Reaktionsmechanismen

Glykolspaltung mit Periodat und Bleitetraacetat

Periodat und Bleitetraacetat spalten vicinale Diole an der C–C-Bindung zu Aldehyden und Ketonen, und aus der Lage der OH-Gruppen lassen sich die Spaltprodukte vorhersagen.

Prüfungsrelevanz: gut zu wissen ✓ gelesen
Das Wichtigste in Kürze5 Punkte
  • Die Glykolspaltung bricht die C–C-Bindung eines 1,2-Diols oxidativ und liefert zwei Carbonylverbindungen.
  • Malaprade = \(\ce{NaIO4}\) (wird zu Iodat reduziert), Criegee = \(\ce{Pb(OAc)4}\); beide oxidieren nicht zur Carbonsäure weiter.
  • Bei erschöpfender Periodatspaltung gibt endständiges \(\ce{CH2OH}\) Formaldehyd, inneres \(\ce{CH(OH)}\) Ameisensäure, tertiäres Carbinol-C ein Keton.
  • Eine Ketogruppe zwischen zwei Schnittstellen wird zu \(\ce{CO2}\); β-Aminoalkohole brechen nur zwischen OH- und NH-tragendem C.
  • Kaltes \(\ce{KMnO4}\) und dann \(\ce{NaIO4}\) öffnen 1-Methylcyclohexen zu 6-Oxoheptanal.

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Worum es geht

Die Glykolspaltung zerlegt ein 1,2-Diol oxidativ in zwei Carbonylverbindungen. Zusammen mit der Dihydroxylierung öffnet sie Alkene gezielt, und an Polyolen wie der Ribitylkette des Riboflavins dient sie zur Strukturaufklärung.

Criegee- und Malaprade-Oxidation

Bei der Glykolspaltung bricht die C–C-Bindung zwischen den beiden Hydroxy-C-Atomen. Jedes dieser C-Atome wird zur Carbonylgruppe:

\[\ce{R2C(OH)-C(OH)R2 + IO4- -> 2 R2C=O + IO3- + H2O}\]

Mit Periodat, meist \(\ce{NaIO4}\), heißt die Reaktion Malaprade-Oxidation. Mit Bleitetraacetat \(\ce{Pb(OAc)4}\) heißt sie Criegee-Oxidation.

Reaktionsschema: 1,2-Diol wird mit Periodat oder Bleitetraacetat an der mittleren C–C-Bindung in zwei Aldehyde bzw. Ketone gespalten

Malaprade- und Criegee-Oxidation: Spaltung eines 1,2-Diols zu zwei Carbonylverbindungen
  1. Veresterung: Beide OH-Gruppen binden an das Iod(VII).
  2. Zwischenstufe: Es entsteht ein fünfgliedriger cyclischer Periodatester.
  3. Zerfall: Eine cyclische Elektronenverschiebung bricht die C–C-Bindung. Zwei C=O entstehen, Iod(VII) wird zu Iodat reduziert.

Mechanismus: Diol bildet mit Periodat einen Fünfring-Ester, der unter cyclischer Elektronenverschiebung in zwei Carbonylverbindungen und Iodat zerfällt

Mechanismus der Glykolspaltung über den cyclischen Iod(VII)-Ester

Bleitetraacetat reagiert analog über einen cyclischen Pb–O-Ester. Oxidans ist das Pb(IV), das zu Pb(II) übergeht, nicht das Acetation. Eine metallorganische Pb–C-Verbindung tritt dabei nicht auf. Weil kein Carbenium-Ion entsteht, bleiben Wagner-Meerwein-Umlagerungen aus. Beide Reagenzien oxidieren nicht weiter: Aldehyde bleiben Aldehyde und werden nicht zu Carbonsäuren. Ein terminales 1,2-Diol liefert daher einen Aldehyd und Formaldehyd.

🎯 Examensrelevant: Namen und Reagenzien

Die Zuordnung wird im Examen gerne gefragt: Malaprade gehört zu Periodat, Criegee zu Bleitetraacetat. Achte darauf, dass beide nur bis zur Carbonylstufe oxidieren.

