Reaktionsmechanismen

Michael-Addition und Robinson-Anellierung

Nucleophile addieren bevorzugt an das β-C α,β-ungesättigter Carbonylverbindungen. Diese Michael-Addition lässt sich mit Aldol- und Esterkondensation zu Ringschlüssen wie der Robinson-Anellierung kombinieren.

Prüfungsrelevanz: wichtig ✓ gelesen
Das Wichtigste in Kürze6 Punkte
  • Die konjugierte Addition (1,4-Addition) ist der Angriff eines Nucleophils am β-C einer α,β-ungesättigten Carbonylverbindung, die Carbonylgruppe bleibt erhalten.
  • Nucleophile greifen bevorzugt am β-C an, weil dort die Elektronendichte erniedrigt ist; \(\ce{CH3O-}\) und Acrolein ergeben 3-Methoxypropanal.
  • Bei der Michael-Addition wird der Michael-Donor deprotoniert und greift den Michael-Akzeptor an; Cuprate übertragen Methyl auf das β-C.
  • Amine und Thiole addieren ebenfalls am β-C; bei Dienonen greift das Thiol am δ-C an (1,6-Addition), \(\ce{NH3}\) und 3-Methylbut-2-ensäure geben eine β-Aminosäure.
  • Die Robinson-Anellierung aus Keton und Methylvinylketon ist eine Michael-Addition mit intramolekularer Aldolkondensation zum Cyclohexenon; 2-Methylcyclohexanon liefert Methyl am Brückenkopf.
  • Aceton und Methacrylsäuremethylester ergeben über Michael-Addition und intramolekulare Claisen-Kondensation 4-Methylcyclohexan-1,3-dion.

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Worum es geht

Konjugierte Additionen knüpfen neue Bindungen an der C=C-Doppelbindung neben einer Carbonylgruppe. Sie gehören zu den wichtigsten C-C-Verknüpfungen der Synthese und bauen zusammen mit der Aldolkondensation ganze Ringe auf. In der Pharmazie begegnen sie dir auch am Wirkort: Ibrutinib bindet über seine Acrylamidgruppe kovalent an ein Cystein seines Zielenzyms.

α,β-Ungesättigte Carbonylverbindungen

Eine α,β-ungesättigte Carbonylverbindung trägt eine C=C-Doppelbindung direkt neben der Carbonylgruppe. Das einfachste Beispiel ist Acrolein (Propenal, \(\ce{CH2=CH-CHO}\)). Beide π-Bindungen sind konjugiert. Der Sauerstoff zieht deshalb auch Elektronen aus der C=C-Bindung ab.

Eine Grenzformel zeigt die positive Ladung am Carbonyl-C und am β-C. Man nennt das System vinylog: Die Vinylgruppe gibt die Elektrophilie des Carbonyl-C ein Glied weiter.

Ein Nucleophil hat damit zwei Angriffsorte. Am Carbonyl-C ist es eine 1,2-Addition wie bei der Addition an Aldehyde und Ketone. Am β-C entsteht ein Enolat, das am α-C protoniert wird. Vom Sauerstoff (1) bis zum β-C (4) gezählt ist das eine 1,4-Addition oder konjugierte Addition. Die Carbonylgruppe bleibt dabei erhalten.

Zwei Grenzformeln von Acrolein, rechts mit positiver Ladung am endständigen CH2 und negativer am Sauerstoff, dazu Pfeile zu Carbonyl-C und β-C

Acrolein: Die Konjugation positiviert das β-C, Nucleophile können am Carbonyl-C (1,2) oder am β-C (1,4) angreifen.

Regioselektivität

Nucleophile greifen bevorzugt am β-C (C-3) an. Dort ist die Elektronendichte erniedrigt, wie die Grenzformel mit positiver Ladung am endständigen C zeigt. Das α-C ist nicht positiviert, denn die Ladung verschiebt sich immer um zwei Atome. Ein Angriff in α-Position ist deshalb nicht bevorzugt.

So addiert Natriummethanolat an Acrolein vorwiegend am β-C zu 3-Methoxypropanal:

\[\ce{CH2=CH-CHO + CH3OH ->[CH3O^-] CH3O-CH2-CH2-CHO}\]

Michael-Donor und -Akzeptor

Die Michael-Addition ist die konjugierte Addition eines Kohlenstoff-Nucleophils an ein α,β-ungesättigtes Carbonylsystem. Sie knüpft eine neue C-C-Einfachbindung, das Produkt heißt Michael-Addukt.

📖 Definition: Michael-Donor und -Akzeptor

Der Michael-Donor ist das Nucleophil, meist ein Carbanion aus einer CH-aciden Verbindung. Der Michael-Akzeptor ist die α,β-ungesättigte Carbonylverbindung, die am β-C angegriffen wird.

  1. Deprotonierung: Eine Base wie \(\ce{NaOEt}\) deprotoniert den Donor zum Carbanion bzw. Enolat. Der Akzeptor wird nicht deprotoniert.
  2. Angriff: Der Donor greift das β-C des Akzeptors nucleophil an. Die Ladung landet als Enolat am Sauerstoff.
  3. Protonierung: Das Enolat nimmt am α-C ein Proton auf. Es bleibt eine gesättigte Carbonylverbindung.

