Nucleophile Additionen an Carbonyle und Nitrile
Wie Cyanid, Alkohole, Amine, Grignard-Verbindungen, Hydrid und Wasser an Carbonylgruppen und Nitrile addieren und welche Produkte dabei entstehen.
Das Wichtigste in Kürze
- Nucleophile Additionen an Carbonyle und Nitrile beruhen auf dem Angriff eines Nucleophils am elektrophilen C-Atom der C=O- bzw. C≡N-Gruppe.
- Aceton gibt mit HCN bzw. KCN das Acetoncyanhydrin \(\ce{(CH3)2C(OH)CN}\), Benzaldehyd das Mandelsäurenitril; die Reaktion ist basekatalysiert und umkehrbar.
- Bei der Imin- und Hydrazonbildung entsteht über ein zwitterionisches Addukt zunächst ein Halbaminal; Alkohole liefern analog Halbacetale.
- Aldehyde ergeben mit Grignard-Verbindungen sekundäre Alkohole, Formaldehyd einen primären; Nitrile liefern nach Hydrolyse Ketone.
- Bei der sauren Nitrilhydrolyse wird der Stickstoff protoniert, Wasser greift das sp-C an, und ein Oxoniumion tritt auf.
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Worum es geht
Das Carbonyl-C ist positiv polarisiert und zieht Nucleophile an. Nach demselben Muster reagiert auch das sp-hybridisierte C-Atom der Nitrile. Wer diesen einen Grundgedanken beherrscht, kann Cyanhydrine, Halbacetale, Alkohole und Ketone ableiten, also wichtige Bausteine der Arzneistoffsynthese.
Cyanhydrinbildung
Cyanid ist ein C-Nucleophil. Es addiert an Aldehyde und Ketone zu einem Cyanhydrin. Aceton liefert mit HCN oder mit KCN in Wasser das Acetoncyanhydrin (2-Hydroxy-2-methylpropannitril):
\[\ce{(CH3)2C=O + HCN ->[OH^-] (CH3)2C(OH)CN}\]
Benzaldehyd gibt mit KCN in verdünnter Salzsäure Mandelsäurenitril (Mandelonitril, 2-Hydroxy-2-phenylacetonitril):
\[\ce{C6H5CHO + HCN -> C6H5CH(OH)CN}\]
Ein Cyanhydrin trägt OH-Gruppe und Nitrilgruppe am selben C-Atom. Es entsteht durch nucleophile Addition von Cyanid an eine Carbonylgruppe.
- Aktivierung: Katalytische Mengen \(\ce{OH-}\) deprotonieren HCN zu \(\ce{CN-}\).
- Angriff: Das C-Atom des Cyanids greift das Carbonyl-C an. Es entsteht ein tetraedrisches Alkoholat.
- Protonierung: Das Alkoholat holt ein Proton von HCN. Dabei bildet sich \(\ce{CN-}\) zurück.
Die Reaktion ist deshalb basekatalysiert. Säure würde Cyanid zu HCN protonieren, und HCN ist ein schwaches Nucleophil. Der Ansatz in verdünnter Salzsäure widerspricht dem nicht: Die Säure setzt HCN aus KCN frei, ein Rest Cyanid bleibt als Nucleophil. Katalytisch wirkt nur das Hydroxid. HCN bzw. Cyanid wird als Reaktionspartner verbraucht.
Cyanid bindet über das C-Atom, daher entstehen Nitrile und keine Isonitrile. Formal ist HCN zwar CH-acide. Anders als bei einer Knoevenagel-Kondensation wird aber kein Wasser abgespalten. Aus Aceton entsteht also kein α,β-ungesättigtes Nitril. Die Addition ist umkehrbar: Base spaltet ein Cyanhydrin wieder in Keton und HCN, ganz ohne Oxidationsmittel.
O- und N-Nucleophile
Alkohole addieren als O-Nucleophile. Benzaldehyd und Ethanol bilden in einer nucleophilen Addition ein Halbacetal:
\[\ce{C6H5CHO + C2H5OH <=> C6H5CH(OH)OC2H5}\]
Die Weiterreaktion zum Acetal behandelt die Seite Halbacetale, Acetale und Ketale.
