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Fluorierungsreaktionen

Seminarvortrag am 20.11.2008 im MCII-Seminar

von Reida Rutte und Joachim Moser v. Filseck

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Gliederung

Einleitung

Reaktionen

Nucleophile Fluorierung

Elektrophile Fluorierung

Radikalische Fluorierung

Ausblick

Quellen

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Einleitung

Einfügung von Fluor in ein Molekül

(a) Direkte Flurorierung

(b) Einfügung von fluorierten Gruppen

Direkte Bildung einer C-F-Bindung

[1] J. A. Wilkinson, Chem. Rev. 1992, 92.

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Einleitung

Eigenschaften von Fluor

- elektronegativstes Element (EN nach Pauling: 4,0)

- als F2: schwache Bindung (159 kJ/mol, 144 pm)

(C-F-Bindung: 489 kJ/mol, 138 pm;

C-F-Bindung stärker polarisiert als die C-H-Bindung)

Fluoreffekte

[2] H. Christen, F. Vögtle: Organische Chemie. Von den Grundlagen zur Forschung. S. 387 ff. [3] F. Hollemann, E. Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie. S. 27, 411.

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Einleitung

Fluoreffekte

- Fluorsubstituenten stabilisieren Carbokationen, desta-

bilisieren Carbanionen (α-Fluoreffekte)

- F3C-Substituenten destabilisieren Carbokationen, sta-

bilisieren Carbanionen

[4] Hiyama, T.: Organofluorine Compounds. Chemistry and Applications, S. 4.

σ*

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Nucleophile Flurorierung

Nucleophile Fluorquellen

(1) HF

(2) SF4

(3) DAST (Diethylaminoschwefeltrifluorid)

(4) Tetraalkylammoniumfluroide

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Nucleophile Fluorierung

Fluorierung mit HF

Klassisches nucleophiles Fluorierungsmittel

wichtig für großtechnische Verfahren

Vorteil: billig, Nachteil: gefährlich

Beispiel: Synthese von FCKW

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Nucleophile Fluorierung

Synthese von FCKW

Analoge Reaktion mit CCl4.

Wichtige FCKW:

- CF2Cl2 („Freon 12“), CFCl3 („Freon 11“) als Kühlmittel

- CHF2Cl als Ausgangsstoff der PTFE-Synthese

[2] H. Christen, F. Vögtle: Organische Chemie. Von den Grundlagen zur Forschung.

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Einschub

Teflon = Polytetrafluorethylen (PTFE)

Monomer C2F4

Radikalische Polimerisation

DBPO, Druck (explosionsartig)

(Dibenzoylperoxid, Radikalstarter)

Wichtig als inertes Material beim Arbeiten mit Fluor

[5] Homepage des Instituts für Chemie und Biochemie der Freien Universität Berlinhttp://www.chemie.fu-berlin.de/chemistry/kunststoffe/teflon.htm.

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Nucleophile Fluorierung

Fluorierung mit SF4

SF4: kommerziell erhältliches, ätzendes, sehr giftiges Gas.

SF4 / HF als Fluorierungsmittel an Ketonen und Aldehyden:

; auch SF4 / HF / S2Cl2

aktive Spezies

Reaktionen nur in teflonierten Apparaturen unter hohem Druck möglich.

[1] J. A. Wilkinson, Chem. Rev. 1992, 92.

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Nucleophile Fluorierung

Fluorierung mit SF4 – Beispiel

[1] J. A. Wilkinson, Chem. Rev. 1992, 92.

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Nucleophile Fluorierung

Fluorierung mit DAST

DAST = Diethylaminoschwefeltrifluorid

Chemisches Verhalten ähnlich SF4, aber weniger gefährlich.

Verwendung: Flurorierung von Alkoholen (SN2)

[1] J. A. Wilkinson, Chem. Rev. 1992, 92.

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Nucleophile Fluorierung

Fluorierung mit DAST – Beispiel

[1] J. A. Wilkinson, Chem. Rev. 1992, 92.

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Nucleophile Fluorierung

Fluorierung mit Tetraalkylammoniumfluoriden

Fluoridquellen, verstärken die Nucleophilie des F- -Anions

TBAF (Tetrabutylammoniumfluorid)

TEAF (Tetraethylammoniumfluorid)

TMAF (Tetramethylammoniumfluorid)

[5] M. Shimizu, T. Hiyama, Angew. Chem. 2004, 117.

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Nucleophile Fluorierung

Fluorierung mit Tetraalkylammoniumfluoriden

Fluoridquellen, verstärken die Nucleophilie des F- -Anions

TBAF (Tetrabutylammoniumfluorid)

[5] M. Shimizu, T. Hiyama, Angew. Chem. 2004, 117.

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Nucleophile Fluorierung

Fluorierung mit TBAF – Beispiel

Oxidative Desulfurierung-Fluorierung

Prinzip: Erzeugung einer guten Abgangsgruppe

NXS:

X = Br : N-Brom-Succinimid

X = I : N-Iod-Succinimid

[5] M. Shimizu, T. Hiyama, Angew. Chem. 2004, 117.

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Nucleophile Fluorierung

Oxidative Desulfurierung-Fluorierung

[5] M. Shimizu, T. Hiyama, Angew. Chem. 2004, 117.

