10.6: Спирты из карбонильных соединений: восстановление

Восстановление — это простая стратегия преобразования карбонильной группы в гидроксильную группу. Тремя основными путями восстановления карбонилов до спиртов являются каталитическое гидрирование, восстановление гидрида и восстановление борана.

Каталитическое гидрирование аналогично восстановлению алкена или алкина путем добавления H_2 по pi-связи в присутствии катализаторов на основе переходных металлов, таких как Ni Ренея, Pd–C, Pt или Ru. Этим методом можно восстановить альдегиды и кетоны, часто при слабом или умеренном нагревании (25–100°C) и давлении (1–5 атм H_2), с получением 1° и 2° спиртов, соответственно.

Рисунок 1. Каталитическое гидрирование может быть пригодно для промышленного применения, когда не требуются суровые условия, но при этом восстанавливаются ненасыщенные углерод-углеродные связи.

Восстановление гидрида может быть достигнуто с помощью реагентов для переноса гидрида, таких как боргидрид натрия (NaBH_4) и алюмогидрид лития (LiAlH_4 или LAH), поскольку нуклеофильная атака свободным ионом гидрида Figure2 практически не наблюдается для солей NaH из-за его высокой плотности заряда, что делает его сильным основанием. Атомы водорода LAH и NaBH_4, будучи ковалентно связанными с атомами бора и алюминия, несут частичные отрицательные заряды, тем самым повышая их нуклеофильность за счет основности. Первая стадия нуклеофильного присоединения приводит к образованию алкоксид-ионов. Побочный продукт алкоксиборогидрид или алкоксиалюминат восстанавливает еще три карбонильные молекулы, последовательно передавая все их атомы водорода. Поскольку гидрид является плохой уходящей группой, стадии переноса гидрида необратимы, и поэтому реакция протекает до завершения. Наконец, реакционную смесь обрабатывают растворителем (т.е. водой или спиртом в случае NaBH_4 и разбавленной кислотой в случае LAH).

Рисунок 2. Альдегиды и симметричные сложные эфиры образуют один спиртовой продукт 1°. Несимметричные эфиры образуют смесь 1° спиртов.

LAH, NaBH_4 и их производные очень полезны для восстановления альдегидов и кетонов. LAH, мощный восстановитель, также может восстанавливать карбонильные соединения, такие как кислоты, сложные эфиры, ацилхлориды и амиды. LAH бурно реагирует с водой и другими протонными растворителями, выделяя газообразный водород и образуя гидроксиды/алкоксиды металлов. Следовательно, восстановление LAH обычно проводят в апротонных растворителях, таких как безводный диэтиловый эфир и ТГФ.

Рисунок 3. Спиртовой раствор боргидрида лития является безопасной альтернативой LAH при селективном восстановлении сложных эфиров по сравнению с кислотами.

С другой стороны, NaBH_4 имеет более мягкую природу и обычно восстанавливается только в протонных растворителях, таких как этанол или метанол. Следовательно, NaBH_4 можно использовать для восстановления альдегидов и кетонов в присутствии функциональных групп, таких как алкилгалогениды, сложные эфиры, алкилтозилаты и нитрогруппы. Гидрид диизобутилалюминия (DIBAL-H) ​​также может превращать карбонилы в спирты при комнатной температуре путем двух последовательных добавлений гидрид-ионов. Однако при реакции со сложными эфирами при низких температурах эту реакцию можно остановить на альдегидной стадии, добавив всего лишь один эквивалент гидрид-иона.

При восстановлении борана используется раствор борана (BH_3) в диэтиловом эфире, ТГФ или Me_2S для селективного восстановления богатых электронами карбонильных групп, таких как карбоновые кислоты, в присутствии других восстанавливаемых функциональных групп, таких как сложные эфиры и даже кетоны.

Рисунок 4. Образование реакционноспособного промежуточного триацилбората с карбонильной группой, более электрофильной, чем у исходной молекулы сложного эфира, ускоряет реакцию восстановления.

Для живых организмов восстановленный кофермент NAD-H или его фосфоэфир NAD-PH эквивалентен лабораторным гидридным реагентам при ферментативном катализе аналогичных биологических восстановлений.

Спирты могут быть получены из карбонильных соединений путем добавления двух атомов водорода через двойную связь.

Это снижение важно для синтеза основных молекул, таких как парфюмерный ингредиент мускон и антидепрессант Прозак.

В то время как альдегиды, карбоновые кислоты и сложные эфиры восстанавливаются до первичных спиртов, кетоны восстанавливаются до вторичных спиртов.

Классический метод предполагает каталитическое гидрирование с использованием водорода и катализаторов переходных металлов. Однако для этого требуется высокая температура и давление, а также уменьшаются любые углерод-углеродные множественные связи, присутствующие в молекуле.

Лабораторный метод предполагает ступенчатое присоединение ионов нуклеофильных гидридов из борогидрида натрия, гидрида лития-алюминия и их производных в необратимой реакции с последующим протонированием растворителем или кислотой. Этот метод селективно снижает карбонильную группу по сравнению с гидрированием.

В несимметричных кетонах планарная карбонильная группа может подвергаться атаке нуклеофильных гидридов с любой стороны с одинаковой вероятностью. Это генерирует хиральный тетраэдрический промежуточный продукт, дающий пару энантиомерных продуктов.

Восстановление боргидридом натрия проводят в полярных протонных растворителях. Гидрид лития-алюминия, с другой стороны, нуждается в сухих апротонных растворителях, чтобы избежать его бурной реакции с донорами протонов.

Гидрид лития-алюминия является более сильным восстановителем и, следовательно, более реакционноспособным, чем борогидрид натрия, из-за большей полярности связи алюминий-водород по сравнению с связью бор-водород.

Эта разница в реакционной способности отражается в легкости, с которой различные карбонильные группы подвергаются селективному восстановлению двумя гидридными реагентами.

Например, борогидрид натрия может избирательно восстанавливать кетон в присутствии сложного эфира, в отличие от гидрида лития-алюминия, который не позволяет селективно восстанавливать кетоновую группу.

Борогидрид лития и боран являются полезными реагентами с противоположной хемоселективностью в восстановлении сложных эфиров и кислот соответственно.