Meerwein-Ponndorf-Verley-Reduktion

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Die Meerwein-Ponndorf-Verley-Reduktion findet im Gleichgewicht mit der Oppenauer-Oxidation statt.
Die Meerwein-Ponndorf-Verley-Reduktion findet im Gleichgewicht mit der Oppenauer-Oxidation statt.

tl;dr

  • Die MPV-Reduktion dient der Reduktion von Aldehyden und Ketonen zu Alkoholen.
  • Reduktionsmittel: Aluminiumisopropanolat
  • Lösungsmittel: Isopropanol
  • Gleichgewichtsreaktion (Rückreaktion als Oppenauer-Oxidation bekannt), bevorzugt wird das thermodynamisch günstigere Produkt.

Übersicht

Die Meerwein-Ponndorf-Verley-Reduktion (MPV-Reduktion) reduziert Aldehyde und Ketone zu Alkoholen. Die Reaktion findet mit Aluminiumisopropanolat in Isopropanol als Lösungsmittel statt. Die Reaktion ist eine Gleichgewichtsreaktion, deren Rückreaktion auch als Oppenauer-Oxidation bekannt ist. [a-d]

Die Reagenzien der MPV-Reduktion sind günstig und (relativ) umweltfreundlich; daher kann man diese Methode als einen „green-chemistry“-Ansatz zur Reduktion von Aldehyden und Ketonen ansehen. [c]

Mechanistisch gesehen beinhaltet die MPV-Reduktion einen Hydridtransfer an die Carbonylgruppe über einen sechsgliedrigen Übergangszustand, der durch die Koordination des Carbonylsauerstoffs mit dem sauren Lewis-Aluminium vermittelt wird. [a-c]

Vorteile

  • Ein großer Vorteil der MPV-Reduktion ist ihre Chemoselektivität: Aldehyde werden vor Ketonen reduziert, was eine gewisse Reaktionskontrolle ermöglicht.
  • Wenn es notwendig ist, eine Carbonylgruppe in Gegenwart einer anderen zu reduzieren, können Carbonyl-Schutzgruppen eingesetzt werden.
  • Funktionelle Gruppen, wie z.B. Alkene und Alkine, die normalerweise ein Problem für Reduktionsreaktionen darstellen, reagieren unter den Bedingungen der MPV-Reduktion nicht.

Probleme und Schwierigkeiten

Mehrere Probleme schränken den Einsatz der Meerwein-Ponndorf-Verley-Reduktion im Vergleich zum Einsatz anderer Reduktionsmittel ein: [a-d]

  • Die stereochemische Kontrolle ist stark eingeschränkt.
  • Die Verwendung großer Mengen Aluminiumalkoxid ist notwendig.
  • Es sind mehrere Nebenreaktionen bekannt. [d]
    • Aldolkondensationen wurden beobachtet.
    • Aldehyde ohne α-Wasserstoffe könnten die Tishchenko-Reaktion eingehen.
    • Der durch die Reduktion erzeugte Alkohol kann dehydriert werden.

Varianten

Die MPV-Reduktion wurde bei der Synthese von chiralen Aminen aus Ketiminen (N-Analoga von Ketonen) unter Verwendung eines chiralen Alkoxids verwendet.

Lanthanide und Übergangsmetalle können als Katalysatoren für die MPV-Reduktion benutzt werden. Sowohl Ruthenium als auch Samarium haben hohe Ausbeuten und eine hohe Stereoselektivität bei der Reduktion von Carbonylen gezeigt.

Es wurden mehrere heterogene Reaktionen entwickelt.

