Aldolreaktion
Eine Aldolreaktion ist in der organischen Chemie eine durch Säuren oder Basen katalysierte Reaktion von Aldehyden oder Ketonen. Aldoladdition oder Aldolisation bezeichnet die Addition eines Enolats oder Enolations als Nukleophil an eine Carbonyl-Komponente als Elektrophil. Dabei entsteht ein β-Hydroxyaldehyd oder β-Hydroxyketon. Bei einer Aldolkondensation erfolgt anschließend eine Eliminierung von Wasser und es bildet sich ein α,β-ungesättigtes Carbonyl. Die Aldolspaltung oder Retroaldolreaktion ist die Rückreaktion in die Ausgangsverbindungen.
Der Name Aldehyd-Alkohol-Reaktion leitet sich vom Reaktionsprodukt im Falle einer Reaktion unter Aldehyden, einem β-Hydroxyaldehyd, ab.
Aldolreaktionen sind wichtige Reaktionen für die Bildung von Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen und ein grundlegendes Reaktionsprinzip in der organischen Chemie.
Geschichte
Die Aldolreaktion wurde unabhängig voneinander von Charles Adolphe Wurtz und von Alexander Porfyrevich Borodin im Jahre 1872 entdeckt. Borodin hat hier die Dimerisierung von Acetaldehyd zu 3-Hydroxybutanal (andere Namen sind Aldol oder Acetaldol) unter sauren Bedingungen beobachtet.
Reaktion
Aldoladdition
Bruttoreaktionsgleichung einer Aldoladdition zweier Ketone (alle Reste sind Alkylgruppen) zu β-Hydroxyketon:
Sind in der obigen Reaktionsgleichung R2 bis R4 Wasserstoff und R1 eine Methylgruppe (zwei Ethanalmoleküle) entsteht das Aldol (3-Hydroxybutanal).
Aldolkondensation
Im alkalischen oder auch sauren Milieu dimerisiert Ethanal (Acetaldehyd) in einer Gleichgewichtsreaktion zu 3-Hydroxybutanal. Im Sauren und/oder durch Erhitzen reagiert das gebildete Aldol unter Wasserabgabe (Dehydratisierung) weiter zum ungesättigten Aldehyd („Alkenal“). Sind in der obigen Reaktionsgleichung R1 bis R3 Wasserstoff und R4 eine Methylgruppe, so entsteht der Crotonaldehyd. Dieser kann als Ausgangsstoff für 1,3-Butadien (Buna-Synthese) genutzt werden.
gekreuzte Aldolreaktion
Von einer gekreuzten Aldolreaktion spricht man, wenn zwei verschiedene Carbonylverbindungen miteinander umgesetzt werden. Besitzen beide eine ähnliche Carbonylaktivität und Struktur (beide mit α-H) so erhält man Produktgemische. Die Reaktion ist also unselektiv und es können dabei alle vier Reaktionen gleichzeitig ablaufen. Dies ist meist unerwünscht und kann bei Reaktion zwischen Aldehyden oder zwischen Aldehyden und Ketonen durch die Wahl von passenden Reaktionspartnern oder den Einsatz starker Basen wie Lithiumdiisopropylamid beeinflusst werden.[1]
Mechanismus
Basenkatalysierte Aldoladdition und -kondensation
Carbonyle, die in α-Position H-Atome besitzen, werden als C,H-acide Verbindungen bezeichnet. Durch Zugabe einer Base können diese unter Bildung eines Enolats deprotoniert werden. Die Acidität hängt von verschiedenen strukturellen Faktoren ab, auch vom Energieinhalt der erzeugbaren Enolate. Ihre Ursache liegt in der Bildung eines mesomeriestabilisierten Systems begründet. Enolate verfügen über zwei nukleophile Positionen. Mit dem Enolat-Kohlenstoff können sie andere Carbonyle am Carbonylkohlenstoff unter Bildung von β-Hydroxycarbonylen angreifen. Man spricht dann von einer Aldoladdition.
Diese können schließlich thermisch bzw. basenkatalysiert zu α,β-ungesättigten Carbonylen dehydratisiert werden. Bei dieser Vorgehensweise spricht man von der Gesamtreaktion als Aldolkondensation. Es handelt sich um eine Reaktion nach dem E1cb-Mechanismus.
