Overview
Quelle: Vy M. Dong und Daniel Kim, Department of Chemistry, University of California, Irvine, CA
Controlling der Reaktivität und Selektivität bei der Synthese eines Moleküls ist sehr wichtige Kriterien für Chemiker. Dies führte zur Entwicklung der viele Reagenzien, die Chemiker Reagenzien geeignet für eine bestimmte Aufgabe auswählen können. Nicht selten muss ein Gleichgewicht zwischen Reaktivität und Selektivität erreicht werden. Dieses Experiment wird IR-Spektroskopie verwenden, um die Reaktion zu überwachen und zu verstehen, die Reaktivität der Carbonylverbindungen sowie die Reaktivität des Hydrid-reduzierenden Reagenzien.
Principles
Die Reaktivität des Carbonyl Verbindungen vor Hydrid-Spender Reagenzien zu verstehen, muss verstanden werden. Carbonylverbindungen haben eine leichte positive Ladung auf die Carbonyl-Kohlenstoff ein elektrophiler-Charakter. So sind Carbonylverbindungen, die eine positive Ladung reaktiver zu verschiedenen nukleophile wie ein Hydrid-Spender. Acyl-Chloride haben eine gute verlassen Gruppe (Cl–) macht es auch sehr elektrophiler. Ester und Amide sind aufgrund der starken Resonanz-Struktur aus der zweiten Heteroatom auf die Carbonyl stabiler.
Die meisten Kürzungen von Carbonylverbindungen erfolgen mit Reagenzien, die ein Hydrid von Bor oder Aluminium zu übertragen. Zwei gemeinsame Reagenzien dieses Typs sind Natrium Natriumborhydrid und Lithium-Aluminium-Hydrid. Natriumborohydrid ist eine weniger reaktiv Spender-Reagenz ist aber effizient zur Reduzierung der Aldehyde und Ketone, Alkohole. Lithium-Aluminium-Hydrid kann ist viel reaktiver und reduzieren Ketone und Aldehyde, Alkohole aber auch reduzieren, Ester, Amide und Carbonsäuren.
Um das unterschiedliche Ausmaß in Reaktivität zu demonstrieren, wird eine Reaktion mit zwei funktionellen Carbonylgruppen zwei Sätze von Bedingungen mit Hydrid-Spenden reduzierenden Reagenzien unterzogen werden.
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Procedure
1. Messung der Eigenschaften von Ethyl Acetate
- Nehmen Sie eine IR des Ausgangsmaterials (Ethyl Acetate).
- Nehmen Sie eine TLC 40 % Ethylacetat in 60 % Hexanes verwenden.
2. Reduzierung der Ethyl Acetate mit Natriumborohydrid
- Hinzu kommt ein Rundboden-Fläschchen 1 Mmol Ethyl Acetate.
- Fügen Sie 5 mL Ethanol und schwenken Sie, um vollständig zu mischen.
- Senken Sie den Becher in ein Eis-Wasserbad.
- 1 Mmol Natriumborohydrid wiegen und der gerührten Lösung von Ethyl Acetate langsam hinzufügen.
- Fügen Sie in kleinen Portionen. Die Reaktion ist exotherm und kräftig sprudelt.
- Überwachen Sie unmittelbar nach der Reaktion von TLC alle paar Minuten, bis die Reaktion abgeschlossen ist.
- Sobald der Vorgang abgeschlossen ist, fügen Sie 10 mL Wasser zum Reaktionsgemisch.
- Transfer in ein separatory Trichter und extrahieren mit Ethylacetat (2 x 30 mL).
- Trocken mit VE-Wasser (1 x 30 mL) und mit Sole (1 x 30 mL).
- Über Natriumsulfat getrocknet und filter in einem Rundboden-Kolben.
- Verdampfen des Lösungsmittels auf einen Drehverdampfer.
- Nehmen Sie eine TLC und IR des Messguts Reduktion.
3. Reduzierung des Ethyl Acetate mit Lithium Aluminium Hydrid
- Fügen Sie 1 Mmol Lithium-Aluminium-Hydrid in einem trockenen Rundboden-Kolben und verschließen Sie es mit einem Septum.
- Bereinigen Sie den Kolben mit Stickstoffgas mit einem Stickstoff-Saugleitung. Achten Sie darauf, eine Ausfahrt Ventil haben.
- 10 mL trockenem THF hinzugeben.
- Ort der Rundboden-Kolben in ein Eisbad.
