NIEMALS OHNE SCHUTZBRILLE IM LABOR !!!!! - oc1.uni-bayreuth.de

I. L A B O R A T O R I U M S T E C H N I K
1. UN F A L L V E R H Ü T U N G
NIEMALS OHNE SCHUTZBRILLE IM LABOR !!!!!
1.1a Brandverhütung
Viele organische Lösungsmittel (z.B. Ether, Petrolether, Schwefelkohlenstoff) besitzen
einen hohen Dampfdruck und sind oft leicht entflammbar. Sie dürfen deshalb nicht in
der Nähe von offenen Flammen oder von Wärmequellen (Gefahr der Überdruckbildung
in den Flaschen) aufbewahrt werden. Lösungsmittel dürfen nur mittels eines
Heizbades (Öl- oder Wasserbad) oder Heizpilzes, aber nie auf offener Flamme erhitzt
werden.
Beim Kochen unter Rückfluß oder beim Destillieren ist darauf zu achten, daß der
Kühler genügend kühlt und keine Lösungsmitteldämpfe entströmen. Lösungsmittelreste
dürfen niemals in den Ausguss gegossen werden.
Natrium- und Kaliumreste dürfen nicht mit Wasser in Berührung kommen und erst recht
nicht in den Ausguss oder Papierkorb geworfen werden (Explosionsgefahr!).
Aufbewahrt werden diese Metalle unter Petroleum.
1.1b Brandbekämpfung
Lösungsmittelbrände werden mit CO2-Handfeuerlöschern bekämpft.
K E I N W A S S E R
1

Brennende Ölbäder werden abgedeckt (Deckel oder Löschdecke). Falls Kleidung
brennt, sofort Notdusche über den Türen benutzen. Im Labor sollte möglichst keine
Kunststoffkleidung getragen werden, da bei eventuellen Bränden der Kunststoff
schmilzt und sehr schwer heilbare Brandwunden hervorruft. Besonders der Laborkittel
sollte aus reiner Baumwolle bestehen.
Wenn es brennt, muß sofort mit den Löscharbeiten begonnen werden; kleinere Brände
breiten sich sehr schnell ausl Besonders gefährlich sind Brände von Benzol oder
Toluol, da sie mit sehr heißer Flamme brennen.
1.2 Ätzende Stoffe:
Säuren, Laugen, Säurehalogenide und ähnliche Stoffe verursachen schwer heilende
Hautschäden, die oft erst nach Stunden erkennbar werden. Beim Umgang mit diesen
Stoffen ist daher besondere Sorgfalt angebracht. Hautstellen, die mit solchen Stoffen in
Berührung kamen, sofort mit viel kaltem Wasser abspülen, Assistent benachrichtigen.
Organische Stoffe (z.B. Methylierungsmittel, insbesondere Dimethylsulfat!), dringen
leicht durch die Haut ein und können nicht mit Wasser abgewaschen werden, daher zur
Reinigung Alkohol verwenden. Die Wirkungen zeigen sich oft nicht unmittelbar,
sondern erst nach Stunden. Im Labor ist unbedingt eine Schutzbrille zu tragen, um
Augenverletzung zu vermeiden (im anderen Fall Verlust des Versicherungsschutzes!).
Falls Säure- und Laugenspritzer das Auge getroffen haben, Augendusche benutzen.
Kleidung ist durch Tragen eines Labormantels (aus Baumwolle) zu schützen. Schon
ein kleiner Spritzer Schwefelsäure durchlöchert die Kleidungl
Zum Pipettieren immer Peleusball bzw. Gummihütchen oder Schliff-(Fortuna)-Pipette
verwenden, niemals mit dem Mund.
1.3 Glasbearbeitung
Schwere Verletzungen treten auf, wenn man beim Überziehen eines Gummischlauches
über ein Glasrohr abrutscht und sich das Glasrohr in die Hand stößt. Daher bei
solchen Operationen Schutzhandschuhe verwenden oder die Hand mit einem Tuch
schützen! Glasrohr durch Glycerin gleitend machen! Nicht mit angebrochenen
Glasgeräten arbeiten.
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Beim Zerlegen von Schliffapparaten keine Gewaltanwendung, Schliffe mit einem Föhn
erwärmen und nochmals versuchen, sie zu lösen. Gegebenenfalls Assistenten fragen,
bzw. zum Glasbläser gehen.
1.4 Arbeiten mit agressiven Verbindungen
Halogenhaltige Stoffe, Nitroverbindungen, Mercaptane etc. sind oft stark giftig,
gelegentlich tränenreizend oder von üblem Geruch. Mit solchen Verbindungen sollte
nur unter einem gut ziehenden Abzug gearbeitet werden.
Man orientiere sich vor der Arbeit, wie etwa verschüttete Substanzproben rasch
vernichtet werden können. Man vermeide vor allem das Einatmen von Dämpfen
organischer Substanzen, besonders von Flüssigkeiten, die oft einen erheblichen
Dampfdruck haben.
Geruchsproben führe man so aus, daß man das Gefäß mit der Substanz 20 cm von der
Nase entfernt hält und durch eine Handbewegung in Richtung Nase etwas von dem
Dampf der Verbindung in die Nase treibt. Geschmacksproben sind auf jeden Fall zu
unterlassen!!! Viele Stoffe sind carcinogen, d.h. es gibt keine Toleranzgrenze. Beim
Aufnehmen (Entfernen) ausgelaufener Flüssigkeiten niemals ohne Atemschutz und nur
mit Handschuhen arbeiten - vorher Assistent zu Rate ziehen!
Besonders gefährliche Verbindungen sind aus der Tabelle (im Anhang) mit den
Maximalen Arbeitsplatz-Konzentrationen (MAK-Werten) zu erkennen. Dazu gehören
u.a. Acetonitril, Anilin, Benzol, Blausäure, Chinon, Chloroform, Diazomethan,
Dimethylsulfat, Hydrazin, Methylenchlorid, Methanol, nitrose Gase,
Nitrosoverbindungen (besonders N-Nitrosoverbindungen), Phenol, Phenylhydrazin,
Quecksilber, fast alle chlorierten Kohlenwasserstoffe u.v.a.
Aus Sicherheitsgründen ist es verboten, bei der Laborarbeit zu essen, zu trinken oder
zu rauchen !!! Das ist keine Schikane, denken Sie an Ihre Gesundheit.
Die Anordnungen der Assistenten, die Sauberkeit und Sicherheit am Arbeitsplatz
betreffen, sind unbedingt zu befolgen.
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NICHTBEACHTUNG DER VORSCHRIFTEN KANN ZUM AUSSCHLUSS AUS DEM
PRAKTIKUM FÜHREN !!!
Umweltbewußtes Verhalten:
Es ist strengstens untersagt, die Umwelt durch fahrlässiges Hantieren und Verschütten
von Chemikalien zu belasten. Versuchen Sie als Chemiker mit gutem Beispiel voran zu
gehen. Nicht der andere - Sie sollen die Umwelt mitschützen!
2. A R B E I T S V O R B E R E I T U N G
Bevor eine synthetische oder analytische organische Arbeit begonnen werden kann,
sind folgende Vorbereitungen zu treffen:
2.1 Literatursuche:
Im Regelfall liegen beim Assistenten für die im Organischen Praktikum auszuführenden
Reaktionen Arbeitsvorschriften aus. Trotzdem sollte man schon in diesem Stadium des
Studiums darüber Bescheid wissen, wie man nach Arbeitsvorschriften in der Literatur
sucht.
Die gesuchte Verbindung wird zunächst als Bruttoformel aufgeschrieben und nach der
IUPAC-Nomenklatur benannt. Bei Schwierigkeiten in der Benennung ist das Buch der
IUPAC, (International Union of Pure and Applied Chemistry) "Nomenclature of Organic
Chemistry", Sections A, B und C 1 oder das Buch von D. Hellwinkel; "Die
systematische Nomenklatur der Organischen Chemie", Springer Verlag, Heidelberg
1974, zu Rate zu ziehen.
Zunächst versucht man die gesuchte Verbindung in den gängigen Tabellenbüchern wie
Chemiker-Kalender oder D'Ans-Lax Handbuch zu finden. Bei allen hier aufgeführten
Verbindungen ist die Literaturstelle im Beilstein bzw. den Chemical Abstracts
angegeben. Erst wenn diese Suche keinen Erfolg hat, benutzt man die großen
Nachschlagewerke.
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Die gesamte chemische Literatur wird laufend in den "Chemical Abstracts" und im
Beilstein" so aufbereitet, daß man nach einer bereits in der Literatur beschriebenen
Verbindung sowohl unter ihrem IUPAC-Namen, als auch unter ihrem Trivialnamen (falls
es so einen gibt) und nach der Bruttoformel in den Jahres-, 5-Jahres- oder 10-Jahres-
Registerbänden suchen kann.
In der Regel ist die Suche unter der Bruttoformel am sichersten, weil auch erfahrene
Chemiker in der Benennung von Verbindungen Fehler machen und dann die
betreffenden Verbindungen unter dem gegebenen Namen in den Registerbänden nicht
zu finden wären.
Wurde der Name nicht richtig nach der IUPAC-Nomenklatur gebildet, so erhält man
beim Durchsehen der neben der Formel stehenden Namen des Generalformelregisters
des "Beilsteins" oder des "Chemischen Zentralblattes" oder der "Chemical Abstracts"
eine Denkhilfe: Man findet selbst mit bescheidenen Nomenklaturkenntnissen meist
heraus, ob ein angeführter Name der gesuchten Formel entsprechen kann. Die
Formelregister sind in allen erwähnten Werken nach steigender Kohlenstoffzahl
angeordnet, bezüglich der Anordnung weiterer Elemente wurde aber in den
verschiedener Formelregistern uneinheitlich verfahren. Im Beilstein und dessen Er-
gänzungswerk werden Verbindungen gleicher Kohlenstoffzahl in Gruppen unterteilt:
(Gruppe 1 umfaßt Verbindungen, die außer Kohlenstoff nur noch ein Element
enthalten, Gruppe 2 solche mit zwei Elementen, usw. Bei der weiteren Unterteilung
kommt dem Wasserstoff (häufigstes Begleitelement) die höchste Priorität zu, dann
folgen Sauerstoff, Stickstoff, Chlor, Brom, Iod, Fluor, Schwefel und Phosphor (Richter-
Alphabet).
Es ergibt sich somit folgende Aufeinanderfolge der Summenformeln:
Hauptkriterium: C-Anzahl: C-1 steht vor C-2.
Nebenkriterium: Anzahl der vorhandenen zusätzlichen Elementarten:
C5H9O2N3 steht vor C5H9ONCl.
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Innerhalb der Gruppen sind die Formeln nach steigender Atomzahl nach dem
"Richteralphabet" angeordnet, z.B.
C2-I Gruppe: C2H2, C2H4, C2H6, ....C2N2, .... C2Cl2, C2Cl4.... C2Br2 .... C2I2
C2-II Gruppe:C2H2N4 ... C2H2Cl4 ... C2H3N .... C2H40, C2H402, C2H403 ... C2H4N2
In den Formelregistern der Chemical Abstracts hat man auf die Unterteilung der
Verbindungen gleicher C-Zahl nach der Zahl zusätzlicher Elemente verzichtet und
wendet bezüglich der Priorität von Heteroatomen das Hill-Alphabet an: Hier besitzt
zwar so wie nach der, Richteralphabet der Wasserstoff höchste Priorität, alle übrigen
Elemente werden jedoch dann in alphabetischer Reihenfolge angeordnet.
Die Anordnung der obigen Bruttoformel der C2-Gruppen ist also wie folgt vorzunehmen:
C2H2, C2H2Cl4, C2H2N4, C2H3N, C2H4, C2H4N2, C2H4O, C2H4O2,
C2H4O3, C2H6, C2Br2, C2Cl2, C2Cl4, C2I2,
Ab dem zweiten Ergänzungswerk wurde das für die Chemical Abstracts angewandte
Registerverfahren (Hill-Alphabet) auch bei den Beilstein‘schen Sammelregistern
verwendet.
Im Hauptteil des Beilstein sind nur jene Verbindungen enthalten, die bis 1909 in der
Literatur publiziert wurden. Das 1. Ergänzungswerk enthält Angaben über die Literatur
von 1910 bis 1919, das zweite von 1920-1929 und das dritte von 1930 bis 1949. In den
Ergänzungswerken sind oben die Seitenzahlen des Hauptwerkes und der älteren
Ergänzungswerke, auf denen die gleiche Verbindung behandelt wird, angegeben, so
daß dadurch die Literatursuche wesentlich erleichter ist. Um die neuere Literatur zu
erfassen, ist unbedingt eine Literatursuche auch in den Registerbänden der Chemical
Abstracts erforderlich. Sammelregister der Chemical Abstracts, die die Literatur eines
Zeitraumes von 5 und 10 Jahren erfassen, sind verfügbar, neuere Literaturangaben
müssen den Einzeljahresregistern entnommen werden.
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Am zweckmäßigsten geht man bei der Literatursuche so vor, daß man zuerst in den
Registerbänden neuesten Datums nach der Verbindung sucht, weil man so gleichzeitig
meist auch ältere Literatur erfasst, die in neueren Arbeiten fast immer zitiert ist.
Dementsprechend beginnt man mit der Literatursuche in den neuesten Registerbänden
der Chemical Abstracts und geht erst dann auf die Beilsteinbände zurück.
Wenn eine Verbindung noch nicht in der Literatur beschrieben ist, so kann man nach
Synthesebeschreibungen analoger Verbindungen suchen. Dies wird durch das
Beilsteinsystem erleichtert, weil dort die Verbindungen nach Klassen geordnet sind.
Beispielsweise kann man versuchen, eine Vorschrift der beschriebenen Synthese
nächst niedriger Homologer auszuführen.
Wichtige Hilfe bei der Vorplanung von Synthesen leisten Methodenregister, denen man
entnehmen kann, welche Verfahren für bestimmte Umsetzung z.B. den Ersatz von
Halogen durch eine Hydroxylgruppe, anwendbar sind.
Zu erwähnen sind hier:
R.B. Wagner und H.D. Zook: "Synthetic Organic Chemistry", ausgezeichnete und
übersichtliche Zusammenstellung von Methoden zur Herstellung einfach substituierter
aliphatischer Verbindungen. Leider sind nur jene Methoden erfasst, die bis etwa 1954
entwickelt wurden.
C. Weigand und G. Hilgetag.- "Organisch chemische Experimentierkunst". Sehr
übersichtliche Zusammenstellung verschiedener Reaktionstypen, allerdings auch nicht
auf neustem Stand.
I.T. Harrison und S.Harrison "Compendium of Organic Synthetic Plethods" enthält in
Formelübersicht, jedoch ohne Kommentar, eine Fülle an Material, das der neueren
Literatur entnommen wurde, Geordnet nach funktionellen Gruppen. Erfordert doch
einige Sucharbeit.
C. Ä. Buehler und D. Pearson: "Survey of Organic Synthesis", ähnlich aufgebaut wie
das Buch von Wagner und Zook, unter Auswertung der Literatur bis 1970.
Houben-Weyl: "Methoden- der organischen Chemie" : Umfangreichstes
Methodenregister mit ausführlichen Beispielen.
Organic Reactions: Sehr ausführliche Behandlung häufig verwandter Methoden (z.B.
Reduktionen mit LiAlH4)- Jedes Jahr erscheint ein neuer Band.
L.F. Fieser und M. Fieser: "Reagents for Organic Syntheses".
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W. Forst: "Neuere Methoden der Organischen Chemie", ähnliche Methodenbehandlung
wie in den Organic Reactions, wobei besonderer Wert auf neuere und weniger
bekannte Verfahren gelegt wird.
W. Theilheimer: "Synthetische Methoden der Organischen Chemie". Jedes Jahr
erscheint ein Band, in dem in kurzer Form allgemein anwendbare neue
Herstellungsverfahren des letzten Jahres beschrieben sind.
Leider ist die Suche nach bestimmten Methoden durch das etwas unübersichtliche
Registerverfahren (die Reaktionen sind innerhalb der Bücher nicht nach Typen
unterteilt) für den Anfänger schwierig, doch enthalten diese Bände eine gewaltige Fülle
an Material. Beilstein und Chenical Abstracts enthalten nur zusammenfassende
Referate der Originalarbeiten.
Hat man daher die betreffende Verbindung in einem Beilstein oder CA-Band
gefunden, so darf man sich nicht mit den dort in Kurzform angeführten
Herstellungsvorschriften zufrieden geben, sondern in jedem Fall ist die Originalliteratur
einzusehen, die genauere Angaben über die Arbeitsbedingungen (Menge, Temperatur,
Reaktionsdauer, eventuelle Schwierigkeiten, Ausbeute usw.) enthält. Unter Umständen
ist die Herstellung ein und derselben Verbundung in mehreren Literaturstellen
beschrieben. Die Arbeitsvorschriften sind zu vergleichen, um den rationellsten
Zugangsweg ausfindig zu machen (Diskussion und Besprechung dieser
Herstellungsmethoden mit dem Assistenten).
2.2 Vorbereitung der Arbeitsmaterialien:
Aus den Arbeitsvorschriften der Literatur kann man entnehmen, wie groß der Ansatz zu
wählen ist, um die gewünschte Menge an Produkt zu erhalten. Es ist jedoch zu
beachten, daß mit Ausnahme gut überarbeiteter Laborvorschriften (Präparate aus dem
„Organikum“, „Organic Synthesis“, „Vogels Textbook" etc.) in der Originalliteratur, die
Reaktionen mehrmals durchgeführt wurden, nur die beste Ausbeute angegeben ist.
Diese "Literaturausbeute" wird von Anfängern in der Regel nicht erreicht, da kleine
Fehler fast unvermeidbar sind. Aus der Menge der Reagentien ergibt sich die Größe
der bei der Reaktion zu verwendenden Gefäße.
Reagenzien vorbereiten: Auf Verunreinigung prüfen (Schmelz-Punktbestimmung (Fp)
bzw. Siedepunktsbestimmung (Kp) , Brechungsindex).
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Reagenzien abwiegen: Unbedingt darauf achten, dass die Waage exakt eben steht
(durch Drehen der Standbeine ausrichten und mit der eingebauten 2D-Wasserwaage
(„Libelle“) den ebenen Stand überprüfen !!!)
Lösungsmittel reinigen, eventuell absolutieren.
Apparaturaufbau vorbereiten: Apparaturteile zusammenstellen, Schlauchverbindungen
vorbereiten, Schlauchsicherungsklemmen (Ligaturen) bereitlegen.
Alle diese Vorbereitungsarbeiten nehmen oft erhebliche Zeit in Anspruch (z.B.
Absolutieren von Lösungsmitteln, Heranschaffen seltener Chemikalien, wenig
gebrauchter Apparaturteile), daher ist es für rationelles Arbeiten unbedingt notwendig,
soweit wie möglich vorzuplanen, am besten zwei Tage oder mehr.
Meist gibt es, wenn ein Ansatz einmal läuft, erhebliche Totzeit. Diese sollte unbedingt
genutzt werden, um für das nächste und übernächste Präparat vorzuplanen.
Später muß ein Chemiker imstande sein, mehrere Ansätze gleichzeitig zu fahren und
zu betreuen, das gelingt aber nur bei entsprechender Planung!
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2.3 Protokollführung:
Hat man in der Originalliteratur eine Arbeitsvorschrift gefunden, so sollte man nicht
damit einen Zettel beschmieren, da dieser früher oder später verloren geht. Alle
Eintragungen sind in ein Heft mit genauer Literaturangabe zu machen: Name der
Autoren (mit Vornameninitialen), Zeitschrift, Band, Seite und Erscheinungsjahr. Wenn
man sich mit einem Extrakt der Originalvorschrift begnügen muß, ist es zweckmäßig,
später nochmals die Originalvorschrift zu kontrollieren, zumindest dann, wenn man mit
Schwierigkeiten zu kämpfen hat. Schon oft wurden Randbemerkungen, die sich auf
eine Arbeitsvorschrift beziehen, zunächst nicht wichtig genommen!
Ein Protokoll sollte so ausgearbeitet sein, daß ein Kollege ohne weiteres danach
arbeiten kann. Nach Angabe des Namens, einer formelmäßigen Darstellung des
Reaktionsablaufes und Reaktionstyps hat das Protokoll Angaben über die Größe des
Ansatzes und der verwendeten Apparatur, auch Hinweise über deren Aufbau zu
enthalten. Angaben über den Zeitbedarf für einzelne Reaktionen sind wichtig
(Arbeitszeiteinteilung).
Über Beobachtungen bezüglich des Reaktionsablaufes (Temperatur- und
Farbänderungen, Schwierigkeiten (z.B. Schäumen beim Destillieren) ist während der
Arbeit Protokoll zu führen, am Tage nach der Reaktion hat man Vieles schon wieder
vergessen! Gute Protokollführung erlaubt erst eine exakte Reproduktion und hilft Fehler
aufspüren! Zum Schluß des Protokolls sind Angaben über das Reaktionsprodukt und
seine Reinheitskriterien zu machen (Schmp. , Sdp.), wobei man nicht vergessen sollte,
zu schreiben, aus welchem Lösungsmittel (und mit welcher Lösungsmittelmenge)
umkristallisiert wurde. Zum Schluß ist die theoretisch mögliche, die in der Literatur
erreichte und praktische Ausbeute zu berechnen.
Die Protokolle müssen in einem Bericht zusammengestellt werden (keine losen
Blätter!); neue Präparate werden erst nach Abgabe alten Präparate und des
Laborberichts ausgegeben.
Die Protokolle sollen kurzgehalten werden und nur Daten und Beobachtungen
enthalten, die wirklich gemessen worden sind.
Im Folgenden ist kurz skizziert, wie ein Laborbericht aufgebaut sein muss:
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Name des Präparats
1. Vollständige Literaturangabe (Buchtitel, Autoren, Seite, Verlag, etc.)
2. Reaktionsname (z.B. Veresterung, Friedel-Crafts-Acylierung)
3. Reaktionstyp (z.B. nucleophile Substitution eines Carbonsäurechlorids)
4. Vollständige Reaktionsgleichung (unter den Formeln Angabe des Molgewichts)
5. Reaktionsverlauf (Reaktionsmechanismus)
6. Geräte (Kolben, Rückflußkühler, mechanischer Rührer), keine trivialen
Apparaturen abbilden
7. Eingesetzte Mengen (in mol und Gramm)
8. Reaktionsbedingungen (Reaktionstemperatur, Druck, Zeitdauer ...)
9. Aufarbeitung, Abtrennung, Isolierung des gewünschten Produkts
10. Reinigung u. Charakterisierung des Präparats (Schmp., Sdp., Rf, nD, IR-Daten,
eventuell NMR- und UV-Daten, zusätzlich die betreffenden Angaben der Literatur)
11. Ausbeuteangabe: Theorie, Literatur und praktisch gefunden jeweils in %, g und
Mol.
3. GERÄTE, APPARATUREN UND IHRE BENUTZUNG
3.1. Reaktionsgefäße
Die gebräuchlichsten Reaktionsgefäße sind Erlenmeyer- und Rundkolben die zur
Erweiterung des Anwendungsbereiches mit mehreren Hälsen versehen sind (Abb. 1):
Abb. 1:
300 mL
300
250
200
150
100
ERLENMEYER-KOLBEN
Enghals Weithals
300 mL
300
250
200
150
100
Normschliff
NS29
300 mL
NS29
300
250
200
150
100
1 L
Rundkolben
500 mL
11

Wenn nicht genügend Öffnungen zur Verfügung stehen, verwendet man einen Claisen-
Aufsatz (Abb. 2):
Abb. 2:
NS29
Zum Zutropfen von Reaktionsflüssigkeiten werden Tropftrichter verwendet, die bei
geschlossenen Apparaturen einen Druckausgleich haben müssen. Abb. 3
Abb. 3:
mL
250
200
150
100
50
NS29
Tropftrichter
ohne mit
Druckausgleich Druckausgleich
3.2. Apparaturen – allgemeine Arbeitshinweise:
Heutzutage werden die Glasteile der Apparaturen nahezu ausschließlich mit genormten
Schliffen verbunden.
3.2.1.a) Schliffe:
Man unterscheidet zwischen Kegel- und Kugelschliffen. Die gebräuchlichsten sind die
Kegelschliffe (Abb.4).
mL
250
200
150
100
50
NS29
75 o
12

Abb. 4:
Kugelschliffe haben den Vorteil der größeren Beweglichkeit in sich und werden
verwendet, wenn flexible Verbindungen erforderlich sind. Leider sind sie sehr teuer.
Wenn bei einem Kegelschliff die geschliffene Fläche außen ist, so spricht man vom
Kern, anderenfalls von der Hülse. Die Bezeichnung der Schliffgrößen sind:
NS 9, NS 14,5, NS 1-01, NS 29, NS 32, .... (NS = Norm-Schliff, die Zahl bezeichnet die
größte Weite - falls noch eine zweite Zahl angegeben ist) bezieht sich diese auf die
Schlifflänge).
Zur Verbindung von Schliffen verschiedener Größe werden Übergangsstücke
verwendet. Abb. 5
Abb. 5:
Quickfit-
Adapter
29-14 14-29 NS 29 NS 14
zum Einführen
von Glasrohr bzw.
Thermometer
13

Behandlung von Schliffen:
Die präzisionsgeschliffenen Flächen der Schliffe sind äußerst empfindlich gegenüber
mechanischen Verunreinigungen (Glassplitter, Staubteilchen, Sand usw.); schon
kleinste Kratzer bedingen oft Undichtigkeit einer Apparatur, besonders beim Betrieb
unter vermindertem Druck (Vakuumdestillation).
Es ist deshalb auf peinlichste Sauberkeit der Schliffflächen zu achten.
Zur Erhöhung der Dichtigkeit und zur Materialschonung (Reibung) werden die Schliffe
vor dem Zusammenbau dünn mit Siliconfett bestrichen.
Bei Handhabung von kleinen Substanzmengen wirkt sich die Verwendung von
Schlifffett jedoch oft störend aus, da es teilweise in die Probe gelangt und diese
verunreinigt. In diesen Fällen sollte man besser auf Graphit als Gleitmittel
zurückgreifen.
2.2.1.b)_Aufbau von_Apparaturen:
Vor Aufbau einer Apparatur müssen alle dafür notwendigen Teile bereitgelegt werden.
Kühlwasserschläuche an Kühlern sind vor dem Zusammenbau zu befestigen.
Bestimmend für die Höhe des Aufbaues und damit für die Anordnung der Apparatur ist
die Höhe der Hebebühne mit Magnetrührer und Ölbad, Wasserbad, usw.
Der Reaktionsrundkolben soll so hoch angebracht werden, dass durch herunterdrehen
der Hebebühne jederzeit das Heizbad (Wasserbadtopf, Ölbadtopf) vollständig vom
Reaktionskolben entfernt und entnommen werden kann (möglicherweise muss bei
manchen Reaktionen rasch gekühlt werden, z.B. bei der Grignard-Reaktion) und durch
ein Kältebad ersetzt werden kann.
Danach wird die Apparatur schrittweise vervollständigt, indem die Schliffteile erst locker
eingepaßt und dann spannungsfrei befestigt werden.
Bei Aufbau eines Rührwerkes (KPG-Rührer, siehe unter Rühren) sollte der schwere
Motor vor Einbau der kleineren Teile (wie Tropftrichter, Rückflußkühler usw.) am Stativ
befestigt werden (zur Vermeidung von Glasbruch bei späterem Einbau).
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Muffen sind so anzubringen, daß jeweils die Öffnung der Muffenhalterungen nach oben
offen sind (Abb. 6).
Abb .6:
3.2.1.c) Allgemeine Hinweise zum Erhitzen:
Organische Reaktionen, bei denen sich durch das Erhitzen das Lösungsmittel oder
Reaktionspartner verflüchtigen könnten, dürfen nur in Rundkolben mit
Rückflußkühler durchgeführt werden, da das Erhitzen in Bechergläsern oder
Erlenmeyerkolben auf dem Magnetrührer zum Überschäumen und in der Folge schon
oft zu gefährlichen Laborbränden geführt hat!!!
Zur Vermeidung von Siedeverzügen müssen Siedesteine, Siedekapillaren oder
mechanische Rührer (Magnetrührer mit Rührfisch) benutzt werden. Siedesteine dürfen
jedoch nie in die schon heiße Flüssigkeit geworfen werden, da es dann zu plötzlichen
Aufsieden und Schäumen kommt. Siedesteine verlieren ihre Wirksamkeit, wenn die
Siedeflüssigkeit vorübergehend abgekühlt wird, z.B. bei Zugabe von Lösungsmitteln bei
der Umkristallisation, so daß auf jeden Fall vor erneutem Anheizen neue Siedesteine
zugegeben werden müssen. Üblicherweise werden heute fast ausschließlich
Magnetrührer mit Rührfisch verwendet.
Bei der Benutzung von Ölbädern ist strengstens darauf zu achten, dass kein
Wasser in das Öl gelangt: Erhitzt man ein Ölbad, in dem sich Wasser befindet,
kann das Wasser Explosionsartig verdampfen, heisses Ölbad spritzt herum !!!
Kontaminierte Ölbäder mehrere Tage lang unterhalb 100°C halten, dann erst
wieder langsam stärker erhitzen!!!
Wasserschläuche an Kühlern verlässlich mit Schlauchklemmen sichern.
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3.2.2. Reaktionsapparaturen:
a) Erhitzen unter Rückfluß
Reaktionen, die in siedenden Lösungsmitteln ablaufen, führt man im Rundkolben
mit Magnetrührer und Rückflußkühler durch (Abb.8). Die aufsteigenden
Lösungsmitteldämpfe kondensieren im Kühler und tropfen in den Kolben zurück.
Abb. 8:
Rührfisch
300
o C
200
50
100
AN
150 AUS
500 mL
20 o
AUS 1000
20 o
0 U/min
1500
AN
250
Kühlwasser
Zulauf
Ablauf
750
500
Steigrohr
Ölbad oder
Wasserbad
Magnetrührer
mit Heizung
16

) Kühlen
Folgende Kühlertypen werden in der Praxis verwendet (Abb.9).
Abb. 9:
Liebig-
Kühler
20o
Dimroth-
Kühler
20 o
Rückflusskühler
mit Glasolive mit Schraubolive
1 2 3
20 o
20 o
Intensiv-
Kühler
Dimroth-
Kühler
1. Liebig-Kühler: Geringe Kühlwirkung, nicht mehr in Gebrauch.
2. Dimroth-Kühler: Gebräuchlichster Kühler beim Sieden unter Rückfluß.
RD14
45 o
RD14
45 o
RD14
45 o
RD14
45 o
Intensiv-
Kühler
3. Intensiv-Kühler: Kombination aus Liebig- und Dimroth-Kühler: Sehr gute
Kühlwirkung, gut für leichtflüchtige Lösungsmittel - wie Ether - geeignet. Nachteil:
Teuer.
Bei stark exothermer Reaktion oder bei Reaktionen, die bei tiefen Temperaturen
durchgeführt werden, muß der Reaktionskolben zusätzlich durch ein Kältebad gekühlt
werden. Die Wahl des Kühlmittels richtet sich nach Kühltemperatur und der
abzuführenden Wärme.
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Ein Wasserbad ist billig und wird bei geringer notwendigen Wärmeabfuhr benutzt. Für
Temperaturen um und etwas oberhalb von 0°C dient ein Gemisch aus zerstoßenem Eis
und Wasser. Eine Eis-Kochsalz-Gemisch kühlt bis etwa –20°C (ca. 1/3 Salz, 2/3 Eis).
Bei Verwendung von festem Kohlendioxid (Trockeneis) in Isopranol kann bis –78°C
gekühlt werden. Diese Kältemischung bereitet man in einem Dewar-Gefäß (Abb. 10)
zu.
Abb. 10:
hoch
Dewargefäße
verspiegelter Glaskörper
mit Vakuum
flach
Mit flüssigem Stickstoff kann man bis –196°C kühlen.
VORSICHT: Ein Dewargefäß, das mit Trockeneis beschickt wurde, sollte danach
keinesfalls wieder für flüssigen Stickstoff verwendet werden, da durch das feste
Trockeneis die innere Glaswand zerkratzt werden kann und bei stärkerer,
schlagartiger Abkühlung auf –196°C die Gefahr einer Implosion besteht:
Einmal Trockeneis – immer Trockeneis!!
c) Rühren
Bei verschiedenen Reaktionsansätzen, besonders bei solchen mit mehreren Phasen,
ist gutes Rühren zur besseren Durchmischung bzw. zur Erhöhung der
Phasengrenzfläche, nötig. Dazu bieten sich verschiedene Möglichkeiten an:
1. KPG-Rührer: (KPG = Kerngeschliffenes Präzisions Glasgerät) mit verschiedenen
Rührflügeltypen (Abb. 11).
Abb. 11
.
18

