Ein „Huashan-Schwertwettbewerb“ in der Gemeinschaft der organischen Chemie hat fruchtbare wissenschaftliche und spirituelle Früchte hervorgebracht

Auf dem Gebiet der organischen Chemie hatte eine langwierige Debatte von den 1960er bis in die 1980er Jahre nicht nur tiefgreifende Auswirkungen auf die Entwicklung der Disziplin, sondern erregte auch breite Aufmerksamkeit und Diskussionen in Bereichen wie der Wissenschaftsphilosophie und der Erkenntnistheorie. Und was noch wichtiger ist: Es hat späteren Studenten der organischen Chemie einen wertvollen wissenschaftlichen und spirituellen Reichtum hinterlassen.

Hinweis: Nicht professionelle Leser können die technischen Details in den Kästchen dieses Artikels überspringen (weitere Einzelheiten finden Sie im öffentlichen Konto von „Fanpu“), ohne das Gesamtverständnis zu beeinträchtigen.

Geschrieben von Zheng Chao (Forscher am Shanghai Institute of Organic Chemistry, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Einleitung | Eine ungewöhnliche Kristallstruktur

Am 5. Juli 2013 veröffentlichte die amerikanische Fachzeitschrift Science eine Forschungsarbeit mit dem Titel „Crystal Structure Determination of the 2-Norbornyl Nonclassical Carbon Cation“. Chemiker der Universitäten Freiburg und Nürnberg in Deutschland haben eine Verbindung namens 2-Norborneol hergestellt.

Die Bestimmung seiner Kristallstruktur gelang bei einer tiefen Temperatur von etwa -233 Grad Celsius. Die Ergebnisse zeigten, dass das 2-Norbornyl-Kohlenstoffkation ein fünffach koordiniertes Kohlenstoffatom enthielt und dadurch eine „Drei-Zentren-Zwei-Elektronen-Bindung“ gebildet wurde. Seine wissenschaftliche Bedeutung wird in einem Übersichtsartikel im Journal „Chemical World“ der Royal Society of Chemistry wie folgt beschrieben: „Diese Arbeit liefert den eindeutigsten Beweis für die Struktur nichtklassischer Kohlenstoffkationen und beendet damit die Debatte über nichtklassische Kohlenstoffkationen, die 1949 begann, in den 1960er- bis 1980er-Jahren andauerte und tiefgreifende Auswirkungen auf das gesamte Gebiet der organischen Chemie hatte.“

Abbildung 1. Die Kristallstruktur des 2-Norbornyl-Carbokations, bestimmt bei 40 K. Darin ist C6 ein fünffach koordiniertes Kohlenstoffatom, und zwischen C6–C1–C2 wird eine chemische Drei-Zentren-Zwei-Elektronen-Bindung gebildet. | Bildquelle: Science 2013, 341, 62.

Interessanterweise antwortete jedoch JD Roberts, der Chemiker, der den Begriff „nicht-klassisches Carbokation“ erstmals verwendete, im Alter von 95 Jahren auf die Frage, ob H. C. Brown, der leidenschaftlichste Gegner der nicht-klassischen Carbokationtheorie, aufgrund dieser kristallographischen Beweise seine Position ändern würde (Brown starb 2004): „Nein, Herb (Brown) wird immer Herb bleiben, egal was passiert …“

Was genau sind also nichtklassische Carbokationen? Was ist daran so außergewöhnlich, dass es seit Jahrzehnten von führenden organischen Chemikern diskutiert wird? Welchen Wert hat diese langjährige Debatte für die Menschen heute?

Protagonist | Carbokation: Reaktives Zwischenprodukt in organischen Reaktionen

„Carbokationen“ sind ein häufiger Zwischenprodukttyp bei organischen chemischen Reaktionen. Da es eine positive Ladung hat, neigt es dazu, sich mit negativ geladenen Spezies zu verbinden und stabile Produktmoleküle zu bilden (diese negativ geladenen Spezies werden Nukleophile genannt, und die Reaktionen zwischen ihnen werden nukleophile Additionsreaktionen genannt). Im Jahr 1902 entdeckten JF Norris und F. Kehrmann unabhängig voneinander, dass farbloses Triphenylmethanol mit konzentrierter Schwefelsäure behandelt werden konnte, um eine tiefgelbe Lösung zu erhalten. Spätere Studien bestätigten, dass dies auf die Bildung eines stabilen Tritylcarboniumions zurückzuführen war. Die meisten Kohlenstoffkationen sind jedoch nicht so stabil. Sie sind sehr aktiv und können an vielen Reaktionen wie Addition, Eliminierung, Substitution und Umlagerung teilnehmen.

Manchmal kann sich das Carbokation aufgrund externer Faktoren wie räumlicher Trennung oder Ladungsdelokalisierung nicht vollständig mit der negativ geladenen Spezies verbinden. Allerdings gilt: „Obwohl ich es nicht erreichen kann, sehnt sich mein Herz danach“, und selbst wenn sich das Kohlenstoffkation in der Nähe oder weit entfernt von den negativ geladenen Spezies im Weltraum befindet und sich ihre Molekülorbitale teilweise überlappen, kann es das Kohlenstoffkation relativ stabil machen. Wenn in der äußeren Umgebung keine geeigneten negativ geladenen Spezies vorhanden sind, verfügen Kohlenstoffkationen über eine ausreichende Anpassungsfähigkeit, um durch Anpassung ihrer eigenen Struktur in einen stabileren Zustand überzugehen.

