R-C{-1}H2-X + ROH -> R-C{-1}H2-OR + HX
R-C{-1}H2-X + H(-) --[Red.]--> R-C{-3}H3 + X(-)
Addition (unter formaler Oxidation):
R2C{0}=C{0}R2 + Br2 --["Ox."]--> R2C{+1}Br-C{+1}R2Br
Elektronegativitäten einiger wichtiger Atome: H: 2.1, Li: 1.0, Be: 1.5, B: 2.0, C: 2.5, N: 3.0, O: 3.5, F: 4.0, Na: 0.9, Mg: 1.2, Al: 1.5, Si: 1.8, P: 2.1, S: 2.5, Cl: 3.0, Br: 2.8, I: 2.5.
-4 -3 -2 -1 0 +1 +2 +3 +4
CH4 RCH3 R2CH2 R3CH R4C CH3M RCH2M R2CHM R3CM CH3(.) RCH2(.) R2CH(.) R3C(.) CH3(+) RCH2(+) R2CH(+) R3C(+) H3C-CH3 H2C=CH2 HC:::CH H2C=C=CH2 CH3X RCH2X R2CHX R3CX CH2X2 RCHX2 R2CX2 CH2Y RCHY R2CY HCX3 RCX3 CX4 HCXY RCXY CY2
M: Metall X: -Hal, -OH, -OR, -NH2, -NR2 u.a.m. Y: =O, =NR, =S u.a.m.
Hinweis: Aus Gründen der Systematik empfiehlt es sich, alle Substituenten am Kohlenstoff außer H und Metall als elektronegativer zu rechnen (also auch I und P).
1. Oxidationsmittel 11. Nichtmetallverbindungen O3 / O2 X2 / 2X(-) R3NO / R3N O2 / H2O IO4(-) / IO3(-) R2SO / R2S H2O2 / H2O HNO3 / HNO2 (NO) SeO2 / Se RCO3H / RCO2H SO3 / SO2 S / S(2-) 12. Metallverbindungen Ag2O / Ag Cr2O7(2-) / 2Cr(3+) [Fe(CN)6](3-)/[Fe(CN)6](4-) HgO / Hg CrO3 / Cr(3+) Pb(OAc)4 / Pb(OAc)2 MnO4(-) / MnO2 OsO4 MnO2 / Mn(2+) Fe(3+) / Fe(2+) 13. Typische Dehydrierungsmittel Pt, Pd, Ni (Katalysatoren) S, Se / S(2-), Se(2-) Chinone / Hydrochinone 2. Reduktionsmittel 21. Nichtmetallverbindungen H2 / 2H(+) (Katalysator Pt, Pd, Ni u.a.) 2RSH / RS-SR R3P / R3PO N2H4 / N2 R2CHOH / R2C=O 22. Metallverbindungen Li, Na, K, Zn, Fe u.a. / entsprechende Metallkationen komplexe Metallhydride (LiAlH4, NaBH4) H(-) / H(+)
Katalytische Hydrierung LiAlH4/Ether B2H6
Reaktivität hoch RC(O)Cl -> RCHO RCHO -> RCH2OH RCO2H -> RCH2OH RNO2 -> RNH2 RC(O)R' -> RCH(OH)R' RCH=CHR' -> (RCH2CHR')3B RC:::CR -> RCH=CHR RC(O)Cl -> RCH2OH RC(O)R' -> RCH(OH)R' RCHO -> RCH2OH RCH-CHR' -> RCH2CH(OH)R' RCH-CHR' -> RCH2CH(OH)R' \O/ \O/ ArCH2OR -> ArCH3+ROH RC(O)OR' -> RCH2OH+R'OH RC(O)OR' -> RCH2OH+R'OH RCN -> RCH2NH2 RCOOH -> RCH_2OH Naphthalin -> Tetralin RCOO(-) -> RCH2OH RC(O)OR' -> RCH2OH+R'OH RCN -> RCH2NH2 RC(O)NHR' -> RCH2NHR' RNO2 -> RNH2 Benzol -> Cyclohexan RCOO(-) (inert) RCH=CHR' (inert) RC(O)Cl (inert) Reaktivität niedrig
Gruppe NaBH4 NaBH4 B2H6 R2BH LiAlH( LiAlH( LiAlH4 AlH3 iBu2AlH Bu3SnH OtBu)3 OMe)3 EtOH +LiCl THF THF THF THF Ether THF (DIBAL-H) Diglyme
Aldehyde + + + + + + + + + + Ketone + + + + + + + + + + Säurechloride + + - - +a + + + + + Lactone - + + + + + + + - Epoxide - + + - + + + + - Ester - + b - - + + + + - Carbonsäuren - - + - - + + + + - Carboxylate - - - - - - + + + - Nitrile - - + - + + + + - Nitroverb. - - - - - + + - + Olefine - - + + - - - - - -
