Knoevenagel- und verwandte Kondensationen
Knoevenagel-, Henry-, Perkin- und Darzens-Reaktion verknüpfen CH-acide Verbindungen mit Carbonylverbindungen. Hier lernst du, welches Produkt jeweils entsteht, wie man den Reaktionstyp erkennt und wie man die Molekülmasse berechnet.
Das Wichtigste in Kürze
- Die Knoevenagel-Kondensation verknüpft eine CH-acide Methylenverbindung, etwa eine 1,3-Dicarbonylverbindung, mit einem Aldehyd. Unter Abspaltung von \(\ce{H2O}\) entsteht ein Alkylidenprodukt mit neuer C=C-Bindung.
- Als Katalysatoren dienen schwache Basen wie Piperidin. Benzaldehyd und Dimedon ergeben ein Benzylidenderivat.
- Die Molekülmasse eines Kondensationsprodukts ist die Summe der Eduktmassen minus 18,02 für Wasser.
- Die Henry-Reaktion von Benzaldehyd mit Nitromethan liefert mit NaOH und anschließend HCl β-Nitrostyrol. Die Perkin-Synthese ergibt aus Benzaldehyd, Acetanhydrid und Natriumacetat Zimtsäure.
- Bei der Darzens-Kondensation reagieren Aldehyde oder Ketone mit α-Halogenestern unter Ethanolat zum Glycidester. Verseifung und Decarboxylierung führen zu einem Aldehyd oder Keton.
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Worum es geht
Diese Kondensationen erweitern die Aldolkondensation um besonders acide Methylenkomponenten: 1,3-Dicarbonylverbindungen, Nitroalkane, Anhydride und α-Halogenester. Sie liefern Bausteine wie Zimtsäure, Nitrostyrole und Epoxyester. Daraus entstehen Wirkstoffvorstufen wie Cumarine oder Phenylethylamine.
Knoevenagel-Kondensation
Die Knoevenagel-Kondensation verknüpft eine CH-acide Methylenverbindung mit einem Aldehyd. Dabei wird Wasser abgespalten, und es entsteht eine neue C=C-Doppelbindung. Das Produkt heißt Alkylidenprodukt, mit Benzaldehyd entsprechend Benzylidenprodukt. Die Reaktion ist eine Sonderform der Aldolkondensation.
\[\ce{C6H5CHO + CH2(COOC2H5)2 ->[Piperidin] C6H5CH=C(COOC2H5)2 + H2O}\]
Die \(\ce{CH2}\)-Gruppe steht zwischen zwei Elektronenakzeptoren. Beide stabilisieren das Carbanion durch Mesomerie (CH-Acidität). Typische Methylenkomponenten sind Malonsäurediethylester, Dimedon und Indan-1,3-dion. Wegen dieser hohen Acidität genügt eine schwache Base wie Piperidin oder Pyridin.
- Deprotonierung: Piperidin entfernt ein Proton von der \(\ce{CH2}\)-Gruppe. Es entsteht ein mesomeriestabilisiertes Enolat.
- Addition: Das Enolat greift das Carbonyl-C des Aldehyds an. Nach der Protonierung liegt ein β-Hydroxy-Addukt vor.
- Eliminierung: Das verbliebene acide H wird abgespalten, danach geht Hydroxid ab (E1cB). Zurück bleibt die konjugierte C=C-Bindung.
Auch Heteroaromaten reagieren so: Furfural kondensiert mit Malonsäurediethylester. Ein Reaktionsschema ordnest du an drei Merkmalen zu. Die \(\ce{CH2}\)-Gruppe zwischen zwei Carbonylgruppen verliert beide H-Atome. Der Aldehyd verliert seinen Sauerstoff. Zwischen beiden C-Atomen steht nun eine C=C-Bindung, und \(\ce{H2O}\) wird frei. Genau das zeigt die Umsetzung von Benzaldehyd mit Dimedon zum 2-Benzylidenderivat.
Katalysiert wird die Reaktion durch Basen. Palladium-Komplexe gehören dagegen zu Kreuzkupplungen wie der Heck-Reaktion. Nach demselben Prinzip arbeitet die Stobbe-Kondensation: Sie setzt einen Bernsteinsäurediester als CH-acide Verbindung mit einer Carbonylverbindung um.
