Transcript Versuch Nr. 23: Synthese von Barbitursäure

Um welches seltsame Tier handelt es sich hier ?
Ein Axolotl (Ambystoma mexicanum) ist ein Lurch, der in Mexiko beheimatet ist und ausschließlich im Wasser lebt.
Auch nach Erreichen des geschlechtsreifen Stadiums behält dieser Lurch zeitlebens seine Kiemen, d.h. er verbleibt
im Larvenstadium.
Er ist also mit einer großen Kaulquappe zu vergleichen, die nie die Metamorphose zum „erwachsenen“ Tier
vollzieht.
Axolotl galten bei den indigenen Völkern des heutigen Mittelamerika zwar als heilig, wurden aber dennoch gerne als
Delikatesse verspeist.
Heute stehen Axolotl unter strengem Naturschutz und werden für Aquarienfreunde gezüchtet.
3,3',5-Triiod-L-thyronin (= T3)
Axolotl haben ein Defizit der Schilddrüsenfunktion und sind nicht in der Lage, die typischen Hormone der Schilddrüse
wie das Triiodthyronin (= T3) herzustellen.
Solche Hormone sind aber die Voraussetzung für die Metamorphose z.B. einer Kaulquappe zum Frosch.
L-Tyrosin
3,3',5-Triiod-L-thyronin (= T3)
Der Ursprung der Biosynthese des Triiodthyronin ist die aromatische Aminosäure L-Tyrosin
(vgl. Biosynthese Adrenalin / Folien zur Nucleophilen Substitution).
6
1
5
2'
3'
2
4
3
1'
4'
5'
6'
3,3',5-Triiod-L-thyronin (= T3)
Die Abbildung zeigt die Numerierung der C-Atome der aromatischen Ringe und erklärt den Hintergrund des Apostrophs
bei der zweiten Ziffer „3“ in der Nomenklatur.
3,3',5-Triiod-L-thyronin (= T3)
Auf den ersten Blick fallen uns die beiden aromatischen Ringsysteme im Molekül des Triiodthyronins auf.
3,3',5-Triiod-L-thyronin (= T3)
Einer dieser beiden Ringe trägt sogar eine freie OH-Gruppe.
Eine solche OH-Gruppe an einem aromatischen Sechsring kennzeichnet die Verbindungsklasse der Phenole.
Quelle: essen-und-trinken.de
Quelle: herz-wl.de
Rinderschilddrüse
Abbildung:
8: Kehlkopf
9: Schilddrüse
Quelle: grundhof-city.ch
Ein gewisser Bezug von Schilddrüsenhormonen zur Landwirtschaft beruht auf dem Umstand, daß von Menschen
nicht verzehrte Schlacht“abfälle“, unter anderem auch die Schilddrüsen von Rindern, als Bestandteil von Hundefutter
verwertet werden.
Die Hormonkonzentration im Gemisch des Hundefutters wird in der Regel nicht bestimmt.
Dieser Umstand kann beim Hund zu hormonbedingten Komplikationen führen.
Quelle: wikipedia
Quelle: kleinepause.net
3,3',5,5'-Tetraiod-L-thyronin (= T4)
Aus genau dem gleichen Grund, nämlich der schwierigen Kontrolle der Hormonkonzentration, wird die früher gängige
Therapie von Schilddrüsenpatienten mit Schweinethyroxin (Thyroxin = 3,3',5,5'-Tetraiodthyronin = T4) seit Mitte der
80er Jahre des letzten Jahrhunderts nicht mehr praktiziert.
Quelle: stadtwerke-bliestal.de
Ein weiterer Bezug der Landwirtschaft zu aromatischen Verbindungen ergibt sich aus der Spurenanalyse von Biogas.
Biogas enthält hauptsächlich Methan (CH4 ; 40-75%) und Kohlendioxid (CO2 ; 25-55%).
Wasserdampf kann in einem Anteil von bis zu 10% enthalten sein.
Daneben treten noch in Spuren auf:
Schwefelwasserstoff (H2S) 50-5000ppm
Ammoniak (NH3) 0-1%
Stickstoff (N2) 0-5%
Sauerstoff (O2) 0-2%
Wasserstoff (H2) 0-1%
Quelle: renewable-energy-concepts.com
Schematischer Aufbau eines Gaschromatographen
Quelle: chemwiki.ucdavis.edu
Benzol
(Benzen)
Toluol
(Toluen)
o-Xylol
(o-Xylen)
m-Xylol
(m-Xylen)
p-Xylol
(p-Xylen)
Aromatische Verbindungen wie die hier abgebildeten sind gesundheitsschädlich und sollten im Biogas
nur in extrem geringen Spuren vorkommen.
