Overview
Fonte: Vy M. Dong e Daniel Kim, Dipartimento di Chimica, Università della California, Irvine, CA
Controllare la reattività e la selettività durante la sintesi di una molecola è un criterio molto importante per i chimici. Ciò ha portato allo sviluppo di molti reagenti che consentono ai chimici di scegliere i reagenti adatti a un determinato compito. Molto spesso, è necessario raggiungere un equilibrio tra reattività e selettività. Questo esperimento utilizzerà la spettroscopia IR per monitorare la reazione e comprendere la reattività dei composti carbonilici e la reattività dei reagenti che riducono l'idruro.
Principles
Prima di comprendere i reagenti donatori di idruro, è necessario comprendere la reattività dei composti carbonilici. I composti carbonilici hanno una leggera carica positiva sul carbonio-carbonile che gli conferisce un carattere elettrofilo. Pertanto, i composti carbonilici che hanno una carica positiva sono più reattivi a diversi nucleofili come un donatore di idruro. I cloruri acilici hanno un buon gruppo di partenza (Cl-) che lo rende anche molto elettrofilo. Gli esteri e le ammidi sono più stabili a causa della forte struttura di risonanza del secondo eteroatomo sul carbonile.
La maggior parte delle riduzioni dei composti carbonilici sono fatte con reagenti che trasferiscono un idruro dal boro o dall'alluminio. Due reagenti comuni di questo tipo sono il boroidro di sodio e l'idruro di litio alluminio. Il boroidro di sodio è un reagente donatore meno reattivo, ma è efficace per ridurre aldeidi e chetoni agli alcoli. Tuttavia, l'idruro di litio alluminio è molto più reattivo e può ridurre i chetoni e le aldeidi agli alcoli, ma anche ridurre gli esteri, le ammidi e gli acidi carbossilici.
Per dimostrare il diverso grado di reattività, una reazione con due gruppi funzionali carbonilici sarà sottoposta a due serie di condizioni con reagenti riducenti che donano idruro.
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Procedure
1. Proprietà di misurazione dell'acetoacetato di etile
- Prendi un IR del materiale di partenza (acetoacetato di etile).
- Prendi una TLC usando il 40% di acetato di etile in 60% di esani.
2. Riduzione dell'acetoacetato di etile con boroidro di sodio
- Aggiungere 1 mmol di acetoacetato di etile in un matraccio a fondo tondo.
- Aggiungere 5 ml di etanolo e ruotare per mescolare completamente.
- Abbassare il becher in un bagno di acqua ghiacciata.
- Pesare 1 mmol di boroidro di sodio e aggiungere lentamente alla soluzione mescolata di acetoacetato di etile.
- Aggiungere piccole porzioni. La reazione è esotermica e bolle vigorosamente.
- Subito dopo, monitorare la reazione da TLC ogni pochi minuti fino al completamento della reazione.
- Una volta completato, aggiungere 10 ml di acqua alla miscela di reazione.
- Trasferire in un imbuto separatore ed estrarre con acetato di etile (2x 30 ml).
- Asciugare con acqua DI (1x 30 mL) e con salamoia (1x 30 mL).
- Asciugare sopra solfato di sodio e filtrare in un matraccio a fondo tondo.
- Evaporare il solvente su un evaporatore rotativo.
- Prendi un TLC e IR del prodotto di riduzione.
3. Riduzione dell'acetoacetato di etile con idruro di litio e alluminio
- Aggiungere 1 mmol di litio alluminio idruro in un matraccio rotondo asciutto e coprirlo con un setto.
- Spurgare il matraccio con azoto gassoso utilizzando una linea di ingresso dell'azoto. Assicurati di avere una valvola di uscita.
- Aggiungere 10 ml di THF secco.
- Posizionare il pallone a fondo tondo in un bagno di ghiaccio.
- Fare una soluzione di 1 mmol di acetoacetato di etile in 3 mL di THF secco e aggiungere lentamente goccia nel pallone di reazione.
- La reazione bolle vigorosamente fino a quando non viene aggiunto tutto il reagente.
- Subito dopo, monitorare la reazione da TLC ogni pochi minuti fino al completamento della reazione.
- Una volta completato, aggiungere 1 M HCl dropwise. La reazione bolle vigorosamente fino a quando tutto il LiAlH4 non viene consumato.
- Una volta consumato (non più gorgogliante), il setto può essere rimosso e diluito con acetato di etile (40 ml) e 1 M HCl (20 ml).
- Trasferire in un imbuto separatore.
- Estratto con acetato di etile (3x 50 mL).
- Asciugare con salamoia (1x 50 ml).
- Asciugare sopra solfato di sodio e filtrare in un matraccio a fondo tondo.
- Evaporare il solvente su un evaporatore rotativo.
- Prendi un TLC e IR del prodotto di riduzione.
La riduzione dei carbonili è un compito comune in chimica organica. I chimici usano diversi agenti riducenti per controllare attentamente l'esito della procedura.
