还原剂

Organic Chemistry II

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Overview

资料来源: 加州大学欧文分校化学系 Vy 先生和丹尼尔. 金

在分子合成过程中, 控制反应性和选择性是化学家非常重要的标准。这导致了许多试剂的开发, 使化学家可以选择适合某一特定任务的试剂。通常, 需要在反应性和选择性之间取得平衡。本实验将利用红外光谱对反应进行监测, 了解羰基化合物的活性以及氢化物还原试剂的活性。

Cite this Video

JoVE Science Education Database. 有机化学 (2). 还原剂. JoVE, Cambridge, MA, (2018).

Principles

在了解氢化物-施主试剂之前, 需要了解羰基化合物的反应性。羰基化合物对羰基碳有轻微的正电荷, 使其具有亲性质。因此, 具有正电荷的羰基化合物对不同的核, 如氢化物供体, 具有更大的反应性。酰基氯化物有一个良好的离开组 (Cl-), 使它也非常亲。由于羰基的第二杂的强共振结构, 酯类和酰胺更稳定。

大多数羰基化合物的减少是用试剂从硼或铝中转移氢化物来完成的。这两种常见的试剂是硼氢化钠和锂铝氢化物。硼氢化钠是一种反应性较差的供体试剂, 但能有效地将醛和酮还原为醇类。然而, 锂铝氢化物是更有反应性, 可以减少酮和醛的醇, 但也减少酯类, 酰胺, 和羧酸。

为了证明反应性的不同程度, 与两个羰基官能团将受到两套条件与氢化物-捐赠还原试剂。

Procedure

1. 乙酰乙酸乙酯的测量性能

  1. 采取 IR 的起始材料 (乙基乙酰乙酸)。
  2. 用40% 乙酸乙酯在 60% hexanes 进行 TLC。

2. 氢化钠还原乙酰乙酸乙酯

  1. 将乙酰乙酸乙酯加1摩尔到圆底烧瓶中。
  2. 加入5毫升的乙醇和旋流完全混合。
  3. 将烧杯放入冰水浴中。
  4. 重1摩尔的硼氢化钠, 并慢慢加入乙酰乙酸乙酯的搅拌溶液中。
    1. 添加小部分。反应是放热和强烈气泡。
  5. 紧接着, 每隔几分钟对反应进行 TLC 监测, 直到反应完成。
  6. 一旦完成, 加入10毫升的水的反应混合物。
  7. 转移到一个分漏斗和提取与乙酸乙酯 (2x 30 毫升)。
  8. 用 DI 水 (1x 30 毫升) 和盐水 (1x 30 毫升) 干。
  9. 将硫酸钠干燥, 过滤成圆底烧瓶。
  10. 在旋转蒸发器上蒸发溶剂。
  11. 以薄层色谱和 IR 为还原产物。

3. 用氢化锂铝还原乙酰乙酸乙酯

  1. 将1摩尔的锂铝氢化物转化为干燥的圆底烧瓶, 并盖上隔膜。
  2. 用氮气进口线清洗烧瓶。确保有一个出口阀门。
  3. 加入10毫升的干呋喃。
  4. 将圆底烧瓶放入冰浴中。
  5. 将乙酰乙酸乙酯的1摩尔溶液转化为3毫升的干呋喃, 并在反应瓶中慢慢加入滴。
  6. 反应将大力气泡, 直到所有的试剂添加。
  7. 紧接着, 每隔几分钟对反应进行 TLC 监测, 直到反应完成。
  8. 完成后, 添加1米盐酸滴。在所有 LiAlH4被消耗之前, 反应将会很剧烈地冒泡。
  9. 一旦消耗 (不再起泡), 隔膜可以被去除和稀释与乙酸乙酯 (40 毫升) 和 1 M HCl (20 毫升)。
  10. 转移到一个分漏斗。
  11. 乙酸乙酯萃取物 (3x 50 毫升)。
  12. 盐水干燥 (1x 50 毫升)。
  13. 将硫酸钠干燥, 过滤成圆底烧瓶。
  14. 在旋转蒸发器上蒸发溶剂。
  15. 以薄层色谱和 IR 为还原产物。

