Dwa najważniejsze reduktory : LiAlH4 oraz NaBH4

Dwa najważniejsze reduktory : LiAlH_{4}    oraz  NaBH_{4}

 

Dla wielu z Was to pewnie temat łatwy, banalny i doskonale znany. I tak powinno właśnie być, jednak z doświadczenia wiem, że duży procent zawodników nie zdaje sobie sprawy z tego, jak niesamowicie ważne są te dwa reagenty, pojawiające się dosłownie na każdej edycji.

Nie wystarczy tylko wiedzieć, że oba te reagenty powodują redukcję grupy karbonylowej do alkoholu. Należy przede wszystkim znać różnicę w chemoselektywności tych dwóch odczynników.

Błąd, który popełnia wiele osób to można by powiedzieć przerost ambicji i jadą Claydena (i to wszystkie cztery tomy…) , jeszcze nawet zanim zrozumieją Murry’ego  (nie ma w samej tej idei absolutnie nic złego – po prostu należy pamiętać, że na Olimpiadę zdecydowanie lepiej wiedzieć, rozumieć  (mechanizmy) i mieć przerobione zadania z Murry’ego w 90-95% niż znać cztery tomy Claydena w 60%).

Wydawałoby się – redukcja i utlenianie, banalna sprawa, kwestia znajomości definicji (nieco odmiennie się na to patrzy w chemii organicznej) czyli de facto znajomość drabiny utleniania :

Zatem chcąc przesunąć się w prawo tej drabiny, będziemy używać różnych utleniaczy (najczęściej rozpoznajemy je po tym, że mają dużo atomów tlenu np.  CrO_{3}   czy KMnO_{4} ) , natomiast chcąc przesunąć się w lewo, będziemy używać reduktorów, których też jest cała masa, ale dziś skupimy się jedynie na dwóch.

Ale zobaczcie, da się ułożyć naprawdę bardzo trudne zadanie (moim zdaniem) opierając cały trzon syntezy jedynie na tych banalnych reakcjach :  55 edycja, II etap – Zadanie 4

*przyznać się, kto poległ na samym początku, nie potrafiąc narysować wyjściowego wzoru 😀 ? To tak przy okazji – nazewnictwo to taka dziwna umiejętność, którą wszyscy dobrze rozumiemy i gdy się tego nauczymy, to przestajemy to powtarzać i gdy tylko przydarzy się trochę trudniejsza nazwa, już jest problem. A potem może się trafić 0/20 z zadania, które zdecydowanie było do zrobienia. Uważajcie na to! Wykorzystajcie to przypomnienie – wróćcie do Murry’ego, poróbcie po 4 przykłady z każdej grupy funkcyjnej (2x  nazwa-> wzór oraz 2x wzór->nazwa).

Zanim zaczniemy – kilka przydatnych definicji :