Die Bestimmung ihrer Konzentration ist daher wichtig für die Beurteilung der Qualität des Biogases.
Schematischer Aufbau eines Gaschromatographen
Quelle: chemwiki.ucdavis.edu
Benzol
(Benzen)
Toluol
(Toluen)
o-Xylol
(o-Xylen)
m-Xylol
(m-Xylen)
p-Xylol
(p-Xylen)
In Mikro-Gaschromatographen werden Spurenkomponenten wie die hier angegebenen Aromaten auf einem
sogenannten Konzentratorchip angereichert.
Danach wird das angereicherte Analysengut durch rasches Aufheizen in die Trennsäule geschickt, welche die
einzelnen Komponenten je nach ihren physikalisch-chemischen Eigenschaften unterschiedlich schnell
durchwandern.
Somit kann man die Konzentrationen von BTX (Benzol, Toluol, Xylol)-Kohlenwasserstoffen im Biogas auch
im ppm-Maßstab (ppm = parts per million) bestimmen.
Quelle: welt.de
Pyrrol
Pyrrol-Verbindungen mit starker herbizider Wirkung werden in der Landwirtschaft als Pflanzenschutzmittel
eingesetzt.
Die links abgebildete Verbindung ist unter der Nummer EP 1061072 B1 als Patent geschützt.
Die rechte Abbildung zeigt Pyrrol, ein aromatisches Fünfringsystem.
Quelle: wattenrat.de
L-Tryptophan
3-Methylindol (= Skatol)
Indol
3-Methylindol (auch Skatol genannt) ist als Abbauprodukt der Aminosäure L-Tryptophan eine der Komponenten
von Fäkalien und für deren penetranten Geruch verantwortlich.
Elektrophile aromatische Substitution
Die für einen Aromaten typische Reaktion ist die elektrophile Substitution.
Ein Aromat wie z.B. Benzol ist ein vergleichsweise stabiles System.
Wenn ein Aromat eine Reaktion eingeht, dann möchte er diese Stabilität nicht aufgeben und aus dieser Reaktion nach
Möglichkeit wieder als Aromat hervorgehen.
Wie wir in der Abbildung rechts erkennen, ist ein aromatischer Ring planar, d.h. sämtliche Ringatome liegen in der gleichen Ebene.
Würde ein Aromat die für Alkene typische Addition eingehen, dann wäre er am Ende der Reaktion kein Aromat mehr.
Unter bestimmten Bedingungen kann aber auch ein Aromat wie Benzol ausnahmsweise Additionsreaktionen eingehen,
so z.B. bei der katalytischen Hydrierung, bei der pro Molekül Benzol drei Moleküle Wasserstoff H 2 addiert werden.
Das Endprodukt dieser Reaktion ist Cyclohexan.
Cyclohexan gehört als Cycloalkan zu den (gesättigten) Kohlenwasserstoffen, aber nicht zu den (ungesättigten)
Aromaten!
Die typische Reaktion für einen Aromaten ist hingegen die elektrophile Substitution.
Im Rahmen einer solchen Reaktion wird am aromatischen Ring ein H-Atom gegen ein anderes Atom oder eine andere
Atomgruppe ausgetauscht (im obigen Beispiel gegen ein Brom-Atom).
Dieses andere Atom (bzw. Atomgruppe) nähert sich dem elektronenreichen aromatischen Ring als Elektrophil (also als
Reaktionspartner, der ein Defizit an Elektronendichte aufweist) ― daher das Adjektiv „elektrophil“ in der Bezeichnung der
Reaktion.
Das Reaktionsprodukt (hier: Brombenzol) ist nach wie vor ein (stabiler!) Aromat.
In den Schilddrüsenhormonen Tri- bzw. Tetraiodthyronin liegen Phenol-Bausteine als aromatische Komponenten vor.
Die Abbildung rechts zeigt uns (wie bereits auf einer der vorhergehenden Folien), daß das Ringsystem planar ist (im
Gegensatz z.B. zum Cyclohexan, das bevorzugt in der Sesselkonformation vorliegt).
