Redukcja brzozy - Birch reduction

Redukcja brzozy
Nazwany po	Arthur Birch
Typ reakcji	Organiczna reakcja redoks
Identyfikatory
Portal chemii organicznej	brzoza redukcyjna
Identyfikator ontologii RSC	RXNO: 0000042

Redukcji Bircha jest reakcja organiczny, który jest użyty do konwersji Arenes do cykloheksadien . Reakcję nazwany australijskim chemika Arthur Birch i obejmuje redukcję organicznych z pierścieni aromatycznych, w ciekłym amoniaku z sodu , litu lub potasu i alkoholu , takiego jak etanol i tert -butanol . Ta reakcja jest odmienna od katalitycznego uwodornienia , które zwykle redukuje pierścień aromatyczny aż do cykloheksanu .

Przykładem jest redukcja naftalenu :

Podstawowy mechanizm reakcji

Roztwór sodu w ciekłym amoniaku składa się z soli elektrolitycznej [Na (NH ₃ ) _x ] ⁺ e ^- , która ma bardzo intensywny niebieski kolor. W solwatowane elektrony dodać do pierścienia aromatycznego z wytworzeniem rodnika anion . Dodany alkohol dostarcza proton do rodnikowego anionu, a także do przedostatniego karboanionu; w przypadku większości podłoży amoniak nie jest wystarczająco kwaśny.

Regioselektywność

Redukcja anizolu jest jednym z najprostszych przykładów i jest pokazana w równaniu 1. Redukcja kwasu benzoesowego jest zilustrowana równaniem 2.

Położenie na pierścieniu, w którym rodnik anion jest początkowo protonowany, determinuje strukturę produktu. W przypadku donora elektronów, takiego jak metoksy (MeO), niektórzy badacze uważali protonowanie alkilu za orto (tj. Sąsiadujące lub 1,2) względem podstawnika. Inni badacze sądzili, że protonowanie jest meta (1,3) do podstawnika. Arthur Birch uprzywilejowanych meta protonacji. Uważa się, że w przypadku podstawników odciągających elektrony protonacja zachodzi w miejscu podstawnika (ipso) lub para (1,4), ale jest to również niejasne. Reguły empiryczne AJ Bircha mówią, że dla podstawników donorowych produkt końcowy ma maksymalną liczbę podstawników na końcowych wiązaniach podwójnych. W przypadku grup wyciągających elektrony podwójne wiązania produktu unikają podstawników. Preferencja umieszczania grup podczas reakcji i w produkcie końcowym jest określana jako regioselektywność.

Ogólne szczegóły mechanizmu reakcji

Roztwór metalu w amoniaku dostarcza elektronów, które są wychwytywane przez pierścień aromatyczny w celu utworzenia odpowiedniego rodnikowego anionu B w pierwszym etapie reakcji. Następnie następuje protonowanie przez alkohol w celu utworzenia rodnika cykloheksadienylowego C. Następnie drugi elektron jest przenoszony do rodnika, tworząc karbanion cykloheksadienylowy D. W ostatnim etapie drugi proton prowadzi karboanion cykloheksadienylowy do nieskoniugowanego produktu cykloheksadienylowego. Kroki te opisano poniżej w przypadku anizolu.

Wiadomo, że reakcja jest trzeciego rzędu - pierwszego rzędu w grupie aromatycznej, pierwszego rzędu w metalach alkalicznych i pierwszego rzędu w alkoholu. Wymaga to, aby etapem ograniczającym szybkość była konwersja rodnika anionu B do rodnika cykloheksadienylowego C.

Regioselektywność reakcji

Redukcja Birch ma kilka skomplikowanych mechanistycznych cech. Te cechy rządzą regioselektywnością reakcji i są omówione poniżej. Reguła Bircha dla związków aromatycznych z donorami elektronów, takimi jak metoksyl lub alkil, jest taka, że produkt będzie miał resztkowe wiązania podwójne z maksymalną liczbą podstawników. W przypadku aromatów z grupami wyciągającymi elektrony, takimi jak karboksyl, grupy podstawnikowe unikają podwójnych wiązań. W obu przypadkach, w przypadku dawców elektronów i grup wycofujących się, resztkowe wiązania podwójne są nieskoniugowane (patrz poniżej). Mechanizmy reakcji odpowiadające za tę regioselektywność są przedmiotem wielkiego zainteresowania naukowego. Podstawowe cechy to:

W ciekłym amoniaku metale alkaliczne rozpuszczają się, dając niebieski roztwór, który w uproszczeniu można uznać za posiadający „ wolne elektrony ”. Elektrony są wychwytywane pojedynczo przez pierścień aromatyczny. Po zaabsorbowaniu pierwszego elektronu powstał rodnikowy anion. Następnie cząsteczka alkoholu przekazuje swój wodór hydroksylowy, tworząc nowe wiązanie C – H ; w tym momencie uformował się radykał . Następnie drugi elektron jest wychwytywany, dając karboanion typu cykloheksadienylowego (tj. Z C = C – C – C = C w sześcioczłonowym pierścieniu z ładunkiem ujemnym). Następnie ten anion cykloheksadienylowy jest protonowany przez obecny alkohol. Protonacja zachodzi w centrum układu cykloheksadienylowego. Ta (regio-) selektywność jest charakterystyczna.
To, gdzie rodnik anion jest początkowo protonowany, determinuje strukturę produktu. W przypadku donora elektronów, takiego jak metoksy (MeO) lub z grupą alkilową, niektórzy badacze uważali protonowanie za orto (tj. Sąsiadujące lub 1,2) względem podstawnika. Inni badacze sądzili, że protonowanie jest meta (1,3) do podstawnika. Arthur Birch uprzywilejowanych meta protonacji. Uważa się, że w przypadku podstawników odciągających elektrony protonacja zachodzi w miejscu podstawnika (ipso) lub para (1,4). Znowu pojawiły się różne opinie. Reguły empiryczne AJ Bircha mówią, że dla podstawników donorowych produkt końcowy ma maksymalną liczbę podstawników na końcowych wiązaniach podwójnych. W przypadku grup wyciągających elektrony podwójne wiązania produktu unikają podstawników. Preferencja umieszczania grup w mechanizmie i produkcie końcowym jest nazywana regioselektywnością.
Mechanizm reakcji dostarcza szczegółów dotyczących zmian molekularnych w trakcie przebiegu reakcji. W przypadku oddawania grupy, preferencja dla AJ Birch meta protonowanie anionu radykalnego była oparta na rozumowaniu jakościowym, ale nie wykazano doświadczalnie.
W 1961 r. Proste obliczenie gęstości elektronów rodnikowego anionu ujawniło, że to miejsce orto było najbardziej ujemne, a zatem najprawdopodobniej ulegało protonowaniu. Ponadto obliczono, że drugie protonowanie zachodzi w centrum anionu cykloheksadienylowego, dając produkt nieskoniugowany.
Niepewność w literaturze chemicznej ma teraz znaczenie tylko historyczne. Rzeczywiście, kilka kolejnych wyników obliczeniowych donoszono, które różnią się od sugeruje preferencję meta rodnik protonowanie anionu do sugestii, mieszaniny orto- i meta protonowania.
W latach 1990 i 1993 opracowano ezoteryczny test, który wykazał, że orto protonowanie anionu rodnika było preferowane nad meta (siedem do jednego). Towarzyszyły temu bardziej nowoczesne obliczenia, które były zgodne. Zarówno eksperyment, jak i obliczenia były zgodne z obliczeniami z początku 1961 roku.
Z grupami elektronoakceptorowymi są przykłady w literaturze wykazujące charakter karboanionu przed końcowym protonowania, wyniki wskazują, że początkowa rodnik protonowanie anionu występuje para podstawnika wycofującego.
Pozostałą kwestią do dyskusji jest końcowe protonowanie anionu cykloheksadienylowego. W 1961 roku stwierdzono, że proste obliczenia Hückela nie były w stanie rozróżnić różnych miejsc protonowania. Jednak gdy obliczenia zostały zmodyfikowane z nieco bardziej realistycznymi założeniami, obliczenia Hückela ujawniły preferowany węgiel w środku. Bardziej nowoczesne obliczenia z lat 1990 i 1993 były zgodne.

Mechanizm

Mechanizm redukcji brzozy był przedmiotem wielu dyskusji. Oryginalny mechanizm redukcji brzozy wywoływał protonowanie rodnikowego anionu, który był meta do pierścieniowych grup metoksylowych i alkilowych. Ponadto zaproponowano, że ostatni etap, protonowanie anionu cykloheksadienylowego, zachodzi w pozycji orto w stosunku do tych podstawników. Oryginalny mechanizm Bircha opierał się na rozumowaniu jakościowym, a mianowicie, że gęstość elektronów rodnikowego anionu , wynikająca z dodania elektronu, byłaby najwyższa meta dla donora elektronów (takiego jak metoksy lub metyl) ze względu na uniknięcie zwykłej gęstości orto - para o wysokiej gęstości. u gatunków neutralnych.