Das klassische Carbokation hat eine dreifach koordinierte Struktur und wird entsprechend der Anzahl der an das zentrale Kohlenstoffatom gebundenen Wasserstoffatome als primäres/sekundäres/tertiäres Carbokation bezeichnet. Im Allgemeinen lautet ihre Stabilitätsreihenfolge: primäres Carbokation < sekundäres Carbokation < tertiäres Carbokation. Denn je mehr Alkylsubstituenten sich um das Kohlenstoffkation herum befinden, desto stärker kann seine positive Ladung durch die σ-Elektronen der Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindungen an den Alkylsubstituenten durch Hyperkonjugation stabilisiert werden. Aufgrund dieses Stabilitätsunterschieds ordnen sich sekundäre Carbokationen häufig neu an und bilden stabilere tertiäre Carbokationen, bevor sie andere Reaktionen eingehen. Bereits 1899 wies G. Wagner in seiner Studie zur Chemie der Terpenderivate darauf hin, dass die Umwandlung von Isoborneol in Camphen unter sauren Bedingungen mit einer Umstrukturierung des Molekülgerüsts einhergeht. In den 1920er Jahren schlug H. Meerwein anhand der Idee von Kohlenstoffkationen den richtigen Mechanismus dieser Umlagerungsreaktion vor, und die Reaktion wurde daher Wagner-Meerwein-Umlagerung (W-M-Umlagerung) genannt. Die W–M-Umlagerung kommt in der Natur sehr häufig vor und ist an der Biosynthese vieler natürlicher Aromen beteiligt.

Abbildung 2. Stabilität von Carbokationen und Wagner-Meerwein-Umlagerungsreaktionen. | Quelle: World J. Chem. Bildung 2018, 6, 18. (Foto links) und Autorenzeichnung (weitere Bilder)

In der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts bereicherte die rasante Entwicklung der Kohlenstoffkationenchemie das Verständnis der Menschen für die Struktur und Bindung organischer Moleküle erheblich und eröffnete neue Möglichkeiten für ein tieferes Verständnis der Mechanismen organischer Reaktionen. Obwohl man unter den damaligen technischen Bedingungen Kohlenstoffkationen in Experimenten nicht direkt beobachten konnte, abgesehen von sehr wenigen Sonderfällen wie dem Trityl-Kohlenstoffkation, hinderte dies die organischen Chemiker nicht daran, Kohlenstoffkationen als wirkungsvolles konzeptionelles Werkzeug zu verwenden. Allerdings hätte zu Beginn dieses Forschungsbooms wohl niemand damit gerechnet, dass eine Kontroverse über die Identität einer Gruppe „nicht-klassischer“ Mitglieder der Kohlenstoff-Kationen-Familie in den folgenden Jahrzehnten so viel Aufmerksamkeit erregen und sogar eine Zeit lang im Mittelpunkt der physikalisch-organischen Chemie stehen würde.

Geheimnis | Mysteriöse Versuchsergebnisse

Ein Hinweis auf den Ursprung der nichtklassischen Carbokationentheorie war ein kurzer Artikel, der 1949 im Journal of the American Chemical Society veröffentlicht wurde. In diesem Artikel mit dem Titel „Struktur des 2-Norbornylcarboniumions“ berichteten S. Winstein und Mitarbeiter von der University of California, Los Angeles, über das seltsame Phänomen, das sie bei der Solvolysereaktion von 2-Norbornylbenzolsulfonat beobachtet hatten.

Benzolsulfonatester haben eine sehr wichtige Eigenschaft: Sie unterliegen leicht einer heterolytischen Spaltung der Kohlenstoff-Sauerstoff-Bindung unter Bildung von Carbokationen. Wenn Essigsäure als Lösungsmittel für die Reaktion verwendet wird, wird das erzeugte Kohlenstoffkation sofort nukleophil durch das Acetat-Anion im System addiert, wobei es sich um die Solvolysereaktion von Benzolsulfonat handelt. Durch Messen der Geschwindigkeit der Solvolysereaktion kann auf den Unterschied in der Stabilität verschiedener Carbokationen geschlossen werden (eine schnellere Reaktionsgeschwindigkeit bedeutet, dass das entsprechende Carbokation stabiler ist). Daher war die Messung der Solvolysereaktionsgeschwindigkeiten verschiedener struktureller Benzolsulfonate (oder ihrer Analoga) ein Experiment, das organische Chemiker, die sich damals mit dem Thema Kohlenstoffkationen beschäftigten, oft durchführen mussten.