Die sechs C-Atome sind sp2-hybridisiert, d.h. pro C-Atom bleibt ein p-Orbital übrig*), das nicht in die Hybridisierung
einbezogen wird und senkrecht zur planaren Ringebene steht.
*) … d.h., daß in der Außenschale eines jeden C-Atoms neben dem einen 2s-Orbital nur zwei der insgesamt drei 2p-Orbitale zu insgesamt
drei sp2-Hybriden kombiniert werden [für die Bindungen zu den drei Nachbarn C, C und H (bzw. C, C und O im Fall von C-1)].
Diese zueinander parallele Anordnung ermöglicht es den sechs p-Orbitalen, oberhalb und unterhalb der Ringebene eine
jeweils ununterbrochene ringförmige Überlappungszone auszubilden (Abbildung rechts).
Die insgesamt sechs π–Elektronen können sich dadurch, salopp ausgedrückt „völlig losgelöst“ (und wissenschaftlich
ausgedrückt: „delokalisiert“), d.h. ohne konkrete Zuordnung zu einem der C-Atome, relativ frei innerhalb der
Überlappungszone bewegen.
Sie bilden dadurch eine sogenannte π–Elektronenwolke.
Diese Delokalisierung beweglicher Elektronen ist der Grund für die Stabilität eines aromatischen Systems.
Beim Phenol kommt noch der Umstand hinzu, dass eines der freien Elektronenpaare am O-Atom räumlich so
ausgerichtet werden kann, dass eine Überlappung des entsprechenden sp3-Hybridorbitals mit dem aromatischen
π-Elektronensystem möglich ist.
Diese elektronische Wechselwirkung, die auf der Überlappung parallel zueinander ausgerichteter Orbitale beruht, also
über p-Bindungssysteme hinweg, bezeichnet man als Mesomeren Effekt (M-Effekt).
Wenn der M-Effekt wie im Fall der OH-Gruppe die Elektronendichte im Ring erhöht, so spricht man von einem
positiven mesomeren Effekt (+M-Effekt) der OH-Gruppe.
Exkurs: Elektronische Effekte von Substituenten auf den aromatischen Ring
+M-Effekt der OH-Gruppe
–M-Effekt der NO2-Gruppe
Die Abbildung zeigt den direkten Vergleich zweier Substituenten mit entgegengesetzten Mesomeren Effekten:
Die OH-Gruppe übt ebenso wie die NH2-Gruppe einen positiven Mesomeren Effekt (+M-Effekt) aus, weil das O-Atom
über zwei freie Elektronenpaare verfügt, die sich jeweils in einem sp 3-Hybridorbital aufhalten.
Exkurs: Elektronische Effekte von Substituenten auf den aromatischen Ring
+M-Effekt der OH-Gruppe
Elektronendichte wird hin
zum Ring verschoben
Elektronendichte wird hin
zum Substituenten verschoben
–M-Effekt der NO2-Gruppe
Eines jener sp3-Hybridorbitale ist in der Lage, sich räumlich so auszurichten, daß es in einer Ebene mit den sechs
p-Orbitalen des aromatischen Rings zu liegen kommt und mit diesen überlappen kann.
Da jenes sp3-Hybridorbital mit zwei Elektronen voll besetzt ist, werden in der Überlappungszone (in der
Abbildung durch schwarze Balken gekennzeichnet) insgesamt acht p-Elektronen auf sieben Orbitale verteilt, so
daß diese Überlappung für eine Erhöhung der p-Elektronendichte im Ring im Vergleich zum unsubstituierten
Benzol, also für einen +M-Effekt, sorgt.
Exkurs: Elektronische Effekte von Substituenten auf den aromatischen Ring
+M-Effekt der OH-Gruppe
Elektronendichte wird hin
zum Ring verschoben
Elektronendichte wird hin
zum Substituenten verschoben
–M-Effekt der NO2-Gruppe
Wir merken uns:
Verfügt das Heteroatom (O, N, S, F, Cl, Br, I), welches direkt mit dem aromatischen Ring verbunden ist, über
mindestens ein freies Elektronenpaar, so liegt ein +M-Effekt vor.
