Baeyer-Villiger-Oxidation

Grundprinzip und Bedeutung

Die Baeyer-Villiger-Oxidation ist eine Reaktion der organischen Chemie, bei der ein Keton mit einer Percarbonsäure zu einem Ester umgesetzt wird. Cyclische Ketone werden dabei unter Ringerweiterung in Lactone, also cyclische Ester, umgewandelt.

Lewis-Säuren wie Bortrifluorid (BF₃) beschleunigen die Reaktion katalytisch. Die Reaktion ist außerdem für die Herstellung von Caprolacton und für die enantioselektive Synthese chiraler Lactone von Bedeutung.

Reaktionsmechanismus und Wanderungsregeln

Eine besonders geeignete Percarbonsäure ist Peroxytrifluoressigsäure (2). Das Keton (1) und die Percarbonsäure reagieren zunächst zu einem instabilen tetraedischen Zwischenprodukt (3), das eine schwache O-O-Bindung besitzt. Nach heterolytischer Spaltung dieser O-O-Bindung wandert eine Alkylgruppe zu einem Sauerstoffatom. Anschließend entsteht der Ester (4); als Abgangsgruppe tritt beispielsweise Trifluoracetat (5) auf.

Neben der katalytischen Beschleunigung durch Lewis-Säuren beeinflussen der Charakter der Abgangsgruppe und die wandernde Gruppe die Reaktionsgeschwindigkeit wesentlich. Bei unsymmetrisch substituierten Ketonen wandert im Allgemeinen diejenige Gruppe, die die positive Ladung eines Carbeniumions besser stabilisieren kann, sofern ihre Wanderung nicht sterisch gehindert ist.

Die relative Wanderungstendenz nimmt in folgender Reihenfolge ab: tert-Alkyl > sec-Alkyl = Phenyl > prim-Alkyl > Methyl

Untersuchungen mit ¹⁸O-markiertem Benzophenon zeigten, dass die Carbonylgruppe des Ketons im Endprodukt unverändert erscheint. Das Produkt ist in diesem Fall Benzoesäurephenylester.

Aldehyde als Sonderfall

Aldehyde werden in der Regel zu Carbonsäuren oxidiert. Ursache ist, dass ein Wasserstoffatom in den meisten Fällen die größte Wanderungstendenz besitzt. Ausnahmen sind möglich, beispielsweise bei der Dakin-Reaktion.

Für präparative Zwecke hat diese Umsetzung nur geringe Bedeutung, weil andere Verfahren zur Oxidation von Aldehyden zu Carbonsäuren einfacher und atomökonomischer durchgeführt werden können.

Technische und enzymatische Anwendungen

Caprolacton, ein Grundstoff für Polycaprolacton, kann technisch durch die Baeyer-Villiger-Oxidation von Cyclohexanon mit Persäuren hergestellt werden. Geeignete Persäuren sind Peressigsäure, Perbenzoesäure und m-Chlorperbenzoesäure. Die Oxidation kann auch mithilfe von Katalysatoren und Sauerstoff erfolgen; im Labor wird Perbenzoesäure als Oxidationsmittel verwendet.

Baeyer-Villiger-Monooxygenasen (BVMO) ermöglichen die enantioselektive Synthese chiraler Lactone. Besonders effektiv ist die Subklasse der Cyclohexanon-Monooxygenasen (CHMO). So wird 4-Methylcyclohexanon enantioselektiv mit mehr als 96 % ee zu (S)-4-Methyl-ε-caprolacton oxidiert. „ee“ bezeichnet dabei den Enantiomerenüberschuss.