5.3: Środki redukujące

1. Właściwości pomiarowe octanu etylu

1. Pobrać IR materiału wyjściowego (octan etylu).
2. Wykonaj TLC, używając 40% octanu etylu w 60% heksanów.

2. Redukcja acetooctanu etylu borowodorkiem sodu

1. Dodać 1 mmol acetooctanu etylu do kolby okrągłodennej.
2. Dodaj 5 ml etanolu i zamieszaj, aby całkowicie wymieszać.
3. Zanurzyć zlewkę w łaźni lodowato-wodnej.
4. Odważyć 1 mmol borowodorku sodu i powoli dodawać do wymieszanego roztworu octanu etylu.
   1. Dodaj małe porcje. Reakcja jest egzotermiczna i energicznie bulgocze.
5. Bezpośrednio po tym należy monitorować reakcję za pomocą TLC co kilka minut, aż do zakończenia reakcji.
6. Po zakończeniu dodaj 10 ml wody do mieszaniny reakcyjnej.
7. Przenieść do rozdzielacza i ekstrahować octanem etylu (2 x 30 ml).
8. Osuszyć wodą DI (1x 30 mL) i solanką (1x 30 mL).
9. Wysuszyć na bazie siarczanu sodu i przefiltrować do kolby okrągłodennej.
10. Odparować rozpuszczalnik na wyparce obrotowej.
11. Wykonaj pomiar TLC i IR produktu redukującego.

3. Redukcja acetooctanu etylu wodorkiem glinowo-litowym

1. Dodać 1 mmol wodorku litowo-glinowego do suchej kolby okrągłodennej i przykryć ją przegrodą.
2. Przepłukać kolbę azotem gazowym za pomocą przewodu doprowadzającego azot. Upewnij się, że masz zawór odpływowy.
3. Dodaj 10 ml suchego THF.
4. Umieścić kolbę okrągłodenną w łaźni lodowej.
5. Sporządzić roztwór 1 mmol acetooctanu etylu w 3 ml suchego THF i powoli dodawać kroplami do kolby reakcyjnej.
6. Reakcja będzie energicznie bulgotać, dopóki nie zostanie dodany cały odczynnik.
7. Bezpośrednio po tym należy monitorować reakcję za pomocą TLC co kilka minut, aż do zakończenia reakcji.
8. Po zakończeniu dodaj kroplami 1 M HCl. Reakcja będzie energicznie bulgotać, aż do zużycia całego LiAlH₄.
9. Po spożyciu (koniec z bulgotaniem) przegrodę można usunąć i rozcieńczyć octanem etylu (40 ml) i 1 M HCl (20 ml).
10. Przenieść do rozdzielacza rozdzielającego.
11. Ekstrakt z octanem etylu (3x 50 mL).
12. Osuszyć solanką (1x 50 mL).
13. Wysuszyć na bazie siarczanu sodu i przefiltrować do kolby okrągłodennej.
14. Odparować rozpuszczalnik na wyparce obrotowej.
15. Wykonaj pomiar TLC i IR produktu redukującego.

Redukcja karbonylków jest powszechnym zadaniem w chemii organicznej. Chemicy używają różnych środków redukujących, aby dokładnie kontrolować wynik zabiegu.

Karbonylki to grupy funkcyjne z atomem węgla podwójnie związanym z tlenem. Grupy karbonylowe występują w wielu typach związków. Kiedy karbonylki zostaną zredukowane, produkt będzie częściowo zależał od dokładnego składu chemicznego związku. Dodatkowo dany reagent może mieć różne produkty redukcji. Stosując różne środki redukujące, chemicy mogą kontrolować te produkty lub to, czy reakcja w ogóle zachodzi.

Ten film zilustruje reakcję związku karbonylowego z dwoma różnymi środkami redukującymi oraz różne produkty, które z tego wynikają.

