LiAlH4 und NaBH4 Carbonyl-Reduktionsmechanismus

Alkohole können aus Carbonylverbindungen wie Aldehyden, Ketonen, Estern, Säurechloriden und sogar Carbonsäuren durch Hydridreduktionen hergestellt werden. Diese Reduktionen entstehen durch eine Nettoaddition von zwei Wasserstoffatomen an die C=O-Bindung:

Die häufigsten Hydrid-Reduktionsmittel sind das Lithium-Aluminium-Hydrid (LiALH4), auch abgekürzt als LAH, und Natriumborhydrid (NaBH4):

Das Prinzip der Hydridreduktionsmittel ist das Vorhandensein einer polaren kovalenten Bindung zwischen einem Metall und Wasserstoff. Aufgrund der höheren Elektronegativität trägt der Wasserstoff eine höhere Elektronendichte, die ihn schließlich als Hydrid-Ion reagieren lässt:

Zum Beispiel ist die Al-H-Bindung in LiAlH4 so polar, dass sie fast ionischen Charakter hat und der Wasserstoff als Hydrid-Ion zurückbleibt, das sowohl als Base als auch als Nukleophil sehr reaktiv ist:

Das Hydrid-Ion reagiert mit der Carbonylgruppe, die ihrerseits ebenfalls eine polare kovalente Bindung ist, und das Vorhandensein der π-Bindung ermöglicht die H- Addition:

LiALH4 ist eines der stärksten Reduktionsmittel, das effizient für jede Carbonyl- und auch einige andere funktionelle Gruppen wirkt.

Diese hohe Reaktivität des Hydrid-Ions in LiAlH4 macht es unverträglich mit protischen Lösungsmitteln. Es reagiert zum Beispiel heftig mit Wasser, weshalb LiAlH4-Reduktionen in trockenen Lösungsmitteln wie wasserfreiem Ether und THF durchgeführt werden.

NaBH4 hingegen ist nicht so reaktiv und kann z. B. für eine selektive Reduktion von Aldehyden und Ketonen in Gegenwart eines Esters verwendet werden:

Beachten Sie, dass LiALH4 und NaBH4 Aldehyde und Ketone zu primären bzw. sekundären Alkoholen reduzieren. Ester hingegen werden durch LiALH4 in primäre Alkohole umgewandelt.

Wie bereits erwähnt, fungieren beide Reagenzien als Quelle für Hydrid (H-), das als Nucleophil am Kohlenstoff der C=O-Bindung des Carbonyls angreift, und im zweiten Schritt wird das resultierende Alkoxid-Ion protoniert, um einen Alkohol zu bilden.

Es gibt jedoch einige Unterschiede je nach Reagenz und um diese anzusprechen, lassen Sie uns mit dem Mechanismus der LiAlH4-Reduktion beginnen:

Die Hydrid-Addition an das Carbonyl wird ebenfalls durch das Lithium-Ion katalysiert, das als Lewis-Säure dient, indem es sich an den Carbonyl-Sauerstoff koordiniert. Dadurch verringert sich die Elektronendichte am Sauerstoff, wodurch die C=O-Bindung anfälliger für einen nukleophilen Angriff wird.

Das resultierende Alkoxidsalz kann mit dem AlH3 reagieren und es in eine andere Hydridquelle umwandeln. Der Einfachheit halber zeigen wir jedoch meist nur eine Addition an das Carbonyl, gefolgt von einer Protonierung des Alkoxids mit Wasser oder wässrigen sauren Lösungen, wodurch das Endprodukt Alkohol entsteht.

NaBH4-Reduktion von Aldehyden und Ketonen – Der Mechanismus

Natriumborhydrid reduziert Aldehyde und Ketone nach einem ähnlichen Mechanismus mit einigen wichtigen Unterschieden, die wir erwähnen müssen.

Erstens ist NaBH4 nicht so reaktiv und die Reaktion wird normalerweise in protischen Lösungsmitteln wie Ethanol oder Methanol durchgeführt. Das Lösungsmittel hat hier zwei Funktionen:

1) Es dient als Quelle für ein Proton (H+), sobald die Reduktion abgeschlossen ist

2) Das Natrium-Ion ist eine schwächere Lewis-Säure als das Lithium-Ion und in diesem Fall dient die Wasserstoffbrückenbindung zwischen dem Alkohol und der Carbonylgruppe als Katalysator zur Aktivierung der Carbonylgruppe:

Da NaBH4 nicht sehr reaktiv ist, ist es nicht stark genug, um mit Estern zu reagieren. Und das hat auch mit der Reaktivität des Esters zu tun. Im Allgemeinen sind Aldehyde und Ketone die reaktivsten Carbonylverbindungen (nach den Säurechloriden, die wegen ihrer Reaktivität nur als Reagenzien und nicht als Endprodukte verwendet werden).

