10.8: Защита спиртов

Этот урок углубляется в концепцию защиты и снятия защиты функциональной группы, фундаментальной для синтетической органической химии. Эти явления объясняются на примере алифатических и ароматических спиртов.

Защита

Здесь защитная группа пределена как маскирующий агент, делающий более реактивные виды инертными к заданному набору условий. Эта концепция изображена на иллюстрации потока жидкости через различные выпускные отверстия в узле труб. Аналогия помогает понять роль защитной группы в селективности реакции, как в случае литий-органического алкилирования галогенида в присутствии конкурирующей кислотной спиртовой группы. На примере показано, как защита спиртовой группы помогает добиться алкилирования галогенида. Популярные защитные группы для спиртов включают семейство триалкилсилилов для нуклеофилов или углеродных и азотистых оснований, а также группу тетрагидропиранила (THP) для сильных оснований. В первом примере галогенид производного триалкилсилила реагирует со спиртом в присутствии нуклеофильного катализатора с образованием триалкилсилилового эфира.

Снятие защиты

За каждой защитой следует снятие защиты после намеченной реакции. Снятие защиты возвращает систему в исходное состояние. При защите триалкилсилильными группами снятие защиты достигается путём использования фторидных солей, таких как фторид тетра-н-бутиламмония (TBAF), которые растворимы в органических растворителях. Здесь повторное протонирование кислорода регенерирует первоначальный спирт. В случае защиты ТНР снятие защиты достигается с помощью кислотного гидролиза.

Принцип проектирования

На этом уроке также разъясняются принципы проектирования защитной группы на примере дома, находящегося в различных внешних погодных условиях. Это демонстрирует избирательность, предлагаемую защитной группой в конкретной среде. Например, THP защищает алкоголь от сильных оснований. Образующийся при этом ацеталь устойчив по отношению к основаниям, но подвержен кислотному гидролизу.

Помимо условий реакции, реакционная способность защищаемой молекулы также играет ключевую роль в создании подходящей защитной группы. Например, способность метиловых эфиров защищать фенолы оказывается неприемлемой для алифатических спиртов. Здесь ключевую роль играет стабильность соответствующих уходящих групп при снятии защиты. Например, алкоксиды, в отличие от феноксидов, являются плохими уходящими группами для снятия защиты бромистым водородом.

В следующей таблице суммированы различные группы защиты/снятия защиты для разных типов спиртов и связанных с ними состояний:

Защитная группа	Состав	Защищает	От	Защита	Снятие защиты
Триалкилсилил (R3Si–), e.g., TBDMS	Me3Si–OR (Me3C)Me2Si–OR	Спирты (OH в целом)	Нуклеофилы,, Основания C или N	R3SiCl, base	H+, H2O, or F−
Тетрагидропиранил (ТДП)		основание (OH в целом)	Почти все	3,4-Дигидропиран, H+	H+, H2O
Benzyl ether (OBn)		основание (OH in general)	Almost everything	NaH, BnBr	H2, Pd/C, or HBr
Метиловый эфир (ArOMe)		Фенолы (ArOH)	Основания	NaH, MeI, or (MeO)2SO2	BBr3, HBr, HI, Me3SiI

Органические соединения часто содержат более одной функциональной группы. В таких молекулах защитная группа делает более реакционноспособную группу инертной к заданному набору условий.

Аналогичная иллюстрация – труба с несколькими отверстиями. Жидкость будет вытекать через самое нижнее выпускное отверстие под действием силы тяжести. Тем не менее, использование колпачка для блокировки нижнего выпускного отверстия позволяет получать жидкость из верхнего выпускного отверстия.

Например, литийорганическое алкилирование галогенида в присутствии спирта не происходит из-за кислотности гидроксильной группы. Тем не менее, защита алкоголя позволяет алкилировать галогенид.

При проектировании защитной группы основополагающим принципом является ее устойчивость к одному набору условий и восприимчивость к другим. Например, тетрагидропиранильная группа является общей защитной группой для спиртов с сильными основаниями. В то время как образовавшаяся ацеталь стабильна в таких условиях, она подвержена кислотному гидролизу.

После предполагаемой реакции, легкое снятие колпачка без повреждения трубы также необходимо для возвращения системы в исходное состояние. Этот процесс снятия защитной группы известен как снятие защиты.

Популярные защитные группы для спиртов от нуклеофилов или углеродных и азотных оснований включают семейство триалкилсилилов. В этом случае производное триалкилсилила взаимодействует со спиртом в присутствии слабого основания, такого как имидазол, которое реагирует как нуклеофильный катализатор с образованием триалкилсилилового эфира.

Эти триалкилсилильные группы затем удаляются из спиртов с помощью солей фтора, растворимых в органических растворителях, таких как фторид тетра-н-бутиламмония или TBAF. Следовательно, репротонирование кислорода регенерирует нативный алкоголь.

В дополнение к условиям реакции, при определении подходящей защитной группы необходимо учитывать реакционную способность защищаемой молекулы.

Например, среди спиртов метиловые эфиры являются подходящими защитными группами только для фенолов, поскольку феноксиды хороши при выходе групп в условиях снятия защиты, в то время как алкоксиды плохо покидают группы в этих условиях.