Paraffin
200 300 400
500
50 0 600
1 L
AN
AUS
KPG-Rührmotor
Gummischlauch
KPG-Rührwelle
KPG-Rührhülse
Vorteil: Sehr gutes Drehmoment und gute Durchmischung sind gewährleistet.
Die Welle des Rührers muß mit Glycerin oder Paraffin geschmiert werden.
2. Magnet-Rührer mit Heizung: (nur für kleinere Mengen geeignet) erlaubt in völlig
abgeschlossenen Apparaturen zu rühren und gleichzeitig zu erhitzen. Er besteht aus
einem mittels Motor in Rotation versetzten Magneten, der im Reaktionsgefäß einen mit
Teflon überzogenen Eisenstabmagneten (Rührfisch) bewegt.
d) Gase, Dosierung und Handhabung
Muß einer Reaktion Gas zugeführt werden (z.B. Chlorierung) ergeben sich
verschiedene Probleme (z.B. der Trocknung, Reinigung und Dosierung).
1. Gasdruckflaschen
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Gase kommen gewöhnlich in Gasdruckflaschen in den Handel, in denen diese
meistens auf ca. 200 atü komprimiert sind. Der schwächste Punkt dieser Gasflaschen
ist das Hauptventil, das durch eine Schutzkappe beim Transport gesichert ist. Diese
darf erst abgeschraubt werden, wenn die Gasflasche ausreichend gegen Umfallen
gesichert ist, sonst besteht LEBENSGEFAHR.
Gemäß aktueller Vorschriften dürfen Gasflaschen überhaupt nicht mehr in
Labors freistehend aufgestellt werden, sondern nur noch in dafür geeigneten
Gasflaschen-Sicherheitsschränken.
Die Entnahme der Gase aus der Bombe erfolgt über ein Reduzierventil, dessen
Funktion in Abb. 12 angegeben ist.
Abb. 12:
2. Bei der Handhabung ist folgendes zu beachten
1. Flasche mit einer Kette oder Schelle am Labortisch oder an der Wand sichern.
2. Schutzkappe abschrauben.
3. Reduzierventil anschrauben.
20

4. Absperrventil und Stellschraube schließen, d.h. Stellschraube der Gummimembrane
ganz herausschrauben, Absperrventil ohne Kraftanwendung (sonst wird das
Nadelventil beschädigt) zudrehen
5. Hauptventil der Bombe Öffnen, Druck wird am Manometer I angezeigt.
6. An der Stellschraube gewünschten Vordruck einstellen (Manometer II).
7. Am Absperrventil Strömungsgeschwindigkeit regeln.
3. Trocknen und Reinigen von Gasen
Die meisten im Labor angewandten Gase sind nicht analysenrein, sondern enthalten
Beimengungen von Fremdgasen und besonders von Wasser.
Bei einigen Reaktionen ist es unumgänglich, das Wasser vorher zu entfernen (z.B.
Radikalreaktionen).
Das Gas wird hierzu durch eine Waschflasche geleitet, in der sich konzentrierte
Schwefelsäure befindet.
Vor und hinter dieser Waschflasche befinden sich Sicherheitsflaschen, die ein
Rücksteigen der Schwefelsäure, sowohl in die Bombe als auch in die Apparatur,
verhindern (Abb.13).
Abb. 14:
Gase, die mit Schwefelsäure reagieren (z.B. Ammoniak), können auf diese Weise nicht
getrocknet werden. In diesem Falle benutzt man einen sog. Trockenturm, der je nach
Anwendung mit unterschiedlichen festen Trockenmitteln (für NH3 z.B. Ca0) beschickt
wird (siehe auch Kapitel: Trocknen im Labor) (Abb.14).
Abb. 14:
21

e) Kombinationen von Apparaturen
Im Folgenden werden einige der gebräuchlichsten Anwendungsbeispiele der
Kombination von Glasapparaturen im Labor gegeben:
Abb. 15:
1
20 o
20 o
2
20 o
20 o
1. Erhitzen unter Rückfluß mit Trockenrohr
2. Erhitzen unter Rückfluß und Gaseinleitung
3. Reaktionskolben (Dreihals) mit KPG-Rührer, Tropftrichter und Rückflußkühler
4. Reaktionskolben
Tropftrichter
mit KPG-Rührer, Innenthermometer, Rückflußkühler u.
f) Reaktionen-unter UV-Bestrahlung
250 mL
200
150
100
50
200 300 400
500
AN
50 0 600
AUS
1 L
1 L
3
20 o
20 o
20 o
20 o
mL 100
75
50
25
200 300 400
500
50 0 600
AUS
1 L
1 L
4
AN
o
C
10 0
9 0
8 0
7 0
6 0
5 0
4 0
3 0
2 0
1 0
0 0
1 0
22

Reaktionen, bei denen durch Bindungsbruch Radikale gebildet werden müssen,
benötigen eine hohe Energiezufuhr, die allein durch Heizen nicht aufgebracht werden
kann:
Cl-Cl Æ Cl • + Cl •
In diesem Falle bedient man sich der Bestrahlung mit UV-Licht, deren Lichtquanten
energiereich genug sind, Radikale zu bilden.
Abb. 16
Gaseinleitung
zum
Netzgerät
20 o
20 o
Tauchrohr
aus Quarzglas
Quecksilbertauchlampe
Das Tauchrohr muß aus Quarzglas bestehen, weil normales Geräteglas die UV-
Strahlung absorbiert.
g) Apparatur zur azeotropen Entfernung von Reaktionswasser (Wasserabscheider)
Gleichgewichtsreaktionen, bei denen Wasser entsteht, wie z.B. Veresterungen, werden
so durchgeführt, dass durch Entfernung des Reaktionswassers das Gleichgewicht
„gestört“, d.h. zu Gunsten der Produkte „verschoben“ wird. Dies kann durch azeotrope
Destillation mit einem Schlepper geschehen. Ein gebräuchlicher Schlepper ist Toluol,
das leichter als Wasser ist (Dichte < 1). Hierfür dient die folgende Apparatur (Abb. 17a)
Abb. 17a:
23

Wasserabscheider: links für „leichte“ LM (Dichte < 1), rechts für „schwere“ LM
20 o
20 o
Das Azeotrop siedet bei geringerer Temperatur als die beiden Einzelkomponenten.
Das Kondensat trennt sich in der Kälte wieder in zwei Phasen, wobei sich Wasser als
schwerere Phase unten abscheidet und der Schlepper wieder zurück in den Kolben
gelangt.
Wichtig: Den graduierten Auffangteil (Meßrohr) des Wasserabscheiders vor der
Reaktion auch mit Schlepper füllen, um die LM-Menge im Reaktionskolben konstant zu
halten.
Bei Verwendung von Lösungsmitteln, die schwerer als Wasser sind (Dichte > 1) (z.B.
CH2Cl2, Dichlormethan = Methylenchlorid) verwendet man eine andere Apparatur, bei
der daß graduierte Meßrohr nach oben gebogen ist (Abb.17b). Wasser scheidet sich
oben ab.
Wichtig: Auch hier das Messrohr vor der Reaktion (durch schräghalten) durch den
geöffneten Schliffhahn am Messrohr mit Schlepper füllen, dann den Schliffhahn
schließen und den Wasserabscheider auf den Reaktionskolben setzen.
Abb. 17b:
24

Dieser Wasserabscheider ist sehr empfindlich und bricht leicht!!
3.2.3. Destillation:
a) Destillation unter Normaldruck
Die wichtigste Reinigungsmethode für leichtflüchtige Substanzen (Flüssigkeiten) ist die
Destillation. Die verunreinigte Flüssigkeit wird in einem Kolben zum Sieden erhitzt, der
Dampf wird in einem schrägabfallenden Kühler kondensiert und das "Destillat" in der
Vorlage aufgefangen. Leichter flüchtige Verbindungen (z.B. Lösungsmittel) verdampfen
zuerst und werden verworfen. Die Hauptkomponente (z.B. Reaktionsprodukt) wird
aufgefangen, wenn ein konstanter Siedepunkt abgelesen wird. Die Destillation ist
beendet, wenn die Temperatur weiter ansteigt oder abfällt (Abb. 18).
Abb. 18:
25

o
C
25 0
24 0
23 0
22 0
21 0
20 0
19 0
18 0
17 0
16 0
15 0
14 0
13 0
12 0
11 0
10 0
9 0
8 0
7 0
6 0
5 0
4 0
3 0
2 0
1 0
0 0
1 0
Kühlwasser
Vorstoß
Die Destillation unter Normaldruck sollte nur bei Substanzen angewandt werden, die
einen Siedepunkt zwischen 40-150°C besitzen. Tiefer siedende Komponenten werden
nicht genügend gekühlt; der Verlust wird zu groß (Dämpfe entweichen). In solchen
Fällen muß man entweder die Vorlage kühlen (Eis/Kochsalz, Isopropanol/Trockeneis)
oder den Kühler mit tiefgekühltem Methanol aus einem Kryostaten betreiben.
Bei Substanzen, die höher als 150°C sieden, ist die Gefahr der Zersetzung bei der
Destillation unter Normaldruck sehr groß. In diesem Falle bedient man sich der
Vakuumdestillation.
b) Vakuumdestillation
Die Vakuumdestillation wird wie die Destiilation ohne Unterdruck meist fraktionierend
durchgeführt (Abb.19):
Abb.19:
26

o
C
25 0
24 0
23 0
22 0
21 0
20 0
19 0
18 0
17 0
16 0
15 0
14 0
13 0
12 0
11 0
10 0
9 0
8 0
7 0
6 0
5 0
4 0
3 0
2 0
1 0
0 0
1 0
Fraktionierte Vakuumdestillation
zur
Vakuumpumpe
Bredt-Vorstoß
(Spinne)
Der Dampfdruck einer Flüssigkeit ist stark von der Temperatur abhängig. Die
Temperaturabhängigkeit wird durch die Gleichung von Clausius-Clapeyron
beschrieben:
d lnp / dT = HV / RT 2
p - Dampfdruck
HV
molare Verdampfungsenthalpie
T - absolute Temperatur (Kelvin)
R - Gaskonstante
in integrierter Form: ln p = -HV / RT + C
ln p aufgetragen gegen 1/T sollte also eine Gerade ergeben. Dies ist nur richtig unter
der Annahme, daß HV temperaturunabhäng ist, was aber nur in kleineren
Temperaturbereichen der Fall ist (Abb. 20).
Abb. 20:
.
27

Durch Erniedrigung des Druckes in der Destillationsapparatur ist es also möglich, den
Siedepunkt einer Substanz (verglichen ihrem Siedepunkt bei Normaldruck) so weit zu
senken, daß eine vernünftige (40°C - 150°C) Destillationstemperatur erreicht wird.
Das Vakuum wird durch eine Membranpumpe, oder, für besseres Vakuum, durch eine
Drehschieber-Ölpumpe, in speziellen Fällen der Hochvakuumdestillation durch
Quecksilber- oder Öl-Diffusionspumpen erzeugt.
Vakuumdestillationen sind so durchzufahren, daß zuerst das Vakuum angelegt wird
und danach erst die Heizung angestellt wird.
Zur Vermeidung eines Siedesverzugs muss immer mit Magnetrührer und Rührfisch
gerührt werden. Manchmal sind Siedekapillaren günstig, besonders bei stark viskosen
oder schweren Flüssigkeiten. Durch die Siedekapillare wird ständig ein geringer
Gasstrom (am besten Stickstoff oder Argon aus einem Ballon) durch die Flüssigkeit
gesaugt.
c) Rektifikation
Zur Trennung von Gemischen mehrerer Komponenten, die nahe beieinanderliegende
Siedepunkte haben (Unterschied Kp < 50°C) genügt eine einfache Destillation zur
Reinigung der Substanzen nicht mehr. Man benutzt in solchen Fällen eine sogenannte
Vigreux-Kolonne (Abb.21).
Abb. 21:
Vigreuxkolonne
Destillationsbrücke mit
Vigreuxkolonne
29

Prinzip: Das Dampfgemisch steigt auf, die schwerer flüchtige Komponente kondensiert
und fließt zurück. Der Effekt entspricht also einer Mehrfachdestillation.
An den Grenzflächen zwischen aufsteigendem Dampf und herabfließendem Kondensat
erfolgt ein ständiger Stoffaustausch, so daß die Konzentration des aufsteigenden
Dampfes an der leichter flüchtigen Komponente immer größer wird und am
Kolonnenkopf am größten ist. Die beste Anreicherung der leichter flüchtigen
Komponente würde man dann erreichen, wenn man den gesamten aufsteigenden
Dampf kondensiert und in der Kolonne zurückfließen ließe. Man spricht dann von
einem maximalen Rücklaufverhältnis; nur in diesem Falle wird überhaupt die
theoretisch mögliche Gleichgewichtseinstellung erreicht.
In der Praxis will man jedoch die am Kolonnenkopf angereicherten Komponenten auch
überdestillieren und in der Vorlage sammeln. Zur Erzielung eines guten Trenneffektes
muß man daher langsam destillieren, so daß noch viel des aufsteigenden Dampfes
kondensieren kann und zurückfließt, daß also das Rücklaufverhältnis noch möglichst
groß ist. Es gibt auch Apparaturen, an denen das Rücklaufverhältnis manuell
eingestellt werden kann. (Man informiere sich zusätzlich in Lehrbüchern der physikal.
Chemie).
Eine zu schnelle Destillation hat kaum eine andere Wirkung als das Umschütten
der Substanz in einen anderen Kolben.
d) Rotationsverdampfer
Da die meisten Reaktionen in Lösungsmitteln stattfinden, muß das Lösungsmittel zur
Isolierung der Reaktionsprodukte entfernt werden, in den meisten Fällen durch
Destillation. Zum Abdestillieren größerer Lösungsmittelmengen benutzt man am besten
einen Rotationsverdampfer mit angelegtem Vakuum (Abb.22).
30

Abb. 22:
Der Destillationskolben wird schnell um seine Achse gedreht, wodurch die Oberfläche
der Flüssigkeit stark erhöht wird, was für die Dampfbildung entscheidend ist.
Außerdem werden durch die dauernde Bewegung der FIüssigkeit Siedeverzüge
weitgehend vermieden. Durch Anlegen eines Vakuums wird der Siedepunkt gesenkt,
so daß die Destillation beschleunigt wird.
e) Wasserdampfdestillation
Der Dampfdruck eines Gemisches zweier nicht ineinander löslichen Substanzen ergibt
sich als Summe der Dampfdrücke der Einzelkomponenten, d.h. der Gesamtdampfdruck
ist höher als der der Einzelkomponente; der Siedepunkt des Gemisches liegt tiefer als
der Siedepunkt des niedrigstsiedenden Anteils.
Diese Eigenschaften nutzt man bei der Wasserdampfdestillation aus. Ein in Wasser
unlöslicher Stoff kann im Gemisch mit Wasser destilliert bzw. durch Einleiten von
Wasserdampf in die Mischung destilliert werden. So können empfindliche Stoffe
schonend destilliert werden, deren Siedepunkt sonst weit über 100°C liegen; z.B.
etherische Öle, Phenole etc. (Abb. 23).
31

Abb. 23:
3.2.4. Extraktion:
a) Ausschütteln
Unter Ausschütteln versteht man die Extraktion eines Stoffes aus einem Lösungsmittel
mit einem anderen, nicht mischbaren Lösungsmittel (s.a. Perforation).
Die auszuschüttelnde Lösung wird zusammen mit dem Extraktionsmittel in einem
Schütteltrichter (Scheidetrichter, Abb. 24) gefüllt, dieser mit einem Stopfen
verschlossen und anschließend gut durchgeschüttelt. Dabei muß man das Hahnküken
und den Stopfen gut festhalten. Der Überdruck, (besonders beim Ausschütteln mit
Ether und auch beim Neutralisieren einer organischen Phase durch Ausschütteln mit
Sodalösung) muß mehrfach abgelassen werden, indem man den Auslauf nach oben
richtet und den Hahn vorsichtig öffnet. SCHUTZBRILLE !!!
32

Abb.24:
VORSICHT: Das zu extrahierende Gemisch muss selbstverständlich kälter sein
als der Siedepunkt des zur Extraktion verwendeten Lösungsmittels (z.B.
Raumtemp. bei Extraktion mit Diethylether).
Andernfalls entsteht unkalkulierbarer und gefährlicher Überdruck !!!!!
b) Perforation
Mit Hilfe von Perforatoren kann man das "Ausschütteln" mit einer geringen
Lösungsmittelmenge kontinuierlich durchführen. Das Lösungsmittel wird ständig
verdampft, kondensiert im Rückflußkühler und durchströmt durch eine Fritte fein verteilt
die zu extrahierende Lösung und fließt dann in den Siedekolben zurück (Abb.25).
Abb.25:
33

c) Soxhlet und Thielepape-Aufsatz
1
Zur Extraktion von Feststoffen kocht man diese mit Lösungsmittel auf und dekantiert
dann oder man benutzt einen Soxhlet-Extraktor oder einen Thielepape-Aufsatz. Bei
beiden erhitzt man das Lösungsmittel im unteren Kolben, die Dämpfe steigen auf,
werden im Kühler kondensiert und das Lösungsmittel tropft auf das Extraktionsgut, das
in einer Hülse eingeführt wurde (Abb.26).
34

Abb.26:
Heißextraktor
Soxhlet-
Extraktor
Beim Thielepape-Aufsatz tropft der Extrakt (das Lösungsmittel) kontinuierlich in den
Kolben zurück, beim Soxhlet-Extraktor läuft der Extrakt erst zurück, wenn der
Flüssigkeitsspiegel die Höhe des Heberknies erreicht hat. Bei Erhitzen über viele
Stunden erreicht man beim Soxhlet-Extraktor eine sehr gute Extraktion, weil der obere
Teil immer wieder über das seitliche absteigende Glasrohr automatisch geleert wird und
so eine nahezu vollständige Extraktion erreicht werden kann.
3.2.5. Sublimation
Die Sublimation ist eine Reinigungsmethode für feste Stoffe. Viele Stoffe kann man
verdampfen, ohne daß sie schmelzen, und die Dämpfe direkt in fester Form
kondensieren (auch Feststoffe besitzen einen Dampfdruck).
35

Zur Reinigung eines Feststoffes wird dieser z.B. in eine Schale gefüllt, mit einem
Trichter abgedeckt und langsam erhitzt. Der gereinigte Stoff scheidet sich dann
kristallin auf dem kälteren Trichter ab. Für bei Normaldruck nicht zu sublimierende
Stoffe benutzt man eine Sublimationsapparatur (c), an die man Vakuum anlegen kann
Abb.27).
Abb.27:
Einfache
Sublimationsapparaturen
3.3. Kristallisation
Kühlwasser
Vakuum-
Sublimille
erwärmen
Vakuum
Kühlfinger
saubere Substanz
verunreinigte Substanz
Eine häufig benutzte Methode zur Reinigung fester Stoffe ist die Umkristallisation. Der
zu reinigende Stoff wird in möglichst wenig Lösungsmittel in der Hitze gelöst, danach
von unlöslichen Beimengungen filtriert und schließlich die Lösung abgekühlt, wobei die
Substanz meist in reinerer Form auskristallisiert. Bei unbekannten Substanzen muß
vorher ein geeignetes Lösungsmittel gefunden werden, das in Vorversuchen mit einer
geringen Menge der Substanz probiert wird.
Als Anhaltspunkt kann folgende Tabelle dienen:
36

Stoffklasse Gut löslich in Lösungsmittel vom Typ
Kohlenwasserstoffe hydrophob Kohlenwasserstoffe, Ether,
Halogenkohlenwasserstoffe
Halogenkohlenwasserstoffe
Ether
Ester Ester
Nitroverbindungen
Nitrile Ethanol, Dioxan, Eisessig
Ketone
Aldehyde
Phenole Ethanol, Wasser
Amine
Alkohole
Carbonsäuren
Sulfonsäuren
Salze hydrophil Wasser
Auch Lösungsmittelgemische führen oft zum Ziel (z.B. Wasser/Ethanol, Aceton/
Petrolether).
Zur zusätzlichen Reinigung (Entfärbung) kann vor dem Aufkochen (nachträglicher
Zusatz würde zu starkem Aufschäumen und evtl. explosionsartigem Aufsieden führen!)
Aktivkohle zugesetzt werden, die die färbenden Verunreinigungen - meist polymere
Verbindungen, die bei der Reaktion mit entstanden sind - absorbiert. Die Kohle wird
dann heiß abfiltriert und die geklärte Lösung abgekühlt. Falls beim Abkühlen die
Kristallisation nicht einsetzt, da viele organische Stoffe zur Bildung übersättigter
Lösungen neigen, kann sie durch Reiben mit einem Glasstab an der Innenwand des
Gefäßes provoziert: werden. Dabei bilden sich durch Glasabrieb Kristallisationskeime,
die für die Kristallisation notwendig sind. Oft kristallisiert danach die Substanz spontan
aus.
3.4. Trocknen im Labor (siehe auch Gase):
Bei einigen Reaktionen ist es notwendig, Gase oder flüssige Stoffe vorher zu trocknen,
da die geringste Spur von Wasser zu Mißerfolg führen werde (Claisen-Kondensation,
Radikalreaktionen, Grignard-Reaktion). Im Folgenden ist eine kurze Liste der
gebräuchlichsten Trockenmittel für Lösungsmittel aufgeführt:
Lösungsmittel Kp [°C] Trockenmittel
37

Aceton 56 CaCl2, K2CO3
Anilin 184 KOH, BaO
Benzol 80 Destillation, CaCl2
Chloroform 61 CaCl2, P2O5
Cyclohexan 81 LiAlH4
Diethylether ..35 CaCl2, LiAlH4, basisches Alox
Dioxan 101 CaCl2
Essigsäureethylester 77 K2CO3, CaO
Ethanol 78 CaO, Mg, MgO
Ethylenglycol 197 Destillation
Methanol 65 CaCl2, Mg, Ca0
Pyridin 115 KOH, BaO
Toluol 111 Destillation, CaCl2
Das Trocknen unpolarer Lösungsmittel durch Einpressen von Natriumdraht wird wegen
der auftretenden Gefahren beim Umgang mit Natriummetall und wegen der problematischen
Entsorgung grösserer Natriummengen im Grundpraktikum nicht mehr
durchgeführt.
Viele unpolare Lösungsmittel lassen sich sehr effektiv mit basischem Aluminiumoxid
trocknen. Dazu füllt man das basische Alox in eine Chromatographiesäule aus Glas
und lässt das LM durchlaufen, das eluierende LM ist trocken (Vorsicht: bei Ether wird
der Stabilisator (BHA = 2-tButyl-4-Hydroxy-Anisol oder BHT = di-tButyl-Hydroxy-Toluol)
entfernt und muss erneut hinzugefügt werden.
38

Trocknung von unpolaren Lösungsmitteln mit basischem Aluminiumoxid
Lösungsmittel Löslichkeit von H2O im Spezifische Durchbruchs-
(LM) LM bei 25°C (in Gew.%) menge (g LM pro g Al2O3)
n-Hexan 0,01 1450
Methylenchlorid
(Dichlormethan) 0,2 55
Chloroform 0,07 90
Tetrachlorkohlenstoff 0,01 1150
Trichlorethylen 0,025 380
Tetrachlorethylen 0,02 1440
Acetonitril 0,1* 20
Cyclohexan 0,013 1630
Benzol 0,065 170
Cumol
(Isopropylbenzol) 0,03 280
Chlorbenzol 0,04 250
Brombenzol -- 380
Dekalin 0,07 1400
Ether
(Diethylether) 1,47 14 – 140
Dioxan 0,1* 25
THF
(Tetrahydrofuran) 0,1* 21
* Wasserlösliches LM, dessen H2O-Gehalt auf den angegebenen Wert eingestellt wurde
Über die genauen Vorschriften zur Absolutierung von Lösungsmitteln informiere man
sich in entsprechenden Lehrbüchern.
Um eine Reaktion unter Wasserausschluß durchzuführen, benutzt man Trockenrohre,
mit denen die Apparatur verschlossen wird. Die Trockenrohre werden mit einem Glas-
wollepfropfen, dann mit gekörntem Calciumchlorid und anschließend mit Glaswolle
gefüllt (Abb.30).
39

Abb.30:
Glaswolle
Trockenmittel
(z.B. CaCl2) Festsubstanzen werden im Vakuum-Exsiccator getrocknet (Abb.31):
Abb.31:
Exsikkatoren
150 mL
zur
Vakuumpumpe
Substanz
Trockenmittel
(z.B. KOH-Plätzchen)
150 mL
zur
Vakuumpumpe
Im unteren Teil wird Trockenmittel eingefüllt (CaCl2, KOH-Plätzchen, Blaugel ..., je nach
Verwendungszweck). Die zu trocknenden Proben werden in Gefäßen,die durch
Alufolie (gelocht) verschlossen sind, in den Exsiccator gebracht, der Deckel
geschlossen und Vakuum angelegt (Trocknungsdauer ca. 1 Tag).
3.5. Geräte zur Bestimmung physikalischer Konstanten:
a) Refraktometer
Eine sehr bedeutsame Größe zur Charakterisierung von reinen Flüssigkeiten ist der
Brechungsindex. Mit einem Refraktometer wird der Grenzwinkel der Totalreflexion
gemessen, kenntlich an der scharfen Trennungslinie zwischen hell und dunkel.
40

Die Hell-Dunkel-Grenze wird am Refraktometer so eingestellt, daß sie genau im
Fadenkreuz des rechten Meßfernrohres liegt:
Durch das linke Okular kann man dann direkt den Brechungindex ablesen (auf 4
Stellen hinter dem Komma, die letzte Ziffer geschätzt).
b) Schmelzpunkt
Der Schmelzpunkt ist die wichtigste physikalische Konstante zur Charakterisierung
eines Feststoffes. Eine kleine Menge der trockenen Verbindung wird fein gepulvert und
in ein Schmelzpunktsröhrchen gefüllt. Dieses Röhrchen wird in das
Schmelzpunktsbestimmungsgerät gestellt und langsam aufgeheizt. Durch die Lupe ist
der Verlauf zu beobachten und die Temperatur des Beginns und Ende des Schmelzens
zu notieren. Wenn der Schmelzpunkt weit unter dem Literaturwert liegt (tiefer als 5°C),
muß die Substanz nochmals gereinigt, eventuell auch besser getrocknet werden.
Wenn der Schmelzpunkt zu hoch liegt (größer als 2°C) wurde entweder zu schnell
aufgeheizt (Substanz ist träger als das Thermometer) oder es handelt sich nicht um die
gesuchte Substanz!
41

c) Siedepunkt
Neben dem Brechungsindex ist für Flüssigkeiten auch immer der Siedepunkt
anzugeben. 1 ml der Substanz wird in ein kleines Reagensglas gefüllt, ein Siedestein
hinzugefügt und das Reagensglas im Wasserbad oder Ölbad vorsichtig erhitzt, bis die
Flüssigkeit konstant siedet. Die Siedetemperatur (Kp) wird mit einem Thermometer
abgelesen, das so aufgehängt wird, daß es die Glaswände des Reagensglases nicht
berührt und nicht in die Flüssigkeit taucht, sondern nur von den Dämpfen umspült wird.
II. PRÄPARATIVER TEIL
1. Einleitung
Ein Chemiker sollte nicht nur imstande sein, theoretische Überlegungen zur Aufklärung
der Struktur eines unbekannten Stoffes oder zur Synthese anzustellen, sondern muß
diese Überlegungen auch in der Praxis realisieren können.
Chemie ist auch ein Handwerk und das lernt man nur durch Praxis. Diese Praxis
ist aber untrennbar mit theoretischen Erwägungen über Reaktionsmechanismen,
stereochemischen Fragen usw. verbunden.
42

Da es eine fast unüberschaubare Zahl von Herstellungswegen gibt, hat man versucht,
diese zu ordnen. Grundlage der Ordnung sind in den meisten modernen Lehrbüchern
die Reaktionsmechanismen: Der Student soll z.B. zunächst Präparate herstellen, die im
Zuge einer SN1- oder SN2-Reaktion gebildet werden, dann Eliminierungsreaktionen
nach E1 und E2 ausführen, usw. Dieses System leitet zwar den jungen Chemiker zu
einem perfekten mechanistischen Denken an, leidet aber unter dem schwerwiegenden
Mangel, daß er die Planung und Ausführung von Synthesen nur ungenügend
kennenlernt.
In Kenntnis dieser Tatsache wollen wir in Bayreuth, ausgehend von einfachen
Verbindungen, die wichtigsten Reaktionen so behandeln, daß wir gleichzeitig
Synthesemöglichkeiten und Reaktionsmechanismen betrachten.
Zunächst werden einfache Funktionalisierungen durchgeführt, d.h. es werden
bestimmte funktionelle Gruppen in ein Molekül eingeführt bzw. vorhandene funktionelle
Gruppen in andere überführt. Auf diesem Weg sollen Sie wichtige Verbindungstypen
und Reaktionen Schritt für Schritt kennenlernen.
In gleicher Weise und mit gleichem Ziel werden dann Syntheseschritte und Reaktionen
der aromatischen Verbindungen behandelt. Schließlich werden Reaktionen
durchgeführt, die zum Aufbau von größeren Verbindungen (Knüpfung von Kohlenstoff-
Kohlenstoff-Bindungen) geeignet sind.
2. Ester organischer Säuren
2.1 Bedeutung als Ausgangsmaterial für die Synthese
Reaktivität von Säurederivaten:
Ein leicht zugängliches und billiges Ausgangsmaterial zur Synthese einer Vielzahl
aliphatischer Verbindungen sind Carbonsäuren, die beispielsweise bei der Verseifung
von Fetten anfallen:
43

H 2C O
HC
O
H 2C O
O
C
O
C
O
C
R
R
R
OH �
H 2O
H 2C
HC
H 2C
OH
OH
OH
Glycerin
+ R C O
O �
Carbonsäure-Salz
Carbonsäuren sind aber auch, wie wir später sehen werden, als
Zwischenprodukte aufbauender Synthesen von Bedeutung. Beispiele hierfür
sind die „Malonestersynthese“, die „Acetessigestersynthese“ und die Hünig-
Synthese.
"Freie" Carbonsäuren sind relativ reaktionsträge. Will man sie für weitere
synthetische Aufbaureaktionen einsetzen, so muß man sie umformen. Eine der
wichtigsten Umformungsreaktionen besteht in der Reduktion zu primären
Alkoholen, die ihrerseits wieder in Alkylhalogenide überführbar sind:
R C
O
OH
R CH 2 OH R CH 2 X
Säuren selbst setzen dem Reduktionsschritt, der den Angriff eines Hydridions am
Carbonylkohlenstoffatom beinhaltet, erheblichen Widerstand entgegen, weil in
ihnen die positive Ladungsdichte am Carbonylkohlenstoffatom, verglichen mit
Carbonsäurederivaten, am geringsten ist.
R C O
O
H R C O
Eine besonders hohe Neigung zur Kompensation der Ladung zeigt
das Anion:
O
H
44

R C O
O
�
R C O
Grenzstrukturen
O
�
R C
�
realer
Zustand
In Carbonsäureamiden ist diese Neigung bereits vermindert, der Stickstoff der
Amidgruppe gibt weniger bereitwillig Elektronen ab als das -O �
–Atoms eines Carbonsäureanions.
Noch geringer ist die Fähigkeit zur Kompensation der positiven Ladung des
Carbonylkohlenstoffatoms in Estern, weil der an die Alkylgruppe gebundene
Sauerstoff noch weniger als der Stickstoff in Carbonsäureamiden zur
Elektronenabgabe bereit ist. Die geringste Neigung zur Abgabe von Elektronen
haben schließlich die Halogenatome in Carbonsäurehalogeniden. Es ergibt sich
daher folgende Reihe der Reaktivität:
hochreaktiv unreaktiv
R C O
X
Säurehalogenid
(X = Halogen)
R C O
Ester
O
R C O
R NH2 Säureamid
O
O
R C O
Säureanion
Nur wenige Reagenzien sind befähigt, Carbonsäuren, die am Carbonkohlenstoffatom
vergleichsweise die höchste Elektronendichte und damit die geringste Carbonylaktivität
aller Carbonyl-Verbindungen aufweisen, zu reduzieren. Möglich ist eine Reduktion mit
komplexen Metallhydriden, wie z.B. LiAlH4. Diese reagieren mit der freien Carbonsäure
zunächst unter Bildung eines Salzes:
4
R C O
OH
+ LiAlH 4
(RCOO) 4Al � Li �
O �
45

Dieses Salz kann weiterreduziert werden (1/4 Mol LiAlH4 wird zur Salzbildung
verbraucht), doch ist das entstehende Salz in dem verwendeten Lösungsmittel (Ether)
oft zu schlecht löslich, als daß die Reaktion stattfinden könnte.
Aus diesem Grunde werden in der Regel zur Reduktion nicht die freien Carbonsäuren,
sondern ihre Ester eingesetzt. Möglichkeiten, zu deren Herstellung sollen im Folgenden
besprochen werden.
2.2. Herstellung von Estern durch Umsatz von Säuren mit Alkoholen:
R C O
OH
+ R'OH
(H 3O �
R C
O
OR'
+ H 2O
Diese Reaktion ist das Paradebeispiel für eine Gleichgewichtsreaktion.
Die Einstellung des Gleichgewichtes erfolgt wegen der geringen Carbonylaktivität der
Säuren nur sehr langsam. Sie wird durch Säurezusatz gefördert, weil die Addition
eines Protons an das Sauerstoffatom der Carbonylgruppe unter Positivierung des
Carbonylkohlenstoffatoms dieses dem Angriff eines nukleophilen Teilchens besonders
leicht zugänglich macht:
R C O
OH
+ H 3O �
R C + H2O OH
OH
Der Alkohol reagiert mit dem Carbonylkohlenstoff unter Veresterung:
�
46