Typische Donoren sind Malonester, Acetessigester und Ketone. Auch Azidoaceton ist an der \(\ce{CH2}\)-Gruppe zwischen Azid und Carbonyl CH-acide und addiert konjugiert an ungesättigte Aldehyde. Lithiumdimethylcuprat (\(\ce{(CH3)2CuLi}\)) überträgt eine Methylgruppe auf das β-C. Mehr zu metallorganischen Reagenzien steht dort.

Donor Akzeptor Produkt
\(\ce{(CH3)2CuLi}\) Cyclohex-2-en-1-on 3-Methylcyclohexanon
\(\ce{(CH3)2CuLi}\) But-2-enal 3-Methylbutanal
Malonsäurediethylester Methylvinylketon 2-(3-Oxobutyl)malonsäurediethylester

So leitest du jedes Produkt ab: Der Donor sitzt am β-C, das α-C trägt ein H, die C=C-Bindung ist verschwunden. Die Aldehyd- oder Ketogruppe bleibt unverändert. Anders als bei der Aldolreaktion greift das Carbanion also nicht das Carbonyl-C an.

Heteroatom-Nucleophile

Auch N- und S-Nucleophile addieren konjugiert. Amine liefern in der Aza-Michael-Addition β-Aminoketone, also dieselben Produkte wie die Mannich-Reaktion. Dimethylamin und But-3-en-2-on ergeben 4-(Dimethylamino)butan-2-on:

\[\ce{(CH3)2NH + CH2=CH-CO-CH3 -> (CH3)2N-CH2-CH2-CO-CH3}\]

Ebenso addiert Piperidin an Phenylvinylketon (1-Phenylprop-2-en-1-on). Addiert man \(\ce{NH3}\) an 3-Methylbut-2-ensäure, landet der Stickstoff am β-C. Es entsteht die β-Aminosäure 3-Amino-3-methylbutansäure, nicht Valin.

Thiole addieren ebenfalls am β-C statt am Carbonyl-C, etwa an Acrylsäuremethylester:

\[\ce{R-SH + CH2=CH-COOCH3 -> R-S-CH2-CH2-COOCH3}\]

Im Schema erkennst du die Thiol-Michael-Addition so: Aus Thiol und C=C wird ein Thioether an einem \(\ce{CH2}\), Ester bzw. Keton bleiben. Bei einem linear konjugierten Dienon wandert die Elektrophilie bis zum δ-C. Das Thiol greift dort an, an der exocyclischen Methylengruppe (1,6-Addition). Schwefel sitzt danach an einem sp³-C, ein Vinylsulfid entsteht nicht.

Cyclohexenon mit exocyclischer CH2-Gruppe reagiert mit R-SH zum Cyclohexenon mit CH2-S-R-Seitenkette

1,6-Addition: Das Thiol greift die exocyclische Methylengruppe an, das Ring-Enon bleibt erhalten.

Robinson-Anellierung

Eine Anellierung ist der Aufbau eines zusätzlichen, ankondensierten Rings. Die Robinson-Anellierung verknüpft ein CH-acides Keton mit Methylvinylketon (MVK) zu einem Cyclohexenon. Sie besteht aus Michael-Addition und anschließender intramolekularer Aldolkondensation:

\[\ce{\underset{2-Methylcyclohexanon}{C7H12O} + \underset{MVK}{C4H6O} ->[NaOEt] \underset{Octahydronaphthalinon}{C11H16O} + H2O}\]

Reaktionsschema: Cyclohexanon mit Methylgruppe und Methylvinylketon reagieren über ein Diketon zu einem bicyclischen Enon mit Methyl am Ringverknüpfungs-C

Robinson-Anellierung von 2-Methylcyclohexanon mit Methylvinylketon über das 1,5-Diketon zum Octahydronaphthalinon.
  1. Michael-Addition: Das Enolat des Ketons greift das β-C von MVK an. Es entsteht ein 1,5-Diketon.
  2. Enolatbildung: Die Base deprotoniert die endständige Methylgruppe der neuen Seitenkette.
  3. Aldoladdition: Dieses Enolat greift die Ring-Carbonylgruppe an, ein Sechsring schließt sich.
  4. Dehydratisierung: Wasser wird abgespalten, es entsteht das konjugierte Enon.

Mechanismus mit gebogenen Pfeilen in vier Stufen vom Enolat bis zum Cyclohexenon

Mechanismus der Robinson-Anellierung: Michael-Addition, Aldoladdition, Dehydratisierung.

Als Base dienen \(\ce{NaOEt}\) oder KOH in Ethanol. Gut geeignet sind β-Ketoester und 1,3-Diketone. 2-Methylcyclohexanon reagiert am methylsubstituierten α-C, deshalb trägt das bicyclische Enon die Methylgruppe am Brückenkopf. Indan-1,3-dion reagiert mit MVK zu einem tricyclischen Cyclohexenon. Alle Schritte verlaufen ionisch über Enolate, nicht radikalisch. Auch die Diels-Alder-Reaktion baut Sechsringe, aber konzertiert und ohne Wasserabspaltung.

