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La riduzione dei carbonili è un compito comune in chimica organica. I chimici utilizzano diversi agenti riducenti per controllare attentamente l'esito della procedura.
I carbonili sono gruppi funzionali con un atomo di carbonio legato a doppio legame con un ossigeno. I gruppi carbonilici compaiono in molti tipi di composti. Quando i carbonili vengono ridotti, il prodotto dipenderà in parte dall'esatta composizione chimica del composto. Inoltre, un particolare reagente può avere diversi prodotti di riduzione. Utilizzando diversi agenti riducenti, i chimici possono controllare questi prodotti o se la reazione ha luogo.
Questo video illustrerà la reazione di un composto carbonilico con due diversi agenti riducenti e i diversi prodotti che ne derivano.
Il carbonio è meno elettronegativo dell'ossigeno, quindi quando condividono un legame, come in un carbonile, il carbonio avrà una carica positiva parziale, rendendolo elettrofilo. Questo a sua volta lo rende suscettibile all'attacco nucleofilo, come il trasferimento di idruro che avvia la maggior parte delle riduzioni carboniliche. L'aumento di questa carica positiva aumenta l'elettrofilia, aumentando la reattività del carbonio. Diminuendo la carica il carbonio renderà il carbonio meno reattivo
Gli alogenuri acilici hanno un altro atomo fortemente elettronegativo, come il cloro, legato al carbonio, aumentando la carica positiva sul carbonio. Pertanto, questo gruppo è più reattivo dei chetoni o delle aldeidi. D'altra parte, esteri, ammidi e acidi carbossilici hanno tutti strutture di risonanza che diffondono una carica negativa aggiuntiva sui loro atomi di carbonio, rendendoli meno positivi. Pertanto, questi composti sono meno reattivi dei chetoni e delle aldeidi.
Diversi donatori di idruri hanno anche reattività diverse, influenzando i composti carbonilici che sono in grado di ridurre. L'idruro di litio e alluminio è altamente reattivo ed è in grado di ridurre la maggior parte dei composti carbonilici. Nel frattempo, il boroidruro di sodio ha una reattività relativamente bassa. Può ridurre gli alogenuri acilici, le aldeidi e i chetoni, ma non è in grado di ridurre gli esteri, le ammidi o gli acidi carbossilici meno reattivi. La reattività dell'idruro di litio tri-terz-butossialluminio è intermedia e produrrà anche diversi prodotti di riduzione
I chimici usano questi principi di reattività per controllare quali prodotti derivano da una reazione di riduzione. Ad esempio, l'acetoacetato di etile ha 2 gruppi carbonilici unici: un chetone e un estere. Se viene ridotto con boroidruro di sodio, solo il chetone sarà interessato, producendo etil-3-idrossibutarato. Tuttavia, se viene ridotto con idruro di litio e alluminio, entrambi i carbonili ne risentiranno, producendo 1,3-butandiolo.
Per dimostrare questi principi di riduzione carbonilica, eseguiremo entrambe le reazioni di riduzione con acetoacetato di etile. Studieremo anche i prodotti con cromatografia su strato sottile e spettroscopia a infrarossi, per esaminare attentamente il destino di ogni carbonile.
La prima reazione utilizzerà il boroidruro di sodio meno reattivo. Per iniziare, preparare un pallone a fondo tondo su un piatto di agitazione Aggiungere un agitatore e 0,127 ml di acetoacetato di etile a questo pallone. Quindi, aggiungi 5 ml di etanolo e inizia a mescolare.
Quindi, pesare 74 mg di boroidruro di sodio. In piccole porzioni aggiungerlo al pallone. La reazione di riduzione diventerà bianca e bolle. Dopo aver aggiunto tutto il boroidruro, monitorare la reazione ogni pochi minuti con la cromatografia su strato sottile, utilizzando il 40% di acetato di etile e il 60% di esano come fase mobile. Il prodotto atteso avrà un valore di ritenzione leggermente inferiore rispetto all'acetoacetato di etile iniziale.
Una volta terminata la reazione, aggiungere 10 ml di acqua alla miscela per estinguere la reazione. Estrarre due volte il prodotto dall'acqua con 30 ml di acetato di etile in un imbuto separatore. Per ulteriori informazioni su questa procedura, vedere il nostro video sull'estrazione
In un imbuto separatore, mescolare 30 ml di salamoia con la soluzione. Mescolare la soluzione, lasciandola separare in due strati, e raccogliere la fase organica. A questo, aggiungi la polvere di solfato di sodio, che assorbirà l'acqua rimanente, fino a quando non si raggruma più.
