10.8: Zabezpieczenie alkoholi

Ta lekcja zagłębia się w koncepcję zabezpieczania i odbezpieczania grupy funkcyjnej stanowiącej podstawę syntetycznej chemii organicznej. Zjawiska te wyjaśniane są w kontekście alkoholi alifatycznych i aromatycznych.

Zabezpieczenie

Definiuje grupę zabezpieczającą jako środek maskujący, który czyni bardziej reaktywne gatunki obojętnymi na dany zestaw warunków. Koncepcję tę przedstawiono na ilustracji przepływu cieczy przez różne wyloty w zespole rur. Analogia pomaga zrozumieć rolę grupy zabezpieczającej w selektywności reakcji, jak w przypadku alkilowania halogenku litoorganicznego w obecności konkurencyjnej kwasowej grupy alkoholowej. Przykład pokazuje, jak zabezpieczenie grupy alkoholowej pomaga w osiągnięciu alkilowania halogenku. Popularne grupy zabezpieczające alkohole obejmują rodzinę trójalkilosililową dla nukleofili lub zasad węglowych i azotowych oraz grupę tetrahydropiranylową (THP) dla mocnych zasad. W pierwszym przykładzie halogenek pochodnej trójalkilosililowej reaguje z alkoholem w obecności katalizatora nukleofilowego, tworząc eter trójalkilosililowy.

Odbezpieczenie

Po każdym zabezpieczeniu następuje odbezpieczenie po zamierzonej reakcji. Odbezpieczenie przywraca system do stanu pierwotnego. W przypadku zabezpieczenia grupami trójalkilosililowymi odbezpieczenie osiąga się przy użyciu soli fluorkowych, takich jak fluorek tetra-n-butyloamoniowy (TBAF), które są rozpuszczalne w rozpuszczalnikach organicznych. Tutaj ponowne protonowanie tlenu regeneruje rodzimy alkohol. W przypadku zabezpieczenia THP, odbezpieczenie osiąga się poprzez hydrolizę kwasową.

Zasada projektowania

Lekcja wyjaśnia także zasady projektowania grupy zabezpieczającej na podstawie ilustracji domu w zmiennych zewnętrznych warunkach pogodowych. Pokazuje selektywność oferowaną przez grupę zabezpieczającą w określonym środowisku. Na przykład THP chroni alkohol przed mocnymi zasadami. Powstały w tym przypadku acetal jest trwały w stosunku do zasad, ale podatny na hydrolizę kwasową.

Oprócz warunków reakcji, reaktywność cząsteczki, która ma być chroniona, również odgrywa kluczową rolę w projektowaniu odpowiedniej grupy zabezpieczającej. Na przykład stwierdzono, że zdolność eterów metylowych do ochrony fenoli jest nieodpowiednia w przypadku alkoholi alifatycznych. Tutaj kluczową rolę odgrywa stabilność odpowiednich grup opuszczających podczas usuwania grupy zabezpieczającej. Na przykład alkoholany, w przeciwieństwie do fenotlenków, są słabymi grupami opuszczającymi do odbezpieczania bromowodorem.

Poniższa tabela podsumowuje różne grupy zabezpieczające/odbezpieczające dla różnych typów alkoholi i powiązanych warunków:

Grupa chroniąca	Struktura	Chroni	Z	Zabezpieczenie	Odbezpieczenie
Trialkilosilil (R_3Si–), np. TBDMS	(Me_3C) Me_2Si–OR	Alkohole (OH, ogólnie)	Zasady C lub N	R_3SiCl,	H^+, H_2O, lub F-
Tetrahydropiranyl (THP)		< Alkohole (OH, ogólnie)	Mocne podstawy	3,4-dihydropiran,	H^+ H^+, H_2O
Eter benzylowy (OBn)		Alkohole (OH, ogólnie)	Prawie wszystko	NaH, BnBr	H_2, Pd/C, lub HBr
Eter metylowy (AROMe)		Fenole (ArOH)	Bazy	NaH, MeI lub (MeO)_2SO_2	BBr_3, HBr, HI, Me_3SiI

Związki organiczne często zawierają więcej niż jedną grupę funkcyjną. W takich cząsteczkach grupa chroniąca sprawia, że grupa bardziej reaktywna jest obojętna na dany zestaw warunków.

Analogiczną ilustracją jest rura z wieloma otworami. Ciecz wypływałaby przez najniższy wylot z powodu grawitacji. Jednak użycie zaślepki do zablokowania dolnego wylotu pozwala na uzyskanie cieczy z wyższego wylotu.

Na przykład alkilowanie halogenku przez organolit w obecności alkoholu nie zachodzi ze względu na kwasowość grupy hydroksylowej. Jednak ochrona alkoholu pozwala na alkilowanie halogenku.

Projektując grupę ochronną, podstawową zasadą jest jej stabilność na jeden zestaw warunków i podatność na inny. Na przykład grupa tetrahydropiranylowa jest powszechną grupą ochronną dla alkoholi z mocnych zasad. Podczas gdy utworzony acetal jest stabilny w takich warunkach, jest podatny na hydrolizę kwasową.

Po zamierzonej reakcji konieczne jest również łatwe usunięcie nasadki bez uszkodzenia rury, aby przywrócić system do stanu pierwotnego. Ten proces usuwania grupy ochronnej jest znany jako deprotekcja.

Do popularnych grup ochronnych dla alkoholi z nukleofilów lub zasad węglowych i azotowych należy rodzina trialkylsilil. W tym przypadku pochodna trialkilosililu oddziałuje z alkoholem w obecności słabej zasady, takiej jak imidazol, która reaguje jako katalizator nukleofilowy, tworząc eter trialkilosililowy.

Te grupy trialkilosililowe są następnie usuwane z alkoholi za pomocą soli fluorkowych, które są rozpuszczalne w rozpuszczalnikach organicznych, takich jak fluorek tetra-n-butyloamonu lub TBAF. W konsekwencji reprotonacja tlenu regeneruje alkohol rodzimy.

Oprócz warunków reakcji, przy określaniu odpowiedniej grupy ochronnej należy wziąć pod uwagę reaktywność cząsteczki, która ma być chroniona.

Na przykład wśród alkoholi etery metylowe są odpowiednimi grupami ochronnymi tylko dla fenoli, ponieważ fenoksydany są dobrymi grupami opuszczającymi w warunkach deprotekcji, podczas gdy alkoholany są słabymi grupami opuszczającymi w tych warunkach.