Bei der Paal-Knorr-Synthese werden 1,4-Diketone entweder mit Säurekatalysatoren, Aminen oder Phosphor(V)-sulfid zu heteroaromatischen Heterocyclopentadienen umgesetzt.
Die Furan-Synthese benötigt Säurekatalysatoren,<ref>T.L. Gilchrist: Heterocyclic chemistry. ISBN 0-582-01421-2.</ref> es entstehen 2,5-disubstituierte Furane:
Im ersten Schritt wird eine Carbonylgruppe des Diketons 1protoniert, wodurch das Kation 2 gebildet wird. Im darauffolgenden Schritt wird das Sauerstoffatom der anderen Carbonylgruppe nukleophil unter Ringschluss an die protonierte Carbonylgruppe addiert. Gleichzeitig spaltet sich ein Proton ab, wodurch das Hydroxyfuran 3 entsteht:
Die Hydroxygruppe des Hydroxyfurans 3 wird protoniert, sodass die reaktive Zwischenstufe 4 gebildet wird. Diese reagiert durch Dehydratisierung und Deprotonierung weiter zum Furan 5:<ref>László Kürti, Barbara Czakó: Strategic Applications of Named Reactions in Organic Synthesis. Elsevier Science & Technology Books, 2005, ISBN 0-12-369483-3, S.498.</ref>
Nach Amaraths Veröffentlichung findet der Mechanismus wahrscheinlich als direkte Einführung eines Halbaminals statt. Gestützt wird diese Annahme von seinen Forschungsergebnissen, nach denen die stereochemische Konfiguration der Ausgangsverbindung erhalten bleibt.<ref>Venkataraman Amarnath, Douglas C. Anthony, Kalyani Amarnath, William M. Valentine, Lawrence A. Wetterau, Doyle G. Graham: Intermediates in the Paal-Knorr synthesis of pyrroles. In: The Journal of Organic Chemistry. Band56, Nr.24, 1991, S.6924–6931, doi:10.1021/jo00024a040.</ref>
Es ist anzunehmen, dass zunächst eine nukleophile Addition des Amins als Nukleophil an das Kohlenstoffatom einer Carbonylgruppe des Diketons1 erfolgt. Es entsteht eine reaktive Zwischenstufe 2, die durch Protonentransfer zum Ketoaminol3 reagiert. Dieses Ketoaminol kann auch als Halbaminal bezeichnet werden, wenn man den Stickstoff mit der Hydroxygruppe vordergründig betrachtet.
Im nächsten Schritt findet eine weitere nukleophile Addition statt. Der Stickstoff des Aminols 3 wird unter Ringschluss nukleophil an die zweite Carbonylgruppe addiert und reagiert zu einer polaren Zwischenstufe 4. Durch Protonierung des Sauerstoffatoms mit gleichzeitiger Deprotonierung des Stickstoffs, bildet sich das Diaminol 5. Unter Dehydratisierung entsteht das Pyrrolderivat 6.<ref>Adalbert Wollrab: Organische Chemie. Springer-Verlag, 1999, ISBN 3-540-43998-6, S.850.</ref>
Thiophen-Synthese
Ein möglicher Mechanismus der Synthese eines Thiophens wurde von Foye vorgeschlagen.<ref name="Foye">E. Campaigne, William O. Foye: The Synthesis of 2,5-Diarylthiophenes. In: The Journal of Organic Chemistry. Band17, Nr.10, 1952, S.1405–1412, doi:10.1021/jo50010a023.</ref>
Zunächst wird das 1,4-Diketon 1 mit Phosphor(V)-sulfid versetzt. Phosphorpentasulfid ist ein Thionierungs- und Dehydratisierungs-Reagenz, was die Bildung von Furan begünstigen könnte. Jedoch hat Foye experimentell herausgefunden, dass Furan kein Zwischenprodukt der Thiophen-Synthese ist.<ref name="Foye" /> Durch die Einführung von Schwefel in die Dicarbonylverbindung 1 reagiert diese zum Thioketon 2. Das Sauerstoffatom wird protoniert, sodass das Kation 3 gebildet wird.
Der Schwefel greift das Kohlenstoffatom der Hydroxygruppe nukleophil an, worauf unter Deprotonierung der Verbindung 3 das heterocyclische Thiohalbacetal 4 entsteht. Dessen Abspaltung von Wasser erfolgt unter Bildung des 2,5-disubstituierten Thiophens 5.