W 1961 roku proste obliczenia Hückela wykazały, że mechanizm zaproponowany przez Bircha był niepoprawny. Poniżej przedstawiono prawidłowy mechanizm O. Dwa alternatywne mechanizmy O i M a priori :

Brzoza nie przyjął ten wniosek i nadal sugeruje meta protonowanie anionu radykalnego. Zasugerował, że metaatak wynika z „opozycji orto i para początkowego ładunku”. Bothner-By w 1959 roku dał argumenty jakościowe sprzyjanie meta -protonation jak to sugerowano wcześniej przez Birch.

Burnham w 1969 doszedł do wniosku, że jest mało prawdopodobne, aby protonacja wystąpiła głównie w pozycji orto, a reakcja najprawdopodobniej zachodzi w pozycji meta, ale może zachodzić w obu miejscach z podobną szybkością.

Następnie Birch w artykule przeglądowym zauważył, że w tamtym czasie nie istniała żadna metoda eksperymentalna, która pozwalałaby na rozróżnienie prawidłowego mechanizmu. Ale zauważył, że publikacja Burnhama faworyzowała metaatak .

W 1980 publikacjach Birch współpracował z Leo Radomiu w badaniu, że stwierdził, że gęstość elektronów w pozycji orto i meta pozycjach być blisko z lekkim orto preferencji, ale z mieszaniny orto i meta protonowanie występujące. Ograniczona metoda Hartree-Focka na orbitalu typu slater (3-g) i nieograniczona na orbicie typu slater typu Hartree-Fock na tej samej podstawie obliczeń zestawów użytych do stwierdzenia, że zarówno podstawienia orto, jak i meta wystąpią z niewielką preferencją dla orto .

Testowanie eksperymentalne i weryfikacja obliczeniowa

Następnie, w latach 1990 i 1993, ostatecznie opracowano metodę eksperymentalnej oceny, czy anizol i rodnik toluenowy są protonowane w orto lub meta . Metoda ezoteryczna rozpoczęła się od założenia, że selektywność izotopów w protonowaniu w ośrodku protonowo-deuterowym byłaby większa dla anionu rodnikowego z pierwszego etapu protonowania niż dla karboanionu z etapu przedostatniego. Rozumowanie było takie, że karboaniony są znacznie bardziej zasadowe niż odpowiadające im rodniki anionowe, a zatem będą reagować bardziej egzotermicznie i mniej selektywnie podczas protonowania. Eksperymentalnie ustalono, że mniej deuteru w miejscu orto niż meta daje (1: 7) dla różnych metoksylowanych aromatów. Jest to konsekwencja większej selektywności rodnikowego protonowania anionów. Obliczenia (np. ROHF / 6-31g) gęstości elektronów były zgodne z obserwacjami eksperymentalnymi. Stwierdzono również, że graniczne gęstości orbity nie uległy zmianie i zostały one wykorzystane w niektórych wcześniejszych raportach.

Następnie, w 1992 i 1996 Birch publikowane dwa razy nadal sugeruje, że meta była preferowana protonowanie. Było to odwrócenie jego wcześniejszych poglądów opublikowanych z Leo Radom.

Jednakże, podręczniki, publikacji w mechanizm redukcji Bircha, zauważyli, że w pozycji orto korzystne jest protonowanie anionu rodnika początkowej.

Redukcja brzozy z podstawnikami odciągającymi elektrony

W przeciwieństwie do przykładów z podstawnikami będącymi donorami elektronów, przypadek grup wycofujących jest bardziej oczywisty. Tak więc, jak przedstawiono poniżej, struktura przedostatniego dianionu D charakteryzuje się tym, że podlega pułapkowaniu przez halogenki alkilowe.

Mechanizm redukcji kwasów benzoesowych, w tym ewentualna alkilacja

Ten dianion jest niezależny od tego, czy do redukcji użyto alkoholu, czy nie. Zatem początkowa protonacja przez alkohol tert - butylowy lub amoniak jest raczej para niż ipso, jak widać na etapie od B do C.

Drugi etap redukcji brzozy z regiochemią dającą nieskoniugowane cykloheksadieny

Drugi etap redukcji brzozy, dostarczający nieskoniugowanych cykloheksadienów, również stawia pytania mechanistyczne. Tak więc, jak pokazano na poniższym rysunku, dla karboanionu istnieją trzy struktury rezonansowe B, C i D. Proste obliczenia Hückela prowadzą, jak zauważono w pierwszym wpisie poniższej tabeli, do równych gęstości elektronów przy trzech atomach 1, 3 i 5. Jednak w przeciwieństwie do gęstości obliczenia Hückela są mniej naiwne w odniesieniu do porządków obligacji i wiązań 2– 3 i 5–6 zostaną skrócone, jak pokazano w pierwszym wpisie w tabeli. Przy użyciu rzędów wiązań modyfikujących proste całki wymienne w obliczeniach Mullikena-Whelanda-Manna wykazano, że gęstość elektronów w centralnym atomie 1 stała się największa. Bardziej nowoczesne obliczenia RHF prowadzą do tego samego wyniku.