Primäre Amine und Hydrazin reagieren als N-Nucleophile. Der freie Stickstoff greift das Carbonyl-C an. Zuerst entsteht ein zwitterionisches Addukt mit \(\ce{N+}\) und \(\ce{O-}\). Ein Protonenwechsel liefert das Halbaminal. Erst danach spaltet sich Wasser ab, und es entsteht das Imin bzw. Hydrazon (Iminbildung).
Im Halbacetal tragen OH und OR dasselbe C-Atom. Im Halbaminal sitzen OH und eine Amino- bzw. Hydrazinogruppe geminal am selben C-Atom.
Grignard-Verbindungen und Hydride
Grignard-Verbindungen liefern ein carbanionisches C-Nucleophil. Es addiert an das Carbonyl-C, die Hydrolyse protoniert das Alkoholat:
\[\ce{R-CHO + R'MgX -> RR'CH-OMgX ->[H3O+] RR'CH-OH}\]
Aldehyde ergeben so sekundäre Alkohole. Die Ausnahme ist Formaldehyd. Er trägt zwei H-Atome und liefert deshalb einen primären Alkohol.
Auch die Hydridreduktion folgt diesem Muster. Das Hydridion ist das Nucleophil und addiert an das Carbonyl-C. Die Reduktion mit \(\ce{NaBH4}\) ist also eine nucleophile Addition.
Additionen an Nitrile
Das sp-hybridisierte Nitril-C ist ebenfalls elektrophil. Eine Grignard-Verbindung addiert zum Imin-Magnesiumsalz. Die Hydrolyse macht daraus ein Keton (Grignard an Nitrile):
\[\ce{R-C#N + R'MgX -> RR'C=NMgX ->[H3O+] RR'C=O}\]
Bei der sauer katalysierten Hydrolyse ist Wasser das Nucleophil:
\[\ce{R-C#N + 2 H2O + H+ -> R-COOH + NH4+}\]
- Protonierung: Das Proton bindet an das Stickstoffatom. Es entsteht ein Nitrilium-Ion.
- Angriff: Wasser greift das sp-hybridisierte Nitril-C an. Ein Oxoniumion tritt als Intermediat auf.
- Deprotonierung und Tautomerie: Die Imidsäure lagert sich zum Amid um.
- Hydrolyse: Das Amid wird zur Carbonsäure und \(\ce{NH4+}\) gespalten.
Produkte aus Formeln ableiten
Bei vorgelegten Strukturformeln hilft ein fester Ablauf. Man sucht zuerst das elektrophile C-Atom und das Nucleophil. Das Nucleophil bindet an dieses C. Bei Carbonylen wird der Sauerstoff zur OH-Gruppe. Bei Nitrilen führt die Hydrolyse zum Keton.
Ein Beispiel zeigt die Abbildung. Benzonitril reagiert mit Ethylmagnesiumbromid. Nach Hydrolyse entsteht Propiophenon. \(\ce{NaBH4}\) addiert Hydrid an dessen Carbonyl-C, so entsteht 1-Phenylpropan-1-ol, ein sekundärer Alkohol.
Quiz
Aussage 1
Bei der sauer katalysierten Nitrilhydrolyse wird im ersten Schritt das Nitril-C-Atom protoniert.
Protoniert wird das Stickstoffatom. Das Nitril-C wird anschließend von Wasser nucleophil angegriffen.
Aussage 2
Die Cyanhydrinbildung wird durch Säure katalysiert, weil die protonierte Carbonylgruppe elektrophiler ist.
Die Cyanhydrinbildung ist basekatalysiert. Säure würde \(\ce{CN-}\) zu HCN protonieren, einem schwachen Nucleophil; katalytisch wirkt \(\ce{OH-}\).
Aussage 3
Acetaldehyd liefert mit Methylmagnesiumbromid und anschließender Hydrolyse einen sekundären Alkohol.
Aldehyde außer Formaldehyd ergeben mit Grignard-Verbindungen sekundäre Alkohole, hier Propan-2-ol.
Aussage 4
Bei der Hydrazonbildung tritt ein Halbaminal als Zwischenstufe auf, bevor Wasser abgespalten wird.
Nach dem Angriff des Stickstoffs entsteht ein zwitterionisches Addukt, dann das Halbaminal; erst danach folgt die Wasserabspaltung.
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