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Elektrophile SubstitutionMerkmale

Ein -Ion

Alternativ, aber nicht einfach

Angriff an elektronenreiches Zentrum

→ -I-Effekt

Molekülrest = gute Abgangsgruppe

Beispiele:

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Elektrophile SubstitutionF2

- Reagenz

Angriff an Bindung mit hoher Elektronenladungsdichte

Selektivität für hohen p-Orbitalanteil

[4] Tamejiro Hiyama, Organofluorine Compounds, Chemistry and Applications, Springer, 2007, Seite 26. 20

Elektrophile SubstitutionF2

- Reagenz

Perfluorierung – La Mar Prozess

Reaktionskontrolle über

Temperatur undF2

-Konzentration

[6] S. Rozen, C. Gal, J. Org. Chem. 1988, 53, 2803. 21

Elektrophile SubstitutionF2

- Reaktion

Computerberechnungen ergabenfolgende Hybridisierungszustände

[7] G. Olah, Hypercarbon Chemistry, Wiley, New York, 1987. 22

Elektrophile SubstitutionF2

- Mechanismus

Verläuft unter Retention

Keinerlei Eliminierungsprodukte oder stattfindende Umlagerungen

→ Übergangszustand eines pentakoordinierten Carboniumions

[8] M. van der Puy, Tetrahedron Lett. 1987, 28, 255. 23

Elektrophile SubstitutionF2

am Aromat

SE am Aromaten

[9] S. Rozen, O. Lerman, D. Hebel, Bull. Soc. Chim. 1986, 6, 861. 24

Elektrophile SubstitutionCH

3COOF - Übergangszustand

[4] Tamejiro Hiyama, Organofluorine Compounds, Chemistry and Applications, Springer, 2007, Seite 31. 25

Elektrophile SubstitutionCH

3COOF - Enolat

Elektronenentziehende Gruppe in α-Position

[4] Tamejiro Hiyama, Organofluorine Compounds, Chemistry and Applications, Springer, 2007, Seite 32. 26

Elektrophile SubstitutionCH

3COOF - Selektivität

cis-selektiv

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Radikalische ReaktionMerkmale

Sehr schnell

Unkontrolliert

Unspezifisch

→ Polyfluorierung

� elektrochemische Fluorierung

[10] E. Laurent, Tetrahedron Lett. 1989, 45, 4431. 28

Radikalische Reaktionnach Laurent

Elektrolyse in Gegenwart von Et3N.3HF

Kontrollierte Reaktion in α-Position zu

einer Keto-Gruppe und/oder

benzylischen Verbindungen

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Radikalische Reaktionnach Laurent

Anwendung für oxidative Fluorierung von Sulfiden

Alternative zu DAST

Durch Regelung des Potentials kann die Reaktion gesteuert werden zu

Monofluoride

gem-Difluoride

[11] T. Brigaud, E. Laurent, Tetrahydron Lett. 1990, 31, 2287. 30

Radikalische Reaktionnach Laurent

Folgender Radikalmechanismus wird vorgeschlagen

[4] Tamejiro Hiyama, Organofluorine Compounds, Chemistry and Applications, Springer, 2007, Seite 30. 31

Radikalische Reaktionvon Alanin

Selektive Monofluorierung am C3-Atom

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Ausblick

Fluor erhöht

Lipophilie

Polarität

Metabolische Stabilität

bei gleichbleibenden Größenabmessungen

[12] http://www.chab.ethz.ch/publicrelations/publikationen/molmix/mm06/mm6_togni.pdf 33

Pharmazie

Krebsmittel

5-Fluoruracil stört DNA- Produktion durch Einbau und führt zum Zelltod

Antibiotika

Ciprofloxacin, fluorierte Nalidixinsäure, hemmt Topoisomerese II und entspiralisiert die DNA, führt zum Zelltod

[12] http://www.chab.ethz.ch/publicrelations/publikationen/molmix/mm06/mm6_togni.pdf 34

Pharmazie

Sauerstofftragende Blutersatzstoffe

Perfluocarbonemulsionen

„Oxygent“ ist eine Perfluorooktyl-Bromid-Emulsion (C

8F

17Br)

Medikamentbereiche

Antipsychotika, Antidepressiva, Neuroleptika, Analgetika, Anti-Malaria-Mitteln, Appetitzüglern

[12] http://www.chab.ethz.ch/publicrelations/publikationen/molmix/mm06/mm6_togni.pdf 35

Andere Anwendungsbeispiele

Kühlmittel

Frigen/Freon CCl2F

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Isolation

Teflon

LCD-Bildschirm

fluorierte Flüssigkristalle

Agrochemie

Insektizid, Herbizid, Fungizid

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Risiken

Urananreicherung

UF6

Supergifte

Sarin, Soman als chemische Waffen

FCKW

Halogenkohlenwasserstoffe, Kühlmittel, Treibgas, reaktionsträge, Abbau der Ozonschicht durch freie Radikale

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Vielen Dank für die Aufmerksamkeit

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Quellen

[1] J. A. Wilkinson, Chem. Rev. 1992, 92.

[2] H. Christen, F. Vögtle: Organische Chemie. Von den Grundlagen zur

Forschung. Otto Salle Verlag. Frankfurt 1988

[3] F. Hollemann, E. Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie. Walter De

Gruyter. Berlin 1985

[4] Hiyama, T.: Organofluorine Compounds. Chemistry and Applications.

Springer 2007.

[5] M. Shimizu, T. Hiyama, Angew. Chem. 2004

[6] S. Rozen, C. Gal, J. Org. Chem. 1988, 53, 2803

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Quellen

[7] G. Olah: Hypercarbon Chemistry, Wiley, New York, 1987

[8] M. van der Puy, Tetrahedron Lett. 1987, 28, 255

[9] S. Rozen, O. Lerman, D. Hebel, Bull. Soc. Chim. 1986, 6, 861

[10] E. Laurent, Tetrahedron Lett. 1989, 45, 4431

[11] T. Brigaud, E. Laurent, Tetrahedron Lett. 1990, 31, 2287

[12] http://www.chab.ethz.ch/publicrelations/publikationen/molmix/mm06/

mm6_togni.pdf

[13] http://www.gifte.de/B-%20und%20C-Waffen/soman.htm