilere Kation addiert.
Reaktivität substituierter Alkene
Bei der Bromierung von Alkenen ist der erste Schritt (Angriff von Brom auf Alken) der langsame Geschwindigkeits-bestimmende Schritt. Je elektronenreicher die Doppelbindung ist, umso schneller erfolgt der Angriff. -> Energie von HOMO wird erhöht und somit der Energieunterschied zwischen LUMO (Br2) und HOMO (Doppelbindung) kleiner.
Säure-katalysierte Addition von Wasser an Alkene
Die Pi-Elektronen greifen das Proton an. Es entsteht somit eine positive Ladung beim zentralen C. Das Wasser dient nun als Nucleophil und bindet eine C-O-Sigma Bindung. Der Sauerstoff ist nun positiv geladen. Er gibt nun noch ein Proton ab und wird somit neutral.
In Gegenwart einer Säure liegt ein Gleichgewicht von Alkenen und Alkoholen vor. Dieses kann nun zum Alken (Dehydratisierung) oder zum Alkohol (Hydratisierung) verschoben werden. Bei tiefen Temperaturen, wenn ein grosser Überschuss an Wasser vorhanden ist, ist der Alkohol normalerweise das überwiegende Produkt.
Hydrierung (Reduktion)
Die Addition von Wasserstoff an Doppelbindungen verläuft bei Verwendung von Übergangsmetall-Katalysatoren (Bsp: Pd, Ni) quantitativ. Die beiden Wasserstoffe werden in den weitaus meisten Fällen von derselben Seite des Substrates addiert (syn-Addition).
Polymerisation von Alkenen
Alkene können unter geeigneten Bedingungen mit ihresgleichen reagieren. Dabei werden die ungesättigten Zentren des Alken-Monomeren unter Bildung von Dimeren, Trimeren, Oligomeren und schliesslich Polymeren verbunden.
Säurekatalysierte Polymerisation werden mit H2SO4, HF oder BF durchgeführt. Da Katione als Intermediate auftreten, werden sie kationische Polymerisation genannt. Andere häufig gebrauchte Methoden sind radikalische, anionische und metallkatalysierte Polymerisation.
Karotten, Alkene und das Sehrvermögen
Karotten besitzen eine reiche Quelle an Beta-Caroten dar. Dies ist für die Bildung von Vitamin A erforderlich ist. In der Leber wird Beta-Caroten in Vitamin A und 11-cis-Retinal umgewandelt.
Die Chemie der Aromaten
Viele Benzolderivate stössen ein starkes Aroma aus, weswegen man sie aromatische Verbindungen nannte. Aromatische Ringe kommen in vielen biologischen wirksamen Substanzen vor.
Konjugation und MO Schema von Butadien
Es bestehen vier verschiedene Energielevels und die alle unterscheiden sich alle in der Anzahl Knoten -> Je weniger Knoten, desto niedriger ist die Energie. 2 MOs sind bindend und 2 anti-bindend (Höher in Energie als die Ausgangs MOs). Es werden gesamt 4 Pi-Elektronen eingefüllt und somit sind nur die bindenden Orbitale besetzt. Dies führt zu einer starken Stabilisierung durch Konjugation.
Oberes Rechteck: Out of-phase
Unteres Rechteck: in-phase
MO Schema des Benzols
Das Benzolmolekül bildet ein regelmässiges Sechseck. Alle Kohlenstoffatome sind sp^2-hybridisiert und jedes pz-Orbital steht senkrecht zum Sigma-Skelett. Es sind maximal 3 Knoten (0, 1, 2 oder 3 Knoten) möglich und somit 4 Energielevels. Es werden 6 Pi-Elektronen eingefüllt und daher sind nur die bindenden besetzt. Die Sigma-MOs der s-Orbitale werden hier nicht betrachtet. Es entsteht eine Energieabsenkung gegenüber den 6 Ausgangs pz AOs und somit ist Benzol sehr reaktionsträge. Das Energie-niedrigste Niveau zeigt, dass die 6 Pi-Elektronen komplett über alle 6 Kohlenstoffe delokalisiert sind und eine gemeinsame Elektronenwolke bilden.
Mesomerie (Auf Benzol bezogen)
Beide Strukturen stellen Grenzfälle dar und tragen beide zur Beschreibung der Elektronenverteilung bei. Resonanz wird die Beschreibung genannt, eine wirkliche Struktur durch nicht existierende Grenzstrukturen darzustellen.
Die Hückel Regel
Durch diese Rechnung lässt sich zeigen, dass ein monocyclisches konjugiertes Polyen (d.h alle C-Atome sp2 hybridisiert) besonders stabil ist, wenn es 4n+2 Pi-Elektronen enthält (n ist ganzzahlig).
Nitrierung von Benzol
Die Reaktion von Benzol mit Nitriersäure, einem Gemisch von Salpetersäure (HNO3) und Schwefelsäure (H2SO4), führt zur Nitrierung des Benzolrings. Dabei protoniert Schwefelsäure als die stärkere Säure Salpetersäure, und nach Abspaltung von Wasser entsteht das Nitronium Ion als Elektrophil, das dann der Aromaten angreift:
Friedel-Crafts Alkylierung
In Friedel-Crafts-Reaktionen entstehen neue C-C Bindungen. In Gegenwart einer Lewis Säure, gewöhnlich Aluminiumchlorid, greifen Halogenalkane Benzol unter Bildung von Alkylbenzolderivaten an (Friedel-Crafts Alkylierung), Alkaoylhalogenide ergeben Alkanoylderivate (Friedel-Crafts Acylierung).
In der Alkylierung wird das Alkylkation aus dem Alkylhalogenid in Gegenwart einer Lewis Säure, oder direkt durch Protonierung mit nachfolgender Wasserabspaltung aus dem Alkohol gebildet. Typische Lewis-Säuren sind bei dieser Reaktion: AlBr3, AlCl3, etc. Das Carbokation greift dann den Aromaten als Elektrophil an.
Dabei bestehen zwei Probleme:
1) Das Produkt ist reaktiver als das Edukt, und deshalb kommt es häufig zu Mehrfachalkylierung
2) Es kann leicht zu Umlagerungen des Carbokations kommen. Aus diesen Gründen nimmt man häufig statt dessen die Friedel-Crafts Acylierung, und wandelt das Produkt anschliessend in das Gewünschte durch Reduktion der Carbonylgruppe um.
Friedel-Crafts Acylierung
Induktive Effekte
Induktive Effekte sind Polarisationseffekte, die über Sigma-Bindungen übertragen werden.
Pi-Donorgruppen
Da N elektronegativer ist als C, übt die -NH2 Gruppe einen leicht elektronenziehenden Effekt aus (induktiver Effekt). Das freie Elektronenpaar des N-Atoms kann jedoch in das aromatische Pi-System miteingebracht werden, sodass die Ladungsdichte des Ringes erhöht wird.
Dieser Resonanzeffekt überwiegt den induktiven Effekt bei weitem. Anilin ist deshalb für weitere Substitution reaktiver als Benzol. Das Elektronegative O-Atom wirkt ebenfalls elektronenziehend (induktiver Effekt). Aber auch hier überwiegt der Einfluss der Resonanz (Pi-Donoreffekt), sodass der Benzolkern elektronenreicher wird.
Orientierung und relative Geschwindigkeit einer Zweisubstitution