Filtrare la soluzione in un pallone a fondo tondo, quindi far evaporare il solvente con un evaporatore rotante, o rotovap.
Quindi, utilizzare TLC per verificare la purezza del prodotto. Quindi, analizzare il prodotto con la spettroscopia a infrarossi. Guarda il nostro video sull'IR per maggiori dettagli. Utilizzare una procedura simile per analizzare l'acetoacetato di etile iniziale come riferimento.
Successivamente, vediamo la reazione utilizzando il litio alluminio idruro più reattivo. Preparare un pallone a fondo tondo con un agitatore, un setto e linee di ingresso e uscita dell'azoto. Aggiungere 76 mg di idruro di litio e alluminio al pallone e richiudere rapidamente con il setto e spurgare il pallone con l'azoto per alcuni minuti. Dopo lo spurgo, iniettare 10 mL di tetraidrofurano secco e immergere il matraccio in un bagno di ghiaccio
Quando le altre preparazioni sono complete, preparare una soluzione di 0,127 mL di acetoacetato di etile e 3 mL di THF secco. Iniettare questa soluzione goccia a goccia nel pallone. La reazione ribollirà vigorosamente. Come in precedenza, monitorare la reazione con TLC. Il prodotto atteso - 1,3, butandiolo - avrà anche un valore di ritenzione inferiore rispetto all'acetoacetato di etile originale.
Al termine della reazione, aggiungere 1 M di acido cloridrico goccia a goccia, fino a quando tutto l'idruro di litio e alluminio è consumato e la soluzione smette di gorgogliare. Rimuovere il setto, quindi aggiungere 40 mL di acetato di etile e 20 mL di acido cloridrico 1 M.
Ora, purificare il prodotto seguendo gli stessi passaggi di prima. Estrarre il prodotto tre volte con 50 ml di acetato di etile. Asciugare la soluzione di acetato di etile con 30 mL di soluzione salina e solfato di sodio, filtrare ed evaporare il solvente con un rotovap.
Ora che abbiamo un prodotto, possiamo analizzarlo con TLC e IR come prima.
Innanzitutto, diamo un'occhiata ai risultati delle TLC. L'acetoacetato di etile è altamente apolare e viaggerà vicino al fronte del solvente su una piastra TLC. Il suo prodotto con boroidruro di sodio, etil3-idrossibutarrato, è leggermente più polare e non viaggia così lontano. Nel frattempo, il prodotto con litio alluminio idruro, 1,3-butandiolo, è ancora più polare, facendolo viaggiare meno su per la piastra
Ora, esaminiamo i risultati IR. L'acetoacetato di etile ha due picchi che corrispondono all'allungamento del legame carbonilico. Uno, circa 1.650 numeri d'onda, è il chetone e l'altro, circa 1.730, è l'estere. Lo spettro del primo prodotto è simile, tuttavia ha un solo picco carbonilico e ha raggiunto un ampio picco di allungamento O-H dell'alcol a circa 3.200 numeri d'onda. Il secondo prodotto mostra una perdita di entrambi i picchi carbonilici, illustrando la maggiore reattività dell'idruro di litio e alluminio
Il controllo della selettività e della reattività sono importanti e devono essere bilanciati in molte reazioni organiche. Diamo un'occhiata ad alcuni modi in cui ciò viene fatto.
Oltre a ridurre selettivamente i gruppi funzionali, gli agenti riducenti possono reagire in modo stereospecifico, portando a prodotti con diverse strutture tridimensionali. Ad esempio, la riduzione del 4-terz-butil-cicloesanone a 4-terz-butil-cicloesanolo produce due diversi stereoisomeri, a seconda della direzione da cui l'idruro attacca il carbonile. L'idruro di litio e alluminio attacca dal lato assiale, producendo il prodotto trans. Un altro agente riducente, la L-selectride, attacca dal lato equatoriale, producendo il prodotto cis.
Infine, possiamo modificare selettivamente altri tipi di molecole, come le proteine. Ad esempio, le maleimmidi formano legami specifici con i gruppi tiolici, ma non con altri nucleofili. In una proteina, gli unici gruppi tiolici presenti si trovano nell'amminoacido cisteina, quindi le maleimmidi formeranno legami solo con quelle parti della molecola. I biochimici possono usare questi composti con coloranti attaccati per illuminare regioni specifiche di una proteina
Hai appena visto l'introduzione di JoVE alla chemioselettività nelle reazioni di riduzione. A questo punto dovreste capire come diversi agenti riducenti possono produrre prodotti diversi quando reagiscono con i carbonili. Grazie per l'attenzione!