R C
R C
H
OH
OH
�
�
OH
+R' O H R
OH
C
�
O
OH
OH H
�
OH
O R' R C
H
O H
O
R'
R'
- H �
+ H �
R C O + H3O �
OR'
Die Lage des Gleichgewichtes ist zugunsten der Esterbildung verschiebbar,
wenn man einen (meist den billigeren!) Reaktionspartner im Überschuß einsetzt
oder das gebildete Wasser aus dem Reaktionsgemisch entfernt
(Massenwirkungsgesetz!). Man sollte daher von vornherein möglichst
wasserfreien ("absoluten") Alkohol verwenden (dies gilt jedoch nur, wenn das
Wasser aus der Reaktionslösung entfernt wird).
Bei der Reaktion entstehendes Wasser läßt sich durch Zusatz eines
"Schleppers", eines Lösungsmittels, das mit Wasser ein azeotropes Gemisch
bildet (Methylenchlorid, Toluol u.a.), aus dem Reaktionsmedium entfernen
(„Azeotrope Veresterung“).
Man kann aber auch das Gleichgewicht dadurch „verschieben“, daß man gebildeten
Ester abdestilliert oder extraktiv durch Zusatz eines Lösungsmittels, das den Ester gut,
die Reaktionspartner aber nicht löst, aus dem Reaktionsgemisch entfernt („Extraktive
Veresterung“).
Praktikumsversuch 1: Azeotrope Veresterung oder extraktive Veresterung
Bei Säuren, die in α-Stellung verzweigt sind, z.B. Trimethylessigsäure
(Pivalinsäure), verläuft die Veresterung wesentlich langsamer. Durch die
Substituenten in α-Stellung wird der nukleophile Angriff des Alkohols sterisch
behindert. Eine Veresterung gelingt in diesem Falle durch Lösen der
47

Carbonsäure in konzentrierter Schwefelsäure und Umsetzung dieser Lösung mit
dem Alkohol. In der Schwefelsäure liegt das Acylium-Ion vor, das ausgesprochen
leicht nukleophil angegriffen werden kann:
R C O
OH
R C O �
+ 2 H2SO4 + H3O � �
+ 2 HSO4 Acylium-Ion
Aus den gleichen Gründen (sterische Hinderung) ist auch die Veresterung mit
sekundären oder tertiären Alkoholen erschwert. Bei Veresterungereaktionen mit diesen
Alkoholen erhält man leicht als Nebenprodukt ungesättigte Kohlenwasserstoffe, die sich
durch H2O-Eliminierung bilden, die durch die als Katalysator zugesetzte Säure (z.B.
H2SO4) bewirkt wird (E1-Eliminierung).
CH 3
H3O C
�
H3C CH2 CH3 H3C CH2 C CH3+ H2O - H 2O
OH
H 2O
H
H H3C 3C CH
CH 3
- H3O C CH3 �
�
CH 3
OH 2
�
H H3C 3C CH
C
CH 3
CH 3
Ester, die durch die beschriebene Veresterungsreaktion nur schwer herstellbar, sind,
können auch durch Umsetzung von Carbonsäuresalzen mit Alkylhalogeniden
hergestellt werden (nukleophile Substitution).
R C O
O � Na �
+R' X
S N2
R C
O
O R'
X = Halogen, OSO 2R'', OSO 2OR''
+ NaX
48

2.3 Herstellung von Methylestern mit Diazomethan:
Diazomethan ist durch Einwirkung von Alkali auf Nitrosomethylharnstoff herstellbar:
O C
H 3C
NH 2
N
CH 3
N O
N N O �
OH �
�
O
HO
+ 2 H 2O
- 2 OH �
C
� � � �
H 2C
NH 2
N
CH 3
H2C N N H2C N N
N O
�
N N OH2 H OH �
O C NH2 OH
+
H 3C
- 2 H 2O
Diazomethan (toxisch, cancerogen, explosiv)
N N O
Dabei greift das Alkali zunächst am Carbonylkohlenstoffatom an. Das so
gebildete Produkt zerfällt, wie in den Formeln dargelegt, (im Falle des N-Methyl-
nitrosomethylharnstoffs entsteht Carbaminsäure, die weiter zu Ammoniak und
CO2 gespalten wird).
Anstelle des unbeständigen und hochcancerogenen Nitrosomethylharnstoffs
verwendet man besser p-Tolylsulfonyl-methylnitrosamid, das mit KOH in
prinzipiell gleicher Reaktion zu Diazomethan umgesetzt wird:
�
49

O
N O
H3C S N + KOH
O
O
O
CH 3
H3C S O �
K � +
CH 2N 2 + H 2O
Diazomethan reagiert von selbst mit Verbindungen, die genügend acide
Wasserstoffatome enthalten, wie z.B. Säuren und Phenolen (mit Alkoholen aber nur
unter besonderen Bedingungen) unter Veresterung bzw. Veretherung:
H2C N N
� �
R C O
OH + �
R COO + N N
�
H3C S N2
R C
O
O CH 3
�
�
+
N N
OH + H2C N N
O + H3C N N
OCH 3
+ N 2
Die Reaktion eignet sich hervorragend zur Herstellung kleiner und kleinster
Methylestermengen (mikroanalytischer Maßstab).
VORSICHT:
�
�
50

Die Handhabung von N-Nitrosomethylharnstoff und besonders die von
Diazomethan ist sehr gefährlich!!!
N-Nitrosomethylharnstoff ist krebserzeugend, kann bei Licht- und Wärmeeinwirkung
unter Feuererscheiniing verpuffen und muss deshalb in dunklen Flaschen in der
Tiefkühltruhe aufbewahrt werden.
Diazomethan ist ein explosives und außerordentlich giftiges Gas (Kp –24°C). Es
wird nur in Lösung (Ether) hergestellt und gehandhabt. Es ist auch in der Kälte
in Lösung nur einige Tage haltbar. Arbeiten mit Diazomethan dürfen nur unter
einem speziellen Abzug mit besonders starker Absaugung hinter einem
Schutzschild durchgeführt werden!!l
Deshalb wird zur Herstellung größerer Estermengen die Veresterungsreaktion mit
Alkoholen der eleganteren und rascheren Methode der Veresterung mit Diazomethan
vorgezogen.
2.4 Veresterung mit Säurechloriden:
Im Prinzip können Säurechloride mit Alkohol oder Alkoholaten zu Estern
umgesetzt werden:
R C O + R'OH R C O
+ HCl
Cl
OR'
Im allgemeinen werden Säurechloride jedoch bei Anwesenheit von geringsten
Mengen Wasser sofort zu Carbonsäuren verseift, so daß diese Methode zur
Esterherstellung nur begrenzte Anwendung findet.
Bedeutung hat diese Methode im analytischen Bereich zur Charakterisierung von
Alkoholen mit aromatischen Säurechloriden, die wegen verminderter
Carbonylaktivität (Mesomerie!) nur langsam mit H20 reagieren.
Verwendet man ein Säurechlorid, das in Wasser nur schwer löslich ist, so kann
die Veresterung mit diesem Säurechlorid auch dann vorgenommen werden, wenn
der Alkohol nicht wasserfrei ist.
51

Bei dieser Reaktion wird der Alkohol durch das Säurechlorid aus der wäßrigen
Phase herausextrahiert und kann in homogener Phase mit diesen zum
entsprechenden Ester reagieren. Andererseits kann die Hydrolyse des
Säurechlorids zur Carbonsäure nur an der Phasengrenzfläche stattfinden, und
diese Reaktion verläuft demzufolge wesentlich langsamer als die Veresterung.
C O
Benzoesäurechlorid
Cl
+ R'OH C O
- HCl
NaOH/H2O OR'
(Schotten-Baumann-Verfahren)
oder
Pyridin (Einhorn-Verfahren)
Wasserschwerlösliche Säurechloride sind z.B. Benzoesäurechlorid und seine
kermsubstituierten Derivate. Mit diesen Säurechloriden kann ein Alkohol direkt
aus der wäßrigen Analysenlösung als Derivat einer Carbonsäure (Benzoesäure)
abgeschieden und charakterisiert werden, da die Benzoesäureester der meisten
Alkohole Feststoffe sind und einen definierten Schmelzpunkt haben (Schotten-
Baumann).
2.5 Herstellung von Essigsäureestern durch Reaktion eines Alkohols mit Acetanhydrid
(Acetylierung):
Ester werden nicht nur, wie eben gezeigt wurde (Kap.: 2.4) zur Erhöhung der
Carbonylaktivität der entsprechenden Säure im Hinblick auf die weitere
Umsetzung (hier zur Reduktion zu einem primären Alkohol) hergestellt. Ihre
Herstellung ist weiterhin auch zum Schutze von OH-Funktionen einer
mehrfunktionellen Verbindung gegen Oxidation von Bedeutung. Durch
Veresterung mit Essigsäureanhydrid kann eine solche "Schutzgruppe" in das
betreffende Molekül eingefügt werden.
52

CH 2
R OH
H 3C
H 3 C
C
O
O
C O
-H �
-H �
+H �
+H �
R
CH 2
H 3 C
H 3C
O
C OH
O
C
O
-H �
-H �
+H �
+H �
H 3C
H 3C
+
C
C
O
O
O
OH
CH 2
Die Carbonylaktivität von Säureanhydriden ist vergleichbar mit der von
Säurechloriden (vgl. Kap.: 2.1).
Als Katalysator und zun Abfangen der entstehenden Essigsäure wird häufig Pyridin
(Salzbildung) verwendet.
Diese "Derivatisierung" eines Alkohols wird auch benutzt, um Alkohole vor der
analytischen Trennung in einem Gaschromatographen flüchtiger zu machen.
2.6 Nachweis von Carbonsäureestern
Hinweise auf das Vorliegen eines Carbonsäureesters gibt eine positiv
verlaufende Prüfung auf alkalische Verseifbarkeit der vorliegenden Verbindung
sowie der positive Hydroxamsäuretest.
Beide Nachweisreaktionen sind nicht spezifisch für Ester, sondern Lactone,
Anhydride und verseifbare Halogenide (beim Hydroxamsäuretest nur
Säurechloride und geminale Trihalogenide) sowie Amide und Nitrile geben
gleiche oder ähnliche Reaktionen. Der sicherste Weg zur Charakterisierung ist
daher die Verseifung des Esters und der Einzelnachweis der Alkohol- und
Säurekomponente nebeneinander.
Bei der Probe auf alkalische Verseifbarkeit wird wenig Substanzprobe mit
alkoholischer Natronlauge unter Zusatz von Phenolphthalein versetzt. Dann wird
beobachtet, ob die durch das zugefügte Phenolphthalein hervorgerufene
Rotfärbung verschwindet.
Ester reagieren mit Hydroxylamin zu Hydroxamsäuren und Alkohol.
R R C O
- HOR'
COOR' +H2N OH
NH OH
R
53

Mit Eisen-(III)-Salzen geben die Hydroxamsäuren meist violett gefärbte Komplexe.
Diese Reaktion ist für Enole typisch. Hydroxamsäuren können nämlich als Enole
vorliegen.
R C O
N
H
OH
R C
3. Herstellung von primären Alkoholen durch Reduktion von Carbonsäureestern
3.1 Reduktion mit Lithiumaluminiumhydrid:
Die Reduktion von Carbonsäureesteim zu primären Alkoholen wird im Labor meist mit
Hilfe komplexer Metallhydride - vorzugsweise mit LiAlH4 - ausgeführt. Angreifendes
Agens ist ein Hydridion:
R C O
R C
OR'
O
H
H H
Hydrolyse
- 2 H 2
H
Al
Al
H
Li �
H R C
H
H
�
�
OR'
+ 4 H 2O
- LiAl(OH) 4
Li �
OH
N
O
H
OR'
H
R C
H
OH
Al
O
H
H
H
�
H
Al
O
Li �
H �
R'
Li �
R CH 2 OH + R'OH
54

Bei Verwendung von LiAlH4 gelingt es nicht, die Reaktion auf der Stufe der
Aldehyde abzufangen, so daß die Alkohole direkt erhalten werden. Als
Lösungsmittel dient im allgemeinen Diethylether, bei der Reduktion
reaktionsträger Verbindungen ist der Einsatz von Tetrahydrofuran, das einen
höheren Siedepunkt als Ether hat, vorzuziehen (höher siedende Lösungsmittel
erlauben die Durchführung von Reaktionen bei höherer Temperatur, wodurch die
Reaktionsgeschwindigkeit erheblich gesteigert wird).
VORSICHT:
LiAlH4 reagiert mit Wasser aber auch mit Alkohol unter Bildung von Wasserstoff
(Knallgasbildung = Explosionsgefahr !!), der zur Reduktion verwendete Ether muß
daher vor der Reaktion von Wasserspuren und Alkohol befreit werden.
Natriumborhydrid hingegen ist weniger reaktiv wie LiAlH4. Es kann zwar in wäßriger
Lösung zur Reduktion von Aldehyden und Ketonen verwendet werden, greift aber Ester
nicht an.
Der Vorteil der Reduktion mit komplexen Metallhydriden gegenüber der
nachfolgend beschriebenen Anwendung von unedlen Metallen als
Reduktionsmittel ist der weitaus schonendere Reaktionsverlauf und die
wesentlich höhere Ausbeute.
LiAlH4 ist jedoch ein teures Reagenz, deshalb verwendet man im Labor sowie in der
Technik zur Reduktion größerer Ansätze unedle Metalle.
3.2 Reduktion mit unedlen Metallen (Bouveault-Blanc):
Die Reduktionskraft der Metalle ist von ihrer Stellung in der Spannungsreihe
abhängig: Während Aldehyde und Ketone sowohl mit Alkalimetallen als auch mit
Zn, Al und Mg reduzierbar sind, ist die Reduktion von Estern nur mit
Alkalimetallen möglich. Meist wird hierfür Natrium verwendet, das man in die
alkoholische Lösung des Esters einträgt (Bouveault-Blanc-Reduktion). Die freien
Säuren selbst kann man so nicht reduzieren, weil diese mit Na-Metall (ähnlich wie
Alkohole zu Alkoholat) unter Salzbildung reagieren wurden:
55

R C O
OH
+
Na
R C O
O � Na �
+ ½ H 2
Bei dieser Reaktion entsteht Wasserstoff (sachgerecht ableiten), Reaktion im Abzug
ausführen! ! !
Man nimmt an, daß die Bouveault-Blanc-Reduktion in Gegenwart von Alkohol an
der Na-Oberfläche über Radikalanionen abläuft:
R C O
R
H
C O
OR'
R'
�
+ 2 Na
O
� + R''OH + 2 Na � + R''O �
R C O
H
+ 2 Na �
H
R C
O
R C
O �
R'
R C O
H
+ R'O �
R C O �
+ R''OH + 2 Na �
H
H
O �
+ H 2O
H
H
- OH � R CH 2 OH
+ R''O �
Als Alkohol dient in der Regel Isopropanol, da dieser weniger leicht ein Alkoholat bildet
als ein primärer Alkohol (induktive Wirkung der Methylgruppen) und so weniger Natrium
durch die Nebenreaktion der Alkoholatbildung verlorengeht.
In der Technik wendet man zur Reduktion von Estern oft auch katalytische Verfahren
an, wobei der Ester und Wasserstoff bei Temperaturen zwischen 100°C und 300°C
über Kupferchromitkatalysatoren geleitet und dabei reduziert wird.
3.3 Nachweis von Alkoholen:
56

Substanzen, die eine Hydroxylfunktion enthalten, ergeben mit einer Lösung von
Cerammoniumnitrat (NH4)2[Ce(NO3)6] in Salpetersäure farbige Komplex-Verbindungen.
Phenole und Enole geben auch mit Eisen(IlI)-chlorid farbige Komplexe, nicht jedoch die
aliphatischert Alkohole (Unterscheidungsmöglichkeit).
Charakterisiert werden Alkohole u.a. durch die Schmelzpunkte der Benzoesäure-, der
p-Nitrobenzoesäure- oder der 3,5-Dinitrobenzoesäureester, (Herstellung nach
Schotten-Baumann, Kap. 2.4.). Sekundäre Alkohole, die nur schwer zu verestern sind,
werden in die entsprechenden Halogenverbindungen überführt und als solche
nachgewiesen.
4. Alkylhalogenide
4.1 Nucleophile Substitution:
Bei der nukleophilen Substitution ersetzt ein nukleophiles Reagenz ein Atom oder eine
Atomgruppe des Substrats und steuert dabei Elektronen zur Bindungsbildung bei. Zum
Unterschied zur Basizität, die die Fähigkeit einer Base zur Reaktion mit einem Proton
beschreibt, versteht man unter "Nucleophilie" die Fähigkeit eines Reagenz mit einem
mehr oder weniger positiven Kohlenstoffatom zu reagieren.
R X + Y R
�
4.1.1 Merkmale der monomolekularen Substitution (SN1):
H 3C
H 3C
CH 3
C
CH 3
C
�
CH 3
X
CH 3
langsam
+ Y �
schnell
H 3C
H 3C
Y + X �
C
CH 3
C
CH 3
� + X �
CH 3
CH 3
1) Die SN1-Reaktion verläuft nach einem Geschwindigkeitsgesetz 1. Ordnung. Der
geschwindigkeitsbestimmende Schritt ist der Bindungsbruch zwischen Alkylrest und
Y
57

X. Daraus folgt weiterhin, daß eine Steigerung der Konzentration von Y �
zu keiner
Geschwindigkeitserhöhung führt.
2) Bei der Bildung des Carbenium-Ions geht der zentrale Kohlenstoff des Substrats aus
der tetraedischen Form in eine dreibindige planare Struktur über. Der nucleophile
Angriff von Y �
im zweiten Reaktionsschritt kann daher von beiden Seiten des
Carbeniumions erfolgen. Bei chiralem Carbeniumion tritt deshalb Racemisierung ein
(in Wirklichkeit nur partiell, da das Nukleophil vom Nukleofug sterisch behindert wird
und deshalb eher auf der anderen Seite des Carbeniumions angreift).
3) Da bei der SN1-Reaktion Ionen solvatisiert werden müssen, hat das
Solvatationsvermögen des Lösungsmittels großen Einfluß auf den Ablauf der
Reaktion.
4) Da das Carbenium-Ion auch Zwischenstufe von Eliminierungsreaktionen ist,
bilden sich als Nebenprodukte Olefine. Bei bestimmten strukturellen
Gegebenheiten des Substratmoleküls entstehen zusätzlich
Umlagerungsprodukte.
4.1.2 Merkmale der SN2 Substitution:
X
+ Y �
H
H
C Y C X
H
R
R
H
H
Y C + X
H
R
�
1) Bei dieser Reaktion erfolgen Bindungsbildung und Bindungslösung
gleichzeitig. Im Übergangszustand, der den Zustand höchster Energie im
Verlauf der Reaktion darstellt, befinden sich austretende und eintretende
Gruppen gleichzeitig an zentralen Kohlenstoffatom, Y ist noch nicht ganz
gebunden und X ist noch nicht ganz gelöst.
2) Die Reaktion verläuft nach einem Geschwindigkeitsgesetz 2. Ordnung., demzufolge
bewirkt eine Konzentrationserhöhung von Y �
eine Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit.
3) Bei optisch aktiven Verbindungen kehrt sich die Konfiguration um (Walden-Umkehr).
58

4) Eliminierungs- und Umlagerungsreaktionen lassen sich durch geeignete Wahl der
Reaktionsbedingungen vermeiden.
5) Wegen der hohen Ordnung des Übergangszustandes ist die Reaktionsentropie stark
negativ.
In den folgenden Anwendungsbeispielen wird auf den Einfluß der Struktur des
Substrates, der austretenden Gruppe, des Lösungsmittels und anderer Parameter auf
den Reaktionsverlauf eingegangen.
4.2 Herstellung von Alkylhalogeniden aus primären Alkoholen:
Alkylhalogenide sind wichtige Ausgangsstoffe für nucleophile
Substitutionsreaktionen.
Die Reaktivität der Alkylhalogenide im Zuge nucleophiler Substitutionsreaktionen nimmt
von den lodiden über die Bromide zu den Chloriden stark ab, denn mit fallendem
lonenradius ist mehr Energie zur Bildung des X �
-Anions aufzuwenden (geringere
Polarisierbarkeit der Bindung, Verteilung der Ladung auf einem kleinen Raum).
Leicht zugängliches Ausgangsmaterial zur Herstellung primärer
Alkylhalogenide sind die entsprechenden Alkohole, die im Zuge einer
nucleophilen SN2-Reaktion umgesetzt werden. Allerdings ist OH �
eine so schlechte Abgangsgruppe, daß der Ersatz gegen X � nicht
freiwillig eintritt. Er kann erzwungen werden, indem man den Alkohol
protoniert and damit eine Wasserabspaltung anstelle der OH � -
Eliminierung ermöglicht:
[H
OH
�
@
R R O H �
H
+ X �
R X + H 2O
Im Prinzip stellt diese Reaktion die Veresterung einer anorganischen Säure mit einem
Alkohol dar.
59

Die Gleichgewichtsreaktion läßt sich durch Zusatz von Schwefelsäure als
wasserentziehendes Mittel auf die Seite der Alkylhalogenidbildung drücken.
Da HI bereits gebildetes Alkyliodid zum Kohlenwasserstoff zu reduzieren vermag, HCl
jedoch zu geringe Nukleophile besitzt, stellt man in der Regel Alkylbromide her, die im
allgemeinen genügend Reaktivität besitzen, um für weitere Synthesen eingesetzt
werden zu können.
In der Praxis führt man die Reaktion durch mehrstündiges Erhitzen des primären
Alkohols in 48 % HBr unter Zusatz von H2SO4 aus.
Praktikumsversuch 2: Nucleophile Substitution eines primären Alkohols mit HBr
Reicht die Reaktivität eines Alkylbromides für die nachfolgend geplante Umsetzung
nicht aus, so kann aus ihnen das lodid nach Finkelstein hergestellt werden. Dazu wird
das Bromid in Aceton gelöst und mit KI erhitzt. KI ist in Aceton gut löslich, KBr
dagegen nur sehr schlecht (Gleichgewichtsverschiebung).
(Aceton)
R Br + KI
R
I + KBr
schwerlöslich
Die Austauschreaktion beruht zum Teil auch auf der größeren
Nukleophilie des I � gegenüber des Br � .
lodide sind außerdem direkt herstellbar aus den Alkoholen durch Umsatz mit PI3, das
im Zuge der Reaktion aus I2 und Phosphor gebildet wird.
Im ersten Schritt reagiert der Alkohol wahrscheinlich mit Pl3 zu
R O P R
I
I bzw. O P
O
O
R
R
60

I �
greift dann dieses Zwischenprodukt im Zuge einer nukleophilen Substitutionsreaktion
an:
(RO) 3P + 3 H , 3 5 , + H 3 PO 3
Diese Reaktion ist vor allem wichtig zur Herstellung sekundärer und tertiärer
Alkylhalogenide, (die über die Finkelstein-Reaktion nur mit schlechter Ausbeute
zugänglich sind, weil eine SN2-Reaktion erschwert ist.
Alkylchloride erhält man aus primären Alkoholen, wenn man bei höheren Temperaturen
den Alkohol mit HCl-Gas sättigt.
R OH
+ HCl, Δ
- H 2O
R Cl
Weiterhin entstehen Alkylchloride bei der Umsetzung von Alkoholen mit PCl3, PCl5 oder
SOCl2.
3
+ PCl3 R OH 3 R Cl
- H3PO3 + PCl5 2 R OH 2 R Cl
- POCl3 Primäre Alkylbromide stellt man analog mit PBr3 her:
3
+ PBr3 R CH2 OH 3 R
- H3PO3 CH 2
Eine oft benutzte Möglichkeit, die Abgangsgruppen-Qualität des Hydroxyls in Alkoholen
zu verbessern, ist die Herstellung von Schwefelsäure- und Sulfonsäureestern.
Beispiele:
Br
61

H 3 C
O
H3C S O
O
O
O S O CH3+ Na �
O
CH CH 2 CH 3
CH 3
� ����
�������� �����
� ����� � ��� �
����� �����
� ������
4.3 Herstellung sekundärer und tertiärer Alkylhalogenide:
Br
CH 3
�
CH CH 2 CH 3
Sekundäre und tertiäre Alkohole können nicht so einfach in entsprechende
Alkylhalogenide überführt werden wie primäre:
Versucht man etwa mit 48 %iger Bromwasserstoffsäure (HBr) aus einem sekundären
oder tertiären Alkohol das Bromid herzustellen, so erhält man oft in überwiegender
Menge Olefine. Grund für diese gegenüber primären Alkoholen anders verlaufende
Reaktion ist der Wechsel des Reaktionmechanismus, wenn man von primären über
sekundäre zu tertiären Alkoholen übergeht. Der gedrängte räumliche Bau verhindert
den Angriff des Reagenz im Zuge einer SN2-Reaktion. Andererseits wird durch
Zunahme des +I-Effektes vom primären zum tertiären C-Atom hin der Bindungsbruch
zur austretenden Gruppe (-OH bzw. – �
OH2) erleichtert:
H 3C
CH 2
OH
CH 3
CH 3
CH 3
H3C CH OH H3C C OH
CH 3
Dies führt dazu, dass die Bindung zur austretenden Gruppe schon vor dem Angriff von
X �
unter Bildung eines Carbenium-Ions gelöst wird (SN1-Mechanismus). Das gebildete
Carbenium-Ion wird mit steigendem +I-Effekt stabilisiert.
Während primäre Alkohole normalerweise bei Substitutionen nach dem SN2-
Mechanismus reagieren, werden tertiäre Alkohole nach dem SN1-Mechanismus
substituiert. Die Reaktion sekundärer Alkohole ist zumeist eine Mischung zwischen
62

mono- und bimolekularer Umsetzung und kann durch geeignete Wahl des
Lösungsmittels in den Bereich des einen oder anderen Reaktionstyps gedrängt werden.
Das im ersten Reaktionsschritt gebildete Carbeniumion einer SN1-Reaktion hat zwei
Möglichkeiten zum Endprodukt weiterzureagieren:
H 2C
C
Wird es von Y �
CH 3
CH 3
+ X �
- HX
Eliminierung
H 3C
CH 3
C
�
CH 3
+ X �
Substitution
CH 3
H3C C X
CH 3
nucleophil angegriffen, so entsteht unter Bindungsknüpfung
(Substitution) ein Halogenalkan. Das Carbenium-Ion ist sp 2 -hybridisiert und planar. Im
Halogenalkan liegt wieder ein tetraedrisches sp 3 -hybridisiertes Kohlenstoffatom vor, die
Substituenten müssen im Zuge der Substitution also wieder enger zusammen rücken,
was umso energieaufwendiger ist, je sperriger die Substituenten sind.
Stabilisiert sich das Carbeniumion unter Eliminierung (indem X �
als Base wirkt und ein
H-Atom aus der β-Position abstrahiert, β Eliminierung), so bleiben die Substituenten
weiterhin in planarer Anordnung (sp 2 Hybrid) und es braucht nicht wie bei der
Substitution, Energie zugeführt werden. In der Regel läßt es sich aber nicht vermeiden,
daß Substitutions- und Eliminierungsprodukte nebeneinander entstehen.
Das Mengenverhältnis ist abhängig von der Struktur der Verbindung.
Kompliziert wird die Reaktion noch durch die Möglichkeit, daß primär gebildete
Carbeniumionen in andere stabilere Carbeniumionen umgelagert werden können, die
ihrerseits im Zuge einer Substitutions- und Eliminierungsreaktion weiter reagieren
können:
63

R
R
R
C OH H3O �
R
R
CH2 +
- H2O �
C CH 2
R
>+ �
@
; �
R
R
C CH 2
R
R
R
R
C
X
C CH 2
R
� - H2O OH2 CH R
R
R
C CH 2
Da die SN1-Reaktion und damit die ungewünschte Olefinbildung (E1-Eliminierung)
durch protische polare Lösungsmittel gefördert wird (Förderung der Solvatation von
Kationen und Anionen, die Voraussetzung für die Bindungsspaltung ist), muß man zur
Herbeiführung einer SN2-Reakzion ein aprotisches dipolares Lösungsmittel verwenden.
Diese fördert zwar auch die Solvatation, da sie aber zum Anion keine
Wasserstoffbrücke ausbilden können, ist die primäre Abdissoziation von X �
und damit auch die miteinander konkurrierenden SN1- und E1-Reaktionen.
R
R
�
erschwert
Da die sterisch weniger gespannten Olefine thermodynamisch stabiler, d.h. eine
größere negative freie Bildungsenthalpie haben, werden sie bei höheren
Temperaturen bevorzugt gebildet. Der Grund dafür ist der bei höheren
Temperaturen größere Energieinhalt der Ausgangsmoleküle.
Will man sekundäre und tertiäre Alkohole in die Halogenide
überführen, sollte man daher bei tiefen Temperaturen arbeiten.
Damit allein kann die Ausbeuteminderung zufolge Olefinbildung nur
eingeschränkt, nicht aber vermieden werden. Deshalb wählt man zur Herstellung
sekundärer und tertiärer Alkylhalogenide den Umweg der Umsetzung mit
Phosphorhalogeniden oder Thionylchlorid.
Br2 und I2 reagiert wie bereits früher ausgeführt, mit rotem Phosphor
unter PX3 Bildung. Dieses Reagenz setzt sich mit Alkoholen zu einem
64

Ester um, der in das Alkylhalogenid überführbar ist. Thionylchlorid
reagiert mit Alkohol zum Chlorsulfinsäureester, der unter SO2 -
R OH
R Cl
Eliminierung in das Alkylchlorid zerfällt.
62&O� R O S Cl
O
H Cl H Cl
O S Cl
O H
SO 2 + HCl
Ein anderer Weg zur Herstellung sekundärer Bromide unter Ausschluß der Gefahr der
Carbeniumionenbildung ist das Verfahren von Hunsdiecker:
R CH
R'
C
O
OAg
+ Br 2 R CH
R'
Br + CO 2 + AgBr
Dabei werden die trockenen Silbersalze von Carbonsäuren in Fluor-
kohlenwasserstoffen mit Br2 behandelt. Aus dem zunächst gebildeten
Acylhypohalogenid entsteht unter CO2-Abspaltung neben einem Bromradikal ein
Alkylradikal, das in einer radikalischen Kettenreaktion zum Endprodukt weiterreagiert
(zum Mechanismus von Kettenreaktionen siehe auch Kap. 4.4).
65

R C
R C
R C
O
OAg
O
O Br
R �
AgBr
+ Br2 R C
+ Br 2 R Br
O
+ Br
O Br
�
R �
O
O Br
R � + CO 2 + Br �
R �
+ Br 2 R Br
+ CO 2
+ Br �
+ Br �
+ Br 2
usw.
Bei Verwendung von CCl4 als Lösungsmittel entsteht als Nebenprodukt immer das
entsprechende Chlorid (Reaktion mit dem Lösungsmittel). In den meisten Fällen kann
aber das Chlorid/Bromid-Gemisch für die weiteren Umsetzungen eingesetzt werden.
Da bereits geringe Feuchtigkeitsspuren die Ausbeute stark vermindern, wird meist der
gegenüber Wasser weniger empfindliche Cristol-Abbau vorgezogen. Dieser erlaubt
den Einsatz der Carbonsäuren, die in Gegenwart von HgO durch Zutropfen von Br2 das
Bromid liefern.
4.4 Bromierung mit N-Bromsuccinimid:
Unter Einhaltung bestimmter Reaktionsbedingungen können Olefine mit N-
Bromsuccinimid (NBS) unter Beibehaltung der Doppelbindung in Allylstellung
(direkte Nachbarschaft zur Doppelbindung) bromiert werden.
Anders als bei den bisher beschriebenen Reaktionen handelt es sich hierbei nicht um
eine nucleophile, sondern um eine radikalische Substitution, die als
Radikalkettenreaktion abläuft.
66

Eine Radikalkettenreaktion wird durch einen homolytischen Bindungsbruch unter
Bildung zweier Radikale, von denen mindestens ein Radikal der Kettenträger ist,
gestartet. Dies geschieht in vielen Fällen durch Lichtenergie, wobei die Energie
des eingestrahlten Lichtes höher als die Bindungsenergie der zu spaltenden
Bindung sein muß.
Bei der Einwirkung von Licht auf N-Bromsuccinimnid (NBS) bildet sich:
CH 2
CH 2
C
C
O
N
O
Br
N-Bromsuccinimid
(NBS)
h•ν
CH 2
CH 2
C
C
O
N
O
• •
Diese Reaktion kann auch mit in katalytischen Mengen zugesetzten "Initiatoren"
eingeleitet werden. Initiatoren bilden bereits bei geringerer Energiezufuhr
Radikale, die dann ihre Radikal -Eigenschaften auf das Reagenz übertragen z.B.:
C
O O
C
O O
Dibenzoylperoxid
2
2
+
� + 2 CO 2
Das Bromradikal kann nun in einer ersten Kettenfortpflanzungsreaktion das Olefin
radikalisch angreifen:
Br
C
O
O
�
67

