Anwendung von DMSO als „Oxidationsmittel“ in der organischen Synthese!

Der Oxidationsprozess vonDimethylsulfoxid (DMSO) ReagenzqualitätDie Reaktion verläuft nach dem klassischen Schema elektrophile Aktivierung – nukleophile Addition – Eliminierung: Zunächst binden elektrophile Reagenzien (wie Oxalylchlorid, DCC oder Schwefeltrioxid-Pyridin-Komplex) an die Schwefel-Sauerstoff-Doppelbindung von Dimethylsulfoxid (DMSO), aktivieren das Sauerstoffatom, um dessen Abspaltung zu erleichtern, und bilden das wichtige Zwischenprodukt Sulfonium-Kation. Anschließend greift das Substrat (z. B. eine Alkohol-Hydroxylgruppe oder ein halogenierter Kohlenwasserstoff) das Schwefelatom an und bildet ein Alkoxysulfonium-Ion. Schließlich erfolgt unter Einwirkung einer Base eine Deprotonierung, wodurch ein Schwefel-Ylid-Zwischenprodukt entsteht. Dieses setzt über einen fünfgliedrigen Übergangszustand Dimethylsulfid frei, und das Substrat wird zu Carbonylverbindungen wie Aldehyden und Ketonen oxidiert.

Dieses Verfahren umgeht die starke Korrosivität traditioneller Oxidationsmittel (wie Cr⁶⁺, MnO₂) und bietet ein mildes Reaktionsmilieu für empfindliche funktionelle Gruppen. Es ermöglicht Oxidationsreaktionen von Alkoholen, Halogeniden und schweren Bindungen, wie beispielsweise die Swern-Oxidation, die Kornblum-Oxidation, die Parikh-Doering-Oxidation, die Pfitzner-Moffatt-Oxidation usw. Diese Reaktionen profitieren erheblich von der Verwendung vonDMSOfür organische Oxidationsreaktionen, bietet es eine bessere Selektivität und Kompatibilität für komplexe organische Substrate.

1. Swern-Oxidation

Das von Daniel Swern und seinen Kollegen im Jahr 1978 entwickelte Niedertemperatur-Oxidationssystem (Dimethylsulfoxid (DMSO) Reagenzqualität/Oxalylchlorid/Triethylamin) kann als der "guardian" empfindlicher Substrate bezeichnet werden.

Die Reaktion wird üblicherweise bei -78 °C durchgeführt. Zunächst reagiert Dimethylsulfoxid (DMSO) mit Oxalylchlorid zu Dimethylchlorsulfoniumchlorid, welches anschließend mit Alkohol zu Alkoxysulfoniumionen reagiert. Nach alkalischer Behandlung zersetzt sich das Sulfoniumylid und liefert Aldehyde und Ketone. Der Vorteil dieser Reaktion liegt in den milden Reaktionsbedingungen und der Vermeidung von Peroxidbildung. Sie eignet sich besonders zur Oxidation von Alkoholen mit säure- oder hitzeempfindlichen Gruppen, beispielsweise zur Umwandlung komplexer cyclischer Alkohole in der Naturstoffsynthese.

2. Pfitzner–Moffatt Oxidation

1963 entdeckten Moffatt und sein Student Pfitzner, dass die Kombination aus pharmazeutisch reinem DMSO-Lösungsmittel und DCC zur Oxidation von Alkoholen unter schwach sauren Bedingungen verwendet werden kann. Der Reaktionsweg verläuft wie folgt: Zunächst aktiviert protoniertes DCC Dimethylsulfoxid (DMSO) und erzeugt so ein reaktives Zwischenprodukt. Dieses Zwischenprodukt reagiert anschließend mit dem Alkohol zu einem Alkoxysulfonium-Ylid und setzt schließlich N,N-Dicyclohexylharnstoff (DCU) als Nebenprodukt frei.

Die Reaktionsbedingungen sind mild und eignen sich für empfindliche Alkoholsubstrate. Sie zeichnen sich durch hohe Ausbeute, einfache Durchführung, geringe Kosten und Kompatibilität mit den meisten funktionellen Gruppen aus. Allerdings neigen ungeschützte tertiäre Alkohole zur Eliminierung. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass das Nebenprodukt Dialkylharnstoff und überschüssiges DCC nur schwer vollständig entfernt werden können.

Tipps | Wie lässt sich das bei der Reaktion von DCC entstehende Nebenprodukt Dicyclohexylharnstoff (DCU) entfernen?

3. Albright-Goldman-Oxidation

Die Reaktion der Oxidation von Alkoholen zu Aldehyden und Ketonen mit wasserfreier Essigsäure (Essigsäureanhydrid) und Dimethylsulfoxid (DMSO) in Reagenzqualität als Aktivatoren wurde erstmals 1965 von Albright und Goldman systematisch beschrieben. Aufgrund der geringen Aktivierungsfähigkeit von Essigsäureanhydrid ist die Reaktionszeit im Allgemeinen lang.

Der Vorteil dieser Reaktion liegt darin, dass sie bei Raumtemperatur durchgeführt werden kann und sich leicht nachbearbeiten lässt, insbesondere bei der Oxidation von Alkoholen mit großer sterischer Hinderung. Der Nachteil besteht darin, dass bei Hydroxylgruppen mit geringer sterischer Hinderung Acetylierung und die Bildung von Methylthiomethylether als Nebenreaktionen auftreten können.

4. Parikh–Doering-Oxidation

Die Reaktion der Umwandlung von primären und sekundären Alkoholen in die entsprechenden Aldehyde und Ketone unter Verwendung vonDMSODie Verwendung eines festen Schwefeltrioxid-Pyridin-Komplexes als Aktivator und Triethylamin als Base für organische Oxidationsreaktionen wurde erstmals 1967 von Parikh und Doering beschrieben.

Reaktionsweg: Zunächst werden Dimethylsulfoxid (DMSO) und Schwefeltrioxid bei 0 °C oder Raumtemperatur zugegeben. Anschließend reagiert das Molekül mit einem Alkohol unter Bildung eines wichtigen Alkoxysulfonium-Ions. Dieses wird dann durch eine Base deprotoniert, wodurch das entsprechende Schwefelylid entsteht. Dieses durchläuft einen fünfgliedrigen Übergangszustand und setzt Dimethylsulfid frei, woraus Aldehyde und Ketone resultieren.