5.3: Agentes de reducción

1. medición de propiedades de acetoacetato de etilo

1. Tener un IR del material de partida (acetoacetato de etilo).
2. Tomar un TLC en acetato de etilo 40% 60% hexanes.

2. reducción de acetoacetato de etilo con borohidruro de sodio

1. Añadir 1 mmol de acetoacetato de etilo a un matraz de fondo redondo.
2. Añadir 5 mL de etanol y agitar para mezclar completamente.
3. Baje el vaso en un baño de agua helada.
4. Pesan 1 mmol de borohidruro de sodio y agregue lentamente la solución agitada de acetoacetato de etilo.
   1. Añadir en pequeñas porciones. La reacción es exotérmica y burbujas vigorosamente.
5. Inmediatamente después, controle la reacción por el TLC cada pocos minutos hasta que la reacción se complete.
6. Una vez completa, añadir 10 mL de agua a la mezcla de reacción.
7. Transferir a un matraz y extraer con acetato de etilo (2 x 30 mL).
8. Seco con agua desionizada (1 x 30 mL) y salmuera (1 x 30 mL).
9. Seca sobre sulfato de sodio y filtrar en un matraz de fondo redondo.
10. Evaporar el disolvente en un rotavapor.
11. Toma un TLC y IR del producto de reducción.

3. reducción de acetoacetato de etilo con hidruro del aluminio del litio

1. Añadir 1 mmol de hidruro del aluminio del litio en un matraz de fondo redondo seco y tapa con un tabique.
2. Purgar el frasco con gas de nitrógeno con una línea de entrada de nitrógeno. Asegúrese de tener una válvula de salida.
3. Añadir 10 mL de THF seco.
4. Coloque el matraz de fondo redondo en un baño de hielo.
5. Hacer una solución de 1 mmol de acetoacetato de etilo en 3 mL de THF seco y agregue lentamente gota a gota al matraz de reacción.
6. La reacción comenzará a burbujear vigorosamente hasta que todo el reactivo se agrega.
7. Inmediatamente después, controle la reacción por el TLC cada pocos minutos hasta que la reacción se complete.
8. Una vez completa, añadir 1 M HCl gota a gota. La reacción comenzará a burbujear vigorosamente hasta que se consume todo el LiAlH₄ .
9. Una vez consumido (no más burbujas), el tabique se puede quitar y diluir con acetato de etilo (40 mL) y 1 M HCl (20 mL).
10. Transferir a un matraz de filtración.
11. Extraer con acetato de etilo (3 x 50 mL).
12. Seco con salmuera (1 x 50 mL).
13. Seca sobre sulfato de sodio y filtrar en un matraz de fondo redondo.
14. Evaporar el disolvente en un rotavapor.
15. Toma un TLC y IR del producto de reducción.

La reducción de carbonilos es una tarea común en química orgánica. Los químicos utilizan diferentes agentes reductores para controlar cuidadosamente el resultado del procedimiento.

Los carbonilos son grupos funcionales con un átomo de carbono unido a un oxígeno. Los grupos carbonilo aparecen en muchos tipos de compuestos. Cuando se reducen los carbonilos, el producto dependerá en parte de la composición química exacta del compuesto. Además, un reactivo en particular puede tener diferentes productos de reducción. Mediante el uso de diferentes agentes reductores, los químicos pueden controlar estos productos, o si la reacción tiene lugar.

Este video ilustrará la reacción de un compuesto carbonílico con dos agentes reductores diferentes y los diferentes productos que resultan.

El carbono es menos electronegativo que el oxígeno, por lo que cuando comparten un enlace, como en un carbonilo, el carbono tendrá una carga positiva parcial, lo que lo hace electrófilo. Esto, a su vez, lo hace susceptible al ataque nucleofílico, como la transferencia de hidruro que inicia la mayoría de las reducciones de carbonilo. Al aumentar esta carga positiva aumenta la electrofilicidad, aumentando la reactividad del carbono. La disminución de la carga hará que el carbono sea menos reactivo

. Los haluros de acilo tienen otro átomo fuertemente electronegativo, como el cloro, unido al carbono, lo que aumenta la carga positiva en el carbono. Por lo tanto, este grupo es más reactivo que las cetonas o los aldehídos. Por otro lado, los ésteres, amidas y ácidos carboxílicos tienen estructuras de resonancia que propagan carga negativa adicional a sus carbonos, haciéndolos menos positivos. Por lo tanto, estos compuestos son menos reactivos que las cetonas y los aldehídos.

Los diferentes donantes de hidruros también tienen diferentes reactividades, lo que afecta a los compuestos carbonílicos que son capaces de reducir. El hidruro de litio y aluminio es altamente reactivo y puede reducir la mayoría de los compuestos carbonílicos. Mientras tanto, el borohidruro de sodio tiene una reactividad relativamente baja. Puede reducir los haluros de acilo, aldehídos y cetonas, pero no puede reducir los ésteres menos reactivos, amidas o ácidos carboxílicos. La reactividad del hidruro de litio tri-terc-butoxialuminio es intermedia y también producirá diferentes productos de reducción.

químicos utilizan estos principios de reactividad para controlar qué productos resultan de una reacción de reducción. Por ejemplo, el acetoacetato de etilo tiene 2 grupos carbonilo únicos: una cetona y un éster. Si se reduce con borohidruro de sodio, solo se verá afectada la cetona, produciendo 3-hidroxibutarato de etilo. Sin embargo, si se reduce con hidruro de aluminio y litio, ambos carbonilos se verán afectados, produciendo 1,3-butanodiol.

Para demostrar estos principios de reducción de carbonilo, llevaremos a cabo ambas reacciones de reducción con acetoacetato de etilo. También investigaremos los productos con cromatografía en capa fina y espectroscopia infrarroja, para examinar cuidadosamente el destino de cada carbonilo.

