Organoiodverbindungen

Organoiodverbindungen sind eine Stoffgruppe der organischen Chemie. Sie umfasst organische Verbindungen, die eine Kohlenstoff-Iod-Bindung aufweisen. Untergruppen sind Alkyliodide, bei denen das Iod an ein sp³-hybridisiertes Kohlenstoffatom gebunden ist, Iodalkene, bei denen es an ein sp²-hybridisiertes Kohlenstoffatom eines Alkens gebunden ist, Iodaromaten beziehungsweise Aryliodide, bei denen es an einen aromatischen Ring gebunden ist sowie Carbonsäureiodide, bei denen es die Hydroxygruppe einer Carbonsäure ersetzt. Verbindungen, die nur aus Kohlenstoff, Wasserstoff und Iod bestehen, werden Iodkohlenwasserstoffe genannt.

Elementares Iod wurde 1811 entdeckt. Organoiodverbindungen wurden erst etwas später erstmals gewonnen und untersucht. Während die gesundheitliche Bedeutung und medizinische Anwendung von Iod im Zusammenhang mit der Schilddrüse schon im Laufe des 19. Jahrhunderts aufgedeckt wurde, wurde das Thyroxin als iodhaltiges Schilddrüsenhormon erst später entdeckt: Es wurde zwischen 1913 und 1919 von Edward Calvin Kendall erstmals isoliert und seine Struktur zwischen 1925 und 1930 von Charles Harington aufgeklärt, der es auch erstmals im Labor synthetisierte. Das Triiodthyronin, ein weiteres Schilddrüsenhormon, wurde erst 1952 entdeckt.^[1]

Neben der umfangreichen Verwendung von elementarem Iod wurde auch das 1822 von Sérullas entdeckte Iodoform schon früh als Antiseptikum verwendet und war damit die erste medizinisch verwendete Organoiodverbindung. In der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts kamen weitere Verbindungen hinzu, die beispielsweise bei Schilddrüsenerkrankungen und als Röntgenkontrastmittel eingesetzt wurden.^[1]

Natürliche Organoiodverbindungen sind vergleichsweise selten, Organobrom- und Organochlorverbindungen sind in deutlich häufiger. Stand 2014 waren 182 iodierte Naturstoffe bekannt, die meisten davon aus Meereslebewesen, vor allem Algen, Schwämme und Nesseltiere.^[2]

Die erste bekannte natürliche Organoiodverbindung war das 3,5-Diiodtyrosin, das im Jahr 1896 aus Gorgonia cavolinii (Familie Gorgoniidae) isoliert wurde.^[2] Iodierte Tyrosinderivate sind außerdem essentielle Hormone in allen Wirbeltieren, bei den meisten lokalisiert in der Schilddrüse.^[3]

Algen enthalten ebenfalls Derivate des Tyrosins wie 3-Iodtyrosin und 3,5-Diiodtyrosin. Iodocionin aus Ciona edwardsii ist ein decarboxyliertes Derivat von Tyrosin. Verwandte Verbindungen wie das 3,5-Diiod-O-methyltyramin, davon abgeleitete Salze und Amide sowie das 3-Iodtyramin wurden aus Seescheiden der Gattung Didemnum, z. B. Didemnum rubeum, isoliert.^[2]

Die Plakohypaphorine aus Plakortis simplex sind iodierte Derivate von Tryptophan, ebenso wie die Hicksoane aus Subergorgia hicksoni. Aus Insekten wurden 2-Iodhistidin und 5-Iodhistidin nachgewiesen.^[2]

Schwämme bilden unter anderem iodierte Cyclodepsipeptide, darunter Vertreter der Geodiamolide, die unter anderem in der Gattung Geodia vorkommen. Auch Doliculid aus Dolabella auricularia ist ein Cyclodepsipeptid.^[2]

