Sterischer Effekt – Einfluss auf den Reaktionsverlauf

Sterischer Effekt – Einfluss auf den Reaktionsverlauf Übung

• Beurteile die Reaktivität verschiedener Halogenalkane in einer $S_N2$-Reaktion.

  Tipps

  Nebenstehendes Molekül zeigt den Übergangszustand der $S_N2$-Reaktion an Methylbromid.

  Lösung

  Die $S_N2$-Reaktion ist eine nucleophile Substitution, deren geschwindigkeitsbestimmender Schritt von zweiter Ordnung (Kinetik) ist. Der geschwindigkeitsbestimmende Schritt ist abhängig von der Konzentration des Halogenalkanes und von der Konzentration des angreifenden Nucleophils (z.B. $I^-$ oder $EtO^-$), weil diese einen fünffach koordinierten Übergangszustand bilden.

  Die größte Geschwindigkeitskonstante liegt bei einem primären Halogenalkan vor, z.B. beim Methylbromid und Ethylbromid, danach folgen das sekundäre (z.B. Isopropylbromid) und das tertiäre Halogenalkan (z.B. tert-Butylbromid).

  Mit steigender räumlicher Ausdehnung der Reste sinkt die Geschwindigkeitskonstante, da die Ausbildung vom Übergangszustand erschwert wird. Das ist vergleichbar mit dem Comic. Je voluminöser die graue Katze ist (Halogenalkan), desto schwerer fällt es der roten Katze (Nucleophil), die graue Katze aus dem Körbchen (Molekül) zu verdrängen.

• Bestimme das Hauptprodukt der Bromierung von Toluol.

  Tipps

  Das angreifende Elektrophil ist nebenstehendes Ion.

  Die Methylgruppe am Toluol hat einen +I-Effekt.

  Die Methylgruppe vom Toluol schiebt Elektronendichte in das Ringsystem hinein.

  Lösung

  Die Bromierung von Toluol mit Eisen(III)-bromid und Brom liefert als Hauptprodukt das para-Bromtoluol.

  Die Methylgruppe vom Toluol dirigiert aufgrund des +I-Effektes das Elektrophil in die ortho- und para-Postion. Da das angreifende Elektrophil $\left[ FeBr_3\cdots Br\right]^+$ relativ voluminös ist, hat es in der ortho-Position nur wenig Platz für den Angriff und greift deswegen an der 4-Position (para) an. Dieses Produkt wird zu 67% gebildet. In wenigen Fällen wird auch das ortho-substituierte Prdoukt gebildet. Auch das 2,4-Dibromtoluol ist möglich, allerdings muss die Stöchiometrie dann 2:1 anstatt 1:1 gewählt werden. Das meta-Produkt ist aufgrund des induktiven Effektes der Methylgruppe kaum/nicht erreichbar.

• Entscheide, welchen mesomeren Effekt nachfolgende Substituenten ausüben.

  Tipps

  Die Nitrogruppe zieht Elektronen aus dem Ring.

  Lösung

  Der mesomere Effekt (M-Effekt) beschreibt die Fähigkeit eines Substituenten beziehungsweise einer Gruppe in einem konjugierten System, die $\pi$-Elektronendichte zu verändern. Die Ausbildung von Ladungserhöhung oder -verminderung erfolgt durch Mesomerie. Dies bezeichnet die Ausbildung von $\pi$-Bindungen durch Aufnahme von $\pi$-Elektronen, durch einen Substituenten oder durch die Einbindung eines freien Elektronenpaares (meist am Heteroatom wie bspw. Stickstoff oder Sauerstoff.)

  Substituenten mit +M-Effekt besitzen ein freies Elektronenpaar an einem Heteroatom (z.B. N, O, P) und dessen Reste haben einen +I-Effekt (induktiver Effekt). Diese Gruppen sind orto/para-dirigierend. Besonders häufige Gruppen sind:

  • Amino- (-$NH_2$)
  • Hydroxy- (-$OH$)
  • Halogen- (-$Cl$)
  • Alkoxy- (-$-O-R$) $\rightarrow$ s. Abbildung

  Substituenten mit -M-Effekt ziehen Elektronendichte aus dem System heraus. Sie dirigieren das Elektrophil in die meta-Position. Dazu gehören vor allem:

  • Aldehyd- (-$CHO$),
  • Keto- (-$R(CO)R'$),
  • Carboxy- (-$COOH$),
  • Nitril- (-$C\equiv N$),
  • Sulfonsäure- (-$SO_3H$)
  • Nitro-Gruppe (-$NO_2$)

• Zeige die Bedeutung vom sterischen Effekt bei der Synthese von 2-Nitroresorcinol.

  Tipps

  Markiere dir die Positionen, in die die OH-Gruppen dirigieren. Bedenke, dass das Sauerstoffatom zwei freie Elektronenpaare besitzt.

  Nebenstehende Abbildung zeigt das reaktive Teilchen bei der Sulfonierung.

  Lösung

  Die Hydroxylgruppen vom Resorcin dirigieren aufgrund des +M-Effekts in die ortho- und para-Position. An den Markierungen in nebenstehender Abbildung lässt sich erkennen, dass die 2-Position doppelt bevorzugt wird.