I carbonili sono gruppi funzionali con un atomo di carbonio a doppio legame con un ossigeno. I gruppi carbonilici appaiono in molti tipi di composti. Quando i carbonili sono ridotti, il prodotto dipenderà in parte dall'esatta composizione chimica del composto. Inoltre, un particolare reagente può avere diversi prodotti di riduzione. Utilizzando diversi agenti riducenti, i chimici possono controllare questi prodotti o se la reazione avviene affatto.
Questo video illustrerà la reazione di un composto carbonilico con due diversi agenti riducenti e i diversi prodotti che ne derivano.
Il carbonio è meno elettronegativo dell'ossigeno, quindi quando condividono un legame, come in un carbonile, il carbonio avrà una carica parzialmente positiva, rendendolo elettrofilo. Questo a sua volta lo rende suscettibile all'attacco nucleofilo, come il trasferimento di idruro che avvia la maggior parte delle riduzioni carboniliche. Aumentando questa carica positiva aumenta l'elettrofilia, aumentando la reattività del carbonio. Diminuire la carica renderà il carbonio meno reattivo
Gli alogenuri acilici hanno un altro atomo fortemente elettronegativo, come il cloro, legato al carbonio, aumentando la carica positiva sul carbonio. Pertanto, questo gruppo è più reattivo dei chetoni o delle aldeidi. D'altra parte, esteri, ammidi e acidi carbossilici hanno tutti strutture di risonanza che diffondono ulteriore carica negativa sui loro carboni, rendendoli meno positivi. Pertanto, questi composti sono meno reattivi dei chetoni e delle aldeidi.
Diversi donatori di idruro hanno anche diverse reattività, influenzando quali composti carbonilici sono in grado di ridurre. L'idruro di litio alluminio è altamente reattivo ed è in grado di ridurre la maggior parte dei composti carbonilici. Nel frattempo, il boroidro di sodio ha una reattività relativamente bassa. Può ridurre gli alogenuri acilici, le aldeidi e i chetoni, ma non è in grado di ridurre gli esteri meno reattivi, le ammidi o gli acidi carbossilici. La reattività dell'idruro di litio tri-terz-butossialluminio è intermedia e produrrà anche diversi prodotti di riduzione
I chimici usano questi principi di reattività per controllare quali prodotti derivano da una reazione di riduzione. Ad esempio, l'acetoacetato di etile ha 2 gruppi carbonilici unici: un chetone e un estere. Se viene ridotto con boroidro di sodio, solo il chetone sarà interessato, producendo 3-idrossibutarato di etile. Tuttavia, se viene ridotto con litio alluminio idruro, entrambi i carbonili saranno interessati, producendo 1,3-butanediolo.
Per dimostrare questi principi di riduzione del carbonile, effettueremo entrambe le reazioni di riduzione con acetoacetato di etile. Studieremo anche i prodotti con cromatografia a strato sottile e spettroscopia infrarossa, per esaminare attentamente il destino di ogni carbonile.
La prima reazione utilizzerà il boroidrato di sodio meno reattivo. Per iniziare, impostare un matraccio a fondo tondo su una piastra di agitazione Aggiungere un agitatore e 0,127 ml di acetoacetato di etile a questo pallone. Quindi, aggiungere 5 ml di etanolo e iniziare a mescolare.
Quindi, pesare 74 mg di boroidro di sodio. In piccole porzioni, aggiungilo al pallone. La reazione di riduzione diventerà bianca e a bolle. Dopo aver aggiunto tutto il boroidro, monitorare la reazione ogni pochi minuti con cromatografia a strato sottile, utilizzando il 40% di acetato di etile e il 60% di esano come fase mobile. Il prodotto atteso avrà un valore di ritenzione leggermente inferiore rispetto all'acetoacetato di etile di partenza.
Una volta terminata la reazione, aggiungere 10 ml di acqua alla miscela per spegnere la reazione. Estrarre il prodotto dall'acqua due volte con 30 ml di acetato di etile in un imbuto separatore. Per ulteriori informazioni su questa procedura, guarda il nostro video sull'estrazione
In un imbuto separatore, mescolare 30 ml di salamoia con la soluzione. Mescolare la soluzione, permettendole di separarsi in due strati, e raccogliere la fase organica. A questo, aggiungere la polvere di solfato di sodio, che assorbirà l'acqua rimanente, fino a quando non si aggreda più.
Filtrare la soluzione in un pallone a fondo tondo, quindi far evaporare il solvente con un evaporatore rotante o rotovap.
Quindi, utilizzare TLC per verificare la purezza del prodotto. Quindi, analizzare il prodotto con la spettroscopia infrarossa. Guarda il nostro video su IR per maggiori dettagli. Utilizzare una procedura simile per analizzare l'acetoacetato di etile iniziale per riferimento.