R CH 2 CH CH R + Br �
R CH CH CH R + HBr
�
Der Angriff erfolgt an einer der Doppelbindung benachbarten C-H-Bindung, weil
so ein mesomeriestabilisiertes Allylradikal gebildet werden kann:
R CH CH CH R
�
�
R CH CH CH R
Bei ungleichen Resten R entstehen demzufolge zwei Allylbromide. Durch Einwirkung
eines weiteren Moleküls NBS auf den entstandenen Bromwasserstoff bildet sich Brom,
das eigentliche Agens, das mit dem Allylradikal weiterreagiert:
CH 2
CH 2
C
HBr + N Br
NH
+ Br Br
C
O
O
R CH CH CH R
R CH CH CH R
�
Br Br + + Br �
Das Bromradikal greift nun wieder ein Olefinmolekül an und der Reaktionsablauf
beginnt von neuem.
Greift man die mittlere Kettenfortpflanzungsreaktion heraus, so hat N-
Bromsuccinimid nur die Aufgabe, das bei der Substitution gebildete HBr in Brom
umzuwandeln, wodurch eine gleichbleibende Bromkonzentration eingestellt wird.
Obwohl der Mechanismus der Reaktion noch nicht völlig geklärt ist, gibt es
experimentelle Anhaltspunkte dafür, daß eine geringe Bromkonzentration
entscheidend für den Ablauf der Reaktion in die gewünschte Richtung ist.
CH 2
CH 2
Br
C
C
O
O
68

Wichtig ist auch, daß die Reaktion in Tetrachlorkohlenstoff, in dem NBS kaum
löslich ist, durchgeführt wird. In polaren Lösungssmitteln wird die
Doppelbindung unter Addition angegriffen. Schon polare Verunreinigungen
(Säuren, Salze) begünstigen diese Nebenreaktion.
4.5 Halogenierung in α-Stellung von Carbonylverbindungen:
Eine Carbonylgruppe bewirkt die Aktivierung benachbarter C-H-Bindungen: Das
positivierte Carbonylkohlenstoffatom versucht negative Ladungsteile aus benachbarten
Bindungen abzuziehen und führt so zu einer partiellen Polarisierung benachbarter C-
Atome, von denen daher die Ablösung eines Protons leichter erfolgen kann
(Aktivierung).
Diese Reaktion wird durch Basen wie auch durch Säuren katalysiert.
a) Basenkatalyse (Hydroxid-lonen, Acetat-Ionen):
R CH 2 C
O
R OH�
- H 2O
R CH C
�
O
R CH C
O
�
R
R
praktisch
nicht
vorhanden
Durch die Base wird das α-ständige Wasserstoffatom abstrahiert und ein Carbanion
gebildet, das sich z.B. mit Brom sofort unter Bildung von α-Bromketon umsetzt:
R CH C
O
�
R
Br Br
R CH C
Br
O
R
+ Br �
69

Diese Reaktion zeigt, daß Carbonylverbindungen neben dem
positivierten, d.h. elektrophilen Carbonyl-C-Atom
δ+ δ-
C O
formal ein weiteres, jedoch nucleophiles Reaktionszentrum am αα-C-
b) Säurekatalyse (Säure = H-A):
R CH 2 C
O
R CH 2 C
OH
�
R
R
Atom besitzen:
�
CH C R
O
HA - A �
+
R CH 2 C
OH
+ A � - HA
R CH C
�
OH
Nach vorgeschalteter reversibler Protonierung des Carbonylsauerstoffs wird hier
(wie bei der Basenkatalyse direkt) durch die konjugierte Base der Säure ein H-
Atom vom α-C-Atom unter Bildung eines Enols abgespalten. Dieses Enol reagiert
ebenfalls rasch mit einem Halogenmolekül:
Br
Br
R CH C
O
R
H
Br �
Br
R CH C
O
R
H �
R
R
70

Die α-Halogenketone und Säurederivate sind außerordentlich reaktive Verbindungen,
die wegen des Vorhandenseins von 2 verschiedenen funktionellen Gruppen sehr
wertvoll für den Aufbau komplexer Moleküle sind.
Allerdings reicht die Carbonylaktivität freier Säuren noch nicht zu einer α-Halogenierung
aus. α-Halogencarbonsäuren lassen sich aber über die reaktiveren Säurehalogenide
nach dem oben zur Herstellung α-bromierter Ketone dargelegten Mechanismus
erhalten. In der Praxis braucht man die Säurebromide nicht herzustellen, wenn man
sich der Methode von Hell-Volhard-Zelinsky bedient: Man läßt auf die vorgelegte
Carbonsäure und roten Phosphor Br2 einwirken. Dabei entsteht zunächst PBr3, das als
Bromierungsreasenz (ähnlich wie bei der Herstellung von sekundären und tertiären
Bromiden diskutiert, Kap.4.3), Über die Phosphorsäureester mit der Carbonsäure das
Säurebromid bildet. Dieses wird in der Folge durch weiteres Br2 zu dem α-
Halogencarbonsäurebromid umgesetzt, das durch Reaktion mit überschüssiger Säure
die freie α-Halogencarbonsäure bildet:
R CH 2
R CH 2 C O
2 P, 3 Br2 COOH R CH2C O
- H3PO Br
3
Br
R C O
CH
Br
Br Br
R C O
CH
Br
Br
+
H
R C O
CH
OH
Br
R CH 2 COOH
+
R C O
CH
Br
R C O
CH
Br
Br
R CH 2 C O
Br
H
+ HBr
71

4.6 Nachweisreaktionen:
Halogenverbindungen lassen sich durch die Beilsteinprobe nachweisen: Am
glühenden Kupferdraht wird die Halogenverbindung unter Bildung von
Kupferhalogenid zersetzt, das sich durch charakteristische Grünfärbung zu
erkennen gibt.
Die Reaktion versagt oft, falls die Halogenverbindung zu flüchtig ist
(Wegdampfen der Verbindung vor Zersetzung) oder bei Gegenwart von
Stickstoffverbindungen, die durch Zersetzung Nitrile bilden) die ebenfalls als
Pseudohalogenide mit Cu unter grüner Flammenfärbung reagieren.
Der Nachweis der Halogenide gelingt ferner nach Aufschluß der organischen
Substanz mit metallischem Natrium im Glühröhrchen durch Fällen mit AgNO3 in
salpetersaurer Lösung.
Durch Hydrolyse-Versuche kann die Substanzklasse, in die die Halogenverbindung
gehört, ermittelt werden: Es wird in wäßriger Lösung unter Zusatz von AgNO3 zunächst
bei Raumtemperatur und schließlich in der Wärme hydrolysiert. Je nachdem, ob in der
Kälte oder erst nach Erwärmung ein Niederschlag zu beobachten ist, kann eine
Unterteilung nach Substanzgruppen erfolgen.
In der Kälte: Säurechloride, tert. Alkylhalogenide, Allylhalogenide,
geminale Dibromide.
In der Wärme: Primäre und sekundäre Alkylchloride, (Arylhalogenide geben keine
Fällung
5. Herstellung von Ethern, Nitrilen und Nitroverbindungen aus primären
Alkylhalogeniden:
Primäre AlkyIhalogenide sind ideale Ausgangsverbindungen zur Herstellung von
Ethern, Thioethern, Nitroalkanen und Nitrilen, aber auch von Thiolen und Aminen.
Will man Thiole und primäre bzw. sekundäre Amine herstellen, muß man
allerdings durch Verwendung von Schutzgruppen gegen eine weitergehende
Alkylierung Vorkehrungen treffen. Im Falle der Thiole wählte man daher den Weg
72

über S-Alkyl-isothiuronium-Salze, die aus Alkylhalogenid und Thioharnstoff
zugänglich sind:
S C NH 2
NH 2
+ RX
R
�
X �
S C NH 2
NH 2
R SH + CO 2 + 2 NH 3 + HX
(OH �
+ 2 H2O Primäre Amine sind über die N-Alkylphthalimide zugänglich (Gabriel-Synthese):
+ R X
- KX
O
C
C
O
Phthalimid
NH
+ KOH
- H2O O
C
C
O
N
N-Alkyl-Phthalimid
O
C
C
O
Kalium-Phthalimid
(Hydrazin)
R H 2 N NH 2
N
�
K �
+ R NH 2
O
C
C
O
primäres Amin
NH
NH
Phthalhydrazid
Die Umsetzungen primärer Alkylhalogenide verlaufen überwiegend nach einer SN2-
Reaktion: Das angreifende Agens wird weder durch räumliche Faktoren an der
Reaktion mit dem positivierten, das Halogenatom tragenden Kohlenstoff behindert,
73

noch besteht die Möglichkeit zur Ausbildung eines stabilen Carbeniumions, das eine
SN1-Reaktion begünstigen wurde.
Förderlich ist der SN2-Reaktion die Verwendung eines dipolaren aprotischen
Lösungsmittels wie Dimethylsulfoxid oder Dimethylformamid.
Die Herstellung von Ethern und Thioethern im Zuge einer Williamson-schen
Ethersynthese ist unproblematisch:
R X + Na �
R X + Na �
� - NaX
O R'
R
� - NaX
S R'
R S
Praktikumsversuch 3: Methylether nach Williamson
O R'
Beim Umsatz eines Alkylhalogenids mit einem Nitrit- oder Cyanidion muß beachtet
werden, daß es sich hierbei um ambidente Anionen handelt, die je nach
Reaktionsbedingungen und Reagenz verschieden reagieren können:
In Nitrit-Ionen verfügen nicht nur die beiden Sauerstoffatome über
"nucleophile Kräfte
� �
O N O O N O
sondern auch das Stickstoffatom, da es ein freies Elektronenpaar besitzt. In
gleicher Weise ist auch das Cyanidion - das ebenfalls 2 reaktive Zentren trägt - zu
den "ambidenten" Anionen zu rechnen:
�
C
N
C
�
N
R'
74

Je nachdem welches Zentrum des ambidenten Anions reagiert, erhält man durch
Umsatz von Alkylhalogeniden mit Nitrit entweder Nitroverbindungen oder
Salpetrigsäureester:
R X + NO �
2
mit Cyanidionen Nitrile oder Isonitrile:
R X
�
C
C
N
�
N
R N O
�
O �
Nitroalkan
R O N O
Salpetrigsäureester
R C
Nitril
R
N
N O
Isonitril
(S N2)
(S N1)
Die Reaktionsweise ambidenter Anionen ist von verschiedenen Faktoren
abhängig. Bei einem SN2-Mechanismus reagiert bevorzugt das Atom mit höchster
nucleophiler Kraft (das am leichtesten polarisierbare Atom), d..h. beim Umsatz
mit Nitrit werden Nitroalkane, mit Cyanid Cyanide entstehen. Verläuft die
Reaktion nach einem SN1-Mechanismus, wird bevorzugt das Atom höchster
Elektronendichte angegriffen
(Bildung von Salpetrigsäureestern, bzw. Isonitrilen). Ob SN1- oder SN2-Reaktion
vorliegt ist, wie bereits diskutiert, hauptsächlich abhängig von der Struktur des
Alkylhalogenids und den Eigenschaften des Lösungsmittels.
Je leichter polarisierbar die Abgangsgruppe ist, umso eher reagiert der daran
gebundene Alkylrest mit dem leichter polarisierbaren Zentrum des ambidenten Agens
(SN2). Die Bildung der Nitroverbindung erfolgt also leichter mit Iodiden als mit
Bromiden oder gar mit Chloriden.
75

Die nucleophile Kraft für SN2-Reaktionen wird überdies stark durch Verwendung eines
dipolaren aprotischen Lösungsmittels gesteigert. Deshalb erhält man bei der
Umsetzung primärer Iodide mit NO2 �
Nitroverbindung und nicht den Salpetrigsäureester.
5.1 Nachweisreaktionen:
5.1.1 Ether
in Dimethylformamid fast ausschließlich die
Ether sind meistens sehr beständige Verbindungen und geben keine typischen
Nachweisreaktionen, die auf die funktionelle Gruppe R-O-R hindeuten.
Deswegen sind sie mit gesättigten Kohlenwasserstoffen verwechselbar. Die
meisten aliphatischen Ether sind jedoch in konzentrierter Salzsäure unter
Oniumsalzbildung löslich:
Cl
�
R O R'
�
Diese Salze zerfallen beim Verdünnen wieder (Methode zur Abtrennung).
H
Zum eindeutigen Nachweis müssen Ether mit Säure (HI, HBr) gespalten werden
und die entstehenden Alkylhalogenide als solche identifiziert werden.
5.1.2 Nitroalkane:
R O R' + H I R I + R O H
In primären und sekundären Nitroalkanen bewirkt die Nitrogruppe eine leichte
"Beweglichkeit" der am gleichen C-Atom gebundenen H-Atome, so daß folgende
Tautomerie ermöglicht wird:
76

R
CH
H
�
N
O
O �
R
R
�
CH
CH
�
N
�
N
aci-Form
In wäßriger Natronlauge gehen daher primäre und sekundäre Nitroalkane unter
Salzbildung in Lösung, aus alkoholischer Natronlauge werden die Natriumsalze
abgeschieden.
Als Nachweis und Unterscheidungsreaktion von Nitroalkanen verwendet man die
Umsetzung mit salpetriger Säure. Diese Reaktion beruht ebenfalls auf der
aktivierenden Wirkung der Nitrogruppe auf benachbarte H-Atome. Mit primären
Nitroalkanen werden die sogenannten Nitrolsäuren erhalten, deren Alkalisalze
blutrot gefärbt sind.
R CH2NO2 R C NO2 N OH
Nitrolsäure
R C NO2 N OH
+ NaOH
R
R
C
N
C
�
N
O �
�
N
N O
O
O
O
O
�
H
H
+ H 2O
O �
O
O �
O �
Sekundäre Nitroalkane ergeben blaugrün gefärbte Pseudonitrole.
+ Na �
77

R � O �
R
CH
N
O
+ HNO2 - H2O R
R
C
�
N
N O
O �
O
Pseudonitrol
Tertiäre Nitroalkane sind dagegen nicht in der Lage, mit salpetriger Säure zu
reagieren.
5.1.3 Nitrile
Nitrile ergeben bei basischer Hydrolyse die entsprechende Carbonsäure und
Ammoniak:
H2O R CH2COOH (OH �
R CH2CN + NH3 Der Nachweis des gasförmig entweichenden Ammoniaks mit Indikatorpapier
dient als Nachweis auf das Vorhandensein von Nitrilen. Es ist jedoch zu
beachten, daß auch Säureamide bei der Hydrolyse Ammoniak entwickeln. Die
Hydrolyse wird mit konzentrierter Kalilauge in der Siedehitze durchgeführt.
Zur Identifizierung werden die Nitrile durch Reduktion mit Natrium in Amine überführt
und als solche z.B. durch Umsetzung mit Benzoylchlorid nachgewiesen:
R NH 2 +
R C N R CH2NH2 O
C
Cl
+
N
(Pyridin)
- Pyridin �HCl
C
O
NH R
ein N-Alkylbenzamid
78

6. Herstellung eines sekundären oder tertiären Alkohols bzw. einer Säure durch
Grignardreaktion:
Alkylhalogenide können infolge ihrer Polarisation nicht direkt mit Carbonylgruppen in
Reaktion gebracht werden:
δ+ δ− R δ+ δ−
R CH2I + C O
R
Will man eine solche Reaktion erzwingen, so muss man vorher das Alkylhalogenid
umpolarisieren (Umpolung). Dies gelingt über metallorganische Verbindungen:
Alkylhalogenide setzen sich in ",absolutem", d.h. wasserfreiem Ether langsam mit
Magnesiumspänen formal unter Einschub des Metalls zwischen Alkylrest und
Halogenatom um. Die so gebildete Grignardverbindling steht im Gleichgewicht mit dem
Dialkylmagnesium:
2
R Mg X
R X + Mg R Mg X
X
Mg
R
X
Die Aufgabe des Lösungsmittels ist es, das Grignard-Reagenz komplex zu binden:
H 3C
H 3C
CH 2
CH 2
Mg
O
R
R Mg X
O
X
CH 2 CH 3
CH 2 CH 3
Mg
R
+
X
Mg
R
79

Zur besseren Aktivierung kann der Ether nach Bildung der Grignard-Verbindung
abdestilliert und durch ein anderes Lösungsmittel ersetzt werden. Die
„metallorganische“ Verbindung kann eine polarisierbare Doppelbindung, z.B. C=O oder
-C≡NI am Kohlenstoffatom nucleophil angreifen:
R
R
δ+
C
H 2O
δ−
O
+
R
R
δ− δ+ δ−
R' Mg X R C O Mg X
R C OH + HO Mg X
R'
Je nach Art der Carbonylgruppe werden erhalten:
R
R
R
C
C
O 1. R'MgX
H
aus Aldehyden
O
aus Ketonen
2.
1.
2.
H 2 O
R'MgX
H 2 O
R
R
H
C
R
C
R'
C O H
H
1. R'MgX
2. H2O H
H
C
R'
OH
aus Formaldehyd primäre Alkohole
OH
R'
sekundäre Alkohole
OH
R'
tertiäre Alkohole
80

Der Angriff der Alkylgruppe auf die Carbonylverbindung erfolgt innerhalb eines
cyclischen Komplexes mit einem zweiten Molekül der Grignard-Verbindung. Die relativ
geringe nucleophile Kraft der magnesiumorganischen Verbindung wird auf diese Weise
verstärkt:
R
C
O
R
R'
Mg
X
Mg
R
X
Statt einer zweiten Grignard-Verbindung kann auch eine Lewis-Säure wie
Magnesiumbromid diese Wirkung ausüben:
R
C
O
R
R'
Mg
Br
R
R
C
O
R'
Mg
X
+
Mg
R
R
R R'
Mg
Br
X C
O
+
Mg
Mg
Br
Setzt man Grignard-Reagenzien mit stark raumbeanspruchenden Gruppen um, so
verläuft die Reaktion vorwiegend unter Hydridionenübertragung an das Kohlen-
stoffatom der Carbonylgruppe, weil eine zweite Grignardverbindung aus sterischen
Gründen nicht an dem für die Reaktion notwendigen cyclischen Übergangszustand
teilnehmen kann.
Br
X
X
81

R
R
R
R
C
C
H
Mg
X
R R
C
O
R
R
C
R
C R
R
R
+
H
Mg
X
CH
C
O
R
R
+ H2O - Mg(OH)X
Aus dem Grignardreagenz entsteht so ein Olefin, aus der Carbonylverbindung ein
Alkohol. Durch Zusatz von Magnesiumbromid kann diese Nebenreaktion unterdrückt
werden.
Aus Carbonsäureestern entstehen zunächst Ketone:
R C O
R''MgX
OR'
R''MgX
O
R C
R''
MgX
R''
O
MgX
R C O R'
R''
H 2O
- Mg(OH)X
- R'OMgX
OH
R C R''
R''
OH
O
R C
Die Reaktion ist jedoch auf der Stufe der Ketone nicht anhaltbar, da diese wegen ihrer
hohen Carbonylaktivität eher reagieren als die Ester, so dass diese mit überschüssiger
Grignardverbindung weiter tertiäre Alkohole bilden.
Mit CO2 entstehen Carbonsäuren:
O C O + R Mg X O C
O Mg X H2O R
R''
R C O
OH
82

Die Carbonylaktivität der so gebildeten Säureanionen reicht nicht mehr für eine weitere
Umsetzung mit noch vorhandenem Grignardreagenz aus.
Metallorganische Verbindungen reagieren mit allen Stoffen, die aktive Wasserstoffe
enthalten, also mit Wasser, Alkoholen, Mercaptanen, Säuren, Amiden und Aminen
unter Bildung eines Kohlenwasserstoffs:
H 3C Mg Br + HO CH 2 R CH 4 + Br Mg OCH 2R
Aus dem Grignardreagenz des Methylbromids wird Methan gebildet, das
gasvolumetrisch bestimmbar ist. Somit kann die Anzahl aktiver Wasserstoffe bestimmt
werden (Zerewitinow-Reaktion).
Stark CH-acide Stoffe wie Acetylene reagieren ebenfalls mit Grignardreagenz:
R C C H + R' Mg X R C C Mg X + R' H
Dieser Weg wird oft zur Herstellung sonst nicht zugänglicher Grignard-Verbindungen
beschritten.
Wegen der Zersetzbarkeit von Grignard-Verbindungen durch Verbindung mit aktiven
Wasserstoffatomen sind vor allem Wasser- oder Alkoholspuren aus dem als
Lösungsmittel fungierenden Ether vor der Reaktion vollständig zu entfernen.
Alkylhalogenide reagieren mit Grignard-Verbindungen ähnlich der Wurtz'schen
Synthese zu Alkanen:
R X + R' Mg X R R' + MgX2 Wichtig ist die Austauschreaktion des Magnesium-Atoms gegen Cadmium bzw.
allgemein gegen edlere Metalle:
83

2 RMgX + CdCl 2
R 2Cd + MgX 2 + MgCl 2
Die Cadmium-organischen Verbindungen sind weniger reaktiv als die Grignard-
Verbindungen. Setzt man sie mit Säurechloriden um, so bleibt die Reaktion auf der
Stufe der Ketone stehen:
R C O
O
R C
Cl + CdR''2 R'' + CdCl2 Der Nachweis von Alkoholen ist im Kapitel 3.3 beschrieben, der von Ketonen im Kapitel
7.
Praktikumsversuch 4: Grignard-Reaktion zum sekundären Alkohol.
7. Oxidation primärer und sekundärer Alkohole zu Aldehyden bzw. Ketonen:
Primäre Alkohole sind über die Stufe der Aldehyde zu Carbonsäuren oxidierbar:
R CH 2 OH
R C
O
O
R C
H OH
Es ist schwierig, die Reaktion auf der Stufe der Aldehyde anzuhalten, da diese - als
Aldehydhydrate - leicht zu Carbonsäuren oxidiert werden können. Da Alkohole höhere
Siedepunkte als die Aldehyde haben (Wasserstoffbrückenbindungen), kann man den
entstandenen Aldehyd durch rasche Destillation aus dem Reaktionsmedium entfernen.
Als Oxidationsmittel dient meist Chromsäure, die man durch Zusatz von Schwefelsäure
aus Dichromat in Freiheit setzt.
H 3C
CH 2
CH 2
OH
H 2Cr 2O 7
H 3C
CH 2
C O
H
84

Als Nebenprodukt entsteht der Ester : Gebildeter Aldehyd und Alkohol setzen sich zum
Halbacetal um, das dann mit Chromsäure zum Ester oxidiert wird:
H 3C
H 3C
CH 2
H 3C
CH 2
CH 2
CH 2
C O
C
H
OH
O
O
CH 2 CH 2
H 3C
H 3C
CH 3
CH 2
CH 2
C
CH 2
OH
H
O
H 2Cr 2O 7
Diese Reaktion tritt vor allem dann ein, wenn man höhere Aldehyde herstellen will.
In der Technik wendet man vorzugsweise katalytische Oxidationsverfahren an, bei
denen der Alkohol über einen Kupfer-Chromoxid-Katalysator geleitet wird.
Nach einem neueren Verfahren führt man den Alkohol in das Tosylat über und oxidiert
dieses mit Dimethylsulfoxid oder geht vom entsprechenden Alkylchlorid aus und oxidiert
mit Trimethylamin-N-oxid:
R CH 2 OH
R CH O
H
+ TosCl
- HCl
� - S(CH 3) 2
S(CH 3) 2
�
HCO3 R CH 2 O SO 2 CH 3
- H 2CO 3
R C
O
H
�
Ox.
- TosOH
O S CH 3
�
CH 3
85

R CH 2
O N(CH3) 3
�
�
Cl
7.1 Oppenauer-Oxidation:
Cl �
R CH
H O
H H
O N(CH3) 3
�
R C
O
H
+
�
Cl �
HN(CH 3) 3
Ein sehr schonendes und spezifisches Oxidationsverfahren ist die Oppenauer-
Oxidation, die vorzugsweise zur Oxidation von Naturstoffen eingesetzt wird. In der
Regel wird ein sekundärer Alkohol über das Aluminiumalkoholat in das Keton überführt.
Zunächst wird aus dem Alkohol mit Aluminium-t-butylat das Aluminiumalkoholat
hergestellt:
R
3 R CH
OH + (H 3C) 3C O 3 Al R CH
R
O Al + 3 (H
3
3C) 3C OH
Das Alkoholat reagiert weiter mit zugesetztem Cyclohexanon in einem Redox-Prozess
zum entsprechenden Keton:
R
R CH O Al + 3 O
3
3
R
R
C
O
+
H
Al
O
3
Die Oxidation von sekundären Alkoholen zu Ketonen ist in der Regel aber auch mit
Chromsäure durchführbar, weil die Ketone nicht mehr weiter oxidierbar sind:
R
R CH
OH
H 2CrO 4
R
R
C
O
86

Die erhaltenen Aldehyde und Ketone können im Zuge von Grignard-Reaktionen unter
Bildung von C-C-Bindungen zu sekundären bzw. tertiären Alkoholen umgesetzt werden
(siehe vorn).
7.2 Nachweis von Aldehyden und Ketonen:
Aldehyde und Ketone gehen zahlreiche Kondensations- bzw. Additionsreaktionen ein,
die man direkt für Nachweisreaktionen und zur Identifizierung verwenden kann.
Am gebräuchlichsten ist die Umsetzung mit 2,4-Dinitrophenylhydrazin zu 2,4-Dinitrophenylhydrazonen:
R
R
C O + H2N NH
R
R
C N NH
NO 2
NO 2
NO 2
NO 2
- H 2O
8. Herstellung ungesättigter und gesättigter Kohlenwasserstoffe:
8.1 Herstellung ungesättigter Kohlenwasserstoffe:
Als Ausgangsmaterialien zur Herstellung ungesättigter Kohlenwasserstoffe dienen
Verbindungen, die funktionelle Gruppen enthalten. Die funktionelle Gruppe wird im
Zuge einer Eliminierungsreaktion mit einem Wasserstoffatom aus einer benachbarten
CH-Bindung abgespalten.
R CH 2 CH R'
X
- HX
R CH CH R'
Wie bei den Substitutionsreaktionen unterscheidet man nach der Art des
Eliminierungsmechanismus E1- und E2-Reaktionen.
87

8.1.1 E1-Eliminierung:
Bei der E1-Eliminierung wird wie bei der SN1-Reaktion im geschwindig-
keitsbestimmenden Schritt der Reaktion die Bindung zwischen dem Substituenten X
und dem damit verbundenen Kohlenstoffatom gelöst, so dass sich als Zwischenprodukt
das gleiche Carbeniumion wie bei der SN1-Substitution bildet. Dementsprechend wird
auch die E1-Reaktion durch protische polare Lösungsmittel begünstigt, die befähigt
sind, durch Wasserstoffbrückenbindungen zum austretenden Ion X �
dieses zu
solvatisieren und gleichzeitig in der Lage sind, durch vorhandene freie Elektronenpaare
an Heteroatomen das gebildete Carbeniumion zu stabilisieren.
Der Bau des Carbeniumions ist ausschlaggebend dafür, in welchem Ausmaß
Substitution oder Eliminierung erfolgt: Tertiäre Carbeniumionen (besonders mit
voluminösen Substituenten) erschweren den Angriff des nucleophilen Teilchens, so
dass die Eliminierung begünstigt ist. Auch die Möglichkeit, durch Eliminierung sterische
Spannung abzubauen ("sterische Beschleunigung"), begünstigt die Olefinbildung,
ebenso wie Temperaturerhöhung (vergl. Kap.4. SN1-Substitution).
Typische Beispiele für derartige Eliminierungsreaktionen sind die säurekatalysierte
Wasserabspaltung aus tertiären Alkoholen und die Solvolyse von Schwefelsäure- oder
Sulfonsäureestern in Alkohol.
R
R
C
OH
CH 2 R + H 3O �
- 2 H 2O
R CH 2 CH
8.1.2 E2-Eliminierung:
R
R
R
�
C
O SO 3H
CH 2 R
(EtOH)
- [H �
@
R CH
Bei der E2-Reaktion erfolgt die Abstraktion des Protons vom β-Kohlenstoffatom und die
Eliminierung des Substituenten X nahezu gleichzeitig. Besonders geeignet als
(H �
R
R
C
C
R
H
CH
R
88

angreifendes Agens sind voluminöse Basen, die durch ihre Raumbeanspruchung
schlecht in der Lage sind, in einer Nebenreaktion das den Substituenten tragende
Kohlenstoffatom nucleophil anzugreifen (Unterschied Basizität und Nucleophilie vergl.
Kap.4). Als Basen fungieren beispielsweise Chinolin oder Dicyclohexylamin zur
Abspaltung von Halogenwasserstoff aus primären Alkylhalogeniden:
H
R
H
H
N
C
X
C H
H
H
R
C
C
H
H
X �
�
+ (C 6H 11) 2NH 2
Stark ausgeprägt ist die Neigung zur E2-Eliminierung bei quartären Ammoniumbasen
(Hofmann-Eliminierung), die schon beim Erhitzen dieser Basen eintritt:
H 3C
CH CH
vN(CH3)
3
w
OH
CH 3
CH 3
Hitze
Sterischer Verlauf der E2-Eliminierung:
H 2C
H 3C
CH CH
+
CH
C
CH 3
CH 3
CH 3
CH 3
> 98%
< 2%
Voraussetzung für die bimolekulare Eliminierung ist, dass der abzuspaltende
Substituent zu einem am benachbarten C-Atom gebundenen Wasserstoff die anti-
Konformation einnimmt (anti-Eliminierung - Ingold-Regel).
89

X C
C
Während sich bei aliphatischen Verbindungen diese anti-Lage leicht einzustellen
vermag (freie Drehbarkeit), ist dies bei höher substituierten alicyclischen Verbindungen
nicht mehr der Fall. Betrachten wir beispielsweise ein Cyclohexanderivat mit einer
raumerfüllenden Gruppe einmal trans-ständig (a) und einmal cis-ständig (b) zu einem
am benachbarten C-Atom gebundenen Halogenatom (X), so sind folgende
Reaktionsabläufe möglich.
a) R und X trans-ständig
R
X
R e
H X
3 5
1
e
Im energetischen Grundzustand nimmt die raumerfüllende Gruppe die äquatoriale Lage
ein. Da X trans-ständig zu R angeordnet ist, befindet sich auch X in dieser Lage (e,e).
Eine anti-Eliminierung ist jedoch nur aus der diaxialen trans-Stellung (a,a) möglich.
Diese Konformation kann durch "Umklappen" der Sesselform (über die Wannenform)
eingenommen werden. Wie man sieht, gibt es neben dem den Substituenten X
tragenden Kohlenstoff nur ein β-C-Atom, das ein zu X trans-ständiges H-Atom besitzt,
so dass die Eliminierung nur in einer Richtung unter Bildung eines einheitlichen
Endproduktes abläuft:
H
H
H
H
R a
1
X
a
3
H
H
5
90

H
H
R a
X
a
H
a
w
OH
H
- X �
- H 2O
b) Betrachten wir nun die Verbindung, in der X und R zueinander cis-ständig sind, so
befinden sich bereits im Grundzustand (der raumerfüllende Substituent in äquatorialer
Lage) zwei transaxiale H-Atome in Nachbarschaft zum Substituenten X und es wird bei
der E2-Eliminierung demzufolge ein Olefingemisch gebildet:
R
R
oder
X
X
R
R
H
H
a
H
a
H
X
X
a
a
a
H
w
OH
a
H
w
OH
H
H
R
R
- X �
- H 2O
- X �
- H 2O
Wovon das Produktverhältnis der beiden Verbindungen im allgemeinen abhängig ist,
wird in den folgenden Abschnitten besprochen.
R
R
91

Die überwiegende Eliminierungsrichtung ist bei unsymmetrisch gebauten R-X-
Molekülen durch die Saytzeff- und Hofmann-Regel vorhersagbar. Bei sekundären und
tertiären Alkylhalogeniden und Alkoholen der folgenden Struktur kann z.B. die
Eliminierung in zwei Richtungen laufen:
R CH 2 CH
OH
CH 3
- H 2O
- H 2O
R CH CH
(Saizew-Produkt)
(Saytzeff)
CH 3
R CH 2 CH CH 2
(Hofmann-Produkt)
Das Olefin mit der höchsten Alkylsubstitution bezeichnet man als Saytzeff-Produkt, das
Olefin, das die geringste Anzahl Alkylgruppen an den Doppelbindungskohlenstoffen
trägt, als Hoffmannprodukt. Das Saytzeff-Produkt ist das thermodynamisch stabilere.
Bei monomolekularen Eliminierungen (z.B. der säurekatalysierten Dehydratisierung von
tertiären Alkoholen) entsteht überwiegend das Saytzeff-Produkt, da das im
Übergangszustand vorhandene Carbeniumion schon weitgehend Olefinstruktur besitzt,
sind für die Bildung des Endproduktes allein energetische Grände maßgebend. Nur
wenn der Angriff der Base auf das Proton am β-C-Atom, dessen Ablösung zum
Saytzeff-Produkt aus sterischen Gründen erschwert wird, bildet sich auch bei der E1-
Eliminierung das Hofmann-Produkt:
92