Węgiel jest mniej elektroujemny niż tlen, więc gdy mają wspólne wiązanie, jak w karbonylu, węgiel będzie miał częściowy ładunek dodatni, co czyni go elektrofilowym. To z kolei sprawia, że jest podatny na atak nukleofilowy, taki jak transfer wodorków, który rozpoczyna większość redukcji karbonylu. Zwiększenie tego dodatniego ładunku zwiększa elektrofilowość, zwiększając reaktywność węgla. Zmniejszenie ładunku sprawi, że węgiel będzie mniej reaktywny

Halogenki acylu mają inny silnie elektroujemny atom, taki jak chlor, związany z węglem, zwiększając dodatni ładunek węgla. Dlatego ta grupa jest bardziej reaktywna niż ketony czy aldehydy. Z drugiej strony, estry, amidy i kwasy karboksylowe mają struktury rezonansowe, które rozprowadzają dodatkowy ładunek ujemny na swoje węgle, czyniąc je mniej dodatnimi. Dlatego związki te są mniej reaktywne niż ketony i aldehydy.

Różni donorzy wodorków mają również różne reaktywności, co wpływa na to, które związki karbonylowe są w stanie zredukować. Wodorek litowo-glinowy jest wysoce reaktywny i jest w stanie zredukować większość związków karbonylowych. Tymczasem borowodorek sodu ma stosunkowo niską reaktywność. Może redukować halogenki acylowe, aldehydy i ketony, ale nie jest w stanie zredukować mniej reaktywnych estrów, amidów lub kwasów karboksylowych. Reaktywność wodorku litu tri-tert-butoksyglinu jest pośrednia i wytwarza również różne produkty redukcji

Chemicy wykorzystują te zasady reaktywności do kontrolowania, które produkty powstają w wyniku reakcji redukcji. Na przykład acetooctan etylu ma 2 unikalne grupy karbonylowe: keton i ester. Jeśli zostanie zredukowany borowodorkiem sodu, wpłynie to tylko na keton, wytwarzając 3-hydroksybutarynian etylu. Jeśli jednak zostanie zmniejszony wodorkiem litowo-glinowo-litowym, wpłynie to na oba karbonyle, wytwarzając 1,3-butanodiol.

Aby zademonstrować te zasady redukcji karbonylu, przeprowadzimy obie reakcje redukcji z użyciem octanu etylu. Będziemy również badać produkty za pomocą chromatografii cienkowarstwowej i spektroskopii w podczerwieni, aby dokładnie zbadać los każdego karbonylu.

W pierwszej reakcji zostanie użyty mniej reaktywny borowodorek sodu. Na początek umieść kolbę okrągłodenną na mieszadle Dodaj do tej kolby mieszadło i 0,127 ml octanu etylu. Następnie dodaj 5 ml etanolu i zacznij mieszać.

Następnie odważyć 74 mg borowodorku sodu. W małych porcjach dodawać go do kolby. Reakcja redukcji zmieni kolor na biały i bąbelkuje. Po dodaniu całego borowodorku należy monitorować reakcję co kilka minut za pomocą chromatografii cienkowarstwowej, używając 40% octanu etylu i 60% heksanu jako fazy ruchomej. Oczekiwany produkt będzie miał nieco niższą wartość retencji niż wyjściowy acetooctan etylu.

Po zakończeniu reakcji dodaj 10 ml wody do mieszaniny, aby wygasić reakcję. Dwukrotnie ekstrahować produkt z wody za pomocą 30 ml octanu etylu w rozdzielaczu. Aby uzyskać więcej informacji na temat tej procedury, zobacz nasz film na temat ekstrakcji

W rozdzielaczu wymieszaj 30 ml solanki z roztworem. Wymieszaj roztwór, pozwalając mu rozdzielić się na dwie warstwy i zbierz fazę organiczną. Do tego dodaj sproszkowany siarczan sodu, który wchłonie pozostałą wodę, aż przestanie się zbrylać.

Przefiltrować roztwór do kolby okrągłodennej, a następnie odparować rozpuszczalnik za pomocą wyparki obrotowej lub rotovap.

Następnie użyj TLC, aby sprawdzić czystość produktu. Następnie przeanalizuj produkt za pomocą spektroskopii w podczerwieni. Zobacz nasz film na temat IR, aby uzyskać więcej informacji. Użyj podobnej procedury, aby przeanalizować wyjściowy acetooctan etylu w celach informacyjnych.

