Сокращение березы - Birch reduction
Сокращение березы | |
---|---|
Названный в честь | Артур Берч |
Тип реакции | Органическая окислительно-восстановительная реакция |
Идентификаторы | |
Портал органической химии | березовый |
Идентификатор онтологии RSC | RXNO: 0000042 |
Восстановление по Березе - это органическая реакция, которая используется для превращения аренов в циклогексадиены . Реакция названа в честь австралийского химика Артура Birch и включает в себя органическое снижение из ароматических колец в жидком аммиаке с натрий , литием или калием и спиртом , такие как этанол и трет - бутанол . Эта реакция отличается от каталитического гидрирования , которое обычно полностью восстанавливает ароматическое кольцо до циклогексана .
Примером может служить восстановление нафталина :
Основной механизм реакции
Раствор натрия в жидком аммиаке состоит из соли электрида [Na (NH 3 ) x ] + e - , которая имеет ярко-синий цвет. В сольватированных электронах добавить в ароматическое кольцо , чтобы дать анион - радикал . Добавленный спирт поставляет протон анион-радикалу, а также предпоследнему карбаниону; для большинства субстратов аммиак недостаточно кислый.
Региоселективность
Восстановление анизола является одним из простейших примеров и показано в уравнении 1. Восстановление бензойной кислоты показано в уравнении 2.
Место на кольце, где первоначально протонируется анион-радикал, определяет структуру продукта. В случае донора электронов, такого как метокси (MeO), протонирование алкила некоторыми исследователями рассматривается как орто (т.е. смежное или 1,2) по отношению к заместителю. Другие исследователи полагали, что протонирование происходит в мета (1,3) заместителя. Артур Берч предпочитал мета- протонирование. Считается, что с электроноакцепторными заместителями протонирование происходит в месте заместителя (ipso) или пара (1,4), но это также неясно. Эмпирические правила AJ Birch гласят, что для донорных заместителей конечный продукт имеет максимальное количество заместителей в конечных двойных связях. Для электроноакцепторных групп двойные связи продукта избегают заместителей. Предпочтение размещения групп во время реакции и в конечном продукте называется региоселективностью.
Общие сведения о механизме реакции
Раствор металла в аммиаке обеспечивает электроны, которые захватываются ароматическим кольцом с образованием соответствующего анион-радикала B на первой стадии реакции. За этим следует протонирование спиртом с образованием циклогексадиенильного радикала C. Затем второй электрон переносится на радикал с образованием циклогексадиенилкарбаниона D. На последней стадии второй протон приводит циклогексадиенилкарбанион к неконъюгированному циклогексадиенильному продукту. Эти шаги описаны ниже для анизола.
Известно, что реакция протекает третьего порядка - первого порядка по ароматике, первого порядка по щелочному металлу и первого порядка по спирту. Для этого необходимо, чтобы лимитирующей стадией было превращение анион-радикала B в циклогексадиенильный радикал C.
Региоселективность реакции
Редукция Березы имеет несколько сложных механистических особенностей. Эти особенности определяют региоселективность реакции и рассматриваются ниже. Правило Берча для ароматических соединений с донорами электронов, такими как метоксил или алкил, заключается в том, что продукт будет иметь остаточные двойные связи, несущие максимальное количество заместителей. Для ароматических углеводородов с электроноакцепторными группами, такими как карбоксил, группы заместителей избегают двойных связей. В обоих случаях, как с донорскими, так и с отводящими группами, остаточные двойные связи неконъюгированы (см. Ниже). Механизмы реакции, объясняющие эту региоселективность, представляют большой научный интерес. Основные характеристики:
- В жидком аммиаке щелочные металлы растворяются, образуя синий раствор, который упрощенно рассматривается как имеющий « свободные электроны ». Электроны захватываются ароматическим кольцом по одному. После поглощения первого электрона образуется анион-радикал. Затем молекула спирта отдает свой гидроксильный водород с образованием новой связи C – H ; на этом этапе сформировался радикал . За этим следует захват второго электрона с образованием карбаниона циклогексадиенильного типа (то есть с C = C – C – C = C в шестичленном кольце с отрицательным зарядом). Затем этот циклогексадиенильный анион протонируется присутствующим спиртом. Протонирование происходит в центре циклогексадиенильной системы. Эта (регио-) избирательность характерна.
