10.6: Alcools issus de composés carbonylés: réduction

La réduction est une stratégie simple pour convertir un groupe carbonyle en groupe hydroxyle. Les trois principales voies de réduction des carbonyles en alcools sont l'hydrogénation catalytique, la réduction des hydrures et la réduction des boranes.

L'hydrogénation catalytique est similaire à la réduction d'un alcène ou d'un alcyne en ajoutant H₂ à travers la liaison pi en présence de catalyseurs de métaux de transition comme Raney Ni, Pd – C, Pt ou Ru. Les aldéhydes et les cétones peuvent être réduits par cette méthode, souvent sous une chaleur (25-100°C) et une pression (1-5 atm H₂) légères à modérées, pour produire respectivement 1° et 2° d'alcool.

Figure 1. L'hydrogénation catalytique peut convenir aux applications industrielles lorsque des conditions difficiles ne sont pas requises, mais les liaisons carbone-carbone insaturées sont également réduites.

La réduction des hydrures peut être obtenue par des réactifs de transfert d'hydrures, comme le borohydrure de sodium (NaBH₄) et l'hydrure de lithium et d'aluminium (LiAlH₄, ou LAH), car l'attaque nucléophile par un ion hydrure libre est presque inconnue pour les sels de NaH en raison de sa densité de charge élevée. ce qui en fait une base solide. Les atomes d'hydrogène de LAH et NaBH₄, liés de manière covalente aux atomes de bore et d'aluminium, ont des charges négatives partielles, renforçant ainsi leur nucléophile au détriment de la basicité. La première étape de l’addition nucléophile conduit à la formation d’ions alcoxyde. Le sous-produit alcoxyborohydrure ou alcoxyaluminate réduit trois autres molécules carbonyle, transférant successivement tous leurs atomes d'hydrogène. Étant donné que l'hydrure est un groupe partant médiocre, les étapes de transfert d'hydrure sont irréversibles et la réaction se poursuit donc jusqu'à son terme. Enfin, le mélange réactionnel est traité avec un solvant (c'est-à-dire de l'eau ou de l'alcool dans le cas du NaBH₄ et de l'acide dilué dans le cas du LAH).

Figure 2. Les aldéhydes et les esters symétriques produisent un produit alcoolique à 1°. Les esters asymétriques produisent un mélange d'alcools à 1°.

LAH, NaBH₄ et leurs dérivés sont très utiles dans la réduction des aldéhydes et des cétones. Le LAH, un puissant agent réducteur, peut également réduire les composés carbonylés comme les acides, les esters, les chlorures d'acyle et les amides. Le LAH réagit violemment avec l’eau et d’autres solvants protiques, libérant de l’hydrogène gazeux et formant des hydroxydes/alcoxydes métalliques. Par conséquent, les réductions de LAH sont généralement effectuées dans des solvants aprotiques comme l’éther diéthylique anhydre et le THF.

Figure 3. Une solution alcoolique de borohydrure de lithium est une alternative non dangereuse au LAH pour réduire sélectivement les esters par rapport aux acides.

D'autre part, NaBH₄ est de nature plus douce et ne se réduit généralement que dans les solvants protiques comme l'éthanol ou le méthanol. Par conséquent, NaBH₄ peut être utilisé pour réduire les aldéhydes et les cétones en présence de groupes fonctionnels tels que les halogénures d'alkyle, les esters, les tosylates d'alkyle et les groupes nitro. L'hydrure de diisobutylaluminium (DIBAL-H) peut également convertir les carbonyles en alcools à température ambiante par deux ajouts successifs d'ions hydrure. Cependant, lorsqu'on réagit avec des esters à basse température, cette réaction peut être arrêtée au stade aldéhyde en ajoutant seulement un équivalent d'ion hydrure.

La réduction du borane utilise une solution de borane (BH₃) dans de l'éther diéthylique, du THF ou du Me₂S pour réduire sélectivement les groupes carbonyle riches en électrons comme les acides carboxyliques en présence d'autres groupes fonctionnels réductibles tels que les esters et même les cétones.

Figure 4. La formation d'un intermédiaire triacylborate réactif avec un groupe carbonyle plus électrophile que la molécule d'ester de départ fait avancer la réaction de réduction.

Pour les organismes vivants, le coenzyme réduit NADH ou son phosphoester NADPH est équivalent aux réactifs hydrures de laboratoire en catalyse enzymatique de réductions biologiques similaires.

Les alcools peuvent être préparés à partir de composés carbonylés en ajoutant deux atomes d’hydrogène à travers la double liaison.

Cette réduction est importante dans la synthèse de molécules essentielles comme le muscone, un ingrédient de parfum, et le prozac, un médicament antidépresseur.

Alors que les aldéhydes, les acides carboxyliques et les esters sont réduits en alcools primaires, les cétones sont réduites en alcools secondaires.

La méthode classique implique l’hydrogénation catalytique à l’aide d’hydrogène et de catalyseurs à base de métaux de transition. Cependant, cela nécessite une température et une pression élevées et réduit également les liaisons multiples carbone-carbone présentes dans la molécule.

La méthode de laboratoire implique l’ajout par étapes d’ions hydrure nucléophile à partir de borohydrure de sodium, d’hydrure d’aluminium et de lithium et de leurs dérivés, dans une réaction irréversible, suivie d’une protonation avec un solvant ou un acide. Cette méthode réduit sélectivement le groupe carbonyle par rapport à l’hydrogénation.

Dans les cétones asymétriques, le groupe carbonyle planaire peut subir une attaque d’hydrure nucléophile de l’une ou l’autre face avec une probabilité égale. Cela génère un intermédiaire tétraédrique chiral, donnant une paire de produits énantiomériques.

La réduction par borohydrure de sodium est effectuée dans des solvants protiques polaires. L’hydrure d’aluminium et de lithium, quant à lui, a besoin de solvants secs et aprotiques pour éviter sa réaction violente avec les donneurs de protons.

L’hydrure d’aluminium et de lithium est un agent réducteur plus puissant et donc plus réactif que le borohydrure de sodium en raison de la plus grande polarité de la liaison aluminium-hydrogène par rapport à la liaison bore-hydrogène.

Cette différence de réactivité se reflète dans la facilité avec laquelle les différents groupes carbonyles subissent une réduction sélective par les deux réactifs à hydrure.

À titre d’exemple, le borohydrure de sodium peut réduire sélectivement une cétone en présence d’un ester, contrairement à l’hydrure de lithium et d’aluminium qui ne permet pas de réduction sélective du groupe cétone.

Le borohydrure de lithium et le borane sont des réactifs utiles avec une chimiosélectivité opposée dans la réduction des esters et des acides, respectivement.