  • kilka słów, które warto znać :
    • selektywność [SELEKCJA – słówko na pewno kojarzy Wam się z wyborem czegoś i dokładnie o to chodzi] – jeżeli w nazwie pojawi się ,,selektywność” to sugeruje to możliwy wybór, a więc mogę na przykład zredukować keton albo ester, albo mogę przyłączyć atom chloru z jednej lub drugiej strony wiązania podwójnego. Skojarzeniowo : selekcja = wybór.
    • specyficzność [SPECYFIKA – słówko to mówi o tym, że coś jest dziwne, wyjątkowe, odrębne. Każdy ma pewnie jakiegoś ,,specyficznego” znajomego, który np. codziennie rano po wstaniu z łóżka robi 20 pompek na jednej ręce jednocześnie odejmując w myślach siódemki od stu . Zatem TYLKO ON tak robi – jest specyficzny. Przekładając to na chemię, coś w danej reakcji (z użyciem tego konkretnego reagenta) tworzy specyficzność (poprzez jakiś odmienny mechanizm) i powoduje to, że tworzy się w takiej reakcji przykładowo izomer E albo redukuje się tylko (*w zdecydowanej większości) keton.
      • *Jeszcze tak trochę semantyki [link] (a co tam, poznajcie nowe słowo) odnośnie kwestii selektywność vs. specyficzność. Nie ma sztywnej granicy, która by oddzielała oba pojęcia. Są osoby, które uważają, że jeśli reakcja przebiega w stosunku TYLKO  100 : 0 w kierunku tworzenia produktu A (100%) zamiast B (0%) to TYLKO wtedy tylko można powiedzieć o chemospecyficzności. Ja natomiast uważam (ale to tylko moje skromne zdanie), że również reakcja 99 : 1 czy  98 : 2 może być opisana jako chemospecyficzna. Argumentowałbym to tym, że przecież reakcje o wydajności 100% to generalnie dość trudna do uzyskania w praktyce sprawa, zatem nie tylko 100%. Ogólnie, chemoselektywność będzie wtedy gdy stworzy się >50% jednej z opcji (bo w przypadku losowym jest 50% do 50%), a selektywność to już wybór jednej konkretnej opcji, natomiast specyficzność to selektywność na sterydach i jedna z opcji powstaje w zdecydowanej przewadze.
  • regioselektywność [regio– możecie sobie to skojarzyć z regionem, a więc możemy jechać nad morze albo w góry czyli dwa różne regiony, a więc po prostu dwa różne miejsca) – mówi nam o tym, GDZIE w obrębie grupy funkcyjnej będzie miała reakcja. Przykładowo, jak dodajemy HCl do alkenu, to możemy mieć produkt zgodny z regułą Markownikowa (powiemy, że to np. regioizomer A) oraz produkt niezgodny z tą regułą (nazwiemy go regioizomerem B).
  • chemoselektywność – tutaj będziemy się zastanawiać, która grupa funkcyjna zareaguje z danym odczynnikiem. Przykładowo jak weźmiemy sobie jakiś ketoester (związek, w którym jest grupa ketonowa oraz estrowa) i dodamy do niego  NaBH_{4} to reakcji ulegnie jedynie grupa ketonowa, a estrowa pozostanie niezmieniona. Mówimy zatem, że ten odczynnik  NaBH_{4}   jest chemoselektywny, bo WYBIERA sobie jedną grupę funkcyjną i to z nią reaguje, jakby ignorując inne grupy funkcyjne, które znajdują się w tej cząsteczce.
  • stereoselektywność [stereo -związane ze stereochemią] – jak już się pewnie domyślacie, jest to termin związany z stereochemią, a więc będzie to sytuacja, gdy dodamy jakiś odczynnik i powstające w toku reakcji centrum stereogeniczne (czy przekształcone już istniejące) będzie powstawać z przewagą jednego ze stereoizomerów (czyli. np wytworzyło się 85% stereoizomeru R, zamiast sprawiedliwie po 50%). UWAGA – może się też to tyczyć np. reakcji eliminacji, w której powstają różne alkeny (cis, trans). Jeszcze dokładniej, można wyodrębnić enancjoselektywność oraz diastereoselektywność, myślę że domyślacie się, o co tam może chodzi. Wystarczy, że samo pojęcie stereoselektywność będzie Wam znane.

Wracamy do naszych reduktorów, które są tematem dzisiejszego posta :

Wireframe model of sodium borohydrideWireframe model of lithium aluminium hydride

Zarówno  AlH_{4}^{-}   oraz  BH_{4}^{-}   możemy traktować jako dawców nukleofilowego jonu wodorkowego  H^{-} , które będą atakować grupę karbonylową (a konkretnie elektrofilowy atom węgla) po czym powstały atom tlenu będzie wyłapywał proton i ostatecznie powstanie z niego grupa hydroksylowa.

Różnica pomiędzy tymi reagentami tkwi w elektroujemności atomu boru (EN = 2) oraz glinu  (EN = 1,5 ). Wynika z tego, że wiązanie  B-H   ma bardziej kowalencyjny charakter i jest silniejsze niż  wiązanie  Al-H . Zatem  NaBH_{4}   będzie mniej reaktywny niż  LiAlH_{4}   stąd już możemy się domyślać, że to ten pierwszy będzie selektywny i nie wszystkie grupy funkcyjne będzie redukował.

Polecam dokładnie w tym momencie zrobić :  58 edycja, FW – Zadanie 6B : podpunkt c)

Kwestia rozpuszczalnika – a więc na pewno czegoś, na co wiele osób nawet nie zwróciło by uwagi. Wyodrębnimy sobie rozpuszczalniki protyczne (czyli te, które zawierają atomy wodoru) oraz aprotyczne (które tych atomów wodoru nie zawierają : chodzi o oczywiście atomy wodoru ,,wymienialne” , mogące uczestniczyć w reakcji kwas-zasada).