Benzaldehyd und Diethylmalonat liefern Benzylidenmalonsäurediethylester, \(\ce{C6H5CH=C(COOC2H5)2}\). Benzoylessigsäureethylester, \(\ce{C6H5COCH2COOC2H5}\), ist dagegen ein β-Ketoester. Er entsteht durch Claisen-Esterkondensation.
Molekülmasse von Kondensationsprodukten
Bei jeder Kondensation verlassen zwei H-Atome und ein O-Atom die Edukte als Wasser. Die Molekülmasse des Produkts folgt deshalb direkt aus den Massen der Edukte.
\[M_r(\text{Produkt}) = M_r(\text{Edukt 1}) + M_r(\text{Edukt 2}) - M_r(\ce{H2O})\]
\(M_r\) ist die relative Molekülmasse. Für Wasser gilt \(M_r(\ce{H2O}) = 18{,}02\).
Ein Beispiel: Benzaldehyd hat \(M_r = 106{,}12\), Malonsäurediethylester \(M_r = 160{,}17\). Das Produkt hat also 106,12 + 160,17 − 18,02 = 248,27. Das passt zur Summenformel \(\ce{C14H16O4}\). Wird ein anderes Molekül abgespalten, ziehst du dessen Masse ab. Bei der Darzens-Reaktion ist das formal \(\ce{HCl}\) mit 36,46.
Henry-Reaktion
Die Henry-Reaktion, auch Nitroaldol-Reaktion genannt, nutzt ein Nitroalkan als Methylenkomponente. Die Nitrogruppe ist ein so starker Akzeptor, dass schon eine einzige \(\ce{NO2}\)-Gruppe das α-H acide macht. Benzaldehyd und Nitromethan ergeben β-Nitrostyrol:
\[\ce{C6H5CHO + CH3NO2 ->[1. NaOH][2. HCl] C6H5CH=CHNO2 + H2O}\]
NaOH deprotoniert Nitromethan zum Nitronat-Anion. Dieses addiert an den Aldehyd, und das Addukt liegt als Natriumsalz des β-Nitroalkohols vor. Im engeren Sinn bezeichnet man nur diese Addition als Henry-Reaktion. Bei der Behandlung mit HCl wird das Salz protoniert und spaltet Wasser ab. So wird aus der Addition eine Kondensation wie bei Knoevenagel. Reduziert man β-Nitrostyrole, erhält man Phenylethylamine.
Perkin-Synthese
Bei der Perkin-Synthese dient ein Carbonsäureanhydrid als Methylenkomponente. Als Base wirkt das Natriumsalz der zugehörigen Säure. Aromatische Aldehyde reagieren beim Erhitzen zu α,β-ungesättigten Carbonsäuren. Das Standardbeispiel ist Zimtsäure aus Benzaldehyd und Acetanhydrid mit Natriumacetat:
\[\ce{C6H5CHO + (CH3CO)2O ->[CH3COONa][\Delta] C6H5CH=CHCOOH + CH3COOH}\]
Acetat deprotoniert die Methylgruppe des Anhydrids. Das Enolat addiert an den Aldehyd, und durch Eliminierung entsteht die C=C-Bindung. Die Hydrolyse setzt anschließend die freie Säure frei. Essigsäure selbst ist am α-C zu wenig acide, deshalb braucht man das Anhydrid.
Der Aldehyd bestimmt, welche Substituenten der Ring trägt. Benzaldehyd liefert unsubstituierte Zimtsäure. Für o-Hydroxyzimtsäure braucht man Salicylaldehyd und Acetanhydrid. Unter Perkin-Bedingungen schließt sich das Produkt dann sofort zum Lacton Cumarin.
Darzens-Glycidester-Kondensation
Die Darzens-Glycidester-Kondensation setzt einen Aldehyd oder ein Keton mit einem α-Halogenester um, meist mit Chloressigsäureethylester. Das Produkt ist kein Alken, sondern ein Epoxid. Man nennt diesen α,β-Epoxyester Glycidester. Formal wird dabei \(\ce{HCl}\) abgespalten.
\[\ce{R2C=O + ClCH2COOC2H5 + NaOC2H5 ->}\text{ Glycidester} + \ce{NaCl + C2H5OH}\]
Der Halogenester trägt nur eine aktivierende Estergruppe. Deshalb braucht man eine starke Base wie Natriumethanolat. Ketone eignen sich ebenso wie Aldehyde, auch einfache wie Ethanal.
