LiAlH4 and NaBH4 Carbonyl Reduction Mechanism

アルデヒド、ケトン、エステル、酸塩化物、さらにはカルボン酸などのカルボニル化合物から、ハイドライド還元によってアルコールを調製することができます。

最も一般的な水素化物還元剤は、LAHとも略されるリチウムアルミニウムヒドリド（LiALH4）とナトリウムボロヒドリド（NaBH4）です。

水素化物還元剤の原理は、金属と水素の間に極性共有結合が存在することにあります。

例えば、LiAlH4のAl-H結合は非常に極性が高く、イオン性に近い性質を持っているため、水素は塩基としても求核剤としても非常に反応性の高いヒドリドイオンとして残ります。

このヒドリドイオンはカルボニル基と反応しますが、カルボニル基もまた極性共有結合であり、π結合の存在によりH-付加が可能となります。

LiALH4は最も強力な還元剤の一つであり、あらゆるカルボニル基や他の官能基にも効率的に作用します。

このLiAlH4のヒドリドイオンの反応性の高さは、プロトン性溶媒と相容れないことを意味します。例えば、水とは激しく反応するため、LiAlH4による還元は無水エーテルやTHFなどの乾燥溶媒中で行われます。

一方、NaBH4はそれほど反応性が高くなく、例えば、エステルの存在下でアルデヒドやケトンを選択的に還元する際に用いることができます。

先に述べたように、どちらの試薬もカルボニルのC=O結合の炭素を攻撃する求核剤として働くヒドリド（H-）の供給源として機能し、第二段階では結果として生じるアルコキシドイオンがプロトン化されてアルコールを形成します。

しかし、試薬によっていくつかの違いがあり、それを説明するために、まずLiAlH4還元のメカニズムを見てみましょう：

カルボニルへの水素化物の付加は、リチウムイオンがカルボニル酸素に配位してルイス酸としての役割を果たすことによっても触媒されます。

得られたアルコキシド塩は、AlH3と反応して別の水素化物源に変えることができます。

得られたアルコキシド塩は、AlH3と反応して別の水素化物源に変えることができます。しかし、簡単にするために、多くの場合、カルボニルへの1回の付加に続いて、水または酸性水溶液でアルコキシドをプロトン化し、最終製品のアルコールを得ることを示しています。

NaBH4によるアルデヒドとケトンの還元 – そのメカニズム

水素化ホウ素ナトリウムは、同様のメカニズムでアルデヒドとケトンを還元しますが、いくつかの重要な違いがあります。

まず、NaBH4はそれほど反応性が高くないため、通常はエタノールやメタノールなどのプロトン性溶媒中で反応を行います。

1）還元が完了するとプロトン（H+）の供給源として機能する

2）ナトリウムイオンはリチウムイオンよりも弱いルイス酸であり、この場合、アルコールとカルボニル基の間の水素結合がカルボニル基を活性化する触媒の役割を果たす。

NaBH4は反応性が低いため、エステル類と反応させるには力不足です。そして、これは同様にエステルの反応性にも関係しています。一般的に、アルデヒドやケトンは最も反応性の高いカルボニル化合物です（反応性が高いため最終製品ではなく試薬としてのみ使用される酸塩化物の次に）

これはグリニャール反応でも見られます。

共鳴安定化のため、エステルのC=O炭素原子は親電性ではなく、反応性の低いNaBH4はこれを攻撃できません。

以上、NaBH4とエステルの関係について述べました。それでは、LiAlH4によるエステルの還元の仕組みを見ていきましょう。

LiAlH4によるエステルの還元の仕組み

エステルをアルコールに還元するには、カルボニル基に2つのヒドリドを付加する必要があるため、LiAlH4を過剰に使用します。

これは、最初のヒドリド付加の後に形成される四面体の中間体が、カルボニル基を再形成する脱離基を含んでいるためです。

新たに形成されたカルボニル基はアルデヒドであり、エステルよりも反応性が高いため、LiAlH4によってもう一度攻撃されます：

これは、エステルのグリニャール反応で見たものと非常によく似ています。そう、メトキシドイオンは、E2反応やSN2反応で知っているように、優れた離脱基ではありません。

The Mechanism of LiAlH4 Reduction of Carboxylic Acids

カルボン酸の還元にも過剰なLiAlH4が必要です。カルボン酸とLiAlH4の最初の反応は、単純にブレンステッド-ローリー酸-塩基反応です：

得られるカルボン酸塩は、電子密度が高いためほとんど反応しません。このため、カルボン酸の還元はより難しく、より強制的な条件が必要となります。このため、カルボン酸の還元は難しく、より多くの条件を必要とします。これに代わる良い方法として、カルボン酸とアミドの還元にのみ効率的なボランの使用があります。

負に帯電した酸素は、アルミニウムに配位して脱離基に変換されます。これが、もう一方の酸素のローン・ペアによってC=Oのπ結合が修復されることで追い出され、結果として、上で見たようにアルデヒドが還元されます。

LiAlH4とNaBH4の還元の立体化学

非対称ケトンをLiAlH4やNaBH4で還元すると、ヒドリドイオンが平面状のカルボニル基のどちらの面にもアタックできるため、一対の立体異性体が生成されます。

他のキラル中心が存在しない場合、生成物はエナンチオマーのラセミ混合物となります。

接触水素化によるアルコール

アルデヒドやケトンからアルコールを調製するもう一つの一般的な方法は、接触水素化です：

接触水素化は、特定の試薬に応じてアルキンをアルケンまたはアルカンに還元する方法であったことを思い出してください。

例えば、以下のような不飽和アルデヒドやケトンを接触水素化すると、C=C結合がカルボニルとともに還元されますが、LiAlH4やNaBH4ではそのままで、カルボニル基のみがアルコールに変換されます。

アルコール還元剤のまとめ

LiAlH4とNaBH4に加えて、特定のシナリオや分子内の官能基の組み合わせのために設計された何百種類もの水素化物還元剤があります。それらにはすべて長所と短所があります。これを1つの記事で取り上げるのは不可能ですし、そのほとんどは、ほとんどの学部のプログラムの範囲を超えています。

しかし、以下に、知っておく必要がありそうなカルボニル化合物のアルコールへの還元についての概要図を示します。

これらを学んだら、カルボニル化合物のアルコールへの還元について、以下の練習問題に取り組んでください。

Alcohols from Carbonyl Reductions – Practice Problems

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