Organische Chemie

Mannich Reaktion

Dieser Artikel hilft dir die Mannich Reaktion und ihren Mechanismus ganz einfach zu verstehen.

Am besten schaust du dir auch direkt unser Video zur Mannich Reaktion an. %Videoverweis

Inhaltsübersicht

Mannich Reaktion einfach erklärt

Die Mannich Reaktion ist eine Dreikomponenten-Kondensation. Bei der Reaktion von einer Aminokomponente, einer Carbonylkomponente und einer aciden Komponente entsteht unter Abspaltung von Wasser die Mannich Base, eine \beta-Aminocarbonylverbindung.

Merke:

Die Mannich Reaktion ist eine Namensreaktion, bei welcher eine Kondensationsreaktion von 3 Komponenten stattfindet und als Produkt die Mannich Base entsteht. Kondensationsreaktion bedeutet, dass dabei Wasser abgespalten wird.

Grundlagen der Mannich Reaktion

Die Mannich Reaktion ist eine Namensreaktion, benannt nach dem Chemiker Carl Mannich. Es handelt sich um eine Dreikomponenten-Kondensation.

Schauen wir uns das mal Schritt für Schritt an: Kondensationreaktion bedeutet, dass bei der Reaktion Wasser (H2O) abgespalten wird. Dreikomponenten-Kondensation beschreibt, dass 3 Edukte an der Kondensationsreaktion beteiligt sind. Typischerweise wählst du als Edukte eine Aminokomponente (z.B. NH3), eine Carbonylkomponente (z.B. Formaldehyd) und eine acide Komponente. Bei der Eduktwahl solltest du beachten, dass die acide Komponente enolisierbar ist. Das bedeutet, dass eine Keto-Enol-Tautomerie möglich ist. Nur so kann die Mannich Reaktion tatsächlich ablaufen. Die Produkte der Mannich Reaktion sind Wasser und die sogenannte Mannich Base. %Hier ein Bild mit der groben Reaktion, also Edukte und Produkte

Die Mannich Reaktion umfasst mehrere Reaktionsschritte. Nach der Aktivierung kommt es zu einer nukleophilen Addition, die Aminoalkylierung

Produkte und Edukte

Die Edukte der Mannich Reaktion sind im Allgemeinen eine Aminokomponente, eine acide Komponente und eine Carbonylkomponente. Betrachten wir die Eduktkomponenten mal genauer: %Ich hab hier noch die Aufzählungspunkte eingefügt. Ist glaub ich übersichtlicher damit, oder? :)

  • Aminokomponente:  Häufig wird Ammoniak oder ein sekundäres Amin verwendet. Auch primäre Amine  kannst du für die Mannich Reaktion verwenden, jedoch keine tertiären Amine. Diese verhindern die Bildung des Zwischenprodukts. Beispiele für Aminokomponenten sind Enamine, Imine, Indol, Aromate und Phenole. %Hier ein Bild mit den Beispielstrukturen und deren Bezeichnungen
  • Acide Komponente: Wenn du es ganz genau nehmen möchtest, brauchst du hier eine \alpha-CH-acide Verbindung, welche enolisierbar ist. Beispiele sind Aldehyde, Ketone, Nitrile, Alkine oder Nitroalkane. %Hier ein Bild mit den Beispielstrukturen und deren Bezeichnungen
  • Carbonylkomponente: Die Carbonylkomponente ist wichtig für die Aktivierung des Amins. Typischerweise verwendest du hier Formaldehyd.

Die Produkte sind Wasser und die Mannich Base (= \beta-Aminocarbonylverbindung), welche ein Amin mit weiteren funktionellen Gruppen ist. 

