Agents reducteurs

Reducing Agents

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Organic Chemistry II

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JoVE Science Education Organic Chemistry II

Reducing Agents

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10:19 min

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February 22, 2017

Overview

Source : Vy M. Dong et Daniel Kim, Department of Chemistry, University of California, Irvine, CA

Contrôle de la réactivité et la sélectivité au cours de la synthèse d’une molécule est des critères très importants pour les chimistes. Cela a conduit à l’élaboration de nombreux réactifs permettant aux chimistes de choisir réactifs appropriés pour une tâche donnée. Assez souvent, un équilibre entre la réactivité et la sélectivité doit être réalisé. Cette expérience utilisera la spectroscopie IR pour surveiller la réaction et de comprendre la réactivité des composés carbonylés, ainsi que la réactivité hydrure réduction des réactifs.

Principles

Avant de comprendre les réactifs d’hydrure ou du donateur, la réactivité des composés carbonyles composés doit être comprise. Composés carbonylés ont une légère charge positive sur le carbone carbonyle lui donnant un caractère électrophile. Ainsi, les composés carbonylés qui ont une charge positive sont plus réactifs aux nucléophiles différents comme un donneur de l’hydrure. Chlorures d’acyles ont un bon nucléofuge (Cl^–) rend également très électrophile. Esters et amides sont plus stables en raison de la structure forte résonance de l’hétéroatome deuxième sur le carbonyle.

La plupart des réductions de composés carbonylés sont faites avec des réactifs qui transfèrent un hydrure de bore ou d’aluminium. Deux réactifs courants de ce type sont hydrure de sodium borohydrure et le lithium en aluminium. Le borohydrure de sodium est un réactif de donateurs moins réactif mais est efficace pour réduire les aldéhydes et les cétones en alcools. Cependant, LiAlH4 est beaucoup plus réactif et peut réduire les cétones et les aldéhydes en alcools mais aussi réduire les acides carboxyliques, esters et amides.

Pour démontrer le degré variable de réactivité, une réaction avec deux groupements fonctionnels de carbonyle fera l’objet de deux séries de conditions avec les donneurs d’hydrure de réactifs réducteurs.

Procedure

1. mesure des propriétés de l’acétoacétate d’éthyle

Prendre un IR de la matière première (l’acétoacétate d’éthyle).
Prendre un TLC avec 40 % d’acétate d’éthyle dans hexanes 60 %.

2. réduction de l’acétoacétate d’éthyle avec le borohydrure de Sodium

Ajouter 1 mmol de l’acétoacétate d’éthyle à un ballon à fond rond.
Ajouter 5 mL d’éthanol et agiter pour mélanger complètement.
Abaissez le bécher dans un bain d’eau glacée.
Peser 1 mmol du borohydrure de sodium et ajouter lentement la solution agitée de l’acétoacétate d’éthyle.
1. Ajouter en petites portions. La réaction est exothermique et bulles vigoureusement.
Immédiatement après, suivre la réaction par TLC toutes les quelques minutes jusqu’à ce que la réaction est terminée.
Une fois terminé, ajouter 10 mL d’eau au mélange réactionnel.
Transvaser dans une ampoule à décanter et extrait par l’acétate d’éthyle (2 x 30 mL).
Sec avec l’eau distillée (1 x 30 mL) et avec de la saumure (1 x 30 mL).
Sécher sur sulfate de sodium et filtrer dans un ballon à fond rond.
Laisser évaporer le solvant sur un évaporateur rotatif.
Prenez un TLC et IR du produit de la réduction.

3. réduction de l’acétoacétate d’éthyle avec Lialh4

Ajouter 1 mmol d’hydrure de lithium et d’aluminium dans un ballon à fond rond sec et couronner avec un septum.
La fiole de purge à l’azote à l’aide d’une alimentation en azote. Assurez vous d’avoir une vanne de sortie.
Ajouter 10 mL de THF sec.
Placer le ballon dans un bain de glace.
Préparer une solution de 1 mmol de l’acétoacétate d’éthyle dans 3 mL de THF sec et ajouter lentement goutte à goutte dans le ballon de réaction.
La réaction se propage vigoureusement jusqu’à ce que tout le réactif est ajouté.
Immédiatement après, suivre la réaction par TLC toutes les quelques minutes jusqu’à ce que la réaction est terminée.
Une fois terminé, ajouter goutte à goutte 1 M HCl. La réaction se propage vigoureusement jusqu’à ce que tous les LiAlH₄ est consommée.
Une fois consommée (pas plus de bulles), la cloison peut être enlevée et diluée avec de l’acétate d’éthyle (40 mL) et 1 M HCl (20 mL).
Transfert à une ampoule à décanter.
Extrait par l’acétate d’éthyle (3 x 50 mL).
Sec avec de la saumure (1 x 50 mL).
Sécher sur sulfate de sodium et filtrer dans un ballon à fond rond.
Laisser évaporer le solvant sur un évaporateur rotatif.
Prenez un TLC et IR du produit de la réduction.

