10.6: Alkohole ze związków karbonylowych: redukcja

Redukcja to prosta strategia polegająca na przekształceniu grupy karbonylowej w grupę hydroksylową. Trzy główne ścieżki redukcji karbonylków do alkoholi to uwodornienie katalityczne, redukcja wodorków i redukcja boranu.

Uwodornienie katalityczne jest podobne do redukcji alkenu lub alkinu poprzez dodanie H_2 przez wiązanie pi w obecności katalizatorów z metali przejściowych, takich jak Ni Raneya, Pd – C, Pt lub Ru. Tą metodą można redukować aldehydy i ketony, często pod wpływem łagodnego do umiarkowanego ciepła (25–100°C) i ciśnienia (1–5 atm H_2), uzyskując odpowiednio alkohole 1° i 2°.

Rysunek 1. Uwodornienie katalityczne może być odpowiednie do zastosowań przemysłowych, gdy nie są wymagane trudne warunki, ale zmniejsza się również nienasycona wiązania węgiel-węgiel.

Redukcję wodorków można uzyskać za pomocą odczynników przenoszących wodorki, takich jak borowodorek sodu (NaBH_4) i wodorek litowo-glinowy (LiAlH_4 lub LAH), ponieważ atak nukleofilowy wolnego jonu wodorkowego Figure2 jest prawie nieznany w przypadku soli NaH ze względu na wysoką gęstość ładunku, czyniąc z niego mocną bazę. Atomy wodoru LAH i NaBH_4, związane kowalencyjnie z atomami boru i glinu, mają częściowe ładunki ujemne, zwiększając w ten sposób ich nukleofilowość kosztem zasadowości. Pierwszy etap addycji nukleofilowej prowadzi do powstania jonów alkoholanowych. Produkt uboczny alkoksyborowodorek lub alkoksyglinian redukuje trzy kolejne cząsteczki karbonylowe, sukcesywnie przenosząc wszystkie ich atomy wodoru. Ponieważ wodorek jest słabą grupą opuszczającą, etapy przenoszenia wodorku są nieodwracalne i dlatego reakcja przebiega do końca. Na koniec mieszaninę reakcyjną poddaje się obróbce rozpuszczalnikiem (tj. wodą lub alkoholem w przypadku NaBH_4 i rozcieńczonym kwasem w przypadku LAH).

Rysunek 2. Aldehydy i symetryczne estry dają jeden produkt alkoholowy 1°. Niesymetryczne estry dają mieszaninę 1° alkoholi.

LAH, NaBH_4 i ich pochodne są bardzo przydatne w redukcji aldehydów i ketonów. LAH, silny środek redukujący, może również redukować związki karbonylowe, takie jak kwasy, estry, chlorki acylu i amidy. LAH reaguje gwałtownie z wodą i innymi rozpuszczalnikami protonowymi, uwalniając gazowy wodór i tworząc wodorotlenki/alkoholany metali. Dlatego też redukcje LAH zazwyczaj przeprowadza się w rozpuszczalnikach aprotonowych, takich jak bezwodny eter dietylowy i THF.

Rysunek 3. Alkoholowy roztwór borowodorku litu jest bezpieczną alternatywą dla LAH w selektywnej redukcji estrów nad kwasami.

Z drugiej strony NaBH_4 ma łagodniejszy charakter i generalnie ulega redukcji tylko w rozpuszczalnikach protonowych, takich jak etanol lub metanol. Dlatego NaBH_4 można stosować do redukcji aldehydów i ketonów w obecności grup funkcyjnych, takich jak halogenki alkilu, estry, tosylany alkilu i grupy nitrowe. Wodorek diizobutyloglinu (DIBAL-H) może również przekształcić karbonyle w alkohole w temperaturze pokojowej przez dwa kolejne dodania jonów wodorkowych. Jednakże, gdy reaguje się z estrami w niskich temperaturach, reakcję tę można zatrzymać na etapie aldehydowym, dodając tylko jeden równoważnik jonu wodorkowego.

Redukcja boranem wykorzystuje roztwór boranu (BH_3) w eterze dietylowym, THF lub Me_2S w celu selektywnej redukcji bogatych w elektrony grup karbonylowych, takich jak kwasy karboksylowe, w obecności innych redukowalnych grup funkcyjnych, takich jak estry, a nawet ketony.

Rysunek 4. Tworzenie reaktywnego związku pośredniego triacyloboranu z bardziej elektrofilową grupą karbonylową niż wyjściowa cząsteczka estru napędza reakcję redukcji.

W przypadku organizmów żywych zredukowany koenzym NADH lub jego fosfoester NADPH jest odpowiednikiem laboratoryjnych odczynników wodorkowych w katalizie enzymatycznej o podobnych redukcjach biologicznych.

Alkohole można wytwarzać ze związków karbonylowych, dodając dwa atomy wodoru w poprzek podwójnego wiązania.

Ta redukcja jest ważna w syntezie niezbędnych cząsteczek, takich jak składnik perfum muscone i lek przeciwdepresyjny Prozac.

Podczas gdy aldehydy, kwasy karboksylowe i estry są redukowane do pierwszorzędowych alkoholi, ketony są redukowane do drugorzędowych alkoholi.

Klasyczna metoda polega na katalitycznym uwodornieniu przy użyciu wodoru i katalizatorów z metali przejściowych. Wymaga to jednak wysokiej temperatury i ciśnienia, a także zmniejsza wszelkie wiązania wielokrotne węgiel-węgiel obecne w cząsteczce.

Metoda laboratoryjna polega na stopniowym dodawaniu nukleofilowych jonów wodorkowych z borowodorku sodu, wodorku litu glinowo-glinowego i ich pochodnych, w nieodwracalnej reakcji, a następnie protonowaniu rozpuszczalnikiem lub kwasem. Ta metoda selektywnie redukuje grupę karbonylową w porównaniu z uwodornieniem.

W niesymetrycznych ketonach płaska grupa karbonylowa może z równym prawdopodobieństwem ulec atakowi nukleofilowego wodorku z dowolnej strony. W ten sposób powstaje chiralny czworościenny produkt pośredni, dający parę produktów enancjomerowych.

Redukcję za pomocą borowodorku sodu przeprowadza się w polarnych rozpuszczalnikach protonowych. Z drugiej strony wodorek litowo-glinowy potrzebuje suchych, aprotonowych rozpuszczalników, aby uniknąć gwałtownej reakcji z donorami protonów.

Wodorek litowo-glinowy jest silniejszym środkiem redukującym, a tym samym bardziej reaktywnym niż borowodorek sodu ze względu na większą polarność wiązania aluminiowo-wodorowego w porównaniu z wiązaniem bor-wodór.

Ta różnica w reaktywności znajduje odzwierciedlenie w łatwości, z jaką różne grupy karbonylowe ulegają selektywnej redukcji przez dwa odczynniki wodorkowe.

Aby to zilustrować, borowodorek sodu może selektywnie redukować keton w obecności estru, w przeciwieństwie do wodorku glinowo-litowego, który nie pozwala na selektywną redukcję grupy ketonowej.

Borowodorek litu i boran są użytecznymi odczynnikami o przeciwnej chemoselektywności odpowiednio w estrach redukujących i kwasach.