Enamine: Bildung, Hydrolyse und Acylierung
Wie Ketone mit sekundären Aminen zu Enaminen reagieren, wie diese sauer zurück zum Keton hydrolysieren und wie man sie nach Stork am α-C acyliert.
Das Wichtigste in Kürze
- Ein Enamin trägt eine Aminogruppe an einer C,C-Doppelbindung und entsteht säurekatalysiert aus einer Carbonylverbindung mit α-H und einem sekundären Amin.
- Die Bildung verläuft über Halbaminal und Iminium-Ion; weil der Stickstoff kein H mehr trägt, wird am α-C deprotoniert.
- Ohne α-H gibt es kein Enamin (Benzaldehyd); auch Pentan-2,4-dion bildet mit Pyrrolidin ein Enamin.
- Die saure Hydrolyse beginnt mit C-Protonierung zum Iminium-Ion und führt über O- und N-protoniertes Halbaminal zurück zum Keton.
- Bei der Stork-Acylierung greift das nucleophile β-C ein Säurechlorid an; Hydrolyse liefert ein 1,3-Diketon wie 2-Propanoylcyclohexanon.
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Worum es geht
Enamine sind die Stickstoff-Gegenstücke der Enole. Sie entstehen aus enolisierbaren Ketonen und sekundären Aminen. Ihr nucleophiles C-Atom macht sie zu einem milden Werkzeug, um Ketone am α-C zu acylieren, etwa auf dem Weg zu 1,3-Diketonen als Bausteinen für Heterocyclen.
Enaminbildung
Ein Enamin trägt eine Aminogruppe direkt an einer C,C-Doppelbindung. Der Name setzt sich aus En und Amin zusammen, genau wie Enol aus En und Ol. Das klassische Beispiel ist die Umsetzung von Cyclohexanon mit Pyrrolidin zu 1-(Cyclohex-1-en-1-yl)pyrrolidin:
\[\ce{C6H10O + C4H9N ->[H+] C10H17N + H2O}\]
Die Reaktion liefert ein Keton in einer nucleophilen, gut handhabbaren Form. Sie ist eine Kondensation, denn Wasser wird frei.
- Aktivierung: Die Säure protoniert den Carbonyl-Sauerstoff. Das Carbonyl-C wird elektrophiler.
- Angriff: Der Stickstoff des Amins greift das Carbonyl-C an. Nach Protonenwanderung liegt ein Halbaminal vor.
- Wasserabspaltung: Die protonierte OH-Gruppe verlässt das Molekül als Wasser. Es entsteht ein Iminium-Ion.
- Deprotonierung: Der Stickstoff trägt kein H mehr. Deshalb gibt das benachbarte α-C ein Proton ab, und die C,C-Doppelbindung bildet sich.
Geeignete Amine sind sekundäre Amine wie Pyrrolidin, Piperidin oder Morpholin. Gearbeitet wird mit katalytischen Mengen Säure. Entfernt man das Wasser laufend, verschiebt sich das Gleichgewicht zum Enamin. Ein primäres Amin reagiert anders, denn sein Iminium-Ion kann ein Proton am Stickstoff abgeben. So entsteht ein Imin statt eines Enamins.
Auf der Carbonylseite braucht man eine Ketogruppe oder Aldehydgruppe mit mindestens einem α-H-Atom. Fehlt es, bleibt der letzte Schritt aus. Benzaldehyd bildet deshalb kein Enamin. Auch 1,3-Diketone reagieren: Pentan-2,4-dion bildet mit Pyrrolidin an einer seiner Ketogruppen ein Enamin. Alkohole und Phenole kommen nicht infrage, weil ihnen das elektrophile Carbonyl-C fehlt. Carbonsäuren tragen zwar C=O, bilden mit dem basischen Amin aber nur ein Ammoniumsalz.
Wird im Examen gerne gefragt: Welche Verbindung bildet mit einem sekundären Amin ein Enamin? Prüfe drei Punkte nacheinander: eine C=O-Gruppe vom Aldehyd- oder Ketontyp, ein H-Atom am Nachbar-C und ein Amin mit genau einem H am Stickstoff.
Saure Hydrolyse
In wässriger Säure läuft die Bildung rückwärts ab. Das Enamin zerfällt wieder in Keton und Amin, das als Ammoniumsalz vorliegt:
\[\ce{C10H17N + H2O + H+ -> C6H10O + C4H10N+}\]
Man nutzt das, um nach einer Reaktion am Enamin die Carbonylgruppe zurückzugewinnen. Am Beispiel von 1-(Cyclex-1-en-1-yl)pyrrolidin sieht die Schrittfolge so aus:
- C-Protonierung: Das Proton bindet am β-C der Doppelbindung. Dabei entsteht das Iminium-Ion mit C=N-Doppelbindung.
- Wasseraddition: Wasser greift das Iminium-C an. Es entsteht ein O-protoniertes Halbaminal, also ein Oxonium-Ion.
- Protonenwanderung: Das Proton wechselt vom Sauerstoff zum Stickstoff. Es liegt ein N-protoniertes Halbaminal vor.
