5.3: Восстановители

1. Измерение свойств этилацетоацетата

1. Возьмите ИК исходного материала (этилацетоацетата).
2. Принимайте ТСХ, используя 40% этилацетата и 60% гексанов.

2. Восстановление этилацетоацетата боргидридом натрия

1. Добавьте 1 ммоль этилацетоацетата в колбу с круглым дном.
2. Добавьте 5 мл этанола и перемешайте, чтобы полностью перемешать.
3. Опустите стакан в ванну с ледяной водой.
4. Взвесьте 1 ммоль борогидрида натрия и медленно добавьте в перемешанный раствор этилацетоацетата.
   1. Добавляйте небольшими порциями. Реакция экзотермическая и бурно пузырится.
5. Сразу после этого контролируйте реакцию с помощью TLC каждые несколько минут до тех пор, пока реакция не будет завершена.
6. По завершении добавьте в реакционную смесь 10 мл воды.
7. Переложите в разделительную воронку и извлеките этилацетатом (2x 30 мл).
8. Высушите деионизионной водой (1x 30 мл) и рассолом (1x 30 мл).
9. Высушите над сульфатом натрия и профильтруйте в колбу с круглым дном.
10. Выпарить растворитель можно на ротационном испарителе.
11. Возьмите TLC и IR восстановительного продукта.

3. Восстановление этилацетоацетата гидридом лития-алюминия

1. Добавьте 1 ммоль гидрида лития и алюминия в сухую круглодонную колбу и закройте ее перегородкой.
2. Продуйте колбу газообразным азотом с помощью входной линии азота. Убедитесь, что у вас есть выпускной клапан.
3. Добавьте 10 мл сухого ТГФ.
4. Поместите колбу с круглым дном в ледяную баню.
5. Приготовьте раствор 1 ммоль этилацетоацетата на 3 мл сухого ТГФ и медленно добавьте по каплям в реакционную колбу.
6. Реакция будет бурно пузыриться до тех пор, пока не будет добавлен весь реагент.
7. Сразу после этого контролируйте реакцию с помощью TLC каждые несколько минут до тех пор, пока реакция не будет завершена.
8. Когда все будет готово, добавьте 1 M HCl по каплям. Реакция будет бурлить до тех пор, пока не будет израсходован весь LiAlH₄.
9. После употребления (больше без пузырьков) перегородку можно удалить и разбавить этилацетатом (40 мл) и 1 М HCl (20 мл).
10. Переложите в разделительную воронку.
11. Экстракт с этилацетатом (3х 50 мл).
12. Обсушите рассолом (1 x 50 мл).
13. Высушите над сульфатом натрия и профильтруйте в колбу с круглым дном.
14. Выпарить растворитель можно на ротационном испарителе.
15. Возьмите TLC и IR восстановительного продукта.

Восстановление карбонилов является общей задачей в органической химии. Химики используют различные восстановители, чтобы тщательно контролировать исход процедуры.

Карбонилы представляют собой функциональные группы с атомом углерода, дважды связанным с кислородом. Карбонильные группы присутствуют во многих типах соединений. Когда карбонилы восстанавливаются, продукт будет частично зависеть от точного химического состава соединения. Кроме того, конкретный реагент может иметь различные продукты восстановления. Используя различные восстановители, химики могут контролировать эти продукты или то, происходит ли реакция вообще.

В этом видео будет проиллюстрирована реакция карбонильного соединения с двумя различными восстановителями и различными продуктами, которые образуются в результате.

Углерод менее электроотрицателен, чем кислород, поэтому, когда они имеют общую связь, как в карбониле, углерод будет иметь частичный положительный заряд, что делает его электрофильным. Это, в свою очередь, делает его восприимчивым к нуклеофильной атаке, такой как перенос гидридов, который запускает большинство карбонильных восстановлений. Увеличение этого положительного заряда увеличивает электрофильность, увеличивая реакционную способность углерода. Уменьшение заряда сделает углерод менее реакционноспособным

Ацилгалогениды имеют другой сильно электроотрицательный атом, такой как хлор, связанный с углеродом, увеличивая положительный заряд углерода. Поэтому эта группа более реакционноспособна, чем кетоны или альдегиды. С другой стороны, сложные эфиры, амиды и карбоновые кислоты имеют резонансные структуры, которые распространяют дополнительный отрицательный заряд на их углероды, делая их менее положительными. Поэтому эти соединения менее реакционноспособны, чем кетоны и альдегиды.

Различные доноры гидридов также имеют различную реакционную способность, влияющую на то, какие карбонильные соединения они способны восстанавливать. Гидрид лития-алюминия обладает высокой реакционной способностью и способен восстанавливать большинство карбонильных соединений. Между тем, борогидрид натрия обладает относительно низкой реакционной способностью. Он может восстанавливать ацилгалогениды, альдегиды и кетоны, но не способен восстанавливать менее активные эфиры, амиды или карбоновые кислоты. Реакционная способность гидрида три-трет-бутоксиалюминия является промежуточной, и он также производит различные продукты восстановления

Химики используют эти принципы реакционной способности, чтобы контролировать, какие продукты возникают в результате реакции восстановления. Например, этилацетоацетат имеет 2 уникальные карбонильные группы: кетон и сложный эфир. Если его восстановить боргидридом натрия, будет затронут только кетон, производящий этил3-гидроксибутарат. Однако, если его восстановить с помощью гидрида лития-алюминия, оба карбонила будут затронуты, образуя 1,3-бутандиол.

