Birchova redukce

Birchova redukce je organická reakce využívaná v organické syntéze. Popsal ji roku 1944 australský chemik Arthur Birch při práci v laboratoři Dysona Perrinse na Oxfordské univerzitě[1][2][3][4][5][6] v návaznosti na dřívější práce Woostera a Godfreye zveřejněné roku 1937.[7]

Tato reakce slouží k přeměně aromatických sloučenin na výsledné produkty (cyklohexa-1,4-dieny) s vodíkovými atomy připojenými na protější strany molekuly. Probíhá v kapalném amoniaku za přítomnosti sodíku, lithia nebo draslíku a alkoholu, například ethanolu nebo terc-butanolu. Je odlišná od katalytické hydrogenace, při níž vzniká cyklohexan.

V původní reakci popsané Arthurem Birchem byly použity sodík a ethanol. Alfred Wilds později zjistil, že při použití lithia se dojde k lepší výtěžnosti.[8] Rovněž se začal běžně používat terc-butanol.

Birchova redukce
Birchova redukce

Dalším příkladem je redukce naftalenu:

Birchova redukce naftalenu
Birchova redukce naftalenu

Bylo publikováno několik prací o této reakci.[9][10][11][12]

Základní reakční mechanismus

Roztok sodíku v kapalném amoniaku obsahuje elektridovou sůl [Na(NH3)x]+ e−, která má intenzivní modré zbarvení. K aromatickému kruhu jsou připojeny solvatované elektrony, které vytvářejí radikálový anion. Přidaný alkohol dodává radikálovému aniontu a také předposlednímu karbaniontu proton; pro většinu substrátů není amoniak dostatečně kyselý.

Reakční mechanismus Birchovy redukce
Reakční mechanismus Birchovy redukce

Regioselektivita reakce

Regioselektivita Birchovy redukce může být ovlivněna řadou způsobů (zmíněných níže). Birchovo pravidlo pro aromatické sloučeniny s donory elektronů jako jsou methoxylové či alkylové skupiny říká, že produkt bude mít dvojné vazby umístěné takovým způsobem, že na ně bude navázán maximální možný počet substituentů. U aromatických sloučenin se skupinami snižujícími elektronovou hustotu, jako je karboxyl, vzniknou dvojné vazby naopak tak, aby nenesly žádné substituenty. V obou případech nejsou tyto zbylé dvojné vazby konjugované.

Regioselektivitu Birchovy redukce lze ovlivnit zejména těmito způsoby:

  • V kapalném amoniaku se alkalické kovy rozpouštějí za vzniku modrého roztoku, o němž se zjednodušeně předpokládá, že má „volné elektrony“. Tyto elektrony jsou aromatickým kruhem postupně absorbovány. Jakmile je absorbován první elektron, vzniká radikálový anion. Následně molekula alkoholu uvolní hydroxylový vodík a vytvoří se nová vazba uhlík-vodík, čímž vznikne radikál. Následně je absorbován druhý elektron za tvorby karbaniontu cyklohexadienylového typu (tedy C=C-C-C=C v šestičlenném cyklu se záporným nábojem). Následně je tento cyklohexadienylový anion protonován za přítomnosti alkoholu. K protonaci dochází ve středu cyklohexadienylového systému. Takováto regioselektivita je charakteristická.
  • Na strukturu produktu má vliv místo, kde byl radikálový anion protonován. Při použití elektronových donorů jako jsou methoxyskupina (MeO) a alkylové skupiny, dojde podle některých výzkumníků k orto (tedy 1,2) protonaci. Podle jiných (i samotného Arthura Birche) proběhne meta (1,3) protonace.

U substituentů „odtahujících“ elektrony se předpokládá para (1,4) protonace. Podle Birchových empirických pravidel by se v případě elektronových donorů měl vytvořit produkt s nejvyšším možným počtem substituentů na místech, kde vzniknou výsledné dvojné vazby. Substituenty „odtahující“ elektrony by se měly připojit na uhlíkové atomy, ze kterých nevycházejí dvojné vazby.

  • Součástí reakčního mechanismu jsou různé detaily molekulárních změn. U donorových skupin předpokládal Birch, že upřednostňování polohy meta je způsobeno kvalitativními důvody, což však nebylo experimentálně ověřeno.
  • V roce 1961 bylo jednoduchým výpočtem elektronové hustoty zjištěno, že největší záporný náboj, a tedy i pravděpodobnost protonace, je v pozici ortho. Další protonace by měla probíhat ve středu cyklohexadienylového aniontu, za vzniku nekonjugovaného produktu.

