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-DonorenMetalle, die sich in geeigneten Solventien lösenBsp.: Niedervalentes Titan

• Elementarer WasserstoffBei katalytischer Hydrierung

• Überträger von H-AtomenBsp.: 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 C M

Red.Mittel: LiAlH4, LiBHEt3, DIBAL

Wichtige Reduktionen

• Ein-Elektronen-Reduktion von Carbonylverbindungenund Estern, reduktive KupplungBsp.: Mc Murry-, Pinakol-Reaktion

Red.Mittel: sich auflösende unedle Metalle, Bsp.: niedervalentes Titan

O

O

OH

OH

O

O

Wichtige Reduktionen

• Reduktion von Carbonsäurederivaten zu– Alkoholen – Aminen– Aldehyden

Red.Mittel: Hydridreagenzien

C

O

NH2C

NH2R

C

O

XC

OHR

C

O

XC

O

H

Wichtige Reduktionen

• Hydrierung von Olefinen

Red.Mittel: Pd, Pt + H2

C C

H

H

H

H

C C

H H

H

H

H

H

Wichtige Reduktionen

• Reduktion von AromatenBsp.: 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

Red.Mittel: H2 + Pd, Pt, Raney-NiC C HH C CH H

HH

H H

C C HH C C

HH

H H

Red.Mittel: Lindlar-Katalysator

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

Aldehyd, Amin-++RCN →

Alkan, Amin

Aldehyd(-)++Amid →Amin

(-)++RCO2H →Alkohol

Aldehyd-++Ester →Alkohol

++(-)(-)+Epoxid →Alkohol

-+++RCOX →Alkohol

++++RCOR‘ →Alkohol

++++RCHO →Alkohol

RED-AlDIBALLiAL(OtBu)3HLiAL(OMe)3HLiAlH4

Mechanismus der Hydridreduktion mit LiAlH4

Mechanismus der Hydridreduktion mit DIBAL

Borhydride

N-SelectridKHB(CH(CH3)CH2CH3)3

N-SelectridNaHB(CH(CH3)CH2CH3)3

LS-SelectrideLiHB(CH(CH3)CH(CH3) 2 ) 3

L-SelectridLiHB(CH(CH3)CH2CH3)3

NatriumcyanotrihydroboratNaBH3CN

SuperhydridLiBHEt3

NatriumborhydridNaBH4

Reaktionen von Borhydriden

AlkoholAlkoholAlkoholSuperhydrid

AldehydAlkoholAlkoholL-Selectrid

---AlkoholAminNaBH3CN

-AlkoholAlkoholAlkoholAminNaBH4

AmidEsterKetonAldehydIminium-Ion

Reduktion von Carbonylverbindungen

Reduktive Aminierung

Beispiel:

Wolff-Kishner-Reduktion

Barton-McCombie-Reduktion

Mechanismus der Barton-McCombie-Reaktion

Propagation:

Kettenstart:

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 JahreR-Enantiomer wirkt beruhigend, Anwendung bei schwangeren FrauenS-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 Katalysator-

Oberfläche 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