a) Inverse Addition liefert Aldehyde. b) sehr langsam
2. Hydrid-Übertragung: Reduktionen mit komplexen Metallhydriden (z.B. Epoxide mit LiAlH4).
3. Wasserstoffatom-Übertragung: radikalische Substitutionen mit Wasserstoff-Abstraktion.
4. Oxidationen über Ester anorganischer Säuren: z.B. Chromsäure-Oxidation von Alkoholen, Bleitetraacetat-Oxidation von Glykolen.
5. Additions- und Additions-Eliminierungs-Mechanismen: z.B. Epoxidierung.
Wichtiger Spezialfall: Aromatisierung sechsgliedriger Ringe. Reagenzien: (a) Übergangsmetallkatalysatoren (Pt, Pd, Ni) bei ca. 300 - 350°C (Bsp.: Umwandlung von Cyclohexan in Benzol oder von n-Butylbenzol in Naphthalin); (b) S, Se oder SeO2 (Bsp.: Umwandlung von Steroid-Kohlenwasserstoffen wie Gonan in aromatische Kohlenwasserstoffe durch Erhitzen mit SeO2); (c) Chinone wie Chloranil (2,3,5,6-Tetrachlor-1,4-benzochinon) oder DDQ (2,3-Dichlor-5,6-dicyan-1,4-benzochinon), Mechanismus über Hydrid- und anschließende Protonenübertragung (Bsp.: Umsetzung von 1,3-Cyclohexadien mit Chloranil).
Angriff an tert. C-H, Allyl-, Benzyl-, Ether- oder Aldehyd-C-H. Start: Radikalbildung mit Licht und Sauerstoff oder Radikalbildnern (-> R(.)), Kettenreaktion
R(.) + O2 -> R-O-O(.)
R-O-O(.) + R-H -> R-O-O-H + R(.)
Beispiel für Ketonbildung: RCH(OOH)R' -> RR'C=O + H2O
Technisches Anwendungsbeispiel: Darstellung von Phenol und Aceton aus Cumol über Cumolhydroperoxid (Hock-Verfahren).
ArCH3 --[CrO2Cl2]--> ArCHO
Zwischenprodukt: ArCH[OCr(OH)Cl2]2 (unlöslicher Komplex); Mechanismus nicht genau geklärt; ionisch oder radikalisch (H-Abstraktion, Cr(V)) über ArCH2OCr(OH)Cl2.
(b) Oxidation von Arylmethanen mit Chromtrioxid und Acetanhydrid
ArCH3 --[CrO3/Ac2O]--> ArCHO
Mechanismus über O2Cr(OAc)2 und ArCH(OAc)2; das Acylal ist vor weiterer Oxidation geschützt und wird anschließend durch saure Hydrolyse gespalten.
(c) Oxidation von Diarylmethanen mit Chromtrioxid/Essigsäure
Ar2CH2 --[CrO3/Ac2O]--> Ar2C=O
Estermechanismus über Ar2CH-O-Cr(OH)O2 (Hydrid-Übertragung, starker kinetischer Isotopeneffekt H/D).
