Stabilität von Nitroxylradikalen

Oxidationen mit TEMPO
Christopher Rose/ Stefan Weiß
Gliederung:
1.) Stabilität/ Labilität von Nitroxylradikalen
2.) TEMPO- ein stabiles Radikal
3.) Vorteile von TEMPO gegenüber anderen (gewöhnlichen)
Oxidationsmitteln
4.) Redox- Chemie von TEMPO
5.) Möglichkeiten der Reaktionsführung
6.) Mechanismus der Alkoholoxidation
7.) Produktdifferenzierung durch Wahl der Reaktionsbedingungen
8.) Zusammenfassung
1.) Stabilität/ Labilität von Nitroxylradikalen
Einflussfaktoren auf Stabilität/ Labilität:
Sterische Hinderung
Stabilität gegenüber (radikal.) Disproportionierung
Delokalisation des ungepaarten Elektrons
2.) TEMPO- Ein stabiles Radikal
Keine - Wasserstoffatome!
Me
Me
N
Me
Me
Delokalisation des
ungepaarten Elektrons
nur über N-O- Bindung!
O
Sterische Abschirmung durch die Methylgruppen
TEMPO= 2,2,6,6-tetramethylpiperidin- N- oxyl
3.) Wichtige Vorteile von TEMPO gegenüber
anderen konventionellen Oxidationsmitteln
Bei entsprechenden Reaktionsbedingungen:
Selektive Oxidation von primären Alkoholen in
Gegenwart sekundärer Alkohole
Lediglich katalytische Mengen an TEMPO nötig
„Saubere“ und leicht zugängliche Co-Oxidantien
wie z.B. NaOCl
4.) Redox- Chemie von TEMPO
R
N
ox.
R
red.
OH
R
N
R
ox.
R
red.
O
+
N
R
O
Reaktive Spezies bei
der Oxidation von Alkoholen!
pH- Abhängigkeit:
+
R
2
N
O
R
H
R
+
H
+
N
O
R
+
R
N
R
OH
5.) Möglichkeiten der Reaktionsführung
5.1 Separate Darstellung des Oxoammoniumsalzes
Vorteil: Kein Co- Oxidans in der Reaktionsmischung
vorhanden
Nachteil: Stöchiometrische Mengen an TEMPO nötig
Wird im Vergleich zur katalytischen
Reaktionsführung eher selten angewandt!
5.2 Einbau in einen Katalysezyklus
5.2.1 pH < 2
2
Me
Me
N
Me
Me
Me
Me
+
N
Me
+
Me
Oxidation
des Alkohols
+Co- Oxidans
Me
2 Me
Me
N
OH
Me
Me
N
OH
O
O
Me
Me
Me
5.2.2 pH > 3
2
Me
Me
Me
N
Me
+Co- Oxidans
2
Me
Me
+
N
O
O
Me
Me
+
N
O
Me
Me
Oxidation
des Alkohols
Me + Me
Me
Me
Me
N
OH
Me
Gesamtübersicht
Ox = Co- Oxidans
6.) Mechanismus der Alkoholoxidation
„pH- abhängige“ Übergangszustände:
pH < 2
Me
Me
Me
Me
N
HO + O
R2
Me
Me
Me
N
Me
O
+
+
R2
R1
OH
B
H
R1
pH > 3
O
Me
Me
N
Me
Me
-O + O
R1
H
R2
Me
Me
Me
N
OH
Me
+
R2
R1
BH+
7.) Produktdifferenzierung durch Wahl
der Reaktionsbedingungen
7.1. Reines organisches Lösungsmittel
7.2. Zweiphasiges- Lösungsmittelgemisch (wässrig/
organisch)
7.3. Homogen- wässriges Millieu
7.1. Reines organisches Lösungsmittel

Oxidation nur bis zur Carbonylverbindung
Reaktionsbeispiele:
7.2. Zweiphasiges- Lösungsmittelgemisch
(wässrig/ organisch)
 Oxidation zum Carboxylat nur bei Verwendung von
ausreichend hydrophilen Substraten in Verbindung mit
Phasentransferkatalysatoren und, wenn gleichzeitig 2 eq CoOxidans eingesetzt werden.
Reaktionsbeispiele:
7.3. Homogen- wässriges Millieu
 Ausschließliche Oxidation zum Carboxylat (Voraussetzung:
mindestens 2 eq Co- Oxidans)
 Methode der Wahl zur Oxidation von (teilweise geschützten)
Kohlehydraten
Reaktionsbeispiel:
Zusammenfassung:
Die Oxidation von Alkoholen mit TEMPO bietet folgende Vorteile:
 Selektive Oxidation von primären Alkoholen in Gegenwart
sekundärer Alkohole
 Es fallen keine toxischen Abfälle an
 Katalytischer Einsatz von TEMPO genügt (bei entsprechender
Reaktionsführung); NaOCl als Co- Oxidans kostengünstig und
einfach zugänglich
 Wahl der Reaktionsbedingungen (Lösungsmittel;
Stoffmengenverhältnis Substrat/ Co-Oxidans) lässt eine
Produktdifferenzierung Carbonylverbindung/ Carbonsäure zu
 Oxidationen mit TEMPO können meist unter relativ milden
Bedingungen durchgeführt werden: Leicht alkalische Lösung/
Raumtemperatur bzw. geringfügig darüber oder darunter
 Kurze Reaktionszeiten: i. d. R. im Bereich 15min bis 5h
 Funktionelle Gruppen wie Doppel-/ Dreifachbindungen, Ester
Ether, Acetale, Epoxide, Amide, Halogenide und Azide sowie
die Schutzgruppen benzyl, acetyl, Cbz, Boc, MOM, THP,
TBDMS werden nicht beeinträchtigt
Quellen:
Arjan E.J. de Nooy, Arie C. Besemer,
Herman van Bekkum, Synthesis, 1996,
1153- 1174
Waldemar Adam, Chantu R. Saha-Möller,
Pralhad A. Ganeshpure, Chem. Rev., 2001,
101, 3499- 3548