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A redução de carbonilas é uma tarefa comum em química orgânica. Os químicos usam diferentes agentes redutores para controlar cuidadosamente o resultado do procedimento.
Carbonilas são grupos funcionais com um átomo de carbono duplamente ligado a um oxigênio. Os grupos carbonila aparecem em muitos tipos de compostos. Quando as carbonilas são reduzidas, o produto dependerá em parte da composição química exata do composto. Além disso, um reagente específico pode ter diferentes produtos de redução. Usando diferentes agentes redutores, os químicos podem controlar esses produtos ou se a reação ocorre.
Este vídeo ilustrará a reação de um composto carbonílico com dois agentes redutores diferentes e os diferentes produtos resultantes.
O carbono é menos eletronegativo que o oxigênio, portanto, quando eles compartilham uma ligação, como em uma carbonila, o carbono terá uma carga parcial positiva, tornando-o eletrofílico. Isso, por sua vez, o torna suscetível a ataques nucleofílicos, como a transferência de hidreto que inicia a maioria das reduções de carbonila. Aumentar essa carga positiva aumenta a eletrofilicidade, aumentando a reatividade do carbono. Diminuir a carga tornará o carbono menos reativo
Os haletos de acila têm outro átomo fortemente eletronegativo, como o cloro, ligado ao carbono, aumentando a carga positiva sobre o carbono. Portanto, esse grupo é mais reativo do que cetonas ou aldeídos. Por outro lado, ésteres, amidas e ácidos carboxílicos têm estruturas de ressonância que espalham carga negativa adicional em seus carbonos, tornando-os menos positivos. Portanto, esses compostos são menos reativos que as cetonas e aldeídos.
Diferentes doadores de hidreto também têm diferentes reatividades, afetando quais compostos carbonílicos eles são capazes de reduzir. O hidreto de alumínio e lítio é altamente reativo e é capaz de reduzir a maioria dos compostos carbonílicos. Enquanto isso, o borohidreto de sódio tem uma reatividade relativamente baixa. Pode reduzir halogenetos de acila, aldeídos e cetonas, mas é incapaz de reduzir os ésteres, amidas ou ácidos carboxílicos menos reativos. A reatividade do hidreto de tri-terc-butoxialumínio de lítio é intermediária e também produzirá diferentes produtos de redução
Os químicos usam esses princípios de reatividade para controlar quais produtos resultam de uma reação de redução. Por exemplo, o acetoacetato de etila tem 2 grupos carbonila exclusivos: uma cetona e um éster. Se for reduzido com borohidreto de sódio, apenas a cetona será afetada, produzindo 3-hidroxibutarato de etila. No entanto, se for reduzido com hidreto de alumínio e lítio, ambas as carbonilas serão afetadas, produzindo 1,3-butanodiol.
Para demonstrar esses princípios de redução de carbonila, realizaremos ambas as reações de redução com acetoacetato de etila. Também investigaremos os produtos com cromatografia em camada fina e espectroscopia de infravermelho, para examinar cuidadosamente o destino de cada carbonila.
A primeira reação usará o borohidreto de sódio menos reativo. Para começar, coloque um balão de fundo redondo sobre uma placa de agitação Adicione uma barra de agitação e 0,127 mL de acetoacetato de etila a este balão. Em seguida, adicione 5 mL de etanol e comece a mexer.
Em seguida, pesar 74 mg de borohidreto de sódio. Em pequenas porções, adicione-o ao frasco. A reação de redução ficará branca e borbulhará. Depois de adicionar todo o borohidreto, monitore a reação a cada poucos minutos com cromatografia em camada fina, usando acetato de etila a 40% e hexano a 60% como fase móvel. O produto esperado terá um valor de retenção ligeiramente inferior ao acetoacetato de etila inicial.
Uma vez terminada a reação, adicione 10 mL de água à mistura para extinguir a reação. Extrair o produto da água duas vezes com 30 ml de acetato de etilo numa ampola de separação. Para obter mais informações sobre este procedimento, consulte nosso vídeo sobre extração
Em um funil de separação, misture 30 mL de salmoura com a solução. Misture a solução, deixando-a separar-se em duas camadas, e recolha a fase orgânica. Para isso, adicione sulfato de sódio em pó, que absorverá a água restante, até que não grude mais.
