Gekreuzte und intramolekulare Aldolkondensation
Wie aromatische Aldehyde mit Ketonen gezielt zu Enonen kondensieren und wie Dicarbonylverbindungen durch Aldolkondensation Fünf- und Sechsringe schließen.
Das Wichtigste in Kürze
- Die Claisen-Schmidt-Kondensation ist eine gekreuzte Aldolkondensation eines Aldehyds ohne α-H, meist eines aromatischen Aldehyds, mit einem enolisierbaren Keton zum konjugierten Enon. Die intramolekulare Aldolkondensation schließt aus Dicarbonylverbindungen cyclische Enone.
- Benzaldehyd und Aceton geben mit NaOH Benzylidenaceton (4-Phenylbut-3-en-2-on), mit zwei Äquivalenten in einem Ansatz Dibenzylidenaceton. Acetaldehyd und Benzaldehyd liefern Zimtaldehyd.
- Retrosynthese: Schnitt durch die C=C-Bindung, das β-C wird Carbonyl-C, das α-C erhält zwei H.
- 1,4-Diketone cyclisieren zu Cyclopent-2-en-1-onen, 1,5-Diketone zu Cyclohex-2-en-1-onen. 1,3-Dicarbonylverbindungen bilden keine Cyclopentenone.
- 1,6-Dicarbonylverbindungen greifen vom inneren α-C an: Hexandial gibt Cyclopent-1-en-1-carbaldehyd, Octan-2,7-dion 1-Acetyl-2-methylcyclopenten.
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Worum es geht
Diese Einheit baut auf der Aldolkondensation auf und zeigt zwei Spezialfälle: die gezielte gekreuzte Variante und den Ringschluss innerhalb eines Moleküls. Beide liefern α,β-ungesättigte Carbonylverbindungen. Dazu gehören Chalkone als Vorstufen der Flavonoide und bicyclische Enone als Bausteine der Steroidsynthese.
Claisen-Schmidt-Kondensation
Mischt man zwei enolisierbare Carbonylverbindungen, entstehen meist vier Aldolprodukte nebeneinander. Sauber verläuft die gekreuzte Reaktion nur, wenn ein Partner kein α-H-Atom besitzt.
Basenkatalysierte gekreuzte Aldolkondensation eines Aldehyds ohne α-H-Atom, meist eines aromatischen Aldehyds, mit einem enolisierbaren Keton oder Aldehyd. Das Produkt ist eine α,β-ungesättigte Carbonylverbindung in Konjugation zum Aromaten.
Das Standardbeispiel ist Benzaldehyd mit Aceton in Natronlauge. Es entsteht Benzylidenaceton, systematisch 4-Phenylbut-3-en-2-on:
\[\ce{C6H5CHO + CH3COCH3 ->[NaOH] C6H5CH=CHCOCH3 + H2O}\]
Warum die Reaktion selektiv ist
Benzaldehyd kann kein Enolat bilden. Er ist also nur Carbonylkomponente. Als Aldehyd ist er zudem elektrophiler als Aceton. Das Acetonenolat greift deshalb bevorzugt Benzaldehyd an und kaum ein zweites Acetonmolekül. Die Wasserabspaltung zieht das Gleichgewicht auf die Produktseite, denn die neue C=C-Bindung ist mit Ring und Carbonylgruppe konjugiert. Es entsteht das (E)-Isomer.
- Deprotonierung: \(\ce{OH-}\) entzieht einer Methylgruppe des Acetons ein α-H. Es bildet sich das mesomeriestabilisierte Enolat.
- Angriff: Das nucleophile α-C greift das Carbonyl-C des Benzaldehyds an. Ein Alkoxid entsteht.
- Protonierung: Wasser protoniert das Alkoxid zum β-Hydroxyketon 4-Hydroxy-4-phenylbutan-2-on.
- Eliminierung: Erneute Deprotonierung am α-C und Abspaltung von \(\ce{OH-}\) nach E1cB liefern das Enon.
Einfach- und Zweifachkondensation
Aceton trägt auf beiden Seiten α-H-Atome. Benzylidenaceton besitzt noch eine freie Methylgruppe und kann ein zweites Mal kondensieren. Mit zwei Äquivalenten Benzaldehyd erhält man daher in einem Ansatz Dibenzylidenaceton (1,5-Diphenylpenta-1,4-dien-3-on):
\[\ce{2 C6H5CHO + CH3COCH3 ->[NaOH] C6H5CH=CHCOCH=CHC6H5 + 2 H2O}\]
Das Prinzip gilt auch für Aldehyde als Methylenkomponente. Acetaldehyd und Benzaldehyd liefern Zimtaldehyd (3-Phenylprop-2-enal). Auch unter Säurekatalyse reagiert ein Aldehyd ohne α-H mit Aceton in einer gekreuzten Kondensation. Ein α-Hydroxyketon fängt man dabei nicht ab, weil die Säure die Wasserabspaltung sofort erzwingt.