La réduction des composés carbonylés est une tâche courante en chimie organique. Chimistes utilisent différents agents réducteurs pour contrôler attentivement le résultat de la procédure.

Composés carbonylés sont des groupes fonctionnels avec un atome de carbone double-collé à l’oxygène. Groupements carbonyles apparaissent dans de nombreux types de composés. Lorsque les carbonyles sont réduites, le produit dépendra en partie sur la composition chimique exacte du composé. En outre, un réactif particulier peut avoir des produits de réduction différent. À l’aide de différents agents réducteurs, les chimistes peuvent contrôler ces produits, ou si la réaction a lieu du tout.

Cette vidéo illustre la réaction d’un composé avec deux différents réducteurs et les différents produits qui résultent carbonylé.

Carbone est moins électronégatif que l’oxygène, donc quand ils partagent un lien, comme dans un carbonyle, le carbone aura une charge partielle positive, rendant électrophile. Cela rend à son tour vulnérable à une attaque nucléophile, comme le transfert d’hydrure qui commence la plupart des réductions de carbonyle. L’augmentation de cette charge positive augmente le caractère électrophile, augmentant la réactivité du carbone. Diminuer la charge fera le carbone moins réactifs

Halogénures d’acyle ont un autre atome fortement électronégatif, tels que le chlore, lié au carbone, augmentation de la charge positive sur le carbone. Par conséquent, ce groupe est plus réactif que cétones ou aldéhydes. En revanche, esters, amides, acides carboxyliques et tous ont des structures de résonance qui se propagent à charge négative supplémentaire sur leurs atomes de carbone, ce qui les rend moins positif. Par conséquent, ces composés sont moins réactifs que les cétones et les aldéhydes.

Hydrure de différents donateurs ont différentes réactivités ainsi, affectant les composés carbonylés, ils sont capables de réduire. LiAlH4 est très réactif et peut réduire la plupart des composés carbonylés. En attendant, le borohydrure de sodium a une relativement faible réactivité. Il peut réduire les halogénures d’acyle, aldéhydes et cétones, mais ne parvient pas à réduire le moins réactifs esters, amides ou acides carboxyliques. Réactivité de l’hydrure de lithium tri-tert-butoxyaluminium est intermédiaire et produira également des produits de réduction différents

Chimistes utilisent ces principes de réactivité pour contrôler quels produits résultent d’une réaction de réduction. Par exemple, l’acétoacétate d’éthyle a 2 groupes carbonyle uniques : une cétone et un ester. Si elle est réduite avec le borohydrure de sodium, seulement la cétone est affectée, produisant éthyl 3-hydroxybutarate. Toutefois, si elle est réduite à l’hydrure de lithium et d’aluminium, les deux composés carbonylés seront touchés, produisant le butane-1, 3-diol.

Pour illustrer ces principes de réduction du carbonyle, nous effectuerons les deux réactions de réduction avec l’acétoacétate d’éthyle. Nous étudierons également les produits avec la chromatographie en couche mince et la spectroscopie infrarouge, d’examiner attentivement le sort de chaque carbonyle.

La première réaction utilisera le borohydrure de sodium moins réactif. Pour commencer, mettre en place un ballon à fond rond sur un stirplate ajouter une est et 0,127 mL de l’acétoacétate d’éthyle dans cette fiole. Puis, ajouter 5 mL d’éthanol et commencer l’agitation.

Ensuite, peser 74 mg de borohydrure de sodium. Par petites portions, ajoutez-le au ballon. La réaction de réduction tournera blanc et bulle. Après avoir ajouté tous le borohydrure, surveiller la réaction toutes les quelques minutes avec la chromatographie sur couche mince, en utilisant l’acétate d’éthyle 40 % et 60 % hexane comme phase mobile. Le produit attendu aura une valeur de rétention légèrement plus bas que le départ l’acétoacétate d’éthyle.

