Universitaire scheikunde — jaar 3 · Bachelor Year 3

27Radicalen, carbenen en omleggingen

De pyrethrummargriet verdedigt zich met esters van chrysanthemumzuur, moleculen die rond een ring van drie koolstofatomen gebouwd zijn; hun synthetische verwanten behoren tot de meest gebruikte insecticiden in huis. Chemici sluiten zulke ringen in één stap door een carbeen aan een dubbele binding te adderen: een koolstofatoom met maar zes elektronen eromheen, waarvan er twee niet gedeeld zijn. Dit hoofdstuk behandelt reactieve intermediairen die de delen van jaar 1 en jaar 2 alleen terloops ontmoetten (radicalen in de synthese, carbenen en nitrenen) en de omleggingen waarbij een groep naar een elektronenarm koolstof-, stikstof- of zuurstofatoom verhuist, waaronder twee die uit hetzelfde keton de monomeren van nylon-6 en van een biologisch afbreekbare polyester maken.

Wat je al weet

Het deel van jaar 1 voerde radicalen, homolyse en halve pijlen in, carbokationen en hun omleggingen, nucleofielen en uittredende groepen; het deel van jaar 2 radicaalketens (initiatie, propagatie, terminatie, radicaalinitiatoren), peroxyzuren, lactonen, lactamen en imines. Hoofdstuk 13 behandelde de kinetiek van kettingreacties, Hoofdstuk 20 carbenen als liganden, Hoofdstuk 2 singulet- en triplettoestanden, en Hoofdstuk 12 het postulaat van Hammond.

Pyrethrummargrieten. Hun bloemen bevatten de pyrethrinen, insecticide esters van een cyclopropaancarbonzuur. Foto: Soramimi, CC BY-SA 4.0.

27.1 Radicaalkettingreacties in de synthese

De stabiliteit van een koolstofradicaal wordt gemeten met de bindingsdissociatie-enthalpie van de binding C–H die het zou vormen: hoe zwakker de binding, hoe stabieler het radicaal.

Propositie 27.1 (Bindingsdissociatie-enthalpieën)

De bindingsdissociatie-enthalpie van R–H bij $298\,\mathrm{K}$ volgt uit de vormingsenthalpieën in de gasfase: $\mathrm{BDE(R{-}H)} = \Delta_fH^\circ(\mathrm R^\bullet) + \Delta_fH^\circ(\mathrm H^\bullet) - \Delta_fH^\circ(\mathrm{RH})$ .

Bewijs. De homolyse $\mathrm{RH \to R^\bullet + H^\bullet}$ heeft volgens de wet van Hess als reactie-enthalpie de vorming van de producten min die van de beginstof; die reactie-enthalpie is per definitie de bindingsdissociatie-enthalpie. ∎

Dissociatie-enthalpieën van bindingen C–H bij 298\, K, berekend uit de vormingsenthalpieën in de gasfase van de moleculen en de radicalen: methyl, primair, secundair, tertiair en benzylisch. De binding wordt zwakker naarmate het gevormde radicaal sterker gesubstitueerd of geconjugeerd is. — Dissociatie-enthalpieën van bindingen C–H bij $298\,\mathrm{K}$ , berekend uit de vormingsenthalpieën in de gasfase van de moleculen en de radicalen: methyl, primair, secundair, tertiair en benzylisch. De binding wordt zwakker naarmate het gevormde radicaal sterker gesubstitueerd of geconjugeerd is.

Propositie 27.2 (Selectiviteit van de halogenering)

De onttrekking van een waterstofatoom door een broomatoom is veel selectiever tussen primaire, secundaire en tertiaire bindingen C–H dan de onttrekking door een chlooratoom.

Beargumenteerd. Met $\mathrm{BDE(H{-}Cl)}$ groter dan alle waarden C–H van de figuur en $\mathrm{BDE(H{-}Br)}$ kleiner is de onttrekking door chloor exotherm, die door broom endotherm. Volgens het postulaat van Hammond (Hoofdstuk 12) is de overgangstoestand van chloor vroeg, lijkt ze op de beginstoffen, en voelt ze weinig van het verschil tussen de gevormde radicalen; die van broom is laat, lijkt op de producten, en haar activeringsenergie volgt het grootste deel van het verschil in BDE, dat de boltzmannfactor omzet in grote snelheidsverhoudingen. ∎

Tributyltinhydride reduceert alkylhalogeniden via een keten: een tinradicaal neemt het halogeen op, het alkylradicaal neemt een waterstofatoom op van het volgende hydridemolecuul, en er ontstaat een nieuw tinradicaal. Dezelfde keten verwijdert een hydroxygroep zodra die omgezet is in een thiocarbonylester (de deoxygenering van Barton-McCombie), en sluit ringen. Organotinresten zijn giftig en moeilijk te verwijderen; tris(trimethylsilyl)silaan en andere silanen vervangen het tinhydride nu vaak.

