Organische Bestandteile

Diazotierung und Azokupplung

Wie ein primäres aromatisches Amin über das Diazoniumion zu einem Azofarbstoff wird und wie man Kupplungskomponente und Azoprodukt an der Strukturformel erkennt.

Prüfungsrelevanz: sehr wichtig ✓ gelesen
Das Wichtigste in Kürze6 Punkte
  • Die Diazotierung wandelt ein primäres aromatisches Amin mit \(\ce{NaNO2}\) in salzsaurer Lösung über \(\ce{NO+}\) in ein Aryldiazoniumion um. Die Azokupplung verknüpft es mit einem elektronenreichen Aromaten zur Azoverbindung.
  • Sulfaminsäure zerstört überschüssiges Nitrit vor der Kupplung: \(\ce{H2NSO3H + HNO2 -> N2 + H2SO4 + H2O}\).
  • Als Diazokomponente dienen nur primäre aromatische Amine. Phenole und tertiäre Amine scheiden dafür aus.
  • 2-Naphthol kuppelt im Alkalischen an C-1, das Bratton-Marshall-Reagenz para zur Aminogruppe zu einem violettroten Farbstoff.
  • Kupplungskomponenten brauchen einen Donor mit freier o- oder p-Position. Naphthalin-2-carboxamid kuppelt nicht.
  • Im Produkt steht die Azobrücke \(\ce{-N=N-}\) an der früheren Aminposition, übrige Gruppen wie der Ethylester des Benzocains bleiben erhalten.

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Worum es geht

Primäre aromatische Amine lassen sich in zwei Schritten in intensiv gefärbte Azofarbstoffe überführen. Die Reaktionsfolge gehört zur qualitativen organischen Analyse. Mit ihr identifiziert man Arzneistoffe wie Benzocain oder Sulfonamide.

Amine und Reaktionsfolge

Amine leiten sich vom Ammoniak ab. Nach der Zahl der organischen Reste am Stickstoff unterscheidet man primäre (\(\ce{R-NH2}\)), sekundäre (\(\ce{R2NH}\)) und tertiäre Amine (\(\ce{R3N}\)). Sitzt der Stickstoff direkt an einem Benzolring, ist das Amin aromatisch, etwa Anilin oder Benzocain. Hängt er an einem sp³-Kohlenstoff, ist es aliphatisch.

Für die Analytik ragt eine Klasse heraus: das primäre aromatische Amin. Es durchläuft eine Reaktionsfolge in drei Schritten:

  1. Diazotierung: Natriumnitrit in Salzsäure wandelt die \(\ce{NH2}\)-Gruppe in eine Diazoniumgruppe um.
  2. Nitrit entfernen: Überschüssiges Nitrit wird zerstört.
  3. Azokupplung: Das Diazoniumion greift einen elektronenreichen Aromaten an. Es entsteht eine Azoverbindung \(\ce{Ar-N=N-Ar'}\).

Das Amin, das diazotiert wird, heißt Diazokomponente. Der Partner, an den das Diazoniumion bindet, heißt Kupplungskomponente. Das Produkt ist farbig, weil die Azobrücke beide Ringe zu einem großen konjugierten System verbindet. Warum das Farbe ergibt, erklärt die Einheit zu Chromophoren.

Reaktionsschema von Ar-NH2 über Ar-N2+ zu Ar-N=N-Ar mit Reagenzien über den Pfeilen.

Diazotierung und Azokupplung: Aus der Aminogruppe der Diazokomponente wird die Azobrücke zur Kupplungskomponente.

Diazotierung

Bei der Diazotierung setzt man ein primäres aromatisches Amin mit Natriumnitrit in salzsaurer Lösung zum Aryldiazoniumion um. Dieses Kation ist das reaktive Teilchen für jede Kupplung.

\[\ce{ArNH2 + NaNO2 + 2 HCl -> ArN2^+ Cl^- + NaCl + 2 H2O}\]

📖 Definition: Diazoniumion

Ein Diazoniumion ist ein Kation \(\ce{R-N#N^+}\) mit einer Stickstoff-Stickstoff-Dreifachbindung. Aromatische Diazoniumionen werden durch Mesomerie mit dem Ring stabilisiert und lassen sich deshalb in Lösung weiter umsetzen.