Exkurs: Elektronische Effekte von Substituenten auf den aromatischen Ring
+M-Effekt der OH-Gruppe
Elektronendichte wird hin
zum Ring verschoben
Elektronendichte wird hin
zum Substituenten verschoben
–M-Effekt der NO2-Gruppe
Die NO2-Gruppe übt ebenso wie z.B. die COOH-Gruppe einen negativen Mesomeren Effekt (–M-Effekt) aus, weil das
N-Atom in diesem Fall über kein einziges freies Elektronenpaar verfügt.
Das entsprechende p-Orbital am N-Atom (siehe Abbildung unten links) ist daher leer.
Nichtsdestotrotz ist es in der Lage, mit den sechs p-Orbitalen des aromatischen Rings zu überlappen.
Diese Überlappung mit einem leeren Orbital bringt eine Verringerung der p-Elektronendichte im Ring im Vergleich zum
unsubstituierten Benzol mit sich (sechs p-Elektronen werden auf sieben Orbitale verteilt), also einen – M-Effekt.
Exkurs: Elektronische Effekte von Substituenten auf den aromatischen Ring
+M-Effekt der OH-Gruppe
Elektronendichte wird hin
zum Ring verschoben
Elektronendichte wird hin
zum Substituenten verschoben
–M-Effekt der NO2-Gruppe
Wir merken uns:
Verfügt das Atom (C oder N), welches direkt mit dem aromatischen Ring verbunden ist, über ein leeres p-Orbital, so
liegt ein –M-Effekt vor.
Ein leeres p-Orbital liegt am betreffenden C- oder am N-Atom dann vor, wenn dieses Atom im Fall von Substituenten
wie COOH, COOR, CN, CHO, NO2 sp2-hybridisiert ist (in dem Fall wird ja dieses eine entscheidende p-Orbital nicht
mit in die Hybridisierung einbezogen und bleibt so, wie es ist) und über kein freies Elektronenpaar verfügt.
Exkurs: Elektronische Effekte von Substituenten auf den aromatischen Ring
Zur Erinnerung:
Alkylgruppen wie CH3, C2H5, C3H7 haben am C-Atom, welches direkt mit dem Ring verbunden ist, eine sp 3-Hybridisierung vorliegen und daher keine p-Orbitale.
Eines der vier sp3-Hybridorbitale des C-Atoms der Methylgruppe muß natürlich mit einem sp2-Hybridorbital eines
Ring-C-Atoms überlappen (siehe Abbildung; Markierung mit dem breiten weißen Pfeil).
Andernfalls käme ja keine chemische Bindung zwischen dem aromatischen Ring und der CH 3-Gruppe zustande.
Exkurs: Elektronische Effekte von Substituenten auf den aromatischen Ring
+I-Effekt der CH3-Gruppe
Elektronendichte wird hin
zum Ring verschoben
Die restlichen drei Hybridorbitale sind bereits in eine Überlappung einbezogen, und zwar mit jeweils einem 1s-Orbital
eines H-Atoms (siehe Abbildung).
Eine Überlappung mit den p-Orbitalen des Rings, wie dies im Fall der freien Elektronenpaare z.B. des O-Atoms der
OH-Gruppe von Phenol der Fall ist, ist hier nicht mehr möglich.
Alkylgruppen können daher keinen Mesomeren Effekt ausüben.
Sie müssen sich mit dem (schwächeren) Induktiven Effekt begnügen – im Fall der Alkylgruppen einem
elektronenschiebenden positiven Induktiven Effekt (+I-Effekt; siehe Folien zur Nucleophilen Substitution).
Ein solcher I-Effekt beruht also auf einer elektronischen Wechselwirkung, die auf der Überlappung längs der Kernverbindungsachse beruht, also über eine s-Bindung hinweg (und nicht über p-Bindungen wie im Fall des M-Effekts).
Exkurs: Elektronische Effekte von Substituenten auf den aromatischen Ring
–I-Effekt der NH3+-Gruppe
Elektronendichte wird hin
zum Substituenten verschoben
Den eher seltenen Fall eines negativen Induktiven Effekts (also eines Elektronenzugs weg vom Ring über eine s-Bindung
hinweg und nicht über p-Bindungen) haben wir im protonierten Anilin, auch Anilinium-Ion genannt, vorliegen.
Die positive Ladung am N-Atom sorgt für einen gewissen Abzug von Elektronendichte über die s-Bindung zwischen C
und N hinweg (= –I-Effekt).
