Reduktion und asymmetrische Reduktion

Reduktion und asymmetrische
Reduktion
Monika Vogt und Stefanie Röker
Reduktion:
• Aufnahme von Elektronen durch Substrat
• Organik: Häufig mit der Aufnahme von
Wasserstoff verbunden
Reduktionsmittel in der organischen
Chemie
•
Elektronen-Donoren
Metalle, die sich in geeigneten Solventien lösen
Bsp.: Niedervalentes Titan
•
Elementarer Wasserstoff
Bei katalytischer Hydrierung
•
Überträger von H-Atomen
Bsp.: Bu3SiH; (Me3Si)3SiH
•
Reagenzien die nucleophilen Wasserstoff übertragen
- kovalente neutrale Metallhydride
BH3, DIBAL, Et3SiH
- lösl., ion. Komplexe Metallhydride, die sich von vierbindigem Bor oder Aluminium
ableiten
- Organometallverbindungen, die am β-C-Atom ein H-Atom enthalten, dass auf org.
Substrate übertragbar ist
RLi, RMgBr
Wichtige Reduktionen
• Reduktion von Alkylhalogeniden und – sulfonaten zu
Alkanen; Reduktion von Epoxiden zu Alkoholen
C
X
C
H
C
X
Red.Mittel: LiAlH4, LiBHEt3, DIBAL
C
M
Wichtige Reduktionen
• Ein-Elektronen-Reduktion von Carbonylverbindungen
und Estern, reduktive Kupplung
Bsp.: Mc Murry-, Pinakol-Reaktion
O
OH
O
OH
O
O
Red.Mittel:
sich auflösende unedle Metalle,
Bsp.: niedervalentes Titan
Wichtige Reduktionen
• Reduktion von Carbonsäurederivaten zu
– Alkoholen
– Aminen
– Aldehyden
O
C
O
NH2
C
R
C
X
O
C
NH2
C
R
O
OH
C
X
H
Red.Mittel: Hydridreagenzien
Wichtige Reduktionen
• Hydrierung von Olefinen
H
H
C
H
C
H
H
Red.Mittel: Pd, Pt + H2
H
H
C
C
H
H
H
Wichtige Reduktionen
• Reduktion von Aromaten
Bsp.: Birch-Reduktion
Red.-Mittel: Na in fl. NH3
Red.-Mittel bei anderen Reduktionen: H2 + Raney-Ni, Pd,
Pt, Rh/Al2O3
Wichtige Reduktionen
• Reduktion von Alkinen
H
C
C
H
H
H
H
C
C
H
H
H
H
C
C
H
H
C
H
H
C
H
Red.Mittel: H2 + Pd, Pt, Raney-Ni
Red.Mittel: LindlarKatalysator
Inhalt
• Reduktion durch komplexe Metallhydride
– Aluminiumhydride
– Borhydride
• Reduktion von Carbonylverbindungen
– Reduktive Aminierung
– Wolff-Kishner-Reduktion
• Barton-McCombie-Reduktion
Aluminiumhydride
• Vorteile
– Starke Hydridüberträger
– Meist kein Angriff auf C-C-Doppel- oder Dreifachbindung
• Nachteile
– Reaktion mit protischen LM
• Reaktivität ist abhängig von
– Eigenschaften des Metallions
– Liganden
– Substanzen, die Metallionen komplexieren
Übersicht Aluminiumhydride
LiAlH4
RCHO →
Alkohol
RCOR‘ →
Alkohol
RCOX →
Alkohol
Epoxid →
Alkohol
Ester →
Alkohol
RCO2H →
Alkohol
Amid →
Amin
RCN →
Alkan, Amin
+
+
+
+
+
+
+
+
LiAL(OMe)3H
LiAL(OtBu)3H
+
+
+
(-)
+
+
+
+
+
+
+
(-)
(-)
(-)
-
DIBAL
RED-Al
+
+
+
+
Aldehyd
Aldehyd
Aldehyd,
Amin
Mechanismus der Hydridreduktion mit
LiAlH4
Mechanismus der Hydridreduktion mit
DIBAL
Borhydride
NaBH4
Natriumborhydrid
LiBHEt3
Superhydrid
NaBH3CN
Natriumcyanotrihydroborat
LiHB(CH(CH3)CH2CH3)3
L-Selectrid
LiHB(CH(CH3)CH(CH3) 2 ) 3
LS-Selectride
NaHB(CH(CH3)CH2CH3)3
N-Selectrid
KHB(CH(CH3)CH2CH3)3
N-Selectrid
Reaktionen von Borhydriden
Iminium Aldehyd