Mechanismus

Mechanismus Birchovy redukce byl předmětem mnoha diskusí. Původně se předpokládalo, že u methoxy- a alkylových skupin dochází k protonaci radikálového aniontu. Později bylo navrhnuto, že poslední krok, protonace cyklohexadienylového aniontu, probíhá v ortho-pozici vzhledem k substituentům. Původní Birchův mechanismus byl založen na kvalitativním uvažování o elektronové hustotě radikálového aniontu.[1]

V roce 1961 bylo Hückelovou metodou spočítáno, že Birchem navržený mechanismus nebyl správný. Ze dvou možných mechanismů, zobrazených níže, je správný mechanismus O.[13][14]

Birchova redukce se substituenty „odtahujícími“ elektrony

Na rozdíl od variant se substituenty dodávajícími elektrony jsou varianty Birchovy redukce se substituenty „odtahujícími“ elektrony přehlednější. Dianion D je zachycován alkylhalogenidy.

Níže je zobrazen mechanismus redukce kyseliny benzoové se zahrnutím případné alkylace:

Tento dianion vzniká nezávisle na tom, zda je při redukci použit alkohol. Počáteční protonace t-butanolem probíhá většinou do polohy para.[15][16]

Birchova alkylace

Za přítomnosti alkylhalogenidu může u karbaniontu také dojít k nukleofilní substituci za tvorby vazby uhlík-uhlík. U substituovaných aromatických sloučenin se substituenty „odtahujícími“ elektrony, jako jsou karboxylové kyseliny, dochází ke stabilizaci a vzniku nejméně substituovaného alkenu. U skupin poskytujících elektrony dochází k opačnému procesu. Mezi produkty převládá méně termodynamicky stabilní nekonjugovaný 1,4-adukt nad stabilnějším 1,3-dienem, protože největší orbitalový koeficient nejvyššího obsazeného MO konjugovaného pentadienylového aniontového meziproduktu je na centrálním atomu uhlíku. Jakmile vznikne, tak se cyklohexa-1,4-dien nemůže dostat do rovnováhy s termodynamicky stabilnějším produktem; vzniká tak pozorovaný kinetický produkt. U Birchovy alkylace je anion vzniklý při Birchově redukci zachycen vhodným elektrofilem, například halogenalkanem:

Při níže zobrazené reakci dochází k připojení 1,4-dibrombutanu na t-butylbenzoát za vzniku alkylovaného cyklohexa-1,4-dienu jako produktu:[17]

Birchova alkylace
Birchova alkylace

Modifikace

Jelikož je amoniak kondenzován do baňky a po dokončení reakce se odpařuje, tak může být celý proces problematický a časově náročný. Lze ovšem použít i jiná rozpouštědla, jako například tetrahydrofuran (THF)[18][19] nebo směs n-propylaminu s ethylendiaminem,[20] v obou případech s podobnými výsledky. Druhý z těchto postupů je ve skutečnosti modifikací Benkeserovy reakce, kterou se v její původní podobě redukuje naftalen na oktahydro- a dekahydronaftalen.

Modifikovaná Benkeserova redukce
Modifikovaná Benkeserova redukce

Při takovéto redukce naftalenu na isotetralin (1,4,5,8-tetrahydronaftalen) vzniká rovněž tetralin (1,2,3,4-tetrahydronaftalen) jako vedlejší produkt, podobně jako u pravé Birchovy redukce.

Odkazy

Související články

Externí odkazy

Reference

V tomto článku byl použit překlad textu z článku Birch reduction na anglické Wikipedii.