Kleine und strukturell einfache organische Moleküle mit organisch gebundenem Iod sind in großer Zahl aus Algen bekannt. Viele Arten bilden Iodmethan und Diiodmethan. Iodoform ist hingegen nur aus Asparagopsis taxiformis bekannt, die große Mengen an bromierten und iodierten Verbindungen enthält, darunter beispielsweise 2-Iodethanol und Iodaceton. Andere ähnliche Moleküle aus Algen sind beispielsweise Iodethan, 1-Iodpropan und 2-Iodpropan.^[2] Im Meer produzierte Organoiodverbindungen wie Iodmethan, Diiodmethan und Chloriodmethan gelangen aus dem Meer in die Atmosphäre. Die jährliche Emissionsmenge wird auf 0,3 bis 2 Millionen Tonnen geschätzt. Als Quelle werden dabei sowohl die Biosynthese durch Algen als auch photochemische Reaktionen angenommen. Organoiodverbindungen haben in der Atmosphäre deutlich geringere Lebenszeiten als andere Halogenverbindungen, beispielsweise etwa 2–6 Tage für Iodmethan. Photolytisch gebildete Iodatome abstrahieren wegen der schwachen H-I-Bindung keine Wasserstoffatome von anderen Verbindungen, stattdessen reagieren sie mit Ozon zu Iodmonoxid. Wegen der vergleichsweise kurzen Lebenszeit wird angenommen, dass Organoiodverbindungen kaum in die Stratosphäre transportiert werden, sodass sich ein Ozonabbau durch Organoiodverbindungen auf die Trophosphäre konzentriert.^[4] Iodmethan, Iodethan und Chloriodmethan wurden außerdem in vulkanischen Gasen nachgewiesen.^[2]

Aus der Weichkoralle Clavularia viridis wurden iodierte Butenolid-Terpenoid, darunter die Iodovulone, isoliert. Auch unter den Diterpenoiden aus der Gruppe der Briarane sind iodierte Vertreter bekannt, darunter die Dichotellide aus Dichotella gemmacea und Fragilisinine aus Junceella fragilis. Auch aus Algen sind verschiedene iodierte Terpenoide bekannt.^[2]

5-Iodtubercidin, das ein Nucleosid und ein sehr starker Inhibitor der Adenosinkinase ist, wurde aus der Rotalge Hypnea valendiae isoliert. Braunalgen aus dem Taxon Laminariales bilden 2,6-Dibrom-4-iodphenol, das sie in Form von Oligomeren und Polymeren speichern und vermutlich als Abwehrstoffe einsetzen. Daneben sind aus Algen auch weitere iodierte Polyphenole bekannt. Aus Schwämmen sind iodierte Polyine bekannt, beispielsweise Phosphoiodin A und B und Placotylen A und B. Breitfussin A aus Thuiria breitfussi ist eine Triarylverbindung, die sowohl Brom als auch Iod enthält. Bakterielle Organoiodverbindungen sind eher selten, dazu gehören vor allem Vertreter der Calicheamicine aus Micromonospora echinospora, aber auch das 3,6-Diiodcarbazol aus dem Cyanobakterium Kyrtuthrix maculans.^[2]

Eine radikalische Iodierung von Alkanen mit elementarem Iod ist nicht möglich. Dies liegt daran, dass die Abstraktion von Wasserstoff durch atomates Iod endotherm ist, was eine Kettenreaktion verhindert.^[5] Allerdings ist die Iodierung von Alkanen und Cycloalkanen mit tert-Butylhypoiodit bekannt. Dieses kann beispielsweise Butan zu 2-Iodbutan und Cyclohexan zu Iodcyclohexan umsetzen.^[6] Auch eine entsprechende Iodierungsreaktion mit hypervalentem Iod ist bekannt^[6] sowie die Reaktion mit Iod in Gegenwart von Blei(IV)-acetat.^[5] Die Addition von elementarem Iod an Alkene ist deutlich langsamer als die von Brom oder Chlor und außerdem reversibel, sodass sie nur eine begrenzte Bedeutung hat. Hingegen können Interhalogenverbindungen wie Iodmonochlorid, Iodmonobromid und Iodmonofluorid gut an Alkene addiert werden um gemischte Halogenide zu erzeugen. Auch Iodwasserstoff kann in einer Markovnikov-Addition mit Alkenen umgesetzt werden, wobei die Ergebnisse besser sind, wenn dieser in situ erzeugt wird, beispielsweise aus Kaliumiodid und Phosphorsäure. Eine Anti-Markovnikov-Addition ist durch Hydroborierung möglich, gefolgt beispielsweise von einer Reaktion mit Iod und Natriumhydroxid oder Natriummethanolat. Auch weitere Additionsreaktionen sind bekannt, so die von in situ generierte hypoiodiger Säure zur Bildung von Iodhydrinen.^[7]

