Reaktionsmechanismen

Claisen-, gekreuzte und Dieckmann-Esterkondensation

Esterenolate und Keton-Enolate greifen Ester an und bilden β-Ketoester und 1,3-Diketone: intermolekular nach Claisen, gekreuzt mit zwei verschiedenen Partnern oder intramolekular nach Dieckmann.

Prüfungsrelevanz: wichtig ✓ gelesen
Das Wichtigste in Kürze5 Punkte
  • Die Esterkondensation acyliert ein Ester- oder Keton-Enolat mit einem Ester nach Additions-Eliminierung zu einer 1,3-Dicarbonylverbindung.
  • Bei der Claisen-Kondensation ergeben zwei Moleküle Essigsäureethylester mit Natriumethanolat Acetessigester und Ethanol.
  • Die Claisen-Kondensation braucht stöchiometrisch Base, weil erst die Deprotonierung des β-Ketoesters die reversiblen Gleichgewichte zum Produkt zieht.
  • Gekreuzte Varianten nutzen Acylkomponenten ohne α-H: Acetophenon und Diethylcarbonat ergeben Benzoylessigsäureethylester.
  • Die Dieckmann-Kondensation cyclisiert Diester: Diethyladipat gibt mit NaOEt den Fünfring Ethyl-2-oxocyclopentancarboxylat, Heptandioate geben Sechsringe.

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Worum es geht

Esterkondensationen knüpfen eine C-C-Bindung zwischen dem α-C-Atom eines Esters oder Ketons und dem Carbonyl-C eines Esters. Sie liefern β-Ketoester und 1,3-Diketone, etwa Acetessigester als Baustein für Pyrazolone wie Phenazon.

Esterenolate als Nucleophile

Ester tragen am α-C schwach acide Wasserstoffatome. Die Carbonylgruppe stabilisiert das entstehende Carbanion durch Mesomerie, die Grundlagen stehen bei der CH-Acidität. Ester haben einen pKs-Wert um 25, Ketone um 19. Ketone sind acider, weil der Alkoxy-Sauerstoff des Esters die Carbonylgruppe durch seinen +M-Effekt abschwächt.

📖 Definition: Esterenolat

Das mesomeriestabilisierte Anion, das durch Abspaltung eines α-H aus einem Ester entsteht. Es reagiert am α-C als C-Nucleophil, allgemein beschrieben bei den Enolaten.

Natriumethanolat bildet das Enolat nur im Gleichgewicht und in kleiner Menge, denn Ethanol hat einen pKs um 16. Das genügt, weil das Enolat sofort weiterreagiert. Trifft es auf einen Ester, folgt eine Acylierung nach dem Additions-Eliminierungs-Mechanismus: Das Enolat addiert an das Carbonyl-C, das tetraedrische Intermediat stößt Alkoholat aus.

Claisen-Esterkondensation

Bei der Claisen-Kondensation reagieren zwei Moleküle Essigsäureethylester mit Natriumethanolat. Nach saurer Aufarbeitung entstehen Acetessigsäureethylester (Ethyl-3-oxobutanoat) und Ethanol. Allgemein kondensieren Ester so zu β-Ketoestern (β-Oxoestern), also Estern mit einer Ketogruppe am β-C.

\[\ce{2 CH3COOC2H5 ->[1. NaOC2H5][2. H3O+] CH3COCH2COOC2H5 + C2H5OH}\]

Reaktionsschema der Claisen-Kondensation von zwei Molekülen Ethylacetat zu Ethylacetoacetat und Ethanol mit Natriumethanolat und saurer Aufarbeitung.

Claisen-Kondensation: Aus zwei Molekülen Essigester entsteht Acetessigester; die neue C-C-Bindung verbindet α-C und Carbonyl-C.

Ein Estermolekül liefert als CH-acide Verbindung das Enolat, das andere dient als Carbonylkomponente.

  1. Deprotonierung: Ethanolat entfernt ein α-H, es entsteht das Esterenolat des Essigesters.
  2. Angriff: Das α-C des Enolats greift das Carbonyl-C eines zweiten Esters an.
  3. Zwischenstufe: Es bildet sich ein tetraedrisches Intermediat.
  4. Abspaltung: Ethanolat tritt aus, der β-Ketoester ist gebildet.
  5. Produktdeprotonierung: Die CH₂-Gruppe zwischen beiden Carbonylgruppen (pKs um 11) wird praktisch vollständig zum delokalisierten Enolat deprotoniert.
  6. Aufarbeitung: Säure protoniert das Enolat zum neutralen Acetessigester.