Des Weiteren ist auch ein nukleophiler Angriff des Enolat-Sauerstoffs an bestimmten Elektrophilen möglich.
Säurekatalysierte Aldoladdition und -kondensation
Im sauren Milieu wird die Keto-Enol-Tautomerie katalysiert. Zugleich kann auch die Carbonylfunktion direkt protoniert werden. Ein Enol kann dann die protonierte Carbonylgruppe nukleophil angreifen. Nach Abspaltung des katalytischen Protons erhält man auch wieder das Aldol.
Zu Beginn der säurekatalysierten Aldolkondensation kann wieder von einer Keto-Enol-Tautomerie ausgegangen werden. Das Enol wird protoniert und das gesamte Molekül spaltet Wasser ab. Das katalytische Proton wird wieder abgespaltet. Zurück bleibt ein α,β-ungesättigtes Aldehyd.
Stereoselektivität
- → Hauptartikel: Zimmerman-Traxler-Modell
Bei der Aldoladdition kann Stereoselektivität in Form von so genannter einfacher Diastereoselektivität auftreten. Das bedeutet, dass die zwei zuvor $ sp^{2} $-hybridisierten Kohlenstoff-Atome (des Enolats und der Carbonyl-Komponente), die im Produkt eine gemeinsame Bindung aufweisen und jeweils ein Stereozentrum bilden, zueinander dieselbe Relativkonfiguration einnehmen. Dies wird anhand des Zimmerman-Traxler-Modells des Übergangszustands erklärt, in dem eine pseudo-Sesselkonformation angenommen wird.
Anwendung
Die Aldolreaktion ist ein sehr weit verbreitetes Verfahren und hat seine Anwendung sowohl im Labormaßstab als auch in der großtechnischen Produktion.
Die Aldolreaktion hat in der Synthese, besonders von Naturstoffen, große Bedeutung erlangt. In engem Zusammenhang mit der Aldolreaktion stehen Namensreaktionen wie die Claisen-Kondensation, die Henry-Reaktion und die Knoevenagel-Reaktion. Eine asymmetrische Aldolreaktion unter milden Bedingungen ist die Hajos-Parrish-Eder-Sauer-Wiechert-Reaktion.
Ein Schlüsselschritt in der Synthese von Atorvastatin, einem Herzmedikament von Pfizer welches 1996 eingeführt wurde, sind zwei Aldolreaktionen.
Biologische Bedeutung
Die Aldolreaktion und ihre Umkehrung sind bei vielen enzymatisch katalysierten biochemischen Reaktionen an der Veränderung des Kohlenstoffgerüstes von Naturstoffen beteiligt. Beispielsweise wird beim aeroben Kohlenhydratabbau am Anfang des Citratzyklus das Citrat aus Oxalessigsäure und Acetyl-CoA in einer Aldoladdition gebildet.
Erfolgt die Biosynthese der Isoprenoide über die Mevalonsäure, dann ist dort die Verknüpfung von Acetyl-CoA und Acetacetyl-CoA zu 3-Hydroxy-3-methylglutaryl-CoA eine Aldolreaktion.
Bei der Gluconeogenese reagieren die beiden isomeren Ketotriosen Glycerinaldehyd-3-Phosphat und Dihydroxyacetonphosphat im Sinne einer Aldolreaktion zu Fructose-1,6-bisphosphat.
Die frühere Annahme von Adolf von Baeyer und anderen, dass eine Aldolkondensation ein wichtiger Schritt der pflanzlichen Stärkesynthese ist, ist durch neuere Erkenntnisse überholt.
Literatur
- Thomas Laue, Andreas Plagens: Namen- und Schlagwort-Reaktionen der Organischen Chemie. 5. durchgesehene Auflage, unveränderter Nachdruck. Vieweg + Teubner, Wiesbaden 2009, ISBN 978-3-8351-0091-6.
- Jürgen Falbe, Manfred Regitz (Hrsg.): Römpp kompakt Basislexikon Chemie. Thieme, Stuttgart u. a. 1998, ISBN 3-13-115711-9.
Weblinks
Commons: Aldolreaktion – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien
Einzelnachweise
- ↑ Hans Peter Latscha, Uli Kazmaier: Chemie für Biologen, S. 537.