7 Aldehyde und Ketone 7.1 Allgemeines 2 eaktivitätszentren: : δ : X: α-wasserstoff (Kap. 9) δ eaktionen an der arbonylgruppe X = : Aldehyde X = Alkyl, Aryl: Ketone X = al,, 2 : arbonsäurederivate Kapitel 7: eaktionen an der arbonylgruppe von Aldehyden und Ketonen Kapitel 8: eaktionen von arbonsäuren und deren Derivaten Kapitel 9: Enolate 7.2 Bisher besprochene wichtige erstellungsmethoden für Aldehyde und Ketone xidationen primärer und sekundärer Alkohole: Kap. 6 ydratisierung von Alkinen ( 2 /g 2 bzw. ydroborierung und 2 2 ): Kap. 4 zonolyse von Alkenen und (im Fall von Aldehyden reduktive) Aufarbeitung: Kap. 4 Acylierung und Formylierung von Arenen: Kap. 5 ydrolyse von α,α-dihalogeniden: Kap. 2 Ph l 2 2 3 Ph xo-synthese (ydroformylierung) (Kap. 4) = 2 2 o 2 () 8 -kat. 3 2 2 Prof.. Mayr, LMU München, -2 Vorlesung im WS 2009/2010 Achtung Lückentext. ur als Begleittext zur Vorlesung geeignet. 152
7.3 Mechanismen der Additionen an die arbonylgruppe von Aldehyden und Ketonen δ δ μ ~ 9 x 10 30 m Die Additionen von X an die arbonylgruppe verlaufen entweder über einen primären Angriff eines Elektrophils oder eines ucleophils ' :X :X Anders als bei -Doppelbindungen ist bei -Doppelbindungen die π-bindungsenergie größer als die σ-bindungsenergie. Daher liegt das Gleichgewicht der Additionen von X an die arbonylgruppe häufig auf der Seite der eaktanten. 7.4 Bildung von ydraten durch Wasseraddition Zusammenhang zwischen Struktur und ydratisierungsgleichgewicht ' K l 3 3 3 3 % ydrat in 2 100% 99% 58% < 1% Prof.. Mayr, LMU München, -2 Vorlesung im WS 2009/2010 Achtung Lückentext. ur als Begleittext zur Vorlesung geeignet. 153
Trichloracetaldehyd (hloral) bildet ein stabiles ydrat, Formaldehyd liegt in wässriger Lösung überwiegend als ydrat vor (Formalin) während Ketone kaum hydratisiert werden. 2 7.5 eaktion mit Alkoholen: albacetale und Acetale Die Bildung von albacetalen ist wie die ydratisierung reversibel und wird durch Säuren oder Basen katalysiert. ' K albacetal (emiacetal) Die Gleichgewichtskonstanten der albacetal-bildung aus arbonylverbindungen und Alkoholen hängen in ähnlicher Weise von der Struktur der arbonylverbindungen ab wie die ydratisierungsgleichgewichte. Befinden sich Aldehyd- und ydroxylgruppe im selben Molekül, kommt es zur Bildung cyclischer albacetale, wenn dabei ein 5- oder 6-ing entsteht. 2 2 2 albacetale stehen immer im Gleichgewicht mit den Edukten, so dass sie die typischen arbonylreaktionen zeigen. Prof.. Mayr, LMU München, -2 Vorlesung im WS 2009/2010 Achtung Lückentext. ur als Begleittext zur Vorlesung geeignet. 154
Die Bildung cyclischer albacetale spielt in der Kohlenhydrat-hemie eine wichtige olle: = = 2 D-Glucose (Traubenzucker) 2 = = D-ibose Unter Säurekatalyse entstehen in Gegenwart überschüssigen Alkohols Vollacetale. In Abwesenheit von Säure können albacetale jedoch nicht zu Vollacetalen weiterreagieren. ' albacetal ' 2 ' ' ' ' Acetal Prof.. Mayr, LMU München, -2 Vorlesung im WS 2009/2010 Achtung Lückentext. ur als Begleittext zur Vorlesung geeignet. 155