-Ion
Keton
Ester
Amid
NaBH4
Amin
Alkohol Alkohol Alkohol
-
NaBH3CN
Amin
Alkohol
-
-
-
L-Selectrid
Alkohol Alkohol
Superhydrid
Alkohol Alkohol Alkohol
Aldehyd
Reduktion von Carbonylverbindungen
Reduktive Aminierung
Beispiel:
Wolff-Kishner-Reduktion
Barton-McCombie-Reduktion
Mechanismus der Barton-McCombieReaktion
Kettenstart:
Propagation:
Vor- und Nachteile der Reduktion mit
Bu3SnH
• Vorteile
–
–
–
–
Hohe Ausbeuten ( 70-90%)
Relativ schnell (1-4h)
Leicht handhabbar
Milde Bedingungen ( neutrales Milieu )
• Nachteile
– Relativ teuer
– Sehr toxisch
– Zinnreste sind schlecht vom Produkt abtrennbar
Asymmetrische Reduktion
Warum ist die asymmetrische Reduktion
wichtig?
• Viele biologische Prozesse sind von Natur aus
asymmetrisch
• Absolute Konfiguration von Medikamenten ist
ausserordentlich wichtig
Bsp.: Contergan, 1960er Jahre
R-Enantiomer wirkt beruhigend, Anwendung bei
schwangeren Frauen
S-Enantiomer ist teratogen
→ Mißbildung von Föten
Katalytische Hydrierung mit
Heterogenen Katalysatoren
• Elementares Metall als Katalysator
– Pd
– Pt
– Raney-Ni
Ni mit hoher spezifischer Oberfläche
• H2 und Olefin werden an der KatalysatorOberfläche zum Alkan umgesetzt
• Normalerweise stereoselektive cis-Addition
• Ausnahmen: trans-hydriertes Produkt
Cis-selektive heterogene katalytisierte
Hydrierung
Stereo-unselektive heterogen katalysierte
Hydrierung
Katalytische Hydrierungen mit
homogenen Katalysatoren
• Katalysatoren: gelöste Metallkomplexe
– RuCl3
– [RhCl{P(C6H5)3}3]
– Tertiäre Phosphan-Rh-Komplexe
• Enatiomerenreine chirale Katalysatoren:
Enantioselektive Addition von Wasserstoff
• 80er Jahre: Noyori entwickelt BINAP
BINAP
• 2,2-Bis(diphenylphosphanyl)-1,1-binaphtyl
• Anwendung als enantiomerenreiner Ligand
• Enantiomerenreines BINAP aus BINAP-Dioxid
BINAP
• Katalyse von
– Enantioselektiver Hydrierung der C=C-Doppelbindung von
bestimmten Allylalkoholen
– Enantioselektiver Hydrierung der C=C-Doppelbindung von
α-(Acylamino)acrylsäure
– Enantioselektiver Hydrierung von vielen ß-Ketoestern
Bedingungen für Stereoselektivität
• Absolute Konfiguration ändert sich mit:
– Wahl eines Ru – oder Rh-Komplexes
– Einsatz von R- oder S-BINAP
– Verwendung E- oder Z-konfiguriertes Olefin
• Entscheidend für enantioselektive Hydrierung:
– Ungesättigtes Substrat bildet mit Zentrum des Katalysators
wohldefinierte Stereostruktur
– Metall/Substrat-Komplex geht in Komplex über, der
zusätzlich mindestens einen Hydridoliganden enthält
Homogene enantioselektive Hydrierung
Literatur
• Reinhardt Brückner, Reaktionsmechanismen,
2.Auflage, Spektrum Verlag, Heidelberg 2003
• Autorenkollektiv, Organikum, 18.Auflage, Wiley
VCH, Berlin 1990
• K.P.C. Vollhardt, N.E. Schore, Organische Chemie,
3.Auflage, Wiley VCH, Weinheim 2000
• www.chemiestudent.de
• Ryoji Noyori, Assymetris Catalysis: Science and
Opportunities (Nobel Lecture 2001), Wiley VCH,
Weinheim