Następnie zobaczmy reakcję przy użyciu bardziej reaktywnego wodorku litowo-glinowego. Ustaw kolbę okrągłodenną z mieszadłem, przegrodą oraz przewodami wlotowymi i wylotowymi azotu. Dodać 76 mg wodorku litowo-glinowego do kolby i szybko ponownie przykryć przegrodą i przepłukać kolbę azotem przez kilka minut. Po oczyszczeniu wstrzyknąć 10 ml suchego tetrahydrofuranu i opuścić kolbę do łaźni lodowej

Gdy pozostałe preparaty będą gotowe, przygotować roztwór 0,127 ml acetooctanu etylu i 3 ml suchego THF. Wstrzykiwać ten roztwór kroplami do kolby. Reakcja będzie energicznie bulgotać. Tak jak poprzednio, monitorować reakcję za pomocą TLC. Oczekiwany produkt - 1,3, butanodiol - będzie miał również niższą wartość retencji niż oryginalny acetooctan etylu.

Po zakończeniu reakcji dodawać kroplami 1 M kwas solny, aż cały wodorek litowo-glinowy zostanie zużyty, a roztwór przestanie bulgotać. Usunąć przegrodę, a następnie dodać 40 ml octanu etylu i 20 ml 1 M kwasu solnego.

Teraz oczyść produkt, wykonując te same czynności, co poprzednio. Trzykrotnie ekstrahować produkt 50 ml octanu etylu. Wysuszyć roztwór octanu etylu 30 ml soli fizjologicznej i siarczanu sodu, przefiltrować i odparować rozpuszczalnik za pomocą rotovapu.

Teraz, gdy mamy już produkt, możemy go analizować za pomocą TLC i IR, tak jak wcześniej.

Najpierw rzućmy okiem na wyniki TLC. Acetooctan etylu jest wysoce niepolarny i przemieszcza się blisko czoła rozpuszczalnika na płytce TLC. Jego produkt z borowodorkiem sodu, 3-hydroksybutarynianem etylu, jest nieco bardziej polarny i nie przemieszcza się tak daleko. Tymczasem produkt z wodorkiem litowo-glinowo-litowym, 1,3-butanodiolem, jest jeszcze bardziej polarny, co powoduje, że przemieszcza się najmniej w górę płyty

Teraz przyjrzyjmy się wynikom IR. Acetooctan etylu ma dwa piki, które odpowiadają rozciąganiu wiązania karbonylowego. Jeden, około 1,650 liczb falowych, to keton, a drugi, około 1,730, to ester. Widmo pierwszego produktu jest podobne, jednak ma on tylko jeden pik karbonylowy i uzyskał szeroki pik alkoholowy O-H rozciągający się na około 3200 numerów falowych. Drugi produkt wykazuje utratę obu pików karbonylowych, co ilustruje wyższą reaktywność wodorku litowo-glinowego

Kontrola selektywności i reaktywności jest ważna i musi być zrównoważona w wielu reakcjach organicznych. Przyjrzyjmy się kilku sposobom, w jaki można to zrobić.

Oprócz selektywnej redukcji grup funkcyjnych, środki redukujące mogą reagować stereospecyficznie, co prowadzi do powstania produktów o różnych strukturach trójwymiarowych. Na przykład redukcja 4-tert-butylo-cykloheksanononu do 4-tert-butylo-cykloheksanolu wytwarza dwa różne stereoizomery, w zależności od kierunku, z którego wodorek atakuje karbonyl. Wodorek litowo-glinowy atakuje od strony osiowej, wytwarzając produkt trans. Inny czynnik redukujący, L-selektoryd, atakuje od strony równikowej, wytwarzając produkt cis.

Wreszcie, możemy selektywnie modyfikować inne typy cząsteczek, takie jak białka. Na przykład maleimidy specyficznie tworzą wiązania z grupami tiolowymi, ale nie z innymi nukleofilami. W białku jedyne obecne grupy tiolowe znajdują się w aminokwasie cysteinie, więc maleimidy będą tworzyć wiązania tylko z tymi częściami cząsteczki. Biochemicy mogą używać tych związków z przyłączonymi barwnikami do oświetlania określonych regionów białka

Właśnie obejrzałeś wprowadzenie JoVE do chemoselektywności w reakcjach redukcji. Powinieneś teraz zrozumieć, w jaki sposób różne środki redukujące mogą wytwarzać różne produkty w reakcji z karbonylkami. Dzięki za oglądanie!