8.10 : Oxidation von Alkenen: Syn-Dihydroxylierung mit Osmiumtetraoxid

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.