Paal-Knorr-Synthese

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Die Paal-Knorr-Synthese ist eine Namensreaktion der organischen Chemie, welche von Ludwig Knorr und Carl Paal erstmals 1884 beschrieben wurde.[1] Das Verfahren dient der Synthese von fünfgliedrigen Heterocyclen, also substituierten Furanen, Thiophenen und Pyrrolen, ausgehend von 1,4-Diketonen (γ-Diketonen).[2][3][4]

Übersichtsreaktionen[Bearbeiten]

Bei der Paal-Knorr-Synthese werden 1,4-Diketone entweder mit Säurekatalysatoren, Aminen oder Phosphor(V)-sulfid zu heteroaromatischen Hetereocyclpentadienen umgesetzt.

  • Die Furan-Synthese benötigt Säurekatalysatoren[5], es entstehen 2,5-disubstituierte Furane:
Übersichtsreaktion der Paal-Knorr-Furan-Synthese
  • Bei der Pyrrol-Synthese entstehen durch den Einsatz von primären Aminen 2,5-substituierte Pyrrole:
Übersichtsreaktion der Paal-Knorr-Pyrrol-Synthese
Übersichtsreaktion der Thiophen-Synthese aus 1,4-Diketonen

Bei den Verbindungen sind die Reste R diverse Organylreste, z. B. Alkylreste.

Mechanismus[Bearbeiten]

Furan-Synthese[Bearbeiten]

Im ersten Schritt wird eine Carbonylgruppe des Diketons 1 protoniert, wodurch das Kation 2 gebildet wird. Im darauffolgenden Schritt wird das Sauerstoffatom der anderen Carbonylgruppe nuklephil unter Ringschluss an die protonierte Carbonylgruppe addiert. Gleichzeitig spaltet sich ein Proton ab, wodurch das Hydroxyfuran 3 entsteht.

Mechanismus der Paal-Knorr-Furan-Synthese, Teil 1

Die Hydroxygruppe des Hydroxyfurans 3 wird protoniert sodass die reaktive Zwischenstufe 4 gebildet wird. Diese reagiert durch Dehydratisierung und Deprotonierung weiter zum Furan 5.[6]


Mechanismus der Paal-Knorr-Furan-Synthese, Teil 2

Pyrrol-Synthese[Bearbeiten]

Nach Amarath's Veröffentlichung findet der Mechanismus wahrscheinlich als direkte Einführung eines Halbaminals statt. Gestützt wird diese Annahme von seinen Forschungsergebnissen, nach denen die stereochemische Konfiguration der Ausgangsverbindung erhalten bleibt.[7]

Es ist anzunehmen, dass zunächst eine nukleophile Addition des Amins als Nukleophil an das Kohlenstoffatom einer Carbonylgruppe des Diketons1 erfolgt. Es entsteht eine reaktive Zwischenstufe 2, welche durch Protonentransfer zum Ketoaminol 3 reagiert. Dieses Ketoaminol kann auch als Halbaminal bezeichnet werden, wenn man den Stickstoff mit der Hydroxygruppe vordergründig betrachtet.

Mechanismus der Paal-Knorr-Pyrrol-Synthese

Im nächsten Schritt findet eine weitere nukleophile Addition statt. Der Stickstoff des Aminols 3 wird unter Ringschluss nukleophil an die zweite Carbonylgruppe addiert und reagiert zu einer polaren Zwischenstufe 4. Durch Protonierung des Sauerstoffatoms mit gleichzeitiger Deprotonierung des Stickstoffs, bildet sich das Diaminol 5. Unter Dehydratisierung entsteht das Pyrrolderivat 6.[1]

Thiophen-Synthese[Bearbeiten]

Ein möglicher Mechanismus der Synthese eines Thiophens wurde von Foye vorgeschlagen.[8]

Mechanismus der Thiophen-Synthese (Teil 1)

Zunächst wird das 1,4-Diketon 1 mit Phosphor(V)-sulfid versetzt. Phosphorpentasulfid ist ein Thionierungs- als auch Dehydratisierungs-Reagenz, was die Bildung von Furan begünstigen könnte (s. o.). Jedoch hat Foye experimentell herausgefunden, dass Furan kein Zwischenprodukt der Thiophen-Synthese ist.[8] Durch die Einführung von Schwefel in die Dicarbonylverbindung 1 reagiert diese zum Thioketon 2. Das Sauerstoffatom wird protoniert sodass das Kation 3 gebildet wird.

Mechanismus der Thiophen-Synthese (Teil 2)

Der Schwefel greift das Kohlenstoffatom der Hydroxygruppe nukleophil an, worauf unter Deprotonierung der Verbindung 3 das heterocyclische Thiohalbacetal 4 entsteht. Dessen Abspaltung von Wasser erfolgt unter Bildung des 2,5-disubstituierten Thiophens 5.

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. a b  Zero Wang: Comprehensive Organic Name Reactions an Reagents, 3 Volume Set. John Wiley & Sons, 2009, ISBN 978-0-471-70450-8, S. 2107.
  2. Carl Paal: Synthese von Thiophen- und Pyrrolderivaten. In: Berichte der deutschen chemischen Gesellschaft. 18, Nr. 1, 1885, S. 367–371. doi:10.1002/cber.18850180175.
  3. Ludwig Knorr.: Einwirkung des Diacetbernsteinsäureesters auf Ammoniak und primäre Aminbasen. In: Berichte der deutschen chemischen Gesellschaft. 18, Nr. 1, 1885, S. 299–311. doi:10.1002/cber.18850180154.
  4. Paal-Knorr Pyrrole Synthesis. .
  5. Heterocyclic chemistry T.L. Gilchrist ISBN 0-582-01421-2
  6.  László Kürti, Barbara Czakó: Strategic Applications of Named Reactions in Organic Synthesis. Elsevier Science & Technology Books, 2005, ISBN 0-123-69483-3, Seite 498.
  7. Amarnath,Journal of Organic Chemistry,1991,56 Vol, 6924-6931.
  8. a b E. Campaigne, William O. Foye, Journal of Organic Chemistry,1952,9 Vol, 1405-1412.

Weblinks[Bearbeiten]