(d) Oxidation aromatischer Seitenketten
ArCH3 --[KMnO4 od. CrO3/H(+)]--> ArCOOH
(vgl. 2.2.).
(e) Oxidation von Methylen zu Carbonyl (Riley)
R-C(=O)-CH2-R' --[SeO2]--> R-C(=O)-C(=O)-R'
Ar-C(=O)-CH3 --[SeO2]--> Ar-C(=O)-CHO
Mechanismus:
-C(=O)-CH2- = -C(OH)=CH- --[O=Se{+4}=O]-->
-C[-O-Se{+4}(=O)OH]=CH- --[Ox., cycl. ÜZ]-->
-C(=O)-CH(-O-Se{+2}-OH)- --[Ox.]--> -C(=O)-C(=O)- + Se{0} + H2O
Ar-(C{-2}H2)(n+1)-C{+3}(=S)NR2
Die C-Kette darf verzweigt sein, aber kein quartäres C enthalten; die (Thio-)Carbonylgruppe wandert stets an das Ende der Kette. Es erfolgt keine Wanderung der Arylgruppe. Mechanismus vermutlich über Thioketone und Thioenole mit aufeinanderfolgenden Oxidationen und Reduktionen entlang der Kette.
Aus Fentons Reagenz bilden sich Hydroxylradikale,
Fe(2+) + H2O2 -> Fe(3+) + OH(-) + HO(.)
die den Aromaten in einer radikalischen Substitutionsreaktion angreifen.
RCH2OH --[H2CrO4]--> RCHO --[H2CrO4]--> RCOOH
Die bei der Oxidation primärer Alkohole gebildeten Aldehyde werden im allgemeinen zu Carbonsäuren weiteroxidiert, sofern man sie nicht durch Destillation abtrennt. Typische Reagenzien: Dichromat und Säure, Jones-Reagenz (Chromsäure in wäßriger Schwefelsäure), Collins' Reagenz (Dipyridinchrom(VI)oxid), Coreys Reagenz (Pyridiniumchlorochromat), KMnO4, MnO2. Mechanismus (Estermechanismus):
RR'CHOH + H2Cr{+6}O4 -> RR'CH-O-Cr{+6}(OH)O2 ->
RR'C=O + H2Cr{+4}O3
RCHO + H2Cr{+6}O4 -> RCH(OH)-O-Cr{+6}(OH)O2 ->
RCOOH + H2Cr{+4}O3
Die Reaktion ist reversibel, ihre Umkehrung heißt Meerwein-Ponndorf-Verley-Reduktion (vgl. 3.1.3.). Typisches Oxidationsmittel ist Aceton im Überschuß. Der Mechanismus verläuft (i.allg.) über Aluminiumkomplex und Hydridverschiebung (cyclischer Übergangszustand).
Bei der Sommelet-Oxidation wird ein Benzylhalogenid mit Hexamethylentetramin (Urotropin) erhitzt und liefert über mehrere Zwischenstufen den entsprechenden Aldehyd. Reaktionsablauf: SN2-Reaktion, Bildung des Benzylamins (ArCH2NH2), Dehydrierung zum Aldimin ArCH=NH, Hydrolyse zum Aldehyd; vermutlich:
ArCH2NH2 + [CH2=NH] -> ArCH=NH + CH3NH2
ArCH=NH + H2O -> ArCHO
Die Natur des Oxidationsmittels, das das Benzylamin oxidiert, ist nicht genau geklärt.