De propagatiestappen van de reductie van een alkylbromide met tinhydride. Elk gereduceerd R–Br verbruikt één Bu_3SnH en geeft één Bu_3SnBr; de ketendragers zijn het tinradicaal en het alkylradicaal. — De propagatiestappen van de reductie van een alkylbromide met tinhydride. Elk gereduceerd R–Br verbruikt één $\mathrm{Bu_3SnH}$ en geeft één $\mathrm{Bu_3SnBr}$ ; de ketendragers zijn het tinradicaal en het alkylradicaal.

Waterstofbromide addeert in aanwezigheid van peroxiden via hetzelfde soort keten aan alkenen: een broomatoom addeert aan het minst gesubstitueerde uiteinde, wat het stabielere radicaal geeft, dat daarna een waterstofatoom van HBr opneemt: anti-Markovnikovadditie.

27.2 Radicaalcyclisaties

Definitie 27.3 (Exo- en endocyclisaties)

Bij een exocyclisatie komt de verbroken binding (of de aangevallen $\pi$ -binding) buiten de nieuwe ring te liggen; bij een endocyclisatie erbinnen.

Het 5-hexenylradicaal sluit zich door aanval van C1 op C5 (5-exo, groen): de nieuwe ring heeft vijf leden en het radicaal komt erbuiten te liggen, op C6. Aanval op C6 (6-endo, rood gestreept) zou het stabielere secundaire cyclohexylradicaal geven, maar is veel trager: de keten kan C1 niet op de naderingslijn naar C6 plaatsen die de π*-orbitaal vereist. — Het 5-hexenylradicaal sluit zich door aanval van C1 op C5 (5-exo, groen): de nieuwe ring heeft vijf leden en het radicaal komt erbuiten te liggen, op C6. Aanval op C6 (6-endo, rood gestreept) zou het stabielere secundaire cyclohexylradicaal geven, maar is veel trager: de keten kan C1 niet op de naderingslijn naar C6 plaatsen die de $\pi^*$ -orbitaal vereist.

Propositie 27.4 (Regels van Baldwin)

Voor ringsluitingen (experimenteel vastgesteld, met een stereo-elektronische verklaring): aan een tetraëdrisch koolstofatoom (tet) zijn 3- tot 7-exo begunstigd, 5- en 6-endo benadeeld; aan een trigonaal koolstofatoom (trig) zijn 3- tot 7-exo begunstigd, 3- tot 5-endo benadeeld, 6- en 7-endo begunstigd; aan een digonaal koolstofatoom (dig) zijn 3- en 4-exo benadeeld, 5- tot 7-exo begunstigd, 3- tot 7-endo begunstigd.

De verklaring is de aanvalshoek die elk soort binding nodig heeft: vanaf de achterkant van de binding bij een koolstofatoom tet, onder ongeveer 107° op een trigonaal $\pi$ -systeem, onder een kleinere hoek op een drievoudige binding; een korte keten kan die posities in de benadeelde gevallen niet bereiken.

Definitie 27.5 (Radicaalklok)

Een radicaalklok is een radicaal dat zich monomoleculair omlegt met een bekende snelheidsconstante, zoals het 5-hexenylradicaal dat cycliseert; zijn competitie met een bimoleculaire vanger meet de snelheidsconstante van de vanger, of omgekeerd.

Propositie 27.6 (Competitiekinetiek)

Als een radicaal ofwel cycliseert ( $k_c$ ) ofwel gevangen wordt door een hydride dat in overmaat aanwezig is bij concentratie $[\mathrm{R_3SnH}]$ ( $k_H$ ), is de productverhouding $[\text{gecycliseerd}]/[\text{direct}] = k_c/(k_H[\mathrm{R_3SnH}])$ .

Bewijs. Op elk ogenblik ontstaan de twee producten met de snelheden $k_c[\mathrm R^\bullet]$ en $k_H[\mathrm{R_3SnH}][\mathrm R^\bullet]$ . Hun verhouding hangt niet af van de radicaalconcentratie, die varieert; bij constante hydrideconcentratie vermenigvuldigt integratie over de tijd beide met dezelfde $\int[\mathrm R^\bullet]\,\dd t$ , en de verhouding van de producten is de verhouding van de snelheidsconstanten maal $1/[\mathrm{R_3SnH}]$ . ∎