  1. ↑ a b Birch, A. J. Reduction by dissolving metals. Part I. J. Chem. Soc.. 1944, s. 430. DOI 10.1039/JR9440000430. (anglicky) 
  2. ↑ Birch, A. J. Reduction by dissolving metals. Part II. J. Chem. Soc.. 1945, s. 809. DOI 10.1039/jr9450000809. (anglicky) 
  3. ↑ Birch, A. J. Reduction by dissolving metals. Part III. J. Chem. Soc.. 1946, s. 593. DOI 10.1039/jr9460000593. (anglicky) 
  4. ↑ Birch, A. J. Reduction by dissolving metals. Part IV. J. Chem. Soc.. 1947, s. 102. DOI 10.1039/jr9470000102. (anglicky) 
  5. ↑ Birch, Arthur J. Reduction by dissolving metals. Part V. J. Chem. Soc.. 1947, s. 1642. DOI 10.1039/jr9470001642. (anglicky) 
  6. ↑ Birch, A. J.; MUKHERJI, S. M. Reduction by dissolving metals. Part VI. Some applications in synthesis. J. Chem. Soc.. 1949, s. 2531. DOI 10.1039/jr9490002531. (anglicky) 
  7. ↑ WOOSTER, C. B.; GODFREY, K. L. Mechanism of the Reduction of Unsaturated Compounds with Alkali Metals and Water. Journal of the American Chemical Society. 1937, s. 596. DOI 10.1021/ja01282a504. (anglicky) 
  8. ↑ Wilds, A. L.; NELSON, N. A. A Superior Method for Reducing Phenol Ethers to Dihydro Derivatives and Unsaturated Ketones. J. Am. Chem. Soc.. 1953, s. 5360–5365. DOI 10.1021/ja01117a064. (anglicky) 
  9. ↑ Birch, A. J.; SMITH, H. Reduction by metal–amine solutions: applications in synthesis and determination of structure. Quart. Rev.. 1958, s. 17. DOI 10.1039/qr9581200017. (anglicky) 
  10. ↑ Caine, D. Reduction and Related Reactions of α,β-Unsaturated Carbonyl Compounds with Metals in Liquid Ammonia. Org. React.. 1976, s. 1–258. ISBN 0471264180. DOI 10.1002/0471264180.or023.01. (anglicky) 
  11. ↑ Rabideau, P. W.; MARCINOW, Z. The Birch Reduction of Aromatic Compounds. Org. React.. 1992, s. 1–334. ISBN 0471264180. DOI 10.1002/0471264180.or042.01. (anglicky) 
  12. ↑ Mander, L. N. Partial Reduction of Aromatic Rings by Dissolving Metals and by Other Methods. Comp. Org. Syn.. 1991, s. 489–521. ISBN 978-0-08-052349-1. DOI 10.1016/B978-0-08-052349-1.00237-7. (anglicky) 
  13. ↑ Zimmerman, H. E. Orientation in Metal Ammonia Reductions. Tetrahedron. 1961, s. 169–176. DOI 10.1016/0040-4020(61)80067-7. (anglicky) 
  14. ↑ "Base-Catalyzed Rearrangements," Chapter 6 of "Molecular Rearrangements," Zimmerman, H. E., Ed. P. DeMayo, Interscience, 345–406, New York, 1963.
  15. ↑ Bachi, J. W.; EPSTEIN, Y.; HERZBERG-MINZLY, H.; LOEWNENTHAL, J. E. Synthesis of compounds related to gibberellic acid. III. Analogs of ring a of the gibberellins. J. Org. Chem.. 1969, s. 126–135. DOI 10.1021/jo00838a030. (anglicky) 
  16. ↑ Guo, Z.; SCHULTZ, A. G. Organic synthesis methodology. Preparation and diastereoselective birch reduction-alkylation of 3-substituted 2-methyl-2,3-dihydroisoindol-1-ones. J. Org. Chem.. 2001, s. 2154–2157. DOI 10.1021/jo005693g. PMID 11300915. (anglicky) 
  17. ↑ Clive, Derrick L. J.; SUNASEE, RAJESH. Formation of Benzo-Fused Carbocycles by Formal Radical Cyclization onto an Aromatic Ring. Organic Letters. 2007, s. 2677–2680. DOI 10.1021/ol070849l. PMID 17559217. (anglicky) 
  18. ↑ Ecsery, Zoltan; MULLER, MIKLOS. Reduction vitamin D2 with alkaly metals. Magyar kémiai folyóirat. 1961, s. 330–332. (anglicky) 
  19. ↑ Donohoe, Timothy J.; HOUSE, DAVID. Ammonia Free Partial Reduction of Aromatic Compounds Using Lithium Di-tert-butylbiphenyl (LiDBB). Journal of Organic Chemistry. 2002, s. 5015–5018. DOI 10.1021/jo0257593. PMID 12098328. (anglicky) 
  20. ↑ Garst, Michael E.; LLOYD J.; SHERVIN; N. ANDREW; NATALIE C.; ALFRED A. Reductions with Lithium in Low Molecular Weight Amines and Ethylenediamine. Journal of Organic Chemistry. 2000, s. 7098–7104. DOI 10.1021/jo0008136. PMID 11031034. (anglicky) 

Zdroj