Benutzer:Kas1989/Thorpe Ziegler
Die Thorpe-Ziegler Reaktion (auch als Thorpe-Ziegler Ringschlußverfahren oder nur Thorpe-Cyclisierung bekannt) ist eine Namensreaktion in der organischen Chemie. Die Reaktion verläuft analog zur Dieckmann-Kondensation, als Edukte werden jedoch keine Dicarbonsäureester, sondern α,ω-Dinitrile eingesetzt. Diese Reaktion hat viele Anwendungen in der Herstellung von Heterocyclen und Macrocyclischen Ketonen. Bei der Thorpe-Ziegler Reaktion werden Dinitrile mit einer sterisch gehinderten Base und anschließende saure Aufarbeitung zunächst zu Ketonitrilen und dann durch Energiezuvor (meist in Form von Wärme) zu zyklischen Ketonen
Mechanismus
Zur Aufklärung des folgenden Mechanimuses wurden UV-Analysen verwendet, mit deren Hilfe man die sich bildenden Zwischenprodukte nachweisen kann.
Die geschlängelte Linie im Molekül soll eine beliebig lange Kohlenstoffkette andeuten. An den beiden Enden dieser Kette hängt jeweils eine Nitrilgruppe, somit handelt es sich um ein α, Ω − Dinitirl 1. Versetzt man dieses Molekül mit einer sterisch gehinderten Base ( hier Kalium-tert-butanolat ), so wird eines der Kohlenstoffatome, an dem die Nitrilgruppe hängt, deprotoniert wodurch das tert-butanolat zum tert-butanol wird. Man erhält die deprotonierte Form des Dinitirl 2. Das soeben deprotonierte Kohlenstoffatom greift nun das Kohlenstoffatom der nicht an ihm hängenden Nitirlgruppe an. Dadurch bildet sich
die cyklische Form 3, an der ein negativ geladenes Stickstoffatom hängt. Diese greift nun das Wasserstoffteilchen der Hydroxygruppe des tert-butanols an und wird so zu einem Imin 4. Durch die Zugabe von Säure wird dieses Stickstoffatom nun ein weiteres
mal protoniert, wodurch das Iminium-Ion 5 entsteht. An das Kohlenstoffatom des Iminiums lagert sich nun ein Wassermolekül an, wodurch nun eine Oxoniumgruppe im Molekül entsteht. Außerdem lagert sich ein Elektronenpaar der Doppelbindung so zum Stickstoffatom um, dass das Iminium zur Aminogruppe wird 6. Das Stickstoffatom dieser Aminogruppe greift nun ein Wasserstoffatom der Oxoniumgruppe an. Dadurch wird die Oxoniumgruppe zur
Hydroxygruppe und die Aminogruppe zur Ammoniumgruppe 7. Die Ammoniumgruppe spaltet sich nun vom Molekül ab und greift das Wasserstoffatom der Hydroxygruppe an, so dass sich eine Carbonylgruppe 8 bildet. Die Reaktion kann an dieser Stelle unterbrochen werden, das Produkt wäre ein cyclisches Keton mit einer Nitrigruppe in β-Stellung.
Doch häufiger findet die Thorpe Reaktion Anwendung bei der Herstellung von cyclischen Ketonen. Um aus dem bisher erzeugeten Produkt 8 nun in ein solches Keton umzuwandeln versetzt man es zunächst mit Oxonium-Ionen. Dadurch wird die Nitrilgruppe protoniert 9. Nun lagert sich ein Wassermolekül an das Kohlenstoffatom der protonierten Nitrilgruppe. Dadurch lagert sich eine Bindung zwischen dem Kohlenstoff und dem Stickstoff um und es entsteht ein Imin 10. Das Stickstoffatom des Imin greift nun ein Wasserstoffatom der soeben gebildetene Oxoniumgruppe an. Hierdurch wird das Imin zur Iminium protoniert und die Oxoniumgruppe zur Hydroxygruppe deprotoniert 11. Nun lagern sich die Elektronen im Molekül erneut um, so dass aus der Hydroxygruppe eine Carbonylgruppe wird und aus dem Iminium eine Aminogruppe 12. Die Carbonylgruppe wird nun durch ein Oxonium-Ion protoniert 13. Das Kohlenstoffatom der protonierten Carbonylgruppe wird nun durch ein Wassermolekül angegriffen, und die Elektronen der Doppelbindung zwischen dem Kohlenstoffatom und dem Sauerstoffatom lagern sich um. Dadurch ensteht das Molekül 14, welches nun über eine Aminogruppe, eine Hydroxygruppe und eine Oxoniumgruppe verfügt. Die Aminogruppe deprotoniert nun die Oxoniumgruppe, wodurch Molekül 15 mit zwei Hydroxygruppe und einer Ammoiniumgruppe entsteht. Nun deprotoniert die Ammoiniumgruppe eine der beiden verbleibenden Hydroxygruppen und spaltet sich dann als Ammonium-Ion ab. Durch die Umlagerung der Bindungselektronen in der soeben deprotonierten Hydroxygruppen bildet sich eine Carboxygruppe wodurch das Molekül zu einer Carbonsäure 16 wird. Erhitzt man diese, so decarboxyliert sie. Das bedeutet, dass die Carboxylgruppe zerfällt. Hierbei ensteht Kohlenstoffdioxid (17) und in das gewünschte cyclische Keton 18.
Zusammengefasst stellt damit die Thorpe-Ziegler-Reaktion eine intramolekulare Reaktion eines Dintrils zu einem Ketonitril, bzw. einem Cycloalkanon dar.
Die Herstellung von 9- bis 13-gliedrigen Ringen ist aufgrund transannularer Spannungen schwer, dementsprechend schlecht sind die Ausbeuten. Bei der Durchführung einer Thorpe-Ziegler Reaktion arbeitet man nach dem Ziegler-Ruggli-Verdünnungsprinzip stets in sehr verdünnter Lösung. So ist gewährleistet, dass die Wahrscheinlichkeit einer intermolekularen Reaktion geringer ist als die der gewünschten, intramolekularen Reaktion. Dies basiert darauf, dass die Wahrscheinlichkeit, dass die Enden des gleichen Moleküls zueinander finden, unabhängig von der Konzentration der Moleküle ist, während die Wahrscheinlichkeit, dass zwei Moleküle zueinander finden, mit zunehmender Verdünnung abnimmt.
Eine wichtige Anwendung der Thorpe-Ziegler-Reaktion ist die Synthese von Thiamin. Dort wird sie zur Darstellung des Pyrimidinanteils verwendet. Dabei reagiert N'-cyano-N-(2-cyanoethyl)-acetamidin zu 4-Amino-2-methyl-1,6-dihydro-5-pyrimidincarbonitril. Dieses wird dann weiter zum eigentlich gewünschten Produkt, dem 4-Amino-5-aminomethyl-2-methylpyrimidin, umgesetzt.[2]
Die Reaktion wurde im Jahr 1933 von Jocelyn Thorpe und Karl Ziegler entdeckt und nach ihnen benannt.
Quellen
- ↑ nach:B. P. Mundy, M. G. Ellerd, F. G. Favaloro:Name Reactions and Reagents in organic Synthesis, 2. Auflage, Wiley-Interscience, Hoboken, NJ 2005, ISBN 978-0-471-22854-7, S. 646.
- ↑ A. Edenhofer et al.: Studien über die Thorpe-Ziegler-Reaktion – Eine neue Synthese des Pyrimidinanteils von Thiamin. In: Helvetica Chimica Acta, 58(4), 1975, S. 1230–1240
[[Kategorie:Namensreaktion]]