Ein primärer Alkohol wird mit DMSO und einem Elektrophil (z.B. DCC = Dicyclohexylcarbodiimid [-> Dicyclohexylharnstoff; Pfitzner, Moffatt] oder Oxalylchlorid [Swern]) unter Bildung des Aldehyds umgesetzt. Oxidationsschritt:
RCH2O-S(+)Me2 -> RCHO + Me2S + H(+)
Die Ozonisierung von Olefinen führt zur Spaltung von C=C-Doppelbindungen unter Bildung entsprechender Carbonylverbindungen. Aldehyde lassen sich nur bei reduktiver Aufarbeitung (mit Dimethylsulfid oder Zink/AcOH) isolieren, bei oxidativer Aufarbeitung (H2O2) erfolgt Weiteroxidation zu Carbonsäuren. Mechanismus über 1,3-dipolare Addition (-> Additionen) zum Primärozonid (1,2,3-Trioxolan), Umlagerung zum 1,2,4-Trioxolan über Fragmentierung und Rekombination und schließlich Hydrolyse.
Glykole (1,2-Diole) lassen sich unter milden Bedingungen mit Periodsäure (in Wasser) oder Bleitetraacetat (in organischen Lösungsmitteln [Criegee]) zu Carbonylverbindungen spalten. Der Mechanismus verläuft über cyclische Ester (HIO4 -> HIO3, Pb(IV) -> Pb(II)), cis-Glykole reagieren schneller als trans-Glykole. Hinweis: ähnliche Spaltungsreaktionen liefern auch Carbonylverbindungen (-> gem-Diole) und Amine.
Doppelbindungen lassen sich mit Chromsäure oxidativ spalten unter Bildung von Ketonen bzw. Carbonsäuren. Reaktionsablauf: cis-Hydroxylierung der Doppelbindung, Glykolspaltung, Oxidation von Aldehyden zu Carbonsäuren.
Auch längere Alkylseitenketten an Aromaten werden durch starke Oxidationsmittel (Permanganat, Dichromat/Säure) unter Bildung von Carbonsäuren abgespalten. Der Mechanismus verläuft über Ketone, deren Enolform, cis-Hydroxylierung der Doppelbindung und Glykolspaltung.
Methylketone (sowie Acetaldehyd) werden durch Halogen und Base gespalten. Über die Enolform erfolgt zunächst eine dreifache Halogenierung (elektrophile Substitution), sodann wird unter Angriff des Hydroxidions die C-C-Bindung gespalten. Auch die entsprechenden Alkohole geben diese Reaktion, sie werden zuerst zur Carbonylverbindung oxidiert.
Reaktionsverlauf über Carbanionen und deren Oxidation zu freien Radikalen (Z: -M-Effekt).
2R-C:::C-H --[Cu(I), O2]--> R-C:::C-C:::C-R
Die Reaktion verläuft vermutlich radikalisch; sie dient u.a. zur Synthese von Annulenen (Kupplung in verdünnter Lösung, Umlagerung der Mehrfachbindungen, katalytische Hydrierung).
R3N --[H2O2]--> R3N(+)-O(-)
R-S-R --[H2O2]--> R-SO-R --[KMnO4]--> R-SO2-R
2RSH --[H2O2]--> R-S-S-R
(-> Additionen) Partielle Hydrierung von Alkinen zu Alkenen ist möglich (Beobachtung der Wasserstoffaufnahme), selektiver Katalysator: Lindlar-Kontakt (Pd-CaCO3-PbO). Katalytische Hydrierung von Aromaten ist schwierig (in Eisessig, 100 bis 200°C); höhere Acene (Naphthalin, Anthracen, Tetracen, ...) lassen sich leichter hydrieren als Benzol, da die Mesomerieenergie pro Ring abnimmt.
(-> Additionen).
R2CH-CHR2 + B[OC(=O)R"]3
(-> Additionen).
Reduktion durch unedle Metalle (Na, Li, K), es erfolgt direkte Elektronenübertragung vom Metall auf das Substrat, das Radikalanion (oder das Dianion) wird durch das Lösungsmittel protoniert (Lösungsmittel: flüssiger Ammoniak, Amine oder Alkohole).
Li -> Li(+) + e(-)
Im Falle von Benzol erfolgt 1,4-Dihydroaddition; elektronenschiebende Gruppen desaktivieren, elektronenziehende aktivieren. Alkine liefern trans-Alkene, 1,3-Diene geben 1,4-Dihydroaddition, gewöhnliche Alkene reagieren nicht.