Wprowadzenie elektronów do benzenu i 3 struktury rezonansowe dla karboanionu w drugim etapie i centralne protonowanie w celu uzyskania nieskoniugowanego dienu:

Pięć atomów węgla anionu cykloheksadienylowego.

Przybliżenie	Atom gęstości 3	Gęstość Atom 1	Kolejność obligacji 2–3	Kolejność obligacji 1–2
Hückel (ok. 1)	0.333	0.333	0,788	0,578
2 ok	0.317	0,365	0,802	0,564
3 ok	0.316	0,368	0,802	0,562

Znane są precedensy centralnego protonowania anionów. W ten sposób sprzężone enolany jako C = CC = CO- były znane od pewnego czasu jako kinetycznie protonujące w centrum układu enolanowego, dając β, γ-nienasycony związek karbonylowy w warunkach, w których anionem, a nie enolem, jest protonowany.

Alkilacja brzozy

W obecności halogenku karboanion można również poddać podstawieniu nukleofilowemu z wiązań węgiel-węgiel formacji. W podstawionych związkach aromatycznych podstawnik odciągający elektrony , taki jak kwas karboksylowy , stabilizuje karboanion i powstaje najmniej podstawiona olefina . W przypadku podstawnika oddającego elektrony uzyskuje się odwrotny efekt. Reakcja wytwarza więcej mniej stabilnego termodynamicznie niesprzężonego produktu 1,4-addycji niż bardziej stabilny sprzężony 1,3-dien, ponieważ największy współczynnik orbity HOMO sprzężonego pośredniego anionu pentadienylowego znajduje się na centralnym atomie węgla. Po utworzeniu powstały 1,4-cykloheksadien nie jest w stanie osiągnąć równowagi z bardziej stabilnym termodynamicznie produktem; w związku z tym powstaje obserwowany produkt kinetyczny. Istnieją również eksperymentalne alternatywy metali alkalicznych, które są bezpieczniejsze w użyciu, takie jak środek redukujący M-SG .

W Birch alkilowania z anionem utworzonym w redukcji Bircha jest uwięziony w odpowiednim związkiem elektrofilowym , takim jak fluorowcoalkanem , na przykład:

W reakcji przedstawionej poniżej, 1,4-dibromobutan dodaje się do benzoesanu tert -butylu w celu utworzenia alkilowanego produktu 1,4-cykloheksadienu:

Modyfikacje

Ponieważ ciekły amoniak musi zostać skroplony w kolbie i musi odparować przez noc po zakończeniu reakcji, cała procedura może być dość kłopotliwa i czasochłonna. Jednak zastosowano alternatywne rozpuszczalniki, takie jak THF, a także mieszaninę n- propyloaminy i etylenodiaminy , oba z porównywalnymi wynikami. Ta ostatnia w rzeczywistości jest modyfikacją reakcji Benkesera , która w swojej pierwotnej postaci ma tendencję do redukcji naftalenu aż do oktahydro- i dekahydronaftalenu.

Ta redukcja naftalenu do izotetraliny (1,4,5,8-tetrahydronaftalenu) daje pewną ilość tetraliny (1,2,3,4-tetrahydronaftalenu) jako produktu ubocznego, jak ma to miejsce w przypadku zwykłej redukcji brzozy.

Redukcja może być zasilana zewnętrznym potencjałem anody protektorowej (magnezowej lub aluminiowej). Dimetylomocznik , donor protonów, stabilizuje półprodukt jonami litu (z soli).

Historia

Reakcję przypisuje się Arthurowi Birchowi (1915–1995) podczas pracy w Laboratorium Dysona Perrinsa na Uniwersytecie Oksfordzkim , opierając się na wcześniejszej pracy Woostera i Godfreya opublikowanej w 1937 r. Przekształca ona związki aromatyczne z pierścieniem benzenoidowym w produkt, 1 , 4-cykloheksadieny , w których dwa atomy wodoru zostały przyłączone na przeciwnych końcach cząsteczki.

Pierwotna reakcja opisana przez Bircha w 1944 r. Wykorzystywała sód i etanol . Alfred L. Wilds odkrył później, że lit daje lepsze plony.

Dodatkowe czytanie

Caine, D. (1976). „Redukcja i powiązane reakcje α, β-nienasyconych związków karbonylowych z metalami w ciekłym amoniaku”. Org. Reagować. (przejrzeć). 23 : 1–258. doi : 10.1002 / 0471264180. lub023.01 . ISBN 0471264180 .

Languages

In other projects