De 5-hexenylklok met de modelsnelheidsconstanten k_c = 2.3 × 105\, s-1 en k_H = 2.4 × 106\, L\, mol-1\, s-1. Links: fractie methylcyclopentaan onder de producten tegen de hydrideconcentratie: de helft bij k_c/k_H 0.1\, mol/ L. Rechts: de omgekeerde verhouding is een rechte door de oorsprong, met helling k_H/k_c. — De 5-hexenylklok met de modelsnelheidsconstanten $k_c = 2.3 \times 10^{5}\,\mathrm{s}^{-1}$ en $k_H = 2.4 \times 10^{6}\,\mathrm{L}\,\mathrm{mol}^{-1}\,\mathrm{s}^{-1}$ . Links: fractie methylcyclopentaan onder de producten tegen de hydrideconcentratie: de helft bij $k_c/k_H \approx 0.1\,\mathrm{mol}/\mathrm{L}$ . Rechts: de omgekeerde verhouding is een rechte door de oorsprong, met helling $k_H/k_c$ .

Methode 27.7 (Een radicaalreductie of -cyclisatie ontwerpen)

Houd voor een eenvoudige reductie de waterstofdonor geconcentreerd (ongeveer $0.1\,\mathrm{mol}/\mathrm{L}$ of meer), zodat het radicaal gevangen wordt voordat het zich omlegt.
Houd voor een cyclisatie de donor verdund, of voeg hem langzaam toe, zodat het radicaal eerst cycliseert: kies $[\text{donor}] \ll k_c/k_H$ .
Kies een initiator waarvan de halveringstijd bij de reactietemperatuur van de orde van de reactietijd is (AIBN rond $80\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ ), en voeg hem zo nodig in porties toe.
Geef de voorkeur aan een silaan of een andere tinvrije donor, en verwijder de zuurstof, die koolstofradicalen vangt.

In het laboratorium — Langzaam toevoegen met een spuitpomp

Om een reagens gedurende een hele reactie verdund te houden, wordt zijn oplossing in een gasdichte spuit gebracht en door een septum met een spuitpomp over meerdere uren toegevoegd aan de refluxerende oplossing van het substraat onder stikstof. De concentratie van het reagens blijft dan dicht bij haar lage stationaire waarde, die bepaald wordt door de toevoegsnelheid en de snelheid waarmee het verbruikt wordt.

27.3 Carbenen

Definitie 27.8 (Singulet- en tripletcarbenen)

Een singuletcarbeen heeft zijn twee niet-bindende elektronen gepaard in één orbitaal, een $sp^2$ -hybride, met zijn orbitaal p leeg; een tripletcarbeen heeft ze ongepaard, één in elke orbitaal, met parallelle spins.

Elektronenbezetting van de twee niet-bindende orbitalen van een carbeen. Het triplet is de grondtoestand van CH2; π-donorsubstituenten (Cl, OR, NR_2) verhogen de orbitaal p en maken het singulet tot grondtoestand, zoals bij dichloorcarbeen. — Elektronenbezetting van de twee niet-bindende orbitalen van een carbeen. Het triplet is de grondtoestand van $\ce{CH2}$ ; $\pi$ -donorsubstituenten (Cl, OR, $\mathrm{NR_2}$ ) verhogen de orbitaal p en maken het singulet tot grondtoestand, zoals bij dichloorcarbeen.

Carbenen worden gemaakt door een diazoverbinding distikstof te laten verliezen (door warmte, licht of een metaalkatalysator), door $\alpha$ -eliminatie (chloroform en een sterke base geven $\ce{CCl3-}$ , dat chloride verliest tot $\ce{CCl2}$ ), of men vermijdt ze helemaal met een carbenoïde.

Definitie 27.9 (Carbenoïden)

Een carbenoïde is een aan een metaal gebonden species die een carbeengroep overdraagt zoals een vrij carbeen dat zou doen, zonder dat het vrije carbeen gevormd wordt, zoals het joodmethylzinkjodide $\ce{ICH2ZnI}$ van de reactie van Simmons-Smith.

Definitie 27.10 (Cyclopropanering)

Cyclopropanering is de vorming van een cyclopropaan door additie van een carbeen of een carbenoïde aan een dubbele binding C=C.

Propositie 27.11 (De test van Skell)

Een singuletcarbeen addeert stereospecifiek aan een alkeen cis of trans, met behoud van de relatieve configuratie; een tripletcarbeen geeft beide stereo-isomeren van het cyclopropaan.