Mechanismus

Das eigentliche Reagenz ist nicht das Nitrit selbst. Im Sauren bildet sich zuerst Nitrosylchlorid:

\[\ce{NO2^- + 2 H3O^+ + Cl^- <=> NOCl + 3 H2O}\]

  1. Elektrophil: \(\ce{NOCl}\) liefert das Nitrosylkation \(\ce{NO+}\), ein starkes Elektrophil.
  2. Angriff: Das freie Elektronenpaar des Amin-Stickstoffs greift \(\ce{NO+}\) an. Nach Abgabe eines Protons entsteht die N-Nitroso-Stufe \(\ce{Ar-NH-N=O}\).
  3. Tautomerie: Ein Protonenshift führt zum Diazohydroxid \(\ce{Ar-N=N-OH}\).
  4. Wasserabspaltung: Die OH-Gruppe wird protoniert und geht als Wasser ab. Übrig bleibt \(\ce{Ar-N#N^+}\).

Mechanismus in vier Stufen vom Anilin über Ar-NH-N=O und Ar-N=N-OH zum Ar-N≡N+.

Mechanismus der Diazotierung eines primären aromatischen Amins.

Bedingungen

Man arbeitet in salzsaurer Lösung und in der Kälte. Nitrit kommt im Überschuss dazu, damit das Amin vollständig reagiert. Dieser Rest muss vor der Kupplung weg. Sonst reagiert die salpetrige Säure mit der Kupplungskomponente und verfälscht das Ergebnis. Dass Sulfaminsäure (Amidosulfonsäure) überschüssiges Nitrit vor der Kupplung zerstört, wird im Examen gerne gefragt. Achte auf den Namen und auf den Zeitpunkt:

\[\ce{H2NSO3H + HNO2 -> N2 ^ + H2SO4 + H2O}\]

Wer taugt als Diazokomponente?

Nur primäre aromatische Amine bilden ein brauchbares Diazoniumion. Die übrigen Stoffklassen reagieren mit salpetriger Säure anders oder gar nicht:

Stoffklasse Verhalten gegenüber \(\ce{HNO2}\) Diazokomponente
primäres aromatisches Amin (Benzocain) stabiles Aryldiazoniumion ja
primäres aliphatisches Amin Diazoniumion zerfällt sofort unter \(\ce{N2}\)-Abgabe nein
sekundäres Amin N-Nitrosamin nein
tertiäres aromatisches Amin C-Nitrosierung am Ring nein
Phenol ohne Aminogruppe keine Diazotierung nein, aber Kupplungskomponente

Mehr zu N-Nitrosaminen und C-Nitrosierung steht beim Azofarbstoff-Nachweis.

Ein vorgelegtes Reaktionsschema prüfst du in derselben Reihenfolge. Ist das Edukt ein primäres aromatisches Amin? Stehen Natriumnitrit und Säure am ersten Pfeil? Trägt die Zwischenstufe \(\ce{-N#N^+}\) genau dort, wo vorher \(\ce{NH2}\) stand? Erst dann folgt die Kupplung.

Kupplungskomponenten

Die Azokupplung ist eine elektrophile aromatische Substitution. Das Diazoniumion ist nur ein schwaches Elektrophil. Es greift daher ausschließlich elektronenreiche Aromaten mit einer Donorgruppe an. Diese Kupplungskomponente bestimmt, wo die Azobrücke ansetzt. Das Standardbeispiel ist 2-Naphthol im Alkalischen:

\[\ce{C6H5N2^+ + C10H7O^- -> C6H5-N=N-C10H6O^- + H^+}\]

Es entsteht der Azofarbstoff 1-Phenylazo-2-naphtholat.

  1. Aktivierung: Im Alkalischen liegt 2-Naphthol als Naphtholat vor. Die negative Ladung am Sauerstoff macht den Ring besonders elektronenreich.
  2. Angriff: Der endständige Stickstoff des Diazoniumions greift C-1 an, also ortho zur OH-Gruppe.
  3. σ-Komplex: Bei Angriff an C-1 bleibt der zweite Benzolring vollständig aromatisch.
  4. Rearomatisierung: C-1 gibt ein Proton ab, das Naphthalinsystem ist wieder intakt.

Auch C-3 steht ortho zur OH-Gruppe. Ein Angriff dort würde im σ-Komplex aber auch den Nachbarring stören. Deshalb kuppelt 2-Naphthol an C-1.

Reaktionsmechanismus der Azokupplung an 2-Naphtholat mit nummeriertem Naphthalinring.

2-Naphtholat kuppelt an C-1, weil der σ-Komplex dort einen aromatischen Benzolring behält.

Bratton-Marshall-Reagenz

Neben 2-Naphthol ist dies die wichtigste Kupplungskomponente der Arzneibuchanalytik.