Une fois la réaction terminée, ajouter 10 mL d’eau au mélange pour étancher la réaction. Extraire le produit de l’eau deux fois avec 30 mL d’acétate d’éthyle dans une ampoule à décanter. Pour plus d’informations sur cette procédure, voir notre vidéo sur l’extraction

Dans une ampoule à décanter, mélanger eau glycolée 30 mL avec la solution. Mélanger la solution, ce qui lui permet de séparer en deux couches et recueillir la phase organique. Pour cela, ajouter la poudre de sulfate de sodium, qui absorbera l’eau qui reste, jusqu’à ce qu’il n’est plus des touffes.

Filtrer la solution dans un ballon à fond rond, puis s’évaporer le solvant dans un évaporateur rotatif, ou rotovap.

Utilisez ensuite TLC pour vérifier la pureté du produit. Ensuite, analyser le produit avec la spectroscopie infrarouge. Visionnage de nos vidéos sur IR pour plus de détails.

Utiliser une procédure similaire pour analyser le départ l’acétoacétate d’éthyle pour référence.

Ensuite, nous allons voir la réaction à l’aide la plus réactive LiAlH4. Mettre en place un ballon à fond rond avec une lignes d’entrée et de sortie est, septum et l’azote. Ajouter 76 mg de l’hydrure de lithium et d’aluminium dans le ballon et récapituler rapidement avec le septum et purger la fiole avec de l’azote pendant quelques minutes. Après avoir purgé, injecter 10 mL de tétrahydrofurane sec et abaisser la fiole dans un bain de glace

Quand les autres préparatifs sont terminés, préparer une solution de 0,127 mL de l’acétoacétate d’éthyle et 3 mL de THF sec. Injecter cette solution goutte à goutte dans le ballon. La réaction se propage vigoureusement. Comme avant, surveiller la réaction avec le TLC. Le produit attendu-1,3, butanediol-volonté ont également une valeur de rétention inférieure à l’original acétoacétate d’éthyle.

Lorsque la réaction est terminée, ajouter goutte à goutte, l’acide chlorhydrique 1 M jusqu’à ce que tous le LiAlH4 est consommé et la solution cesse de bouillonner. Enlever le bouchon, puis ajouter 40 mL d’acétate d’éthyle et 20 mL d’acide chlorhydrique 1 M.

Maintenant, purifier le produit en utilisant les mêmes étapes comme avant. Extraire le produit trois fois avec 50 mL d’acétate d’éthyle. Sécher la solution d’acétate d’éthyle avec 30 mL de sérum physiologique et de sulfate de sodium, de filtre et laisser évaporer le solvant avec un rotovap.

Maintenant que nous avons un produit, nous pouvons l’analyser avec TLC et IR comme avant.

Tout d’abord, nous allons jeter un coup d’oeil les résultats de TLC. L’acétoacétate d’éthyle est hautement non polaires et se rendra à proximité le front du solvant sur une plaque de TLC. Son produit avec le borohydrure de sodium, éthyl 3-hydroxybutarate, est légèrement plus polaire et ne sera pas voyager aussi loin. Pendant ce temps, le produit avec l’hydrure de lithium et d’aluminium, 1, 3-diol, est encore plus polaires, amenant à voyager le moins vers le haut de la plaque

Maintenant, nous allons examiner les résultats de l’IR. L’acétoacétate d’éthyle a deux pics correspondant à l’élongation de la liaison carbonyle. L’une, autour des nombres d’onde 1 650, est la cétone et l’autre, environ 1 730, est l’ester. Le spectre du premier produit est similaire, mais il a seulement un seul pic de carbonyle et a gagné un pic qui s’étend de large alcool O-H à environ 3 200 nombres d’ondes. Le deuxième produit indique une perte de deux pics de carbonyle, illustrant la plus forte réactivité de l’hydrure de lithium et d’aluminium

Le contrôle de la sélectivité et la réactivité sont important et doivent être équilibrés dans de nombreuses réactions organiques. Regardons quelques façons dont cela est fait.

En plus de réduire sélectivement les groupes fonctionnels, agents réducteurs peuvent réagir de façon stéréospécifique, conduisant à des produits ayant des structures en trois dimensions différentes. Par exemple, la réduction de 4-tert-butyl-cyclohexanoneto 4-tert-butyl-cyclohexanol produit deux stéréoisomères différents, selon laquelle la direction l’hydrure attaque le carbonyle de. LiAlH4 attaque du côté axial, production du produit trans. Un autre agent réducteur, L-sélectride, attaque du côté équatorial, production du produit cis.