Beargumenteerd. Het singulet vormt beide nieuwe bindingen in één geconcerteerde stap, zonder tijd voor rotatie. Het triplet vormt eerst één binding, wat een 1,3-diradicaal in de triplettoestand geeft; zijn twee ongepaarde elektronen kunnen de tweede binding pas vormen nadat een spin omklapt, wat traag is vergeleken met de rotatie om de overgebleven enkelvoudige binding C–C: de configuratie raakt door elkaar. ∎

De test van Skell: cis-but-2-een, met beide methylgroepen aan dezelfde kant, geeft met een singuletcarbeen alleen cis-1,2-dimethylcyclopropaan (beide methylgroepen op wiggen, aan hetzelfde vlak van de ring); met een tripletcarbeen verschijnt ook het isomeer trans. — De test van Skell: *cis*-but-2-een, met beide methylgroepen aan dezelfde kant, geeft met een singuletcarbeen alleen *cis*-1,2-dimethylcyclopropaan (beide methylgroepen op wiggen, aan hetzelfde vlak van de ring); met een tripletcarbeen verschijnt ook het isomeer *trans*.

Singuletcarbenen voegen zich ook in in bindingen C–H. Rodium(II)carboxylaten ontleden diazoesters tot rodiumcarbenoïden die alkenen cyclopropaneren en zich selectief in bindingen C–H invoegen, en, met chirale liganden, enantioselectief.

Definitie 27.12 (Nitrenen)

Een nitreen $\mathrm{R{-}\ddot N}$ is de stikstoftegenhanger van een carbeen, een neutraal stikstofatoom met maar zes elektronen, dat bijvoorbeeld ontstaat door verlies van distikstof uit een azide.

27.4 Omleggingen naar elektronenarm koolstof

Definitie 27.13 (1,2-Verschuiving)

Een 1,2-verschuiving is de migratie van een groep, met zijn bindend elektronenpaar, van een atoom naar het naburige elektronenarme atoom.

Bij een verschuiving van Wagner-Meerwein verhuist een alkylgroep of een hydride naar een naburig carbokation, wat een stabieler carbokation geeft: de carbokationomleggingen van het deel van jaar 1, nu met hun benoemde mechanisme. Terpeenskeletten worden in de natuur hervormd door cascades van zulke verschuivingen.

Definitie 27.14 (Pinacolomlegging)

De pinacolomlegging zet een 1,2-diol in zuur milieu om in een keton of een aldehyde: één hydroxygroep vertrekt als water, een groep op het naburige koolstofatoom verschuift naar het kation, en het gevormde kation, gestabiliseerd door het overgebleven zuurstofatoom, verliest een proton.

Definitie 27.15 (Migratiebereidheid)

De migratiebereidheid van een groep is haar relatieve neiging om bij een 1,2-verschuiving naar een elektronenarm centrum te verhuizen.

Groepen die tijdens de verschuiving goed positieve lading dragen, migreren het best: hydride, aryl en tertiair alkyl vóór secundair, primair en methyl. Pinacol, $\mathrm{(CH_3)_2C(OH){-}C(OH)(CH_3)_2}$ , geeft pinacolon, 3,3-dimethylbutan-2-on.

Methode 27.16 (Het product van een omlegging voorspellen)

Zoek het gevormde elektronenarme atoom (kation, nitreniumion, zuurstofatoom van een geactiveerd peroxide, carbeen of nitreen) en de uittredende groep die het doet ontstaan.
Som de groepen op het naburige atoom op die kunnen verhuizen; als de geometrie vastligt (oximen), kan alleen de groep anti ten opzichte van de uittredende groep dat.
Kies anders volgens de migratiebereidheid, of volgens welke groep het stabielere kation vormt op de plaats die ze verlaat.
Verplaats de groep met behoud van haar configuratie, en vervolledig dan het mechanisme (verlies van een proton, opname van water).

27.5 Omleggingen naar elektronenarm stikstof en zuurstof

Definitie 27.17 (Beckmannomlegging)

De beckmannomlegging zet een oxim in sterk zuur om in een amide: de hydroxygroep, geactiveerd als uittredende groep, vertrekt terwijl de groep anti ten opzichte ervan van koolstof naar stikstof migreert; water addeert aan het gevormde nitriliumion, en tautomerisatie geeft het amide.

Propositie 27.18 (Anti-migratie)

Bij de beckmannomlegging migreert de groep die anti staat ten opzichte van de uittredende groep op stikstof.

