Overview
מקור: Vy M. דונג ודניאל קים, המחלקה לכימיה, אוניברסיטת קליפורניה, אירווין, קליפורניה
שליטה על תגובתיות וסלקטיביות במהלך סינתזה של מולקולה היא קריטריונים חשובים מאוד עבור כימאים. זה הוביל להתפתחות של ריאגנטים רבים המאפשרים לכימאים לבחור ריאגנטים המתאימים למשימה נתונה. לעתים קרובות, יש להשיג איזון בין תגובתיות לסלקטיביות. ניסוי זה ישתמש בספקטרוסקופיית IR כדי לפקח על התגובה ולהבין את התגובה של תרכובות קרבוניל, כמו גם את התגובה של ריאגנטים להפחתת הידריד.
Principles
לפני הבנת ריאגנטים תורם הידריד, התגובה של תרכובות קרבוניל צריך להיות מובן. תרכובות קרבוניל יש מטען חיובי קל על קרבוניל-פחמן נותן לו אופי אלקטרופילי. לכן, תרכובות קרבוניל שיש להם מטען חיובי מגיבים יותר לנוקלופילים שונים כגון תורם הידריד. לאציל כלורידים יש קבוצת עזיבה טובה (Cl-) מה שהופך אותו גם אלקטרופילי מאוד. אסטרים ואמידים יציבים יותר בגלל מבנה התהודה החזק מההטרואטום השני על הקרבוניל.
רוב ההפחתות של תרכובות קרבוניל נעשות עם ריאגנטים המעבירים הידריד מבורון או אלומיניום. שני ריאגנטים נפוצים מסוג זה הם נתרן בורוהיד ואלומיניום ליתיום הידריד. נתרן בורוהידריד הוא ריאגנט תורם פחות תגובתי אבל הוא יעיל להפחתת אלדהידים וקטונים לאלכוהול. עם זאת, ליתיום אלומיניום הידריד הוא הרבה יותר תגובתי והוא יכול להפחית קטונים ואלדהידים לאלכוהול, אבל גם להפחית אסטרים, amides, וחומצות קרבוקסיליות.
כדי להדגים את מידת התגובה המשתנה, תגובה עם שתי קבוצות פונקציונליות קרבוניל תהיה נתונה לשני סטים של תנאים עם ריאגנטים להפחתת הפחתת הידרונטים.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Procedure
1. תכונות מדידה של אתיל אצטואצאט
- קח IR של החומר ההתחלתי (אתיל אצטואצטט).
- קח TLC באמצעות 40% אתיל אצטט ב 60% hexanes.
2. הפחתת אתיל אצטואצטאט עם נתרן בורוהידריד
- מוסיפים 1 mmol של אתיל אצטואצטאט לבקבוקון עגול התחתון.
- מוסיפים 5 מ"ל של אתנול ומערבבים לערבב לחלוטין.
- מנמיכים את הכיס לאמבטיית מי קרח.
- שקול 1 mmol של נתרן בורוהידריד ולאט לאט להוסיף לתמיסה המעורבטת של אתיל אצטואצטט.
- מוסיפים מנות קטנות. התגובה היא אקסותרמית ובועות במרץ.
- מיד לאחר מכן, לפקח על התגובה על ידי TLC כל כמה דקות עד התגובה הושלמה.
- לאחר השלמת, להוסיף 10 מ"ל של מים לתערובת התגובה.
- מעבירים למשפך מפריד ומחלצים עם אתיל אצטט (2x 30 מ"ל).
- יבש עם מים DI (1x 30 מ"ל) ועם מי מלח (1x 30 מ"ל).
- יבש מעל נתרן גופרתי ומסנן לבקבוקון עגול.
- לאדות את הממס על מאיד סיבובי.
- קח TLC ו- IR של מוצר ההפחתה.
3. הפחתת אתיל אצטואצטאט עם ליתיום אלומיניום הידרוריד
- מוסיפים 1 mmol של ליתיום אלומיניום הידריד לתוך בקבוקון עגול יבש וכובע אותו עם מחיצה.
- מטהר את הבקבוקון בגז חנקן באמצעות קו מפרצון חנקן. הקפד לקבל שסתום יציאה.
- יש להוסיף 10 מ"ל של THF יבש.
- מניחים את הבקבוקון העגול לתוך אמבט קרח.
- הפוך פתרון של 1 mmol של אתיל אצטואצטט לתוך 3 מ"ל של THF יבש לאט להוסיף dropwise לתוך בקבוקון התגובה.