Du solltest beachten, dass bei der Wahl von asymmetrischen Ketonen als acide Komponenten zwei verschiedene Produkte entstehen können, sogenannte Regioisomere . Das liegt daran, dass das Kohlenstoffatom in der \alpha-Position angegriffen wird. Davon gibt es jedoch zwei und wenn diese nun unterschiedlich lange Kohlenstoffketten haben, ergeben sich 2 Konstitutionsmöglichkeiten. Es gibt verschiedene Methoden um nur eines der Isomere zu erhalten. Zum Beispiel kann man chirale Organo- oder Metallkatalysatoren verwenden oder anstatt des Ketons nimmst du einfach das entsprechende Iminiumsalz. Ein typisches Beispiel ist hier das Eschenmosersalz (C3H8IN).

Reaktionsbedingungen

Die Reaktionsbedingungen für die Mannich Reaktion variieren mit der Wahl der eingesetzten Komponenten. Generell findet die Reaktion unter hohen Temperaturen in protischen Lösemitteln statt und die Reaktionszeiten sind relativ lang. Dadurch entstehen häufig unerwünschte Nebenprodukte, deren Abtrennung nur schwer möglich ist und zu Ausbeuteverlusten führt. 

Die Verwendung von Methyleniminiumsalzen vereinfacht die Reaktionsbedingungen. Ein bereits zuvor genanntes Beispiel ist das Eschenmosersalz. Nicht nur die Selektivität wird dadurch verbessert. Die Mannich Reaktion kann somit unter milderen Reaktionsbedingungen und mit größerer Ausbeute stattfinden. %Hier ein Bild mit der Mannich Reaktion unter Verwendung des Eschenmosersalzes

Durch die richtige Wahl an Edukten kannst du die Effizienz der Mannich Reaktion zu einem großen Teil beeinflussen. 

Mannich Reaktion Mechanismus

Die Mannich Reaktion umfasst mehrere Reaktionsschritte und führt zur Aminoalkylierung. Unter sauren Bedingungen ist das Sauerstoffatom des Formaldehyds protoniert und somit positiv geladen. Dadurch zieht es die Elektronen stärker zu sich, sodass das Kohlenstoffatom nukleophiler ist.

Der erste Schritt ist eine Aktivierungsreaktion. Hier startet das Stickstoffatom vom Amin einen nukleophilen Angriff am Formaldehyd. Das Sauerstoffatom kann nun ein weiteres Wasserstoffatom aufnehmen, während das Stickstoffatom sein freies Elektronenpaar zur Verfügung stellt. Hier passiert die Kondensationsreaktion: Wasser wird abgespalten und es bleibt ein Carbenium-Iminium-Ion zurück, welches mesomerie -stabilisiert ist. %Hier ein Bild von dem 1. Schritt des Reaktionsmechanismus

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Mannich Reaktion: Mechanismus 1. Teil

Im zweiten Schritt kannst du sowohl unter sauren als auch unter basischen Bedingungen die Keto-Enol-Tautomerie beobachten. Das Enol startet den zweiten nukleophilen Angriff der Mannich Reaktion am Carbenium-Iminium-Ion. Nach dieser nukleophilen Addition wird die Hydroxygruppe noch deprotoniert und du erhälst die Mannich Base, eine \beta-Aminocarbonylverbindung. %Hier ein Bild von dem 2. Schritt des Reaktionsmechanismus

Mannich Reaktion Anwendung

Die Produkte der Mannich Reaktion finden in vielen Bereichen Anwendung. Vor allem bei der Synthese von Naturstoffen spielen sie eine wichtige Rolle bei der Herstellung von Peptid-Nukleosid-Antibiotika oder von Alkaloiden. In der pharmazeutischen Chemie kann mit Hilfe der Mannich Reaktion Tropinon hergestellt werden, eine Vorstufe von Atropin. In hoher Dosis ist Atropin giftig, aber in sehr geringer Dosis findet Atropin in vielen medizinischen Bereichen Verwendung. %Hier ein Bild mit der Synthese von Tropinon

Weitere Anwendungsbereiche der Mannich Reaktion sind der Pflanzenschutz sowie die Lack- und Polymerchemie zur Herstellung von Farbstoffen oder Reaktionsbeschleunigern.


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