R
CH 2
H 3 C
R '
C
CH
R ''
CH
CH 3
CH 3
C
OH
CH 3
H �
- H 2 O
R C C
CH 2
H 3 C
R '
CH
R ''
CH 3
R
C
Saizew-Produkt =
Nebenprodukt
CH 2
H 3 C
R '
C
- H 3 O �
CH 3
CH 3
CH
CH 3
R ''
C
H
C
�
O
H H
sterisch
behindert
R '
CH 3
CH 2
R ''
H
O
H
leicht
CH 3
H
R CH2 C C C CH2 H
H 3 C
CH
CH 3
Hofmann-Produkt =
Hauptprodukt
Bei der bimolekularen Eliminierung ist die Produktbildung abhängig von
1) der austretenden Gruppe X
- H 3 O �
2) den sterischen Verhältnissen, insbesondere der Substitution am α- und β-C-Atom
des Substrates
3) dem Lösungsmittel und der Stärke, der auf das H-Atom einwirkenden Base
Je leichter der Substituent -X abgelöst werden kann (-I leichter als -Cl), umso mehr
Saytzeff-Produkt wird gebildet.
Positiv geladene Gruppen (- �
NR3), - �
SR2) in sogenannten Oniumverbindungen, bilden
überwiegend das Hofmann-Produkt.
Die Eliminierung von tertiären Aminen aus quartären Ammoniumsalzen stellt die
Hofmann-Eliminierung dar. Diese Reaktion hatte große Bedeutung bei der
Strukturermittlung von Alkaloiden durch chemischen Abbau.
Entscheidend für diese Orientierung bei der Produktbildung sind zwei Gründe:
1) die positive Gruppe erhöht durch den Induktionseffekt die Acidität der β-H-Atome
stärker als andere austretende Gruppen
93

2) Durch die räumliche Größe der austretenden Gruppen kann nur der
Übergangszustand mit der geringsten Gruppenhäufung durchlaufen werden, dies
ist der Übergangszustand, der zum Hofmann-Produkt führt. An einem Beispiel
soll dies veranschaulicht werden:
R
C
H3C C
CH3 N v
C C
H H
'
R ''
H H
H H
|B
H H
geringere Gruppenhäufung
�
- HB
R ' R '' CH CH 2 N(CH 3) 2 + H 2C CH 2
H 3C
H 3C
H 3C
CH 3
C
CH 3
v
C
H
C
OH
H
C
CH 3
CH 3
CH 3
+ H
- H2O �
- H �
Hofmann-Produkt
H 3C
H 3C
H 3C
CH 3
C
CH 3
C
H
C
v
C
CH 3
CH 3
CH 3
Eine ganz ähnliche Wirkung geht auch von der Base aus. Je stärker raumerfüllend
diese ist, desto mehr Hofmann-Produkt entsteht, da der Angriff auf die durch die
Alkylgruppe bereits abgeschirmten β-H-Atome zusätzlich erschwert ist.
Das Lösungsmittel ist wie bei der Substitution dafür verantwortlich, ob die Reaktion
mono- oder bimolekular abläuft. Um schließlich bei bimolekularem Reaktionsablauf die
Eliminierung gegenüber der Substitution zu begünstigen, müssen möglichst starke
Basen eingesetzt werden.
94

In der Praxis wird die Bildung einheitlicher Produkte noch zusätzlich durch mögliche
Umlagerungsreaktionen erschwert. Beispielsweise erhält man bei der Elininierung von
Wasser aus Pinakolylalkohol nicht das erwartete Olefin, sondern ein
Umlagerungsprodukt, das im Zuge einer Wagner-Meerwein-Umlagerung entsteht:
H 3C
H 3C
H 3C
CH 3
C
CH 3
v
C
H
C
OH
H
C
CH 3
CH 3
CH 3
+ H
- H2O �
- H �
H 3C
H 3C
H 3C
CH 3
C
CH 3
C
H
C
v
C
CH 3
CH 3
CH 3
Ein weiteres Beispiel stellt die Möglichkeit zur Bildung cis/trans-Isomeren Verbindungen
dar, die bei E1-Reaktion etwa mit gleichen Wahrscheinlichkeiten entstehen, während
bei der sterisch besser kontrollierten E2-Reaktion je nach Art zusätzlicher Substituenten
das eine oder andere überwiegt (Kap. 8.1.2).
Will man daher reine Olefine herstellen, so ist der Einsatz dieser Methode stark
beschränkt, oft strebt man aber die Entfernung der funktionellen Gruppe an, um in
einem zweiten Schritt durch Hydrierung einen gesättigten Kohlenwasserstoff
herzustellen.
Für diese Zwecke können die Gemische der Olefine katalytisch zu einheitlichen
Kohlenwasserstoffen hydriert werden (dies gilt streng, nur für aliphatische
Verbindungen).
Als Katalysatoren werden im Labor vorzugsweise Palladiumkohle oder PtO2 verwendet,
das mit Wasserstoff zu Pt mit großer Oberfläche (besonders gute Aufnahme von H2)
reduzierbar ist.
95

R CH 2 CH
OH
CH 2
R '
R CH2 CH2 R '
CH2 - H 2O
- H 2O
R CH CH
R CH 2 CH
CH 2
CH
R '
R '
+ H 2
Katalysator
Nach Beendigung der Wasserstoffaufnahme wird der Katalysator abfiltriert und die
Lösung eingeengt - der Kohlenwasserstoff fällt meist in sehr reiner Form an.
8.1.3 Thermische syn-Eliminierung:
Neben E1- und E2-Eliminierung von HX aus Alkohol, Alkylhalogenid und der
Zersetzung von Oniumsalzen spielen thermische Zersetzungsreaktionen eine wichtige
Rolle zur Herstellung von Olefinen.
Xanthogensäurealkylester, die aus Schwefelkohlenstoff und Alkohol bei Gegenwart von
Alkalihydroxid und nachfolgendem Umsatz mit R‘X (meistens verwendet man CH3I)
herstellbar sind,
R CH 2 CH 2 OH + S C S NaOH
- H 2O
R CH 2 CH 2
R CH 2 CH 2
S
O C S Na �
�
+ CH3 I
- NaI
O
S
C S
zerfallen beim Erhitzen über einen 6-gliedrigen Übergangszustand in Olefin, Mercaptan
und COS (Tschugaeff-Reaktion):
CH 3
96

H H
R '
R
O
H
C
S
SCH 3
Hitze
H H
R '
C
C
R
+
O C
H
S
SCH 3
O C S
+
CH 3SH
Wegen des bei der Reaktion entstehenden Mercaptans (Geruch) zieht man heute die
bei milderen Temperaturen verlaufende Cope-Eliminierung von Aminoxiden vor:
R CH 2 CH 2 NR '
2
H 2O 2
H
H
R R
H
H H
N C
+
H
O C
�
R'
R '
�
H
R CH2CH2 N R'
�
R '
2NOH
Die thermische Zersetzung der Ester, die ebenfalls eine cis-Eliminierung darstellt ,
erfordert sehr hohe Temperaturen und wird daher nicht viel verwendet:
H H
H
R
O
H
C
O
R
Hitze
H H
R
O C
Von besonderer Bedeutung zur Herstellung von Olefinen ist heute die Wittig-Reaktion.
Hierbei setzt man einen Aldehyd mit einem Phosphorylid um:
H
C
C
+
H
O
R
�
O
R '
97

R C
O
H
O
+ H 2C PPh 3 R CH
CH 2
R CH + O
PPh 3
PPh 3
CH 2
ein Oxaphosphetan
Das Zwischenprodukt zerfällt zu Triphenylphosphinoxid und einem Olefin, so dass im
Endeffekt die Carbonylgruppe durch eine Methylengruppe ersetzt wird.
Die Phosphorylide (Phosphorane) sind durch Umsatz von Triphenylphosphin mit CH3I
leicht zugänglich:
Ph3P| + CH3 I Ph3P CH3 � �
Ph3P CH2 Phosphor-Ylid
8.1.4. Nachweis von Olefinen:
�
I
Ph 3P CH 2
Ylen
�
Li �
Ph �
oder NaH
Zum Nachweis von Olefinen macht man sich ihre große Neigung zu
Anlagerungsreaktionen zunutze:
KMnO4 wird sofort entfärbt:
�
C MnO4 C
O
O
�
MnO 2
H 2O
(OH �
Allerdings ist diese Reaktion nicht spezifisch für Olefine, da alle leicht oxidierbaren
Substanzen (Alkohole, Aldehyde, Amine, Thiole, Enole usw.) einen positiven Test
ergeben.
OH
OH
98

In gleicher Weise kann die Reaktion mit molekularem Brom - erkenntlich ebenfalls an
der Entfärbung des zugesetzten Broms - als Nachweisreaktion dienen. Brom wird
elektrophil an der Doppelbindung addiert.
Br
C C + Br 2 C C
Es ist zu beachten, das Brom C-H-acide Verbindungen (z.B. Ketone) auch substituieren
kann:
O
+ Br 2
in CCl 4 O
Br
Br
+ HBr
Diese Reaktion führt ebenfalls zur Entfärbung des Broms. Arbeitet man in CCl4 statt in
CHCl3, in dem das entstandene HBr nicht löslich ist und daher am Entweichen aus der
Lösung erkenntlich ist (Indikatorpapier), so kann man entscheiden, ob ein Olefin oder
eine substituierbare Verbindung vorliegt.
Mit Olefinen, die elektronenziehende Gruppen an der Doppelbindung tragen, reagiert
Brom nur langsam. Hier ist die Prüfung mit KMnO4 angebracht.
8.2 Herstellung gesättigter Kohlenwasserstoffe:
Neben der Hydrierung von Olefinen bzw. Olefingemischen sind gesättigte
Kohlenwasserstoffe aus Carbonylverbindungen zugänglich:
8.2.1 Clemmensen-Reduktion:
Im allgemeinen führt die Reduktion von Aldehyden und Ketonen zur Bildung von
Alkoholen, die nicht mehr weiter reduzierbar sind. Clemmensen stellte fest, dass die
Reduktion bis zum Kohlenwasserstoff unter Überspringen der Zwischenstufe des
99

Alkohols verläuft, wenn man als Reduktionsmittel amalgamiertes Zink (Zn/Hg) in
salzsaurer Lösung einsetzt:
R
R
C
O +
8.2.2 Wolff-Kishner-Reduktion:
2 Zn + 4 [H �
@ CH2 + 2 Zn 2�
R
R
+ �2
Ergänzt wird dieses Verfahren durch die Methode von Wolff-Kishner in der Variante von
Huang-Minlon. Ein Keton, das in einem hochsiedenden Lösungsmittel (Ethylenglycol)
gelöst ist, reagiert in Gegenwart von KOH und Hydrazin nach Bildung des Hydrazons
unter N2-Abspaltung:
R
R
R
R
C
C
R
R
O
O
+ H 2N NH 2
CH
H
O
H
H2N NH2 KOH
- H2O 140°C
N N H
R
R
OH
�
C
KOH
- H 2O
- H 2O
N
- N 2
- OH �
NH 2
R
R
R
R
C
KOH
- N2 200°C
CH 2
N
R
R
NH 2
CH 2
Ein dritter Weg zur Herstellung von Kohlenwasserstoffen aus Carbonylverbindungen
besteht im Umsatz der Carbonylverbindung zu einem Dithioacetal (meist
Ethylendithioacetal), das an schließend mit Raney-Nickel entschwefelt wird:
100

R
R
R
R
C
CH2 SH
S
CH2 SH R
O C
- H2O R
S
CH 2
+
CH 2
CH 2
SH
SH
CH 2
CH 2
(Ni)
+ H2 Raney-Nickel erhält man aus einer Aluminium-Nickel-Legierung durch Herauslösen des
Aluminiums mit Alkali.
Vorsicht: Raney-Nickel ist pyrophor, d.h. an der Luft selbstentzündlich,
Filterpapiere mit Raney-Nickel dürfen daher keinesfalls achtlos weggeworfen
werden, sondern müssen unmittelbar nach Abfiltrieren durch gezieltes
Abbrennen mit dem Bunsenbrunner unschädlich gemacht werden.
Symmetrische gesättigte Kohlenwasserstoffe sind ferner nach Wurtz aus
Alkylhalogeniden durch Behandlung mit Na zugänglich:
H3C (CH2 ) n CH2 I + 2 Na H3C (CH2 ) n CH2 Na + Na I
H 3 C (CH 2 ) n CH 2 Na
+
H 3 C (CH 2 ) n CH 2
I
H 3C (CH 2) n CH 2
H 3 C (CH 2 ) n CH 2
+ NaI
Corey und House entwickelten unabhängig voneinander eine sehr vielseitige
Kohlenwasserstoffsynthese, die die Herstellung längerkettiger (auch verzweigter und
unsymmetrischer) Alkane erlaubt. Sie setzen das Alkylhalogenid mit Lithium zur
Alkyllithiumverbindung um. Mit Kupfer-(I)-iodid entsteht die Lithium-dialkylkupferverbindung,
die schließlich mit weiterem Alkylhalogenid den Kohlenwasserstoff
ergibt.
101

CH 3
2 R CH 2 CH
CH 3
R CH 2 CH
Cl
2 Li
- LiCl
CH 3
2 R CH2CHLi CH 3
2 CuLi R' CH2 Br
R CH2CH - LiBr
+
CH 3
R CH2CHCu Cu I
- LiI
CH 2
Auch durch Zersetzung von Grignard-Verbindungen mit Wasser erhält man
Kohlenwasserstoffe:
R Mg X + H 2 O R H + Mg(OH)X
Aus diesem Grunde ist bei Grignard-Reaktionen die Gegenwart von Wasser oder
anderen Verbindungen mit aciden Wasserstoffen (Phenolen, Säuren, Alkoholen,
Aminen) peinlichst auszuschließen!!
Praktikumsversuch 5: Oxidation oder Reduktion nach einem der erwähnten oder
analogen Verfahren.
9. Herstellung von Aminen:
Bei der Einwirkung von NH3 auf Alkylhalogenide entstehen Gemisch primärer,
sekundärer und tertiärer Amine sowie das quartäre Ammoniumsalz. Die Trennung
dieser Verbindungen nach Hinsberg ist relativ zeitaufwendig. Es ist daher eleganter
und zweckmäßiger, die Herstellung reiner Verbindungen anzustreben:
9.1 Herstellung primärer Amine:
Reine Primäre Amine sind über die Gabrielsynthese zugänglich:
R '
102

O
C
C
O
N �
K �
+ RCl
O
C
C
O
N
R + KCl
Die so erhältlichen N-alkylsubstituierten Phthalimide sind durch Hydrazinolyse in
primäres Amin und Phthalsäurehydrazid spaltbar:
O
C
C
O
N
R H 2 N NH 2
Vorsicht: Hydrazin ist ein starkes Nervengift und cancerogen.
O
O
NH
NH
+ R NH 2
Primäre Amine sind auch durch Reduktion der Oxime von Aldehyden oder Ketonen
zugänglich:
R
R
C
O
H 2N
- H 2O
OH
R
R
C
N
OH
H 2/Ni
EtOH
R
R
CH NH 2
Die theoretisch mögliche Reduktion von aliphatischen Nitroverbindungen zu Aminen hat
in der Praxis kaum Bedeutung, da diese im allgemeinen schwerer zugänglich sind als
die Amine.
Dagegen spielt die Reduktion der Nitrile zu primären Aminen eine große Rolle,
insbesondere in der Technik. (Herstellung von Nylon, Reduktion von Adipinsäuredinitril).
103

Als Zwischenprodukte entstehen zunächst Aldimine, die entweder zum primären Amin
weiter hydriert werden oder aber mit bereits gebildetem primären Amin unter
Ammoniakabspaltung zu Azomethinen weiter reagieren, die bei der Hydrierung
sekundärer Amine ergeben.
R CH 2 C N
H 2
Ni
δ+ δ-
R CH2CH NH
+
R CH 2 CH 2 NH 2
R CH 2
- NH 3
H 2
CH NH R CH2 CH2 NH2 Ni
R CH 2 CH N CH 2 CH 2 R
H 2/Ni
R CH2CH2 NH CH2 CH2 R
Um die Bildung des als Nebenprodukt entstehenden sekundären Amins zu
unterdrücken, fügt man der Reaktionslösung einen grossen Überschuß Ammoniak zu
(Gleichgewichtsverschiebung).
Weitere wichtige Methoden zur Herstellung von Aminen gehen von Säuren aus:
Hofmann-Abbau:
Beim Hofmann-Abbau stellt man über das Säurechlorid das Säureamid her, das mit Br2
in alkalischer Lösung umgesetzt wird.
Dabei bildet sich Hypobromit, das das Säureamid am Stickstoff bromiert:
R
C
O
NH 2
+ HOBr
- H 2O
R
C
O
N H
Br
104

Die N-Bromverbindung spaltet formal HBr ab und lagert sich sofort unter
Restwanderung zum Isocyanat um:
R
C
O
N H
�
OH
Br
- H 2O
R
C
�
O
N Br
- Br �
R N
C O
Die in manchen Lehrbüchern erwähnte Nitrenzwischenstufe mit einem
Elektronensextett am Stickstoff konnte noch niemals nachgewiesen werden:
Es entsteht so ein Isocyanat, das in der wässrigen Lösung H2O addiert:
R
+ H2O R N C O
R NH C
Die entstehende Carbaminsäure zerfällt in primäres Amin und CO2:
Curtius-Abbau:
R
NH
C
O
OH
C
O
N
- CO 2
R NH 2
Sehr ähnlich ist der Curtius-Abbau, bei dem man von Säureaziden ausgeht, die wieder
über Säurechloride durch Umsatz mit NaN3 erhältlich sind. Die Säureazide zerfallen
beim Erhitzen unter Stickstoffabspaltung zu dem gleichen Addukt, das man beim
Hofmann-Abbau erhält:
O
OH
105

R C
O
Cl
NaN3 R C
�
O
N
N N
�
- N 2
R N
C O
Wenn z.B. in wasserfreiem Benzol als Lösungsmittel gearbeitet wird, kann man die
Isocyanate isolieren. Bei Gegenwart von kleinen Mengen Wasser entsteht aus dem
Isocyanat über das Carbaminsäurederivat wie beim Hofmann-Abbau primäres Amin,
das sich mit noch unumgesetzten Isocyanaten zum Harnstoffderivat umsetzt
(Nebenreaktion):
R NH2 + R N C O R NH C
O
NH R
Zur Herstellung primärer Amine zersetzt man daher das Säureazid in alkoholischer
Lösung. Hier bildet sich aus dem zunächst entstehenden Isocyanat ein Urethanderivat,
das bei der sauren Hydrolyse zum primären Amin, Alkohol und CO2 zerfällt:
O - N2 R C
R N C O
R NH
Schmidt-Abbau:
N 3
C
ein Urethan
O
OC 2H 5
+ C 2H 5OH
R NH 2 + C 2H 5OH + CO 2
Beim Schmidt-Abbau setzt man die Säure mit HN3 (Stickstoffwasserstoffsäure) –
VORSICHT, EXPLOSIV - in Gegenwart von Schwefelsäure um:
106

R
R
C
C
O
OH
OH OH
+ H �
N
H
N
�
N
R
- H 3O �
C
R
�
O
OH
H
C
O
+ HN 3
� N N N
�
Unter Stickstoffverlust entsteht das gleiche Zwischenprodukt wie bei den übrigen
Abbaureaktionen, das schließlich das primäre Amin liefert.
9.2 Herstellung sekundärer Amine:
Sekundäre Amine sind erhältlich durch katalytische Reduktion von Iminen, die ihrerseits
aus Aldehyd und primären Amin zugänglich sind:
R NH 2 + O C
H
R '
R R '
NH CH2 R N C
Ein weiterer Weg besteht in der Acylierung eines primären Amins, das dann durch
LiAlH4-Reduktion in das entsprechende sekundäre Amin überführbar ist:
R NH2 + O C R '
Cl
R R '
NH CH2 9.3 Herstellung tertiärer Amine:
- HCl
O
H
R '
R R '
NH C
H 2
LiAlH 4
Tertiäre Amine mit verschiedenen Alkylsubstituenten sind erhältlich durch Acylierung
entsprechender sekundärer Amine und nachfolgender LiAlH4-Reduktion:
107

R R '
NH
R
R '
N
+ O C
Cl
CH 2
Leuckart-Wallach-Reaktion:
R NH 2
R ''
R ''
9.4. Nachweisreaktionen von Aminen:
9.4.1 Isonitril-Reaktion:
- HCl
HCHO / HCOOH
- CO 2 - H 2O
R
R '
N
O
C
R ''
R N CH 3
CH 3
LiAlH 4
Eine empfindliche Nachweisreaktion für primäre Amine ist die Isonitril-Reaktion. Bei
der Umsetzung mit Chloroform und Alkalilauge entstehen die widerlich riechenden
giftigen Isonitrile:
- 3 NaCl
� �
R NH2+ CHCl3 + 3 NaOH R N C
- 3 H2O Bei der Isonitrilreaktion entsteht aus CHCl3 zunächst im Zuge einer α-Eliminierung
Dichlorcarben:
Cl
Cl C H
Cl
OH �
- HCl
Cl
Cl
C x
108

(Als Carben bezeichnet man eine Methylengruppe mit zwei Elektronen :CH2. Carbene
sind außerordentlich reaktive Verbindungen).
Mit primären Aminen reagiert das Dichlorcarben zum entsprechenden Isonitril:
H
Cl
R NH x
2 +
xC
R N
Cl
� �
R N C
H
C Cl
Cl
- 2 HCl
9.4.2. Umsetzungen mit salpetriger Säure, Reaktionen zur Unterscheidung
primärer, sekundärer und tertiärer Amine:
Primäre aliphatische Amine werden in saurer Lösung von NO �
, (entsteht aus NaNO2
und Säure) am Stickstoffatom (Ort größter Elektronendichte) angegriffen:
R N
H
H
+ NO �
R N N �
OH 2
R
�
N
N
H
H
Durch Deprotonierung-Protonierung entsteht ein protoniertes Diazoniumhydroxid,
woraus nach Wasserabspaltung ein Diazoniumsalz entsteht:
R N N �
OH 2
R N
�
N
- H 2O
�
R N N
Das Diazoniumsalz ist unbeständig, solange nicht eine Stabilisierungsmöglichkeit durch
Mesomerie mit Elektronen des Restes R gegeben ist und spaltet N2 ab:
O
109

Der Rest R �
� - N2 �
R N N
R
+ H 2O
- H � R OH
reagiert mit einem vorhandenem Nukleophil (z.B. Lösungsmittel) oder
spaltet im Zuge einer Eliminierung H �
ab.
Sekundäre Amine werden in gleicher Weise wie primäre Amine von NO �
am Stickstoff
angegriffen. In diesem Falle resultiert aber eine N-Nitrosoverbindung:
R NH R
NO �
R
R N N O
H
�
- H �
Nitrosamine sind gelbe bis orangefarbene, in Wasser wenig lösliche Öle.
R
R
N N O
VORSICHT: Nitrosamine sind krebserregend. - Beim Arbeiten mit diesen Substanzen
äußerste Vorsicht walten lassen: Abzug, Schutzhandschuhe!ll
R
N
Tertiäre Amine reagieren ebenso zu Nitrosaminen
R
R
NO �
X �
R
�
R N N O
R X�
O
H H
- ROH
- HX
R
R
N N O
9.4.2. Trennung von primären, sekundären und tertiären Aminen (Hinsberg-Trennung):
Mit Benzolsulfochlorid bzw. p-Toluolsulfochlorid reagieren primäre und sekundäre
Amine in der folgenden Weise:
110

O
S
O
O
S
O
Cl
Cl
Tertiäre Amine reagieren nicht.
O
+ H2N R
- HCl
S
+ H
R
N R
- HCl
H
N
O
löslich in Alkali
R
O
S N
R
O
R
unlöslich in Alkali
Einige primäre Amine reagieren zum Teil zu Disulfonylderivaten, die ebenfalls in
alkalischer Lösung unlöslich sind (Verwechselungsmöglichkeit mit sekundären
Aminen). Durch Kochen mit Natriumethylat kann die Disulfonylverbindung zerstört
werden:
O
O
2 S Cl + 2H2N
R
- 2 HCl
S
O
O
S
O
O
R
N
O
S
O
N R EtO S
� �
Na ���
Praktikumsversuch 6: Herstellung eines aliphatischen Amins nach einer der
erwähnten oder analogenVerfahren
10. Herstellung einfacher aromatischer Verbindungen
10.1. Die elektrophile Substitution:
�
Na �
O
O
111

Im Gegensatz zu substituierten aliphatischen Verbindungen, die vielfach über
nucleophile Reaktionen zugänglich sind, spielen solche Reaktionen in der Chemie der
Aromaten nur eine geringe Rolle: Das aromatische Ringsystem ist relativ reich an
Elektronen und daher eher von positiv geladenen Partikelchen im Zuge elektrophiler
Substitutionsreaktionen angreifbar.
In der Regel bildet sich zunächst mit dem angreifenden positiv geladenen Agens ein loser
Komplex - der π-Komplex - unter Beteiligung negativer Ladungsteile des aromatischen
Ringsystems. Dieser entwickelt sich zu einem σ-Komplex, in dem bereits eine σ-
Bindung zwischen einem Kohlenstoffatom des Aromaten und dem elektrophilen
Reagens ausgebildet ist. Obwohl noch 5 Kohlenstoffatome an dem Mesomeriesystem
im σ-Komplex beteiligt sind, ist durch die Aufhebung des aromatischen Zustandes
hoher Energieaufwand nötig.
+ X � X �
π -Komplex
�
H
X
σ -Komplex
Bis hierher gleicht die Reaktion völlig der Additionsreaktion an Doppelbindungen. Der
aus dem Aromaten gebildete σ-Komplex hat aber das Bestreben, wieder den
energetisch günstigen Zustand des Aromaten zu erreichen. Dies ist nur möglich, wenn
das Wasserstoffatom von dem sp 3 -hybridisierten Kohlenstoffatom - der
Unterbrechungsstelle des mesomeren Systems - als Proton eliminiert wird.
Auf diese Weise lassen sich aus Aromaten durch Nitrierung Nitroverbindungen,
durch Alkylierung oder Acylierung im Zuge von Friedel-Crafts-Reaktionen
Kohlenwasserstoffe bzw. aromatische Ketone, durch Halogenierung Bromide und
Iodide und durch Sulfonierung Sulfonsäuren gewinnen. Alle diese Verbindungen
sind wiederum wertvolle Ausgangsstoffe zur Überführung in andere Derivate bzw.
zur Einführung weiterer Substituenten.
112

Die Alkylhalogenide spielen in der Chemie der Aromaten als Zwischenprodukte zur
Synthese weiterer Derivate eine wesentlich geringere Rolle als die Alkylhalogenide in
der Chemie der Aliphaten, weil eine direkte nucleophile Substitution am Aromaten sehr
erschwert ist:
Das Halogenatom ist an der Mesomerie beteiligt, wodurch die C-Halogenbindung
partiellen Doppelbindungscharakter erhält und damit fester als in aliphatischen
Verbindungen gebunden ist (verhindert SN1-Reaktion).
Cl Cl
Außerdem ist an dem Kohlenstoffatom, das das Halogen trägt, die negative
Ladungsdichte im Vergleich zu analogen Kohlenstoffatomen aliphatischer
Verbindungen viel höher. Damit ist der Angriff eines Nucleophils auch im Zuge
einer SN2-Reaktion erschwert.
Die Rolle der Alkylhalogenide in der Aliphatenchemie kommt in der Chemie der
Aromaten den Aminen zu, die über Sandmeyer-Reaktionen in eine große Zahl
von Verbindungen mit anderen Substituenten überführbar sind. Sie sind erhältlich
durch Reduktion von Nitroverbindungen.
Enthält eine aromatische Verbindung bereits einen Substituenten, so übt dieser
entscheidenden Einfluß darauf aus, welche Position der neu einzutretende Substituent
angreift:
Substituenten, die durch einen induktiven oder mesomeren Effekt elektronendrückend
wirken, erhöhen die negative Ladungsdichte in 2- und 4-Stellung (Substituenten 1.
Ordnung). Insgesamt wird dadurch die elektrophile Substitution erleichtert und in diese
Stellungen gelenkt:
�
�
113

CH 3
O
�
CH 3
O
Anisol
Substituent 1. Ordnung
�
�
CH 3
Elektronenziehende Substituenten vermindern die Elektronendichte im Kern und damit
die Neigung zur weiteren Substitution (Substituenten 2. Ordnung). Relativ am größten
ist die Elektronendichte noch in 3-Stellung und daher erfolgt, wenn überhaupt, ein
Angriff in dieser Position:
H 3C
C
O
H 3C
�
C
O
�
H 3C
Acetophenon
Substituent 2. Ordnung
Entfaltet ein Substituent gleichzeitig induktive und mesomere Effekte, so ist für
die Orientierung des Zweitsubstituenten immer der mesomere Effekt
verantwortlich:
Zum Beispiel wirkt im Anisol (Ph-O-CH3) und Anilin (Ph-NH2) der induktive Effekt in
Richtung des Substituenten, da Sauerstoff und auch Stickstoff elektronegativer als
Kohlenstoff sind. Würde man diesen induktiven Effekt allein betrachten, so würde sich
eine Verminderung der Elektronendichte im aromatischen Kern ergeben.
C
O
�
�
O
�
114

Da sowohl Sauerstoff als auch Stickstoff über freie Elektronenpaare verfügen,
üben sie gleichzeitig einen mesomeren Effekt aus, der in die andere Richtung
wirkt.
NH 2
-I-Effekt
(σ -Acceptor-Effekt)
NH 2
�
+M-Effekt
( π -Donor-Effekt)
NH 2
Dipolmoment
�
NH 2
Aus der experimentellen Ermittlung der Größe und der Richtung des
Dipolmomentes weiß man, dass der resultierende Gesamteffekt von –OCH3 und –
NH2 eine Erhöhung der Elektronendichte im aromatischen Kern bewirkt, diese
Substituenten also elektronendrückend wirken.
Dies hat weiterhin zur Folge, dass die Zweitsubstituenten in 2- und 4-Stellung
eintreten. Da Sauerstoff und Stickstoff relativ leicht ihr Elektronenpaar zur
Verfügung stellen, überwiegt hier der mesomere Effekt gegenüber dem
induktiven Effekt.
Anders sind die Verhältnisse beim Chlorbenzol. Chlor ist elektronegativer als
Sauerstoff und Stickstoff und übt einen starken -I-Effekt aus. Chlor hat ebenfalls
ein freies Elektronenpaar, ist aber im Gegensatz zu Sauerstoff und Stickstoff weit
weniger bereit, dieses zur Verfügung zu stellen.
115

Das Dipolmoment ist im Chlorbenzol daher anders als im Anisol oder Anilin zum
Chlor hin gerichtet. Chlorbenzol vermindert also die Elektronendichte im
aromatischen Kern und erschwert damit die Zweitsubstitution.
Cl
Dipolmoment
Wie ist es nun mit der Orientierung der neu eintretenden Substituenten? Oben wurde
erwähnt, dass elektronenziehende Gruppen, die die Elektronendichte im Kern
vermindern, dies am wenigsten in der 3-Stellung bewirken können und dass ein Angriff,
wenn er überhaupt erfolgt, in dieser Position stattfindet.
Die Praxis zeigt jedoch, dass Chlorbenzol in 2- und 4-Stellung substituiert wird.
Das bedeutet, dass die bisherige Deutung zu vereinfacht ist,und dass
andererseits der mesomere Effekt trotzdem bei der Richtung der Substitution in
Rechnung zu stellen ist, auch wenn der induktive Effekt bezüglich der Richtung
der Polarisierung ein anderes Substitutionsmuster erwarten lassen würde.
Die bisherige Vorhersage über den Angriffspunkt des Zweitsubstituenten (s.o.)
basiert ausschließlich auf der Betrachtung des Ausgangsmoleküls. Entscheidend
für den Reaktionsablauf ist aber der Übergangszustand.
Die Struktur, die dem Übergangszustand recht nah sein sollte, ist der σ-Komplex
(dafür spricht u.a. die Beobachtung, dass die Bildung des σ-Komplexes bei vielen
elektrophilen Substitutionsreaktionen der geschwindigkeitsbestimmende Schritt
ist).
116

Cl
�
Cl �
NO 2
H
NO 2
H
Cl Cl
�
NO 2
H
H
H
Cl �
�
NO 2
NO 2
2-Substitution 3-Substitution 4-Substitution
Bei vergleichender Betrachtung des σ-Komplexes der drei gedachten
Angriffspunkte eines Zweitsubstituenten (Nitrogruppe) wird deutlich, dass nur bei
2- und 4-Stellung eine Stabilisierung durch Mesomerie möglich ist. Dies ist der
Grund für die Bildung von z.B. 2- und 4-Nitrochlorbenzol, obwohl der Angriff des
Zweitsubstituenten im Vergleich zum Benzol im Chlorbenzol wegen des
elektronenziehenden Effektes des Chlors erschwert ist.
Ähnlich sind die Verhältnisse beim Styrol. Obwohl die Vinylgruppe elektronenziehend
ist, erfolgt 2-und 4-Substitution. Auch hier kann im σ-Komplex nur die 2- und 4-Stellung
stabilisiert werden:
CH
�
CH 2
NO 2
CH
H NO2 H
�
CH 2
H
CH
�
NO 2
CH 2
117

Die Orientierung des Zweitsubstituenten ist also eindeutig nur aus der
Betrachtung des dem Übergangszustand der Reaktion sehr ähnlichen σ-
Komplexes abzuleiten. Die Betrachtung nur des Grundzustandes ist eine
vereinfachte Interpretation, die zu Fehlschlüssen führen kann.
Man sollte erwarten, dass das Verhältnis von 2- zu 4-Substitutionsprodukten etwa
2:1 beträgt (zwei 2-Stellungen gegenüber einer 4-Stellung). In der Regel wird
jedoch hauptsächlich das 4-Produkt gebildet. Ausschlaggebend hierfür sind
sterische Faktoren (der Angriff des Elektrophils ist in unmittelbarer
Nachbarschaft zur bereits vorhandenen Gruppe räumlich erschwert) und die
höhere Stabilität der parachinoiden Struktur bei Entstehung des 4-Produktes.
�
O
�
CH 3
bzw.
�
O
CH 3
H NO 2
parachinoide Struktur
11. Herstellung von Nitroverbindungen:
�
O
CH 3
�
bzw.
�
O
orthochinoide Struktur
CH 3
NO 2
Das aktive Agens der Nitrierung ist das NO2 �
Ion (Nitronium-Ion). In Salpetersäure wird
dieses Ion nur in ganz geringer Menge durch Eigenprotonierung gebildet:
HO NO 2 + HNO 3 H 2O NO 2
�
�
NO2 - H 2O
�
+ NO3 Die Konzentration reicht aber aus, um reaktive aromatische Verbindungen wie z.B.
Phenol oder Anisol zu nitrieren:
H
118

