Meccanismo di riduzione dei carbonili LiAlH4 e NaBH4
Gli alcoli possono essere preparati da composti carbonilici come aldeidi, chetoni, esteri, cloruri acidi e persino acidi carbossilici mediante riduzioni di idruro. Queste riduzioni sono il risultato di un’aggiunta netta di due atomi di idrogeno al legame C=O:
Gli agenti riduttori di idruri più comuni sono l’idruro di litio e alluminio (LiALH4) anche abbreviato come LAH e la boroidruro di sodio (NaBH4):
Il principio alla base degli agenti riducenti idruri è la presenza di un legame covalente polare tra un metallo e l’idrogeno. A causa della maggiore elettronegatività, l’idrogeno ha una maggiore densità di elettroni che lo fa reagire come ione idruro:
Per esempio, il legame Al-H in LiAlH4 è così polare che ha quasi carattere ionico lasciando l’idrogeno come ione idruro che è molto reattivo sia come base che come nucleofilo:
Lo ione idruro reagisce con il gruppo carbonile che, a sua volta, è anche un legame covalente polare e la presenza del legame π rende possibile l’aggiunta di H-:
LiALH4 è uno dei più potenti agenti riducenti che lavora efficacemente per qualsiasi carbonile e anche per altri gruppi funzionali.
Questa alta reattività dello ione idruro in LiAlH4 lo rende incompatibile con i solventi protici. Per esempio, reagisce violentemente con l’acqua e quindi le riduzioni di LiAlH4 sono effettuate in solventi secchi come l’etere anidro e il THF.
NaBH4, invece, non è così reattivo e può essere usato, per esempio, in una riduzione selettiva di aldeidi e chetoni in presenza di un estere:
Nota che LiALH4 e NaBH4 riducono aldeidi e chetoni rispettivamente ad alcoli primari e secondari. Gli esteri, invece, sono convertiti in alcoli primari da LiALH4.
Come detto prima, entrambi i reagenti funzionano come fonte di idruro (H-) che agisce come nucleofilo attaccando il carbonio del legame C=O del carbonile e nel secondo passo lo ione alcossido risultante viene protonato per formare un alcool.
Ci sono, tuttavia, alcune differenze a seconda del reagente e per affrontarle, iniziamo con il meccanismo della riduzione LiAlH4:
L’aggiunta di idruro al carbonile è anche catalizzata dallo ione litio che serve come un acido di Lewis coordinandosi all’ossigeno carbonilico. Questo diminuisce la densità di elettroni sull’ossigeno rendendo così il legame C=O più suscettibile ad un attacco nucleofilo.
Il sale alcossido risultante può reagire con l’AlH3 e convertirlo in un’altra fonte di idruro. Tuttavia, per semplicità, il più delle volte mostriamo solo un’addizione al carbonile seguita da una protonazione dell’alcossido con acqua o soluzioni acquose acide che danno il prodotto finale alcol.
Riduzione di aldeidi e chetoni con NaBH4 – Il meccanismo
La boroidride di sodio riduce aldeidi e chetoni con un meccanismo simile con alcune importanti differenze che dobbiamo menzionare.
In primo luogo, NaBH4 non è così reattivo e la reazione viene solitamente effettuata in solventi protici come etanolo o metanolo. Il solvente ha qui due funzioni:
1) Serve come fonte di un protone (H+) una volta che la riduzione è completa
2) Lo ione sodio è un acido di Lewis più debole dello ione litio e, in questo caso, il legame idrogeno tra l’alcol e il gruppo carbonile serve come catalisi per attivare il gruppo carbonile:
Perché NaBH4 non è molto reattivo, non è abbastanza forte per reagire con gli esteri. E questo ha anche a che fare con la reattività dell’estere. In generale, aldeidi e chetoni sono i composti carbonilici più reattivi (dopo i cloruri acidi che sono usati solo come reagenti e non come prodotti finali a causa della loro reattività).
Lo abbiamo visto anche nella reazione di Grignard. Le aldeidi e i chetoni sono più reattivi degli esteri perché l’elettrofilia dell’atomo di carbonio dell’estere è parzialmente soppressa dalla coppia solitaria dell’ossigeno attraverso la stabilizzazione della risonanza:
A causa della stabilizzazione della risonanza, l’atomo di carbonio C=O degli esteri non è elettrofilo e l’NaBH4, essendo poco reattivo, non può attaccarlo.
Questo è il rapporto tra NaBH4 e l’estere. Vediamo ora come funziona la riduzione degli esteri da parte di LiAlH4.