Je nach pH-Wert hat Anilin also einen +M-Effekt (wenn die NH2-Gruppe unprotoniert ist und das N-Atom sein freies
Elektronenpaar zur Verfügung hat) oder einen –I-Effekt, nämlich dann, wenn eine Protonierung stattgefunden hat und das
N-Atom in der dann vorliegenden NH3+-Gruppe kein freies Elektronenpaar mehr hat.
Zurück zur Substitution am Phenol:
Elektronegativitätswerte:
EN (Cl) = 3,16
EN (I) = 2,66
Der Austausch eines H-Atoms durch ein Iod-Atom am aromatischen Ring der Aminosäure L-Thyronin kann im
Laborversuch durch den Austausch eines H-Atoms gegen ein I-Atom im Phenol simuliert werden.
Als Partner des Phenols für diese Reaktion wählt man in der Regel Iodmonochlorid I-Cl.
Aufgrund der Differenz der Elektronegativitätswerte beider Elemente von (3,16 – 2,66 =) 0,5 ist die Bindung zwischen
dem Chlor- und dem Iod-Atom leicht polarisiert.
Der negative Ladungsschwerpunkt liegt dabei beim elektronegativeren Chlor-Atom.
Das weniger elektronegative Iod-Atom ist in diesem Fall das positiv polarisierte Elektrophil.
Logischerweise erfolgt ein nucleophiler Angriff aus dem aromatischen π–Elektronensystem heraus auf dieses positiv
polarisierte Iod-Atom (siehe rechter Elektronenverschiebungspfeil in beiden Abbildungen).
Gleichzeitig mit dem Angriff von zwei der sechs π–Elektronen auf das positiv polarisierte Iod-Atom kommt es zum
Bruch der Bindung zwischen dem Iod- und dem Chlor-Atom.
Das negativ polarisierte Atom (hier: das Chlor-Atom) nimmt bei seinem Abgang als Chlorid-Ion das Bindungselektronenpaar als nunmehr freies Elektronenpaar mit.
Die Übernahme des Bindungselektronenpaars zwischen I und Cl durch das abgehende Chlorid-Ion wird durch den
(kürzeren) linken Elektronenverschiebungspfeil in beiden Abbildungen symbolisiert.
Als Ergebnis dieses Reaktionsschritts entsteht ein positiv geladenes Zwischenprodukt, in welchem ein C-Atom
des Sechsrings mit dem Iod-Atom verbunden ist.
Das Ringsystem hat hier vorübergehend seinen aromatischen Charakter aufgegeben – nur vorübergehend, wohlgemerkt,
denn am Ende der Reaktion möchte der Ring auf jeden Fall wieder als stabiler Aromat vorliegen!
Wie die Abbildungen links und rechts zeigen, ist das mit dem Iod-Atom verbundene C-Atom hier vierbindig (es ist ja
nach wie vor zusätzlich noch mit einem H-Atom verbunden !!!).
Die ursprüngliche sp2-Hybridisierung dieses C-Atoms im planaren Ring des Phenols muß in diesem Zwischenprodukt
zumindest vorübergehend gegen eine sp3-Hybridisierung ausgetauscht werden.
Die rechte Abbildung verdeutlicht uns die folgenden beiden Umstände:
1) Die sechs C-Atome des Rings liegen zwar nach wie vor in der gleichen Ebene, aber das Iod-Atom und das eine HAtom liegen außerhalb dieser Ebene (oberhalb bzw. unterhalb).
2) Die Überlappungszone der p-Orbitale ist unterbrochen worden. Sie erstreckt sich nicht mehr ringförmig über das
gesamte System hinweg (wie dies im Aromaten der Fall war), sondern nur noch über die verbliebenen fünf p-Orbitale
(das sechste mußte ja für die Um-Hybridisierung von sp2 nach sp3 herangezogen werden).
Exkurs: Einfluß des Erstsubstituenten auf den Ort der Zweitsubstitution
Frage: Warum haben wir ausgerechnet das C-Atom Nr. 4 für die Bindung zum elektrophilen Reaktionspartner
(hier: dem Iod-Atom) gewählt?
C-Atom Nr. 4
Antwort: Dies hängt mit dem +M-Effekt des bereits vorhandenen Erstsubstituenten (hier: der OH-Gruppe) zusammen.