CH 3
O
�
CH 3
O
�
�
+ NO2 �
CH 3
O
- H �
OCH 3
H NO 2 NO 2
Zur Nitrierung unsubstituierter aromatischer Kohlenwasserstoffe oder gar von
solchen, die elektronenziehende Gruppen tragen, ist die Konzentration an NO2 �
in
der Salpetersäure nicht ausreichend. Um diese zu erhöhen, setzt man
Schwefelsäure zu:
HNO 3 + 2 H 2SO 4
�
NO2 + H 3O �
�
+ 2 HSO4 Die Nitrierkraft der so erhältlichen Nitriersäure kann gegebenenfalls noch durch
Zusatz von Stickoxiden (rote rauchende Salpetersäure) und Erhitzen gesteigert
werden.
Da Salpetersäure auch oxidierende Wirkung entfaltet, die zu einem Abbau des
Aromaten führen könnte, ist besonders bei der Nitrierung von Phenolen und
Aminen genaue Temperaturkontrolle nötig. Zweckmäßig ist ein vorhergehenden
Schutz durch Acylierung. Nach der Reaktion kann die Schutzgruppe wieder
entfernt werden.
Ähnliches gilt für die Nitrierung von Aromaten mit Seitenketten, die durch Oxidation zu
entsprechenden aromatischen Garbonsäuren abgebaut werden:
NO 2
CH 2 R CH 2 R
NO 2
COOH
119

In der Regel enstehen bei der Nitrierumg substituierter Aromaten
Isomerengemische, deren Trennung im Labor nicht immer einfach ist. In der
Technik werden diese Gemische durch Ausfrieren oder Destillation getrennt.
In manchen Fällen ist die Trennung im Labor durch Wasserdampfdestillation
möglich, wie z.B. von 2- und 4-Nitrophenol: Nur das 2-Isomere ist
wasserdampfflüchtig, nicht aber das 4-, und auch nicht das 3-Nitrophenol.
Maßgebend für diesen drastischen Unterschied in den physikalischen
Eigenschaften ist der sogenannte ortho-Effekt.
Befinden sich in ortho-Stellung eine OH-Gruppe und eine Gruppe mit einem
freien Elektronenpaar, so kann es über eine quasi Sechsringstruktur zur
Ausbildung einer intramolekularen Wasserstoffbrücke kommen. Da deshalb
Wasserstoffbrücken nicht zu anderen Molekülen geschlagen werden können,
ergeben sich starke Unterschiede von 2- und 3- bzw. 4-Isomeren in den
physikalischen Eigenschaften.
In manchen Fällen ist auch eine oxidative Herstellung von Nitroverbindungen aus
Aminoverbindungen durch Reaktion mit Caro-scher Säure angebracht:
NH 2
NO 2
�
H 2SO 5
N
O
O
O
H
�
NO 2
NO 2
120

11.1 Herstellung von 3-Nitroderivaten aus Verbindungen, die einen Substituenten 1.
Ordnung tragen:
Will man von Verbindungen mit Substituenten erster Ordnung 3-Nitroverbindungen
erhalten, so muß man Umwege gehen. Beispielsweise kann man durch vorgeschaltete
Nitrierung in 4-Stellung und anschließende Reduktion der NO2-Gruppe zur -NH2-
Gruppe, diese -NH2-Gruppe durch Acetylierung schützen und die
Acetylaminoverbindung in 2-Stellung nitrieren, was eine Nitrierung in 3-Stellung der
ursprünglichen Verbindung bedeutet. Zur Entfernung der Acetylaminogruppe wird der
Acetylrest abhydrolisiert, die Aminogruppe in die Diazoniumverbindung überführt und
dann reduktiv entfernt (Kap. 12.2.1).
O 2 N
CH3 CH 3 CH 3 CH 3
CH 3
NHCOCH 3
O 2N
NO 2 NH 2 NH
CH 3
NH 2
O 2N
CH 3
�
N2 Cl �
O 2N
C CH3 C
O
CH3 O
Die Herstellung von 2- und 4-Nitroderivaten von Verbindungen mit Substituenten
zweiter Ordnung gelingt wieder nur auf Umwegen. Beispielsweise ist 2- und 4-
Nitrobenzoesäure durch Oxidation des leicht erhältlichen 2- und 4-Nitrotoluols
herstellbar:
CH 3
121

CH 3
NO 2
COOH
NO 2
In manchen Fällen gelingt die Einführung von Nitrogruppen durch Austausch gegen die
Sulfonsäuregruppe:
OH OH
SO 3H
SO 3H
11.2 Nachweis von aromatischen Nitroverbindungen:
O 2N NO 2
NO 2
Pikrinsäure
Die Nitroverbindung wird mit Zinkstaub in saurer Lösung zum entsprechenden
aromatischen Amin reduziert. Durch Behandeln mit NaNO2-Lösung in schwach saurem
Medium erhält man das Diazoniumsalz, das mit β-Naphthol in schwach alkalischer
Lösung zu einem roten Farbstoff gekuppelt werden kann (Kap. 12.2.2).
Zur Charakterisierung dienen die Säureamide der Benzoesäure der Benzol-
sulfonsäure oder der 4-Toluolsulfonsäure.
12. Herstellung aromatischer Amine
Aromatische Amine erhält man in hervorragenden Ausbeuten durch Reduktion von
Nitroverbindungen.
Die gebräuchlichsten Reduktionsmittel sind:
122

a) Zinn in salzsaurer Lösung
NO 2
Sn/HCl
b) bessere Ausbeuten liefert SnCl2 in konzentrierter Salzsäure:
� + Sn 2�
Ph N O
Ph N
Gesamt:
Ph NO 2
O �
OH
H
- Sn 4�
NH 2
+ 2 H �
- H2O Ph N O + Sn 2�
+ 2 H �
- Sn 4�
+ Sn 2�
+ 2 H �
- Sn 4�
+ 3 Sn 2�
- 3 Sn 4�
- H 2O
+ 6 H �
- 2 H 2O
Ph NH 2
Ph NH 2
c) Reduziert man mit Zink in Eisessig/Essigsäureanhydrid, so erhält man direkt das
acetylierte Amin:
NO 2
3 Zn
Ac 2O / HOAc
NH
O
C
CH 3
d) In der Technik wird das billigere Eisen in Wasser als Reduktionsmittel verwendet.
Salzsäure und Essigsäure dienen als Katalysator (Bechamp-Verfahren):
4
+ 9 Fe + 4 H2O / HCl
Ph NO2 4 Ph NH2 - 3 Fe3O4 Das entstehende Eisenoxid wird als Farbpigment ebenfalls verwendet.
123

e) Die Nitrogruppe kann auch durch katalytische Hydrierung in die Aminogruppe
überführt werden. In der Regel verwendet man hierfür Platin-Aktivkohle (10 % Pt)
oder Raney-Nickel in neutraler, meist alkoholischer Lösung.
Zur Herstellung von Raney-Nickel wird aus einer Aluminium-Nickel-Legierung durch
Lauge das Aluminium herausgelöst und so Nickel mit einer sehr großen Oberfläche
erhalten. VORSICHT: Raney-Nickel ist in trockenem Zustand pyrophor, also
selbstentzündlich. Es muss nach dem Abfiltrieren durch gezieltes Abbrennen
vernichtet werden (Einziger Einsatz des Bunsenbrenners im OC-Grundpraktikum).
Der Vorteil der katalytischen Hydrierung gegenüber den vorher erwähnten
Methoden für die Synthese liegt unter anderem darin, dass bei der Reduktion von
Nitroverbindungen, die zusätzlich eine Acetylaminogruppe tragen, die
Schutzgruppe nicht, wie bei der Reduktion in saurem Medium, abhydrolysiert
wird:
NHCOCH 3
NO 2
Pt / H2 EtOH
NHCOCH 3
NH 2
Bei der Reduktion mit Raney-Nickel kann die Anwendung von H2 dadurch
umgangen werden, dass man Hydrazin als wasserstofflieferndes Reagens
einsetzt.
VORSICHT: Hydrazin ist jedoch ein Plasmagift und ruft Krämpfe und
Herzschäden hervor. Auf der Haut wirkt es stark ätzend. - Verätzte Hautstellen
werden mit verdünnter Essigsäure gewaschen.
f) Die selektive Reduktion nur einer Nitrogruppe in Polynitroverbindungen gelingt
mit der berechneten Menge von Natrium- oder Ammoniumhydrogensulfid:
124

NO 2
NO 2
NH 4
SH
NH 2
NO 2
Solange man in saurer Lösung arbeitet, verläuft die Reduktion glatt. In neutraler
oder alkalischer Lösung kann die Reaktion auf Zwischenstufen stehen bleiben,
so dass man je nach Reaktionsbedingungen.auch Nitrosoverbindungen,
aromatische Hydroxyl-amine, Azoxyverbindungen, Azoverbindungen und
Hydrazoverbindungen erhalten kann:
Nitrosobenzol
Phenylhydroxylamin
Anilin
Ph NO 2
Ph N O
Ph NH OH
H �
Ph NH 2
OH �
OH �
O
�
Ph N N Ph
�
Azoxybenzol
Ph
Ph
N N Ph
Azobenzol
NH NH Ph
Hydrazobenzol
Die Nitrogruppe ist im Vergleich zu anderen reduzierbaren Stoffen besonders
leicht angreifbar, so dass es in vielen Fällen entsprechender Umwege oder
Vorkehrungen bedarf, um in ihrer Gegenwart andere Gruppen zu reduzieren.
Ein spezielles Verfahren zur Herstellung von β-Naphthylamin und analogen
Verbindungen - vor allem in der Technik - ist die Bucherer-Reaktion: Setzt man
β-Naphthol in ammomiakalischer Lösung mit Ammoniumhydrogensulfit bei 150°C
(Druckgefäß) um, so erhält man β-Naphthylamin:
125

OH OH
NH4HSO3 NH
H SO 3 NH 4
H SO 3NH 4 H SO 3NH 4
NH 2
H SO 3NH 4
- NH4HSO3 O + NH 3
- H 2O
VORSICHT: β-Naphthylamin ist ein starkes Cancerogen, beim Umgang mit dieser
Verbindung ist daher höchste Vorsicht geboten. Auch andere Amine haben häufig
cancerogene Eigenschaften, daher immer mit Gummihandschuhen und im Abzug
arbeiten!!!
Gemischt aromatisch-aliphatische sekundäre Amine sind zugänglich durch
Acylierung des betreffenden primären aromatischen Amins und nachfolgende
Reduktion durch ein komplexes Metallhydrid:
NH 2
NHCOCH 3
LiAlH 4
NH
NH 2
C 2H 5
Aus Carbonsäuren sind primäre Amine durch Abbaureaktionen erhältlich (z.B.
Hofmann-Abbau, siehe dazu Kapitel 9.1).
12.1 Bildung von Diazoniumsalzen
Primäre aromatische Amine reagieren im Gegensatz zu primären aliphatischen Aminen
(die unter N2-Abspaltung in die entsprechenden Alkohole übergehen, Kap. 9.4.1) mit
salpetriger Säure in mineralsaurem (meist salzsaurem) Medium zu Diazoniumsalzen:
126

Die Mineralsäure setzt aus salpetriger Säure bzw. Natriumnitrit das Nitrosonium-
Ion frei, das die Aminogruppe zunächst nitrosiert.
NH 2 + N O �
NH N
� - H2O OH2 + H 2O
- H 3O �
�
N
NH N O
N
+ 2 H 3O �
- 2 H 2O
Das im weiteren Verlauf der Reaktion entstehende Diazoniumion wird durch den
Benzolring zusätzlich stabilisiert (Beteiligung an der Mesomerie) und ist daher im
Gegensatz zu den aliphatischen Diazoniumionen in Lösung bei tiefen Temperaturen
beständig.
12.2 Reaktionen der Diazoniumsalze
Die Bedeutung der aromatischen Amine in der synthetischen Chemie beruht unter
anderem auf der Überführbarkeit in Diazoniumsalze, die zu einer Anzahl weiterer
Reaktionen befähigt sind (man informiere sich darüber im Lehrbuch).
In diesem Rahmen soll nur auf zwei wichtige Reaktionstypen eingegangen werden, die
Desaminierung und die sogenannte Kupplungsreaktion. Die Sandmeyer Reaktion und
ähnliche Umsetzungen, die ebenfalls von Diazoniumsalzen ausgehen, werden im Kap.
13 behandelt.
12.2.1 Desaminierung
Diese Reaktion dient zur Entfernung der NH2-Gruppe aus einem Aromaten im Verlauf
einer Synthese.
Bei Behandlung des aus dem Amin hergestellten Diazoniumsalzes mit
Reduktionsmitteln wie unterphosphoriger bzw. phosphoriger Säure, alkalischer
Natriumstannitlösung oder Ameisensäure wird unter Abspaltung von Stickstoff
127

der entsprechende Kohlenwasserstoff gewonnen, d.h. die ursprüngliche
Aminogruppe entfernt:
NH 2
CH 3
Cl
NaNO 2
(HCl)
12.2.2 Kupplungsreaktionen
�
N N
CH 3
Cl �
Cl
+ H 3PO 4 + H 2O
- H 3PO 3 - N 2 - HCl
Das Diazoniumkation ist ebenso wie andere positiv geladene Reagenzien
befähigt, aromatische Systeme elektrophil anzugreifen. Diese Reaktion nennt
man Azokupplung.
Das Diazoniumkation ist, verglichen mit anderen Ionen (z.B. NO �
), nur ein schwaches
elektrophiles Reagens und kann demzufolge nur mit reaktionsfähigen aromatischen
Verbindungen reagieren (Phenolen, Aminen, aber nicht mehr mit Anisol).
Durch elektronenziehende Gruppen wird die positive Ladung des
Diazoniumkations verstärkt und seine Reaktivität erhöht.
In saurer und auch in schwach alkalischer Lösung sind Diazoniumsalze
beständig und liegen in dissoziierter Form vor. Im stark alkalischen Milieu bilden
sich dagegen Diazotat-Anionen.
� + OH�
�
N N Cl
- Cl �
N N O �
N
OH
CH 3
+ OH �
- H 2O
Es gibt daher für jede Kupplungsreaktion einen optimalen pH-Wert. Bei der
Reaktion mit Phenolen arbeitet man im schwach alkalischem Medium, weil das
N
Cl
128

Phenolatanion eine größere Elektronendichte als das Phenol selbst aufweist und
daher elektrophil leichter angreifbar ist.
Obwohl der Angriff am Sauerstoff und am Kohlenstoff erfolgen könnte, erhält
man bei Phenolen nur das kohlenstoffsubstituierte Produkt. Entscheidend dafür
ist die Bindungsstärke der neugebildeten Bindung und nicht die
Elektronendichte.
+ OH �
- H 2O
�
O �
N N
O �
+ N N
O
N
N
Amine reagieren langsamer als Phenole. Um eine hohe Diazoniumkation-
Konzentration zu erzielen, arbeitet man in saurem Medium. Ist die Lösung jedoch
zu sauer, so wird andererseits das Amin in das wesentlich reaktionsträgere
Kation umgewandelt:
NH 2
+ H 3O �
- H 2 O
O �
�
NH3 Es muß also in schwach saurem Bereich gearbeitet werden. Der optimale pH-
Wert liegt etwa beim pKA-Wert des eingesetzten Amins.
H
129

Anders als Phenole kuppeln primäre und sekundäre Amine, nicht tertiäre Amine,
am Stickstoff der Amingruppe und nicht am Kohlenstoff. Daher werden
Diazoamino-verbindungen gebildet:
- H �
�
H
N N + N
N N
H
N
N
NH
Beim Erwärmen in saurer Lösung lagern die Diazoaminoverbindungen jedoch in
die Aminoazoverbindungen um:
N N NH
�
N N +
+ H �
NH 2
N N
NH2 H
N
H
H
N N N
Ein Beispiel für die Kupplungsreaktion ist die Bildung von Methylorange durch
Kupplung von p-Sulfonyldiazoniumchlorid mit N,N-Dimethylanilin in schwach
saurem Medium.
- H �
H
�
�
130

HO 3S
HO 3S
�
N N Cl +
�
N
N
Methylorange
N
N
CH 3
CH 3
CH 3
CH 3
- HCl
In saurer Lösung liegt Methylorange in Form eines rotgefärbten chinoiden Salzes vor.
In basischer Lösung bildet sich das gelbgefärbte Natriumsalz der Azoform. Deshalb
findet Methylorange als Indikator Anwendung.
Na �
�
O3S �
�
Na O3S �
N N
N
H
CH 3
CH 3
N N
N
gelb
rot
Na �
�
O3S CH 3
CH 3
H �
OH �
N N
N
Der Nachweis primärer aromatischer Amine erfolgt durch Diazotierung und Kupplung
mit β-Naphthol (siehe Kap. 11)
13. Herstellung aromatischer Halogenverbindungen und Nitrile
Während die Anlagerung eines Halogenmoleküls an Doppelbindungen so rasch und
leicht erfolgt, dass diese Reaktion für den qualitativen Nachweis von Doppelbindungen
nutzbar ist, erfordert die Halogenierung eines aromatischen Systems meist die
Gegenwart von Katalysatoren (eine Ausnahme bildet die Reaktion von Halogen mit
H
CH 3
�
CH 3
131

Phenolen und Aminen, die durch die funktionelle Gruppe besonders stark für
elektrophile Angriffe aktiviert sind).
Als Katalysatoren dienen Lewis Säuren, wie FeCl3 oder ZnCl2. In der Regel genügt eine
kleine Menge an Fe-Pulver, um die Reaktion einzuleiten. Dieses reagiert mit Halogen
und bildet FeX3, das nun die eigentliche Reaktion in Gang setzt, die meist bereits bei
Raumtemperatur abläuft (KKK-Regel: Kälte, Katalysator, Kern).
Da Chlor ein Substituent 1. Ordnung ist und demzufolge der Eintritt von Zweit-
substituenten in 2- und 4-Stellung erfolgt, könnte man weiterhin annehmen, dass
der für die Orientierung maßgebende Mesomerieeffekt (Kap. 10.1) auch den
weiteren Angriff eines zweiten Chloratoms an das zunächst gebildete
Chlorbenzol fördert. Dies ist aber nicht der Fall, da der Chlorsubstituent
insgesamt die Elektronendichte im Kern vermindert (Kap.10.1).
Die Chlorierung von Benzol kann also auf der Stufe des monohalogenierten
Produktes abgestoppt werden. Disubstitutionsprodukte, die vor allem bei der
Halogenierung des reaktionsfähigeren Naphthalins entstehen, können durch
Destillation leicht abgetrennt werden.
13.1 Herstellung aromatischer Halogenverbindungen und Nitrile durch Sandmeyer-
Reaktion
Als Ausgangsmaterial dienen primäre aromatische Amine. Bei der Umsetzung der
durch Diazotierung (Kap. 12.1) zugänglichen Diazoniumsalze, z.B. Benzol-
diazoniumchlorid mit Kupfer(I)chlorid in salzsaurer Lösung und anschließender
Erwärmung der Lösung, bildet sich Chlorbenzol, das durch Wasserdampfdestillation
aus der Reaktionslösung isoliert werden kann.
�
CuCl
�
N N Cl
Cl + N 2
Im Einzelnen läuft die Reaktion folgendermaßen ab: Kupfer-(I)-chlorid bildet in
salzsaurer Lösung einen Komplex:
132

CuCl + Cl �
[CuCl 2] �
In zu stark saurer Lösung entsteht ein Tetrakomplex, der nicht mehr in der
gewünschten Weise reagiert; in zu stark salzsauren Lösungen verläuft die
Umsetzung daher wesentlich langsamer:
CuCl + 3 Cl �
[CuCl 4 ] 3�
Der [CuCl2] �
-Komplex reagiert mit dem Diazoniumsalz unter Abspaltung von Stickstoff
und Bildung eines Arylradikals. Kupfer gibt dabei ein Elektron ab und wird zum
Kupfer(II) oxidiert.
�
N N [CuCl2 ] + N2 �
+ � + CuCl2 Diese Reaktion ist geschwindigkeitsbestimmend für den Ablauf der Gesamtreaktion.
Der Elektronenübergang vom Kupfer-(I)-Komplex erfolgt vermutlich in einem aktivierten
Komplex über eine „Chlorid-Brücke“.
�
N N Cl Cu Cl �
In einer nachfolgenden schnelleren Reaktion überträgt das Kupfer-(II)-chlorid ein
Chlorradikal auf das Arylradikal und wird dabei wieder zum Kupfer-(I)-chlorid reduziert.
� + Cl Cu Cl
Cl + CuCl
In gleicher Weise sind Bromide und Chloride herstellbar.
133

�
N
N
- N 2
[CuBr 2] �
+ CN �
Cu �
Br
C N
Bei der Herstellung von lodiden sind Kupfersalze als Katalysatoren nicht erforderlich, da
das lodid-Ion selbst reversibel oxidierbar ist und somit seinen eigenen Katalysator
darstellt, kann Kaliumiodid für die Umsetzung eingesetzt werden.
�
N N Cl �
+ K ,
- KCl
,
+ N 2
Fluorbenzol läßt sich in analoger Weise nicht herstellen, ist aber durch die Balz-
Schiemann-Reaktion zugänglich, bei der trockenes Benzoldiazonium-
Tetrafluoroborat erhitzt wird.
�
N N [BF4] F
� Hitze
- N2 + BF 3
Der Vorteil dieser Reaktionen zur Herstellung von aromatischen
Halogenderivaten liegt vor allem darin, dass auf diese Weise auch in solchen
Positionen Halogenatome eingebaut werden können, die sonst nicht zugänglich
sind.
m-Dichlorbenzol ist durch direkte Chlorierung nicht herstellbar, da Chlor in 2- und 4-
Stellung dirigiert. Seine Herstellung gelingt aber auf folgende Weise über die
Sandmeyer-Reaktion:
134

NO �
NO 2
�
N 2
NO 2
�
N 2
Sn/HCl
CuCl
HCl
NH 2
13.2 Herstellung aromatischer Nitrile durch Sulfonsäuresalzschmelze
Cl
NH 2
Bei größeren Diazotierungsansätzen steigt die Gefahr, die Temperatur nicht mehr
kontrollieren zu können, so dass sie nur schlecht im industriellen Maßstab
durchzuführen sind. Man wendet daher zur Einführung der Cyanidgruppe anstelle des
Sandmeyerverfahrens die KCN-Schmelze von Sulfonsäuren an:
SO 3H
13.2.2 Herstellung von Sulfonsäuren
KCN
CN
+ KHSO 3
Die als Ausgangsmaterial zur Nitrilherstellung benötigten Sulfonsäuren sind durch
Sulfonierung zugänglich: Die Sulfonierung aromatischer Verbindungen erfordert je nach
der Aktivierung des Aromaten unterschiedliche Reaktionsbedingungen: Phenole lassen
sich bereits mit 70-100 % H2SO4 sulfonieren, Naphthalin erst mit Schwefelsäure, der
noch SO3 zugesetzt wird. Das angreifende Agens bei der Sulfonierung ist SO3.
Cl
135

O
+ δ+ S
δ−
O
O
�
H
O
S O
O
�
- H �
O
S O
Als Nebenprodukte bilden sich Sulfone. Sie entstehen aus den Sulfonsäuren, die
durch Protonierung ihrerseits wieder elektrophile Reagentien bilden können, die
die Ausgangsmoleküle angreifen:
O
O
S
OH
+ H �
- H2O Weitere Nebenprodukte können durch die oxidative Wirkung der Schwefelsäure
gebildet werden. Die Isolierung der entstehenden Säuren ist wegen ihrer hohen
Wasserlöslichkeit schwierig. Meist gelingt sie durch Aussalzen (Zusatz von festem
NaCl).
Um leichter isolierbare Verbindungen zu erhalten, stellt man vielfach anstelle der
Sulfonsäuren deren Sulfochloride her, die durch Umsatz der Aromaten mit
Chlorsulfonsäuren erhältlich sind:
O
O
O
S
O
S
�
O
�
136

Cl
+ O S O
OH
- HCl
SO 3 H
Cl SO 3H
- H 2SO 4
SO 2 Cl
Die Sulfonierung ist wie die Friedel-Crafts-Reaktion reversibel. Durch kinetische
Kontrolle gebildete Produkte können daher bei Temperaturerhöhung in die
thermodynamisch stabileren umgelagert werden, so dass dadurch die
Möglichkeit besteht, je nach Reaktionsbedingungen verschiedene
Substitutionsprodukte zu erhalten:
SO 3H
SO 3H
13.3 Nachweis aromatischer Halogenderivate
Die Beweglichkeit von Halogenen, die an einem Aromaten gebunden sind, ist - wie
bereits früher eingehend dargelegt - bei weitem nicht so groß wie die aliphatischer
Halogenide. Dies zeigt sich beispielsweise in der Reaktionsfähigkeit gegenüber
alkoholischer Silbernitratlösung: Während aliphatische Halogenide relativ rasch unter
Bildung von AgX reagieren, beobachtet man bei Umsatz von aromatischen
Halogeniden auch nach mehrstündigen Stehgn keine Trübung der Reaktionslösung
durch ausfallendes Silberhalogenid.
Als Nachweisreaktion ist die Beilsteinprobe geeignet sowie der Aufschluß der
aromatischen Verbindung mit Natrium und der Nachweis der Chlorionen mit
Silbernitrat.
Eine Charakterisierung ist meist durch Nitrierung über den Schmelzpunkt der
Nitroderivate oder durch Sulfonamidbildung möglich.
14. Herstellung aromatischer Ketone und Aldehyde
14.1 Die Friedel-Crafts-Acylierung
137

Acylhalogenide (Säurechloride) sind befähigt, aromatische Verbindungen in Gegenwart
von Lewis-Säuren im Zuge einer elektrophilen Substitutionsreaktion zu acylieren
(Friedel-Crafts-Acylierung).
H 3C C
O
Cl
H
�
+ AlCl3 H3C C
�
O
O
C
�
AlCl4 CH 3
- HCl
�
AlCl4 O
C
AlCl 3
CH 3
Die Reaktion wird offenbar durch Komplexbildung am Sauerstoffatom (Erhöhung
der Carbonylaktivität) eingeleitet. Das so gebildete Elektrophil greift in üblicher
Weise die aromatische Verbindung an. AlCl3 bildet auch mit dem entstehenden
Keton eine Komplexverbindung, die unter den gegebenen Reaktionsbedingungen
beständig ist. AlCl3 muß daher in einer Menge, die über einem Mol liegt,
zugesetzt werden.
Aromaten, die über elektronenziehende Substituenten verfügen, haben zu geringe
negative Ladungsdichte, um eine Friedel-Crafts-Reaktion einzugehen. Da zu
diesen Substituenten auch Ketone zählen, bleibt die Reaktion nach der erfolgten
Mono-Acylierung stehen.
Eine Umsetzung von Säurederivaten und Nitroverbindungen gelingt aus dem
gleichen Grunde nicht, es sei denn, noch zusätzlich vorhandene
elektronendrückende Gruppen (z.B. Methoxylgruppen) heben den
reaktionsbehindernden Einfluß dieser Substituenten zweiter Ordnung auf.
�
�
138

Als Lösungsmittel für die Reaktion dient Nitrobenzol, das wegen seiner Trägheit
selbst nicht reagiert und wegen seiner hohen Polarität zur Lösung des benötigten
AlCl3 gut geeignet ist. Ebenso geeignet ist 1,2-Dichlorethan (Vorsicht: Sehr giftig,
cancerogen).
Der Ausschluss von Wasser und anderen Verbindungen mit aktiven
Wasserstoffatomen (Säuren) ist erforderlich, um eine Hydrolyse der
Säurechloride zu vermeiden.
Anstelle von Säurechloriden können auch die etwas trägeren Anhydride
eingesetzt werden. In diesem Falle ist aber mindestens eine 2 molare Menge an
Katalysator erforderlich, ein Mol des Katalysators wird hierbei zur
Komplexbildung an der Ketofunktion, das zweite zur Bindung der entstehenden
Carbonsäure benötigt.
Da die Reaktion reversibel ist, kann durch längere Reaktionszeit und verschärfte
Reaktionsbedingungen (höhere Temperatur) eine zunächst im Zuge kinetischer
Reaktionskontrolle überwiegend gebildete Verbindung zum thermodynamisch
stabileren Isomeren umgelagert werden, beispielsweise α-Acetylnaphthalin in
das β-Acetylnaphthalin.
H 3C
C
O
Hitze
AlCl 3
O
C
CH 3
Phenole würden mit dem Katalysator Salze bilden. Daher setzt man in diesem
Falle die Phenolester ein und lagert diese nach Zusatz.von AlCl3 in Nitrobenzol
zum aromatischen Hydroxyketon um (Fries-Verschiebung).
139

O C CH 3
O
Hitze
AlCl 3
HO C CH 3
Bei höheren Temperaturen (150°C) bildet sich überwiegend das o-Produkt.
14.1.1 Friedel-Crafts-Reaktion mit Alkylhalogeniden
Friedel-Crafts-Reaktionen sind auch mit Alkylhalogeniden durchführbar. Die
dabei entstehenden Alkylaromaten fördern zufolge des Elektronendrucks der
Alkylgruppe weitere elektrophile Substitutionsreaktionen, so dass
Mehrfachsubstitutionsprodukte entstehen.
Abgesehen davon läßt es sich nicht vermeiden. dass unter der Einwirkung des
Katalysator die Alkylketten so rasch umgelagert werden, dass bevorzugt
Reaktionsprodukte mit Verzweigung in der Seitenkette gebildet werden:
H 3C CH 2 CH 2 Cl
AlCl 3
�
AlCl4 H 3C CH 2 CH 2 Cl CH 2 CH 2 CH 3
�
�
AlCl4 O
CH 3
H3C �
CH Cl CH
H3C CH3 Dieser Reaktion kommt daher zur Herstellung von aromatischen
Kohlenwasserstoffen mit aliphatischer Seitenkette nur in Sonderfällen Bedeutung
zu. Statt Alkylhalogeniden kann man bei dieser Reaktion auch Alkene einsetzen.
Aromatische Kohlenwasserstoffe mit unverzweigten Seitenketten stellt man
durch Acylierung nach Friedel-Crafts- und nachfolgende Clemmenson-Reduktion:
140

C 2H 5
AlCl 3
C
O
Cl
O
C
C 2H 5
Red.
CH 2
C 2H 5
Die Herstellung von Ketonen nach der Houben-Hoesch-Synthese durch Umsetzung
des Aromaten mit einem Nitril bei Anwesenheit von Aluminiumchlorid wird im Kapitel
14.2.2 gesprochen.
14.2 Herstellung aromatischer Aldehyde
14.2.1 Gattermann-Koch-Synthese
Zur Herstellung aromatischer Aldehyde könnte man in Analogie zur Herstellung von
Ketonen, Aromaten mit Formylchlorid nach Friedel-Grafts umsetzen. Formylchlorid
selbst ist aber unbeständig, es zerfällt zu HCl und CO.
Die Reaktion gelingt aber, wenn man Aromaten mit HCl und CO unter hohem
Druck mit AlCl3 zusammenbringt. Die Verwendung des Druckgefäßes läßt sich
vermeiden, wenn der Reaktion CuCl zugesetzt wird, das offensichtlich CO zu
komplexieren und damit reaktionsfähiger zu machen vermag (Gattermann-Koch-
Synthese).
CH 3
14.2.2 Gattermann-Synthese
+ CO + HCl AlCl 3, CuCl
Elektrophil:
H C O �
�
AlCl4 H
CH 3
Als Formylierungsreagens sind aber auch wasserfreie Blausäure und HCl einsetzbar:
Dabei erfolgt zunächst Addition von HCl, an die Blausäure unter Bildung des
unbeständigen Formimidchlorid, das dem Formylchlorid analog gebaut ist. Dieses
C
O
141

eagiert nun unter Komplexbildung mit dem AlCl3, das elektrophil den Aromaten angreift
(Gattermann-Synthese):
H C N + HCl H C NH
H C NH
Cl
� �
AlCl3 Cl
� �
AlCl 3
bzw. H C N AlCl3 + HCl
Das Hydrochlorid des entstehenden Aldimins zerfällt bei Säurebehandlung unter
Hydrolyse zum Aldehyd:
H 3CO
+ H C NH
H3CO H 3CO
Cl
� �
AlCl3 C
O
H
Setzt man anstelle der HCN Nitrile ein, so erhält man aromatische Ketone
(Houben-Hoesch-Synthese).
+
H �
R C N + HCl
C
O
R
AlCl 3
C
C
�
H
NH 2
�
NH 2
R
Cl
�
Cl
�
142