- התגובה תתפוצץ במרץ עד שכל הריאגנט יוסיף.
- מיד לאחר מכן, לפקח על התגובה על ידי TLC כל כמה דקות עד התגובה הושלמה.
- לאחר השלמת, הוסף 1 M HCl dropwise. התגובה תבעבע במרץ עד שכל LiAlH4 נצרך.
- לאחר הצריכה (לא עוד מבעבע), המחיצה ניתן להסיר מדולל עם אצטט אתיל (40 מ"ל) ו 1 M HCl (20 מ"ל).
- מעבירים למשפך נפרד.
- תמצית עם אתיל אצטט (3x 50 מ"ל).
- יבש עם מי מלח (1x 50 מ"ל).
- יבש מעל נתרן גופרתי ומסנן לבקבוקון עגול.
- לאדות את הממס על מאיד סיבובי.
- קח TLC ו- IR של מוצר ההפחתה.
הפחתת קרבונילים היא משימה נפוצה בכימיה אורגנית. כימאים משתמשים בסוכנים מפחיתים שונים כדי לשלוט בקפידה בתוצאות ההליך.
קרבונילים הם קבוצות פונקציונליות עם אטום פחמן כפול מלוכד לחמצן. קבוצות קרבוניל מופיעות בסוגים רבים של תרכובות. כאשר קרבוניל מופחת, המוצר יהיה תלוי בחלקו על ההרכב הכימי המדויק של המתחם. בנוסף, מגיב מסוים עשוי להיות מוצרי הפחתה שונים. על ידי שימוש בסוכנים מפחיתים שונים, כימאים יכולים לשלוט במוצרים אלה, או אם התגובה מתרחשת בכלל.
וידאו זה ימחיש את התגובה של תרכובת קרבוניל עם שני סוכני הפחתת שונים, ואת המוצרים השונים הנובעים.
פחמן הוא פחות אלקטרומגנטי מחמצן, כך שכאשר הם חולקים קשר, כמו קרבוניל, לפחמן יהיה מטען חיובי חלקי, מה שהופך אותו לאלקטרופילי. זה בתורו עושה את זה רגיש להתקפה נוקלאופילית, כמו העברת הידריד שמתחילה את רוב הפחתות קרבוניל. הגדלת מטען חיובי זה מגביר את האלקטרופיליות, ומגביר את התגובה של הפחמן. הפחתת המטען תגרום לפחמן להיות פחות תגובתי
לאסיל הלידס יש אטום אלקטרומגנטי חזק נוסף, כגון כלור, הקשור לפחמן, מה שמגדיל את המטען החיובי על הפחמן. לכן, קבוצה זו מגיבה יותר מאשר קטונים או אלדהידים. מצד שני, אסטרים, amides, וחומצות קרבוקסיליות כל יש מבני תהודה להפיץ מטען שלילי נוסף על הפחמנים שלהם, מה שהופך אותם פחות חיובי. לכן, תרכובות אלה הם פחות תגובתי מאשר קטונים ואלדהידים.
תורמי הידריד שונים יש הפעלה מחדש שונה גם כן, המשפיעים אילו תרכובות קרבוניל הם מסוגלים להפחית. ליתיום אלומיניום הידרויד הוא תגובתי מאוד, והוא מסוגל להפחית את רוב תרכובות קרבוניל. בינתיים, נתרן בורוהידריד יש תגובתיות נמוכה יחסית. זה יכול להפחית אציל הלידים, אלדהידים, קטונים, אבל הוא לא מסוגל להפחית אסטרים פחות תגובתי, amides, או חומצות קרבוקסיליות. תגובתיות ההידריד של ליתיום טרי-טרט-בוטקסיאומלינום הידריד היא בינונית, ותפיק גם מוצרי הפחתה שונים
כימאים משתמשים בעקרונות אלה של תגובתיות כדי לשלוט אילו מוצרים נובעים מתגובת הפחתה. לדוגמה, לאתיל אצטואצטאט יש 2 קבוצות קרבוניל ייחודיות: קטון ואקסטר. אם הוא מופחת עם נתרן בורוהידריד, רק קטון יושפע, לייצר אתיל 3-הידרוקסיבוטראט. עם זאת, אם הוא מופחת עם ליתיום אלומיניום הידריד, שני קרבוניל יושפע, לייצר 1,3-butanediol.