R-X + Mg -> R-Mg-X --[H2O]--> R-H + Mg(OH)X
Hydrogenolyse: R-X + H2 --[Kat.]--> R-H + HX
ArCH2OH --[H2, Pd/BaSO4]--> ArCH3 + H2O
ArCH2OR --[H2, Pd/BaSO4]--> ArCH3 + ROH
R-C(=O)-Cl --[H2, Pd/BaSO4]--> R-CHO + HCl
(Moderneres Verfahren: Behandlung mit LiAlH(OtBu)3 bei -78°C)
4R2CHOH + LiOH + Al(OH)3
Positivierte (acide) H-Atome (COOH, OH, NH) verbrauchen ein Hydrid-Äquivalent:
RCOOH + LiAlH4 -> RCOO[AlH3Li] + H2
Stöchiometrie:
RR'C=O + 1/4 LiAlH4 -> RR'CHOH
RCOCl + 1/2 LiAlH4 -> RCH2OH
RCOOR' + 1/2 LiAlH4 -> RCH2OH + R'OH
RCOOH + 3/4 LiAlH4 -> RCH2OH
RCONR'2 + 1/2 LiAlH4 -> RCH2NR'2
RCONHR' + 3/4 LiAlH4 -> RCH2NHR'
RCONH2 + 1 LiAlH4 -> RCH2NH2
RCN + 1/2 LiAlH4 -> RCH2NH2
NaBH4 ist selektiver und kann in protischen Lösungsmitteln (Wasser, Alkohole) eingesetzt werden:
R2C=O --[NaBH4]--> R2CHOH
RCHO --[NaBH4]--> RCH2OH
RCOOR' --[Na, EtOH]--> RCH2OH + R'OH
Das entstehende Aceton wird abdestilliert; Umkehrung der Oppenauer-Oxidation (2.1.3.).
RR'C=O --[Zn(Hg), HCl]--> R-CH2-R'
Die Clemmensen-Reduktion verläuft nicht unter Bildung von sekundären Alkoholen; Zwischenstufe sind vermutlich Metallketyle.
2. Wolff-Kishner-Reduktion:
RR'C=O + H2N-NH2 --[KOH, Diethylenglykol]--> R-CH2-R' + N2 + H2O
Der Mechanismus verläuft über das Hydrazon (RR'C=N-NH2), Protonenverschiebung und Stickstoff-Abspaltung aus RR'CH-N=N(-).
3. Reduktion über Thioketale (Wolfrom-Karabinos):
RCHO + 2R'SH --[- H2O]--> RCH(SR')2 --[Raney-Ni/H2]--> R-CH3 + 2 R'H
Die Reaktion verläuft über die Dimerisierung von Ketyl-Radikalanionen.
Die Reaktion verläuft über die Dimerisierung der Radikalanionen, Abspaltung von zwei Alkoxidgruppen und Reduktion des 1,2-Diketons zum Dianion des Endiols.
PhNO2 --[2H]--> PhN=O --[2H]--> PhNHOH --[2H]--> PhNH2
PhN=O + PhNHOH --[NaOH]--> Ph-N(O)=N-Ph
--[2H]--> Ph-N=N-Ph --[2H]--> Ph-NH-NH-Ph
Typische Reaktionsbedingungen:
PhNO2 --[Zn, wäßr. NH4Cl]--> PhNHOH
PhNHOH --[K2Cr2O7, H2SO4]--> PhN=O
(Nitrosobenzol erhält man am besten durch Oxidation von Phenylhydroxylamin!)
PhNO2 --[Zn, HCl]--> PhNH2
2 PhNO2 --[Glucose, NaOH]--> Ph-N(O)=N-Ph
2 PhNO2 --[Zn, NaOH]--> Ph-N=N-Ph
Ph-N=N-Ph --[Zn, NaOH]--> Ph-NH-NH-Ph