Redukce alkoxyaluminiumhydridy kovů

Redukce alkoxyaluminiumhydridy kovů jsou organické reakce, které spočívají buď v přímé hydrogenaci nenasycených sloučenin, nebo v nahrazení redukovatelné funkční skupiny vodíkem za přítomnosti alkoxyaluminiumhydridového činidla.^[1][2]

K redukcím organických sloučenin se často používají tetrahydridoboritan sodný a tetrahydridohlinitan lithný.^[3][4] Tato dvě činidla představují mezní případy reaktivity — tetrahydridohlinitan lithný reaguje téměř se všemi redukovatelnými skupinami, zatímco tetrahydridoboritan sodný vstupuje do reakcí s mnohem omezenějším rozsahem skupin. Reaktivitu lze upravit nahrazením jednoho nebo více vodíkových atomů v těchto činidlech alkoxyskupinami.

Pokud je příslušná alkoxyskupina chirální, tak lze příslušnými činidly dosáhnout asymetrických redukcí.^[5] Přestože byly postupy využívající stechiometrická množství chirálních hydridů nahrazeny katalytickými, tak mají historický význam jako první příklady stereoselektivních reakcí.

V tabulce níže jsou shrnuty redukce, které mohou být uskutečněny pomocí řady různých aluminiumhydridů a borohydridů. Symbol „+“ naznačuje, že redukce probíhá, „-“, že neprobíhá, „±“, že závisí na struktuře substrátu, a „0“ znamená, že není dostatek dat.

Mechanismus a stereochemie

Převažující mechanismus

Redukce alkoxyaluminiumhydridy většinou probíhají polárním mechanismem.^[6] Přenos hydridu na organický substrát vytvoří organický anion, jenž je neutralizován protickým rozpouštědlem nebo kyselinou.

Redukce α,β-nenasycených karbonylových sloučenin mohou mít 1,2-mechanismus (pak jde o přímé adice) nebo 1,4-mechanismus (poté se jedná o konjugované adice). Sklon k 1,4-adicím je v souladu s měkkostí použitých hydridů podle teorie HSAB.^[7] Experimentální výsledky potvrzují tyto předpoklady, že „měkčí“ hydridy mají vyšší výtěžky produktů konjugovaných redukcí.^[8]

Několik substrátů, jako jsou diarylketony,^[9] diarylalkeny,^[10] a antraceny,^[11] jsou tetrahydridohlinitanem lithným redukovány jednoelektronově.

Alkoxylaluminiumhydridy kovů jsou podrobně prozkoumány jen v několika málo případech.^[12] Přesný popis je mnohdy v důsledku disproporcionací na alkoxyalumináty a hydridohlinitany obtížný:^[13]

Stereochemie

Vznik diastereoselektivity v redukcích chirálních ketonů bylo podrobně prozkoumáno a modelováno.^[14][15] Podle modelu, který vyvinul H. Felkin,^[16] diastereoselektivitu řídí relativní energie tří přechodných stavů I, II a III. Přechodný stav I převládá za nepřítomnosti polárních skupin na α uhlíku a stereoselektivita se zvyšuje s velikostí nechirálního ketonového substituentu (R). Přechodný stav III je hlavním u reakcí alkylketonů, kde R_M je skupina odtahující elektrony, protože nukleofil a skupina odtahující elektrony mají snahu být co nejdále od sebe.

Byla prozkoumána i diastereoselektivita redukcí cyklických ketonů. Ketony schopné měnit konformace podstupují axiální atak hydridu, který vede k ekvatoriálnímu alkoholu; pevné cyklické ketony ovšem převážně podléhají ekvatoriálním atakům a vytváří axiální alkoholy. Převaha ekvatoriálních ataků u těchto ketonů se vysvětluje tím, že ekvatoriální přiblížení hydridu je méně stericky stíněno než axiální.^[17] Převaha axiálních ataků u konformačně volných cyklických ketonů vysvětlili svým modelem H. Felkin a N. T. Anh.^[18][19] Přechodný stav u axiálního ataku (IV) je zatížen sterickým odpuzováním mezi axiálními substituenty a přibližujícím se hydridem. Přechodný stav ekvatoriálního ataku (V) se vyznačuje torzním napětím mezi hydridem a ekvatoriálními vodíky. Rozdíl energií těchto napětí určuje převládající směr ataku; u malých R je torzní napětí na V větší, což vede k přednostní tvorbě ekvatoriálního alkoholu.