羰基的减少是有机化学中的一项常见任务。化学家使用不同的还原剂来仔细控制程序的结果。

羰基是功能基团, 碳原子双层到氧。羰基在许多类型的化合物中出现。当羰基减少时, 产品将部分取决于化合物的确切化学成分。另外, 特定的反应物可能有不同的还原产物。通过使用不同的还原剂, 化学家可以控制这些产品, 或者反应是否发生。

这段视频将说明羰基化合物与两种不同的还原剂的反应, 以及结果的不同产品。

碳的电负比氧低, 因此当它们与羰基共用一键时, 碳就会产生部分正电荷, 使其亲。这反过来又使它容易受到亲核攻击, 就像氢化转移, 开始了大多数羰基的减少。增加这种正电荷会增加 electrophilicity, 增加碳的反应性。降低电荷会使碳反应少

酰卤化物有另一个强负电原子, 如氯, 与碳结合, 增加对碳的正电荷。因此, 该组比酮或醛更具反应性。另一方面, 酯类、酰胺和羧酸都有共振结构, 它们将额外的负电荷扩散到其碳上, 使其不那么积极。因此, 这些化合物的活性不如酮和醛。

不同的氢化物提供者也有不同的反应, 影响它们能够减少的羰基化合物。锂铝氢化物是高度反应性的, 并能减少大多数羰基化合物。同时, 硼氢化钠的反应性相对较低。它可以减少酰基卤化物, 醛和酮, 但不能减少活性酯, 酰胺, 或羧酸。锂三叔基氢化物的反应性是中间体, 也将产生不同的还原产物

化学家使用这些反应性原理来控制哪些产品是由还原反应引起的。例如, 乙酰乙酸乙酯有2独特的羰基基团: 酮和酯。如果用硼氢化钠还原, 只会影响酮, 产生 3-hydroxybutarate 乙酯。然而, 如果它是减少与锂铝氢化物, 两个羰基将受到影响, 生产13丁醇。

为了证明这些羰基还原的原理, 我们将对乙酰乙酸乙酯进行还原反应。我们还将研究产品的薄层色谱和红外光谱, 仔细检查每一个羰基的命运。

第一反应将使用较少反应的硼氢化钠。首先, 在 stirplate 上设置一个圆底烧瓶, 在这个烧瓶中加入一个 stirbar 和0.127 毫升的乙酰乙酸乙酯。然后, 加入5毫升的乙醇, 开始搅拌。

然后, 称硼氢化钠的74毫克。在小的部分, 添加到烧瓶。还原反应将变成白色和气泡。加入所有硼氢化后, 每隔几分钟用薄层层析法监测反应, 使用40% 乙酸乙酯和60% 己烷作为流动相。预期产品的保留值将比开始的乙酰乙酸乙酯略低。

一旦反应完成, 加入10毫升水的混合物, 以淬火反应。从水中提取的产品两次与30毫升乙酸乙酯在一个分漏斗。有关此过程的详细信息, 请参阅我们的视频提取

在一个分漏斗, 混合30毫升盐水与解决方案。混合的解决方案, 使其分成两层, 并收集有机阶段。对此, 加入硫酸钠粉, 这将吸收任何剩余的水, 直到它不再结块。

将溶液过滤成圆底的烧瓶, 然后用旋转蒸发器或 rotovap 蒸发溶剂。

其次, 用 TLC 检查产品的纯度。然后用红外光谱法对产品进行分析。有关详细信息, 请参阅我们的 IR 视频。

用类似的方法对乙酰乙酸乙酯的起始进行分析, 以供参考。

接下来, 让我们来看看反应使用更多的反应性锂铝氢化物。设置一个 stirbar、隔膜和氮气入口和出口线的圆底烧瓶。加入76毫克的锂铝氢化瓶, 并迅速与隔膜, 清除与氮气瓶几分钟。清洗后, 注入10毫升的干四氢呋喃, 并把烧瓶下到冰浴

当其他准备工作完成时, 要解决0.127 毫升乙酰乙酸乙酯和3毫升干呋喃。将此解决方案滴注入烧瓶中。反应会剧烈地起泡。与以往一样, 用 TLC 法监测反应。预期的 product-1,3, 丁醇-也将有一个较低的保留值比原来的乙酰乙酸乙酯。