Mechanismus der Claisen-Kondensation mit Esterenolat, tetraedrischem Intermediat, Ethanolat-Abspaltung und Produktenolat.

Mechanismus der Claisen-Kondensation: Die Deprotonierung des β-Ketoesters zieht die vorgelagerten Gleichgewichte auf die Produktseite.

Die Schritte 1 bis 4 sind reversibel, ihr Gleichgewicht liegt eher auf der Eduktseite. Erst Schritt 5 zieht alles zum Produkt, wie ein Ventil, das nur in eine Richtung öffnet.

💡 Merke

Die Claisen-Kondensation ist nicht basenkatalysiert. Sie braucht stöchiometrisch Base, weil das Produkt als Enolat gebunden bleibt.

Die Base muss zum Ester passen: Ethylester mit Ethanolat. Natriummethanolat würde Ethylacetat zum Teil zum Methylester umestern. Ohne α-H gibt es kein Enolat. Methylbenzoat bildet deshalb mit Methanolat allein keinen β-Ketoester. Orthoessigsäuretriethylester fehlt die Carbonylgruppe, er kondensiert nicht.

Rückwärts läuft die Retro-Claisen-Spaltung: Alkoholat addiert an die Ketogruppe, und das tetraedrische Addukt setzt das Esterenolat als Abgangsgruppe frei. Abgrenzen musst du die Claisen-Kondensation von Umlagerungen, denn eine anionotrope 1,2-Verschiebung wie bei Wagner-Meerwein kommt nicht vor. Ein Keton plus ein Keton mit Ethanolat ergibt keine Claisen-Kondensation, sondern eine Aldolreaktion.

Gekreuzte Esterkondensation

Bei der gekreuzten Variante stammen Enolat und Acylkomponente aus verschiedenen Molekülen. Gut gelingt das, wenn die Acylkomponente kein α-H besitzt und selbst kein Enolat bildet. Typisch sind Kohlensäureester und aromatische Ester. Ketone liefern als acidere Partner bevorzugt das Enolat.

\[\ce{C6H5COCH3 + (C2H5O)2CO ->[NaOC2H5] C6H5COCH2COOC2H5 + C2H5OH}\]

Das α-C des Keton-Enolats greift das Carbonyl-C des Esters an, Alkoholat wird abgespalten. Mit Diethylcarbonat nennt man das α-Ethoxycarbonylierung. Produkt ist immer eine 1,3-Dicarbonylverbindung.

Enolatkomponente Acylkomponente Produkt
Essigsäureethylester Benzoesäureethylester Benzoylessigsäureethylester
Acetophenon Diethylcarbonat Benzoylessigsäureethylester
Acetophenon Methylbutanoat 1-Phenylhexan-1,3-dion
Cyclohexanon Diethylcarbonat + Ethanolat Ethyl-2-oxocyclohexancarboxylat

Benzophenon trägt kein α-H. Mit Ameisensäureethylester kann es daher keinen Benzoylessigester bilden.

Umgekehrt zerlegt man einen β-Ketoester retrosynthetisch so:

  1. Gerüst suchen: Die beiden Carbonylgruppen und das α-C dazwischen markieren.
  2. Schneiden: Eine Bindung zwischen α-C und einem Carbonyl-C trennen.
  3. Ergänzen: Am Carbonyl-C eine OR-Gruppe anfügen (Acylkomponente), am α-C ein H (Enolatkomponente).

Jede der beiden Bindungen am α-C ist ein möglicher Schnitt. Für einen Pyridyl-β-Ketoester ergeben sich so Ethylnicotinat plus Ethylacetat oder Diethylcarbonat plus 3-Acetylpyridin.

Retrosynthese eines Pyridyl-β-Ketoesters mit zwei Schnittstellen am α-C und den jeweiligen Edukten.

Zwei retrosynthetische Schnitte am β-Ketoester führen zu zwei Eduktpaaren aus Enolat- und Acylkomponente.