Eine wichtige Methode zur Herstellung von Alkyliodiden ist die Finkelstein-Reaktion. Dabei werden Löslichkeitseffekte ausgenutzt, um Alkylchloride und Alkylbromide entgegen der üblichen Reaktivität in die analogen Iodide zu überführen. Hierzu wird Aceton als Lösungsmittel eingesetzt, in dem Natriumiodid gut löslich ist, Natriumchlorid und Natriumbromid jedoch nicht. Durch Substitution gebildetes Chlorid oder Bromid fällt aus und wird dem Gleichgewicht entzogen.^[8] Weitere analog verwendbare Lösungsmittel sind Butanon, Dimethylformamid und Hexamethylphosphorsäuretriamid. Tertiäre Alkyliodide können aus den entsprechenden Alkylchloriden mit Natriumiodid und Zinkchlorid oder Eisen(III)-chlorid hergestellt werden. Daneben ist ein Halogenaustausch aus Fluor- und Chlorverbindungen auch mit Trimethylsilyliodid möglich.^[9] Diverse schwefelhaltige Gruppen wie Thiole, Disulfide, Sulfinsäuren und Sulfonsäuren können mit Triphenylphosphin und Iod substituiert werden. Selenone können mit Natriumiodid substituiert werden.^[10] Alkohole können durch Reaktion mit Iodwasserstoff in organische Iodide überführt werden, entweder durch direkte Reaktion oder In-situ-Herstellung mit Kaliumiodid und Phosphorsäure. Daneben ist auch der Einsatz von Phosphortriiodid (aus rotem Phosphor und elementarem Iod) oder von Diphosphortetraiodid möglich. Alternativ können Alkohole in Sulfonsäureester wie Tosylate überführt und dann mit Natriumiodid oder anderen Iodidsalzen umgesetzt werden.^[11] Mit passenden Reagenzien ist eine Etherspaltung unter gleichzeitiger Iodierung möglich, beispielsweise mit Iodwasserstoff oder besser mit Kaliumiodid und Phosphorsäure. Ein alternatives Reagenz ist Bortriiodid, das zum Beispiel Tetrahydrofuran zu 1,4-Diiodbutan spaltet.^[12] In der Hunsdiecker-Reaktion können Silbersalze von Carbonsäuren decarboxyliert und mit Iod in Alkyliodide überführt werden.^[13] Organometallverbindungen von Lithium, Natrium, Magnesium, Silicium, Thallium, Quecksilber, Zink und Kupfer reagieren mit Iod zu Organoiodverbindungen. Eine wichtige Methode ist die Überführung von Organobrom- in Organoiodverbindungen über lithiumorganische Verbindungen.^[14]

Iodalkine können durch Iodierung terminaler Alkine hergestellt werden. So ist die Addition von in situ gebildetem Iodwasserstoff an Alkine möglich.^[15] Andere Möglichkeiten zur Iodierung von terminalen Alkinen sind die Reaktion mit Iod-Morpholin-Komplex, mit Iod in flüssigem Ammoniak oder die Reaktion von Acetyliden mit elementarem Iod. Die Addition von elementarem Iod an Alkine läuft leichter ab als die an Alkene, sodass die Addition an Alkine Iodalkene ergibt. Bei Alkinen mit elektronenziehenden Gruppen wie dem Propiolsäureethylester ist auch eine Addition mit Natriumiodid und Essigsäure möglich.^[16]

Die Herstellung von Iodalkenen durch Eliminierung aus vicinalen Diiodverbindungen ist schwierig, da diese leicht Diiod abspalten, was iodfreie Alkene ergibt, einige spezielle Fälle solcher Reaktionen sind jedoch bekannt. Iodalkene können jedoch auf verschiedenen Weg aus Alkinen hergestellt werden, zum Beispiel über Iodalkine, indem diese mit Diimin reduziert werden. Eine wichtige Methode ist auch die Hydroborierung von terminalen Alkinen, zum Beispiel mit Catecholboran oder Lithiumborhydrid und anschließende Iodierung mit Iod oder Iodmonochlorid. Statt mit Bor sind ebenfalls Hydrometallierungen mit Aluminium oder Zirconium möglich. Daneben können durch Reaktion von Alkinen mit diversen Organometallverbindungen (beispielsweise Ethylkupfer oder Organoaluminiumverbindungen) zusätzliche organische Gruppen eingeführt und die erhaltenen Intermediate mit Iod iodiert werden. Andere Methoden gehen statt von einem Alkin direkt von einer Vinyl-Metall-Verbindung aus, beispielsweise durch Reaktion entsprechender Organosilane mit Iodmonochlorid. Andere Vinylverbindungen können ebenfalls als Ausgangsverbindungen dienen, so gelingt die Umwandlung von Bromalkenen in Iodalkene mit Kaliumiodid und Kupfer(I)-iodid in Hexamethylphosphorsäuretriamid oder die Umwandlung von Vinyltriflaten mit Magnesiumiodid und Triethylamin. Carbonylverbindungen können durch Wittig-Reaktion in Iodalkene überführt werden oder über Hydrazone als Intermediat.^[15] Bei dieser Hydrazon-Iodierung wird ein Hydrazon in Gegenwart einer Guanidin-Base mit Iod oxidiert.^[17]