Možnosti a omezení

Alkoxyaluminiumhydridy a podobná činidla redukují mnoho různých funkčních skupin, přičemž se často dosahuje vysokých selektivit. Například hydrid lithno-tri-terc-butoxy)hlinitý redukuje aldehydy a ketony selektivně za přítomnosti esterů, s nimiž reaguje mnohem pomaleji.^[20]

Selektivní redukce α,β-nenasycených ketonů lze provést buď jako 1,2-, nebo jako 1,4-reakce vhodně zvolenými redukčními činidly. Pomocí hydridu lithnotrimethoxyhlinitého, který je stericky nezatížen, je možné uskutečnit téměř kvantitativní přímé adice na karbonylové skupiny,^[21] zatímco použití stericky zatíženého hydridu lithnotrimethoxyhlinitého vede k tvorbě produktu konjugované adice.^[22]

Štěpení etherů je u většiny hydridových činidel obtížné; pomocí bis(2-methoxyethoxy)hydridohlinitanu sodného (SMEAH) lze však provést debenzylace benzylaryletherů.^[23] Tento postup představuje užitečnou náhradu metod založených na použití kyselin nebo hydrogenolýzách (jako jsou reakce s plynným vodíkem katalyzované palladiem na uhlíku).

Epoxidy bývají alkoxyaluminiumhydridy atakovány na méně substituovaných místech. Pokud se v jejich blízkosti nacházejí hydroxylové skupiny, může dojít k vnitromolekulárnímu přesunu hydridu, který umožní selektivní otevření kruhu 1,2-disubstituovaného epoxidu v poloze bližší k hydroxylu.^[24] Konfigurace epoxidového uhlíku nezapojeného do reakce se zachovává.

Nenasycené karbonylové sloučeniny mohou být redukovány jak na nenasycené, tak i na nasycené alkoholy. Adicemi bis(2-methoxyethoxy)hydridohlinitanu sodného na nenasycené aldehydy se tvoří nenasycené alkoholy; opačnou adicí vznikne nasycený alkohol.^[25]

Některé alkoxyaluminiumhydridy mohou hydroaluminovat alkeny.^[26] V podobné reakci vytváří bis(2-methoxyethoxy)hydridohlinitan sodný reakcí se zirkonocendichloridem hydrid zirkonocenchloridu (Schwartzovo činidlo), který je schopen hydrozirkonovat alkeny; ze vzniklých produktů lze reakcemi s elektrofily získat funkcionalizované produkty.^[27]

I funkční skupiny obsahující jiné heteroatomy než kyslík lze s využitím alkoxyaluminiumhydridů redukovat na odpovídající uhlovodíky. Primární alkylhalogenidy se za přítomnosti bis(2-methoxyethoxy)hydridohlinitanu sodného redukují na alkany. Sekundární halogenidy reagují pomaleji, ale také vytváří alkany s dobrými výtěžky.^[28]

Sulfoxidy mohou být pomocí SMEAH redukovány na příslušné sulfidy.^[29]

Iminy jsou alkoxyaluminiumhydridy redukovány na aminy. V níže uvedeném případu se vytváří exo-amin s vysokou diastereoselektivitou. Selektivita redukce hydridem je zde vyšší, než u katalytické hydrogenace.^[30]

Podmínky a provedení

Příprava hydridů

Alkoxyaluminiumhydridy se obvykle připravují reakcemi hydridu lithnohlinitého s příslušným alkoholem.^[31] Tvorbu alkoxyaluminiumhydridu naznačuje uvolňování vodíku. Stericky zatížené hydridy, jako například hydrid tri-(terc-butoxy)lithnohlinitý, jsou v inertních atmosférách dlouhodobě stálé, ale hydrid trimethoxylithnohlinitý se disproporcionuje a měl by být použit hned po přípravě. Čistý bis(2-methoxyethoxy)hydridohlinitan sodný je v inertní atmosféře stálý několik hodin a lze jej zakoupit jako 70% roztok v toluenu.

Reakční podmínky

Redukce se obvykle provádějí v destilačních baňkách s kulatým dnem, které jsou osazeny zpětným chladičem uzavřeným sušicí trubicí. Reakční směs je míchána mechanickým míchadlem, další hrdla baňky jsou zpravidla osazena přívodem inertní atmosféry (dusíku), teploměrem a přikapávací nálevkou s bočním ramenem na vyrovnávání tlaku. Nejčastěji používanými rozpouštědly jsou tetrahydrofuran a diethylether; jakékoliv rozpouštědlo musí být bezvodé a čisté. Alkoxyaluminiumhydridy mají být co nejsušší a představují nebezpečí požáru, obzvláště při použití nadbytku hydridu (v průběhu reakce se vyvíjí vodík).

Příklad provedení

K roztoku 1,3-dihydro-1,3-bis(chlormethyl)benzo[c]-thiofen-2,2-dioxidu (0,584 g, 2,2 mmol) v 50 ml suchého benzenu bylo přidáno 0,80 ml (2,8 mmol) 70% benzenového roztoku NaAlH₂(OCH₂CH₂OCH₂)₂ a vzniklý roztok byl po 12 hodin refluxován. Směs se ochladila na 0 °C a rozložila 20% kyselinou sírovou. Vrstva benzenu byla oddělena, promyta 10 ml vody, vysušena uhličitanem draselným a zakoncentrována za vzniku produktu v podobě žluté olejovité kapaliny, s 91% (0,480g) výtěžkem.^[32]