Bruttogleichung 2 ' [ ] ' ' 2 Aldehyd Alkohol Acetal (Vollacetal) Acetale sind gegenüber Basen (ucleophilen) inert (warum?) lassen sich aber durch Säuren leicht spalten. Acetale eignen sich daher als Schutzgruppen. für die arbonylgruppe. Insbesondere die aus 1,2-Diolen gebildeten cyclischen Acetale finden hierbei Verwendung (warum?). 2 2 [ ] yclisches Acetal 2 Beispiele für den Einsatz von Acetal-Schutzgruppen: Bu : Li I 2 2 S 2 Bu, 2 4-oninal Prof.. Mayr, LMU München, -2 Vorlesung im WS 2009/2010 Achtung Lückentext. ur als Begleittext zur Vorlesung geeignet. 156
Die Bildung cyclischer Acetale aus 1,2- und 1,3-Diolen ist aus Entropie-Gründen besonders günstig. yclische 1,2-Diole mit inggröße 6 bilden solche Acetale nur, wenn die beiden -Gruppen cis-ständig sind. 3 3 2 S 4 2 2 α-d-galactose 1,2:3,4-Di--isopropylidenα-D-galactopyranosid 2 l Bn kinetisches Produkt Bn thermodynamisches Produkt 7.6 Thioacetale aus arbonylgruppen und Thiolen Für die Bildung von Thioacetalen aus arbonylverbindungen und Thiolen verwendet man Lewis-Säuren (BF 3, Znl 2 ) anstelle von Protonen-Säuren wie bei der Acetal-Bildung. Ihre Spaltung gelingt ebenfalls nicht mit Brønsted-Säuren, sondern kann beispielsweise mit gl 2 durchgeführt werden. 2 'S [BF 3 ] oder [Znl 2 ] 2 Aldehyd Thiol Thioacetal S' S' gl 2 2 Alternative ydrolyse von Dithioacetalen: Erwärmen mit Methyliodid in Aceton, das geringe Mengen Wasser enthält. Prof.. Mayr, LMU München, -2 Vorlesung im WS 2009/2010 Achtung Lückentext. ur als Begleittext zur Vorlesung geeignet. 157
orey-seebach-eaktion: Umpolung der arbonyl-eaktivität [BF 3 ] BuLi ' 2 Br S S ydrolyse wie oben aney- ickel 7.7 Bisulfit-Addukte aus Aldehyden und atriumhydrogensulfit Versuch: erstellung des Bisulfit-Addukts aus Benzaldehyd : : a. Ph S atriumsalze der α-ydroxysulfonsäuren Die Bisulfitaddukte sind wasserlöslich und können daher zur einigung von Aldehyden verwendet werden. Sie zerfallen beim Erwärmen in verdünnter Säure oder Lauge, so dass die Aldehyde regeneriert werden. Prof.. Mayr, LMU München, -2 Vorlesung im WS 2009/2010 Achtung Lückentext. ur als Begleittext zur Vorlesung geeignet. 158
7.8 ucleophile Addition von Ammoniak und Aminen. ' '' albaminal 2 ' '' Imin Schiffsche Base Azomethin Iminium-Ion Aminocarbenium-Ion Der vorstehend beschriebene Bildungsmechanismus eines Imins ist eine Plausibilitätsbetrachtung, wobei die eihenfolge der Protonenübertragungen von den eaktionsbedingungen abhängt. ' '' Imin 2 primäres Amin Semicarbazid ' '' xim ydroxylamin Phenylhydrazin Semicarbazon Phenylhydrazon Prof.. Mayr, LMU München, -2 Vorlesung im WS 2009/2010 Achtung Lückentext. ur als Begleittext zur Vorlesung geeignet. 159