当反应是完整的, 添加1米盐酸滴, 直到所有的锂铝氢化物是消耗和解决停止起泡。取出隔膜, 然后加入40毫升的乙酸乙酯和20毫升的1米盐酸。

现在, 使用与以前相同的步骤净化产品。用50毫升乙酸乙酯提取产品三次。用30毫升盐水和硫酸钠干燥乙酸乙酯溶液, 过滤, 用 rotovap 蒸发溶剂。

现在我们有了一个产品, 我们可以用 TLC 和 IR 进行分析。

首先, 让我们来看看 TLC 结果。乙酰乙酸乙酯是极非极性的, 将在薄层板上接近溶剂前部。它的产品与硼氢化钠, 乙基 3-hydroxybutarate, 是稍微更极性, 并不会旅行到目前为止。同时, 该产品与锂铝氢化物, 13-丁醇, 甚至更极性, 导致它的旅行最少的板块

现在, 让我们检查一下 IR 结果。乙酰乙酸乙酯有两个峰值, 与羰基键的拉伸相对应。一, 大约 1650 wavenumbers, 是酮和其他, 大约 1730, 是酯类。第一个产品的光谱是相似的, 然而它只有一个羰基峰值并且获得了宽广的酒精 O H 舒展峰顶在大约 3200 wavenumbers。第二个产品显示了两个羰基峰的损失, 说明了锂铝氢化物的更高反应性

选择性和反应性的控制是重要的, 必须在许多有机反应中平衡。让我们看一下这项工作的一些方法。

除了有选择地减少功能基团, 减少剂可能反应 stereospecifically, 导致产品与不同的三维结构。例如, 4-叔丁基-cyclohexanoneto 4 叔丁基环己醇的还原产生两种不同的立体, 这取决于氢化物对羰基的攻击方向。锂铝氢化物从轴向侧面攻击, 生产反式产品。另一种还原剂, L-selectride, 来自赤道面的攻击, 生产 cis 产品。

最后, 我们可以有选择地修改其他类型的分子, 如蛋白质。例如, 来特别与硫醇基团形成键, 但不是其他核。在蛋白质中, 唯一的硫醇基团存在于氨基酸半胱氨酸中, 所以来只会与分子的这些部分形成键。生物化学家可以将这些化合物与染料结合, 以照亮特定区域的蛋白质

你刚刚看了朱庇特的介绍选择性在减少反应。您现在应该了解不同的还原剂如何在与羰基反应时产生不同的产品。谢谢收看!

Results

Figure 1
图 1。3-丁乙酯的代表性 IR 结果。

Applications and Summary

综述了羰基反应性和氢化物供能能力的发展趋势。两种常用试剂的视觉反应是明显的, 可以欣赏。

对试剂和官能团的反应性的理解在开发新的减少方法或任何其他种类的反应时具有重要意义。控制任何反应的选择性和反应性是一个重要的因素, 以考虑在决定使用试剂的化学步骤。这促使化学家开发新的试剂和新的方法。

周期性趋势的回顾在有机化学中仍然很重要。例如, 当将钾金属添加到水中时, 比在水中添加金属钠更猛烈的爆炸。因此, 我们可以将这个类比扩展到比较和推理, 为什么 LiAlH4比 NaBH4更具反应性。

在核和试剂的整个光谱中, 反应性很重要。软弱的核不会与软弱的亲起反应;但是, 一个更具反应性的亲可能与同样的弱核反应。这取决于它们的反应性和条件。

1. 乙酰乙酸乙酯的测量性能

  1. 采取 IR 的起始材料 (乙基乙酰乙酸)。
  2. 用40% 乙酸乙酯在 60% hexanes 进行 TLC。

2. 氢化钠还原乙酰乙酸乙酯

  1. 将乙酰乙酸乙酯加1摩尔到圆底烧瓶中。
  2. 加入5毫升的乙醇和旋流完全混合。
  3. 将烧杯放入冰水浴中。
  4. 重1摩尔的硼氢化钠, 并慢慢加入乙酰乙酸乙酯的搅拌溶液中。
    1. 添加小部分。反应是放热和强烈气泡。
  5. 紧接着, 每隔几分钟对反应进行 TLC 监测, 直到反应完成。
  6. 一旦完成, 加入10毫升的水的反应混合物。
  7. 转移到一个分漏斗和提取与乙酸乙酯 (2x 30 毫升)。
  8. 用 DI 水 (1x 30 毫升) 和盐水 (1x 30 毫升) 干。
  9. 将硫酸钠干燥, 过滤成圆底烧瓶。
  10. 在旋转蒸发器上蒸发溶剂。
  11. 以薄层色谱和 IR 为还原产物。