Exkurs: Einfluß des Erstsubstituenten auf den Ort der Zweitsubstitution
I
II
III
IV
Betrachten wir in diesem Zusammenhang die mesomeren Grenzformen des Phenols.
Sie lassen einen Rückschluß auf die jeweils etwas unterschiedliche p-Elektronendichte an den C-Atomen des Rings zu.
In den Grenzformen II, III, und IV im linken Teil der Abbildung sind die p-Orbitale der C-Atome Nr. 2, 4 und 6 nicht
nur mit einem Elektron, sondern mit zwei Elektronen belegt.
Diese C-Atome erhalten in der jeweiligen Grenzform eine negative Ladung.
Exkurs: Einfluß des Erstsubstituenten auf den Ort der Zweitsubstitution
I
II
III
IV
Im rechten Teil der Abbildung sind die mit jeweils zwei Elektronen doppelt belegten Orbitale in der Überlappungszone
[also das eine sp3-Hybridorbital des Sauerstoffs (Grenzform I) sowie die p-Orbitale der C-Atome Nr. 2, 4 und 6
(Grenzformen II, III und IV)] mit einem breiten weißen Pfeil markiert.
Unter dem Strich bedeutet dies für die Ring-C-Atome Nr. 2, 4 und 6 eine etwas höhere Ladungsdichte als für die
übrigen C-Atome des Rings.
Sie sind daher die bevorzugten Positionen für eine Annäherung an den elektrophilen Reaktionspartner und für das
Knüpfen einer Bindung mit ihm.
Exkurs: Einfluß des Erstsubstituenten auf den Ort der Zweitsubstitution
I
II
III
IV
Dieser Einfluß der OH-Gruppe auf den bevorzugten Ort der Substitution durch den elektrophilen Reaktionspartner gilt
für alle Substituenten mit mindestens einem freien Elektronenpaar (also alle Substituenten mit einem +M-Effekt).
Den gleichen Einfluß haben Substituenten, die ausschließlich einen +I-Effekt zeigen (also Alkylgruppen wie CH3).
Da die Ring-Positionen Nr. 2 und 6, vom Erstsubstituenten (hier: der OH-Gruppe) aus betrachtet, als ortho-Positionen
bezeichnet werden und die Ring-Position Nr. 4 als para-Position, werden alle Erstsubstituenten mit +M-Effekt bzw.
ausschließlichem +I-Effekt als ortho-para-dirigierende Substituenten bezeichnet.
Exkurs: Einfluß des Erstsubstituenten auf den Ort der Zweitsubstitution
I
II
III
IV
Umgekehrt sieht es freilich bei den Substituenten mit –M-Effekt (also z.B. der NO2- oder der COOH-Gruppe) oder
ausschließlichem –I-Effekt (z.B. der NH3+-Gruppe des Anilinium-Ions) aus.
Hier zeigen uns die Grenzformen II, III und IV des Nitrobenzols im linken Teil der Abbildung, daß gerade diese Ring-CAtome in ortho- und para-Position weniger elektronenreich sind als die übrigen C-Atome.
Diese Atome haben in den betrachteten Grenzformen nämlich leere p-Orbitale (in der Abbildung rechts mit schwarzen
Pfeilen markiert), demzufolge wird ihnen in den Grenzformen eine positive Ladung zugeteilt.
Exkurs: Einfluß des Erstsubstituenten
auf den Ort der Zweitsubstitution
I
II
III
IV
Dies bedeutet, daß ortho-und para-Positionen im Nitrobenzol und allen übrigen Aromaten mit einem Substituenten
mit –M-Effekt (also Benzoesäure, Benzoesäureester, Benzaldehyd, Acetophenon, …) sowie die Aromaten mit einer
protonierten Aminogruppe (also z.B. Aniliniumchlorid C6H5NH3+ Cl–) für die Wechselwirkung und anschließende
Bindung mit dem elektrophilen Reaktionspartner ungeeignet sind.
Besser geeignet sind hier die beiden sogenannten meta-Positionen des Rings an den C-Atomen Nr. 3 und 5 (in der
Abbildung rechts oben sind deren p-Orbitale mit breiten weißen Pfeilen markiert).
