LiAlH4-Reduktion von Carbonsäuren, Estern und Lactonen
Wie Lithiumaluminiumhydrid Carbonsäuren, Ester und Lactone zu primären Alkoholen und Diolen reduziert und worin es sich von Natriumborhydrid unterscheidet.
Das Wichtigste in Kürze
- Die LiAlH4-Reduktion überführt Carbonsäuren, Ester und Lactone durch zweifache Hydridübertragung in Alkohole.
- Ester und Carbonsäuren liefern primäre Alkohole, der intermediäre Aldehyd wird sofort weiterreduziert. Essigsäuremethylester ergibt Ethanol und Methanol.
- \(\ce{LiAlH4}\) braucht trockene Ether wie Diethylether, protische Stoffe wie Essigsäure zersetzen es. Ketale bleiben stabil.
- Chemoselektivität: \(\ce{NaBH4}\) reduziert Acetessigsäureethylester nur zu Ethyl-3-hydroxybutanoat, \(\ce{LiAlH4}\) zu Butan-1,3-diol.
- Lactone werden unter Ringöffnung zu Diolen gleicher C-Zahl reduziert, etwa ε-Caprolacton zu Hexan-1,6-diol.
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Worum es geht
Lithiumaluminiumhydrid (\(\ce{LiAlH4}\)) reduziert auch die reaktionsträgen Carbonsäure-Derivate, an denen Natriumborhydrid scheitert. Damit gehört es zu den Standardwerkzeugen der Synthese, wenn aus einem Ester oder Lacton ein Alkohol werden soll, etwa bei Bausteinen für Arzneistoffe.
Handhabung und Grenzen
\(\ce{LiAlH4}\) ist das stärkste der gängigen komplexen Hydride. Es überträgt Hydrid-Ionen so bereitwillig, dass es mit jedem aciden Wasserstoff reagiert. Man arbeitet deshalb in trockenen, aprotischen Lösungsmitteln wie Diethylether oder THF.
Protische Stoffe wie Wasser, Alkohole oder Essigsäure zersetzen das Reagenz unter Wasserstoffentwicklung. Auch Formamid reagiert mit \(\ce{LiAlH4}\) und scheidet als Lösungsmittel aus.
\[\ce{LiAlH4 + 4 H2O -> LiOH + Al(OH)3 + 4 H2 ^}\]
Ketale sind dagegen stabil, denn sie besitzen wie Ether keine Carbonylgruppe. Deshalb eignen sie sich als Schutzgruppe für Ketone. Bei stark CH-aciden Carbonylverbindungen kann das Hydrid als Base wirken. Als Nebenreaktion entsteht dann ein Enolat, das nicht weiter reduziert wird.
Carbonsäuren und Ester
\(\ce{LiAlH4}\) reduziert Ester und Carbonsäuren zu primären Alkoholen. Der Acylrest wird zur \(\ce{CH2OH}\)-Gruppe, der Alkoholteil des Esters wird als zweiter Alkohol frei. So gelangt man ohne Änderung der C-Zahl vom Säurederivat zum Alkohol.
\[\ce{R-COOR' ->[{1. LiAlH4, Et2O}][{2. H2O}] R-CH2OH + R'OH}\]
Der Mechanismus beginnt wie die Additions-Eliminierung der Carbonsäure-Derivate:
- Erster Hydridangriff: \(\ce{H-}\) addiert an das Carbonyl-C des Esters.
- Tetraedrisches Intermediat: Es entsteht ein am Aluminium koordiniertes Alkoxid.
- Abspaltung: Das Alkoxid \(\ce{R'O-}\) wird eliminiert, ein Aldehyd entsteht.
- Zweiter Hydridangriff: Der Aldehyd wird sofort zum Alkoholat reduziert.
- Protonierung: Die wässrige Aufarbeitung liefert beide Alkohole.
Der Aldehyd ist reaktiver als der Ester, aus dem er entsteht. Er schnappt sich das nächste Hydrid also schneller als das restliche Edukt. Besonders prüfungsrelevant ist genau das: \(\ce{LiAlH4}\) bleibt nie beim Aldehyd stehen, auch aromatische Ester liefern Benzylalkohole statt aromatischer Aldehyde.
Freie Carbonsäuren geben zuerst ihr saures Proton ab. Dabei entweicht \(\ce{H2}\), und ein Carboxylat entsteht. Das starke Reagenz reduziert dieses trotzdem bis zum primären Alkohol, verbraucht dafür aber mehr Hydrid.
| Edukt | Produkte nach Aufarbeitung |
|---|---|
| 5-Phenylpentansäure | 5-Phenylpentan-1-ol |
| Essigsäuremethylester | Ethanol und Methanol |
| Ethylacetat | zweimal Ethanol |
| Ameisensäuremethylester | zweimal Methanol, das Carbonyl-C wird reduziert |
| Benzoesäuremethylester | Benzylalkohol und Methanol |
Das Carbonyl-C endet immer als \(\ce{CH2OH}\) am Kettenende. Ein sekundärer Alkohol kann aus einem Ester daher nicht entstehen.
Chemoselektivität
Trägt ein Molekül mehrere reduzierbare Gruppen, entscheidet das Reagenz über das Produkt. Ein gutes Beispiel ist Acetessigsäureethylester mit einer Keto- und einer Estergruppe.
Ein Reagenz reagiert bevorzugt mit einer von mehreren funktionellen Gruppen eines Moleküls. Die übrigen Gruppen bleiben unverändert.