Rozpuszczalnik protyczny można by w sumie zapisać jako  HA . Reakcja  NaBH_{4}   czy   LiAlH_{4}   z takim rozpuszczalnikiem wyglądałaby w następujący sposób (tutaj  M = Al, \ B ).

Zobaczcie, że ta potencjalna banalna reakcja to na pierwszy rzut oka istny mindfuck. Bo przecież jest to reakcja kwas + zasada, gdzie rozpuszczalnik  HA jest kwasem (= dawca protonu), natomiast nasze reduktory są zasadami, a przecież one też oddały proton? Nie, one oddały jon  H^{-} ! Czyli sumaryczny efekt jest można powiedzieć tożsamy z definicją reakcji kwas-zasada Bronsteda (nastąpił transfer protonu)

Jako, że  LiAlH_{4}   jest bardziej reaktywny, jego reakcja z wodą czy rozpuszczalnikiem protycznym jest efektowna i może być wybuchowa (co generalnie jest niepożądane, pomimo że może cieszyć ciekawskie, chemiczne oczy). Dlatego też w przypadku tego reagenta typowym rozpuszczalnikiem jest THF lub eter dietylowy  Et_{2}O

Znalezione obrazy dla zapytania thf    (THF = tetrahydrofuran)

Atom tlenu (czy to w THF czy w eterze) zachowuje się jak zasada Lewisa, która koordynuje jon  Li^{+} , pomagając dodatkowo rozpuścić  LiAlH_{4} . Nasz reduktor tworzy kompleks z związkiem karbonylowym, który chcemy zredukować, a dopiero wtedy robimy tzw. ,,workup” (obróbka) który polega na hydrolizie odpowiednich wiązań i wtedy tworzymy docelowy produkt.

Przedstawiam kompleks (dodatkowo, nie trzeba tego znać)

I tutaj hydroliza tego kompleksu (zauważcie, że i tak wydziela się wodór, zatem ten wodny workup należy również ostrożnie przeprowadzać)

W przypadku tetrahydroboranu sodu, można używać rozpuszczalników protycznych (np. woda czy metanol), a ewentualne tworzenie wodoru (które było wybuchowo-pożarowo-problematyczne w przypadku tetrahydroglinianu litu) jest zaniedbywalne (mniejsza reaktywność). I właśnie jest inaczej, bo tetrahydroboran sodu niespecjalnie rozpuszcza się w eterze czy THF, więc nawet musimy takich rozpuszczalników użyć.

I poniżej zdjęcie, które pokazuje różne rozpuszczalniki – w przypadku aldehydów i ketonów, nie ma różnicy którego reagenta użyjemy i tak powstanie alkohol. Różnica tkwi w rozpuszczalnikach.

Jak to jest na OlChemie?

Te dwa reagenty prawie zawsze są używane w tym samym kontekście, co można sprowadzić do jednej zasady, którą należy zapamiętać (z delikatnym przymrużeniem oka) :

  • LiAlH_{4} \implies    bardzo mocny reduktor, będzie redukował wiele grup funkcyjnych, czyli mało selektywny.
  • NaBH_{4} \implies    słabszy reduktor, redukuje TYLKO KETONY i ALDEHYDY, a więc selektywny!!!

Oto pokaz redukcyjnych możliwości  LiAlH_{4}

Znalezione obrazy dla zapytania NaBH4 vs LiaLH4

Z pewnością mogą Was zapytać o redukcję właśnie takich ,,nietypowych” grup jak  nitryl, amid, epoksyd czy azydek! 

I według tej różnicy pomiędzy dwoma reagentami, powinniście już sami dojść do produktów tych dwóch reakcji :

Czyli  NaBH_{4}   jako słabszy reduktor zachowuje się selektywnie i redukuje tylko keton, pomimo obecności innej grupy karbonylowej w postaci estru. Natomiast   LiAlH_{4}   jako mocniejszy reduktor zachowuje się nieselektywnie i redukuje obie grupy karbonylowe. Klasyczny, olimpijski przykład. Taka reakcja może i powinna być bez żadnych podpowiedzi (czy to w postaci masy molowej, spektroskopii itp.)