Exkurs: Einfluß des Erstsubstituenten
auf den Ort der Zweitsubstitution
Erstsubstituenten wie NO2, COOH, COOR, CHO (= Aldehyd), C=O(R) (= Keton), SO3H (= Sulfonsäure), NH3+
werden daher als meta-dirigierende Substituenten bezeichnet.
Exkurs: Einfluß des Erstsubstituenten
auf den Ort der Zweitsubstitution
Erstsubstituent
I-Effekt
M-Effekt
Dirigierende
Wirkung
–O –
–OH, –OR, –NH2, –NR2
Alkyl
–F, –Cl, –Br, –I
–COOH, –COOR, –CN, –CONH2, –CHO, –NO2
–NH3 +, –NR3 +
+I-Effekt
–I-Effekt
+I-Effekt
–I-Effekt
–I-Effekt
–I-Effekt
+M-Effekt
+M-Effekt
(nicht exist.)
+M-Effekt
–M-Effekt
(nicht exist.)
ortho / para
ortho / para
ortho / para
ortho / para
meta
meta
Quelle: wikipedia
Diese leicht modifizierte Form einer Tabelle aus http://de.wikipedia.org/wiki/Elektrophile_aromatische_Substitution
#Substituenteneffekte soll Ihnen den Überblick über die elektronischen Effekte von Erst-Substituenten am
aromatischen Ring und deren dirigierender Wirkung erleichtern.
Zurück zur Substitution des Phenols mit Iod.
Wir haben hier die para-Position gewählt (wir hätten aber auch eine der beiden ortho-Positionen nehmen können).
Das Zwischenprodukt ist mesomeriestabilisiert.
Diese Mesomeriestabilisierung beruht auf dem Umstand, daß
die positive Ladung über den Großteil des Rings bis hin zum
benachbarten O-Atom delokalisiert ist (d.h. die positive
Ladung ist nicht auf ein einzelnes C-Atom beschränkt).
Das hier kurzfristig vorliegende Zwischenprodukt (σ-Komplex
genannt) hat zwar keinen aromatischen Charakter mehr –
aber es ist immerhin zu einem gewissen Grad stabilisiert und
gewinnt durch die anschließende Abspaltung eines Protons die
aromatischen Eigenschaften und somit die maximale Stabilität
wieder zurück.
Die Abbildung links zeigt die Deprotonierung, bei der das Bindungselektronenpaar zwischen C und H in das System
der π-Elektronen des Rings verschoben wird.
Hatte der (nicht aromatische) σ-Komplex nur vier solcher π-Elektronen im Ring, so ist das Sextett an π-Elektronen, das
den aromatischen Charakter ausmacht, jetzt wieder komplett.
Die Abbildung rechts zeigt das wieder hergestellte aromatische System mit den sechs π-Elektronen und deren
Überlappung hin zum benachbarten O-Atom.
Das anorganische Nebenprodukt der Reaktion ist Chlorwasserstoffsäure H+ Cl–.
Die untere Abbildung zeigt diesen Reaktionsschritt in der Sicht von oben auf den Ring.
Die geschweifte Klammer soll die Delokalisierung der positiven Ladung im s-Komplex wiedergeben.
Wird Iodmonochlorid im Überschuß eingesetzt, so kommt es zu weiteren Substitutionen in den beiden ortho-Positionen
des Rings.
Wir erinnern uns: die bereits vorhandene OH-Gruppe am aromatischen Ring sorgt aufgrund ihres +M-Effekts dafür, daß
elektrophile Substitutionen (wie hier durch Iod) bevorzugt an den Ringpositionen ortho und para, also an den C-Atomen
Nr. 2, 4 und 6 ablaufen.
Völlig analog verläuft übrigens die Umsetzung von Phenol mit elementarem Brom.
In direkter Nähe elektronenreicher Bereiche wie dem p-Elektronensystem eines Aromaten kommt es nämlich zu einer
Polarisierung des Brom-Moleküls (siehe Partialladungen d + und d – an den beiden Brom-Atomen).
Das partial positiv geladene Brom-Atom wird von zwei der insgesamt sechs p-Elektronen angegriffen, und es kommt
zur Spaltung des Brom-Moleküls unter Abspaltung eines negativ geladenen Bromid-Ions
In diesem Fall entstehen 4-Bromphenol (und 2-Bromphenol) als bevorzugte Produkte der Mono-Substitution.