itron-bildung ' " itron eaktion von Ammoniak mit Formaldehyd Das aus Ammoniak und Formaldehyd gebildete Methanimin ( 2 =) (Mechanismus wie bei primären Aminen) ist nicht stabil, sondern reagiert weiter unter Bildung von Urotropin (ame wegen seiner Verwendung als arnweg- Desinfiziens). Urotropin enthält vier Triazacyclohexan-Sessel und besitzt dieselbe Struktur wie Adamantan, das als Ausschnitt aus dem Diamant-Gitter angesehen werden kann... 2 3 x 3 3 Methanimin 1,3,5-Triazacyclohexan Urotropin examethylentetramin Adamantan Prof.. Mayr, LMU München, -2 Vorlesung im WS 2009/2010 Achtung Lückentext. ur als Begleittext zur Vorlesung geeignet. 160
Bildung von Enaminen aus Aldehyden oder Ketonen und sekundären Aminen ' '. '' analog der eaktion von '' '' primären Aminen Iminium-Ion Aminocarbenium-Ion ' Enamin Enamine enthalten eine elektronenreiche -Doppelbindung, die leicht von Elektrophilen angegriffen werden kann. Wichtiges Prinzip biochemischer Mechanismen! eduktive Aminierungen nutzen die Tatsache, dass schwache ydrid-überträger, wie ab 3, mit Iminium-Ionen, nicht aber mit arbonylverbindungen reagieren. a B 3 3 a B Prof.. Mayr, LMU München, -2 Vorlesung im WS 2009/2010 Achtung Lückentext. ur als Begleittext zur Vorlesung geeignet. 161
Iminium-Ionen werden hierbei i. A. in situ erzeugt, wenn eine arbonylverbindung mit Ammoniak oder einem Amin und atriumcyanoborhydrid gemischt wird. 3 ab 3 2 Ph 3 p 6 Ph 3 Mechanismus: 3 B Ph 3 p 6 Als ydriddonor kann auch das Formiat-Ion dienen: Bei der Leuckart-Wallach- eaktion werden arbonylverbindungen mit Aminen und Ameisensäure (im einfachsten Fall Ammoniumformiat) erhitzt. ' 4 Auf diese Weise gelingt die Monomethylierung sekundärer Amine. Ph 2 100 Mannich-eaktion: Die aus sekundären Aminen und arbonylverbindungen entstehenden Iminiumionen können beispielsweise an elektronenreichen Arenen angreifen. Andere Varianten der Mannich-eaktion folgen in Kapitel 9. ( 3 ) 2 ( 3 ) 2 Gramin (Indol-Alkaloid, das in zahlreichen Pflanzen vorkommt) Mechanismus: Elektrophile aromatische Substitution (Aminoalkylierung) 3 2 3 Prof.. Mayr, LMU München, -2 Vorlesung im WS 2009/2010 Achtung Lückentext. ur als Begleittext zur Vorlesung geeignet. 162
Iminium-katalysierte Diels-Alder-eaktionen (MacMillan, 2000) Da α,β-ungesättigte Iminiumionen viel stärkere Dienophile sind als die entsprechenden arbonylverbindungen, können chirale sekundäre Amine die enantioselektive Bildung von Diels-Alder-Addukten aus prochiralen eaktanten katalysieren. Ph 3 3 3 l (5 mol-%) 82 % 94 % ee als Dienophil fungiert 3 3 Ph 3 l eterocyclen-synthese Umsetzungen von Dicarbonylverbindungen mit Aminen sind für die erstellung von -eterocyclen sehr wichtig. So sind z. B. viele substituierte Pyrazole, Pyrrole und xazole sehr leicht zugänglich. α-diketone 2 2 2,3-Dimethyl-chinoxalin β-diketone 2 2 3,5-Dimethyl-pyrazol 2 3,5-Dimethyl-isoxazol γ-diketone und analoge Verbindungen 3 2,5-Dimethyl-pyrrol Prof.. Mayr, LMU München, -2 Vorlesung im WS 2009/2010 Achtung Lückentext. ur als Begleittext zur Vorlesung geeignet. 163