10.6: تحويل المركبات الكربونيلية إلى كحولات عن طريق الاختزال

الاختزال هو استراتيجية بسيطة لتحويل مجموعة الكربونيل إلى مجموعة الهيدروكسيل. المسارات الثلاثة الرئيسية لاختزال الكربونيل إلى كحولات هي الهدرجة الحفزية، واختزال الهيدريد، واختزال البوران.

تشبه الهدرجة الحفزية اختزال الألكين أو الألكاين عن طريق إضافة H_2 عبر رابطة pi في وجود محفزات فلزية انتقالية مثل Raney Ni أو Pd–C أو Pt أو Ru. يمكن اختزال الألدهيدات والكيتونات بهذه الطريقة، غالبًا تحت حرارة خفيفة إلى متوسطة (25-100 درجة مئوية) وضغط (1-5 ضغط جوي H_2)، لإنتاج كحولات بدرجة 1 و2 درجة، على التوالي.

الشكل 1. يمكن أن تكون الهدرجة الحفزية مناسبة للتطبيقات الصناعية عندما لا تكون هناك حاجة إلى ظروف قاسية، ولكن يتم أيضًا تقليل روابط الكربون غير المشبعة.

يمكن تحقيق اختزال الهيدريد عن طريق كواشف نقل الهيدريد، مثل بوروهيدريد الصوديوم (NaBH_4) وهيدريد ألومنيوم الليثيوم (LiAlH_4، أو LAH)، حيث أن الهجوم النيوكليوفيلي بواسطة أيون هيدريد حر،Figure2 غير معروف تقريبًا بالنسبة لأملاح NaH بسبب كثافته العالية للشحنة. مما يجعلها قاعدة قوية. ترتبط ذرات الهيدروجين LAH وNaBH_4، تساهميًا مع ذرات البورون والألمنيوم، ولهما شحنة سالبة جزئية، مما يعزز قدرتها النيوكليوفيلية على حساب القاعدة. تؤدي الخطوة الأولى من الإضافة النيوكليوفيلية إلى تكوين أيونات الألكوكسيد. يقوم المنتج الثانوي ألكوكسي بوروهيدريد أو ألكوكسي ألومينات باختزال ثلاثة جزيئات كربونيل أخرى، ونقل جميع ذرات الهيدروجين الخاصة بها على التوالي. وبما أن الهيدريد عبارة عن مجموعة مغادرة فقيرة، فإن خطوات نقل الهيدريد لا رجعة فيها، وبالتالي يستمر التفاعل حتى الاكتمال. وأخيرًا، يتم تحضير خليط التفاعل باستخدام مذيب (أي الماء أو الكحول في حالة NaBH_4 والحمض المخفف في حالة LAH).

الشكل 2. الألدهيدات والاسترات المتناظرة تنتج منتج كحول واحد بدرجة 1 درجة. تنتج الاسترات غير المتماثلة خليطًا من كحولات درجة 1.

LAH وNaBH_4 ومشتقاتهما مفيدة للغاية في اختزال الألدهيدات والكيتونات. LAH، وهو عامل اختزال قوي، يمكنه أيضًا تقليل مركبات الكربونيل مثل الأحماض والإسترات وكلوريدات الأسيل والأميدات. يتفاعل LAH بعنف مع الماء والمذيبات البروتينية الأخرى، ويحرر غاز الهيدروجين ويشكل هيدروكسيدات معدنية/ألكوكسيدات. ومن ثم، يتم إجراء عمليات اختزال LAH في المذيبات اللابروتيكية مثل ثنائي إيثيل الأثير اللامائي وTHF.

الشكل 3. المحلول الكحولي لبوروهيدريد الليثيوم هو بديل غير خطير لـ LAH في الاختزال الانتقائي للاسترات على الأحماض.

من ناحية أخرى، NaBH_4 ذو طبيعة أكثر اعتدالًا ويقوم بعملية الاختزال بشكل عام فقط في المذيبات البروتينية مثل الإيثانول أو الميثانول. ولذلك، يمكن استخدام NaBH_4 لتقليل الألدهيدات والكيتونات في وجود مجموعات وظيفية مثل هاليدات الألكيل، والإسترات، وتوسيلات الألكيل، ومجموعات النيترو. يمكن لهيدريد ثنائي إيزوبوتيل ألومنيوم (DIBAL-H) أيضًا تحويل الكربونيل إلى كحولات في درجة حرارة الغرفة عن طريق إضافتين متتاليتين من أيونات الهيدريد. ومع ذلك، عند التفاعل مع الاسترات عند درجات حرارة منخفضة، يمكن إيقاف هذا التفاعل عند مرحلة الألدهيد بإضافة مكافئ واحد فقط من أيون الهيدريد.

اختزال البوران يستخدم محلول البوران (BH3) في ثنائي إيثيل إيثر أو THF أو Me_2S لتقليل مجموعات الكربونيل الغنية بالإلكترونات بشكل انتقائي مثل الأحماض الكربوكسيلية في وجود مجموعات وظيفية أخرى قابلة للاختزال مثل الاسترات وحتى الكيتونات.

الشكل 4. يؤدي تكوين ثلاثي أسيلبورات وسيط تفاعلي مع مجموعة كربونيل أكثر إلكتروفيلية من جزيء إستر البداية إلى دفع تفاعل الاختزال إلى الأمام.

بالنسبة للكائنات الحية، فإن الإنزيم المساعد المختزل NADH أو الفوسفوإستر NADPH الخاص به يعادل المركبات الهيدريد المختبرية في التحفيز الإنزيمي للاختزالات البيولوجية المماثلة.