Das Produkt der dreifachen Substitution von Phenol mit Brom ist 2,4,6-Tribromphenol.
Abschließend betrachten wir noch zwei elektrophile aromatische Substitutionen am Benzol selbst.
Benzol
Brombenzol
Benzol hat aufgrund des fehlenden +M-Effekts keine so hohe Dichte an p-Elektronen wie das Phenol.
Es ist demnach etwas reaktionsträger als Phenol und benötigt für den Austausch eines H-Atoms gegen ein
Br-Atom die Unterstützung durch einen Katalysator.
Abschließend betrachten wir noch zwei elektrophile aromatische Substitutionen am Benzol selbst.
Benzol
Brombenzol
Brom
Brom-Eisen(III)-bromid-Komplex
Eisen(III)-bromid
Der in diesem Fall gerne verwendete Katalysator ist Eisen(III)-bromid FeBr3.
Durch die Anlagerung des Brom-Moleküls an das zentrale Fe-Atom wird das endständige Br-Atom relativ
stark positiv polarisiert – auf jeden Fall so stark, daß es nun mit den p-Elektronen des aromatischen Rings
in Wechselwirkung tritt und im Verlauf der Reaktion eines der H-Atome am Ring ersetzt.
Abschließend betrachten wir noch zwei elektrophile aromatische Substitutionen am Benzol selbst.
Benzol
Nitrobenzol
Auch für die Synthese von Nitrobenzol durch Austausch eines H-Atoms gegen die NO2-Gruppe bedarf es
eines Katalysators.
Das in diesem Fall benötigte Elektrophil ist das NO2+ - Ion (Nitronium-Ion genannt).
Abschließend betrachten wir noch zwei elektrophile aromatische Substitutionen am Benzol selbst.
Benzol
Nitrobenzol
Wasser
Salpetersäure
protonierte Salpetersäure
Nitronium-Ion
Es wird aus der konzentrierten Salpetersäure freigesetzt, in das O-Atom der OH-Gruppe an einem Proton
der als Katalysator zugesetzten konzentrierten Schwefelsäure angreift.
Dadurch wird die Abspaltung eines Wasser-Moleküls ermöglicht.
Übrig bleibt das relativ starke Elektrophil NO2+.
Auf der definitiv letzten Folie soll eine der Möglichkeiten zur Herstellung von Phenol als Reaktionsschema gezeigt werden.
Eine direkte Phenolsynthese aus Benzol durch Umsetzung des Benzols mit einem
Elektrophil des Typs OH+ ist nicht möglich, da dieses Elektrophil extrem
energiereich ist und nur in interstellarer Materie vorkommt.
Eine Möglichkeit für eine Phenolsynthese im kleineren Labormaßstab (also nicht
industriell) ist der Umweg über Nitrobenzol.
Dessen Reduktion zu Anilin mit sogenanntem „nascierendem Wasserstoff“ (also
im Reaktionsgefäß frisch hergestellten H-Atomen aus Eisenschrott und Salzsäure,
wobei das Proton der Salzsäure ein Elektron vom metallischen Eisen aufnimmt
und dadurch zum ungeladenen H-Atom wird) entspricht der großtechnischen
Synthese der Zwischenstufe Anilin (vgl. BASF*).
Anilin kann im Labor (wo es wegen der geringeren Mengen nicht so sehr auf den
Preis ankommt wie in der großtechnischen Herstellung) mit frisch hergestellter
Salpetriger Säure HNO2 zu Phenol umgesetzt werden („Phenolverkochung“**).
Nitrobenzol
+ 6 H•
- 2 H2O
Reduktion
Anilin
Achtung: Salpetrige Säure HNO2 darf nicht mit der Salpetersäure HNO3
verwechselt werden!
Die Salpetrige Säure HNO2 setzt nach der Protonierung mit H+ das Kation N=O+
frei (Nitrosonium-Ion oder auch Nitrosyl-Kation genannt), dessen N-Atom
zusammen mit dem N-Atom der NH2-Gruppe des Anilins als elementarer
Stickstoff N2 abgeht**).
Die OH-Gruppe des Phenols stammt aus dem Lösungsmittel Wasser **).
*) BASF = Badische Anilin- und Sodafabrik
**) Details dazu: siehe Lehrbücher oder Wikipedia unter „Verkochung“.
Phenol