3. 用氢化锂铝还原乙酰乙酸乙酯

  1. 将1摩尔的锂铝氢化物转化为干燥的圆底烧瓶, 并盖上隔膜。
  2. 用氮气进口线清洗烧瓶。确保有一个出口阀门。
  3. 加入10毫升的干呋喃。
  4. 将圆底烧瓶放入冰浴中。
  5. 将乙酰乙酸乙酯的1摩尔溶液转化为3毫升的干呋喃, 并在反应瓶中慢慢加入滴。
  6. 反应将大力气泡, 直到所有的试剂添加。
  7. 紧接着, 每隔几分钟对反应进行 TLC 监测, 直到反应完成。
  8. 完成后, 添加1米盐酸滴。在所有 LiAlH4被消耗之前, 反应将会很剧烈地冒泡。
  9. 一旦消耗 (不再起泡), 隔膜可以被去除和稀释与乙酸乙酯 (40 毫升) 和 1 M HCl (20 毫升)。
  10. 转移到一个分漏斗。
  11. 乙酸乙酯萃取物 (3x 50 毫升)。
  12. 盐水干燥 (1x 50 毫升)。
  13. 将硫酸钠干燥, 过滤成圆底烧瓶。
  14. 在旋转蒸发器上蒸发溶剂。
  15. 以薄层色谱和 IR 为还原产物。

羰基的减少是有机化学中的一项常见任务。化学家使用不同的还原剂来仔细控制程序的结果。

羰基是功能基团, 碳原子双层到氧。羰基在许多类型的化合物中出现。当羰基减少时, 产品将部分取决于化合物的确切化学成分。另外, 特定的反应物可能有不同的还原产物。通过使用不同的还原剂, 化学家可以控制这些产品, 或者反应是否发生。

这段视频将说明羰基化合物与两种不同的还原剂的反应, 以及结果的不同产品。

碳的电负比氧低, 因此当它们与羰基共用一键时, 碳就会产生部分正电荷, 使其亲。这反过来又使它容易受到亲核攻击, 就像氢化转移, 开始了大多数羰基的减少。增加这种正电荷会增加 electrophilicity, 增加碳的反应性。降低电荷会使碳反应少

酰卤化物有另一个强负电原子, 如氯, 与碳结合, 增加对碳的正电荷。因此, 该组比酮或醛更具反应性。另一方面, 酯类、酰胺和羧酸都有共振结构, 它们将额外的负电荷扩散到其碳上, 使其不那么积极。因此, 这些化合物的活性不如酮和醛。

不同的氢化物提供者也有不同的反应, 影响它们能够减少的羰基化合物。锂铝氢化物是高度反应性的, 并能减少大多数羰基化合物。同时, 硼氢化钠的反应性相对较低。它可以减少酰基卤化物, 醛和酮, 但不能减少活性酯, 酰胺, 或羧酸。锂三叔基氢化物的反应性是中间体, 也将产生不同的还原产物

化学家使用这些反应性原理来控制哪些产品是由还原反应引起的。例如, 乙酰乙酸乙酯有2独特的羰基基团: 酮和酯。如果用硼氢化钠还原, 只会影响酮, 产生 3-hydroxybutarate 乙酯。然而, 如果它是减少与锂铝氢化物, 两个羰基将受到影响, 生产13丁醇。

为了证明这些羰基还原的原理, 我们将对乙酰乙酸乙酯进行还原反应。我们还将研究产品的薄层色谱和红外光谱, 仔细检查每一个羰基的命运。

第一反应将使用较少反应的硼氢化钠。首先, 在 stirplate 上设置一个圆底烧瓶, 在这个烧瓶中加入一个 stirbar 和0.127 毫升的乙酰乙酸乙酯。然后, 加入5毫升的乙醇, 开始搅拌。