Das gefährliche Arbeiten mit wasserfreier Blausäure läßt sich
vermeiden, wenn man den nötigen Cyanwasserstoff aus Zn(CN)2
durch Einleiten von Chlorwasserstoffgas in Freiheit setzt
(Gattermann-Synthese).
Die Gattermann-Synthese dient vorzugsweise zur Herstellung von Aldehyden aus
Phenolethern und Phenolen. Die Größe des Reagens bedingt eine nahezu ausschließliche
Formylierung in der 4-Stellung.
14.2.3 Vilsmeyer-Synthese
Phenolether, Phenole, tertiäre aromatische Amine und besonders reaktive Aromaten
können auch mit Hilfe der Vilsmeyer-Synthese formyliert werden. Das
Formylierungsreagenz ist in diesem Falle ein formyliertes sekundäres Amin
(Dimethylformamid und N-Methyl-formanilid sind am gebräuchlichsten), dessen
Formylgruppe durch Umsatz mit Phosphoroxychlorid aktiviert wird:
H 3 C
H 3 C
N
C
O
H
H 3 C
H 3 C
N
+ POCl 3
�
C
O
H
O Cl
P
Cl �
Cl
H 3 C
H 3 C
N
�
H 3 C
H 3C
H 3C
H 3C
C
N
N
�
O
H
C
Cl
C
O Cl
P
Cl
O
H
H
�
Cl
Cl
O Cl
P
Cl
�
PO2Cl2 Das so gebildete Reagens mit positiver Partialladung am Formylkohlenstoffatom
reagiert als Elektrophil mit der aromatischen Verbindung zu einem
143

Aldehydammoniakderivat, das - wie für solche Verbindungen üblich - leicht einer
Hydrolyse unterliegt:
H 3C
H 3C
N
�
C
�
PO2Cl2 (H 3C) 2N
H
Cl
+
CH
NR 2
Cl
NR 2
H 2O
-HCl
- HN(CH 3) 2
(H 3C) 2N
H
NR 2
14.2.4 Weitere Herstellungsmethoden von Aldehyden und Ketonen
H
C
O
CH
�
NR 2
Aromatische Aldehyde und Ketone sind überdies durch Oxidation entsprechender
Alkohole zugänglich. Da Aldehyde leicht zu entsprechenden Benzoesäurederivaten
weiter oxidiert werden, sind Umwege notwendig:
Radikalische Dihalogenierung von Toluol und Derivaten, und anschließende
Hydrolyse der Reaktionsprodukte:
Cl
144

Cl Cl Cl �
CH 3
+ Cl �
+ Cl �
- HCl � Cl Cl
CH2 - Cl �
CH
Cl
Cl
+ Cl �
Cl Cl
+ Cl
- HCl
�
CH 2Cl
Die Benzylstellung ist in aromatischen Verbindungen durch den Aromaten
aktiviert. Sie ist daher bevorzugt radikalisch angreifbar. Durch Lichteinwirkung
ist Chlor spaltbar, das gebildete Chloratom reagiert mit einer benzylständigen
C-H-Bindung unter Abstraktion eines Wasserstoffatoms und eines durch
Mesomerie stabilisierten Benzylradikals, das nun seinerseits wieder mit einem
Halogemolekül unter Bildung von Benzylchlorid weiterreagieren kann. Die
Reaktion läßt sich nach Austausch von 2 Halogenatomen stoppen. Das
Benzalchlorid ist im Zuge einer nukleophilen Substitutionsreaktion in den
Aldehyd überführbar.
CH
Cl
Cl
H 2O
C O
H
Zur Überführung einer am aromatischen kernbstituierten Methylgruppe in eine
Aldehydruppe kann eine verbesserte Variante der veralteten Etard-Reaktion
(Oxidation mit CrO2Cl2 in Schwefelkohlenstoff) dienen:
Aktivierte benzylische C-H-Bindungen können oxidativ durch
Chromsäureanhydrid in Essigsäureanhydrid/Essigsäure angegriffen werden. Der
sich bildende Aldehyd wird sofort in das geminale Diacetat überführt und so vor
weiterer Oxidation bewahrt. Das Diacetat ist leicht zum Aldehyd hydrolisierbar:
CH
�
Cl
145

CH 3
Ac 2O
in HOAc
H2SO4 CrO 3
CH C O
OAc
H2O OAc
Blanc-Reaktion mit nachfolgender Sommelet-Reaktion
Aromaten reagieren mit dem reaktivsten Aldehyd, dem Formaldehyd, in Gegenwart von
Chlorwasserstoff und ZnCl2, AlCl3 oder H3PO4 unter Chlormethylierumg (Blanc-sche
Reaktion). Der protonierte Formaldehyd greift elektrophil den Aromaten an:
H C
O
H
+ H �
H C
OH
�
OH
+ H C
H
�
H H
�
CH 2 OH
+ H �
- H2O H
CH 2
�
CH2 OH
+ Cl �
Der so gebildete Benzylalkohol neigt nach Protonierung am Sauerstoffatom zur
Wasserabspaltung. Das entstehende Benzylcarbenium-Ion (SN1-Reaktion) bildet
mit vorhandenen Chloridionen das Benzylchlorid.
Das reaktionsfreudige Benzylhalogenid setzt sich mit Hexamethylentetramin zu
Benzylamin um.
- H �
CH 2
H
Cl
146

CH 2
CH 2
Cl
N
N
N
N
CH 2
N CH2 CH N CH3 NH 2 H C
+ H2O - CH3NH2 O
H
C O
H
Wahrscheinlich reagiert der ebenfalls bei der Hydrolyse von Hexamethylentetramin
entstehende Formaldehyd mit Benzylamin zu einer Schiff‘schen Base, aus der nach
Umlagerung und Hydrolyse Benzaldehyd entsteht.
Nachweisreaktionen: Siehe Nachweis aliphatischer Ketone und Aldehyde (Kap. 7).
15. Herstellung aromatischer Carbonsäuren
15.1 Bedeutung von Carbonsäuren für die Synthese
Aromatische Carbonsäuren können in Form ihrer Derivate zur Einleitung von
Aufbaureaktionen unter Bildung von C-C-Bindungen verwendet worden.
Beispielsweise läßt sich ein aromatisches Säurechlorid im Zuge einer Friedel-Crafts-
Acylierung mit einem zweiten aromatischen Rest verknüpfen:
O
C
Cl +
AlCl 3
Die Acylgruppe kann aber auch im Zuge von Kondensationsreaktionen
(Esterkondensation) zum Anbau einen aliphatischen Restes verwendet werden:
O
C
147

O
C
OR
+
H 3C C
O
OCH 3
O
C
CH 2
COOCH 3
Aromatische Carbonsäuren sind also wichtige Vor- und Zwischenstufen für
Synthesen.
15.2 Herstellung aromatischer Säuren durch Grignard-Reaktion
Ähnlich wie aliphatische Carbonsäuren können auch aromatische Carbonsäuren über
eine Grignard-Reaktion hergestellt werden (Kap. 6). Die dazu benötigten aromatischen
Halogenide sind in der Regel weniger reaktiv als aliphatische, weil das Halogenatom an
dem aromatischen Rest fester gebunden ist. Die Einleitung der Reaktion bedarf daher
vielfach der Starthilfe, die durch Zusatz einer Spur von Methyliodid oder
Tetrachlorkohlenstoff gewährt werden kann. (Peinlicher Ausschluß von Wasser und
Alkoholen ist selbstverständlich).
In der Regel werden die Bromide den Chloriden vorgezogen, weil sie leichter erhältlich
sind und außerdem höhere Reaktivität besitzen. Wenn ihre Reaktivität nicht ausreicht,
muß man auf die schwerer zugänglichen lodide zurückgreifen.
15.3 Herstellung aromatischer Säuren durch Verseifung von Nitrilen
Nur in Sonderfällen spielt die Verseifung der Nitrile als Herstellungsverfahren
aromatischer Säuren eine Rolle, denn es muß dabei berücksichtigt werden, dass die
Nitrile selbst meist nur in mäßigen Ausbeuten über die Sandmeyer-Reaktion oder die
Sulfonsäuren zugänglich sind.
O
C N C
H2O OH
15.4 Herstellung durch oxidativen Abbau von Seitenketten
148

Das wohl wichtigste Verfahren zur Herstellung aromatischer aber auch von
heterocyclischen Carbonsäuren - ist der oxidative Abbau von Seitenketten:
Die Benzylstellung ist wegen ihrer hohen Aktivität leicht oxidativ angreifbar, nicht aber
der aromatische Kern. So können Alkylbenzole in guten Ausbeuten mit Permanganat
zu entsprechenden Benzoesäurederivaten abgebaut werden:
CH 2 CH 2 CH 3
KMnO 4
O
C
OH
+ H 3C C
Das Naphthalinsystem ist ebenfalls oxidativ unter Abbau eines Ringes angreifbar:
O 2
V 2 O 5
COOH
COOH
Diese Methode ist ein geeignetes Verfahren zur Herstellung substituierter
Phthalsäuren, mit elektronenziehenden Substituenten, denn der oxidative Angriff
erfolgt bevorzugt im unsubstituierten Ring:
O 2N
Ox.
O 2N
COOH
COOH
Will oder muß man schonender oxidieren, z.B. bei Anwesenheit
elektronendrückender Substituenten, so ist in den Fällen, in denen eine COCH3-
Seitenkette vorhanden ist, der Abbau über die Haloform-Reaktion mit Vorteil
anwendbar. Hierbei wird zunächst die Methylgruppe halogeniert, der hohe
Elektronenzug der Trihalogenmethylgruppe bewirkt die durch Alkali katalysierte
Bindungsspaltung:
O
OH
149

O
Ar C CH 3
2 Br 2 + 2 OH �
OH �
- H 2O
O
Ar C
- 2 H 2O - 2 Br � Ar C
- �
,&%U� Ar C
O
O
OH
�
C
CH 2
Br
Br
Br
+ �
,&%U� Br Br
- Br �
OH �
O
Ar C
O �
CH 2
Br
Ar C C Br
Ar C
OH
Br
Br
O + HCBr3
O �
Beispielsweise gelingt auf diesem Wege die Herstellung von β-Naphthoesäure:
O
C
CH 3
COOH
Diese Reaktion ist nicht nur auf aromatische Methylketone
beschränkt, sondern auf alle Verbindungen, die die CH3-CO- Gruppe
enthalten, anwendbar.
Entsprechende Alkohole werden durch das in der Lösung vorhandene Hypohalogenit
zunächst zum Keton aufoxidiert, das dann die Haloformspaltung eingeht.
15.5 Nachweis und Charakterisierung
150

Aromatische Carbonsäuren werden wie aliphatische Carbonsäuren am besten durch
Überführung in ein Säureamid oder -anilid charakterisiert.
Das Äquivalentgewicht kann durch Titration ermittelt werden.
16. Herstellung aromatischer Phenole und Chinone
Im Gegensatz zu aliphatischen Alkoholen sind aromatische Alkohole (Phenole) aus
entsprechenden Halogeniden nur unter sehr verschärften Bedingungen durch Umsatz
mit Alkali erhältlich. Dies beruht darauf, dass aromatisch gebundenes Halogen dem
Angriff eines Nucleophils erheblichen Widerstand entgegensetzt:
Cl
hohe
Elektronendichte
�
Cl
�
partielle
Doppelbindung
Elektronenziehende Substituenten in o- und p-Stellung führen zu einer relativen
Elektronenverarmung an dem Kohlenstoffatom, an dem das Halogen gebunden
ist. Damit wird ein nucleophiler Angriff erleichtert. Wenn zwei derartige Gruppen
vorhanden sind, erfolgt bereits relativ bereitwillig ein Austausch gegen ein
anderes Nucleophil, z.B. OH; drei Nitrogruppen machen das aromatisch
gebundene Halogen bereits so beweglich, dass es nahezu ähnlich leicht
austauschbar ist wie in einem Säurechlorid:
151

�
O �
N
Cl
�
N
�
O
�
O �
N
Cl
O
O O
�
O
O 2N
N
Cl
O
OH
NO 2
�
N
O
O
�
�
- Cl �
�
O
O 2N
N
O
�
N
OH
NO 2
O
O
�
�
NO 2
+ OH �
Bei der Herstellung von Phenol aus Chlorbenzol im sogenannten Raschig-
Verfahren erfolgt kein nucleophiler Austausch, sondern die Reaktion läuft über
die Zwischenstufe der Arine: Hierbei wird durch das Alkali aus dem Benzol unter
Ausbildung von Dehydrobenzol HCl eliminiert. Das so gebildete Arin reagiert
sofort weiter unter Wasseranlagerung:
H
Cl
*
- HCl
*
+ H 2O
+ H 2O
HO
OH
*
*
152

Der-Reaktionsverlauf ließ sich durch Markierung des Kohlenstoffatoms
nachweisen, der ursprünglich das Halogenatom trug: Im gebildeten Phenol
verteilte sich die Markierung sowohl auf das C-Atom, das die OH-Gruppe trägt als
auch auf, die benachbarten C-Atome (Nachweis durch Abbaureaktionen).
Das Verfahren ist zwar zur Herstellung von Phenol in industriellem Maßstab
anwendbar, nicht aber zur Synthese von Phenolen im Labor:
Hier benutzt man in der Regel zur Herstellung komplexer Phenole den Weg über die
Nitro-Verbindungen, die zu den Aminen reduziert werden und dann nach Diazotierung
zum Phenol verkocht werden: Das Diazoniumsalz ist in der Hitze unbeständig und
zerfällt beim Erwärmen zu einem Carbenium-Ion, das sofort mit vorhandenem Wasser
oder anderen Nucleophilen in Reaktion tritt. Erhitzt man daher das Diazoniumsalz in
wäßriger Lösung, erhält man im wesentlichen nur das Phenol:
� Hitze
N N
- N2 �
H 2O
- H �
Ein weiterer, teilweise im Labor, hauptsächlich aber industriell angewandtes
Verfahren zur Herstellung von Phenolen besteht in der KOH-Schmelze der
Sulfonsäuren:
SO 3H
KOH
Hock'sche Phenolsynthese:
Cumolhydroperoxid zerfällt beim Behandeln mit verdünnten Mineralsäuren zu Aceton
und Phenol:
OH
OH
153

H 3C
C
CH 3
O OH
H �
OH
+ H 3C
O
C
CH 3
In Westeuropa werden mehr als 90 % des benötigten Phenols nach diesem, erst in den
50er Jahren in der Technik eingeführten Verfahren hergestellt. Cumolhydroperoxid
entsteht bereits durch Autoxidation im Zuge einer Radikalkettenreaktion. In der
Technik erfolgt die Oxidation katalytisch an Kupfer-, Mangan- oder Kobaltsalzen.
H 3C
CH
CH 3
O O �
�
H 3C
C
CH 3
O OH
Cumolhydroperoxid wird bei der Zersetzung an der Peroxidgruppe protoniert,
spaltet Wasser ab, lagert sich unter Wanderung des Phenylrestes um und lagert
wieder Wasser an:
H 3C
CH 3
C
O
O
H3C H A C
H
- A �
- H 2O
Dieses Halbacetal zerfällt zu Aceton und Phenol.
�
O
CH 3
+ H 2O
- HA
H 3C
C
O
CH 3
OH
154

H 3C
C
O
CH 3
OH
OH
+
H 3C
O
C
CH 3
Das gleichzeitig entstehende Aceton ist ebenfalls ein willkommenes Produkt
(Lösungsmittel, Syntheseausgangsstoff).
Phenole sind äußerst oxidationsempfindlich, vor allem in alkalischer Lösung. Die
Oxidationsempfindlichkeit wird durch zusätzlich vorhandene OH- und NH2-Gruppen
noch weiter gesteigert, vor allem, wenn diese in 2- oder 4-Stellung stehen Dabei wird
z.B. aus dem 4-Dihydroxybenzol (Hydrochinon) p-Chinon gebildet, während aus dem
entsprechenden 2-Dihydroxybenzol (Brenzkatechin) das entstehende o-Chinon so
leicht weiter oxidativ abgebaut werden kann, dass es lange Zeit für nicht herstellbar
galt.
OH
OH
Ox.
O
O
Hydrochinon p-Benzochinon Brenzkatechin o-Benzochinon
Wegen ihrer hohen Oxidationsempfindlichkeit werden daher Verbindungen dieses Typs
als photographische Entwickler eingesetzt.
In mehrkernigen kondensierten Aromaten ist der aromatische Charakter der
mittleren Ringe eingeschränkt. Durch Oxidation der mittleren
Ringkohlenstoffatome unter Bildung von Chinonen behalten die äußeren Ringe
OH
OH
Ox.
O
O
155

ihren vollen aromatischen Charakter bei. Solche Systeme sind daher ebenfalls
oxidativ angreifbar:
Ox.
O
Anthracen Anthrachinon
o-chinoide Verbindungen erleiden allerdings leicht Weiteroxidation unter
Ringöffnung:
Ox.
O
O
O
COOH
COOH
Will man mit Phenolen arbeiten, so müssen daher vielfach die vorhandenen OH-
Gruppen geschützt werden. Dies gelingt durch Veretherung oder Veresterung.
Zur Veretherung verwendet man meist Diazomethan, das mit einem Phenol
wegen seines sauren Charakters unter Etherbildung reagiert:
OH
� �
+ N N
CH 2
- N 2
O CH 3
156

Schutz durch Acylierung wird durch Umsatz mit einem Säureanhydrid oder noch
besser mit einem Säurehalogenid erreicht. Derivate, die durch Acylierung
erhältlich sind, kristallisieren im allgemeinen gut und sind daher wichtige
Reagenzien zur Charakterisierung von Phenolen.
16.1 Nachweis von Phenolen
Der qualitative Phenolnachweis ist durch die Fe 3�
-chlorid-Reaktion zu führen: Eine
winzige Probe des Phenols, in einem Tropfen Alkohol gelöst, verfärbt sich nach Zusatz
von Alkali und einem Tropfen Fe 3�
, weil das Enolsystem mit dem Eisen einen
Farbkomplex bilden kann.
Praktikumsversuche 7-10: Halogenierung am Aromaten, Sandmeyer-Reaktion,
Vilsmeier-Formylierung, Friedel-Crafts-Acylierung, Haloform-Reaktion,
Herstellung eines aromatischen Amins.
17. Knüpfen von Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen
1 Einleitung
Bisher haben wir uns im wesentlichen mit dem Austausch oder der Einführung
funktioneller Gruppen in organische Moleküle beschäftigt. Die organische Synthese
beruht aber hauptsächlich auf dem Aufbau komplexer Moleküle durch Knüpfen von
Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen.
Die Grignard-Reaktion, die wir bereits kennenlernten, ist eine solche vielfach
angewandte Aufbaureaktion. Auch der Austausch eines Halogenatoms gegen eine
Nitrilgruppe ist als Aufbaureaktion zu werten, weil so ein zusätzliches Kohlenstoffatom
in die Verbindung eingeführt wird.
In diesem Kapitel sollen weitere Aufbaureaktionen besprochen werden.
18. Aufbaureaktionen, die die Kohlenstoffkette um 1 C-Atom verlängern
157

Aus Vollständigkeitsgründen wollen wir unter diesem Gesichtspunkt (Einführung eines
zusätzlichen C-Atoms in das Molekül), zunächst die bereits besprochenen Reaktionen
noch einmal kurz anführen:
a) Grignard-Reaktion mit CO2:
R X + Mg
RCOOMgX
Ether
H �
RMgX
R COOH
b) Ersatz eon Halogen gegen CN (Kolbe-Synthese):
c) Wittig-Reaktion:
R CH 2 C
R CH 2
d) Chlormethylierung:
R
CN
R X R CN
�
O
H
CH CH 2
O
+ H 2C P(C 6H 5) 3
P(C 6H 5) 3
H C
O
H
HCl / H 3PO 4
e) Formylierung von aromatischen Verbindungen:
e1) Vilsmeyer-Synthese:
CO 2
R CH 2 CH CH 2
R
CH 2Cl
158

N
CH 3
CH 3
H 3C
H 3C
POCl 3
e2) Gattermann- und Gattermann/Koch-Synthese:
N
C
CO / HCl
bzw.
HO
HCN / HCl
HO
Folgende Methoden der Kettenverlängerung um ein C-Atom wurden noch nicht
diskutiert:
Bei der Arndt-Eistert Reaktion wird ein Saurechlorid mit Diazomethan zu einem
Diazoketon umgesetzt, wobei das nucleophile Kohlenstoffatom des Diazomethans am
Carbonylkohlenstoffatom der Säure angreift. Im Reaktionsprodukt drängt das negativ
geladene Sauerstoffatom das Halogenatom aus dem Molekülverband. In der Folge
kommt es zur Abspaltung eines Protons und damit zur Ausbildung des Diazoketons.
Dieses zerfällt in Gegenwart von Silber unter Stickstoffabspaltung. In dem nicht
fafbaren Reaktionsprodukt ist am Kohlenstoff ein Elektronensextett. Solche
Zwischenprodukte mit "Carben"-Struktur neigen zu einer Wolff-Umlagerung, bei der der
Alkylrest an das Kohlenstoffatom wandert, wobei sich ein Keten ausbildet; dieses
reagiert sofort mit Lösungsmittel (H20 oder Alkohol) zu einer Saure bzw. einem Ester:
O
H
O
C
H
C
N
O
H
CH 3
CH 3
159

R C
O
Cl
+ H 2C
O
H
N N � �
�
R C CH N N
R C
Cl �
O
CH
ein Carben
R CH C O
ein Keten
- HCl
- N 2
R C
O
R C
O
O
Cl
�
CH 2
CH N N � �
�
R C CH N N
�
+ H 2O
�
N N
R CH 2 COOH
In ähnlicher Weise lassen sich auch Methylgruppen in Aldehyde oder Ketone
einschieben:
R C
O
H
+ H2C N N � �
O
�
�
R C N N
H
CH 2
In dem primären Reaktionsprodukt ist im Gegensatz zu dem Produkt, das aus
Säurechlorid und Diazomethan entsteht, keine gut eliminierbare Gruppe (H �
kann im
Gegensatz zu Cl �
nicht abgespalten werden) vorhanden. Eine Stabilisierung ist daher
nicht möglich, deshalb erfolgt Stickstoffabspaltung. Das entstandene Produkt lagert
sich unter Wanderung des Restes R um:
160

�
R
O
CH
�
N N
- N2 R CH2 C
CH 2
Es entsteht so ein um ein C-Atom längerer Aldehyd.
Bedeutung hat diese Reaktion vor allem zur Ringerweiterung gewonnen, da
hierbei einheitliche Produkte entstehen, während bei Ketonen mit verschieden
langen Alkylresten schwer trennbare Gemische erhalten werden, so dass die
Reaktion für synthetische Zwecke nur beschränkt brauchbar ist.
O
Cyclohexanon
Cyanhydrin-Synthese:
+ H2C N N � �
Aldehyde reagieren mit Cyanid-Ionen unter Addition:
R C
O
H
O
�
CH 2
O
H
- N 2
O
Cycloheptanon
O
+ HCN R C C N
H
H
Cyanhydrin
�
N N
161

Blausäure ist nur wenig dissoziiert und es müssen daher zur Freisetzung der
Cyanidionen basische Katalysatoren zugesetzt werden (Alkalicyanide,
Alkalicarbonate usw.). Üblicherweise verwendet man daher Cyanidsalze, aus
denen man durch Zutropfen von Säure die Cyanidionen freisetzt und gerade den
zur Reaktion optimalen pH-Wert einstellt (durch Protonenzusatz wird die
Carbonylaktivität erhöht, Anlagerung von H �
an das Carbonylsauerstoffatom).
Die Reaktion ist reversibel. Insbesondere sind Cyanhydrine empfindlich gegen
Basen und thermische Beanspruchung. Sie werden daher nur als
Zwischenprodukt verwendet, aus denen man durch saure Verseifung α-Hydroxy-
Carbonsäuren herstellt.
O
H
R C C N
H
Cyanhydrin
H 2O (H �
OH
R CH
COOH
Vorsicht!!! Unter gut ziehendem Abzug arbeiten, Handschuhe tragen,
Entsorgung sichern (Cyanid-Abfallflasche, pH basisch).
Umsatz von Formaldehyd mit Acetyliden (Ethinylierung):
Acetylide reagieren mit Formaldehyd unter Bildung von Derivaten des
Propargylalkohols:
R C C �
Na �
Na-Acetylenid
+ H C
O
H
R C C Na �
CH2 O �
Das Acetylenid wird durch Eintragen der Acetylenverbindung in ein Gefäß, in dem
man flüssigen Ammoniak mit metallischem Natrium versetzt hat (Bildung von
162

Natriumamid) erhalten. Dabei entzieht das Natriumamid der Acetylverbindung
unter Ammoniak-bildung ein Proton. Das Anion kann nun mit zugesetztem
Formaldehyd zur Reaktion gebracht werden.
Diese Reaktion hat vorzugsweise Bedeutung für Synthesen im technischen
Maßstab. Beispielsweise kann man auf diese Weise durch Umsatz von Acetylen
mit 2 Mol Formaldehyd und nachfolgende Hydrierung 1,4-Butandiol gewinnen:
Na + NH 3
NaNH 2 + ½ H 2
HC CH + 2 NaNH 2 Na �
Na �
�
O
HO
CH 2
CH 2
CH 2
� �
C C
Na �
+ 2 H 2C=O
+ 2 NH 3
C C Na �
CH2 O �
+ H 2O
C C CH 2
OH
HO CH 2 OH
CH 2
+ 2 H 2
CH 2
Daraus ist durch Wasserabspaltung Butadien herstellbar. Allerdings ist dieses
Verfahren heute zur Butadien-Herstellung nicht mehr konkurrenzfähig.
Aminomethylierung (Mannich-Reaktion):
Als Mannich-Reaktion bezeichnet man die Umsetzung von Formaldehyd und einem
sekundären Amin mit einer C-H-aciden Verbindung (z.B. Keton), dabei wird die C-Hacide
Verbindung aminomethyliert.
163

Sekundäre Amine setzen sich mit Formaldehyd folgendermaßen um:
R
R
�
NH 2
Cl
�
+
H
C
O
H
R
�
R
�
Cl
NH
OH
C
H
H
- H 2O
R
R
�
N CH 2
Das entstehende Kation, das ein N-analoges Formaldehydderivat darstellt, besitzt
wie Formaldehyd eine starke Neigung mit nucleophilen Reagenzien in Reaktion
zu treten. Als nucleophiles Reagens kann z.B. ein in der Enolform vorliegendes
Keton (C-H-acide Verbindung) wirken:
O
C
R
R
C H
R
+ �
O C C CH2 NH
R
R
R
Cl �
HO
R
R
6DO] GHU 0DQQLFK %DVH
�
C
R
R
C H
R
R
R
�
Cl
N CH 2
Als C-H-acide Verbindungen sind Aldehyde, Ketone, aber auch aliphatische
Nitroverbindungen und Acetylen einsetzbar. Verbindungen mit besonders hoher
C-H-Acidität wie Malonester reagieren mit Formaldehyd unter Aldolkondensation,
weil in diesem Falle sich der Formaldehyd bevorzug mit dem stärker
nucleophilen Partner (Malonester) umsetzt.
Merke: Mannich-Basen kann man nur erhalten, wenn das eingesetzte Amin eine
höhere nucleophile Kraft besitzt als die C-H-acide Verbindung!
Da in zu stark saurer Lösung das freie Amin
+ �
+ �
�
Cl
�
164

R
R
�
NH 2
R
R
NH +�
aufgrund obiger Gleichgewichtsbedingungen nur in geringer Konzentration vorliegt,
aber andererseits die Aktivität der C-H-aciden Verbindung mit zunehmender H �
-
Ionenkonzentration ansteigt, gibt es für jede Mannich-Reaktion ein pH-Optimum.
Primäre Amine reagieren unter Ersatz aller am Stickstoff befindlichen
Wasserstoffatome:
Cl
�
R
O C CH2 NH
R
�
CH2 H
6DO] GHU 0DQQLFK %DVH
Bei Umsatz mit einem primären Amin:
O C CH2 NH R
R
+
CH 2
R
HO C C
+
H
C
O
H
+ H � �� ��
O C CH2 R
CH 2
O C CH2 R
CH 2
R
�
O C CH2 NH R
R
CH 2
+ H � + Cl �
O C CH2 CH2 N CH2 R
R
CH 2
R
N CH 2 C
CH 2
CH 2
R
NH C O
R
�
OH
�
165

Hat eine Methylenkomponente mehr als eine reaktionsfähige Methyl- oder
Methylengruppe, so erhält man oft Bis-Mannich-Basen, weil doppelter Umsatz möglich
ist:
O
H3C CH3 HNR2 ,H2C O
CH2 C CH2 - H2O H 3 C
CH
O
C
CH
CH 3
R2N CH2 CH NR 2 2
In diesen Fällen muß man zur Vermeidung des doppelten Umsatzes mit einem
großen Überschuß an C-H-acider Verbindung arbeiten.
Auch Phenole und manche Heterocyclen (Indol, Thiophen), die mit hoher Neigung
im Zuge elektrophiler Substitution angegriffen werden, bilden Mannichprodukte:
N
H
+ HNMe 2 + HCHO
- H 2O
N H
CH 2
NMe 2
Mannich-Basen von Carbonylverbindungen gehen bereits beim Erhitzen unter
Eliminierung in entsprechende α,β−ungesättigte Verbindungen über.
Glycidestersynthese zur Herstellung von Aldehyden:
In α-halogenierten Fettsäureestern sind die anständigen Wasserstoffatome durch den
induktiven Effekt des Halogenatoms und den Elektronenzug der Carbonylgruppe
besonders aktiviert. Solche Verbindungen können sich mit Aldehyden oder Ketonen
nach dem Prinzip einer Aldolkondensation umsetzen:
166

H CH COOR + O R
Cl
O
R
C CH COOR
R
2,3-Epoxyester
(Glycidester)
�
- Cl �
R
R
R
�
O
C
R
�
CH
Cl
C O
CH
Cl
COOR
COOR
+ ROH
Die so gebildeten Epoxide decarboxylieren bei der Verseifung unter Bildung eines
Aldehyds.
R
R
O
C
H
CH
O
C
O
19. Einführung von 2 Kohlenstoffatomen
Ethinylierung:
R
R
C
R
CH
R
In Acetylen ist der Wasserstoff etwas acide und daher mit Basen ablösbar. Das so
gebildete nucleophile Reagens kann mit einem Keton unter Ethinylierung in Reaktion
treten:
CH
C
O
O
H
H
+
O
C
O
167

Als Base wird meistens Natriumamid in flüssigem Ammoniak angewandt
(metallisches Natrium wird in flüssigen Ammoniak gegeben und dann die
Carbonylverbindung zugefügt).
Na + NH 3
Na �
�
NH2 HC CH + Na � �
C
NH 2
R OH
C
R C CH
H �
R
R
R
R
�
+ ½
C O
C
O
H 2
CH
�
C CH
+ NH 3
Natriumamid muß in mindestens molaren Mengen vorliegen, da das entstehende
Ethinylcarbinol-Anion erst nach beendeter Reaktion und Verdampfen des
Ammoniaks mit angesäuertem Wasser zersetzt wird.
Aliphatische Ketone reagieren auch schon mit Ätzkali als Katalysator, wobei man
meist in schwer flüchtigen Ethern, wie Diethylenglycoldimethylether
H3CO-CH2-CH2-O-CH2-CH2-OCH3 („diglyme“) arbeitet.
HC CH + OH C
�
R OH
C
R C CH
H2O - OH �
R
R
R
R
�
C O
C
O
CH
�
C CH
+ H 2O
168

Aldehyde lassen sich auf diese Weise nicht „ethinylieren“, weil die zur Reaktion
benötigte Base eine Aldolkondensation zweier Aldehydmoleküle so begünstigen
würde, dass die Ethinylierung praktisch nicht eintreten könnte.
Bei der Verwendung von Kupferacetylenid statt Acetylen gelingt jedoch auch eine
Umsetzung mit Aldehyden.
Die Methode hat industrielle Bedeutung, beispielsweise stellt man auf diese
HO
Weise Derivate von Steroidhormonen (Verhütungsmittel) her:
Östron
Malonesterkondensation:
O
HC CH
+ Na + NH 3
HO
17α -Ethinyl
Östradiol
OH
C CH
In Malonestern sind die Wasserstoffatome der zwischen den Carbonylgruppen
sitzenden Methylengruppen durch zwei Carbonylgruppen aktiviert und daher besonders
leicht unter Basenkatalyse (Zusatz von Alkoholat) entfernbar, weil so ein durch
Mesomerie sehr gut stabilisiertes Anion entstehen kann:
COOR
C
H
H
COOR
+ B �
- HB
C
C
�
O
OR
H
COOR
C
C
O
OR
H
COOR
�
COOR
Der so herstellbare Natriummalonester ist ein starkes nucleophiles Reagens, das
mit Alkylhalogeniden und Acylhalogeniden in üblicher Weise reagiert:
C
C
H
O
�
OR
169

COOR
C
��
H
COOR
+ R X
- X �
R C
O
X
COOR
CH R C
COOR
+ C
COOR
��
H
COOR
COOR
��
H
COOR
- X �
+
R
R C
R C
O
C
�
O
X
COOR
CH
COOR
- X �
COOR
C H
COOR
COOR
O
CH
COOR
Durch Verseifung der Estergruppen entsteht eine β-Carbonylverbindung, die
Decarboxylierung erleidet:
R
O
C
HO
CH
O
C
C
O
O
H
- CO 2
O
X
R C CH C
R
O
O
C
CH 2
Die Malonestersynthese stellt somit eine Methode dar, um eine Carbonsäure nach
LiAlH4-Reduktion ihres Esters zum entsprechenden primären Alkohol über das
primäre Alkylhalogenid um zwei Kohlenstoffatome zu verlängern:
C
OH
OH
O
OH
C
R
170