Beargumenteerd. Het migrerende bindingspaar valt het stikstofatoom aan vanaf de achterkant van de binding N–O, zoals bij een verdringing $\mathrm S_\mathrm N2$ ; alleen de groep anti ten opzichte van het zuurstofatoom heeft zijn binding uitgelijnd met de $\sigma^*$ -orbitaal van N–O. De stap is geconcerteerd met het vertrek van de uittredende groep, zodat er geen vrij nitreniumion ontstaat dat anders zou kunnen kiezen. ∎

Twee ringvergrotingen van cyclohexanon. Boven: zijn oxim legt zich in oleum om tot caprolactam (azepan-2-on), het monomeer van nylon-6, waarbij stikstof in de ring komt. Onder: een peroxyzuur voegt een zuurstofatoom in naast de carbonylgroep, wat -caprolacton (oxepan-2-on) geeft. — Twee ringvergrotingen van cyclohexanon. Boven: zijn oxim legt zich in oleum om tot caprolactam (azepan-2-on), het monomeer van nylon-6, waarbij stikstof in de ring komt. Onder: een peroxyzuur voegt een zuurstofatoom in naast de carbonylgroep, wat $\varepsilon$ -caprolacton (oxepan-2-on) geeft.

Definitie 27.19 (Baeyer-villigeroxidatie)

De baeyer-villigeroxidatie zet met een peroxyzuur een keton om in een ester, of een cyclisch keton in een lacton: het peroxyzuur addeert aan de carbonylgroep, daarna migreert een groep op het carbonylkoolstofatoom naar het dichtstbijzijnde peroxidezuurstofatoom terwijl een carboxylaat vertrekt.

Propositie 27.20 (Regiochemie van Baeyer-Villiger)

Bij de baeyer-villigeroxidatie behoudt de migrerende groep haar configuratie, en de volgorde van migratiebereidheid is tertiair alkyl > secundair alkyl $\approx$ aryl > primair alkyl > methyl (experimenteel vastgesteld).

Beargumenteerd. De groep verhuist met haar bindend paar over het vlak van het koolstofatoom dat ze verlaat en komt van dezelfde kant op het zuurstofatoom terecht, zodat haar configuratie behouden blijft. In de overgangstoestand draagt de migrerende groep een positieve deellading, die alkylsubstitutie en arylconjugatie stabiliseren. ∎

Definitie 27.21 (Isocyanaten, omleggingen van Curtius en Hofmann)

Een isocyanaat is een verbinding $\ce{R-N=C=O}$ . Bij de curtiusomlegging verliest een acylazide bij verhitting distikstof terwijl de groep R van koolstof naar stikstof verhuist, wat een isocyanaat geeft; bij de hofmannomlegging geeft een primair amide, behandeld met broom en base, hetzelfde isocyanaat via een N-broomamide. Met water geeft het isocyanaat het amine $\ce{RNH2}$ en koolstofdioxide; met een alcohol een carbamaat.

Definitie 27.22 (Ketenen en de wolffomlegging)

Een keteen is een verbinding $\mathrm{R_2C{=}C{=}O}$ . Bij de wolffomlegging verliest een $\alpha$ -diazoketon distikstof terwijl de groep op het carbonylkoolstofatoom migreert, wat een keteen geeft, dat water, een alcohol of een amine addeert.

De wolffomlegging is de sleutelstap van de homologering van Arndt-Eistert, die een carbonzuur met één koolstofatoom verlengt: zuurchloride, dan diazoketon, dan keteen, dan het homologe zuur.

Veiligheid

Tributyltinhydride: giftig bij inslikken, schadelijk bij contact met de huid, beschadigt organen bij herhaalde blootstelling, zeer giftig voor in het water levende organismen; tinresten worden gescheiden ingezameld. Diazomethaan is een giftig, kankerverwekkend en explosief gas; het wordt hier alleen om zijn chemie genoemd en in de praktijk vervangen door veiligere reagentia zoals trimethylsilyldiazomethaan. AIBN is bij verhitting zelfontledend.

Geschiedenis — Een radicaal dat niet zou mogen bestaan, en een nylon

In 1900 verkreeg Moses Gomberg, die hexafenylethaan probeerde te maken, een gele oplossing die zuurstof en jood opnam: het trifenylmethylradicaal, het eerste persistente koolstofradicaal. Een halve eeuw later werd de beckmannomlegging van cyclohexanonoxim de industriële route naar caprolactam, dat door ringopening gepolymeriseerd wordt tot nylon-6, een vezel en technische kunststof die op zeer grote schaal gemaakt wordt.

27.6 Oefeningen

Oefening 27.1 ★

Bij $25\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ zijn de relatieve reactiviteiten per waterstofatoom van primaire, secundaire en tertiaire bindingen C–H $1 : 3.9 : 5.1$ tegenover chlooratomen en $1 : 82 : 1600$ tegenover broomatomen (gegevens van de oefening). Bereken de verhoudingen van 1- en 2-halogeenpropaan die in elk geval uit propaan ontstaan.

Oplossing

Oplossing van Oefening 27.1.

