Kiliani-Fischer-Synthese

Die Kiliani-Fischer-Synthese (auch Cyanhydrin-Synthese) dient zur Verlängerung der Kohlenstoffkette von Zuckern, wie z. B. bei der Reaktion einer Aldopentose zur Aldohexose. Namensgeber sind Heinrich Kiliani[1] und Emil Fischer.[2][3]

Klassischer Syntheseweg

Der Hauptreaktionsweg, der durch Untersuchung der Intermediate im Reaktionsverlauf vorgeschlagen wurde, sieht D-Arabinose → D-Hexononitril (ein Cyanhydrin) → D-Hexonoimidolacton → D-Hexonolacton → D-Hexonsäure vor.[4]

Zunächst kommt es zur Nucleophilen Addition von Blausäure (HCN) an die Carbonylgruppe der Aldose, hier D-Arabinose 1. Da der Angriff auf den Kohlenstoff von zwei Seiten erfolgen kann, bilden sich hierbei zwei diastereomere Cyanhydrine, in diesem Fall 2a D-Mannonsäurenitril und 2b D-Gluconsäurenitril.

Anschließend kommt es zur Hydrolyse des Nitrils zur Carbonsäure. Hierbei handelt es sich zunächst um eine nucleophile Addition von Wasser an die Dreifachbindung, dann erfolgt eine Umlagerung und schließlich eine nucleophile Substitution, da die Aminogruppe gegen eine Hydroxygruppe ausgetauscht wird. Es entstehen zwei diastereomere Aldonate: 3a D-Mannonat und 3b D-Gluconat.

Im sauren Milieu kommt es zur spontanen Cyclodehydratisierung zu Fünfring-Lactonen (γ-Lactonen): 4a γ-D-Mannonolacton und 4b γ-D-Gluconolacton.

Letzter Schritt ist die Reduktion der Carbonsäure mit Natriumamalgam zum Aldehyd. Dabei wird das Natriumamalgam zu Natriumamalgamoxid oxidiert und es entstehen letztlich zwei epimere Aldohexosen: 5a D-Mannose und 5b D-Glucose.[5]

Moderne Entwicklungen

1958 beschrieben R. Kuhn et al.[6] eine Methode, welche speziell für längere Zucker wie Glucose oder Mannose eine höhere Ausbeute ermöglicht. Anstelle der Umsetzung des Cyanhydrins zum Lactam wird dieses mittels reduktiver Hydrierung auf Pd/BaSO4 in Wasser als Lösungsmittel zum Imin umgesetzt. Dieses wiederum hydrolysiert unter den gegebenen Bedingungen augenblicklich zum Aldehyd. Die Verwendung von vergifteten Katalysatoren, etwa Lindlar-Katalysatoren, ist notwendig, um die vollständige Reduktion zum Alkohol zu verhindern.

Das Beispiel zeigt die Kettenverlängerung von L-Threose zu L-Xylose und L-Lyxose.

Kiliani-Fischer-Synthese über Iminbildung und anschließende Hydrolyse
Kiliani-Fischer-Synthese über Iminbildung und anschließende Hydrolyse

Einzelnachweise
  1. Heinrich Kiliani: Ueber das Cyanhydrin der Lävulose. In: Berichte der deutschen chemischen Gesellschaft. Band 18, Nr. 2, 1885, S. 3066–3072, doi:10.1002/cber.188501802249.
  2. Emil Fischer: Reduction von Säuren der Zuckergruppe. In: Berichte der deutschen chemischen Gesellschaft. Band 22, Nr. 2, 1889, S. 2204–2205, doi:10.1002/cber.18890220291.
  3. Zerong Wang: Comprehensive Organic Name Reactions and Reagents. Wiley Verlag, 2010, ISBN 978-0-470-63885-9, Kiliani-Fischer Cyanohydrin Synthesis, S. 1613–1616, doi:10.1002/9780470638859.conrr359.
  4. Rajendra Varmaa, Dexter Frencha: Mechanism of the cyanohydrin (Kiliani-Fischer) synthesis. In: Carbohydrate Research. Band 25, Nr. 1, November 1972, doi:10.1016/S0008-6215(00)82748-2.
  5. Eberhard Breitmaier, Günther Jung: Organische Chemie. Georg Thieme Verlag Stuttgart, 2005, ISBN 3-13-541505-8.
  6. Richard Kuhn, Hans Grassner: Katalytische Hydrierung von Hydroxynitrilen. In: Liebigs Annalen der Chemie, 612, Heft 1, S. 55–64, 1957, doi:10.1002/jlac.19586120106.
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