Das haben wir auch bei der Grignard-Reaktion gesehen. Aldehyde und Ketone sind reaktiver als Ester, da die Elektrophilie des Kohlenstoffatoms des Esters durch das einsame Paar des Sauerstoffs durch Resonanzstabilisierung teilweise unterdrückt wird:

Durch die Resonanzstabilisierung ist das C=O-Kohlenstoffatom in den Estern nicht elektrophil und NaBH4, das nicht sehr reaktiv ist, kann es nicht angreifen.

So viel zur Beziehung zwischen NaBH4 und Ester. Schauen wir uns nun an, wie die Reduktion von Estern durch LiAlH4 funktioniert.

Der Mechanismus der LiAlH4-Reduktion von Estern

Die Reduktion eines Esters zu einem Alkohol erfordert zwei Hydridadditionen an der Carbonylgruppe, daher wird ein Überschuss an LiAlH4 verwendet:

Das liegt daran, dass das nach der ersten Hydridaddition gebildete tetraedrische Zwischenprodukt eine Abgangsgruppe enthält, die unter Neubildung der Carbonylgruppe herausgeschlagen wird:

Die neu gebildete Carbonylgruppe ist ein Aldehyd und dieser ist reaktiver als der Ester, daher wird er ein weiteres Mal von LiAlH4 angegriffen:

Dies ist wiederum sehr ähnlich zu dem, was wir bei der Grignard-Reaktion von Estern gesehen haben. Ja, das Methoxid-Ion ist keine großartige Abgangsgruppe, wie wir es von E2- oder SN2-Reaktionen kennen. Es ist aber immer noch eine schwächere Base als das Hydrid-Ion und außerdem ist das tetraedrische Zwischenprodukt mit zwei Sauerstoffatomen und einer negativen Ladung sehr instabil und es ist energetisch günstig, das Methoxid auszutreiben.

Der Mechanismus der LiAlH4-Reduktion von Carbonsäuren

Die Reduktion von Carbonsäuren erfordert ebenfalls einen Überschuss an LiAlH4. Die erste Reaktion zwischen einer Carbonsäure und LiAlH4 ist einfach eine Brønsted-Lowry-Säure-Base-Reaktion:

Das entstehende Carboxylat ist aufgrund der hohen Elektronendichte nahezu reaktionslos, weshalb die Reduktion von Carbonsäuren schwieriger ist und mehr Zwangsbedingungen erfordert. Eine gute Alternative dazu ist die Verwendung von Boran, das nur für die Reduktion von Carbonsäuren und Amiden effizient ist.

Zurück zum LiAlH4. Trotz der geringen Reaktivität des Carboxylat-Ions kommt es zur Hydrid-Addition:

Der negativ geladene Sauerstoff wird dann durch Koordination an Aluminium in eine Abgangsgruppe umgewandelt. Diese wird durch die einsamen Paare des anderen Sauerstoffs, die die C=O π-Bindung wiederherstellen, herausgeschleudert und der resultierende Aldehyd wird reduziert, wie wir oben gesehen haben.

Die Stereochemie der LiAlH4- und NaBH4-Reduktion

Bei der Reduktion unsymmetrischer Ketone mit LiAlH4 oder NaBH4 entsteht ein Paar von Stereoisomeren, da das Hydrid-Ion an beiden Seiten der planaren Carbonylgruppe angreifen kann:

Wenn keine weiteren chiralen Zentren vorhanden sind, ist das Produkt ein racemisches Gemisch von Enantiomeren.

Alkohole aus katalytischer Hydrierung

Eine weitere gängige Methode zur Herstellung von Alkoholen aus Aldehyden und Ketonen ist die katalytische Hydrierung:

Erinnern Sie sich, die katalytische Hydrierung war die Methode zur Reduktion von Alkinen zu Alkenen oder Alkanen in Abhängigkeit vom jeweiligen Reagenz. Und das ist der Grund, warum Hydridreduktionen mit LiAlH4 und NaBH4 bevorzugt werden, wenn mehrere funktionelle Gruppen im Molekül vorhanden sind.

Zum Beispiel wird bei der katalytischen Hydrierung der folgenden ungesättigten Aldehyde und Ketone die C=C-Bindung zusammen mit der Carbonylgruppe reduziert, während LiAlH4 und NaBH4 diese intakt lassen und nur die Carbonylgruppe in einen Alkohol umgewandelt wird.

Eine Zusammenfassung für alkoholreduzierende Reagenzien

Neben LiAlH4 und NaBH4 gibt es hunderte von verschiedenen Hydrid-Reduktionsmitteln, die für bestimmte Szenarien und Kombinationen von funktionellen Gruppen im Molekül entwickelt wurden. Sie alle haben ihre Vor- und Nachteile. Es ist unmöglich, dies in einem einzigen Artikel zu behandeln, und die meisten von ihnen sprengen den Rahmen der meisten Studiengänge.

Nachfolgend finden Sie jedoch eine Übersichtstabelle für die Carbonyl-Reduktionen zu Alkoholen, die Sie wahrscheinlich kennen müssen:

Wenn Sie diese gelernt haben, gehen Sie die folgenden Übungsaufgaben für die Reduktion von Carbonylverbindungen zu Alkoholen durch:

Alkohole aus Carbonylreduktionen – Übungsaufgaben

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