Propaan heeft zes primaire en twee secundaire waterstofatomen. Chlorering: $6 \times 1 : 2 \times 3.9 = 6 : 7.8$ , d.w.z. 43 % 1-chloorpropaan en 57 % 2-chloorpropaan. Bromering: $6 : 164$ , 4 % en 96 %.

Oefening 27.2 ★

Wat is de grondtoestand van $\ce{CH2}$ , en van $\ce{CCl2}$ ? Welk van beide addeert stereospecifiek aan trans-but-2-een, en wat geeft het?

Oplossing

Oplossing van Oefening 27.2.

$\ce{CH2}$ : triplet; $\ce{CCl2}$ : singulet (de vrije elektronenparen van chloor verhogen de lege orbitaal p). Dichloorcarbeen addeert stereospecifiek: trans-1,1-dichloor-2,3-dimethylcyclopropaan.

Oefening 27.3 ★

Geef het product van de reactie van Simmons-Smith van (Z)-hex-3-een.

Oplossing

Oplossing van Oefening 27.3.

cis-1,2-Diethylcyclopropaan: de carbenoïde addeert in één stap aan één vlak.

Oefening 27.4 ★

Geef de producten van de baeyer-villigeroxidatie van cyclohexanon en van acetofenon.

Oplossing

Oplossing van Oefening 27.4.

Cyclohexanon: $\varepsilon$ -caprolacton (oxepan-2-on). Acetofenon: fenylacetaat, $\ce{CH3CO2C6H5}$ ; fenyl migreert bij voorkeur boven methyl.

Oefening 27.5 ★★

Bereken met de gegevens van Oefening 27.1 de verhoudingen van de twee monochloriden en van de twee monobromiden van 2-methylpropaan.

Oplossing

Oplossing van Oefening 27.5.

Negen primaire en één tertiair waterstofatoom. Chlorering: $9 : 5.1$ , 64 % 1-chloor-2-methylpropaan en 36 % 2-chloor-2-methylpropaan. Bromering: $9 : 1600$ , 0.6 % en 99.4 %.

Oefening 27.6 ★★

Een nieuwe radicaalklok, gereduceerd met $0.020\,\mathrm{mol}/\mathrm{L}$ $\mathrm{Bu_3SnH}$ , geeft drie keer zoveel omgelegd als niet-omgelegd product. Bepaal met $k_H = 2.4 \times 10^{6}\,\mathrm{L}\,\mathrm{mol}^{-1}\,\mathrm{s}^{-1}$ zijn snelheidsconstante.

Oplossing

Oplossing van Oefening 27.6.

$k_c = 3.0 \times k_H[\mathrm{Bu_3SnH}] = 3.0 \times 2.4 \times 10^{6} \times 0.020 = 1.4 \times 10^{5}\,\mathrm{s}^{-1}$ .

Oefening 27.7 ★★

Deel de aanval van een hex-5-enylradicaal op C5 en op C6 in volgens de regels van Baldwin, en zeg daarna of elk van deze sluitingen begunstigd is: 4-exo-tet, 5-endo-trig, 5-exo-dig, 3-exo-dig, 5-endo-dig.

Oplossing

Oplossing van Oefening 27.7.

Aanval op C5: 5-exo-trig, begunstigd; op C6: 6-endo-trig, volgens de regels begunstigd maar hier trager. 4-exo-tet: begunstigd. 5-endo-trig: benadeeld. 5-exo-dig: begunstigd. 3-exo-dig: benadeeld. 5-endo-dig: begunstigd.

Oefening 27.8 ★★

Geef het product van de pinacolomlegging van 2,3-difenylbutaan-2,3-diol, en verklaar de keuze van de migrerende groep.

Oplossing

Oplossing van Oefening 27.8.

Verlies van water geeft een tertiair, benzylisch kation; op het naburige koolstofatoom kunnen een fenyl- en een methylgroep verhuizen, en fenyl, met de hogere migratiebereidheid, migreert. Het door zuurstof gestabiliseerde kation verliest een proton: 3,3-difenylbutan-2-on.

Oefening 27.9 ★★

Benzoylazide wordt in tolueen verhit, daarna wordt water toegevoegd; in een tweede experiment ethanol. Geef de producten.

Oplossing

Oplossing van Oefening 27.9.

Curtius: $\ce{C6H5CON3 -> C6H5NCO + N2}$ . Met water verliest het carbaminezuur $\ce{CO2}$ : aniline (er ontstaat wat difenylureum wanneer aniline meer isocyanaat ontmoet). Met ethanol: ethyl-N-fenylcarbamaat, $\ce{C6H5NHCO2C2H5}$ .