  Die Nitrierung am Aromaten erfolgt mithilfe der Nitriersäure $(HNO_3/H_2SO_4)$. Die Salpetersäure und die Schwefelsäure bilden das Nitroniumion als reaktives Elektrophil:

  • $H_2SO_4 + HNO_3 \rightleftarrows {HSO_4}^- + {H_2NO_3}^+$
  • ${H_2NO_3}^+ \rightleftarrows H_2O + {NO_2}^+$

  Da das Nitroniumion ein relativ kleines Elektrophil ist, kann es an der 2-Position (zwischen den OH-Gruppen) sowie an der 4- und 6-Position angreifen.

  Um eine Substitution zwischen den Hydroxylgruppen zu erzielen, wird das Resorcin vorher sulfoniert. Im Gegensatz zur Nitrierung würde die 2-Position bei einer Sulfonierung nicht reagieren, da die sterische Hinderung durch die zwei Hydroxylgruppen zu groß wäre. Diesem Effekt bedient man sich hier. Bei der Sulfonierung werden aus sterischen Gründen nur die 4- und 6-Position (jeweils neben einer OH-Gruppe mit nur einem Stern markiert) substituiert. Nachdem diese beiden Positionen durch eine Sulfongruppe $(SO_3)$ besetzt sind, kann die Nitrierung erfolgen.

  Um anschließend die Sulfonsäuregruppen, die als Schutzgruppen dienten, zu entfernen, wird die Verbindung mit Salzsäure umgesetzt, wobei nur diese und nicht die Nitro- oder Hydroxylgruppen reagieren.

• Erkläre den Begriff: sterischer Effekt.

  Tipps

  Bedenke, warum z.B. Monobrommethan in einer $S_N2$ Reaktion schneller reagiert als beispielsweise Isopropylbromid.

  Lösung

  Der sterische Effekt tritt auf, wenn Moleküle sehr verzweigt sind und einen großen Raumbedarf haben. Die Zentren in Nähe solcher sperrigen Substituenten sind geschützt, sie reagieren also nicht so schnell wie üblich. Dadurch werden zum einen Reaktionen verhindert, zum anderen werden dadurch aber auch reaktive, instabile Verbindungen stabilisiert.

  Reagieren sperrige Reagenzien, dann reagieren sie bevorzugt an Zentren, die genügend Platz bereitstellen, also keine Substituenten in Nachbarschaft haben.

  Trotz der sterischen Hinderung können Synthesen zusätzlich begünstigt werden. Die häufigsten Triebkräfte von Reaktionen sind die Ausbildung von Aromatizität (elektrophile aromatische Substitution) oder das Abspalten kleiner Moleküle (Kondensationsreaktion) sowie das Ausfällen von Salzen. Nach dem Prinzip von Le Chatelier (Prinzip des kleinsten Zwangs) wird durch das Ausfällen von Salzen (z.B. LiCl, AgCl) das Gleichgewicht auf die Seite des Produktes verschoben, da stets eines der Produkte aus dem System entfernt wird. Ebenso gilt dieses Prinzip beim Austreten von Gasen (z.B. Stickoxide, Kohlenstoffdioxid oder Chlorwasserstoffsäure) oder bei der Bildung von flüssigen Substanzen, die eine andere Phase bilden (z.B. Freisetzung von Wasser in Toluol liefert ein Gemisch mit zwei Phasen, das wird z.B. beim Wasserabscheider der Veresterung ausgenutzt).

• Bestimme die Funktionalität/en, die in nachfolgendem Zuckerderivat als Erstes geschützt wird/werden.

  Tipps

  Die Reaktion zur Einführung der Schutzgruppe ist eine $S_N2$-Reaktion (Williamsonsche-Ethersynthese).

  Sekundäre Alkohole reagieren in einer $S_N2$-Reaktion langsamer als primäre Alkohole.

  Lösung

  Die Williamsonsche Ethersynthese ist eine $S_N2$-Reaktion. Diese verläuft aufgrund des fünffach koordinierten Übergangszustandes sehr viel schneller, wenn der anzugreifende Alkohol primär ist, d.h. wenn die Hydroxylgruppe in Nachbarschaft eine $CH_2-R$-Gruppe trägt.

  Im Methyl-$\beta$-D-Glucopyranosid gibt es nur eine primäre Hydroxylgruppe (s. Abb. blau), die durch das Tritylchlorid geschützt wird. Die sekundären Hydroxylgruppen (s. Abb. grün) haben in Nachbarschaft eine $CHR_2$-Gruppe und sind deswegen vor dem Angriff des sterisch anspruchsvollen Tritylchlorid sterisch gehemmt.

  Die glycosidische Hydroxylgruppe (s. Abb. orange) liegt bereits als Vollacetal geschützt vor, da es sonst zur Ringöffnung kommen könnte.

  Das Tritylchlorid eignet sich sehr gut als Schutzgruppe, da diese auch sehr leicht wieder abspaltbar ist, weil das Triphenylmethan-System durch Konjugation stabilisiert ist (ähnlich wie beim Kristallviolett).