- Deprotonierung: Ethanolat bildet aus dem Chloressigester das Esterenolat.
- Addition: Das Enolat greift das Carbonyl-C an. Es entsteht ein Halohydrin-Alkoholat, bei dem das Chloratom dem Alkoholat benachbart ist.
- Ringschluss: Der Alkoholat-Sauerstoff verdrängt Chlorid in einer intramolekularen S_N2-Reaktion. So schließt sich der Dreiring des Glycidesters.
Glycidester sind wertvolle Zwischenstufen. Durch Verseifung mit NaOH und anschließendes Ansäuern erhält man die Glycidsäure. Beim Erwärmen decarboxyliert sie, und der Ring öffnet sich zu einem Enol. Dieses tautomerisiert zur Carbonylverbindung. Aus Aceton entsteht so 2-Methylpropanal, das um ein C-Atom verlängert ist. Chloressigester liefert dabei stets einen Aldehyd. Ein α-substituierter Halogenester wie 2-Chlorpropansäureethylester ergibt dagegen ein Keton.
Einen Glycidester erkennst du im Schema am Dreiring mit Sauerstoff, der direkt neben der Estergruppe sitzt. Eine Claisen-Kondensation führt nie zu diesem Ring, denn sie liefert β-Ketoester. Die Tabelle stellt die vier Reaktionen gegenüber.
| Reaktion | Methylenkomponente | Base | Abgespalten | Produkt |
|---|---|---|---|---|
| Knoevenagel | 1,3-Dicarbonylverbindung | Piperidin, Pyridin | \(\ce{H2O}\) | Alkylidenverbindung |
| Henry | Nitroalkan | NaOH, dann HCl | \(\ce{H2O}\) | Nitroalken |
| Perkin | Carbonsäureanhydrid | Natriumacetat | \(\ce{CH3COOH}\) | Zimtsäure |
| Darzens | α-Halogenester | Natriumethanolat | \(\ce{HCl}\) | Glycidester |
Quiz
Aussage 1
Benzaldehyd und Nitromethan ergeben mit NaOH und anschließender Behandlung mit HCl β-Nitrostyrol.
Das Nitronat-Anion addiert an den Aldehyd. Die Säurebehandlung führt dann unter Wasserabspaltung zum Nitroalken.
Aussage 2
Die Darzens-Kondensation eines Ketons mit Chloressigsäureethylester gelingt bereits mit Piperidin als schwacher Base.
Der α-Halogenester trägt nur eine aktivierende Gruppe. Deshalb ist eine starke Base wie Natriumethanolat nötig.
Aussage 3
Die Knoevenagel-Kondensation wird typischerweise durch Palladium-Komplexe katalysiert.
Die Knoevenagel-Kondensation wird durch schwache Basen wie Piperidin oder Pyridin katalysiert. Palladium-Komplexe gehören zu Kreuzkupplungen wie der Heck-Reaktion.
Aussage 4
Wenn Benzaldehyd mit Dimedon unter Wasserabspaltung zu einem Benzylidenderivat reagiert, handelt es sich um eine Knoevenagel-Kondensation.
Dimedon besitzt eine CH-acide CH2-Gruppe zwischen zwei Carbonylgruppen. Sie kondensiert mit dem Aldehyd zu einer C=C-Bindung.
Aussage 5
Bei der Perkin-Synthese von Zimtsäure deprotoniert Natriumacetat das Acetanhydrid an der Methylgruppe.
Acetat ist die Base, und das Anhydrid ist die Methylenkomponente. Das entstehende Enolat addiert an Benzaldehyd.
Aussage 6
Kondensieren zwei Edukte mit \(M_r = 106{,}12\) und \(M_r = 160{,}17\) unter Wasserabspaltung, hat das Produkt \(M_r = 266{,}29\).
Man muss die Masse von Wasser abziehen: 106,12 + 160,17 − 18,02 = 248,27.
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