Das richtige Produkt erkennen
Produkte aus vorgelegten Formeln auszuwählen, wird im Examen gerne gefragt: Die C=O-Gruppe des Ketons bleibt erhalten, und die neue C=C-Bindung liegt zwischen dem früheren Aldehyd-C und dem α-C. Das gesättigte 4-Phenylbutan-2-on entstünde erst durch eine anschließende Hydrierung. Ein carbonylfreies Alken wie 2-Methyl-1-phenylprop-1-en bräuchte die Doppelbindung am Carbonyl-C des Acetons, das wäre ein Wittig-Produkt. Epoxyketone liefert erst die Darzens-Kondensation mit α-Halogenketonen.
Retrosynthese eines Enons
Rückwärts liest man die Reaktion, indem man das Enon an seiner C=C-Bindung zerlegt.
Schnitt durch die C=C-Bindung: Das β-C erhält ein O und wird zum Carbonyl-C der Carbonylkomponente. Das α-C bekommt zwei H zurück und gehört zur Methylenkomponente.
Chalkon zerfällt so in Benzaldehyd und Acetophenon. Für den α,β-ungesättigten Aldehyd 2-Methyl-3-phenylprop-2-enal ergibt der Schnitt Benzaldehyd und Propanal, denn das α-C trägt die Methylgruppe.
Aldehyd ohne α-H plus Keton oder Aldehyd, Base wie NaOH. Abgespalten wird Wasser, es entsteht ein Enon.
Zwei Ester, Base wie Natriumalkoholat. Abgespalten wird Alkohol, es entsteht ein β-Ketoester (Esterkondensation).
Intramolekularer Ringschluss
Sitzen beide Carbonylgruppen im selben Molekül, greift das Enolat die zweite Carbonylgruppe derselben Kette an. Aus der Kette wird ein Ring.
Aldoladdition zwischen Enolat und Carbonylgruppe desselben Moleküls mit anschließender Wasserabspaltung. Aus einer Dicarbonylverbindung entsteht ein cyclisches α,β-ungesättigtes Keton oder ein Cycloalkencarbaldehyd.
Typisch ist Hexan-2,5-dion, das mit Base in der Wärme zu 3-Methylcyclopent-2-en-1-on cyclisiert:
\[\ce{CH3COCH2CH2COCH3 ->[KOH][\Delta] C6H8O + H2O}\]
- Deprotonierung: Die Base deprotoniert eine endständige Methylgruppe zum Enolat.
- Ringschluss: Das Methyl-C greift das Carbonyl-C am anderen Kettenende an. Ein Fünfring-Alkoxid entsteht.
- Protonierung: Wasser liefert das cyclische β-Hydroxyketon.
- Dehydratisierung: Wasserabspaltung nach E1cB ergibt das konjugierte Cyclopentenon.
Das Enolat am inneren α-C würde nur einen Dreiring schließen. Dieser Weg spielt keine Rolle, wie die Abbildung zeigt.
Ringgröße aus der Kettenlänge
Zum Ring gehören alle Atome vom angreifenden α-C bis zum angegriffenen Carbonyl-C. Alle Schritte bis zur Wasserabspaltung sind reversibel. Deshalb setzt sich der spannungsarme Fünf- oder Sechsring durch. Drei- und Vierringe sind zu gespannt, Siebenringe entstehen langsamer. Daraus folgen feste Muster:
- 1,4-Dicarbonyl: Angriff vom äußeren α-C, es entsteht ein Cyclopent-2-en-1-on.
- 1,5-Dicarbonyl: Angriff vom äußeren α-C, es entsteht ein Cyclohex-2-en-1-on.
- 1,6-Dicarbonyl: Angriff vom inneren α-C, es entsteht ein Fünfring mit Acyl- oder Formylgruppe am Ring.
- 1,3-Dicarbonyl: Jeder Ringschluss ergäbe höchstens einen Vierring. Ein Cyclopentenon entsteht nicht, stattdessen bleibt das stabile Enolat.