R C
HBr
H 2O
O
OH
ROH
H �
R CH 2 Br
R C
�
CH
O
COOR
COOR
- Br �
R CH 2 CH 2 C
OR
¼ LiAlH 4
R CH 2 CH
R CH 2 OH
COOR
COOR
Da die nucleophile Kraft des Malonesteranions durch Einführung einer
Alkylgruppe durch den +I-Effekt dieser Gruppe noch erhöht wird, wird bei der
Alkylierung meistens Mehrfachumsetzung beobachtet. Monoalkylmalonester
sind auf diese Weise nicht rein herstellbar.
Zur Herstellung dieser Produkte verwendet man daher häufig die
Esterkondensation mit Oxalsäurediestern.
Beispiel: Herstellung von Propylmalonester.
O
OH
171

H 7C 3 CH COOR
COOR
COOR
H
H 7C 3
H 7C 3
O
H 7C 3
O
C
RO
C
RO
C
C
C
CH
O
OR
COOR
OH �
�
C O
OR
C O
C O
�
O R
OR
C O
C O
�
H
H
�
H7C3 CH COOR
- �
25
H 7C 3
H 7C 3
H 7C 3
O
C
RO
C
CH
O
OR
C O
COOR
C
OR
C O
C O
COOR
CH
COOR
Der bei der Kondensation von Valeriansäureester mit Oxalsäurediester zunächst
entstehende β-Carbonyloxalester erleidet bereits bei geringer Wärmezufuhr
Decarbonylierung.
H
172

Acetessigestersynthese:
Eine gleichartige Kettenverlängerung gelingt, wenn man an Stelle des Malonesters
Acetessigester einsetzt und diesen dann der Säurespaltung (Hauptprodukt ist eine
Säure) mit Alkali untewirft:
R' X +
�
COOR
CH
C
CH 3
O
- X �
COOR
R' CH OH �
C
CH 3
O
R' CH 2 COOH
+
CH 3
COOH
Starkes Alkali greift am Carbonylkohlenstoffatom an, so dass in Umkehr der
Bildungsreaktion des Acetessigesters der nunmehr am Methylenkohlenstoff
substituierte Acetessigester in eine Alkylcarbonsäure und Essigsäure gespalten
wird:
H 3C C
R'
�
O
CH COOR
R'
CH COOR
OH �
H 2 O
OH �
H 3C C
OH
O
�
CH COOR
R'
R' CH 2 COOH
- CH 3COOH
Wendet man zur Verseifung Alkali oder Säure in der Kälte an, so erfolgt zuerst eine
Verseifung der Estergruppierung. Die so gebildete β-Ketosäure erleidet
Decarboxylierung unter Bildung eines Methylketons. Diese sogenannte Ketonspaltung
(Hauptprodukt ist ein Keton) ist daher ein interessanter Zugangsweg zu Methylketonen:
173

R'
COOR
CH
C
CH 3
O
H �
E]Z
OH �
(verdünnt)
Kälte
R'
O
CH
C
C
CH 3
O
O
H - CO2 R' CH
CH 3
CH
O
R' CH 2 C
Knoevenagel-Reaktion:
Verbindungen mit aktiven Methylengruppen, wie z.B. Malonester reagieren mit
Aldehyden in Gegenwart von Piperidinacetat (Piperidin katalysiert als Base die
Abspaltung eines Protons aus der Methylengruppe des Malonesters) unter Knüpfung
einer C-C-Bindung. Nach Wasserabspaltung (Chance zur Ausbildung eines
konjugierten Systems) und Decarboxylierung entsteht eine α,β-ungesättigte
Carbonsäure:
COOR
C
��
H
COOR
+ H �
- H2O +
O
R' C
R' CH
H
CH
�
R' CH
H
C
COOR
COOR
H �
-
O
�
COOR
COOR
R'
ROOC
CH
C
H �
COOR
R' CH
CH
+ H �
O
O
- CO 2
- 2 ROH
H
CH 3
H
COOR
COOR
R' CH CH COOH
174

Reformatsky-Rektion:
Eine weitere Methode zur Herstellung ungesättigter Fettsäuren ausgehend von
Aldehyden und der Kettenverlängerung um 2 C-Atome ist die Reformatsky-Reaktion.
Bromessigester reagiert mit Zink unter Bildung einer metallorganischen
Verbindung, die Aldehyde, nicht aber Ester (geringere Carbonyaktivität) ähnlich
wie eine Grignardverbindung anzugreifen vermag:
Br CH 2 COOR
OH
R' CH CH 2 COOR
Zn
H 2O
BrZn
R'
C
R' CH
CH 2
O
H
OZnBr
CH 2
COOR
COOR
Die so gebildeten β-Hydroxyester sind sehr leicht unter Bildung eines α,β-ungesättigten
Esters dehydratisierbar (treibende Kraft: Ausbildung eines mesomerie-stabilisierten
Systems).
OH
R' CH CH 2 COOR
- H 2O
R' CH CH
COOR
Werden anstelle der Aldehyde Ketone eingesetzt, so erhält man Ester, die in β-Stellung
verzweigt sind.
Die Methode ist allerdings nur zur Herstellung niedermolekularer β-Hydroxyester
geeignet, höhermolekulare Hydroxyester entstehen nur in sehr geringer Ausbeute.
Perkin-Reaktion:
175

Im Acetanhydrid sind die zur funktionellen Gruppe α-ständigen C-H-Bindungen so weit
aktiviert, dass unter schwacher Basenkatalyse (z.B. Natriumacetat) die Ablösung eines
Protons erfolgen kann. Die so erhaltene reaktive Spezies setzt sich mit aromatischen
Aldehyden zu α,β-ungesättigten Säuren um:
H 3 C
H 3 C
Ph
Ph
H
C
O
O
C
CH
O
O
C O
O
C
C
O
Aldol-Kondensation:
CH 2
��
CH 2
+ CH 3 COO �
CH 3
C O
O
CH 3
COO �
+
- AcO �
Ph
H 2 C �
H 3C
C
H
C
O
��
O
H
C
CH 2
H 3C
O
O
C O
C O
O
C O
Ph CH CH COOH
176

Acetaldehyd kann unter schwacher Basenkatalyse ein aktiviertes Proton
abspalten:
B �
+
H
CH 2
C
O
H
- HB
�
CH2 C
O
H
CH 2
Das mesomeriestabilisierte Anion vermag mit dem Carbonylkohlenstoffatom eines
zweiten Moleküls unter Bindungsspaltung zu reagieren:
CH 3
C
+ H �
- H 2O
O
H
H B
+
CH 2
C
H 3C CH CH
O
H
�
C
O
H
H 3C
O H
C
H
B �
CH 2
Das so gebildete Alkoholatanion nimmt ein Proton auf und reagiert unter
Wasserabspaltung zu einem α,β-ungesättigten Aldehyd. Bei Gegenwart stärkerer
Basen kann das Reaktionsprodukt, ein „vinyloger“ Acetaldehyd, unter
neuerlichem Umsatz mit einem Acetaldehydmolekül weiter reagieren, so dass
Kondensationsprodukte entstehen:
H3C CH CH C + CH3COO H
�
O
+
�
CH 3
CH 2
C
H
O
C
C
O
H
O
H
CH
O
CH C
H
+ CH3COOH +H �
- H 2 O
H3C CH CH CH CH C
+
CH 3
C
O
H
usw.
+H �
- H 2 O
O
H
�
177

Die Reaktion ist nicht auf Acetaldehyd beschränkt. Höhere Aldehyde bilden
Verbindungen, die am α-C-Atom verzweigt sind.
Ester-Kondensation (Claisen-Kondensation):
Wird an Stelle von Acetaldehyd Essigester mit einer starken Base behandelt, so erfolgt
ebenfalls Abstraktion eines Protons:
H CH2 C
Na
O
�
+ O C2H5 OC2H5 �
CH2 C
�
Na �
(1) (2) (3)
O
OC 2H 5
+ C 2H 5OH
Das Anion reagiert wie das aus Acetaldehyd entstandene Reaktionsprodukt mit dem
Carbonylkohlenstoffatom eines zweiten Moleküls:
C
O
OC2H5 Na
�
CH2 C
O
OC2H5 �
H3C +
Na
O
H3C C CH2 OC2H5 C
�
�
(3) (4)
O
OC 2 H 5
In diesem Zwischenprodukt ist eine relativ leicht als Anion abspaltbare OR �
-Gruppe
vorhanden, die von dem negativ geladenen Sauerstoffatom aus dem Molekülverband
herausgedrängt wird.
�
O
Na �
H3C C C
CH 2
OC 2H 5
(4)
O
OC 2H 5
O
H3C C
�
CH C
O
OC 2H 5
+
O
H3C C C
+
CH 2
�
Na O C2H5 �
Na �
O
(5)
O
H3C C C
CH 2
+ EtOH
OC 2H 5
O
�
OC 2H 5
178

Die zunächst gebildete β-Dicarbonylverbindung (5) reagiert als die schwächere Base
mit der Alkoholat-Base (H5C2O �
) unter Protonenabgabe. Dabei entsteht ein
mesomeriestabilisiertes Anion (6) des β-Ketosäureesters, d.h. es entsteht bei der
Reaktion sofort die Natriumverbindung des β-Ketosäureester, so dass ein Äquivalent
Natrium eingesetzt werden muß. Alkohol braucht nur in geringeren Mengen zum
Starten der Reaktion eingesetzt zu werden, da er im Laufe der Reaktion gebildet wird.
Die Bildung des mesomeriestabilisierten Enolatanions (6) ist bedeutend für den
gesamten Reaktionsablauf, da dadurch das Gleichgewicht nach rechts
verschoben wird. Die Gleichgewichtsreaktion zur Bildung des Anions (3) liegt
nämlich stärker auf der linken Seite.
Daher reagieren Ester der Formel R2CH-COOC2H5 nicht, obwohl ein α-ständiges
H-Atom zur Bildung des Anions (3) vorhanden ist, denn im Kondensationsprodukt
R 2CH
O
C
CR 2
C
O
OC 2H 5
ist keine Möglichkeit zur Bildung eines Enolations gegeben (Fehlen von α-ständigen H-
Atomen).
Einwirkung von Ethylenoxid auf Grignardverbindungen:
Grignardverbindungen reagieren mit Ethylenoxid unter Bildung primärer Alkohole.
C 4 H 9 Mg Br + H 2 C CH 2
H 2O
C 4H 9
CH 2
O
CH 2
OH
C 4 H 9
CH 2
CH 2
OMgBr
Die Reaktion verläuft nur mit schlechter Ausbeute. Sie hat daher wenig praktische
Bedeutung.
179

20. Kettenverlängerung um drei und mehr C-Atome:
In den voangegangenen Kapiteln wurden bereits folgende Synthesemöglicbkeiten
beschrieben:
1. Die Grignard-Reaktion, mit der aus Carbonylverbindungen und Alkyl- oder
Arylhalogeniden Verbindungen variabler C-Zahl synthetisierbar sind.
2. Die Wurtz‘sche Kohlenwasserstoffe-Synthese
3. Die Acylierung von Aromaten nach Friedel-Crafts und anschließende
Clemmensen- oder Wolff-Kishner-Reduktion zur Einführung von
Alkylketten in Aromaten.
20.1 Michael-Addition:
In α,β-ungesättigten Carbonylverbindungen bilden die π-Elektronen eine sich über das
ganze ungesättigte System erstreckende Elektronenwolke. Die Eigenschaften des
Carbonylkohlenstoffatoms werden dadurch nahezu ungeschwächt auf das β-C-Atom
übertragen:
β
R C
H
H
α
C C
R
O
�
R C
H
H
δ+
H
δ−
R C C C O
H
C C
Diese Verbindungen werden als Vinyloge (Vinyl-Homologe) der entsprechenden
Carbonylverbindung bezeichnet. Mit nucleophilen Reagenzien (Basen) reagieren
vinyloge Carbonylverbindungen unter Addition an der C=C-Doppelbindung:
R
R
O
�
180

R
R CH CH C O
B �
HB
B �
-
R
B
CH
CH
R
C O
R
B
CH
CH
R
C O
R
H
R
B
CH CH2 C O
Im Prinzip liegen in vinylogen Verbindungen zwei Reaktionszentren vor: Die C=O-
Gruppe und die vinyloge C=C-Doppelbindung. Mit wenig polarisierbaren Nucleophilen
(sogenannten „harten“ Nucleophilen) erhält man tatsächlich überwiegend einen Angriff
an die C=O-Bindung.
Mit gut polarisierbaren Nucleophilen ("weichen Nucleophilen") erfolgt der Angriff am
vinylogen C-Atom.
Insbesondere der basekatalysierte Angriff von C-H-aciden 'Verbindungen an
vinyloge Carbonylverbindungen wird als Michael-Addition im engeren Sinne
bezeichnet. Die Michael-Addition hat einen weiten Anwendungsbereich in der
organischen Synthese. Als C-H-acide Verbindungen werden Ester, Ketone, Nitrile
und Nitroverbindungen verwendet, hauptsächlich:
β-Dicarbonylverbindungen (z.B. Malonester)
Cyanessigester (N≡CH2-COOR)
Benzylcyanid (Ph-CH2-C≡N)
Gebräuchliche vinyloge Carbonylverbindungen sind
Acrylsäuremethylester (H2C=CH-COOCH3)
Methylvinylketon
H 2C
CH
O
C
CH 3
usw.
Malonester reagiert z.B. mit Acrylsäureester (vinyloge Carbonylverbindung) in der
folgenden Weise:
�
181

ROOC
ROOC
ROOC
ROOC
CH 2
CH CH 2
+ OR �
- ROH
CH
ROOC
ROOC
C
OR
CH
�
H 2C
� O + ROH
- OR �
CH
ROOC
ROOC
C
O
OR
CH CH 2
CH 2
Nach Hydrolyse des Esters kann das entstandene β-Dicarbonylderivat durch Erhitzen
(ca. 160°C) decarboxyliert werden und es bildet sich Glutarsäure:
ROOC
ROOC
CH CH 2
Hitze
- CO 2
CH 2
C
O
OR
ROOC
ROOC
CH CH 2
HOOC CH2 CH2 CH2 COOH
Glutarsäure
Beim Einsatz von alkylsubstituierten Malonestern werden α,β-alkylverzweigte
Glutarsäurederivate erhalten.
Bei der Umsetzung α,β-ungesättigter Ketone mit Malonester reagiert das entstandene
Michael-Additionsprodukt im Zuge einer Esterkondensation unter Ringschluß weiter:
Aus Mesityloxid (1) und Malonester (2) bildet sich auf diese Weise 4-
Carboxyethyl-5,5-dimethyl-cyclohexan-1,3-dion (3).
CH 2
C
O
OH
C
O
OR
182

ROOC
CH 2
ROOC
Malonester
ROOC
ROOC
H 3 C
H 3C
CH
CH 2
C
+
CH 3
H 3 C
H 3 C
C CH 2
CH 3
O
C
CH
COOR
�
CH2 C
C
O
C
CH
CH 3
O
C
Mesityloxid
O
OR
- OR �
(1)
CH 3
+ OR �
+ OR �
Esterkondensation
H 3C
H 3C
CH 2
C
O
C
CH
C
COOR
CH 2
Durch Decarboxylierung wird aus (3) Dimedon (4) (5,5-Dimethyldihydresorcin) erhalten:
H 3C
H 3C
CH 2
C
O
C
CH
COOR
CH 2
C
O
(3)
1. Verseifung
2. Hitze
- CO 2
O
C
O
(3)
C
Dimedon
Dimedon besitzt eine hohe C-H-Aktivität und reagiert mit Formaldehyd in folgender
Weise:
O
183

OH
C
Dimedon
Enol
O
O
C
H H
- H 2 O
O
O
CH 2
Diese Reaktion kann zur gravimetrischen Bestimmung von Formaldehyd
verwendet werden.
Die Kombination von Michael-Addition und Ester-oder Aldolkondensation wird häufig
bei Naturstoff-Synthesen angewandt, z.B. bei der Robinson-Synthese zum Aufbau des
Steroidgrundgerüsts:
CH 2
O CH 3
OR �
+
O
H
O
CH 3
CH 2
CH 2
O
CH 3
OH
O
OR �
- H 2O
Bei Verbindungen mit zwei konjugierten Doppelbindungen zur Carbonylgruppe
überwiegt die 1,6-Addition gegenüber der 1,4-Addition:
O
O
O
CH 2
CH 3
O
O
CH 3
O
CH 3
O
184

H 3C
H 3C
EtOOC
H H3C 3C
CH CH CH CH C
O
OCH 3
CH CH CH C
CH
CH 2
COOEt
CH CH CH C
EtOOC
CH
+
CH 2
COOEt
O
O
OCH 3
OCH 3
CH 2
COOEt
COOEt
72 %
Häufig ist die Michael-Addition auch Folgereaktion z.B. einer Knoevenagel-Reaktion:
O
COOEt
H3C CH2 C +
H
CH2 COOEt
CH 2
COOEt
COOEt
Michaeladdition
EtOOC
EtOOC
HOOC
CH
CH 2
CH
OR �
CH 2
CH 3
CH
CH 2
CH 3
CH
CH 2
H 3 C
COOEt
COOEt
CH 2
COOH
8 %
C
C
1. Verseifung
2. Hitze
- CO 2
3-Ethylpentandisäure
(β
-Ethylglutarsäure)
COOEt
COOEt
185

20.2. Stobbe-Kondensation:
Aus Bernsteinsäureestern kann durch Einwirkung von Alkoholat (z.B. Kalium-t-butylat)
ein Proton eliminiert werden. Setzt man ein Keton zu, so reagiert dieses über ein
isolierbares Paraconsäurederivat zu einem Alkylidenbernsteinsäure-Halbester:
COOEt
CH 2
CH 2
COOEt
R
R
R
O
R
O
K � �
O C(CH3) 3
COOEt
H
O
�
COOEt
�
OEt
O
COOEt
�
CH
CH 2
- OEt �
COOEt
R
R
R
H 3C
R
O
C
O
CH 3
COOEt
H
Paraconsäurederivat
C C
R
O
COOEt
CH 2
R
C
O
�
O
COOEt
C
CH 2
C
KO t Bu
COO �
K �
Dieser Halbester liefert bei der Verseifung unter Decarboxylierung die β,γ-ungesättigte
Carbonsäure im Gleichgewicht mit dem entsprechenden γ-Lacton, das mit
Katalysatoren und Wasserstoff zur gesättigten Carbonsäure reduziert wird:
OEt
186

R
R
R
R
C C
COOEt
CH 2
COO �
K �
C CH CH2COOH HBr / HOAc
H2O - CO2 - EtOH
- KBr
Kat.
20.3 Hünigsynthese (Enamin-Synthese):
H 2
R
R
R
CH
R
O
CH 2
O
CH COOH
Eine wichtige Methode zur gleichzeitigen Einführung von 5 und 6 C-Atomen ist die
Hünig-Synthese. Zunächst wird aus Cyclohexanon oder Cyclopentanon und Morpholin
das Enamin hergestellt:
O
- H 2O
[H �
@
HN
O
N
O
Morpholinocyclohexen
Dieses Enamin kann acyliert (Elektrophiler Angriff eines Säurechlorids) werden und
durch Verseifung entsteht aus dieser Verbindung ein β-Diketon, das wiederum durch
Säurespaltung in eine 6- bzw. 7-Ketosäure überführbar ist.
OH
N
O
187

-
N
+
O
Cl
H2O / [H �
@
HN
C
R
O
O
C
��
�
N
R
Cl �
Cl �
Cl �
O
C
OH �
R
O
R C
(CH 2) 5
COOH
Die endständige Ketofunktion läßt sich durch Wolff-Kishner-Reduktion entfernen, so
dass auf diese Weise - ausgehend von einem Säurechlorid - eine um 5 bzw. 6 C-
Atome längere Carbonsäure zugänglich ist.
O
R C
(CH2) 5 COOH R (CH2) 6 COOH
20.4 Umsetzung von Cyclopentanon oder Cyclohexanon mit Grignard-Verbindungen:
In Cyclohexanon und Cyclopentanon können durch Grignard-Reaktion beliebige
Alkylreste eingeführt werden. Die so gebildeten tertiären Alkohole sind durch
Chromsäure in Eisessig oxidativ zu Ketosäuren spaltbar:
O
HO R
RMgX CrO3 AcOH
O
R C
(CH 2) 4
COOH
188

In Analogie zur Hünig-Synthese erhält man in diesem Falle ausgehend von einem
Halogenalkan eine entsprechende Kettenverlängerung.
20.5 Oxidative Veknüpfung von Monoacetylenen (Glaser-Synthese):
Bei der Untersuchung der Eigenschaften von Phenylacetylen (Ph-C≡C-H) fand Glaser
(1869), dass sich diese Verbindung beim Durchleiten von Sauerstoff durch eine
alkoholisch-ammoniakalische Lösung bei Anwesenheit äquivalenter Mengen Kupfer(I)chlorid
zu Diphenyldiacetylen dimerisiert; daneben entsteht Kupfer(I)-oxid:
2 Ph C CH + CuCl
½ O 2
ammoniakalische
Lösung
Ph C C C C Ph + Cu 2O
2Ph C C Cu
Der Mechanismus dieser Reaktion wird so gedeutet, dass intemediär gebildete Radikal
(Ph-C≡C • ) unter Bildung des Endproduktes rekombiniert.
Diese Synthese wurde mehrfach modifiziert und verbessert:
2
1. Bei Verwendung von Pyridin/Methanol als Lösungsmittel genügen
katalytische Mengen Kupfer(I)-chlorid. Bei der Umsetzung von 2-Methyl-3-butin-2ol
wurde eine Ausbeute von 90 % erzielt:
H 3C
CH 3
C
OH
C CH
½ O 2
[CuCl]
Pyridin/MeOH
CH 3
H3C C C C C C C
OH
CH 3
OH
90 %
CH 3
2. Bei der Umsetzung von 1-Alkinen mit dem entsprechenden Bromderivat
(R-C≡C-Br), das aus ersterem mit Hypobromit zugänglich ist, werden ebenfalls
nur katalytische Mengen Kupfersalz benötigt:
189

NaOBr
Ph C CH Ph C C
Ph C CH
- HBr
Br
Ph C C C C Ph
Diese Reaktion wird in einer wäßrigen Ethylaminlösung durchgeführt.
20.6 Kolbe-Synthese:
Nach Kolbe (1849) sind symmetrische Kohlenwasserstoffe durch Elektrolyse der
Alkalisalze von Carbonsäuren zugänglich:
2 H 3C CH 2 COONa 2 CH 3CH 2COO �
Kathode: 2 H �
2 H 2O 2 H �
H �
Anode: 2 CH 3CH 2COO �
H 2
2+ �
2 CH 3 CH 2 C
2 CH3CH2COO � �
2 CH3CH2 �
2 CH3CH2 + 2 Na �
O
O�
+ 2 CO 2
H 3C CH 2 CH 2 CH 3
2H 3C CH 2 COONa + 2 H 2O H 3C CH 2 CH 2 CH 3
+ 2 e �
+ 2 NaOH + H 2 € + 2 CO 2 €
Das Carboxylat-Anion wird an der Anode entladen. Das zunächst entstehende
Carboxyl-Radikal bildet unter CO2-Abspaltung ein Alkylradikal, das zum
Kohlenwasserstoff dimerisiert.
Der Einsatz von Salzgemischen (RCOONa / R´COONa) führt zu schwer trennbaren
Gemischen von R-R, R-R´ und R´-R´, so dass - wie bei der Wurtz'schen Synthese - nur
die Herstellung symmetrischer Kohlenwasserstoffe sinnvoll ist.
21. Aufbau mehrkerniger aromatischer Verbindungen
190

21.1 Einleitung und Nomenklatur
Mehrkernige Kohlenwasserstoffe können jeweils über eine Einfachbindung
miteinander verknüpft sein oder aber über jeweils zwei gemeinsame
Kohlenstoffatome. Die letztere der beiden Verknüpfungsmöglichkeiten nennt
man Anellierung.
7
6
7
6
8
5
1
4
Naphthalin
8
5
9
Fluoren
2
3
1
4
2
3
7
6
8
5
Biphenyl
Inden Chrysen
6
7
p-Terphenyl
9
10
Anthracen
5
4
1
4
3
10
8 9
Phenanthren
2
3
2
1
191

Zur Benennung der über eine Einfachbindung verknüpften mehrkernigen Aromaten
werden die Präfixe Bi, Ter-, Quater-, usw. vor den Namen des Kohlenwasserstoffrestes
gestellt. Die anellierten mehrkernigen Ringe haben zumeist Trivialnamen.
Eine weitere wichtige Verbindungsgruppe stellen die Phenylmethanderivate dar, die
durch Friedel-Crafts-Alkylierung herstellbar sind.
Benzylchlorid
CH 2Cl +
2 + CH2Cl2 AlCl 3
AlCl 3
AlCl 3
CH 2
Diphenylmethan
CH 2
Diphenylmethan
3 + HCCl3CH Triphenylmethan
Vom Triphenylmethan leitet sich eine Reihe von Farbstoffen ab (Malachitgrün;
Kristallviolett).
Das Triphenylmethylradikal (Tritylradikal) war das erste hergestellte freie organische
Radikal (Gomberg, 1900):
192

C �
�
Wegen der vielfältigen Mesomeriemöglichkeiten ist dieses Radikal sehr beständig. In
der Lösung es im Gleichgewicht mit dem dimeren Produkt, das sich beim Eindampfen
der Lösung abscheidet. Das Dimere hat nicht die Struktur des 1,1,1,2,2,2-
Hexaphenylethans, sondern:
C
C C
21.2 Friedel-Crafts-Acylierung zum Aufbau annellierter Aromaten
Viele Verbindungen dieser Reihe können mit der bekannten Friedel-Crafts-Reaktion
hergestellt werden.
21.2.1 Naphthalinderivate
Durch Succinoylierung (Umsetzung mit Bernsteinsäureanhydrid) von Benzol entsteht
Naphthalin. Diese auch als Haworth-Synthese bekannte Umsetzung wird zur
Herstellung von Naphthalin selbst natürlich nicht angewandt, stellt aber eine wichtige
Methode zur Herstellung substituierter Naphthaline dar.
β-substituierte Naphthaline sind z.B. durch folgende Syntheseschritte zugänglich:
C
�
193

X
X
X
X = Halogen
Alkyl
OCH 3
O
+ O
O
AlCl 3
HO O HF oder
C Polyphosphorsäure
Pd, Hitze
X
Dehydrierung
(Aromatisierung)
X
HO
O
C
O
O
α− Tetralonderivat
Clemmensen-
Reduktion
Clemmensen-
Reduktion
Hydroaromaten lassen sich am Palladium-Kontakt in der Wärme zu Aromaten
dehydrieren.
Durch Grignard-Umsetzung des α-Tetralons oder dessen Derivate sind in 1-Stellung
substituierte Naphthaline bzw. zusätzlich in β‘-Stellung des zweiten Ringes
disubstituierte Derivate herstellbar.
X
194

O
1) Dehydratisierung
2) Aromatisierung
C 2H 5MgBr
CH 2
HO CH 2 CH 3
Nach Veresterung der im ersten Schritt entstehenden Ketosäure gelingt auch auf
dieser Stufe eine Umsetzung mit Grignard-Verbindungen. Da durch die Grignard-
Verbindung auch die Esterfunktion angegriffen werden kann, müssen exakt
äquimolare Mengen eingesetzt werden und möglichst die Grignard-Verbindung
zugetropft werden, damit diese nicht im Überschuß vorliegt. Auf diese Weise
sind ausgehend von mono-substituierten Benzolderivaten 1,6-disubstituierte
Naphthaline zugänglich.
CH 3
195

H 3C
H 3C
H 3C
O
+ O
O OR
C
O
O
C
R'
21.2.2 Phenanthrenderivate
O
R'MgX
AlCl 3
H 3C
H 3C
OH 1) HF
2) Clemmensen-
Reduktion
3) Aromatisierung
O
C
O
HO R'
OH
+ ROH
H �
O OR 1) Dehydratisierung
C 2) Hydrolyse
3) Hydrierung
Durch Succinoylierung von Naphthalin bildet sich entsprechend Phenanthren:
H 3C
R'
196

O
C
O
OH
Phenanthren
O
+ O
AlCl 3
Durch Variation der Synthese gelingt auch hier die Herstellung substituierter Derivate.
21.2.3 Anthracenderivate.
Die Umsetzung von Phthalsäureanhydrid mit Benzolderivaten liefert
Anthrachinonderivate:
O
O
HO
C
O
197

H 2SO 4
O
O
O
+
O
O
CH 3 AlCl3
CH 3
Zn/OH �
O OH
Die Anthrachinone sind durch Reduktion mit Zink und Alkali in Anthracenderivate
überführbar:
9-substituierte Anthracene werden folgendermaßen gewonnen:
Zn/OH �
O
O
O
HO R
+
COOH
- H 2O
AlCl 3
HF
C
O
O OH
O
R
C
O
CH 3
RMgX
CH 3
198

21.3 Verknüpfung zu Biphenylderivaten
Die Einwirkung von metallischem Natrium auf Arylhalogenide ergibt in einer der Wurtz-
Reaktion analogen Umsetzung nur geringe Ausbeuten an Biphenyl:
2 Cl + 2 Na
21.3.1 Ullmann-Reaktion
- 2 NaCl
Ullmann fand, dass die Ausbeuten durch Verwendung von Kupferpulver oder
Kupferbronze bei höheren Temperaturen wesentlich verbessert werden können:
[Cu]
2 H3C Cl
H3C CH3 21.3.2 Gomberg-Bachmann-Reaktion:
Hierbei gibt man zu einem Gemisch bestehend aus einer wäßrigen
Diazoniumsalzlösung und dem aromatischen Kohlenwasserstoff unter kräftigem
Rühren (Zweiphasensystem) Natronlauge.
�
Br N N
Cl �
+
NaOH
Im Gegensatz zur Ullmann-Reaktion können mit der Gomberg-Bachmann-Reaktion
auch unsymmetrische Biphenyle hergestellt werden. Die Ausbeuten sind, bedingt
durch das Arbeiten in einem zweiphasigen System, nur gering.
Die Reaktion verläuft nach einem radikalischen Mechanismus. Das Arylradikal bildet
sich aus Diazohydroxid, das mit Natronlauge aus dem Diazoniumsalz entsteht:
Br
199

�
Br N N
Cl �
NaOH
- NaBr
Br
- N 2
N N OH
Br � + OH
�
Die Reaktion des Radikals mit den aromatischen Kohlenwasserstoff erfolgt
wahrscheinlich in zwei Stufen.
� Br +
Br
�
- H �
Br
Das H-Radikal wird durch ein anderes Radikal abgefangen (HO • , Ph • ).
Bei Angriff eines ungeladenen Radikals ist eigentlich keine dirigierende Wirkung durch
Erstsubstituenten zu erwarten, dennoch wird die bevorzugte Bildung von 2- und 4-
Produkten beobachtet. Dies muß damit erklärt werden, dass eine Stabilisierung der
radikalischen Übergangsverbindung nur von 2- und 4-ständigen Substituenten (sowohl
von Substituenten 1. Ordnung als auch von Substituenten 2. Ordnung) ermöglicht wird.
Ausgehend von 2-Nitrodiphenylmethan kann auch der Fluoren-Grundkörper aufgebaut
werden:
H
200

Cu, Zn
O 2N
1) Reduktion
2) Diazotierung
Wird die Verknüpfung eines Diazoniumsalzes mit Kupfer- oder Zinkpulver vorgenommen,
so bezeichnet man diesen Reaktionsschritt auch als Gattermann-Reaktion.
21.3.3 Pschorr Synthese
Die Pschorr-Synthese stellt eine interessante Anwendung der Arylverknüpfung dar. Sie
dient zum Aufbau des Phenanthrengerüstes:
H
C O
NO 2
+
CH 2
COONa
�
N2 Cl �
NO 2
COOH
2-Nitrobenzaldehyd wird mit dem Natriumsalz der Phenylessigsäure in Gegenwart von
Essigsäureanhydrid analog der Perkin-Synthese umgesetzt. Statt der genannten
Verbindungen können auch jeweils substituierte Derivate eingesetzt werden. Bei dieser
Umsetzung entsteht hauptsächlich die α-Phenyl-2-nitrozimtsäure, aus der durch
Reduktion der Nitrogruppe und Diazotierung des so gebildeten Aminoderivates
schließlich durch Arylverknüpfung die 9-Phenanthrencarbonsäure entsteht:
201

Cu
NO 2
COOH
1) Reduktion
2) Diazotierung
COOH
Weiterhin seien folgende Verknüpfungsreaktionen genannt:
�
N2 Cl �
COOH
1. lodaryle werden in einer photochemischen Reaktion mit flüssigen aromatischen
Kohlenwasserstoffen verknüpft:
h � ν
H3C , + H3C 2. Aromatische Grignard-Verbindungen reagieren mit Kupfer(II)-halogeniden zu
Biarylverbindungen.
MgX + XMg
CuX 2
+ 2 MgX 2 + Cu
202