- Machen Sie eine Lösung aus 1 Mmol Ethyl Acetate in 3 mL trockenem THF und langsam tropfenweise in die Reaktionskolben.
- Die Reaktion wird kräftig Blase, bis alle das Reagenz hinzugefügt wird.
- Überwachen Sie unmittelbar nach der Reaktion von TLC alle paar Minuten, bis die Reaktion abgeschlossen ist.
- Fügen Sie nach Abschluss 1 M HCl tropfenweise hinzu. Die Reaktion wird kräftig sprudeln, bis alle LiAlH4 verbraucht ist.
- (Nicht mehr sprudeln) verbraucht, kann das Septum entfernt und mit Ethylacetat (40 mL) und 1 M HCl (20 mL) verdünnt werden.
- Übertragen Sie auf einen separatory Trichter.
- Auszug mit Ethylacetat (3 x 50 mL).
- Trocken mit Sole (1 x 50 mL).
- Über Natriumsulfat getrocknet und filter in einem Rundboden-Kolben.
- Verdampfen des Lösungsmittels auf einen Drehverdampfer.
- Nehmen Sie eine TLC und IR des Messguts Reduktion.
Die Reduktion von Carbonylverbindungen ist eine häufige Aufgabe in der organischen Chemie. Chemiker verwenden verschiedene Reduktionsmittel, um das Ergebnis des Verfahrens sorgfältig zu kontrollieren.
Carbonylverbindungen sind funktionelle Gruppen mit einem Kohlenstoffatom Doppel an einem Sauerstoff gebunden. Carbonyl-Gruppen in vielen Arten von Verbindungen angezeigt. Wenn Glykierung verringert werden, wird das Produkt teilweise auf die genaue chemische Zusammensetzung der Verbindung abhängen. Darüber hinaus müssen besondere Reaktionspartner verschiedene Produkte. Durch die Verwendung unterschiedlicher Reduktionsmittel, Chemiker können diese Produkte Steuern oder ob die Reaktion überhaupt stattfindet.
Dieses Video zeigen die Reaktion einer Carbonyl-Verbindung mit zwei verschiedenen Reduktionsmittel und die verschiedenen Produkte, die sich ergeben.
Carbon ist weniger wissenschaftlich als Sauerstoff, so dass wenn sie eine Band, wie in einer Carbonylgruppe Teilen der Kohlenstoff eine positive Partialladung, so dass es elektrophiler haben. Das macht wiederum es anfällig für nukleophilen Angriff, wie die Hydrid-Übertragung, die meisten Carbonyl-Reduzierungen beginnt. Diese positiven Ladung erhöht sich der Electrophilicity, Erhöhung der Reaktivität des Kohlenstoffs. Verringerung der Ladung wird den Kohlenstoff machen weniger reaktiv
Acyl-Halogenide haben ein anderes stark wissenschaftlich Atom, wie Chlor, an Kohlenstoff, erhöhen die positive Ladung am Kohlenstoff gebunden. Daher ist diese Gruppe reaktiver als Ketone oder Aldehyde. Auf der anderen Seite, haben Ester, Amide und Carbonsäuren Resonanz Strukturen, die zusätzliche negativen Ladung auf ihre Kohlen, so dass sie weniger positiv zu verbreiten. Daher sind diese Verbindungen weniger reaktiv als Ketone und Aldehyde.
Verschiedenen Hydrid Spenderinnen haben unterschiedlichen Reaktivitäten auch beeinflussen, welche Carbonylverbindungen, die sie reduzieren können. Lithium-Aluminium-Hydrid ist hochreaktiv und ist in der Lage, die meisten Carbonylverbindungen zu reduzieren. Unterdessen hat Natriumborohydrid eine relativ niedrige Reaktivität. Es kann Acyl-Halogenide, Aldehyde und Ketone reduzieren, aber ist nicht in der Lage, die weniger reaktiven Ester, Amide oder Carbonsäuren zu reduzieren. Lithium Tri-Tert-Butoxyaluminum Hydrid Reaktivität ist zwischen- und wird auch produzieren verschiedene Produkte
Chemiker verwenden diese Prinzipien der Reaktivität zu kontrollieren, welche Produkte aus einer Reduktionsreaktion ergeben. Ethyl Acetate hat beispielsweise 2 einzigartige Carbonyl-Gruppen: ein Keton und einem Ester. Sinkt mit Natriumborohydrid wird nur die Ketone betroffen sein, Herstellung von Ethyl-3-Hydroxybutarate. Allerdings sinkt mit Lithium Aluminium Hydrid werden beide Carbonylverbindungen betroffen sein, Herstellung von 1,3-Butandiol.