S. Winstein (1912–1969) | Bildquelle: Wiki

Die Experimente von Winstein et al. ergaben, dass es bei der Solvolysereaktion von 2-Norbornylbenzolsulfonat zwei ungewöhnliche Aspekte gibt. Erstens ist die Reaktion von Rohstoffen mit Exo-Konfiguration hinsichtlich der Reaktionskinetik deutlich schneller als die von Rohstoffen mit Endo-Konfiguration. Zweitens ist es hinsichtlich der Produktstruktur so, dass das Produkt der Solvolysereaktion unabhängig davon, ob Rohstoffe mit Exo- oder Endo-Konfiguration verwendet werden, eine Exo-Konfiguration aufweist und gleichzeitig ausgehend von enantiomerenreinen Rohstoffen immer ein racemisches Produkt erhalten wird. Winstein wies darauf hin, dass das einzigartige Molekülskelett von Borneol es den Rohstoffen mit Exo-Konfiguration in der Reaktion erleichtert, sich in ein Kohlenstoffkation-Zwischenprodukt umzuwandeln, das eine „Drei-Zentren-Zwei-Elektronen“-Bindung enthält (d. h. drei Kohlenstoffatome bilden eine Bindung, indem sie sich ein Elektronenpaar teilen, was sich von der gewöhnlichen chemischen Bindung unterscheidet, bei der sich zwei Atome ein Elektronenpaar teilen) und eine spiegelsymmetrische Struktur als die Rohstoffe mit Endo-Konfiguration. Er nutzte die Idee der σ-Elektronendelokalisierung auf kreative Weise, um die besonderen kinetischen Phänomene der Solvolysereaktion von 2-Norbornylbenzolsulfonat zu erklären und schlug eine neue Möglichkeit hinsichtlich der Struktur von Kohlenstoffkationen vor.

Borneol ist ein Analogon des Naturprodukts Borneol (auch bekannt als Borneol). Beide weisen eine einzigartige [2.2.1]-überbrückte Ringstruktur auf. 2-Norbornylbenzolsulfonat ( 1 ) hat zwei Konfigurationen: exo und endo. Winsteins Experiment ergab, dass bei 35 Grad Celsius die Solvolyserate von Exo- 1 in Essigsäure 350-mal so hoch war wie die von Endo -1 ! Gleichzeitig liegen die nach der Solvatation von exo- 1 und endo -1 entstehenden Acetate ( 2 ) beide in der exo-Konfiguration vor. Darüber hinaus sind sowohl Exo- 1 als auch Endo -1 chirale Moleküle, aber wenn enantiomerenreines Exo -1 als Ausgangsmaterial für die Solvolysereaktion verwendet wird, ist das resultierende Produkt Exo -2 ein Racemat!

Winstein schlug vor, dass beim Verlassen der Benzolsulfonatgruppe in Exo- 1 unter Bildung eines Carbokations die an der C2-Position angesammelte positive Ladung durch die benachbarte C1–C6-Bindung stabilisiert werden kann. Diese Stabilisierung führt außerdem zu einer teilweisen Neuanordnung des Molekülrückgrats, wodurch eine Drei-Zentren-Zwei-Elektronen-Bindung zwischen den Atomen C2, C1 und C6 entsteht. Zu diesem Zeitpunkt hat das Gesamtmolekül eine spiegelsymmetrische Struktur und die Koordinationszahl des C6-Atoms auf der Symmetrieebene beträgt fünf! Wenn das Acetat-Anion den nukleophilen Angriff initiiert, kann es mit gleicher Wahrscheinlichkeit von außen eine Bindung mit C1 oder C6 bilden, wodurch letztendlich das racemische Produkt exo- 2 entsteht. Aufgrund der räumlichen Fehlpaarung kann Endo -1 jedoch während des Prozesses der Bildung eines Kohlenstoffkations den stabilisierenden Effekt anderer Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen im Molekül nicht akzeptieren, was dazu führt, dass seine Solvolyse-Reaktionsrate deutlich langsamer ist als die von Exo -1 . Sobald das Kohlenstoffkation gebildet ist, sind die nachfolgenden Reaktionsergebnisse dieselben wie die von Exo -1 .

Abbildung 3. Winsteins experimentelle Ergebnisse und Erklärung basierend auf nicht-klassischen Kohlenstoffkationen | Quelle: Gezeichnet vom Autor

Nach der Veröffentlichung von Winsteins Arbeit wurden wie Pilze nach einem Frühlingsregen verschiedene neuartige Kohlenstoffkationenstrukturen entwickelt, die traditionelle Barrieren durchbrachen. Unter ihnen hat das Cyclopropylmethylen-Carbokation, das von JD Roberts vom California Institute of Technology systematisch untersucht wurde, ebenso viel Aufmerksamkeit auf sich gezogen wie das 2-Norbornyl-Carbokation. Im Jahr 1951 schlug Roberts offiziell den Begriff „nicht-klassisches Carboniumion“ vor, um diese spezielle Carboniumionenstruktur zu beschreiben, die ein fünffach koordiniertes Kohlenstoffzentrum enthält, das durch die Delokalisierung von σ-Elektronen gebildet wird. Aus Sicht der Anhänger der nichtklassischen Kohlenstoffkationentheorie öffnet diese Theorie die Tür zu einer neuen Welt in der organischen Chemie. (Für ihre Gegner war dies möglicherweise die Büchse der Pandora!) Einige Jahre später erinnerte sich Brown an die (seiner Meinung nach) verrückte Ära, als nichtklassische Carbokationen populär waren, und sagte scherzhaft:

Alle anderen Carbokationen können „nicht-klassisch“ sein!

Abbildung 4. Die nichtklassische Carbokationstruktur „Rococo“. | Bildquelle: Das nichtklassische Ionenproblem.

Heftige Debatte | Zwei „phänomenologische“ Theorien, von denen keine die andere überzeugen kann

Winsteins nichtklassische Carbokationentheorie hat nicht nur treue Anhänger, sondern auch erbitterte Gegner. Der Bannerträger des gegnerischen Teams ist HC Brown von der Purdue University in den Vereinigten Staaten. Browns wichtigster Beitrag zur organischen Chemie war die Anwendung von Borreagenzien in organischen Synthesereaktionen. Siebzehn Jahre nach der Veröffentlichung seiner ersten Arbeit, in der er die nichtklassische Carbokationentheorie kritisierte, erhielt er 1979 gemeinsam mit G. Wittig von der Universität Heidelberg den Nobelpreis für Chemie für seine herausragenden Beiträge auf dem Gebiet der Organoborchemie.