Successivamente, vediamo la reazione usando l'idruro di litio alluminio più reattivo. Impostare un pallone a fondo tondo con un agitatore, un setto e linee di ingresso e uscita dell'azoto. Aggiungere 76 mg di litio alluminio idruro al matraccio e ricapitolare rapidamente con il setto e spurgare il matraccio con l'azoto per alcuni minuti. Dopo lo spurgo, iniettare 10 ml di tetraidrofurano secco e abbassare il matraccio in un bagno di ghiaccio
Quando gli altri preparati sono completi, preparare una soluzione di 0,127 mL di acetoacetato di etile e 3 mL di THF secco. Iniettare questa soluzione a goccia nel matraccio. La reazione bolle vigorosamente. Come prima, monitorare la reazione con TLC. Il prodotto atteso -1,3, butanediolo- avrà anche un valore di ritenzione inferiore rispetto all'acetoacetato di etile originale.
Quando la reazione è completa, aggiungere 1 M di acido cloridrico a goccia, fino a quando tutto l'idruro di litio alluminio viene consumato e la soluzione smette di gorgogliare. Rimuovere il setto, quindi aggiungere 40 mL di acetato di etile e 20 ml di acido cloridrico 1 M.
Ora, purifica il prodotto usando gli stessi passaggi di prima. Estrarre il prodotto tre volte con 50 ml di acetato di etile. Asciugare la soluzione di acetato di etile con 30 ml di soluzione salina e solfato di sodio, filtrare ed evaporare il solvente con un rotovap.
Ora che abbiamo un prodotto, possiamo analizzarlo con TLC e IR come prima.
Per prima cosa, diamo un'occhiata ai risultati TLC. L'acetoacetato di etile è altamente non polare e viaggerà vicino al fronte del solvente su una piastra TLC. Il suo prodotto con boroidrouro di sodio, etil 3-idrossibutarato, è leggermente più polare e non viaggerà così lontano. Nel frattempo, il prodotto con litio alluminio idruro, 1,3-butanediolo, è ancora più polare, facendolo viaggiare meno su per la piastra
Ora, esaminiamo i risultati IR. L'acetoacetato di etile ha due picchi che corrispondono allo stiramento del legame carbonilico. Uno, circa 1.650 numeri d'onda, è il chetone e l'altro, circa 1.730, è l'estere. Lo spettro del primo prodotto è simile, tuttavia ha un solo picco carbonilico e ha guadagnato un ampio picco di allungamento dell'alcol O-H a circa 3.200 numeri d'onda. Il secondo prodotto mostra una perdita di entrambi i picchi carbonilici, illustrando la maggiore reattività dell'idruro di litio alluminio
Il controllo della selettività e della reattività sono importanti e devono essere bilanciati in molte reazioni organiche. Diamo un'occhiata ad alcuni modi in cui questo è fatto.
Oltre a ridurre selettivamente i gruppi funzionali, gli agenti riducenti possono reagire in modo stereospecifico, portando a prodotti con diverse strutture tridimensionali. Ad esempio, la riduzione di 4-terz-butil-cicloesanoneto 4-terz-butil-cicloesanolo produce due diversi stereoisomeri, a seconda della direzione da cui l'idruro attacca il carbonile. L'idruro di litio alluminio attacca dal lato assiale, producendo il prodotto trans. Un altro agente riducente, L-selectride, attacca dal lato equatoriale, producendo il prodotto cis.
Infine, possiamo modificare selettivamente altri tipi di molecole, come le proteine. Ad esempio, le maleimmidi formano specificamente legami con gruppi tiolici, ma non con altri nucleofili. In una proteina, gli unici gruppi tiolici presenti sono nell'amminoacido cisteina, quindi le maleimmidi formeranno solo legami con quelle parti della molecola. I biochimici possono utilizzare questi composti con coloranti attaccati per illuminare regioni specifiche di una proteina
Hai appena visto l'introduzione di JoVE alla chemioselettività nelle reazioni di riduzione. Ora dovresti capire come diversi agenti riducenti possono produrre prodotti diversi quando reagiscono con i carbonili. Grazie per l'attenzione!
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Results
Figura 1. Risultati IR rappresentativi per il 3-idrossibutirrato di etile.
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Applications and Summary
Le tendenze della reattività del carbonile e della capacità del donatore di idruro sono state esaminate e dimostrate. La reattività visiva dei due reagenti comunemente usati è evidente e può essere apprezzata.
La comprensione della reattività dei reagenti e dei gruppi funzionali è di grande importanza quando si sviluppano nuovi metodi per la riduzione o qualsiasi altro tipo di reazione. Il controllo della selettività e della reattività di qualsiasi reazione è un fattore importante da considerare quando si decide sui reagenti utilizzati per una fase chimica. Questo spinge i chimici a sviluppare nuovi reagenti e nuovi metodi.
La revisione delle tendenze periodiche è ancora importante in chimica organica. Ad esempio, quando si aggiunge il metallo di potassio all'acqua, c'è un'esplosione più violenta rispetto a quando il metallo di sodio viene aggiunto all'acqua. Per questo motivo, potremmo estendere questa analogia al confronto e al ragionamento sul perché LiAlH4 è più reattivo di NaBH4.
Sull'intero spettro di nucleofili ed elettrofili, la reattività è importante. Un nucleofilo debole non reagirà con un elettrofilo debole; ma un elettrofilo più reattivo potrebbe reagire con lo stesso nucleofilo debole. Tutto dipende dalla loro reattività e dalle condizioni.
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