8.10:

8.10: Oxidation von Alkenen: Syn-Dihydroxylierung mit Osmiumtetraoxid

Oxidation of Alkenes: Syn Dihydroxylation with Osmium Tetraoxide

JoVE Core
Organic Chemistry

This content is Free Access.

JoVE Core Organic Chemistry

Oxidation of Alkenes: Syn Dihydroxylation with Osmium Tetraoxide

8.9: Regioselectivity and Stereochemistry of Hydroboration

8.11: Oxidation of Alkenes: Syn Dihydroxylation with Potassium Permanganate

10,227 Views

•

02:44 min

•

May 22, 2025

Overview

Alkene werden durch einen Prozess namens Dihydroxylierung in 1,2-Diole oder Glykole umgewandelt. Dabei werden zwei Hydroxylgruppen über die Doppelbindung mit zwei verschiedenen stereochemischen Ansätzen, nämlich anti und syn, hinzugefügt. Die Dihydroxylierung mit Osmiumtetroxid verläuft mit syn-Stereochemie.

Mechanismus der Syn-Dihydroxylierung

Die Reaktion umfasst einen zweistufigen Mechanismus. Sie beginnt mit der Addition von Osmiumtetroxid an die Alkendoppelbindung in konzertierter Weise, wobei ein fünfgliedriger cyclischer Osmatester als Zwischenprodukt gebildet wird, der isoliert und charakterisiert werden kann. Osmiumtetroxid ist von Natur aus elektrophil und dient als starkes Oxidationsmittel. Es nimmt ein Elektronenpaar von der π-Bindung des Alkens auf, wobei es von +VIII zu +VI reduziert wird.

Im nächsten Schritt reagiert der zyklische Osmatester mit einem Reduktionsmittel wie Natriumbisulfit, das die Os-O-Bindung spaltet und ein cis-Glykol erzeugt, wobei die syn-Stereochemie der beiden neu gebildeten C-O-Bindungen erhalten bleibt.

Ein großer Nachteil dieser Methode ist die Verwendung von giftigem und teurem Osmiumtetroxid. Um dies zu umgehen, wird Osmiumtetroxid häufig als Katalysator zusammen mit Co-Oxidationsmitteln wie N-Methylmorpholin-N-oxid (NMO) oder tert-Butylhydroperoxid (TBHP) verwendet. Die Co-Oxidationsmittel reoxidieren die +VI-Spezies des Osmiums zu +VIII und regenerieren so das Osmiumtetroxid für die weitere Oxidation der übrigen Alkene.

Stereochemisches Ergebnis

Da die Oxidation von Alkenen mit Osmiumtetroxid ein stereospezifischer Synadditionsprozess ist, werden die beiden Sauerstoffatome des Osmiumtetroxids gleichzeitig an dieselbe Seite der π-Bindung des Alkens addiert. Auf diese Weise entsteht bei der Dihydroxylierung von (E)-Hex-3-en ein Enantiomerenpaar, während (Z)-Hex-3-en eine meso-Verbindung ergibt.

Asymmetrische Dihydroxylierung nach Sharpless

Interessanterweise entwickelte Karl Barry Sharpless eine enantioselektive Methode für die synchrone Dihydroxylierung von Alkenen, für die er den Nobelpreis erhielt. Diese Methode ist als asymmetrische Sharpless-Dihydroxylierung bekannt und wird mit Osmiumtetroxid, einer stöchiometrischen Menge des Co-Oxidationsmittels und einem chiralen Aminliganden durchgeführt.

Transcript

Die Dihydroxylierung ist eine oxidative Additionsreaktion, bei der zwei Hydroxylgruppen über eine Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindung addiert werden, um 1,2-Diole oder Glykole zu bilden.

Die Dihydroxylierung von Alkenen kann auf zwei verschiedenen stereochemischen Wegen erfolgen: Anti-Dihydroxylierung und Syn-Dihydroxylierung.

Bei der Syndihydroxylierung wird ein Alken mit Osmiumtetroxid in Pyridin behandelt, wobei ein cyclischer Osmatester gebildet wird, gefolgt von einer Reduktion mit wässrigem Natriumbisulfit, um ein cis-Diol zusammen mit der reduzierten Form von Osmiumtetroxid zu erhalten.

Der Mechanismus ist ein zweistufiger Prozess, der mit der Zugabe von Osmiumtetroxid über die Alken-Doppelbindung in einer konzertierten Weise beginnt, um einen fünfgliedrigen zyklischen Osmatester zu bilden.

Osmiumtetroxid ist ein starkes Oxidationsmittel und von Natur aus elektrophil. Es nimmt bereitwillig Elektronen aus der Alken-π-Bindung auf und reduziert dadurch die Oxidationsstufe von Osmium von +8 auf +6.

Die beiden Sauerstoffatome addieren sich gleichzeitig über die gleiche Fläche der Alken-Doppelbindung mit syn-Stereochemie.

Im zweiten Schritt wird der Osmatester in Gegenwart von Natriumbisulfit hydrolysiert, das die Osmium-Sauerstoff-Bindung spaltet, ohne die Stereochemie der Kohlenstoff-Sauerstoff-Bindung zu verändern, um ein cis-Diol zu bilden.

Obwohl die Reaktion stereospezifisch ist und cis-Diole in guten Ausbeuten erzeugt, ist der Einsatz von Osmiumtetroxid begrenzt, da es sehr giftig und teuer ist.

Um diese Einschränkungen zu überwinden, werden dem Reaktionsgemisch typische Co-Oxidantien wie N-Methylmorpholin-N-oxid oder tert-Butylhydroperoxid zugesetzt.

Das Co-Oxidationsmittel oxidiert Osmium +6 bis +8 und regeneriert das Osmiumtetroxid zur Oxidation der restlichen Alkene.

Da die Reaktion stereospezifisch ist, bildet die syn-Dihydroxylierung von (E)-hex-3-en ein Paar von Enantiomeren, während die syn-Dihydroxylierung von (Z)-hex-3-en ein Produkt bildet, das eine Mesoverbindung ist.

Eine freundlichere enantioselektive Methode zur Syndihydroxylierung von Alkenen wurde von Karl Barry Sharpless entwickelt, für die er den Nobelpreis erhielt. Die Reaktion wird in Gegenwart von chiralen Aminliganden durchgeführt und wird als Sharpless asymmetrische Dihydroxylierung bezeichnet.

Key Terms and definitions

Learning Objectives

Questions that this video will help you answer

This video is also useful for

Tags

Oxidation Alkenes Dihydroxylation Osmium Tetroxide Syn Stereochemistry Mechanism Osmate Ester Electrophilic Reduction Cleavage Glycol Catalyst Co-oxidants Stereochemical Outcome