Die Ringgröße aus der Kettenlänge abzuleiten, solltest du sicher können: 1,4-Diketone geben Cyclopent-2-en-1-one, 1,5-Diketone Cyclohex-2-en-1-one. Zähle immer vom angreifenden α-C bis einschließlich zum angegriffenen Carbonyl-C.
| Edukt | Abstand der C=O | angreifendes α-C | Ring | Produkt |
|---|---|---|---|---|
| 4-Oxopentanal | 1,4 | \(\ce{CH3}\) am Keton | 5 | Cyclopent-2-en-1-on |
| Hexan-2,5-dion | 1,4 | \(\ce{CH3}\) | 5 | 3-Methylcyclopent-2-en-1-on |
| 1-Phenylpentan-1,4-dion | 1,4 | \(\ce{CH3}\) | 5 | 3-Phenylcyclopent-2-en-1-on |
| Heptan-2,6-dion | 1,5 | \(\ce{CH3}\) | 6 | 3-Methylcyclohex-2-en-1-on |
| Hexandial | 1,6 | inneres \(\ce{CH2}\) (C2) | 5 | Cyclopent-1-en-1-carbaldehyd |
| Octan-2,7-dion | 1,6 | inneres \(\ce{CH2}\) (C3) | 5 | 1-Acetyl-2-methylcyclopenten |
Bei 4-Oxopentanal greift das Methylenolat bevorzugt die reaktivere Aldehydgruppe an. Hexandial cyclisiert mit KOH in Wasser unter Erwärmen. Die endständige CHO-Gruppe bleibt dabei als Substituent am Ring stehen.
Bicyclische Enone
Der Ringschluss funktioniert auch an einem vorhandenen Ring. 2-Methyl-2-(3-oxobutyl)cyclopentan-1,3-dion ist das Michael-Addukt aus 2-Methylcyclopentan-1,3-dion und Methylvinylketon. Hier greift die Methylgruppe der Seitenkette als Enolat eine Ringcarbonylgruppe an. Es schließt sich ein Sechsring, und die Dehydratisierung liefert das bicyclische Enon, das Hajos-Parrish-Keton. Diese Folge aus Michael-Addition und Aldolkondensation heißt Robinson-Anellierung.
Retrosynthese cyclischer Enone
Der Schnitt ist derselbe wie bei offenkettigen Enonen, nur öffnet er hier den Ring. Das β-C wird zur Carbonylgruppe, das α-C zur \(\ce{CH3}\)- oder \(\ce{CH2}\)-Gruppe. Aus 3-Phenylcyclopent-2-en-1-on wird so 1-Phenylpentan-1,4-dion. Unsubstituiertes Cyclopent-2-en-1-on führt auf 4-Oxopentanal. Prüfe anschließend vorwärts, ob die Ringgröße stimmt.
Dialdehyd oder Diketon, Base wie KOH. Abgespalten wird Wasser, Produkt ist ein cyclisches Enon.
Diester, Base wie Natriumalkoholat. Abgespalten wird Alkohol, Produkt ist ein cyclischer β-Ketoester (Dieckmann).
Quiz
Aussage 1
1,3-Dicarbonylverbindungen cyclisieren durch intramolekulare Aldolkondensation bevorzugt zu Cyclopentenonen.
Bei 1,3-Dicarbonylverbindungen ergäbe der Ringschluss höchstens einen gespannten Vierring. Cyclopentenone entstehen aus 1,4-Diketonen.
Aussage 2
Dibenzylidenaceton lässt sich nur über isoliertes Benzylidenaceton in einer zweiten, getrennten Umsetzung gewinnen.
Mit zwei Äquivalenten Benzaldehyd entsteht Dibenzylidenaceton in einem Ansatz, weil Aceton auf beiden Seiten α-H-Atome trägt.
Aussage 3
Hexandial cyclisiert mit KOH in der Wärme zu Cyclohex-1-en-1-carbaldehyd.
Das innere α-C (C2) greift C6 an, der Ring umfasst fünf Atome. Es entsteht Cyclopent-1-en-1-carbaldehyd.
Aussage 4
Octan-2,7-dion liefert unter Basenkatalysis durch intramolekulare Aldolkondensation 1-Acetyl-2-methylcyclopenten.
Das Enolat an C3 greift C7 an und schließt einen Fünfring. Die Acetylgruppe bleibt als Substituent, C8 wird zur Methylgruppe am Ring.
Aussage 5
4-Oxopentanal ist ein geeignetes Edukt, um durch intramolekulare Aldolkondensation Cyclopent-2-en-1-on herzustellen.
Das Methylenolat greift die Aldehydgruppe an, es schließt sich ein Fünfring, und nach Wasserabspaltung liegt Cyclopent-2-en-1-on vor.
Aussage 6
Aceton reagiert mit einem Äquivalent Benzaldehyd in Natronlauge zu 4-Phenylbut-3-en-2-on.
Das Acetonenolat greift Benzaldehyd an, nach Wasserabspaltung entsteht Benzylidenaceton, also 4-Phenylbut-3-en-2-on.
Aussage 7
2-Methyl-3-phenylprop-2-enal lässt sich retrosynthetisch in Benzaldehyd und Acetaldehyd zerlegen.
Das α-C trägt eine Methylgruppe. Die Methylenkomponente ist daher Propanal, nicht Acetaldehyd.
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