- То, где первоначально протонирован анион-радикал, определяет структуру продукта. С донором электронов, таким как метокси (MeO) или с алкильной группой, некоторые исследователи считали протонирование орто (т.е. смежным или 1,2) по отношению к заместителю. Другие исследователи полагали, что протонирование происходит в мета (1,3) заместителя. Артур Берч был сторонником мета- протонирования. Считается, что с электроноакцепторными заместителями протонирование происходит в месте заместителя (ipso) или пара (1,4). Опять же, мнения разделились. Эмпирические правила AJ Birch гласят, что для донорных заместителей конечный продукт имеет максимальное количество заместителей в конечных двойных связях. Для электроноакцепторных групп двойные связи продукта избегают заместителей. Предпочтение размещения групп в механизме и в конечном продукте называется региоселективностью.
- Механизм реакции дает подробную информацию о молекулярных изменениях по мере протекания реакции. В случае донорных групп предпочтение AJ Birch мета- протонированию анион-радикала было основано на качественных соображениях, но это не было экспериментально продемонстрировано.
- В 1961 году простой расчет электронной плотности анион-радикала показал, что именно ортоцентр был наиболее отрицательным и, следовательно, с наибольшей вероятностью протонировал. Кроме того, с помощью вычислений было определено, что второе протонирование происходит в центре циклогексадиенильного аниона с образованием неконъюгированного продукта.
- Неопределенность в химической литературе теперь имеет только историческое значение. Действительно, сообщалось о некоторых дополнительных результатах вычислений, которые варьируются от предположения о предпочтении протонирования мета- радикала и аниона до предположения о смеси орто- и мета- протонирования.
- В 1990 и 1993 годах был разработан эзотерический тест, который показал, что ортопротонирование анион-радикала предпочтительнее мета (семь к одному). Это сопровождалось более современными вычислениями, которые совпали. И эксперимент, и расчеты соответствовали расчетам начала 1961 года.
- В случае электроноакцепторных групп в литературе есть примеры, демонстрирующие природу карбаниона непосредственно перед окончательным протонированием, показывающие, что первоначальное протонирование анион-радикала происходит парами удаляющего заместителя.
- Остается обсудить окончательное протонирование циклогексадиенильного аниона. В 1961 году было обнаружено, что простые вычисления Хюккеля не позволяют различить разные места протонирования. Однако, когда вычисления были изменены с несколько более реалистичными предположениями, вычисления Хюккеля показали, что центральный углерод является предпочтительным. Более современные вычисления 1990 и 1993 годов совпали.
Механизм
Механизм редукции березы был предметом многочисленных дискуссий. Первоначальный механизм восстановления по Берчу включал протонирование анион-радикала, который был мета -метоксигруппой и алкильной группой кольца. Далее было высказано предположение, что последняя стадия, протонирование циклогексадиенильного аниона, происходила в орто-положении по отношению к этим заместителям. Оригинальный механизм Берча был основан на качественных рассуждений, а именно , что анион - радикала в электронной плотности , в результате добавления электрона, будет самым высоким мета , чтобы донор электронов (например, метокси или метил) из - за избежать обычного орто - пара высокой плотности у нейтральных видов.
В 1961 году простые вычисления Хюккеля показали, что предложенный Берчем механизм неверен. Правильный механизм O изображен ниже. Два априорных альтернативных механизма O и M:
Берч не согласился с этим выводом и продолжал предлагать мета- протонирование анион-радикала. Он предположил, что мета- атака является результатом «противостояния орто и пара начального заряда». Бозер-К в 1959 году дал качественные аргументы в пользу мета -protonation , как это было предложено ранее березы.