HC Brown (1912 – 2004), Gewinner des Nobelpreises für Chemie 1979 | Bildquelle: Wiki

Brown hatte keine Einwände gegen die Dreizentren-Zweielektronen-Bindung im allgemeinen Sinne. Schließlich sind Dreizentren- und sogar Mehrzentrenbindungen auf dem Gebiet der organischen Borchemie, mit dem er sich intensiv beschäftigt hat, allgegenwärtig. Die Käfigstruktur höherer Borane, die auf dieser Art von Dreizentren- und Mehrzentrenbindungen basiert, wurde in den 1950er Jahren durch Röntgenkristallbeugungsexperimente bestätigt. Brown lehnte die Verwendung von Drei-Zentren-Zwei-Elektronen-Bindungen (oder der stabilisierenden Wirkung von σ-Elektronen auf benachbarte dreifach koordinierte Kohlenstoffkationen) zur Erklärung der unterschiedlichen Solvolysegeschwindigkeit von 2-Norbornylbenzolsulfonat mit Exo- und Endo-Konfiguration entschieden ab. Seiner Meinung nach kann die traditionelle Theorie der organischen Chemie, insbesondere der den Chemikern bekannte „sterische Effekt“, dieses experimentelle Phänomen zufriedenstellend erklären. Gemäß dem Prinzip von „Ockhams Rasiermesser“ (Füge keine Elemente hinzu, es sei denn, es ist unbedingt notwendig) hilft es nicht weiter, das Konzept nicht-klassischer Kohlenstoffkationen aus heiterem Himmel zu erfinden, um die Ergebnisse der Solvolysereaktion von 2-Norbornylbenzolsulfonat und seinen Analoga zu verstehen.

Brown schlug eine andere Erklärung für die Ergebnisse der Solvolysereaktion von 2-Norbornylbenzolsulfonat vor, die auf dem „sterischen Effekt“ basiert. Jedes Atom und jede funktionelle Gruppe in einem Molekül nimmt ein bestimmtes Volumen im Raum ein, sodass sie die Fülle oder Leere des Raums „fühlen“ können. In vielen Fällen ist die Energie geringer, wenn sich Atome und funktionelle Gruppen in einer leeren Umgebung befinden (geringe sterische Hinderung), und chemische Reaktionen laufen relativ einfach ab. in einer überfüllten Umgebung (große sterische Hinderung) ist die Situation genau umgekehrt. Brown glaubt, dass Borneol etwas Besonderes ist

Werden zwei klassische dreifach koordinierte Kohlenstoffkationen erzeugt, die spiegelbildlich zueinander sind und sich in einem schnellen Gleichgewichtszustand befinden, können auch racemische Solvolyseprodukte entstehen.

Abbildung 5. Browns Erklärung der Ergebnisse der Solvolysereaktion von 2-Norbornylbenzolsulfonat basierend auf sterischen Effekten und der klassischen Kohlenstoffkationenstruktur | Quelle: Gezeichnet vom Autor

Es gab eine lange Debatte zwischen der von Winstein vertretenen „befürwortenden Seite“ und der von Brown vertretenen „oppositionellen Seite“ in der Frage der nichtklassischen Kohlenstoffkationen. In der Debatte lautet die Beweislogik für beide Seiten: Zuerst verschiedene Modellsysteme mit ähnlichen Strukturen wie 2-Norborneol-Kohlenstoff-Kationen konstruieren, dann überprüfen, ob die experimentellen Ergebnisse der Modellsysteme durch nicht-klassische Kohlenstoff-Kationen (oder sterische Effekte) erklärt werden können, und schließlich anhand von Analogien die Richtigkeit der eigenen Theorien zum 2-Norborneol-Kohlenstoff-Kationen-System beweisen (oder die Richtigkeit der Theorie der anderen Partei leugnen). Auf diese Weise entwickelt sich die Debatte tatsächlich zu einem Wettbewerb zwischen zwei a posteriori Theorien über die Erklärungskraft bestimmter experimenteller Ergebnisse. Leider handelt es sich bei beiden konkurrierenden Theorien um unvollständige und nicht-quantitative „phänomenologische“ Theorien. Ihr Anwendungsbereich und ihre Portabilität sind flexibel und sogar beliebig. Daher betonen beide Seiten in einer Debatte häufig selektiv Beweise, die zu ihren Gunsten sprechen, und ignorieren Beweise, die gegen sie sprechen. Dies hat zur Folge, dass keine Seite in der Lage ist, die andere zu überzeugen und noch weniger bereit ist, sich der anderen Seite zu unterwerfen.

In offiziell veröffentlichten wissenschaftlichen Artikeln bewahrten beide Seiten der Debatte ein Mindestmaß an Zurückhaltung sowie Respekt und Wertschätzung für die Ansichten des jeweils anderen. Liest man jedoch aufmerksam die Biografien, Interviews und anderen schriftlichen Materialien der beteiligten Parteien, die nicht in wissenschaftlichen Archiven erhalten sind, so kann man deutlich den Pulverdampf der damaligen Debatten und sogar die Szenerie der beinahe blutigen Kämpfe zwischen dem „Feind“ und „uns“ spüren. Im Jahr 1969 plante die Zeitschrift „Chemical Research Reviews“ der American Chemical Society die Organisation eines „Symposiums im Druck“ und lud Winstein und Brown ein, kontroverse Artikel zum Thema nichtklassischer Kohlenstoffkationen zu veröffentlichen. Dieser Plan wurde jedoch aufgrund des plötzlichen Todes Winsteins abgebrochen.

