10.6: カルボニル化合物からのアルコール: 還元

還元は、カルボニル基をヒドロキシル基に変換する簡単な戦略です。 カルボニルをアルコールに還元する 3 つの主な経路は、接触水素化、水素化物還元、およびボラン還元です。

接触水素化は、ラネー Ni、Pd-C、Pt、Ru などの遷移金属触媒の存在下で、π 結合に H_2 を加えることによるアルケンまたはアルキンの還元に似ています。 アルデヒドとケトンは、多くの場合、穏やかから中程度の熱 (25 ～ 100°C) と圧力 (1 ～ 5 atm H_2) の下でこの方法で還元され、それぞれ 1° と 2° アルコールを生成します。

図1. 接触水素化は、過酷な条件が必要ない場合の工業用途に適していますが、炭素間不飽和結合も減少します。

水素化物還元は、水素化ホウ素ナトリウム (NaBH_4) や水素化アルミニウムリチウム (LiAlH_4、または LAH) などの水素化物移動試薬によって実現できます。これは Figure2、NaH 塩の電荷密度が高いため、遊離水素化物イオンによる求核攻撃がほとんど知られていないためです。 それを強力なベースにします。 LAH および NaBH_4 の水素原子は、ホウ素およびアルミニウム原子に共有結合しているため、部分的に負電荷を持ち、それによって塩基性を犠牲にして求核性を高めます。 求核付加の最初のステップでは、アルコキシド イオンが形成されます。 副生成物のアルコキシ水素化ホウ素またはアルコキシアルミネートは、さらに 3 つのカルボニル分子を還元し、それらのすべての水素原子を連続的に移動します。 水素化物は脱離基としては不十分であるため、水素化物の移動ステップは不可逆的であり、したがって反応は完了するまで進行します。 最後に、反応混合物を溶媒 (つまり、NaBH_4 の場合は水またはアルコール、LAH の場合は希酸) で処理します。

図2. アルデヒドと対称エステルは 1 つの 1° アルコール生成物を生成します。 非対称エステルは 1° アルコールの混合物を生成します。

LAH、NaBH_4、およびそれらの誘導体は、アルデヒドおよびケトンの還元に非常に役立ちます。 LAH は強力な還元剤であり、酸、エステル、塩化アシル、アミドなどのカルボニル化合物も還元できます。 LAH は水や他のプロトン性溶媒と激しく反応し、水素ガスを放出し、金属水酸化物/アルコキシドを形成します。 したがって、LAH 還元は通常、無水ジエチルエーテルや THF などの非プロトン性溶媒中で行われます。

図3. 水素化ホウ素リチウムのアルコール溶液は、酸ではなくエステルを選択的に還元する LAH の無害な代替品です。

一方、NaBH_4 はより穏やかな性質を持っており、一般にエタノールやメタノールなどのプロトン性溶媒中でのみ還元されます。 したがって、NaBH_4 を使用すると、ハロゲン化アルキル、エステル、トシル酸アルキル、ニトロ基などの官能基の存在下でアルデヒドやケトンを還元できます。 水素化ジイソブチルアルミニウム (DIBAL-H) は、水素化物イオンを 2 回連続して添加することにより、室温でカルボニルをアルコールに変換することもできます。 しかし、低温でエステルと反応させる場合には、1当量の水素化物イオンを添加するだけで、この反応をアルデヒドの段階で停止させることができます。

ボラン還元では、ジエチルエーテル、THF、または Me_2S 中のボラン (BH_3) 溶液を使用して、エステルやケトンなどの他の還元可能な官能基の存在下で、カルボン酸などの電子豊富なカルボニル基を選択的に還元します。

図4. 出発エステル分子よりも求電子性の高いカルボニル基を持つ反応性トリアシルボレート中間体の形成により、還元反応が促進されます。

生体にとって、還元型補酵素 NADH またはそのリン酸エステル NADPH は、同様の生物学的還元の酵素触媒作用における実験室用水素化物試薬と同等です。

カルボニル化合物からアルコールを調製するには、二重結合に水素原子を2個付加します。

この還元は、香水成分のムスコーンや抗うつ薬のプロザックなどの必須分子の合成に重要です。

アルデヒド、カルボン酸、エステルは第一級アルコールに還元されますが、ケトンは第二級アルコールに還元されます。

古典的な方法では、水素触媒と遷移金属触媒を用いた触媒水素化が行われます。ただし、これには高温と高圧が必要であり、分子内に存在する炭素-炭素多重結合も減少します。

実験室法では、水素化ホウ素ナトリウム、水素化アルミニウムリチウム、およびそれらの誘導体からの求核水素化物イオンを不可逆反応で段階的に添加し、続いて溶媒または酸でプロトン化します。この方法は、水素化と比較してカルボニル基を選択的に還元します。

非対称ケトンでは、平面カルボニル基は、どちらの面からも同じ確率で求核性水素化物攻撃を受ける可能性があります。これにより、キラルな四面体中間体が生成され、一対のエナンチオマー生成物が得られます。

水素化ホウ素ナトリウムによる還元は、極性プロトン性溶媒中で行われます。一方、水素化アルミニウムリチウムは、プロトンドナーとの激しい反応を避けるために、乾燥した非プロトン性溶媒を必要とします。

水素化アルミニウムリチウムは、水素化ホウ素ナトリウムよりも強力な還元剤であり、したがって、水素化ホウ素結合と比較してアルミニウム-水素結合の極性が大きいため、反応性が高くなります。

この反応性の違いは、2つの水素化物試薬によって異なるカルボニル基が選択的に還元されることに反映されています。

例示するために、水素化ホウ素ナトリウムは、ケトン基の選択的な還元を許さない水素化アルミニウムリチウムとは異なり、エステルの存在下でケトンを選択的に還元することができる。

水素化ホウ素リチウムとボランは、それぞれエステルと酸の還元において反対の化学選択性を持つ有用な試薬です。