Um diese Prinzipien der Carbonyl-Reduktion zu demonstrieren, werden wir beide Reduktionsreaktionen mit Ethyl Acetate durchführen. Wir untersuchen auch die Produkte mit Dünnschichtchromatographie und Infrarot-Spektroskopie, sorgfältig zu prüfen, das Schicksal der einzelnen Carbonyl.
Die erste Reaktion wird weniger reaktiv Natriumborohydrid verwenden. Um zu beginnen, richten Sie ein Rundboden-Kolben über eine Stirplate Hinzufügen eines Stirbar und 0,127 mL Ethyl Acetate, dieses Fläschchen. Dann 5 mL Ethanol zugeben und rühren beginnen.
Als nächstes 74 mg von Natriumborohydrid abwiegen. Fügen Sie in kleinen Portionen ihn in den Kolben. Die Reduktionsreaktion leuchtet weiß und Blase. Nach dem Hinzufügen der Natriumborhydrid, überwachen Sie die Reaktion alle paar Minuten mit Dünnschichtchromatographie mit Ethylacetat 40 % und 60 % Hexan als der mobilen Phase. Das erwartete Produkt haben einen etwas niedrigeren Aufbewahrungswert als Ausgangspunkt Ethyl Acetate.
Sobald die Reaktion abgeschlossen ist, fügen Sie 10 mL Wasser in der Mischung um die Reaktion zu stillen. Extrahieren Sie das Produkt zweimal mit 30 mL Ethylacetat in einem separatory Trichter aus dem Wasser. Sehen Sie für weitere Informationen zu diesem Verfahren unser Video auf Extraktion
Mischen Sie in einem separatory Trichter 30 mL Sole mit der Lösung. Mischen Sie die Lösung, so dass sie in zwei Schichten zu trennen und sammeln Sie die organische Phase zu. Dazu fügen Sie Natriumsulfat Pulver, das jede restliche Wasser aufsaugt, bis es nicht mehr Klumpen.
Filtern Sie die Lösung in einer Runde Talsohle Kolben, dann verdunstet das Lösungsmittel mit einem Drehverdampfer oder Rotovap.
Als Nächstes verwenden Sie TLC, um die Reinheit des Produktes zu überprüfen. Analysieren Sie das Produkt mit Infrarot-Spektroskopie. Sehen Sie unser Video auf IR für weitere Details.
Als nächstes schauen wir uns die Reaktion unter Verwendung reaktive Lithium-Aluminium-Hydrid. Richten Sie ein Rundboden-Fläschchen mit einem Stirbar, Septum und Stickstoff Einlass und Auslass-Linien. Die Küvette 76 mg Lithium-Aluminium-Hydrid hinzu und besohlen Sie schnell mit dem Septum und spülen Sie die Flasche mit dem Stickstoff ein paar Minuten. Spritzen Sie nach der Spülung 10 mL trockener Tetrahydrofuran und senken Sie die Flasche in ein Eisbad
Wenn die anderen Vorbereitungen abgeschlossen sind, machen Sie eine Lösung aus 0,127 mL Ethyl Acetate und 3 mL trockenem THF. Diese Lösung tropfenweise in die Flasche zu injizieren. Die Reaktion wird kräftig sprudeln. Nach wie vor die Reaktion mit TLC zu überwachen. Die erwarteten Produkt-1,3 Butandiol-Will auch haben einen niedrigeren Aufbewahrungswert als der ursprüngliche Ethyl Acetate.
Wenn die Reaktion abgeschlossen ist, fügen Sie 1 M Salzsäure tropfenweise, bis das Lithium-Aluminium-Hydrid verbraucht wird und die Lösung nicht sprudelt mehr. Entfernen Sie das Septum zu, dann fügen Sie 40 mL Ethylacetat und 20 mL 1 M Salzsäure.
Jetzt reinigen Sie das Produkt mit den gleichen Schritten wie vor. Extrahieren Sie das Produkt dreimal mit 50 mL Ethylacetat. Trocknen Sie die Ethylacetat Lösung mit 30 mL Kochsalzlösung und Natriumsulfat, Filter und verdunstet das Lösungsmittel mit einem Rotovap.
Nun, da wir ein Produkt haben, können wir es mit TLC und IR als vor analysieren.
