10.6: Karbonil Bileşiklerinden Alkoller: İndirgeme

İndirgeme, bir karbonil grubunu bir hidroksil grubuna dönüştürmek için basit bir stratejidir. Karbonilleri alkollere indirgemenin üç ana yolu katalitik hidrojenleme, hidrit indirgemesi ve boran indirgemesidir.

Katalitik hidrojenleme, Raney Ni, Pd-C, Pt veya Ru gibi geçiş metali katalizörlerinin varlığında pi bağına H_2 eklenerek bir alken veya alkinin indirgenmesine benzer. Aldehitler ve ketonlar, genellikle hafif ila orta dereceli ısı (25–100°C) ve basınç (1–5 atm H_2) altında bu yöntemle sırasıyla 1° ve 2° alkoller verecek şekilde indirgenebilir.

Figure 1. Katalitik hidrojenleme, zorlu koşulların gerekli olmadığı ancak doymamış karbon-karbon bağlarının da azaldığı endüstriyel uygulamalar için uygun olabilir.

Hidrit indirgemesi, sodyum borohidrit (NaBH_4) ve lityum alüminyum hidrit (LiAlH_4 veya LAH) gibi hidrit transfer reaktifleri ile elde edilebilir, çünkü serbest bir hidrit iyonunun nükleofilik saldırısı, Figure2 yüksek yük yoğunluğundan dolayı NaH tuzları için neredeyse bilinmemektedir, bu onu güçlü bir temel haline getiriyor. Bor ve alüminyum atomlarına kovalent olarak bağlanan LAH ve NaBH_4'ün hidrojen atomları kısmi negatif yüklere sahiptir, dolayısıyla baziklik pahasına nükleofilliklerini arttırırlar. Nükleofilik katılmanın ilk adımı alkoksit iyonlarının oluşumuna yol açar. Yan ürün alkoksiborohidrit veya alkoksialüminat, üç karbonil molekülünü daha indirgeyerek tüm hidrojen atomlarını art arda aktarır. Hidrit zayıf ayrılan bir grup olduğundan, hidrit transfer adımları geri döndürülemez ve bu nedenle reaksiyon tamamlanmaya doğru ilerler. Son olarak reaksiyon karışımı çözücü (yani NaBH_4 durumunda su veya alkol ve LAH durumunda seyreltik asit) ile işlenir.

Figure 2. Aldehitler ve simetrik esterler bir adet 1° alkol ürünü üretir. Simetrik olmayan esterler 1° alkollerin bir karışımını üretir.

LAH, NaBH_4 ve bunların türevleri aldehit ve ketonların indirgenmesinde oldukça faydalıdır. Güçlü bir indirgeyici ajan olan LAH, asitler, esterler, asil klorürler ve amidler gibi karbonil bileşiklerini de azaltabilir. LAH, su ve diğer protik çözücülerle şiddetli reaksiyona girerek hidrojen gazı açığa çıkarır ve metal hidroksitler/alkoksitler oluşturur. Bu nedenle, LAH indirgemeleri tipik olarak susuz dietil eter ve THF gibi aprotik çözücüler içerisinde gerçekleştirilir.

Figure 3. Lityum borohidrürün alkollü bir çözeltisi, esterlerin asitlere göre seçici olarak indirgenmesinde LAH'a tehlikesiz bir alternatiftir.

Öte yandan NaBH_4 daha yumuşak bir yapıya sahiptir ve genellikle yalnızca etanol veya metanol gibi protik çözücülerde indirgenir. Bu nedenle, NaBH_4 aldehitleri ve ketonları alkil halojenürler, esterler, alkil tosilatlar ve nitro grupları gibi fonksiyonel grupların varlığında indirgemek için kullanılabilir. Diizobütilalüminyum hidrit (DIBAL-H), aynı zamanda, art arda iki hidrit iyonu eklenmesiyle karbonilleri oda sıcaklığında alkollere dönüştürebilir. Ancak düşük sıcaklıklarda esterlerle reaksiyona girdiğinde bu reaksiyon aldehit aşamasında yalnızca bir eşdeğer hidrit iyonu eklenerek durdurulabilir.

Boran indirgeme, esterler ve hatta ketonlar gibi diğer indirgenebilir fonksiyonel grupların varlığında karboksilik asitler gibi elektron açısından zengin karbonil gruplarını seçici olarak azaltmak için dietil eter, THF veya Me_2S içindeki bir boran (BH_3) çözeltisini kullanır.

Figure 4. Başlangıç ​​ester molekülünden daha elektrofilik bir karbonil grubuna sahip reaktif bir triaçil borat ara ürününün oluşumu, indirgeme reaksiyonunu ileriye doğru yönlendirir.

Canlı organizmalar için indirgenmiş koenzim NADH veya onun fosfoesteri NADPH, benzer biyolojik indirgemelerin enzim katalizinde laboratuvar hidrit reaktiflerine eşdeğerdir.

Alkoller, çift bağ boyunca iki hidrojen atomu eklenerek karbonil bileşiklerinden hazırlanabilir.

Bu azalma, parfüm bileşeni muscone ve antidepresan ilaç Prozac gibi temel moleküllerin sentezinde önemlidir.

Aldehitler, karboksilik asitler ve esterler birincil alkollere indirgenirken, ketonlar ikincil alkollere indirgenir.

Klasik yöntem, hidrojen ve geçiş metali katalizörleri kullanılarak katalitik hidrojenasyonu içerir. Bununla birlikte, bu, yüksek sıcaklık ve basınç gerektirir ve ayrıca molekülde bulunan herhangi bir karbon-karbon çoklu bağını azaltır.

Laboratuvar yöntemi, sodyum borohidrür, lityum alüminyum hidrit ve bunların türevlerinden nükleofilik hidrit iyonlarının geri dönüşü olmayan bir reaksiyonda kademeli olarak eklenmesini ve ardından çözücü veya asit ile protonasyonu içerir. Bu yöntem, hidrojenasyona kıyasla karbonil grubunu seçici olarak azaltır.

Simetrik olmayan ketonlarda, düzlemsel karbonil grubu, her iki yüzden de eşit olasılıkla bir nükleofilik hidrit saldırısına uğrayabilir. Bu, bir çift enantiyomerik ürün veren kiral bir tetrahedral ara ürün oluşturur.

Sodyum borhidrür ile indirgeme, polar protik çözücülerde gerçekleştirilir. Öte yandan lityum alüminyum hidrit, proton donörleri ile şiddetli reaksiyonunu önlemek için kuru, aprotik çözücülere ihtiyaç duyar.

Lityum alüminyum hidrit, bor-hidrojen bağına kıyasla alüminyum-hidrojen bağının daha büyük polaritesi nedeniyle sodyum borhidrürden daha güçlü bir indirgeyici ajandır ve dolayısıyla daha reaktiftir.

Bu reaktivite farkı, farklı karbonil gruplarının iki hidrit reaktifi tarafından seçici indirgeme geçirme kolaylığında yansıtılır.

Örnek vermek gerekirse, sodyum borhidrür, keton grubunun seçici olarak indirgenmesine izin vermeyen lityum alüminyum hidritin aksine, bir ester varlığında bir ketonu seçici olarak azaltabilir.

Lityum borohidrür ve boran, sırasıyla esterleri ve asitleri indirgemede zıt kemoselektiviteye sahip faydalı reaktiflerdir.