Oefening 27.10 ★★★

Bereken met $\mathrm{BDE(H{-}Cl)} = 432\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$ en $\mathrm{BDE(H{-}Br)} = 366\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$ (gegevens van de oefening) en de waarden C–H van de figuur van het hoofdstuk $\Delta H$ voor de onttrekking van een primair en van een tertiair waterstofatoom door elk halogeenatoom, en verklaar met het postulaat van Hammond de selectiviteiten van Oefening 27.1.

Oplossing

Oplossing van Oefening 27.10.

Chloor: primair $421.7 - 432 = -10\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$ , tertiair $405.4 - 432 = -27\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$ ; broom: $+56$ en $+39$ . Beide onttrekkingen door chloor zijn exotherm, met vroege overgangstoestanden die weinig voelen van het verschil van $16\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$ ; beide onttrekkingen door broom zijn endotherm, met late overgangstoestanden waarvan de activeringsenergieën het grootste deel ervan verschillen: $\eu^{16000/(8.314 \times 298)} \approx 600$ , de orde van de waargenomen verhouding.

Oefening 27.11 ★★★

Geef de beckmannproducten van de twee oximen, E en Z, van 2-methylcyclohexanon, en leg uit waarom ze verschillen, terwijl de baeyer-villigeroxidatie van het keton één hoofdlacton geeft.

Oplossing

Oplossing van Oefening 27.11.

Oxim E (OH anti ten opzichte van C2, dat de methylgroep draagt): C2 migreert, stikstof komt ernaast: 7-methylazepan-2-on. Oxim Z: C6 migreert: 3-methylazepan-2-on. Bij de beckmannomlegging beslist de geometrie van het oxim; bij de baeyer-villigeroxidatie de migratiebereidheid, en het secundaire koolstofatoom verhuist: 7-methyloxepan-2-on.

Oefening 27.12 ★★★

Bereken met de modelklok van het hoofdstuk de gecycliseerde fractie bij $[\mathrm{Bu_3SnH}] = 0.010$ , 0.10 en $1.0\,\mathrm{mol}/\mathrm{L}$ . Welke hydrideconcentratie geeft 95 % gecycliseerd product, en hoe kan men die aanhouden?

Oplossing

Oplossing van Oefening 27.12.

Gecycliseerde fractie $k_c/(k_c + k_H c)$ : 0.91, 0.49 en 0.09. Voor 95 %: $k_Hc = k_c(1/0.95 - 1)$ , dus $c = 0.0526 \times 2.3 \times 10^{5}/2.4 \times 10^{6} = 5.0 \times 10^{-3}\,\mathrm{mol}/\mathrm{L}$ . Men houdt die aan door het hydride langzaam toe te voegen met een spuitpomp, of door een katalytische hoeveelheid tinhalogenide te gebruiken met een reductor die het hydride regenereert.

27.7 Probleem: twee ringen uit cyclohexanon

Probleem 27.1

Weekendprobleem — twee ringen uit cyclohexanon: het oxim, de beckmannomlegging tot caprolactam, de baeyer-villigeroxidatie tot caprolacton, en de regiochemie van beide met 2-methylcyclohexanon

Gegevens van het probleem: één ton cyclohexanon wordt met een rendement van 98 % omgezet in zijn oxim, en het oxim met een rendement van 98 % in caprolactam; de omlegging gebruikt 1.3 mol zwavelzuur (als oleum) per mol oxim, dat op het einde met ammoniak geneutraliseerd wordt tot ammoniumsulfaat.

Deel I — Het oxim.

Schrijf de vorming van cyclohexanonoxim uit hydroxylamine op.
Waarom werkt men rond pH 4 à 5?
Heeft cyclohexanonoxim isomeren E en Z? Waarom?
Teken de oximen E en Z van 2-methylcyclohexanon.
Waarom gaan deze twee oximen maar traag in elkaar over?

Deel II — De beckmannomlegging.

Wat doet het zuur met het oxim?
Welke binding migreert, en waarom maakt dat de ring groter?
Welk intermediair valt water aan?
Schrijf de totaalvergelijking op, van oxim tot caprolactam.
Benoem en teken het product, en het polymeer dat ervan gemaakt wordt.
Bereken de molaire massa’s van cyclohexanon en caprolactam.
Bereken de massa caprolactam uit één ton cyclohexanon.
Bereken de massa ammoniumsulfaat die daarbij ontstaat.

Deel III — De baeyer-villigeroxidatie.

Schrijf de oxidatie van cyclohexanon door een peroxyzuur $\ce{RCO3H}$ op.
Geef het intermediair dat ontstaat door additie van het peroxyzuur.
Welke groep migreert, en wat is de uittredende groep?
Benoem het lacton en het polymeer dat het geeft.
Waarom kan waterstofperoxide met een katalysator het peroxyzuur vervangen in een schoner proces?