כדי להדגים עקרונות אלה של הפחתת קרבוניל, אנו נבצע את שתי תגובות ההפחתה עם אתיל אצטואצטאט. כמו כן, נחקור את המוצרים עם כרומטוגרפיה של שכבה דקה וספקטרוסקופיה אינפרא-אדומה, כדי לבחון בקפידה את גורלו של כל קרבוניל.
התגובה הראשונה תשתמש בנתרן בורוהידריד פחות תגובתי. כדי להתחיל, להגדיר בקבוקון עגול תחתון מעל stirplate להוסיף stirbar ו 0.127 מ"ל של אתיל אצטואצטאט לבקבוק זה. לאחר מכן, להוסיף 5 מ"ל של אתנול ולהתחיל לערבב.
לאחר מכן, לשקול 74 מ"ג של נתרן בורוהידריד. במנות קטנות, מוסיפים אותו לבקבוקון. תגובת ההפחתה תהפוך ללבן ובועה. לאחר הוספת כל הבורוהידריד, נטר את התגובה כל כמה דקות עם כרומטוגרפיה של שכבה דקה, תוך שימוש ב-40% אתיל אצטט ו-60% הקסאן כשלב הנייד. המוצר הצפוי יהיה בעל ערך שמירה מעט נמוך יותר מאשר האתיל הפותח אצטואצאט.
לאחר שהתגובה הסתיימה, להוסיף 10 מ"ל של מים לתערובת כדי להרוות את התגובה. לחלץ את המוצר מהמים פעמיים עם 30 מ"ל של אצטט אתיל במשפך מפריד. לקבלת מידע נוסף על הליך זה, עיין בסרטון הווידאו שלנו בנושא החילוץ
במשפך נפרד, מערבבים 30 מ"ל מי מלח עם התמיסה. מערבבים את התמיסה, ומאפשרים לו להפריד לשתי שכבות, ולאסוף את השלב האורגני. לכך, מוסיפים אבקת נתרן גופרתי, אשר יספג את כל המים הנותרים, עד שהוא כבר לא גושים.
לסנן את הפתרון לתוך בקבוקון עגול, ולאחר מכן לאדות את הממס עם מאיד סיבובי, או rotovap.
לאחר מכן, השתמש ב- TLC כדי לבדוק את טוהר המוצר. לאחר מכן, לנתח את המוצר עם ספקטרוסקופיה אינפרא אדום. עיין בסרטון שלנו ב- IR לקבלת פרטים נוספים. השתמש בהליך דומה כדי לנתח את האתיל הפותח אצטואצאט לעיון.
לאחר מכן, בואו לראות את התגובה באמצעות הידריד אלומיניום ליתיום תגובתי יותר. הקימו בקבוקון עגול עם מערבולת, מחיצה, פרצון חנקן וקווי מוצא. מוסיפים 76 מ"ג של ליתיום אלומיניום הידריד לבקבוקית ומוסיפים במהירות עם המחיצה ומטהרים את הבקבוקון עם החנקן לכמה דקות. לאחר הטיהור, להזריק 10 מ"ל של טטרהידרופורן יבש ולהוריד את הבקבוק לתוך אמבט קרח
כאשר ההכנות האחרות הושלמו, לעשות פתרון של 0.127 מ"ל של אתיל acetoacetate ו 3 מ"ל של THF יבש. הזרק פתרון זה dropwise לתוך הבקבוקון. התגובה תבעבע במרץ. כמו קודם, לפקח על התגובה עם TLC. המוצר הצפוי-1,3, butanediol-יהיה גם ערך שמירה נמוך יותר מאשר האתיל המקורי acetoacetate.
כאשר התגובה הושלמה, להוסיף 1 M חומצה הידרוכלורית טיפה, עד כל אלומיניום ליתיום הידריד נצרך ואת הפתרון מפסיק לבעבע. הסר את המחיצה, ולאחר מכן להוסיף 40 מ"ל של אצטט אתיל ו 20 מ"ל של 1 M חומצה הידרוכלורית.
כעת, טהר את המוצר באמצעות אותם שלבים כמו קודם. לחלץ את המוצר שלוש פעמים עם 50 מ"ל של אצטט אתיל. יבש את תמיסת האצטט עם 30 מ"ל של תמיסת מלח ונתרן סולפט, לסנן, ולאדות את הממס עם rotovap.
עכשיו שיש לנו מוצר, אנחנו יכולים לנתח אותו עם TLC ו- IR כמו קודם.