Reaktionsmechanismus

Die MPV-Reduktion durchläuft einen katalytischen Zyklus, der einen sechsgliedrigen Ringübergangszustand beinhaltet. [a, b, c]

Reaktionsmechanismus der Meerwein-Ponndorf-Verley-Reduktion
Reaktionsmechanismus der MPV-Reduktion. [c]

Ausgehend vom Aluminiumalkoxid wird ein Carbonylsauerstoff koordiniert, um das vierfach koordinierte Aluminiumzwischenprodukt zu erhalten. Im nächsten Schritt wird das Hydrid in einem pericyclischen Übergangszustand vom Alkoxyliganden auf das Carbonyl übertragen. Das dabei entstehende Keton dissoziiert und gibt die dreifach koordinierte Aluminiumspezies frei. [a, b, c]

Übergangszustand der MPV-Reduktion mit Aluminiumisopropoxid. [c]

Anschließend verdrängt ein Alkoholmolekül aus der Lösung das neu reduzierte Carbonyl-Molekül – nachdem ein Protonentransfer vom Alkohol auf das neu reduzierte Carbonyl-Molekül stattgefunden hat -, um den Katalysator zu regenerieren. [a, b, c]

Jeder Schritt im Zyklus ist reversibel und die Reaktion wird durch die thermodynamischen Eigenschaften der Zwischenprodukte und der Produkte angetrieben. [a, b, c]

Für diese Reaktion sind mehrere andere Mechanismen vorgeschlagen worden, darunter ein radikaler Mechanismus sowie ein Mechanismus, der eine Aluminiumhydrid-Spezies einschließt. [c]

Stereoselektivität

An prochiralen Ketonen durchgeführt, führt die MPV-Reduktion zu chiralen Alkoholen.

[c]

Für eine asymmetrische Reduktion ergeben sich dabei drei Methoden:

  1. Verwendung einer chiralen Hydridquelle (eines chiralen Alkohols als Lösungsmittel)
  2. Verwendung einer intramolekularen Variante der MPV-Reduktion
  3. Verwendung eines chiralen Liganden am Aluminiumalkoxid.

Felkin-Anh-Regel

Die Felkin-Anh-Regel beschreibt den Ablauf der selektiven Addition von Aldehyden und Ketonen mit einem Stereozentrum in α-Position zur Carbonylgruppe.

[…]

[…]

Einzelnachweise

[a] Wilds, A. L. „Reduction with Aluminum Alkoxides (The Meerwein-Ponndorf-Verley Reduction)„. Org. React. 1944, 2 (5): 178–223. doi:10.1002/0471264180.or002.05.

[b] R. Cohen; C. R. Graves; S. T. Nguyen, J. M. L. Martin & M. A. Ratner. „The Mechanism of Aluminum-Catalyzed Meerwein-Schmidt-Ponndorf-Verley Reduction of Carbonyls to alcohols„. Journal of the American Chemical Society. 2004. 126 (45): 14796 – 14803. doi:10.1021/ja047613m.

[c] Shahrokh Saba, James A. Ciaccio, Lauren McMann, and Tamilla Tariverdieva. „Using NMR Spectroscopy and Chemical Synthesis to Establish Diastereoselectivity of NaBH4 and Meerwein–Ponndorf–Verley (MPV) Reduction of (±)-Benzoin Isopropyl Ether: A Collaborative Discovery-Based Laboratory Experiment“ . Journal of Chemical Education. Article ASAP. DOI: 10.1021/acs.jchemed.9b01006

[d] De Graauw, C. F.; Peters, J. A.; Van Bekkum, H.; Huskens, J. „Meerwein-Ponndorf-Verley Reductions and Oppenauer Oxidations: An Integrated Approach„. Synthesis. 1994 (10): 1007. doi:10.1055/s-1994-25625.

[e] T. Ooi; T. Miura; K. Marouka. „Highly Efficient, Catalytic Meerwein–Ponndorf–Verler Reduction with a Novel Bidentate Aluminum Catalyst„. Angew. Chem. Int. Ed.. 1998. 37 (17): 2347–2349. https://doi.org/10.1002/(SICI)1521-3773(19980918)37:17<2347::AID-ANIE2347>3.0.CO;2-U