Deel IV — 2-Methylcyclohexanon.

Welk koolstofatoom migreert bij zijn baeyer-villigeroxidatie, en welk lacton ontstaat?
Blijft de configuratie van dat koolstofatoom behouden?
Welk lactam geeft het oxim E (OH anti ten opzichte van het koolstofatoom met de methylgroep)?
Welk lactam geeft het oxim Z?
Wat bepaalt de regiochemie in elke reactie?
Waarom heeft cyclohexanon zelf deze problemen niet?
Formuleer het resultaat: de massa caprolactam uit één ton cyclohexanon.

Oplossing

Oplossing van Probleem 27.1.

1. $\ce{C6H10O + NH2OH -> C6H11NO + H2O}$ .

2. Er is zuur nodig om de hydroxygroep van het additie-intermediair als water te verwijderen, maar te veel zuur protoneert het hydroxylamine, dat dan niet meer addeert.

3. Nee: de twee koolstofatomen die aan het koolstofatoom van C=N gebonden zijn, zijn door de symmetrie van de ring gelijkwaardig.

4. In het oxim E wijst de OH weg van het koolstofatoom C2 met de methylgroep (anti ten opzichte ervan), in het oxim Z ernaartoe.

5. Inversie aan een oximstikstofatoom dat een elektronegatief zuurstofatoom draagt, heeft een hoge barrière.

6. Het protoneert (of sulfoneert) de hydroxygroep, waardoor die een goede uittredende groep wordt, water.

7. De binding C–C van de ring die anti staat ten opzichte van de uittredende groep, verhuist van koolstof naar stikstof, dat daardoor in de ring ingevoegd wordt: zes atomen worden er zeven.

8. Een cyclisch nitriliumion.

9. $\ce{C6H11NO -> C6H11NO}$ : een isomerisatie, van oxim tot lactam.

10. Caprolactam, azepan-2-on, het zevenledige cyclische amide van 6-aminohexaanzuur; zijn ringopeningspolymerisatie geeft nylon-6.

11. $98.0\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ en $113.0\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ .

12. $1.0 \times 10^{6}\,\mathrm{g}/98.0\,\mathrm{g}/\mathrm{mol} = 10\,204\,\mathrm{mol}$ ; $\times 0.98 \times 0.98 = 9800\,\mathrm{mol}$ ; $\times 113.0\,\mathrm{g}/\mathrm{mol} = 1.11 \times 10^{6}\,\mathrm{g}$ , $1.11\,\mathrm{t}$ .

13. Oxim: $10\,204 \times 0.98 = 1.00 \times 10^{4}\,\mathrm{mol}$ ; $\ce{H2SO4}$ : $1.30 \times 10^{4}\,\mathrm{mol}$ , wat evenveel mol $\ce{(NH4)2SO4}$ geeft: $1.30 \times 10^{4}\,\mathrm{mol} \times 132.1\,\mathrm{g}/\mathrm{mol} = 1.7\,\mathrm{t}$ , meer dan het caprolactam.

14. $\ce{C6H10O + RCO3H -> C6H10O2 + RCOOH}$ .

15. Het tetraëdrische adduct van het peroxyzuur op het carbonylkoolstofatoom (het intermediair van Criegee), een peroxyhemiketal.

16. Een groep $\ce{CH2}$ van de ring (de twee zijn gelijkwaardig) verhuist naar het dichtstbijzijnde peroxidezuurstofatoom; het carboxylaat $\ce{RCOO-}$ vertrekt.

17. $\varepsilon$ -Caprolacton, oxepan-2-on; zijn ringopeningspolymerisatie geeft poly( $\varepsilon$ -caprolacton), een biologisch afbreekbare polyester.

18. Het enige bijproduct is water, terwijl een peroxyzuur een mol carbonzuur per mol lacton achterlaat en zelf gevaarlijk is om op te slaan.

19. Het secundaire koolstofatoom C2 migreert: 7-methyloxepan-2-on.

20. Ja: het migrerende koolstofatoom behoudt zijn configuratie.

21. 7-Methylazepan-2-on (C2 staat anti en migreert).

22. 3-Methylazepan-2-on (C6 migreert).

23. Beckmann: de geometrie van het oxim (de anti-groep verhuist). Baeyer-Villiger: de migratiebereidheid (het sterker gesubstitueerde koolstofatoom verhuist).

24. Zijn twee koolstofatomen $\alpha$ zijn gelijkwaardig: één oxim, één lactam, één lacton.

25. Eén ton cyclohexanon geeft ongeveer $1.11\,\mathrm{t}$ caprolactam.

Begrippen gedefinieerd in dit hoofdstuk

Bekijk alle 852 begrippen in de begrippenlijst