Enfin, nous pouvons modifier sélectivement les autres types de molécules, comme les protéines. Par exemple, maléimides forment spécifiquement des liaisons avec des groupements thiol, mais pas d’autres nucléophiles. Dans une protéine, les groupes thiol seuls présents sont dans l’acides aminés cystéine, donc maléimides seront seulement former des liaisons avec ces parties de la molécule. Biochimistes peuvent utiliser ces composés avec colorants attachés pour illuminer des régions spécifiques d’une protéine

Vous avez juste regardé introduction de JoVE chemoselectivity dans les réactions de réduction. Vous devez maintenant comprendre comment les différents agents réducteurs peuvent produire différents produits lorsqu’il réagit avec les composés carbonylés. Merci de regarder !

Results

La figure 1. IR représentatif des résultats pour éthyl 3-hydroxybutyrate.

Applications and Summary

Les tendances de la capacité de carbonyle réactivité et hydrure de donneur sont examinées et démontrés. La réactivité visuelle des deux réactifs couramment utilisés est apparente et peut être appréciée.

La compréhension de la réactivité des réactifs et des groupes fonctionnels est d’une grande importance lors de l’élaboration de nouvelles méthodes pour les réductions ou tout autre type de réaction. Contrôler la sélectivité et la réactivité de réaction est un facteur important à considérer lors du choix sur les réactifs utilisés pour une étape chimique. Cela conduit chimistes pour développer de nouvelles méthodes et nouveaux réactifs.

L’examen des tendances périodiques est toujours important en chimie organique. Par exemple, lors de l’ajout de potassium métallique à l’eau, il y a une explosion plus violente que quand le sodium métallique est ajouté à l’eau. Pour cette raison, nous pourrions étendre cette analogie à la comparaison et le raisonnement pourquoi LiAlH₄ est plus réactif que NaBH₄.

Sur l’ensemble du spectre des nucléophiles et électrophiles, réactivité des questions. Un nucléophile faible ne réagit pas avec un électrophile faible ; mais un plus réactif électrophile pourrait réagir avec le nucléophile faible même. Tout dépend de leur réactivité et les conditions.

Transcript

The reduction of carbonyls is a common task in organic chemistry. Chemists use different reducing agents to carefully control the outcome of the procedure.

Carbonyls are functional groups with a carbon atom double-bonded to an oxygen. Carbonyl groups appear in many types of compounds. When carbonyls are reduced, the product will depend in part on the exact chemical composition of the compound. Additionally, a particular reactant may have different reduction products. By using different reducing agents, chemists can control these products, or whether the reaction takes place at all.

This video will illustrate the reaction of a carbonyl compound with two different reducing agents, and the different products that result.

Carbon is less electronegative than oxygen, so when they share a bond, as in a carbonyl, the carbon will have a partial positive charge, making it electrophilic. This in turn makes it susceptible to nucleophilic attack, like the hydride transfer that starts most carbonyl reductions. Increasing this positive charge increases the electrophilicity, increasing the reactivity of the carbon. Decreasing the charge will make the carbon less reactive

Acyl halides have another strongly electronegative atom, such as chlorine, bound to the carbon, increasing the positive charge on the carbon. Therefore, this group is more reactive than ketones or aldehydes. On the other hand, esters, amides, and carboxylic acids all have resonance structures that spread additional negative charge onto their carbons, making them less positive. Therefore, these compounds are less reactive than ketones and aldehydes.

Different hydride donors have different reactivities as well, affecting which carbonyl compounds they are able to reduce. Lithium aluminum hydride is highly reactive, and is able to reduce most carbonyl compounds. Meanwhile, sodium borohydride has a relatively low reactivity. It can reduce acyl halides, aldehydes, and ketones, but is unable to reduce the less reactive esters, amides, or carboxylic acids. Lithium tri-tert-butoxyaluminum hydride’s reactivity is intermediate, and will also produce different reduction products

Chemists use these principles of reactivity to control which products result from a reduction reaction. For example, ethyl acetoacetate has 2 unique carbonyl groups: a ketone and an ester. If it is reduced with sodium borohydride, only the ketone will be affected, producing ethyl 3-hydroxybutarate. However, if it is reduced with lithium aluminum hydride, both carbonyls will be affected, producing 1,3-butanediol.

To demonstrate these principles of carbonyl reduction, we will carry out both reduction reactions with ethyl acetoacetate. We will also investigate the products with thin-layer chromatography and infrared spectroscopy, to carefully examine the fate of each carbonyl.

