| Experimente in Projektion - Chemie en miniature
Lernziel: Dien- und Dienophil-Komponenten in Diels-Alder-Produkten Peter Keusch |
Anmerkung: Das frisch destillierte Cyclopentadien ist auf Eis zu halten. Ansonsten regiert es binnen einer Stunde mit sich selbst unter bildung von Dicyclopentadien (Dimerisation). Gefahren und Sicherheitsmaßnahmen:
Schutzbrille, Schutzhandschuhe. Das Experiment ist in einem Tischabzug durchzuführen! Versuchsdurchführung: In zwei Reagenzgläser (R1 und R2) gibt man jeweils 1 mL der N-PTD - Lösung und fügt in R1 einen Tropfen der Lösung von Anthracen, in R2 einen Tropfen der Lösung von Cyclopentadien in Toluol zu. Zwei weitere Reagenzgläser (R3 und R4) werden mit 1 mL der p-Benzochinon - Lösung beschickt und die Lösung in R4 mit 5 Tropfen frisch destilliertem Cyclopentadien versetzt. Versuchsergebnis:
|  Deutung des Versuchsergebnisses: · In einer Diels-Alder-Reaktion wird ein System mit 2 p-Elektronen (Dienophil) in 1,4-Position an ein konjugiertes p-System mit 4 p-Elektronen (Dien) addiert. Die Reaktion wird als [4+2]-Cycloaddition klassifiziert. Die bedeutet, dass die 4 p-Elektronen des Diens und die 2 p-Elektronen des Dienophils gleichzeitig in die Reaktion involviert sind. Es findet eine Umordnung der 6 Elektronen statt. Zwei neue s-Bindungen (blau markiert in den folgenden Gleichungen) und eine p-Bindung werden gleichzeitig gebildet, während drei p-Bindungen (rot markiert in den folgenden Gleichungen) gebrochen werden. Die treibende Kraft der Reaktion ist die Bildung der neuen s-Bindungen, die energetisch stabiler sind, als die p-Bindungen. Das Reaktionsprodukt ist ein sechsgliedriger Ring. Ein typisches Beispiel ist die Reaktion von 1,3-Butadien mit Ethen unter Bildung von Cyclohexen (1). 
· Die Diels-Alder-Reaktion ist stereospezifisch sowohl bezüglich des Diens als auch bezüglich der Dienophils. Die Reaktion verläuft als syn-Addition an beiden Komponenten. Bei offenkettigen Dienen hängt dementsprechend die Reaktivität vom Anteil der im Konformationsgleichgewicht vorhandenen s-cis-Konformation ab. Cyclische Diene, in denen die s-cis-Konformation fixiert ist, wie z.B. Cyclopentadien und 1,3-Cyclohexadien sind daher besonders reaktionsfähig, während cyclische Diene mit trans-Konformation überhaupt keine Diels-Alder-Reaktion eingehen.  · Die bereits bei Raumtemperatur ablaufende Dimerisierung von Cyclopentadien stellt eine Diels-Alder-Reaktion dar. Ein Cyclopentadien-Molekül agiert als Dien mit 4 p-Elektronen, das andere Molekül als Dienophil mit 2 p-Elektronen. Durch einstündiges Erhitzen auf 150°C und anschließende Destillation wird aus dem dimeren Produkt das Dienmonomer gewonnen.  · Elektronenliefernde Substituenten (Methyl-, Methoxygruppe) im Dien und elektronenziehende Substituenten (Formyl-, Nitrogruppe) im Dienophil fördern Cycloadditionen. · Cycloadditionen gehören zu den pericyclischen Reaktionen. Aufgrund einer cyclischen Anordnung der Elektronen im Übergangszustand erfolgen Bindungsbruch und Bindungsbildung konzertiert (simultan). · N-PTD und p-Benzochinon sind Dienophile, Cyclopentadien bzw. Anthracen sind Diene. · Die Entfärbung der roten N-PTD - bzw. der gelben p-Benzochinon - Lösung wird durch den Verlust der konjugierten Doppelbindung bedingt (2) und (3). 
 · Die unterschiedlichen Reaktionsgeschwindigkeiten lassen eine Wertung der Dienophile und Diene zu: N-PTD ist ein besseres Dienophil als p-Benzochinon; das Cyclopentadien ist reaktiver als das Anthracen. · Bei der Addition des N-PTD an das Anthracen findet lediglich der mittlere Ring Berücksichtigung (Resonanzstabilisierung des Cycloaddukts). Allgemeine Instruktionen zur Versuchsdurchführung und Auflistung der Experimente (Download) 
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