Intramolekulare Kondensation

Tragen beide Estergruppen im selben Molekül, schließt die Kondensation einen Ring. Diese intramolekulare Claisen-Kondensation zum cyclischen β-Ketoester heißt Dieckmann-Kondensation.

\[\text{Diethyladipat} \xrightarrow[\text{2. H}_3\text{O}^+]{\text{1. NaOEt}} \text{Ethyl-2-oxocyclopentancarboxylat} + \text{EtOH}\]

Das Enolat an C-2 greift C-6 an. Adipinsäurediethylester schließt so zum Fünfring. Heptandioatdiester liefern mit Natriummethanolat 2-Methoxycarbonylcyclohexanone, also Sechsringe. Die Ringgröße folgt aus der Kettenlänge, ein Heptandioat gibt weder Fünf- noch Siebenring.

Ringschluss von Diethyladipat zu Ethyl-2-oxocyclopentancarboxylat und von Dimethylheptandioat zu Methyl-2-oxocyclohexancarboxylat mit Atomnummerierung.

Dieckmann-Kondensation: Adipat schließt zum Fünfring, Pimelat zum Sechsring.

Geeignet ist das zum Ester passende Alkoholat, für Diethylester also Natriumethanolat. Natriumhydroxid verseift die Ester. Aluminiumchlorid ist eine Lewis-Säure. Ammoniak und Harnstoff taugen ebenfalls nicht als Base.

Bevorzugt entsteht der β-Ketoester mit acidem H zwischen den Carbonylgruppen. Nur dessen Deprotonierung verschiebt das Gleichgewicht. Ein quartäres α-C würde per Retro-Claisen wieder gespalten. Ein Enolether ist nicht das Hauptprodukt.

Auch ein Ketoester cyclisiert. 6-Oxoheptansäuremethylester ergibt mit Natriummethanolat ein cyclisches 1,3-Diketon, 2-Acetylcyclopentanon. Anders als bei einer Aldolkondensation entsteht kein Cyclopentenylketon, denn das Keton-Enolat greift die Estergruppe an. Ein Lacton bildet sich nicht. Nach demselben Additions-Eliminierungs-Prinzip schließt beim Saccharin eine Carbonsäuregruppe mit einem Sulfonamid zum cyclischen Imid.

A Claisen-Kondensation

Intermolekular, zwei Estermoleküle, offenkettiger β-Ketoester wie Acetessigester.

B Dieckmann-Kondensation

Intramolekular, ein Diester, cyclischer β-Ketoester, bevorzugt Fünf- oder Sechsring.

Quiz

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Aussage 1

Bei der Retro-Claisen-Spaltung verlässt ein Esterenolat das tetraedrische Addukt als Abgangsgruppe.

Alkoholat addiert an die Ketogruppe des β-Ketoesters, das Addukt setzt das Esterenolat frei.

Aussage 2

Benzophenon bildet mit Ameisensäureethylester über sein Enolat Benzoylessigsäureethylester.

Benzophenon trägt kein α-H und kann kein Enolat bilden. Benzoylessigester entsteht etwa aus Acetophenon und Diethylcarbonat.

Aussage 3

Acetophenon reagiert mit Diethylcarbonat und Natriumethanolat zu Benzoylessigsäureethylester.

Das Keton-Enolat greift das Carbonyl-C des Diethylcarbonats an, Ethanolat tritt aus (α-Ethoxycarbonylierung).

Aussage 4

Die Claisen-Kondensation von Ethylacetat gelingt mit katalytischen Mengen Natriumethanolat vollständig.

Sie braucht stöchiometrisch Base, weil der gebildete β-Ketoester als Enolat gebunden wird und erst dies das Gleichgewicht verschiebt.

Aussage 5

Natronlauge ist eine geeignete Base für die Dieckmann-Kondensation eines Diethylesters.

Hydroxid verseift die Ester. Geeignet ist das passende Alkoholat, hier Natriumethanolat.

Aussage 6

Adipinsäurediethylester liefert in der Dieckmann-Kondensation mit Natriumethanolat 2-Oxocyclopentancarbonsäureethylester.

Das Enolat an C-2 greift C-6 an, es entsteht ein Fünfring-β-Ketoester.

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