- Abspaltung: Pyrrolidin verlässt das Molekül, das freie Elektronenpaar am O bildet die C=O-Bindung. Nach Deprotonierung bleibt Cyclohexanon.
Die Protonierung am Kohlenstoff überrascht zunächst. Sie folgt aber aus der Mesomerie des Enamins, die im nächsten Abschnitt erklärt wird: Das β-C ist elektronenreich. Alle Zwischenstufen sind dieselben wie bei der Bildung, nur in umgekehrter Richtung.
In jeder Zwischenstufe sitzen O und N am ehemaligen Carbonyl-C. Ein 2-Hydroxycyclohexyl-ammonium-Ion mit der OH-Gruppe am Nachbar-C des Stickstoffs tritt deshalb nie auf.
Stork-Acylierung
Die Stork-Reaktion acyliert ein Enamin mit einem Säurechlorid. Anschließende saure Hydrolyse liefert ein 1,3-Diketon:
\[\text{Enamin} + \text{R–COCl} \longrightarrow \text{Iminiumsalz} \xrightarrow{\ce{H3O+}} \text{1,3-Diketon} + \text{Aminsalz}\]
So führt man eine Acylgruppe gezielt neben die Ketogruppe ein. Warum das funktioniert, zeigen die Grenzformeln. Das freie Elektronenpaar am Stickstoff schiebt sich in die Doppelbindung. Dadurch trägt das β-C des Enamins eine negative Partialladung. Es entspricht dem α-C der ursprünglichen Carbonylverbindung.
- Angriff: Das β-C greift das Carbonyl-C des Säurechlorids an, wie bei jeder Acylierung mit Carbonsäurederivaten.
- Abspaltung: Chlorid tritt aus. Zurück bleibt ein acyliertes Iminiumsalz.
- Hydrolyse: Wässrige Säure spaltet das Iminiumsalz wie im vorigen Abschnitt. Die Carbonylgruppe wird frei, das Amin geht als Ammoniumsalz ab.
Der Acylierungsschritt läuft unter Wasserausschluss, erst danach wird wässrig sauer aufgearbeitet. Aus dem Pyrrolidin-Enamin des Cyclohexanons und Propanoylchlorid entsteht so 2-Propanoylcyclohexanon. Die Abbildung zeigt dasselbe Prinzip mit dem Morpholin-Enamin des Cyclopentanons und Acetylchlorid, das 2-Acetylcyclopentanon ergibt.
Produkt ableiten: Amin streichen, C=O an alter Stelle zurücksetzen, Acylrest an das C direkt daneben hängen. Das Ergebnis ist immer ein 1,3-Diketon.
Enamine ähneln damit den Enolaten. Man kann sie sich als zahme Enolate vorstellen, die ohne starke Base auskommen.
Neutral, mild nucleophil am β-C. Bildung mit Säurekatalyse aus sekundärem Amin. Carbonylgruppe erst nach Hydrolyse zurück.
Anion, stark nucleophil am α-C. Bildung mit Base. Carbonylgruppe bleibt im Produkt direkt erhalten.
Quiz
Aussage 1
Das Pyrrolidin-Enamin des Cyclohexanons ergibt mit Propanoylchlorid und anschließender saurer Hydrolyse 2-Propanoylcyclohexanon.
Die Acylgruppe tritt am β-C des Enamins ein, also am α-C des Ketons. Die Hydrolyse setzt die Ketogruppe frei, es entsteht ein 1,3-Diketon.
Aussage 2
Cyclohexanon reagiert mit Morpholin unter Säurekatalyse zu einem Enamin.
Morpholin ist ein sekundäres Amin, und Cyclohexanon besitzt α-H-Atome. Beides ist für die Enaminbildung nötig.
Aussage 3
Pentan-2,4-dion kann mit Pyrrolidin kein Enamin bilden, weil es als 1,3-Diketon schon enolisiert vorliegt.
Pentan-2,4-dion bildet mit Pyrrolidin an einer seiner Ketogruppen ein Enamin.
Aussage 4
Bei der sauren Hydrolyse eines Enamins entsteht im ersten Schritt durch Protonierung am Kohlenstoff ein Iminium-Ion.
Das elektronenreiche β-C wird protoniert, dabei bildet sich die C=N-Doppelbindung des Iminium-Ions.
Aussage 5
Benzaldehyd bildet mit Pyrrolidin ein Enamin, weil die Aldehydgruppe besonders reaktiv ist.
Benzaldehyd hat kein α-H-Atom. Das Iminium-Ion kann deshalb nicht am α-C deprotoniert werden, und es entsteht kein Enamin.
Aussage 6
Während der sauren Hydrolyse von 1-(Cyclohex-1-en-1-yl)pyrrolidin tritt ein Ion auf, dessen OH-Gruppe am Nachbar-C des Stickstoffs sitzt.
Alle Zwischenstufen tragen O und N am selben, ehemaligen Carbonyl-C: Iminium-Ion, O-protoniertes und N-protoniertes Halbaminal.
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