Filtrar a solução para um balão de fundo redondo e, em seguida, evaporar o solvente com um evaporador rotativo ou rotovap.
Em seguida, use o TLC para verificar a pureza do produto. Em seguida, analise o produto com espectroscopia de infravermelho. Veja nosso vídeo sobre RI para mais detalhes. Utilizar um procedimento semelhante para analisar o acetoacetato de etilo inicial para referência.
A seguir, vamos ver a reação usando o hidreto de alumínio e lítio mais reativo. Configure um balão de fundo redondo com uma barra de agitação, septo e linhas de entrada e saída de nitrogênio. Adicione 76 mg de hidreto de alumínio e lítio ao frasco e recapitule rapidamente com o septo e purgue o frasco com o nitrogênio por alguns minutos. Após a purga, injete 10 mL de tetrahidrofurano seco e abaixe o frasco em um banho de gelo
Quando as outras preparações estiverem completas, faça uma solução de 0,127 mL de acetoacetato de etila e 3 mL de THF seco. Injectar esta solução gota a gota no balão. A reação borbulhará vigorosamente. Como antes, monitore a reação com TLC. O produto esperado - 1,3, butanodiol - também terá um valor de retenção menor do que o acetoacetato de etila original.
Quando a reação estiver completa, adicione ácido clorídrico 1 M gota a gota, até que todo o hidreto de alumínio e lítio seja consumido e a solução pare de borbulhar. Remova o septo e adicione 40 mL de acetato de etila e 20 mL de ácido clorídrico 1 M.
Agora, purifique o produto seguindo as mesmas etapas de antes. Extrair o produto três vezes com 50 ml de acetato de etila. Secar a solução de acetato de etilo com 30 ml de solução salina e sulfato de sódio, filtrar e evaporar o solvente com um rotovap.
Agora que temos um produto, podemos analisá-lo com TLC e IR como antes.
Primeiro, vamos dar uma olhada nos resultados do TLC. O acetoacetato de etila é altamente apolar e viajará próximo à frente do solvente em uma placa de TLC. Seu produto com borohidreto de sódio, etil 3-hidroxibutarato, é um pouco mais polar e não viaja tão longe. Enquanto isso, o produto com hidreto de alumínio e lítio, 1,3-butanodiol, é ainda mais polar, fazendo com que ele suba menos na placa
Agora, vamos examinar os resultados do IR. O acetoacetato de etila tem dois picos que correspondem ao estiramento da ligação carbonila. Um, cerca de 1.650 números de onda, é a cetona e o outro, cerca de 1.730, é o éster. O espectro do primeiro produto é semelhante, no entanto, possui apenas um pico de carbonila e ganhou um amplo pico de alongamento de álcool OH em cerca de 3.200 números de onda. O segundo produto mostra uma perda de ambos os picos de carbonila, ilustrando a maior reatividade do hidreto de alumínio e lítio
O controle da seletividade e da reatividade são importantes e devem ser equilibrados em muitas reações orgânicas. Vejamos algumas maneiras pelas quais isso é feito.
Além de reduzir seletivamente os grupos funcionais, os agentes redutores podem reagir de forma estereoespecífica, levando a produtos com diferentes estruturas tridimensionais. Por exemplo, a redução de 4-terc-butil-ciclohexanona em 4-terc-butil-ciclohexanol produz dois estereoisômeros diferentes, dependendo de qual direção o hidreto ataca a carbonila. O hidreto de alumínio e lítio ataca pelo lado axial, produzindo o produto trans. Outro agente redutor, L-selectride, ataca do lado equatorial, produzindo o produto cis.
Por fim, podemos modificar seletivamente outros tipos de moléculas, como proteínas. Por exemplo, as maleimidas formam ligações específicas com grupos tióis, mas não com outros nucleófilos. Em uma proteína, os únicos grupos tióis presentes estão no aminoácido cisteína, então as maleimidas só formarão ligações com essas partes da molécula. Os bioquímicos podem usar esses compostos com corantes ligados para iluminar regiões específicas de uma proteína
Você acabou de assistir à introdução de JoVE à quimiosseletividade em reações de redução. Agora você deve entender como diferentes agentes redutores podem produzir produtos diferentes ao reagir com carbonilas. Obrigado por assistir!