Чтобы продемонстрировать эти принципы восстановления карбонилов, мы проведем обе реакции восстановления с этилацетоацетатом. Мы также исследуем продукты с помощью тонкослойной хроматографии и инфракрасной спектроскопии, чтобы тщательно изучить судьбу каждого карбонила.

В первой реакции будет использоваться менее реакционноспособный борогидрид натрия. Для начала установите колбу с круглым дном над мешалкой Добавьте в эту колбу стирбар и 0,127 мл этилацетоацетата. Затем добавьте 5 мл этанола и начните помешивать.

Далее взвесьте 74 мг борогидрида натрия. Небольшими порциями добавляйте его в колбу. Восстановительная реакция станет белой и пузырчатой. После добавления всего борогидрида контролируйте реакцию каждые несколько минут с помощью тонкослойной хроматографии, используя 40% этилацетата и 60% гексана в качестве подвижной фазы. Ожидаемый продукт будет иметь несколько меньшую удерживающую ценность, чем исходный этилацетоацетат.

Как только реакция завершится, добавьте в смесь 10 мл воды, чтобы погасить реакцию. Дважды извлеките продукт из воды с 30 мл этилацетата в разделительной воронке. Для получения дополнительной информации об этой процедуре смотрите наше видео об экстракции

В разделительной воронке смешайте 30 мл рассола с раствором. Перемешайте раствор, дав ему разделиться на два слоя, и соберите органическую фазу. К этому добавьте порошок сульфата натрия, который впитает в себя остатки воды, пока она не перестанет комковаться.

Отфильтруйте раствор в колбу с круглым дном, затем выпарите растворитель с помощью ротационного испарителя, или ротовапа.

Далее используйте TLC для проверки чистоты продукта. Затем проанализируйте продукт с помощью инфракрасной спектроскопии. Смотрите наше видео об ИК для получения более подробной информации. Используйте аналогичную процедуру для анализа исходного этилацетоацетата для справки.

Далее давайте посмотрим на реакцию с использованием более реакционноспособного гидрида лития-алюминия. Установите колбу с круглым дном со стирбаром, перегородкой и входными и выходными линиями азота. Добавьте в колбу 76 мг гидрида лития-алюминия и быстро закройте перегородкой и продуйте колбу азотом в течение нескольких минут. После продувки введите 10 мл сухого тетрагидрофурана и опустите колбу в ледяную баню

Когда остальные приготовления будут завершены, приготовьте раствор из 0,127 мл этилацетоацетата и 3 мл сухого ТГФ. Введите этот раствор по каплям в колбу. Реакция будет бурлить. Как и раньше, следите за реакцией с помощью TLC. Ожидаемый продукт - 1,3, бутандиол - также будет иметь более низкую остаточную ценность, чем исходный этилацетоацетат.

Когда реакция завершится, добавьте по каплям 1 М соляной кислоты, пока весь гидрид лития и алюминия не будет израсходован и раствор не перестанет пузыриться. Снимите перегородку, затем добавьте 40 мл этилацетата и 20 мл 1 М соляной кислоты.

Теперь очистите продукт, выполнив те же действия, что и раньше. Экстрагируйте продукт трижды 50 мл этилацетата. Раствор этилацетата высушить 30 мл физиологического раствора и сульфата натрия, отфильтровать, и выпарить растворитель с помощью ротовапа.

Теперь, когда у нас есть продукт, мы можем анализировать его с помощью TLC и IR, как и раньше.

Для начала давайте посмотрим на результаты TLC. Этилацетоацетат обладает высокой неполяризацией и перемещается близко к фронту растворителя на пластине TLC. Его продукт с борогидридом натрия, этил-3-гидроксибутаратом, немного более полярен и не распространяется так далеко. Между тем, продукт с гидридом лития и алюминия, 1,3-бутандиолом, является еще более полярным, в результате чего он меньше всего перемещается вверх по пластине

Теперь давайте рассмотрим результаты ИК. Этилацетоацетат имеет два пика, которые соответствуют растяжению карбонильной связи. Одна, около 1650 волновых чисел, является кетоном, а другая, около 1730, — эфиром. Спектр первого продукта аналогичен, однако он имеет только один карбонильный пик и получил широкий алкогольный O-H, растягивающийся на отметке 3200 волновых чисел. Второй продукт показывает потерю обоих карбонильных пиков, иллюстрируя более высокую реакционную способность гидрида лития-алюминия

Контроль селективности и реакционной способности важен и должен быть сбалансирован во многих органических реакциях. Давайте рассмотрим несколько способов, с помощью которых это делается.

В дополнение к избирательному уменьшению функциональных групп, восстановители могут реагировать стереоспецифично, что приводит к образованию продуктов с различной трехмерной структурой. Например, восстановление 4-трет-бутил-циклогексанона до 4-трет-бутил-циклогексанола приводит к образованию двух различных стереоизомеров, в зависимости от того, с какого направления гидрид атакует карбониль. Гидрид лития и алюминия атакует с осевой стороны, производя транспродукт. Другой восстановитель, L-селектрид, атакует с экваториальной стороны, производя цис-продукт.

Наконец, мы можем избирательно модифицировать другие типы молекул, такие как белки. Например, малеимиды специфически образуют связи с тиоловыми группами, но не с другими нуклеофилами. В белке присутствуют только тиоловые группы в аминокислоте цистеин, поэтому малеимиды образуют связи только с этими частями молекулы. Биохимики могут использовать эти соединения с присоединенными красителями для освещения определенных областей белка

Вы только что посмотрели введение JoVE в хемоселективность в реакциях восстановления. Теперь вы должны понять, как различные восстановители могут производить различные продукты при реакции с карбонилами. Спасибо за просмотр!