The first reaction will use the less reactive sodium borohydride. To begin, set up a round-bottom flask over a stirplate Add a stirbar and 0.127 mL of ethyl acetoacetate to this flask. Then, add 5 mL of ethanol and begin stirring.

Next, weigh out 74 mg of sodium borohydride. In small portions, add it to the flask. The reduction reaction will turn white and bubble. After adding all the borohydride, monitor the reaction every few minutes with thin layer chromatography, using 40% ethyl acetate and 60% hexane as the mobile phase. The expected product will have a slightly lower retention value than the starting ethyl acetoacetate.

Once the reaction has finished, add 10 mL of water to the mixture to quench the reaction. Extract the product from the water twice with 30 mL of ethyl acetate in a separatory funnel. For more information about this procedure, see our video on extraction

In a separatory funnel, mix 30 mL brine with the solution. Mix the solution, allowing it to separate into two layers, and collect the organic phase. To this, add sodium sulfate powder, which will absorb any remaining water, until it no longer clumps.

Filter the solution into a round-bottomed flask, then evaporate the solvent with a rotary evaporator, or rotovap.

Next, use TLC to check the purity of the product. Then, analyze the product with infrared spectroscopy. See our video on IR for more details. Use a similar procedure to analyze the starting ethyl acetoacetate for reference.

Next, let’s see the reaction using the more reactive lithium aluminum hydride. Set up a round-bottom flask with a stirbar, septum, and nitrogen inlet and outlet lines. Add 76 mg of lithium aluminum hydride to the flask and quickly recap with the septum and purge the flask with the nitrogen for a few minutes. After purging, inject 10 mL of dry tetrahydrofuran and lower the flask into an ice bath

When the other preparations are complete, make a solution of 0.127 mL of ethyl acetoacetate and 3 mL of dry THF. Inject this solution dropwise into the flask. The reaction will bubble vigorously. As before, monitor the reaction with TLC. The expected product-1,3, butanediol-will also have a lower retention value than the original ethyl acetoacetate.

When the reaction is complete, add 1 M hydrochloric acid dropwise, until all the lithium aluminum hydride is consumed and the solution stops bubbling. Remove the septum, then add 40 mL of ethyl acetate and 20 mL of 1 M hydrochloric acid.

Now, purify the product using the same steps as before. Extract the product three times with 50 mL of ethyl acetate. Dry the ethyl acetate solution with 30 mL of saline and sodium sulfate, filter, and evaporate the solvent with a rotovap.

Now that we have a product, we can analyze it with TLC and IR as before.

First, let’s take a look at the TLC results. Ethyl acetoacetate is highly non-polar, and will travel close to the solvent front on a TLC plate. Its product with sodium borohydride, ethyl 3-hydroxybutarate, is slightly more polar, and won’t travel as far. Meanwhile, the product with lithium aluminum hydride, 1,3-butanediol, is even more polar, causing it to travel the least up the plate

Now, let’s examine the IR results. Ethyl acetoacetate has two peaks that correspond to the stretching of the carbonyl bond. One, around 1,650 wavenumbers, is the ketone and the other, around 1,730, is the ester. The spectrum of the first product is similar, however it has only one carbonyl peak and has gained a broad alcohol O-H stretching peak at around 3,200 wavenumbers. The second product shows a loss of both carbonyl peaks, illustrating the higher reactivity of the lithium aluminum hydride

The control of selectivity and reactivity are important and must be balanced in many organic reactions. Let’s look a few ways in which this is done.

In addition to selectively reducing functional groups, reducing agents may react stereospecifically, leading to products with different three-dimensional structures. For example, the reduction of 4-tert-butyl-cyclohexanoneto 4-tert-butyl-cyclohexanol produces two different stereoisomers, depending on which direction the hydride attacks the carbonyl from. Lithium aluminum hydride attacks from the axial side, producing the trans product. Another reducing agent, L-selectride, attacks from the equatorial side, producing the cis product.

Lastly, we can selectively modify other types of molecules, such as proteins. For instance, maleimides specifically form bonds with thiol groups, but not other nucleophiles. In a protein, the only thiol groups present are in the amino acid cysteine, so maleimides will only form bonds with those parts of the molecule. Biochemists can use these compounds with dyes attached to illuminate specific regions of a protein

You’ve just watched JoVE’s introduction to chemoselectivity in reduction reactions. You should now understand how different reducing agents can produce different products when reacting with carbonyls. Thanks for watching!

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