Войти
Лестницы окисления, подобные этой, используются для иллюстрации последовательностей карбонилов, которые могут взаимно превращаться в результате окисления или восстановления. In органическая химия, восстановление карбонила - это органическое восстановление любой карбонильной группы с помощью восстановителя.
Типичными карбонильными соединениями являются кетоны, альдегиды, карбоновые кислоты, сложные эфиры и галогенангидриды. карбоновые кислоты, сложные эфиры и кислоты галогениды могут быть восстановлены либо до альдегидов, либо на последующей стадии до первичных спиртов, в зависимости от концентрации восстанавливающего агента; альдегиды и кетоны могут быть восстановлены соответственно до первичных и вторичных спиртов. В деоксигенации спирт может быть дополнительно восстановлен и полностью удален.
Гидриды металлов на основе бора и алюминия являются обычными восстановителями; каталитическое гидрирование также является важным методом восстановления карбонилов. До открытия растворимых гидридных реагентов, сложные эфиры восстанавливали с помощью восстановления Буво-Блана, используя смесь металлического натрия в присутствии спиртов.
Механизм реакции для гидрида металла восстановление основано на нуклеофильном присоединении гидрида к карбонильному углероду. В некоторых случаях катион щелочного металла, особенно Li, активирует карбонильную группу за счет координации с кислородом карбонила, тем самым повышая электрофильность карбонила.
Для восстановления производных карбоновой кислоты после восстановления ионом гидрида алюминия удаление приводит к альдегидному продукту (который может быть восстановлен во второй раз до спирта):
Для восстановления альдегидов и кетонов ион гидрида алюминия восстанавливает соединение с образованием соли алкоксида. После полного восстановления алкоксид протонируется с образованием спиртового продукта:
Резонансные структуры различных карбонилов, упорядоченные от наиболее стабильных (наименее реактивных) до наименее стабильных (наиболее реактивных) Кетоны менее реакционноспособны, чем альдегиды, из-за больших стерических эффектов и потому, что дополнительная алкильная группа может передавать электронную плотность частичному положительному заряду полярной связи C = O. Следовательно, альдегиды восстанавливаются легче, чем кетоны, и требуют более мягких реагентов и более мягких условий. Карбоновые кислоты и сложные эфиры дополнительно стабилизируются присутствием второго атома кислорода, который может отдавать неподеленную пару в уже полярную связь C = O. Ацилгалогениды являются наименее стабильными из карбонилов, поскольку галогениды являются плохими донорами электронов, а также большими уходящими группами.
. Результатом этих тенденций в реакционной способности карбонила является то, что галогенангидриды, кетоны и альдегиды обычно являются наиболее легко восстанавливаемыми соединениями, тогда как кислоты и сложные эфиры требуют более сильного восстановления.
Четыре основных фактора влияют на силу восстановителей гидрида металла. Во-первых, способность противоиона активировать карбонилы зависит от того, насколько хорошо он может координироваться с кислородом карбонила. Литий меньше и более электрофилен, чем натрий, поэтому он гораздо сильнее координирует свои действия и больше активирует карбонил. Металлы, которые могут иметь несколько зарядов (такие как Mg, Al и Zn), образуют катионы с высокой плотностью заряда и, следовательно, также являются более сильными активаторами, чем Na.
Во-вторых, центральный металл может влиять на прочность восстановителя. Алюминий крупнее бора, поэтому он слабее связывается с гидридами, которые более подвержены атакам; поэтому гидриды алюминия являются лучшими восстановителями, чем боргидриды. Третий фактор, стерильность, делает некоторые замещенные гидриды (гидриды, в которых один или несколько гидридов заменены заместителями) гораздо более слабыми восстановителями, чем гидриды других металлов: триацетоксиборгидрид натрия (NaBH (OAc) 3), например, можно использовать для селективного восстановления альдегидов и оставить менее реакционноспособные кетоны непрореагировавшими.
Наконец, заместители могут иметь другие эффекты на реакционную способность восстанавливающего агента: ацетоксигруппы препятствуют восстановительной способности NaBH (OAc) 3 не только из-за стерического объема, но также потому, что они акцептируют электроны. Цианогруппы также препятствуют восстановлению агентов, в то время как электронодонорные группы, такие как алкильные группы, могут их улучшать, например, в супергидриде (триэтилборгидрид лития), который является достаточно сильным нуклеофилом для предотвращения нежелательного перестановки при редукции.
Из-за этих эффектов заместителей NaBH 3 CN является очень плохим восстановителем при умеренном pH (>4), поэтому он предпочитает восстановительное аминирование восстановлению карбонила, как показано ниже:
Относительно слабый восстановитель боргидрид натрия обычно используется для восстановления кетонов и альдегидов, потому что в отличие от литийалюмогидрида он допускает использование многих функциональных групп (нитрогруппы, нитрила, сложного эфира) и может использоваться с водой или этанолом в качестве растворителей. Литийалюминийгидрид и другие сильные восстановители, такие как диизобутилалюминийгидрид, L-селектрид, диборан, диазен и алюмогидрид, также могут восстанавливать альдегиды и кетоны, но не являются предпочтительными, поскольку они опасны и обладают высокой реакционной способностью. Однако эти соединения полезны для восстановления карбоновых кислот и сложных эфиров до спиртов, поскольку боргидрид натрия недостаточно мощный для этого.
В следующей таблице показано, какие карбонильные функциональные группы могут быть восстановлены с помощью восстанавливающих агентов (некоторые из этих реагентов различаются по эффективности в зависимости от условий реакции):
Образование альдегидов из производных карбоновых кислот часто является проблемой, потому что более слабые восстанавливающие агенты (NaBH 4) неспособны восстанавливать сложные эфиры и карбоновые кислоты, которые относительно стабильны, а более сильные восстанавливающие агенты (LiAlH 4) немедленно восстанавливают образованный альдегид до спирта.