然后, 称硼氢化钠的74毫克。在小的部分, 添加到烧瓶。还原反应将变成白色和气泡。加入所有硼氢化后, 每隔几分钟用薄层层析法监测反应, 使用40% 乙酸乙酯和60% 己烷作为流动相。预期产品的保留值将比开始的乙酰乙酸乙酯略低。

一旦反应完成, 加入10毫升水的混合物, 以淬火反应。从水中提取的产品两次与30毫升乙酸乙酯在一个分漏斗。有关此过程的详细信息, 请参阅我们的视频提取

在一个分漏斗, 混合30毫升盐水与解决方案。混合的解决方案, 使其分成两层, 并收集有机阶段。对此, 加入硫酸钠粉, 这将吸收任何剩余的水, 直到它不再结块。

将溶液过滤成圆底的烧瓶, 然后用旋转蒸发器或 rotovap 蒸发溶剂。

其次, 用 TLC 检查产品的纯度。然后用红外光谱法对产品进行分析。有关详细信息, 请参阅我们的 IR 视频。

用类似的方法对乙酰乙酸乙酯的起始进行分析, 以供参考。

接下来, 让我们来看看反应使用更多的反应性锂铝氢化物。设置一个 stirbar、隔膜和氮气入口和出口线的圆底烧瓶。加入76毫克的锂铝氢化瓶, 并迅速与隔膜, 清除与氮气瓶几分钟。清洗后, 注入10毫升的干四氢呋喃, 并把烧瓶下到冰浴

当其他准备工作完成时, 要解决0.127 毫升乙酰乙酸乙酯和3毫升干呋喃。将此解决方案滴注入烧瓶中。反应会剧烈地起泡。与以往一样, 用 TLC 法监测反应。预期的 product-1,3, 丁醇-也将有一个较低的保留值比原来的乙酰乙酸乙酯。

当反应是完整的, 添加1米盐酸滴, 直到所有的锂铝氢化物是消耗和解决停止起泡。取出隔膜, 然后加入40毫升的乙酸乙酯和20毫升的1米盐酸。

现在, 使用与以前相同的步骤净化产品。用50毫升乙酸乙酯提取产品三次。用30毫升盐水和硫酸钠干燥乙酸乙酯溶液, 过滤, 用 rotovap 蒸发溶剂。

现在我们有了一个产品, 我们可以用 TLC 和 IR 进行分析。

首先, 让我们来看看 TLC 结果。乙酰乙酸乙酯是极非极性的, 将在薄层板上接近溶剂前部。它的产品与硼氢化钠, 乙基 3-hydroxybutarate, 是稍微更极性, 并不会旅行到目前为止。同时, 该产品与锂铝氢化物, 13-丁醇, 甚至更极性, 导致它的旅行最少的板块

现在, 让我们检查一下 IR 结果。乙酰乙酸乙酯有两个峰值, 与羰基键的拉伸相对应。一, 大约 1650 wavenumbers, 是酮和其他, 大约 1730, 是酯类。第一个产品的光谱是相似的, 然而它只有一个羰基峰值并且获得了宽广的酒精 O H 舒展峰顶在大约 3200 wavenumbers。第二个产品显示了两个羰基峰的损失, 说明了锂铝氢化物的更高反应性

选择性和反应性的控制是重要的, 必须在许多有机反应中平衡。让我们看一下这项工作的一些方法。

除了有选择地减少功能基团, 减少剂可能反应 stereospecifically, 导致产品与不同的三维结构。例如, 4-叔丁基-cyclohexanoneto 4 叔丁基环己醇的还原产生两种不同的立体, 这取决于氢化物对羰基的攻击方向。锂铝氢化物从轴向侧面攻击, 生产反式产品。另一种还原剂, L-selectride, 来自赤道面的攻击, 生产 cis 产品。

最后, 我们可以有选择地修改其他类型的分子, 如蛋白质。例如, 来特别与硫醇基团形成键, 但不是其他核。在蛋白质中, 唯一的硫醇基团存在于氨基酸半胱氨酸中, 所以来只会与分子的这些部分形成键。生物化学家可以将这些化合物与染料结合, 以照亮特定区域的蛋白质

你刚刚看了朱庇特的介绍选择性在减少反应。您现在应该了解不同的还原剂如何在与羰基反应时产生不同的产品。谢谢收看!

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