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Verwandte Reaktionen:
Organic Chemistry Portal: Newman-Kwart Rearrangment
Newman-Kwart-Umlagerung
In der Newman-Kwart-Umlagerung führt intramolekulare Aryl-Wanderung von O-Thiocarbamaten bei hohen Temperaturen zu S-Thiocarbamaten. Die Reaktion ermöglicht somit Zugang zu Thiophenolen aus Phenolen, weil O-Thiocarbamate rasch aus Phenolen erhalten werden und Hydrolyse der S-Thiocarbamate ohne Probleme durchgeführt werden kann.
Mechanismus
Relativ saure Phenole können in Gegenwart einer tertiären Amin-Base mit N,N-Dialkylthiocarbamoylchlorid zu O-Thiocarbamaten umgesetzt werden, wohingegen weniger saure Phenole vor der Thiocarbamoylierung deprotoniert werden müssen.
Newman-Kwart-Umlagerungen von N,N-Dimethyl-, N,N-Diethyl-, N-Morpholino-, N-Methyl-N-Phenyl-Thiocarbamaten führen in verleichbarer Ausbeute zum erwünschten Produkt, aber Mono-N-alkylierte Edukte gehen bei Erwärmung eine Phenol-Eliminierung ein, die zum Isocyanat führt.
Weil die Newman-Kwart-Umlagerung erhöhte Temperaturen benötigt, können einige Nebenreaktionen resultieren, die durch Verunreinigungen katalysiert werden. Die Verwendung von N,N-Dimethylthiocarbamaten bietet einen grossen Vorteil: da diese Verbindungen sehr gut kristallisieren, können sie einfach aufgereinigt werden.
Der akzeptierte Mechanismus der Newman-Kwart-Umlagerung wurde durch kinetische Untersuchungen verifiziert: die Newman-Kwart-Umlagerung zeigt eine für intramolekulare Reaktionen typische Kinetik erster Ordnung. Eine hohe, negative Aktivierungsentropie der Reaktion lässt auf einen sehr gehinderten und schwierig zu erreichenden Übergangszustand schliessen. Die treibende Kraft ist die Umsetzung einer C=S in eine C=O-Bindung (ΔH ~ 13 kcal mol-1).
Die Umlagerung kann als eine intramolekulare, aromatische nucleophile Substitution gesehen werden:
Typisch für aromatische nucleophile Substitutionen ist eine Aktivierung durch elektronenziehende Substituenten in para und ortho, welche die Elektronendichte im Ring erniedrigen und die entstehende, negative Ladung stabilisieren.
Kleine Substituenten in der ortho-Position haben einen nützlichen Effekt: die eingeschränkte Rotation um die Ar-O-Bindung erniedrigt die Entropie, um den Übergangszustand zu erreichen. Relative Umsetzungsgeschwindigkeiten zwischen O-(o-Tolyl) and O-(p-Tolyl)-N,N-dimethylthiocarbamaten werden mit 1.9 beziffert. Aber schon das 2,6-Dimethylanalog reagiert ein wenig langsamer. Und wenn die Grösse der Substituenten von Methyl zu tert-Butyl vergrössert wird, so macht die sterische Hinderung den entropischen Effekt zunichte.
Einige Edukte benötigen derart harsche Konditionen, dass längerer Kontakt der Moleküle mit den heissen Wänden des Reaktionsgefässes zu Nebenprodukten führt. Elektronenreiche, aromatische Verbindungen mit höherer Aktivierungs-Barriere, aber auch Substrate mit thermisch instabilen Gruppen (z.B. Stereozentren, die racemisieren), können mit Hilfe von spezifischen Bedingungen wie z.B. unter Flash-Vakuum-Pyrolyse umgesetzt werden. Hierzu wird das Edukt in Toluol in einem Strom von Stickstoff gelöst, der dann ein auf 400°C geheiztes Quartz-Rohr durchströmt. Eine weitere Möglichkeit ist die Verwendung von thermisch stabilen, polaren Lösungsmitteln in einer Mikrowellen-unterstützten Reaktionsführung:
Newman-Kwart-Umlagerungen bei hohen Temperaturen können sehr einfach in einer Druck-erprobten MW-Ausrüstung durchgeführt werden, da hohe Temperaturen und Druck um 10 bar, einfacher mit MW als mit konventioneller Ausrüstung zu erreichen und zu kontrollieren ist. Aber ein spezifischer "Mikrowellen-Effekt" wurde bis dato nicht gefunden; die Beschleunigung kann alleine auf das "Superheating" des Lösungsmittels zurückgeführt werden.
Die Reaktion ist - wie bereits erwähnt - unimolekular, aber der zwitterionische Übergangszustand kann sehr wohl durch polare Lösungsmittel oder Zugabe von Salzen stabilisiert werden. Reaktionen, die in Xylol zu 10% Ausbeute führen, können z.B. in Ameisensäure 80% ergeben. DMA, NMP und Diphenylether sind weitere Lösungsmittel der Wahl, die polar sind, und mit denen problemlos höhere Reaktionstemperaturen zu erreichen sind.
Die Umsetzung von S-Arylthiocarbamaten zu den Thiolen ist problemlos mit 10% wässriger NaOH oder methanolischem Natriumhydroxid möglich. Als Alternative bietet sich eine Reduktion mit Lithiumaluminiumhydrid an, die unter nicht-hydrolytischen Bedingungen Thiophenole in guten Ausbeuten ergibt.
Ein gute Übersicht der Newman-Kwart-Umlagerung mit historischen Entwicklungen, mechanistischen Details und Anwendungen kann in einem aktuellen Übersichtsartikel von Lloyd-Jones, Moseley und Renny erhalten werden (Synthesis 2008, 661. DOI).
Weitere Beispiele von Umsetzungen finden Sie auch in der Literatursektion.