Periodatspaltung komplexer Substrate

Periodat spaltet jede C–C-Bindung zwischen zwei oxidierbaren Nachbarn. Neben Diolen sind das auch α-Hydroxyketone und β-Aminoalkohole. Mit Überschuss wird ein Polyol vollständig abgebaut. Was jedes C-Atom liefert, hängt davon ab, wie viele Bindungen es verliert:

Strukturelement Produkt
endständiges \(\ce{CH2OH}\) Formaldehyd
inneres \(\ce{CH(OH)}\) Ameisensäure
tertiäres Carbinol-C \(\ce{R2C(OH)}\) Keton
C=O zwischen zwei Schnittstellen \(\ce{CO2}\)
\(\ce{(CH3)2C-NHR}\) neben C–OH Imin, dann Aceton und Amin

Beim β-Aminoalkohol bricht nur die Bindung zwischen OH- und NH-tragendem C. Eine Benzylgruppe am benachbarten quartären C bleibt daher erhalten und gibt keinen Benzaldehyd. Aus 1-Hydroxy-1-(hydroxyacetyl)cyclopentan entstehen Cyclopentanon, \(\ce{CO2}\) und Formaldehyd.

Die Ribitylkette des Riboflavins zeigt den Abbau bis zum letzten hydroxylierten C. Am Flavin bleibt ein \(\ce{CH2-CHO}\)-Rest, die zwei inneren \(\ce{CH(OH)}\) geben Ameisensäure, das \(\ce{CH2OH}\) Formaldehyd. Zucker behandelt die Einheit Zuckersäuren und Zuckeralkohole.

Schema: Ribitylkette mit drei Schnittstellen, daraus Flavin mit CH2-CHO-Rest, zweimal Ameisensäure und einmal Formaldehyd

Erschöpfende Periodatspaltung der Ribitylkette des Riboflavins

Mehrstufige Oxidationssequenzen

Kaltes alkalisches \(\ce{KMnO4}\) erzeugt ein cis-Diol, \(\ce{NaIO4}\) spaltet es. Ein Alken mit zwei H-Atomen an der Doppelbindung zerfällt so in zwei Aldehyde. So gehst du bei jeder Reagenzfolge vor:

  1. Zwischenprodukt: Beide Doppelbindungs-C tragen nun OH.
  2. Schnitt: Die Bindung zwischen ihnen bricht.
  3. Bilanz: Ein C mit H wird Aldehyd, ein C mit zwei Resten Keton. Ein Ring öffnet sich zur Kette.

Aus 1-Methylcyclohexen wird so über das cis-Diol 6-Oxoheptanal.

Reaktionsfolge: 1-Methylcyclohexen über cis-1-Methylcyclohexan-1,2-diol zu offenkettigem 6-Oxoheptanal

Dihydroxylierung und Periodatspaltung öffnen 1-Methylcyclohexen zu 6-Oxoheptanal
💡 Merke

Dihydroxylierung plus Periodat liefert dieselben Produkte wie die Ozonolyse mit reduktiver Aufarbeitung.

Quiz

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Aussage 1

Bei der erschöpfenden Periodatspaltung einer Polyolkette liefert jede innere \(\ce{CH(OH)}\)-Gruppe Formaldehyd.

Innere \(\ce{CH(OH)}\)-Gruppen werden zu Ameisensäure; Formaldehyd stammt aus der endständigen \(\ce{CH2OH}\)-Gruppe.

Aussage 2

Behandelt man 1-Methylcyclohexen nacheinander mit kaltem alkalischem \(\ce{KMnO4}\) und \(\ce{NaIO4}\), entsteht 6-Oxoheptanal.

Das cis-Diol wird zwischen den ehemaligen Doppelbindungs-C gespalten: Das methyltragende C wird Keton, das andere Aldehyd, der Ring öffnet sich.

Aussage 3

Die Spaltung von 1,2-Diolen mit Bleitetraacetat wird als Malaprade-Oxidation bezeichnet.

Mit Bleitetraacetat heißt sie Criegee-Oxidation; die Malaprade-Oxidation ist die Spaltung mit Periodat.

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