📖 Definition: Bratton-Marshall-Reagenz

Das Bratton-Marshall-Reagenz ist N-(1-Naphthyl)ethylendiamin, meist als Dihydrochlorid. Es kuppelt mit Diazoniumsalzen para zur Aminogruppe am Naphthalinring zu einem violettroten Azofarbstoff.

Damit weist man primäre aromatische Amine nach. Das gilt auch für Amine, die erst durch Hydrolyse frei werden, etwa aus Furosemid. Welche Arzneistoffe das betrifft, zeigt die Freisetzung aromatischer Amine.

Welche Aromaten kuppeln?

Entscheidend ist ein elektronenschiebender Substituent: \(\ce{-OH}\), \(\ce{-O^-}\), \(\ce{-NH2}\), \(\ce{-NHR}\) oder \(\ce{-NR2}\). Er aktiviert die ortho- und para-Positionen, und mindestens eine davon muss frei sein. Elektronenziehende Gruppen wie \(\ce{-CONH2}\), \(\ce{-COOH}\) oder \(\ce{-NO2}\) senken die Elektronendichte und verhindern die Kupplung.

Verbindung Donor Kupplungsposition geeignet
2-Naphthol \(\ce{-OH}\) (als \(\ce{-O^-}\)) C-1, ortho ja
N-(1-Naphthyl)ethylendiamin \(\ce{-NHR}\) C-4, para ja
1-Naphthylamin \(\ce{-NH2}\) C-4, para ja
N,N-Dimethylanilin \(\ce{-N(CH3)2}\) para ja
Phenol \(\ce{-OH}\) para oder ortho ja
Naphthalin-2-carboxamid nur Akzeptor \(\ce{-CONH2}\) keine nein

Sechs Strukturformeln aromatischer Verbindungen mit markierten Donorgruppen und Kupplungspositionen.

Kupplungskomponenten mit markierter Kupplungsposition; Naphthalin-2-carboxamid trägt nur einen Akzeptor.
🎯 Examensrelevant: Kupplungsposition und Eignung

Examensklassiker: 2-Naphthol kuppelt im Alkalischen an C-1 ortho zur OH-Gruppe, das Bratton-Marshall-Reagenz para zur Aminogruppe. Bei Strukturformeln zählt eine Donorgruppe mit freier ortho- oder para-Position. Naphthalin-2-carboxamid trägt nur einen Akzeptor und kuppelt nicht.

Daraus folgt zweierlei. Primäre aromatische Amine wie 1-Naphthylamin können auch selbst Kupplungskomponente sein. Phenole lassen sich ebenfalls über die Azokupplung nachweisen, und zwar als Kupplungskomponente mit einem fertigen Diazoniumsalz. Das Reagenzpaar Natriumnitrit und 2-Naphthol erfasst sie nicht, denn es setzt ein diazotierbares Amin voraus. Sind die Positionen 2, 4 und 6 eines Phenols alle besetzt, findet das Diazoniumion keinen Angriffsort.

A Diazokomponente
  • primäres aromatisches Amin
  • wird mit \(\ce{NaNO2}\) und HCl zum Diazoniumion
  • liefert das Elektrophil
  • Beispiele: Benzocain, Sulfanilamid
B Kupplungskomponente
  • elektronenreicher Aromat mit freier o- oder p-Position
  • wird vom Diazoniumion angegriffen
  • liefert das Nukleophil
  • Beispiele: 2-Naphthol, Bratton-Marshall-Reagenz, Phenole

Struktur des Azoprodukts

Im Azoprodukt verbindet eine Azobrücke \(\ce{-N=N-}\) die beiden Aromaten. Sie sitzt genau dort, wo die Diazokomponente ihre \(\ce{NH2}\)-Gruppe trug. Alle anderen Gruppen überstehen Diazotierung und Kupplung unverändert. Die Farbe stammt vom konjugierten π-System über beide Ringe und die Azogruppe, eine Chelatbildung braucht es dafür nicht.

⚠️ Achtung: Azo- und Hydrazobrücke

Ein Hydrazin \(\ce{-NH-NH-}\) trägt zwei Wasserstoffatome mehr und wäre das Reduktionsprodukt. Ein Diarylamin \(\ce{Ar-NH-Ar'}\) hat nur ein Stickstoffatom, ein N-Nitroamin eine \(\ce{NO2}\)-Gruppe am Stickstoff. Die beiden Stickstoffatome der Azobrücke stammen aus Amin und Nitrit.