Поскольку хлорангидриды менее стабильны, чем альдегиды и кетоны, их часто используют в сочетании со стерически затрудненными донорами ангидрида при синтезе альдегиды, потому что относительно слабый восстановитель будет реагировать предпочтительно с исходным хлорангидридом, оставляя альдегидный продукт непрореагировавшим. Для этой цели часто используется восстановитель DIBAL-H (гидрид диизобутилалюминия): хотя он обычно восстанавливает все карбонилы, он может прекратить восстановление по альдегиду, если используется только один эквивалент при низких температурах. LiAl (OtBu) 3 (образованный из LiAlH 4 и tBuOH in situ) также может останавливать восстановление альдегида посредством механизма, аналогичного DIBAL-H.
Традиционный метод образования альдегидов без восстановления до спиртов - с использованием затрудненных гидридов и реакционноспособных карбонилов - ограничен его узким объемом субстрата и большой зависимостью от условий реакции. Один из способов избежать этого метода - полностью восстановить производное карбоновой кислоты до спирта, а затем снова окислить спирт до альдегида. Другие альтернативы включают образование сложного тиоэфира или амида Вайнреба, затем восстановление новых частиц до альдегида посредством восстановления Фукуямы или реакции Вайнреба, соответственно, или с использованием каталитического гидрирования, как в реакции Розенмунда.
Превращение в тиоэфир с последующим восстановлением по Фукуяме В восстановлении по Фукуяме карбоновая кислота сначала превращается в тиоэфир путем добавления тиола (с механизмом, аналогичным этерификации ). Затем сложный тиоэфир восстанавливают до альдегида силилгидридом с палладиевым катализатором.
В реакции Вайнреба ацилхлорид сначала превращается в амид Вайнреба, затем обрабатывается металлоорганическим реагентом с образованием кетона или алюмогидрида лития с образованием альдегида:
Амид Вайнреба восстанавливается с помощью стабильного хелата, а не электрофильного карбонила, который образуется в результате восстановления гидрида металла; поэтому хелат восстанавливается только один раз, как показано ниже:
Реакция Розенмунда восстанавливает ацилхлориды до альдегидов с использованием газообразного водорода с катализатором палладий на сульфате бария, небольшая площадь поверхности которого предотвращает избыточное восстановление.
Механизм восстановления Вольфа-Кишнера Альдегиды и кетоны могут быть восстановлены не только до спиртов, но и до алканов. Некоторые реакции для этого превращения включают восстановление Клемменсена (в сильнокислых условиях) и восстановление Вольфа-Кишнера (в сильно основных условиях), а также различные модификации реакция Вольфа-Кишнера. В модификации Калиоти, например, используется тозилгидразон с донором гидрида в более мягких условиях без основания; модификация Майерса заменяет гидразин бис (трет-бутилдиметилсилил) -гидразином, использует более мягкие условия при комнатной температуре и является быстрой и эффективной.
Примеры енона и эналя В α, β-восстановление (также называемое конъюгатное восстановление ) субстрат представляет собой α, β-ненасыщенный карбонил, енон или енал.
Когда эти субстраты восстанавливаются, 1,2-восстановление, которое дает аллиловый спирт, конкурирует с 1,4-восстановлением, которое образует насыщенный кетон или альдегид. Следующее восстановление енона NaBH 4 показывает два возможных продукта: первый из 1,4-восстановления, а второй из 1,2-восстановления.
Чем более стерически затруднен еноновый субстрат, тем больше наверно 1,2 уменьшение делается. Кроме того, для селективного образования спирта и исключения продукта 1,4 в реакции Люше используется меньшая молекула Ce (BH 4)3(полученная из NaBH 4 и CeCl 3 объединены in situ) в качестве источника гидрида.
Источник гидрида Zn (BH 4)2также демонстрирует 1,2-селективность, а также более высокую диастереоселективность; он делает это путем координации не только с карбонильный кислород, но также и соседние атомы:
При восстановлении циклогексанонов источник гидрида может атаковать аксиально с образованием экваториального спирта, или экваториально для образования аксиального спирта. При осевом воздействии (показано красным) гидрид сталкивается с 1,3-диаксиальной деформацией. При экваториальном воздействии (показан синим) гидрид позволяет избежать 1,3-диаксиального взаимодействия, но субстрат подвергается неблагоприятной деформации кручения, когда вновь образованный спирт и добавленный атом водорода затмевают друг друга в промежуточном продукте реакции (как показано в t проекция Ньюмана для аксиального спирта).
Большие восстановители, такие как LiBH (Me 2 CHCHMe) 3, задерживаются 1,3-осевыми взаимодействиями и поэтому атакуют экваториально. Небольшие восстановители, такие как NaBH 4, предпочтительно атакуют в осевом направлении, чтобы избежать затменных взаимодействий, поскольку 1,3-диаксиальное взаимодействие для малых молекул минимально; Стереоэлектронные причины также приводились в пользу осевого предпочтения небольших восстановителей. Однако увеличение объема субстрата (и усиление 1,3-осевого взаимодействия) снижает распространенность аксиальных атак даже для небольших доноров гидридов.
Когда асимметричные кетоны уменьшаются, образующийся вторичный спирт имеет хиральный центр, которым можно управлять с помощью хиральных катализаторов.
Хорошо известными карбонильными восстановлениями в асимметричном синтезе являются асимметричное гидрирование Нойори (восстановление бета-кетоэфира / Ru / BINAP) и восстановление CBS (BH 3, хиральный катализатор на основе пролина).