Dobrze, teraz kilka wyjątków odnośnie NaBH_{4} . Zanim jednak o nich, zapamiętajcie złotą zasadę :

Na OlChemie, jak dostaniecie zadanie i zobaczycie  NaBH_{4}   (bez żadnych dodatków typu chlorek ceru czy jod) to ZAWSZE w pierwszej kolejności macie myśleć, że nastąpiła redukcja ketonu/aldehydu. Dopiero następcza konfrontacja z podanymi dodatkowymi informacjami z zadania (spektro, masa albo następna reakcja w ciągu syntezowym itp.) może zmienić Waszą decyzję.

Jest to w myśl zasady : gdy słyszysz tętent kopyt to pierwsze o czym myślimy to konie, a nie zebry. I tak samo na Olimpiadzie – najpierw myślcie w sposób klasyczny, konwencjonalny, a nie jakieś tam dziwne rzeczy, rzadkie wyjątki. Dopiero potem przechodzimy do skomplikowanych rozwiązań – nigdy w odwrotnej kolejności!

  • reakcja Luchy’ego  (czy też imienny odczynnik Luchy’ego  NaBH_{4} / CeCl_{3} ) :  jest to reakcja podczas której \alpha , \beta - nienasycony \ keton   ulega redukcji do alkoholu. Czemu to jakaś dziwna z pozoru reakcja? Pamiętajcie, że wiązanie alfa,beta- nienasycone z grupą wyciągającą elektrony (jaką niewątpliwie jest grupa karbonylowa) zmienia nukleofilowy charakter wiązania podwójnego  C=C   na elektrofilowy, zatem jon  H^{-} mógłby zredukować alken!  Ta reakcja zapewnia selektywność redukcji ketonu do allkoholu.

Luche reduction of an enone

I ogólnie, taki typ związków (zamiast grupy karbonylowej inna grupa wyciągająca elektrony np. nitrowa) mógłby reagować z samym  NaBH_{4}   i wówczas będzie redukować się wiązanie   C=C

  • Tetrahydroboran można również ,,zaktywować” i dodać do niego wiele, naprawdę wiele ,,przypraw – ulepszaczy”. Oto przykład :

sodium borohydride / iodine reduction

Jak wyjaśnić tą reakcję? Otóż najpierw następuje reakcja między jodem a tetrahydroboranem :

Reaction of sodium borohydride with iodine

Powstający boran (BH_{3} ) jest przecież swoistym (specyficznym) reduktorem dla grupy karboksylowej!

  • NaBH_{4}   może być również czynnikiem redukującym w ozonolizie, powstaną wówczas alkohole (produkt przejściowy nieistotny na Olimpiadzie) :

  • *niektóre źródła podają jeszcze, że  NaBH_{4}   redukuje również chlorki kwasowe do alkoholi, ale to taka *zebra (a nie koń 🙂 ).
  • i wiele, wiele innych możliwych reakcji, które wcale nie ograniczają się do redukcji aldehydów i ketonów. Ale na poziomie olimpijskim naprawdę wystarczy zapamiętać to co powyżej, bo każda ,,dziwna” reakcja będzie miała wskazówki. I dokładnie na tym polega Olimpiada – że pojawią się reakcje spoza książek, ale za to z towarzyszącą spektroskopią czy całą otoczką zadania, z której trzeba produkt po prostu wydedukować. A jedyną receptą na nauczenie sie kombinowania jest robienie, robienie, robienie zadań.

2 myśli w temacie “Dwa najważniejsze reduktory : LiAlH4 oraz NaBH4”

  1. Odnośnie zadania 55.2.4. Dlaczego przy przejściu z C do D LiAlH4 zamienia grupę karbonylową na metylenową zamiast hydroksylową?

    1. Ogółem amidy właśnie tak reagują z LiAlH4, nie jest to żadna anomalia. Można powiedzieć że ogółem grupy z tlenem są lepszym grupami odchodzącymi niż te z azotem. Zatem cała ta grupa z tlenem (czyli dokładniej mówiąc połączony kompleks między tlenem a glinem) odchodzi, co jest jakby ,,popychane” przez wolną parę elektronową azotu. W sytuacji redukcji zwykłego aldehydu, nie masz już tam żadnego innego atomu, który rozpycha się ze swoją wolną parą elektronową i dlatego reakcja zatrzymuje się na etapie alkoholu. Po dokładne wyjaśnienie (tj. mechanistyczne) odsyłam do Murry’ego.

Leave a Reply