10.6: 카르보닐 화합물의 알코올: 환원

환원은 카르보닐기를 수산기로 전환하는 간단한 방법입니다. 카르보닐을 알코올로 환원하는 세 가지 주요 경로는 촉매 수소화, 수소화물 환원 및 보란 환원입니다.

촉매적 수소화는 라니 Ni, Pd-C, Pt 또는 Ru와 같은 전이 금속 촉매가 있는 상태에서 파이 결합을 가로질러 H_2를 첨가하여 알켄 또는 알킨을 환원시키는 것과 유사합니다. 알데히드와 케톤은 이 방법을 통해 보통 온화하거나 중간 정도의 열(25~100°C)과 압력(1~5 atm H_2)에서 환원되어 각각 1° 및 2° 알코올을 생성할 수 있습니다.

그림 1. 촉매 수소화는 엄격한 조건이 필요하지 않은 산업 응용 분야에 적합할 수 있지만 불포화 탄소-탄소 결합도 감소합니다.

수소화물 환원은 수소화붕소나트륨(NaBH_4) 및 수소화알루미늄리튬(LiAlH_4 또는 LAH)과 같은 수소화물 전달 시약에 의해 진행될 수 있습니다. 이는 자유 수화물 이온에 의한 핵친화적인 공격Figure2으로는 전하 밀도가 높아 강한 염기가 되기 때문에 NaH 염의 경우 거의 알려지지 않았습니다. 붕소 및 알루미늄 원자와 공유 결합된 LAH 및 NaBH_4의 수소 원자는 부분적인 음전하를 가지므로 염기성을 희생하면서 친핵성을 향상시킵니다. 친핵성 첨가의 첫 번째 단계에서는 알콕시드 이온이 형성됩니다. 부산물인 알콕시보로하이드라이드 또는 알콕시알루미네이트는 카르보닐 분자 3개를 더 줄여서 모든 수소 원자를 연속적으로 전달합니다. 수소화물은 이탈기가 좋지 않기 때문에 수소화물 전달 단계는 되돌릴 수 없고 반응은 계속 진행되어 완료됩니다. 마지막으로, 반응 혼합물을 용매(즉, NaBH_4의 경우 물 또는 알코올, LAH의 경우 묽은 산)로 작업합니다.

그림 2. 알데히드와 대칭형 에스테르는 하나의 1° 알코올 생성물을 생성합니다. 비대칭 에스테르는 1° 알코올 혼합물을 생성합니다.

LAH, NaBH_4 및 그 유도체는 알데히드와 케톤의 환원에 매우 유용합니다. 강력한 환원제인 LAH는 산, 에스테르, 염화아실, 아미드와 같은 카르보닐 화합물도 환원할 수 있습니다. LAH는 물 및 기타 양성자성 용매와 격렬하게 반응하여 수소 가스를 방출하고 금속 수산화물/알콕사이드를 형성합니다. 따라서 LAH 환원은 일반적으로 무수 디에틸 에테르 및 THF와 같은 비양성자성 용매에서 수행됩니다.

그림 3. 수소화붕소리튬의 알코올성 용액은 산보다 에스테르를 선택적으로 환원시키는 데 있어 LAH에 대해서는 유해하지 않은 대안입니다.

반면, NaBH_4는 성질이 더 순하며 일반적으로 에탄올이나 메탄올과 같은 양성자성 용매에서만 감소합니다. 따라서 NaBH_4는 알킬 할라이드, 에스테르, 알킬 토실레이트 및 니트로 그룹과 같은 작용기 존재 하에서 알데히드와 케톤을 감소시키는 데 사용될 수 있습니다. 디이소부틸알루미늄 수소화물(DIBAL-H)은 실온에서 수소화물 이온을 두 번 연속 첨가하여 카르보닐을 알코올로 전환할 수도 있습니다. 그러나 저온에서 에스테르와 반응할 경우, 1당량의 수소화물 이온만 첨가하면 알데히드 단계에서 이 반응을 멈출 수 있습니다.

보란 환원은 디에틸 에테르, THF 또는 Me_2S의 보란(BH_3) 용액을 사용하여 에스테르 및 케톤과 같은 다른 환원성 작용기가 존재하는 경우 카르복실산과 같은 전자가 풍부한 카르보닐기를 선택적으로 환원합니다.

그림 4. 출발 에스테르 분자보다 더 친전자성인 카르보닐기를 갖는 반응성 트리아실보레이트 중간체의 형성은 환원 반응을 진행시킵니다.

살아있는 유기체의 경우, 환원된 조효소 NADH 또는 그 포스포에스테르 NADPH는 유사한 생물학적 환원의 효소 촉매 작용에서 실험실 수소화물 시약과 동일합니다.

알코올은 이중 결합을 가로질러 두 개의 수소 원자를 추가하여 카르보닐 화합물로부터 제조할 수 있습니다.

이러한 감소는 향수 성분인 머스콘(muscone)과 항우울제인 프로작(Prozac)과 같은 필수 분자의 합성에 중요합니다.

알데히드, 카르복실산 및 에스테르는 1차 알코올로 환원되는 반면 케톤은 2차 알코올로 환원됩니다.

고전적인 방법은 수소 및 전이 금속 촉매를 사용한 촉매 수소화를 포함합니다. 그러나 이를 위해서는 높은 온도와 압력이 필요하며 분자에 존재하는 탄소-탄소 다중 결합을 감소시킵니다.

실험실 방법은 비가역적 반응에서 수소화붕소나트륨, 리튬 알루미늄 수소화물 및 그 유도체의 친핵성 수소화물 이온을 단계적으로 첨가한 다음 용매 또는 산으로 양성자화하는 것을 포함합니다. 이 방법은 수소화에 비해 카르보닐기를 선택적으로 감소시킵니다.

비대칭 케톤에서 평면 카르보닐기는 동일한 확률로 양쪽 면에서 친핵성 수소화물 공격을 받을 수 있습니다. 이것은 키랄 사면체 중간체를 생성하여 한 쌍의 거울상 이성질체 생성물을 제공합니다.

수소화붕소나트륨에 의한 환원은 극성 양성자 용매에서 수행됩니다. 반면에 리튬 알루미늄 수소화물은 양성자 공여체와의 격렬한 반응을 피하기 위해 건조하고 비양성자성 용매가 필요합니다.

리튬 알루미늄 수소화물은 붕소-수소 결합에 비해 알루미늄-수소 결합의 극성이 더 크기 때문에 수소화붕소나트륨보다 더 강력한 환원제이므로 반응성이 더 높습니다.

이러한 반응성 차이는 서로 다른 카르보닐기가 두 개의 수소화물 시약에 의해 선택적으로 환원되는 용이성에 반영됩니다.

예를 들어, 수소화붕소나트륨은 케톤기의 선택적 환원을 허용하지 않는 리튬 알루미늄 수소화물과 달리 에스테르의 존재 하에서 케톤을 선택적으로 환원시킬 수 있습니다.

수소화붕소와 보란은 각각 에스테르와 산을 환원시키는 데 반대 화학 선택성을 가진 유용한 시약입니다.