Бернхэм в 1969 году пришел к выводу, что протонирование вряд ли происходит преимущественно в орто- положении, и реакция, скорее всего, происходит в мета- положении, но может происходить в обоих местах с одинаковой скоростью.
Впоследствии Берч в обзорной статье отметил, что в то время не существовало экспериментального метода, который позволил бы определить правильный механизм. Но он заметил, что публикация Бернхэма благоприятствовала мета- атакам.
В публикациях 1980 года Берч сотрудничал с Лео Радомом в исследовании, которое пришло к выводу, что концентрации электронов в орто- и мета- положениях близки с небольшим предпочтением орто , но при этом происходит смесь орто- и мета- протонирования. Ограниченный метод Хартри-Фока на орбитали слейтер-типа (3-g) и неограниченный метод Хартри-Фока слейтер-типа на одном и том же базисном наборе вычислений был использован для заключения, что как орто-, так и мета- замены будут происходить с небольшим предпочтением орто .
Экспериментальное тестирование и вычислительная проверка
Затем, в 1990 и 1993 годах, был наконец разработан метод экспериментальной оценки того, протонируют ли анизол и анион-радикал толуола орто или мета . Эзотерический метод начался с предпосылки, что изотопная селективность протонирования в протий-дейтериевой среде будет больше для анион-радикала первой стадии протонирования, чем для карбаниона предпоследней стадии. Причина заключалась в том, что карбанионы являются гораздо более основными, чем соответствующие анион-радикалы, и поэтому будут реагировать более экзотермически и менее избирательно при протонировании. Экспериментально было определено, что для различных метоксилированных ароматических соединений получается меньше дейтерия в орто- центре, чем в мета- центре (1: 7). Это следствие большей селективности протонирования анион-радикала. Расчеты (например, ROHF / 6-31g) электронных плотностей совпали с экспериментальными наблюдениями. Также было установлено, что приграничные орбитальные плотности не совпадают, и они использовались в некоторых предыдущих отчетах.
Впоследствии, в 1992 и 1996 Береза выходит дважды по- прежнему предполагая , что мета протонирование было отдано предпочтение. Это было изменением его более ранних взглядов, опубликованных вместе с Лео Радомом.
Однако в учебниках, посвященных механизму восстановления березы, отмечается, что орто- протонирование исходного анион-радикала является предпочтительным.
Восстановление березы электроноакцепторными заместителями
В отличие от примеров с электронодонорными заместителями, случай с акцептирующими группами более очевиден. Таким образом, как показано ниже, структура предпоследнего дианиона D характеризуется тем, что он подвержен улавливанию алкилгалогенидами.
Механизм восстановления бензойных кислот, включая возможное алкилирование
Этот дианион возникает независимо от того, используется ли алкоголь для восстановления или нет. Таким образом, начальное протонирование трет- бутиловым спиртом или аммиаком является пара, а не ipso, как видно на стадии от B до C.
Вторая стадия восстановления по Березе с региохимией с образованием неконъюгированных циклогексадиенов.
Вторая стадия восстановления по Березе с получением неконъюгированных циклогексадиенов также ставит механистические вопросы. Таким образом, как показано на рисунке ниже, для карбаниона существуют три резонансные структуры B, C и D. Простые вычисления Хюккеля приводят, как отмечено в первой записи таблицы ниже, к равным электронным плотностям у трех атомов 1, 3 и 5. Однако, в отличие от плотностей, вычисления Хюккеля менее наивны в отношении порядков связей и связей 2– 3 и 5–6 будут сокращены, как показано в первой записи таблицы. С помощью порядков связи, изменяющих простые обменные интегралы, в вычислении Малликена-Веланда-Манна было показано, что плотность электронов в центральном атоме 1 становится наибольшей. Более современные вычисления RHF приводят к тому же результату.
Введение электрона в бензол и 3 резонансные структуры для карбаниона второй стадии и центральное протонирование с образованием неконъюгированного диена:
Пять атомов углерода циклогексадиенильного аниона.