Erst 1983 wurde schließlich eine Reihe kontroverser Artikel zum Thema nichtklassische Kohlenstoffkationen in der Zeitschrift Reviews of Chemical Research veröffentlicht. Brown war erneut der Autor, der die Gegenseite vertrat, während die Befürworter durch die führende Persönlichkeit der zweiten Generation der nichtklassischen Carbokationentheorie vertreten wurden: GA Olah von der University of Southern California und M. Saunders von der Yale University. Der Titel ihres Artikels ist sehr auffällig: „Schlussfolgerung der klassisch-nichtklassischen Ionen-Kontroverse“. Im Gegensatz zu ihren Vorgängern, die die Kinetik und Stereochemie der Solvolysereaktion in Experimenten erforschten, nutzten Olah, Saunders und andere neue technische Mittel, um die Struktur des 2-Norbornyl-Kohlenstoff-Kations direkt bestimmen zu können. Ihrer Ansicht nach ist die nichtklassische Struktur des 2-Norborneol-Kohlenstoffkations bereits eine Tatsache und es gibt keinen Raum für weitere Fragen. Nach der Veröffentlichung dieses umstrittenen Artikels haben Olah et al. ihre Forschungen zur Struktur von 2-Norborneol-basierten Kohlenstoffkationen nicht mehr fort und diese über 20 Jahre andauernde Debatte fand schließlich ihr Ende.

Aber auch die neuen strukturellen Beweise überzeugten Brown nicht. Für Brown waren die unter extremen Bedingungen erhaltenen Strukturbeweise für seinen ursprünglichen Grund, sich an der Debatte zu beteiligen, völlig irrelevant: nämlich wie sich die Solvolyserate von 2-Norbornylbenzolsulfonat und seinen Analoga erklären ließe. Am Ende einer kurzen Rezension aus dem Jahr 1986 sagte Brown sogar sarkastisch: „Da wir sie nicht aufhalten können (er verwendete dabei den Begriff nichtklassische Carbokationen), können wir ihrer „wunderbaren Leistung“ genauso gut von der Seitenlinie aus zusehen.“ (… wir können sie nicht aufhalten. Aber wir können das Schauspiel genießen.)

Abbildung 6. Von Brown, Olah, Saunders et al. veröffentlichte Artikel. in Chemical Research Reviews im Jahr 1983. | Bildquelle: Acc. Chem. Res. 1983, 16, 432; 1983, 16, 440.

Durchbruch | Neue Methoden zur Strukturcharakterisierung bringen Wende

Die nichtklassische Struktur des 2-Norbornylcarbeniumions wurde ursprünglich als theoretische Erklärung für die besonderen Folgen der Solvolysereaktion der entsprechenden Benzolsulfonatester vorgeschlagen. Die lange Debatte zwischen Winstein und Brown et al. schien zu beweisen, dass der kausale Zusammenhang zwischen dieser Erklärungstheorie und experimentellen Phänomenen im theoretischen Rahmen organischer Reaktionen schwer zu beweisen oder zu widerlegen ist. Nicht-klassische Kohlenstoffkationen selbst sind jedoch eine theoretische Hypothese über die Molekülstruktur. Daher kann es völlig unabhängig von dem übergeordneten Problem existieren, das es verursacht hat.

Tatsächlich war die direkte Untersuchung der Struktur von 2-Norbornyl-Carbokationen in den 1950er und 1960er Jahren der Wunsch vieler physikalisch-organischer Chemiker. Aufgrund der damals begrenzten Methoden zur Charakterisierung der Molekülstruktur und der extrem kurzen Lebensdauer der Kohlenstoffkationen selbst schien dieser Wunsch jedoch äußerst unrealistisch. Glücklicherweise fand dieses Problem bald eine Lösung in einer neuen Generation von Wissenschaftlern. Die repräsentativste Figur unter ihnen war GA Olah, ein wenig bekannter junger Mann, der zu dieser Zeit für die Dow Chemical Company in Kanada arbeitete.

GA Olah (1927 – 2017), Gewinner des Nobelpreises für Chemie 1994 | Quelle: Wiki

Die Diamanten, auf die sich Olah verlässt, sind Supersäuren und Kernspinresonanzspektroskopie. Die Kernspinresonanz (NMR) ist ein physikalischer Prozess, bei dem Atomkerne mit von Null verschiedenen magnetischen Momenten durch Radiofrequenzstrahlung einer bestimmten Frequenz in einem äußeren Magnetfeld angeregt werden.

Schon kleinste Veränderungen in der Verteilung der Elektronenwolke außerhalb des Atomkerns können eine Veränderung der zur Anregung des Atomkerns geeigneten Radiofrequenz bewirken. Daher kann das NMR-Phänomen sehr empfindlich unterschiedliche chemische Umgebungen zwischen Atomkernen des gleichen Typs identifizieren.