ראשית, בואו נסתכל על תוצאות TLC. אתיל אצטואצטאט הוא מאוד לא קוטבי, והוא יעבור קרוב לחזית הממס על צלחת TLC. המוצר שלה עם נתרן בורוהידריד, אתיל 3-הידרוקסיבוטראט, הוא קצת יותר קוטבי, ולא ינוע רחוק. בינתיים, המוצר עם ליתיום אלומיניום הידריד, 1,3-butanediol, הוא אפילו יותר קוטבי, גורם לו לנסוע הכי פחות במעלה הצלחת
עכשיו, בואו נבחן את תוצאות ה-IR. לאתיל אצטואצטט יש שתי פסגות התואמות למתיחת קשר הקרבוניל. אחד, סביב 1,650 מספרי גלים, הוא הקטון והשני, סביב 1,730, הוא אסתר. הספקטרום של המוצר הראשון דומה, אולם יש לו רק שיא קרבוניל אחד והוא צבר שיא מתיחה O-H אלכוהול רחב בסביבות 3,200 wavenumbers. המוצר השני מראה אובדן של שתי פסגות קרבוניל, הממחיש את התגובה הגבוהה יותר של הידריד אלומיניום ליתיום
השליטה בסלקטיביות ובתגובה חשובה וחייבת להיות מאוזנת בתגובות אורגניות רבות. בואו נסתכל על כמה דרכים שבהן זה נעשה.
בנוסף להפחתת קבוצות פונקציונליות באופן סלקטיבי, הפחתת סוכנים עשויים להגיב באופן סטריאופזי, מה שמוביל למוצרים עם מבנים תלת ממדיים שונים. לדוגמה, ההפחתה של 4-tert-butyl-cyclohexanoneto 4-tert-butyl-cyclohexanol מייצר שני סטריאוטיomers שונים, תלוי לאיזה כיוון הידריד תוקף את קרבוניל מ. ליתיום אלומיניום הידריד התקפות מהצד צירי, לייצר את המוצר הטרנס. סוכן הפחתת נוסף, L-selectride, התקפות מהצד המשווני, לייצר את המוצר cis.
לבסוף, אנו יכולים לשנות באופן סלקטיבי סוגים אחרים של מולקולות, כגון חלבונים. לדוגמה, maleimides במיוחד ליצור קשרים עם קבוצות תיול, אבל לא נוקלופילים אחרים. בחלבון, קבוצות התיול היחידות הקיימות נמצאות בחומצת האמינו ציסטאין, כך שמאלימידים ייצרו קשרים רק עם אותם חלקים של המולקולה. ביוכימאים יכולים להשתמש בתרכובות אלה עם צבעים המחוברים להארת אזורים ספציפיים של חלבון
הרגע צפית בהקדמה של JoVE לכימוס-לקטיביות בתגובות הפחתה. עכשיו אתה צריך להבין איך סוכנים הפחתת שונים יכולים לייצר מוצרים שונים בעת תגובה עם קרבונילים. תודה שצפיתם!
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Results
איור 1. תוצאות IR מייצגות עבור אתיל 3-הידרוקסיבוטיראט.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Applications and Summary
המגמות של תגובתיות קרבוניל ויכולת תורם הידריד נבדקו והוכחו. תגובתיות חזותית של שני ריאגנטים נפוצים ניכרת וניתן להעריך אותה.
ההבנה של התגובה של ריאגנטים וקבוצות פונקציונליות היא בעלת חשיבות גבוהה בעת פיתוח שיטות חדשות להפחתות או כל סוג אחר של תגובה. שליטה על הסלקטיביות והתגובה של כל תגובה היא גורם חשוב שיש לקחת בחשבון בעת החלטה על ריאגנטים המשמשים לצעד כימי. זה מניע כימאים לפתח ריאגנטים חדשים ושיטות חדשות.
סקירת המגמות התקופתיות עדיין חשובה בכימיה אורגנית. לדוגמה, בעת הוספת מתכת אשלגן למים, יש פיצוץ אלים יותר מאשר כאשר מתכת נתרן מתווסף למים. מסיבה זו, אנו יכולים להרחיב אנלוגיה זו להשוואה ולהיגיון מדוע LiAlH4 מגיב יותר מאשר NaBH4.
על כל הספקטרום של נוקלופילים ואלקטרופילים, תגובתיות חשובה. נוקלאופילי חלש לא יגיב עם אלקטרופיל חלש; אבל אלקטרופיל תגובתי יותר עשוי להגיב עם אותו נוקלאופילי חלש. הכל תלוי בתגובה שלהם ובתנאים.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