💡 Merke

Rückwärts: Öffne die C=C-Bindung des Enons und setze am Ring-C wieder eine C=O-Gruppe. Die Ketogruppe, das vinylische CH und die zwei \(\ce{CH2}\) am Brückenkopf stammen aus MVK, der Rest ist das Ausgangsketon.

Michael-Addition mit Folgereaktionen

Das Michael-Addukt trägt oft zwei Carbonylgruppen im passenden Abstand. Ein zweites Enolat kann dann intramolekular weiterreagieren. Mit Acetessigester und einem α,β-ungesättigten Keton folgt eine intramolekulare Aldol-Addition zum cyclischen β-Hydroxyketon.

Ist die zweite Gruppe ein Ester, folgt eine intramolekulare Claisen-Kondensation. Aceton und Acrylsäuremethylester geben erst 5-Oxohexansäuremethylester. Mit starker Base greift das Enolat der Methylketon-Gruppe den Ester an, Methanolat tritt aus. Es entsteht Cyclohexan-1,3-dion. Mit Methacrylsäuremethylester sitzt die Methylgruppe danach an C-4:

\[\ce{C3H6O + CH2=C(CH3)COOCH3 ->[Base] \underset{4-Methylcyclohexan-1,3-dion}{C7H10O2} + CH3OH}\]

Schema: Aceton und Acrylester bilden einen Ketoester, der unter Methanolabspaltung zu einem cyclischen 1,3-Diketon schließt

Michael-Addition mit anschließender intramolekularer Claisen-Kondensation zum Cyclohexan-1,3-dion.

Reaktionstypen aus Schemata

Mehrstufige Schemata entschlüsselst du über die neu geknüpften Bindungen. Zähle Atome und vergleiche Edukte mit Produkt.

  1. Bindungen markieren: Welche Bindungen sind neu, welche verschwunden?
  2. Addition oder Substitution: Werden nur Atome angelagert, ist es eine Addition. Wird eine Gruppe ersetzt oder abgespalten, liegt Substitution oder Kondensation vor.
  3. Nucleophil oder elektrophil: Bringt der angreifende Partner das Elektronenpaar mit, ist es nucleophil.
  4. Teilreaktionen ordnen: Jede neue Bindung entspricht meist einem Teilschritt.

Bei der Robinson-Anellierung entstehen zwei neue C-C-Bindungen. Die Einfachbindung zum β-C stammt aus der nucleophilen 1,4-Addition. Die C=C-Bindung im Ring stammt aus Aldoladdition und Wasserabspaltung.

Quiz

Teste dich mit 6 Karten
richtig oder falsch iWarum nur Aussagen? Fragen mit fünf Antworten löst man am sichersten, indem man jede Aussage einzeln bewertet: ✓✓ sicher richtig, ✓ eher richtig, 0 unsicher, ✗ eher falsch, ✗✗ sicher falsch. Mit dem Ausschlussprinzip ergibt sich daraus die Lösung. Dieses einzelne Bewerten ist der wichtigste Handgriff fürs Examen, und genau den übst du hier.

Aussage 1

Im Produkt der Robinson-Anellierung von 2-Methylcyclohexanon mit Methylvinylketon sitzt die Methylgruppe am Brückenkopf-C-Atom.

Die Michael-Addition erfolgt am methylsubstituierten α-C, das im bicyclischen Enon zum Brückenkopf wird.

Aussage 2

Die Robinson-Anellierung kombiniert eine Michael-Addition mit einer intramolekularen Aldolkondensation und liefert ein Cyclohexenon.

Zuerst entsteht ein 1,5-Diketon, das intramolekular zum Sechsring kondensiert. Der Ablauf ist ionisch.

Aussage 3

Die konjugierte Addition von \(\ce{NH3}\) an 3-Methylbut-2-ensäure liefert Valin.

Der Stickstoff landet am β-C. Es entsteht die β-Aminosäure 3-Amino-3-methylbutansäure, Valin ist dagegen eine α-Aminosäure.

Aussage 4

Ein Thiol addiert an 4-Methylencyclohex-2-en-1-on unter Bildung eines Vinylsulfids.

Das Thiol greift in einer 1,6-Addition die exocyclische Methylengruppe an. Schwefel sitzt danach an einem sp³-C, das Ring-Enon bleibt erhalten.

Aussage 5

Bei der Michael-Addition überführt die Base den Michael-Akzeptor in ein Enolat, das dann den Donor angreift.

Die Base deprotoniert den Michael-Donor. Dessen Carbanion greift das β-C des Akzeptors nucleophil an.

Aussage 6

Natriummethanolat reagiert mit Acrolein überwiegend zu 3-Methoxypropanal.

Das Methanolat greift am elektronenarmen β-C (C-3) an, die Aldehydgruppe bleibt erhalten.

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