Приближение | Плотность атома 3 | Плотность Атом 2 | Плотность атома 1 | Приказ на облигации 2–3 | Приказ на облигации 1-2 |
---|---|---|---|---|---|
Хюккель (1-е прибл.) | 0,333 | 0,00 | 0,333 | 0,788 | 0,578 |
2-й ок. | 0,317 | 0,00 | 0,365 | 0,802 | 0,564 |
3-й ок. | 0,316 | 0,00 | 0,368 | 0,802 | 0,562 |
Известны прецеденты протонирования центрального аниона. Таким образом, конъюгированные еноляты как C = CC = CO- в течение некоторого времени были известны как кинетически протонирующие в центре енолятной системы с образованием β, γ-ненасыщенного карбонильного соединения в условиях, когда анион, а не енол, является разновидностью протонирован.
Березовое алкилирование
В присутствии алкилгалогенида карбанион также может подвергаться реакции нуклеофильного замещения с углерод-углеродной связи формации. В замещенных ароматических соединениях электроноакцепторный заместитель , такой как карбоновая кислота , стабилизирует карбанион, и образуется наименее замещенный олефин . С электронодонорным заместителем достигается противоположный эффект. Реакция дает больше менее термодинамически стабильного несопряженного 1,4-аддитивного продукта, чем более стабильного сопряженного 1,3-диена, поскольку наибольший орбитальный коэффициент HOMO промежуточного соединения сопряженного пентадиенильного аниона находится на центральном атоме углерода. После образования образующийся 1,4-циклогексадиен не может уравновеситься с термодинамически более стабильным продуктом; следовательно, получается наблюдаемый кинетический продукт. Также существуют экспериментальные альтернативы щелочным металлам, с которыми безопаснее обращаться, такие как восстановитель M-SG .
При алкилировании по Березе анион, образующийся при восстановлении по Березе, улавливается подходящим электрофилом, таким как галогеналкан , например:
В реакции, изображенной ниже, 1,4-дибромбутан добавляют к трет- бутилбензоату с образованием алкилированного 1,4-циклогексадиенового продукта:
Модификации
Поскольку жидкий аммиак должен конденсироваться в колбе и испаряться в течение ночи после завершения реакции, вся процедура может быть довольно хлопотной и трудоемкой. Однако использовались альтернативные растворители, такие как ТГФ, а также смесь н- пропиламина и этилендиамина , оба с сопоставимыми результатами. Последний на самом деле является модификацией реакции Бенкезера , которая в ее первоначальных формах имеет тенденцию полностью восстанавливать нафталин до октагидро- и декагидронафталина.
Это восстановление нафталина до изотетралина (1,4,5,8-тетрагидронафталина) дает некоторое количество тетралина (1,2,3,4-тетрагидронафталина) в качестве побочного продукта, как и в случае с обычным восстановлением Берча.
Восстановление может осуществляться за счет внешнего потенциала жертвенного анода (магния или алюминия). Диметилмочевина , донор протонов, стабилизирует промежуточное соединение ионами лития (из солей).
История
Эту реакцию приписывают Артуру Берчу (1915–1995), когда он работал в лаборатории Дайсона Перринса в Оксфордском университете , основываясь на более ранней работе Вустера и Годфри, опубликованной в 1937 году. Она превращает ароматические соединения с бензоидным кольцом в продукт 1 , 4-циклогексадиены , в которых два атома водорода присоединены к противоположным концам молекулы.
В первоначальной реакции, описанной Берчем в 1944 г., использовались натрий и этанол . Позднее Альфред Л. Уайлдс обнаружил, что литий дает более высокие урожаи.
Дополнительное чтение
- Кейн, Д. (1976). «Восстановление и родственные реакции α, β-ненасыщенных карбонильных соединений с металлами в жидком аммиаке». Орг. Реагировать. (рассмотрение). 23 : 1–258. DOI : 10.1002 / 0471264180.or023.01 . ISBN 0471264180 .