Heute ist die NMR-Spektroskopie ein unverzichtbares Werkzeug in der organisch-chemischen Forschung und kann als das Auge der organischen Chemiker bei der Beobachtung molekularer Strukturen betrachtet werden. Die Bildgebungsabteilungen vieler Krankenhäuser sind mit Geräten zur Magnetresonanztomographie (MRT) ausgestattet. Diese nutzen Magnetfelder und Radiofrequenzen, um Wasserstoffkerne im Körper des Patienten (hauptsächlich Wasser) anzuregen und Bilder zur Identifizierung möglicher Läsionen zu erstellen. Doch vor über 70 Jahren, als die NMR-Spektroskopie-Technologie gerade erst aufkam, hätten nur wenige Menschen vorhersehen können, dass sie in der zukünftigen organischen Chemieforschung eine entscheidende Rolle spielen würde. Roberts, der Begründer der oben erwähnten nicht-klassischen Kohlenstoffkationen-Terminologie, war einer der Pioniere bei der Förderung der NMR-Technologie im Bereich der organischen Chemie.

Allerdings reicht die NMR-Spektroskopie allein nicht aus, da die Zeitskala der gewöhnlichen NMR zu lang ist (in der Größenordnung von Millisekunden). Dies bedeutet, dass Kohlenstoffkationen normalerweise gelöscht werden, bevor sie von NMR-Instrumenten erkannt werden können (die Lebensdauer von Kohlenstoffkationen wird im Allgemeinen auf eine Größenordnung von 10^(–10) bis 10^(–6) Sekunden geschätzt). Wie können wir also die Lebensdauer von Carbokationen verlängern? Zur Lösung dieses Problems schlug Olah auf kreative Weise die „Supersäure“-Strategie vor.

Es gibt zwei Hauptwege, auf denen Carbokationen gelöscht werden können: Protoneneliminierung und nukleophile Addition. Olah glaubt, dass, wenn Kohlenstoffkationen in situ in einem supersauren Medium erzeugt werden, die Möglichkeit, dass die Kohlenstoffkationen die beiden Löschreaktionen durchlaufen, stark reduziert wird und ihre Lebensdauer verlängert wird, weil die Alkalität und Nukleophilie der anionischen Spezies im Medium extrem schwach sind. Nach einer langen Zeit der Erkundung,

Die Lebensdauer der Elektronen ist lang genug, dass ihre Signale von NMR-Geräten erfasst werden können.

In seinen späteren Jahren erinnerte sich Olah oft an die Neunte Konferenz zum Thema Reaktionsmechanismen, die 1962 im Brookhaven National Laboratory in New York stattfand.

Sie nahmen ihn beiseite und warnten den jungen Mann aus der Industrie: „Es besteht eine hohe Wahrscheinlichkeit, dass das, was Sie tun, falsch ist.“ Wenn Sie zufällig eine experimentelle Methode finden, mit der Sie die Struktur des Carbokations direkt bestimmen können, müssen Sie diese verwenden, um zu beweisen, dass die Struktur des 2-Norbornyl-Carbokations nicht-klassisch (oder klassisch) ist!

Olah nahm die Herausforderung der beiden großen Jungs an, verwendete jedoch Supersäuremedien und NMR-Spektroskopie, um 2-Norborneol-basierte Kohlenstoffkationen zu beobachten

Die Umlagerungsreaktionen werden „eingefroren“ und das Spektrum weist eine sehr hohe Auflösung auf. Basierend auf dem Vergleich von NMR-Signalen mit anderen Modellverbindungen kann die nichtklassische Struktur des 2-Norbornyl-Carbokations zugeordnet werden.

Olah verwendete auch andere fortschrittliche spektroskopische Techniken, darunter Röntgen-Photoelektronenspektroskopie, um das Signal des 2-Norbornyl-Carbokations zu messen, und die Ergebnisse unterstützten auch die nichtklassische Struktur. Im selben Jahr maßen Wissenschaftler bei IBM das Festkörper-NMR-Signal des 2-Norbornyl-Kohlenstoff-Kations bei einer extrem niedrigen Temperatur von 5 K (etwa minus 268 Grad Celsius). Zu diesem Zeitpunkt war die chemische Umgebung der C1- und C2-Atome noch genau gleich (unterschied sich jedoch vom Signal des C6-Atoms). Nur die nicht-klassische Kohlenstoff-Kationenstruktur ist eine vernünftige Erklärung für dieses Ergebnis; Wenn es, wie Brown es sich vorstellte, noch immer zwei klassische dreifach koordinierte Kohlenstoffkationen gibt, die Spiegelbilder voneinander in einem schnellen Gleichgewicht sind, dann beträgt die Energiebarriere zum Überschreiten dieses Gleichgewichts nur 0,2 kcal/mol, was nach dem grundlegenden gesunden Menschenverstand der organischen Chemie nicht zulässig ist.

Im Jahr 1993 veröffentlichte Schleyer (damals an der Universität Nürnberg tätig) hochpräzise quantenchemische Berechnungsergebnisse zu 2-Norbornen-Kohlenstoffkationen und wies darauf hin, dass die nichtklassische Kohlenstoffkationenstruktur das Minimum der potenziellen Energieoberfläche des Systems darstellt und nicht der Übergangszustand der Umwandlung zwischen zwei klassischen dreifach koordinierten Kohlenstoffkationen, wie Brown glaubte.