Il meccanismo di riduzione degli esteri da parte di LiAlH4
La riduzione di un estere ad un alcol richiede due aggiunte di idruro al gruppo carbonile e quindi si usa un eccesso di LiAlH4:
Questo perché l’intermedio tetraedrico che si forma dopo la prima aggiunta di idruro contiene un gruppo uscente che viene espulso riformando il gruppo carbonile:
Il gruppo carbonilico appena formato è un’aldeide ed è più reattivo dell’estere, quindi viene attaccato ancora una volta da LiAlH4:
Questo, di nuovo, è molto simile a quello che abbiamo visto nella reazione di Grignard degli esteri. Sì, lo ione metossido non è un grande gruppo lasciante come sappiamo dalle reazioni E2 o SN2. Tuttavia, è ancora una base più debole dello ione idruro e inoltre, l’intermedio tetraedrico con due ossigeni e una carica negativa è altamente instabile ed è energeticamente favorevole all’espulsione del metossido.
Il meccanismo della riduzione di LiAlH4 degli acidi carbossilici
La riduzione degli acidi carbossilici richiede anche un eccesso di LiAlH4. La prima reazione tra un acido carbossilico e LiAlH4 è semplicemente una reazione acido-base di Brønsted-Lowry:
Il carbossilato risultante è quasi non reattivo a causa dell’alta densità di elettroni ed è per questo che la riduzione degli acidi carbossilici è più difficile e richiede condizioni più forzate. Una buona alternativa a questo è l’uso del borano che è efficiente solo per la riduzione degli acidi carbossilici e delle ammidi.
Torniamo al LiAlH4. Nonostante la bassa reattività dello ione carbossilato, l’aggiunta dell’idruro avviene:
L’ossigeno caricato negativamente viene poi convertito in un gruppo lasciante coordinandosi all’alluminio. Questo viene cacciato dalle coppie solitarie dell’altro ossigeno che ripristina il legame π C=O e l’aldeide risultante viene ridotta proprio come abbiamo visto sopra.
La stereochimica della riduzione di LiAlH4 e NaBH4
La riduzione di chetoni asimmetrici con LiAlH4 o NaBH4 produce una coppia di stereoisomeri perché lo ione idruro può attaccare entrambe le facce del gruppo carbonilico planare:
Se non sono presenti altri centri chirali, il prodotto è una miscela racemica di enantiomeri.
Alcoli da idrogenazione catalitica
Un altro metodo comune per preparare alcoli da aldeidi e chetoni è l’idrogenazione catalitica:
Ricordo che l’idrogenazione catalitica era il metodo per ridurre gli alchini ad alcheni o alcani a seconda del reagente specifico. E questo è il motivo per cui le riduzioni con idruro usando LiAlH4 e NaBH4 sono preferite quando sono presenti più gruppi funzionali nella molecola.
Per esempio, eseguire l’idrogenazione catalitica delle seguenti aldeidi insature e chetoni riduce il legame C=C insieme al carbonile, mentre LiAlH4 e NaBH4 lo lasciano intatto e solo il gruppo carbonile viene convertito in un alcool.
Un riassunto per i reagenti riduttori dell’alcool
Oltre a LiAlH4 e NaBH4, ci sono centinaia di diversi idruri riducenti progettati per scenari specifici e combinazione di gruppi funzionali nella molecola. Tutti hanno i loro vantaggi e svantaggi. È impossibile affrontarli in un solo articolo e la maggior parte di essi è al di là della portata della maggior parte dei programmi di laurea.
Tuttavia, qui sotto c’è una tabella riassuntiva delle riduzioni dei carbonili agli alcoli che probabilmente dovrai conoscere:
Una volta imparate queste, vai ai seguenti problemi pratici per la riduzione dei composti carbonilici agli alcoli:
Alcoli da riduzioni carboniliche – Problemi pratici
Controlla anche
- Nomenclatura degli alcoli: Denominazione degli alcoli in base alle regole IUPAC con problemi pratici
- Preparazione di alcoli tramite reazioni di sostituzione o addizione
- Reazione di alcoli con HCl, HBr e acidi HI
- Mesilati e tosilati come buoni gruppi di partenza
- SOCl2 e PBr3 per la conversione di alcoli in alogenuri alchilici
- La sintesi dell’etere di Williamson
- POCl3 per la disidratazione degli alcoli
- Alcoli in reazioni di sostituzione con tonnellate di problemi pratici
- Deidratazione degli alcoli per eliminazione E1 ed E2
- Meccanismo di riduzione carbonilica LiAlH4 e NaBH4
- Alcoli da riduzioni carboniliche – problemi pratici
- Reazione di Grignard nella preparazione degli alcoli con problemi pratici
- Reazione di Grignard nella sintesi organica con problemi pratici
- Gruppi protettivi per gli alcoli e loro uso nella sintesi organica
- Ossidazione degli alcoli: PCC, PDC, CrO3, DMP, Swern e tutto il resto
- NaIO4 scissione ossidativa dei dioli
- Problemi pratici sulle reazioni con gli alcolici