Aromaten können in einer elektrophilen aromatischen Substitution iodiert werden. Bei elektronenreichen Verbindungen gelingt dies direkt mit Iod. In Gegenwart von Schwefelsäure und Salpetersäure kann zum Beispiel auch Benzol in Iodbenzol umgewandelt werden.^[18] Diese Methode lässt sich generell für elektronenarme Aromaten anwenden, die beispielsweis Nitro- oder Carboxygruppen tragen. Viele Arten von Aromaten, inklusive Aniline und Phenole, lassen sich mittels Benzyltrimethylammoniumdichloroiodat iodieren. Die Iodierung mittels Iod oder Iodid gelingt oft unter Zusatz von Aktivatoren wie beispielsweise Oxidationsmitteln wie Peressigsäure.^[19] Dazu gehören Tetrabutylammoniumiodid mit Ammoniumcer(IV)-nitrat sowie Natriumiodid mit Chloramin-T oder tert-Butylhypochlorit. Daneben sind viele Methoden unter Zusatz von Metallsalzen bekannt. So wurden beispielsweise Quecksilber(II)-acetat, Quecksilber(II)-oxid mit Tetrafluoroborsäure, Aluminiumchlorid mit Kupfer(II)-chlorid, Silbernitrat oder Silbersulfat genutzt. Auch eine Kombination von Iod mit Bis(trifluoracetoxy)iodbenzol wurde eingesetzt. Weitere Methoden nutzen Iodsäure (beispielsweise zur Umwandlung von Ethylbenzol zu 4-Iodethylbenzol) oder Thalliumtrifluoracetat mit Iod oder Kaliumiodid.^[18]

Arylmetallverbindungen können leicht iodiert werden. Dazu gehören die Reaktion von Boronsäuren mit Iod und Chloramin-T und die Reaktion entsprechender Organosilane mit Iodmonochlorid. Daneben sind auch Reaktionen von zinnorganischen, lithiumorganischen, kupferorganischen und Grignard-Verbindungen mit Iod bekannt. Eine weitere wichtige Methode ist die Iodierung von aromatischen Diazoniumsalzen mit Iod oder Iodid. Eine Eintopfreaktion zur Umwandlung von Anilinen in Aryliodide gelingt mit Natriumnitrit und Trimethylsilyliodid.^[20]

Die meisten Organoiodverbindungen fallen in die zwei Gruppen der Alkyliodide und Aryliodide. Alkylioide sind die reaktivsten unter den Alkylhalogeniden und gehen sehr leicht nucleophile Sustitutionen ein. Daneben reagieren sie in Eliminierungen und Reduktionsreaktionen. Aryliodide hingegen reagieren in nucleophilen aromatischen Substitutionen und Kreuzkupplungen. Beide Klassen können durch Iod-Metall-Austausch zu Organometallverbindungen reagieren.^[21]

Organoiodverbindungen sind katalytische Intermediate bei der Herstellung von Essigsäure durch Carbonylierung von Methanol. Zwei wichtige Verfahren hierfür unterscheiden sich vor allem im verwendeten Metallkatalysator: der Monsanto-Prozess (Rhodium) und der Cativa-Prozess (Iridium).^[21] Vereinfach ausgedrückt wird intermediär gebildetes Methyliodid carbonyliert, was zum Acetyliodid führt, dessen Hydrolyse das Produkt Essigsäure ergibt. Aus dem gleichzeitig anfallenden Iodwasserstoff wird Methyliodid zurückgebildet. Die Gesamtreaktion ist die Umsetzung von Methanol und Kohlenstoffmonoxid zu Essigsäure. Das Verfahren wird im sehr großen Maßstab durchgeführt, die weltweite Jahresproduktion beträgt etwa 7 Millionen Tonnen und wird vom Monsanto-Prozess dominiert.^[22]

Iodierte Pharmazeutika sind eher selten, Fluor ist von den Halogenen am häufigsten vertreten, gefolgt von Chlor. Der wichtigste Anwendungsbereich von Organoiodverbindungen in der Medizin sind Röntgenkontrastmittel. Dies hängt direkt mit der großen Atommasse von Iod zusammen, wodurch diese Atome und entsprechend die iodierten Verbindungen Röntgenstrahlung absorbieren.^[23]

Halogene sind in sehr vielen Agrochemikalien enthalten, wobei Iod eher selten vorkommt. Beispiele sind das Iodosulfuronmethyl-Natrium, das als Herbizid eingesetzt wird, Proquinazid, das als Fungizid eingesetzt wird und Flubendiamid, das als Insektizid eingesetzt wird.^[24]