Abbildung 8. Olahs Nobelpreismedaille und -urkunde | Quelle: http://natedsanders.com/

Olahs systematische Arbeit auf dem Gebiet der Carbokationenchemie brachte ihm ein hohes akademisches Ansehen ein. Im Jahr 1994 erhielt er den Nobelpreis für Chemie. In ihrer Bekanntmachung würdigte die Königlich Schwedische Akademie der Wissenschaften Olahs Arbeit zur Umwandlung von Kohlenstoffkationen (nicht beschränkt auf 2-Norbornyl-Kohlenstoffkationen) „von hypothetischen Zwischenprodukten in wohldefinierte Moleküle“. In seiner Dankesrede erwähnte Olah die Kontroverse um nichtklassische Carbokationen und bekräftigte den Wert der Kritik von Gegnern der Erforschung nichtklassischer Carbokationen. Gerade aufgrund des heftigen Aufeinanderprallens gegensätzlicher Ansichten ist die Struktur des 2-Norbornyl-Kohlenstoff-Kations heute besser bekannt als die Struktur jedes anderen Moleküls.

Olah zitierte G. v. Békésy, den Nobelpreisträger für Physiologie oder Medizin des Jahres 1961: „Eine Möglichkeit, Fehler zu korrigieren, besteht darin, sich einen Freund zu suchen, der bereit ist, Zeit und Gehirnschmalz zu investieren, um den Versuchsaufbau und die Analyse der Ergebnisse zu kritisieren. Noch besser ist es, sich einen Feind zu suchen, der bereit ist, viel Zeit und Gehirnschmalz darauf zu verwenden, nach Fehlern bei einem zu suchen, ohne dafür eine Gegenleistung zu erwarten. … Jeder Mensch, nicht nur Wissenschaftler, braucht ein paar gute Feinde.“ Brown ist ein solcher Feind, der Ockhams Rasiermesser hält. Er entfernte rücksichtslos einige der übertriebenen Zweige bei der Entwicklung des Konzepts der nicht-klassischen Kohlenstoffkationen und nutzte seine einzigartige Methode, um die Entwicklung dieses abstrakten Konzepts zu einer strengen und soliden Theorie voranzutreiben.

Neue Stimme | Nicht-klassische Carbokationen sind nicht länger mysteriös

Seit der heftigen Debatte über nicht-klassische Carbokationen sind fast vierzig Jahre vergangen und die meisten der oben genannten an der Debatte beteiligten Parteien sind verstorben. Professor Saunders wird dieses Jahr (2023) 92 Jahre alt. Er lehrte seit 1955 an der Yale University und ging 2022 vollständig in den Ruhestand. Seine Lehrtätigkeit dauerte insgesamt 67 Jahre und machte ihn damit zum Professor mit der längsten Amtszeit in der Geschichte der Yale University.

„Die Schwalben, die früher vor den Hallen der Familien Wang und Xie flogen, fliegen jetzt in die Häuser der einfachen Leute.“ Heute sind nichtklassische Kohlenstoffkationen nichts „Neues“, das unter Chemikern Misstrauen und Kontroversen hervorruft, sondern eine Art „feststehende“ wissenschaftliche Tatsache, die fortgeschrittene Studenten und Doktoranden aus Lehrbüchern lernen können. International renommierte Lehrbücher der organischen Chemie, wie die beiden Bücher „Advanced Organic Chemistry“ herausgegeben von MB Smith, J. March bzw. FA Carey, RJ Sundberg, „Modern Physical Organic Chemistry“ herausgegeben von EV Anslyn, DA Dougherty und „Basic Organic Chemistry“ (4. Auflage) herausgegeben von Pei Jian et al. von der Peking-Universität, alle haben spezielle Kapitel, die den relevanten Gehalt nicht-klassischer Kohlenstoffkationen vorstellen.

In den letzten Jahren sind nicht-klassische Kohlenstoffkationen weiterhin in der Spitzenforschung der organischen Chemie zu sehen. Im Jahr 2020 berichteten B. List vom Max-Planck-Institut für Kohlenforschung in Deutschland und PR Schreiner von der Universität Gießen über die enantioselektive Regulierung von 2-Norbornyl-Kohlenstoffkationen mithilfe chiraler Brønsted-Säure-Katalysatoren. Diese Arbeit markiert den Beginn der Anwendung des 2-Norborneol-Kohlenstoffkations, eines traditionellen Sternmoleküls in der physikalischen organischen Chemie, in der chiralen Synthese. DJ Tantillo von der University of California, Davis, verwendete Methoden wie die Ab-initio-Molekulardynamiksimulation, um die biogenen Synthesewege einer großen Zahl von Naturprodukten wie Terpenen systematisch zu untersuchen und deckte dabei eine Reihe von Transformationsreaktionen auf, an denen nicht-klassische Kohlenstoffkationen beteiligt sind. Bei der Untersuchung von Reaktionen mit Kohlenstoffkationen aus der Perspektive der Molekulardynamik verschwimmen die Grenzen zwischen „klassischen“ und „nicht-klassischen“ Strukturen, und dynamische chemische Bilder zeigen den Menschen eine Molekülwelt, die weitaus farbenfroher ist als die Lewis-Struktur.

Die Geschichte der nichtklassischen Carbokationen endet hier. Es ist zu beachten, dass dieser kurze Artikel unmöglich das vollständige Bild der nichtklassischen Carbokationen-Debatte darstellen kann. Tatsächlich hatte diese Debatte nicht nur tiefgreifende Auswirkungen auf die Entwicklung der physikalischen organischen Chemie, sondern erregte auch breite Aufmerksamkeit und Diskussionen in den Bereichen der Wissenschaftsphilosophie und Erkenntnistheorie. Und was noch wichtiger ist: Es hat späteren Studenten der organischen Chemie einen wertvollen wissenschaftlichen und spirituellen Reichtum hinterlassen.