\(\ce{NaBH4}\) greift nur die reaktivere Ketogruppe an und bildet einen sekundären Alkohol. Es entsteht Ethyl-3-hydroxybutanoat (3-Hydroxybutansäureethylester), die Estergruppe bleibt erhalten. Diese Reduktion ist also chemoselektiv. \(\ce{LiAlH4}\) reduziert dagegen beide Gruppen zu Butan-1,3-diol und setzt Ethanol frei.
\[\ce{CH3COCH2COOC2H5 ->[NaBH4] CH3CH(OH)CH2COOC2H5}\]
\[\ce{CH3COCH2COOC2H5 ->[{1. LiAlH4}][{2. H2O}] CH3CH(OH)CH2CH2OH + C2H5OH}\]
Der Unterschied hat zwei Ursachen. Die Al–H-Bindung ist polarer als die B–H-Bindung, das Hydrid also reaktiver. Zusätzlich aktiviert \(\ce{Li+}\) als Lewis-Säure den Carbonyl-Sauerstoff stärker als \(\ce{Na+}\).
- mildes Reduktionsmittel
- reduziert Aldehyde und Ketone
- Ester, Lactone und Carbonsäuren bleiben erhalten
- verträgt Methanol, Ethanol und Wasser
- starkes Reduktionsmittel
- reduziert zusätzlich Ester, Lactone und Carbonsäuren
- nur in trockenen Ethern einsetzbar
- Ketale bleiben erhalten
Lactone
Lactone sind cyclische Ester und reagieren mit \(\ce{LiAlH4}\) wie offenkettige Ester. Weil Säure- und Alkoholteil aber im selben Molekül hängen, entsteht nach wässriger Aufarbeitung nur ein Produkt: ein Diol. Aus δ-Valerolacton wird so Pentan-1,5-diol.
\[\ce{C5H8O2 ->[{1. LiAlH4}][{2. H2O}] HO(CH2)5OH}\]
- Hydridangriff: \(\ce{H-}\) addiert an das Carbonyl-C, ein tetraedrisches Alkoxid entsteht.
- Ringöffnung: Die Bindung zwischen Carbonyl-C und Ring-Sauerstoff bricht. Es bildet sich ein offenkettiger Alkoxy-Aldehyd.
- Halbacetal-Gleichgewicht: Diese Zwischenstufe steht mit dem cyclischen Halbacetal im Gleichgewicht.
- Zweiter Hydridangriff: Bei Überschuss wird der Aldehyd sofort zum Alkoholat reduziert.
- Aufarbeitung: Wasser protoniert beide Alkoholat-Gruppen zum Diol.
Wie beim Ester bleibt nichts auf halbem Weg stehen. Halbacetal und Hydroxyaldehyd sind reaktiver als das Lacton und werden bei überschüssigem Reagenz weiterreduziert. Eine Hydroxycarbonsäure wäre das Produkt einer Hydrolyse und taucht hier ebenfalls nicht auf.
Beide Sauerstoffatome des Lactons finden sich als OH-Gruppen im Produkt wieder. Ein cyclischer Ether würde verlangen, dass ein Sauerstoff ganz entfernt wird. Das leistet \(\ce{LiAlH4}\) nicht, deshalb entsteht stets ein zweiwertiger Alkohol.
Schneide zwischen Carbonyl-C und Ring-O. Das Carbonyl-C wird zu \(\ce{CH2OH}\), der Ring-O bleibt als OH an seinem C. Die Zahl der C-Atome bleibt gleich.
So liefert γ-Butyrolacton Butan-1,4-diol und ε-Caprolacton Hexan-1,6-diol. Trägt das C am Ring-O einen Substituenten, wird dessen OH sekundär: γ-Valerolacton ergibt Pentan-1,4-diol. Die Regel gilt auch für Ringe mit weiteren Heteroatomen. Der cyclische Aminoester 4-Methylmorpholin-2-on wird zu N-Methyldiethanolamin, die tertiäre Aminogruppe bleibt unverändert.
Wird im Examen gerne gefragt: \(\ce{LiAlH4}\) öffnet Lactone zu Diolen mit gleicher C-Zahl, etwa δ-Valerolacton zu Pentan-1,5-diol. Achte darauf, dass beide Sauerstoffatome als OH-Gruppen erhalten bleiben und die Kette nicht kürzer wird.
Quiz
Aussage 1
\(\ce{NaBH4}\) reduziert Acetessigsäureethylester zu Butan-1,3-diol.
\(\ce{NaBH4}\) reduziert chemoselektiv nur die Ketogruppe zu Ethyl-3-hydroxybutanoat. Butan-1,3-diol entsteht mit \(\ce{LiAlH4}\).
Aussage 2
Mit überschüssigem \(\ce{LiAlH4}\) wird ein Lacton zum cyclischen Ether reduziert.
Beide Sauerstoffatome bleiben im Produkt erhalten. Es entsteht ein offenkettiges Diol.
Aussage 3
Mit \(\ce{LiAlH4}\) lässt sich Benzoesäuremethylester gezielt auf der Stufe des Benzaldehyds abfangen.
Der Aldehyd ist reaktiver als der Ester und wird sofort weiterreduziert. Es entsteht Benzylalkohol.
Aussage 4
Bei der Reduktion von Essigsäuremethylester mit \(\ce{LiAlH4}\) entstehen Ethanol und Methanol.
Der Acetylteil wird zum primären Alkohol Ethanol, der Methoxyteil wird als Methanol frei.
Aussage 5
δ-Valerolacton liefert mit \(\ce{LiAlH4}\) nach wässriger Aufarbeitung Pentan-1,5-diol.
Der Ring öffnet sich zwischen Carbonyl-C und Ring-O. Beide Enden tragen danach eine OH-Gruppe, die C-Zahl bleibt fünf.
Aussage 6
Ketale bleiben bei einer Umsetzung mit \(\ce{LiAlH4}\) erhalten.
Ketale besitzen wie Ether keine Carbonylgruppe und eignen sich deshalb als Schutzgruppe.
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