Zunächst werfen wir einen Blick auf die TLC-Ergebnisse. Ethyl Acetate ist sehr unpolar und Reisen in der Nähe von Lösungsmittel vorne auf einer TLC Platte. Sein Produkt mit Natriumborohydrid, Ethyl-3-Hydroxybutarate, ist etwas mehr polare und wird nicht so weit reisen. Inzwischen hat das Produkt mit Lithium-Aluminium-Hydrid, 1,3-Butandiol, ist sogar noch polar, wodurch es zu reisen, am wenigsten die Teller
Nun, betrachten wir die IR-Ergebnisse. Ethyl Acetate hat zwei Gipfel, die die Dehnung der Carbonyl-Bindung entspricht. Eine rund 1.650 Ritz ist die Ketone und andererseits rund 1.730 ist der Ester. Das Spektrum des ersten Produkts ist ähnlich, aber es nur eine Carbonyl-Spitze hat und hat ein breites Alkohol O-H Dehnung Peak bei rund 3.200 Ritz gewonnen. Das zweite Produkt weist einen Verlust von beide Carbonyl-Gipfel, zur Veranschaulichung der höheren Reaktivität der Lithium-Aluminium-Hydrid
Die Kontrolle der Selektivität und Reaktivität sind wichtig und müssen in vielen organischen Reaktionen ausgeglichen werden. Schauen wir uns ein paar Möglichkeiten, in denen dies geschieht.
Neben funktionellen Gruppen gezielt zu reduzieren, kann Reduktionsmitteln Stereospecifically, führt zu Produkten mit verschiedenen dreidimensionalen Strukturen reagieren. Die Reduktion von 4-Tert-Butyl-Cyclohexanoneto 4-Tert-Butyl-Cyclohexanol erzeugt z. B. zwei verschiedene Stereoisomere, je nachdem, denen welche Richtung das Hydrid Carbonyl aus angreift. Lithium Aluminium Hydrid Angriffe vonseiten der axialen Trans-Produkt herzustellen. Ein anderes Reduktionsmittel, L-Selectride, Angriffe vonseiten der äquatorialen GUS Produkt herzustellen.
Zu guter Letzt können wir andere Arten von Molekülen wie Proteinen gezielt ändern. Zum Beispiel bilden Maleimides speziell Anleihen mit Thiol-Gruppen, aber nicht andere nukleophile. In einem Protein sind die anwesenden nur Thiol-Gruppen in die Aminosäure Cystein, so Maleimides nur Form Anleihen mit den Teilen des Moleküls. Biochemiker können diese Verbindungen mit Farbstoffen angebracht, um bestimmte Regionen eines Proteins zu beleuchten
Sie habe nur Jupiters Einführung in Chemoselectivity in Reduktionsreaktionen beobachtet. Sie sollten jetzt wissen, wie verschiedene Reduktionsmittel produzieren verschiedene Produkte mit Carbonylverbindungen zu reagieren. Danke fürs Zuschauen!
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Results
Abbildung 1. Vertreter IR ergibt sich für Ethyl-3-Hydroxybutyrat.
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Applications and Summary
Die Trends der Carbonyl-Reaktivität und Hydrid-Spender-Fähigkeit haben überprüft und nachgewiesen. Die visuelle Reaktivität der beiden häufigsten verwendeten Reagenzien ist offensichtlich und kann geschätzt werden.
Das Verständnis der Reaktivität von Reagenzien und funktionellen Gruppen ist von großer Bedeutung bei der Entwicklung von neuer Methoden zur Verringerung oder jede andere Art von Reaktion. Kontrolle der Selektivität und Reaktivität von jeder Reaktion ist ein wichtiger Faktor bei der Entscheidung über die Reagenzien für einen chemischen Schritt. Dies treibt Chemiker neue Reagenzien und neue Methoden zu entwickeln.
Die Überprüfung der periodischen Tendenzen ist noch wichtig in der organischen Chemie. Zum Beispiel, wenn Kalium Metall Wasser hinzufügen, gibt es eine mehr heftige Explosion als wenn Natrium Metall Wasser hinzugefügt wird. Aus diesem Grund konnten wir erweitern diese Analogie zum Vergleich und Argumentation, warum LiAlH4 reaktiver als NaBH4ist.
Das gesamte Spektrum der nukleophile und Electrophiles Faktoren Reaktivität. Ein schwaches nucleophil reagieren nicht mit einer schwachen Elektrophil; aber ein reaktiver Elektrophil könnte mit der gleichen schwache nucleophil reagieren. Alles hängt von ihrer Reaktivität und die Bedingungen.
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