Das richtige Azoprodukt unter mehreren Strukturformeln zu finden, solltest du sicher können. Entscheidend sind die \(\ce{-N=N-}\)-Brücke an der früheren Aminposition und die unveränderten übrigen Gruppen. So gehst du vor:

  1. Amin suchen: Die \(\ce{NH2}\)-Gruppe der Diazokomponente wird zu \(\ce{-N=N-}\). Ihre Position am Ring bleibt gleich.
  2. Kupplungsstelle setzen: Bei 2-Naphthol führt die Brücke zu C-1, beim Bratton-Marshall-Reagenz para zur NH-Gruppe.
  3. Rest prüfen: Ester, Sulfonamid, Carboxy- und Hydroxygruppen stehen unverändert da. Das Naphthalinsystem bleibt aromatisch.
  4. Brücke prüfen: Amid, Imin, Hydrazin und Diarylamin scheiden aus, übrig bleibt die Azoverbindung.

Aus Benzocain entsteht ein Azofarbstoff, der die Ethylestergruppe behält. Bei Sulfanilamid steht die Azogruppe para zur Sulfonamidgruppe, weil dort vorher das Amin saß. Bei p-Aminosalicylsäure bleibt die Diazoniumgruppe an C-4. Carboxy- und Hydroxygruppe bleiben an C-1 und C-2. Für das Amin aus hydrolysiertem Furosemid gilt dasselbe Prinzip, nur führt die Brücke zum Naphthalinring des Bratton-Marshall-Reagenzes.

Drei Strukturformeln von Azofarbstoffen mit 2-Naphthol, Azobrücke hervorgehoben.

Azofarbstoffe aus Benzocain, Sulfanilamid und p-Aminosalicylsäure: Die Azogruppe sitzt dort, wo vorher NH2 stand.

Quiz

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richtig oder falsch iWarum nur Aussagen? Fragen mit fünf Antworten löst man am sichersten, indem man jede Aussage einzeln bewertet: ✓✓ sicher richtig, ✓ eher richtig, 0 unsicher, ✗ eher falsch, ✗✗ sicher falsch. Mit dem Ausschlussprinzip ergibt sich daraus die Lösung. Dieses einzelne Bewerten ist der wichtigste Handgriff fürs Examen, und genau den übst du hier.

Aussage 1

Überschüssiges Nitrit wird nach der Diazotierung und vor der Kupplung mit Sulfaminsäure zerstört.

Sulfaminsäure reagiert mit salpetriger Säure zu \(\ce{N2}\), Schwefelsäure und Wasser. So stört Nitrit die Kupplung nicht.

Aussage 2

Das farbige Produkt der Azokupplung enthält eine Hydrazobrücke \(\ce{-NH-NH-}\) zwischen den beiden Aromaten.

Es entsteht eine Azobrücke \(\ce{-N=N-}\). Die Hydrazoverbindung wäre das Reduktionsprodukt.

Aussage 3

Phenol lässt sich mit Natriumnitrit in Salzsäure zu einem Diazoniumsalz umsetzen und dient dann als Diazokomponente.

Diazotieren lassen sich nur primäre aromatische Amine. Phenole tragen keine Aminogruppe, sie dienen als Kupplungskomponente.

Aussage 4

Beim Azofarbstoff aus diazotiertem Benzocain und 2-Naphthol ist die Ethylestergruppe noch vorhanden.

Diazotierung und Kupplung verändern nur die Aminogruppe. Alle übrigen Gruppen bleiben erhalten.

Aussage 5

Naphthalin-2-carboxamid ist wegen seines ausgedehnten aromatischen Systems eine geeignete Kupplungskomponente.

Es trägt mit \(\ce{-CONH2}\) nur einen Akzeptor und ist nicht elektronenreich genug. Geeignet sind etwa 1-Naphthylamin oder N,N-Dimethylanilin.

Aussage 6

2-Naphtholat wird vom Diazoniumion bevorzugt an C-3 angegriffen, weil C-3 ortho zur OH-Gruppe steht.

2-Naphthol kuppelt an C-1. Nur dort bleibt im σ-Komplex der zweite Benzolring aromatisch.

Aussage 7

N-(1-Naphthyl)ethylendiamin kuppelt mit Diazoniumsalzen para zur Aminogruppe zu einem violettroten Azofarbstoff.

Das ist das Bratton-Marshall-Reagenz. Die Kupplung erfolgt an C-4 des Naphthalinrings, para zur NH-Gruppe.

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