La primera reacción utilizará el borohidruro de sodio menos reactivo. Para comenzar, coloque un matraz de fondo redondo sobre una placa agitadora Agregue una barra agitadora y 0,127 mL de acetoacetato de etilo a este matraz. Luego, agregue 5 mL de etanol y comience a revolver.

A continuación, pesa 74 mg de borohidruro de sodio. En porciones pequeñas, agréguelo al matraz. La reacción de reducción se volverá blanca y burbujeará. Después de agregar todo el borohidruro, controle la reacción cada pocos minutos con cromatografía en capa fina, utilizando un 40% de acetato de etilo y un 60% de hexano como fase móvil. El producto esperado tendrá un valor de retención ligeramente inferior al acetoacetato de etilo inicial.

Una vez finalizada la reacción, añade 10 mL de agua a la mezcla para apagar la reacción. Extraer el producto del agua dos veces con 30 mL de acetato de etilo en un embudo separador. Para obtener más información sobre este procedimiento, vea nuestro video sobre extracción

En un embudo separador, mezcle 30 mL de salmuera con la solución. Mezcle la solución, dejando que se separe en dos capas, y recoja la fase orgánica. A esto, agregue sulfato de sodio en polvo, que absorberá el agua restante, hasta que ya no se aglomere.

Filtre la solución en un matraz de fondo redondo, luego evapore el solvente con un evaporador rotativo o rotovap.

A continuación, utilice TLC para comprobar la pureza del producto. A continuación, analice el producto con espectroscopia infrarroja. Vea nuestro video sobre IR para obtener más detalles. Utilice un procedimiento similar para analizar el acetoacetato de etilo inicial como referencia.

A continuación, veamos la reacción utilizando el hidruro de litio y aluminio más reactivo. Coloque un matraz de fondo redondo con una barra agitadora, tabique y líneas de entrada y salida de nitrógeno. Agregue 76 mg de hidruro de litio y aluminio al matraz y vuelva a tapar rápidamente con el tabique y purgue el matraz con el nitrógeno durante unos minutos. Después de la purga, inyecte 10 mL de tetrahidrofurano seco y sumerja el matraz en un baño de hielo

Cuando las otras preparaciones estén completas, haga una solución de 0,127 mL de acetoacetato de etilo y 3 mL de THF seco. Inyecte esta solución gota a gota en el matraz. La reacción burbujeará vigorosamente. Al igual que antes, controle la reacción con TLC. El producto esperado, 1,3, butanodiol, también tendrá un valor de retención más bajo que el acetoacetato de etilo original.

Cuando se complete la reacción, agregue ácido clorhídrico 1 M gota a gota, hasta que se consuma todo el hidruro de litio y aluminio y la solución deje de burbujear. Retire el tabique, luego agregue 40 mL de acetato de etilo y 20 mL de ácido clorhídrico 1 M.

Ahora, purifica el producto siguiendo los mismos pasos que antes. Extraer el producto tres veces con 50 mL de acetato de etilo. Seque la solución de acetato de etilo con 30 mL de solución salina y sulfato de sodio, filtre y evapore el solvente con un rotovap.

Ahora que tenemos un producto, podemos analizarlo con TLC e IR como antes.

Primero, echemos un vistazo a los resultados de TLC. El acetoacetato de etilo es altamente apolar y viajará cerca del frente del solvente en una placa TLC. Su producto con borohidruro de sodio, 3-hidroxibutarato de etilo, es ligeramente más polar y no viajará tan lejos. Mientras tanto, el producto con hidruro de litio y aluminio, 1,3-butanodiol, es aún más polar, lo que hace que viaje menos por la placa

Ahora, examinemos los resultados de IR. El acetoacetato de etilo tiene dos picos que corresponden al estiramiento del enlace carbonilo. Uno, alrededor de 1.650 números de onda, es la cetona y el otro, alrededor de 1.730, es el éster. El espectro del primer producto es similar, sin embargo, tiene un solo pico de carbonilo y ha ganado un amplio pico de estiramiento O-H de alcohol en alrededor de 3.200 números de onda. El segundo producto muestra una pérdida de ambos picos de carbonilo, lo que ilustra la mayor reactividad del hidruro de litio y aluminio

El control de la selectividad y la reactividad son importantes y deben equilibrarse en muchas reacciones orgánicas. Veamos algunas formas en las que se hace esto.

Además de reducir selectivamente los grupos funcionales, los agentes reductores pueden reaccionar estereoespecíficamente, dando lugar a productos con diferentes estructuras tridimensionales. Por ejemplo, la reducción de 4-terc-butil-ciclohexanona a 4-terc-butil-ciclohexanol produce dos estereoisómeros diferentes, dependiendo de la dirección desde la que el hidruro ataca al carbonilo. El hidruro de litio y aluminio ataca desde el lado axial, produciendo el producto trans. Otro agente reductor, el L-selectrida, ataca desde el lado ecuatorial, produciendo el producto cis.

Por último, podemos modificar selectivamente otro tipo de moléculas, como las proteínas. Por ejemplo, las maleimidas forman específicamente enlaces con grupos tiol, pero no con otros nucleófilos. En una proteína, los únicos grupos tiol presentes se encuentran en el aminoácido cisteína, por lo que las maleimidas solo formarán enlaces con esas partes de la molécula. Los bioquímicos pueden usar estos compuestos con tintes adjuntos para iluminar regiones específicas de una proteína

. Acabas de ver la introducción de JoVE a la quimioselectividad en las reacciones de reducción. Ahora debe comprender cómo los diferentes agentes reductores pueden producir diferentes productos cuando reaccionan con carbonilos. ¡Gracias por mirar!