Das Konzept der nicht-klassischen Kohlenstoffkationen wurde erstmals aufgrund der außergewöhnlichen Erkenntnisse Winsteins vorgeschlagen, und Browns Kritik und sogar Zweifel erschütterten die Anhänger dieser Theorie nicht nur nicht in ihrem Glauben, sondern motivierten sie vielmehr, sie weiter zu erforschen und zu übertreffen. „Die Wahrheit kann nicht ohne Debatte verstanden werden“, aber als die Debatten innerhalb traditioneller Rahmenbedingungen zu verstricken begannen, war es Olah, der mit neuen Ideen und Werkzeugen neue Wege in der (nicht-klassischen) Carbokationenforschung beschritt und letztlich die tiefgreifende Entwicklung eines größeren Feldes förderte. Das Tempo der wissenschaftlichen Entwicklung hat nie nachgelassen und die Reise zur Erforschung des Unbekannten wird nie enden. Die Geheimnisse der Molekülwelt werden Menschen mit hohen Idealen immer dazu inspirieren, weiter zu forschen und mutig voranzuschreiten. Vielleicht ist es am passendsten, diesen Artikel mit einer Passage aus Wang Anshis berühmtem Werk „Eine Reise zum Berg Baochan“ zu beenden:

Wenn die Straße bequem und nah ist, werden viele Leute dorthin reisen. Wenn die Straße gefährlich und weit ist, werden nur wenige Menschen sie benutzen. Die großartigsten und außergewöhnlichsten Sehenswürdigkeiten der Welt befinden sich oft an abgelegenen und gefährlichen Orten, die nur wenige Menschen besuchen. Daher können nur diejenigen sie erreichen, die entschlossen sind. Wenn Sie den Willen haben, werden Sie nicht aufhören. Wenn Ihnen jedoch die Kraft fehlt, werden Sie Ihr Ziel nicht erreichen können. Wenn jemand den Willen und die Kraft hat und nicht träge wird, wird er sein Ziel auch dann nicht erreichen können, wenn er in einen Zustand der Dunkelheit und Verwirrung gerät und nichts hat, was ihm hilft. Wenn jemand jedoch die Kraft hat, ein Ziel zu erreichen, wird er möglicherweise von anderen verspottet und wird es selbst bereuen. Wenn jemand sein Bestes gegeben hat, es aber nicht erreichen kann, wird er es nicht bereuen, denn wer kann ihn lächerlich machen?

Danksagung

Der Autor möchte den Forschern You Shuli und Hu Jinbo vom Shanghai Institute of Organic Chemistry der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, Professor Jiang Xuefeng von der East China Normal University und Professor Feng Yu von der Changzhou University für ihre kritischen Kommentare und Korrekturen zu diesem Artikel danken.

Hauptreferenzen

[1] HC Brown, das Problem der Nichtklassen -Ionen, mit Kommentaren von P. v. R. Schleyer. Plenum Press, 1977.

[2] Ga Olah, meine Suche nach Karbokationen und ihre Rolle in der Chemie. Nobelvortrag, 8. Dezember 1994.

[3] S. Winsten, DS Trifan, J. Am. Chem. Soc. 1949, 71, 2953.

[4] JD Roberts, R. Mazur, J. Am. Chem. Soc. 1951, 73, 2509.

[5] HC Brown, FJ Chloupek, M.-H. Rei, J. Am. Chem. Soc. 1964, 86, 1248.

[6] HC Brown, ACC. Chem. Res. 1973, 6, 377.

[7] Ga Olah, Gks Prakash, M. Arvanaghi, Fal Anef, J. Am. Chem. Soc. 1982, 104, 7105.

[8] CS Yannoni, V. Macho, PC Myhre, J. Am. Chem. Soc. 1982, 104, 7380.

[9] HC Brown, Acc. Chem. Res. 1983, 16, 432.

[10] Ga Olah, Gks Prakash, M. Saunders, ACC. Chem. Res. 1983, 16, 440.

[11] HC Brown, Acc. Chem. Res. 1986, 19, 34.

[12] P. v. R. Schleyer, S. Sieber, Angew. Chem. Int. Hrsg. ENGL.1993, 32, 1606.

[13] PJ Stang, historische Perspektive. In Carbocation Chemistry, Ga Olah, Gks Prakash, Hrsg. John Wiley & Sons, 2004.

[14] F. Scholz, D. Himmel, FW Heinemann, P. v. R. Schleyer, K. Meyer, I. Krossing, Science 2013, 341, 62.

[15] W. Goodwin, Brit. J. Phil. Wissenschaft 2013, 64, 787.

[16] C. Schmitt, M. Schween, World J. Chem. Bildung 2018, 6, 18.

[17] MC Reis, CS Lopez, über Faza, DJ Tantillo, Chem. Wissenschaft 2019, 10, 2159.

[18] R. Probzi, PSJ Kaib, M. Leutzsch, G. Pupo, R. Mitra, CK DE, L. Song, PR Schreiner, B. List, Nat. Chem. 2020, 12, 1174.

Über den Autor

Zheng Chao ist der Gewinner der National Natural Science Foundation of China Excellent Young Scientist Fund Project. Seine Forschungsinteressen umfassen physikalische organische Chemie und chirale Synthese.

Produziert von: Science Popularization China

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