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Reducción de abedul

La reducción de Birch es una reacción orgánica que se utiliza para convertir arenos en 1,4-ciclohexadienos . La reacción recibe su nombre del químico australiano Arthur Birch e implica la reducción orgánica de anillos aromáticos en un disolvente de amina (tradicionalmente amoníaco líquido ) con un metal alcalino (tradicionalmente sodio) y una fuente de protones (tradicionalmente un alcohol ). A diferencia de la hidrogenación catalítica , la reducción de Birch no reduce el anillo aromático por completo a un ciclohexano .

La reducción del abedul
La reducción del abedul

Un ejemplo es la reducción de naftaleno en amoniaco y etanol:

Reducción de abedul con naftaleno
Reducción de abedul con naftaleno

Mecanismo de reacción y regioselectividad

Una solución de sodio en amoníaco líquido está formada por la sal electrida de color azul intenso [Na(NH 3 ) x ] + e − . Los electrones solvatados se suman al anillo aromático para formar un anión radical , que luego le quita un protón al alcohol. El proceso se repite en la posición orto o para (según los sustituyentes) para formar el dieno final. [1] Los dobles enlaces residuales no estabilizan las adiciones de radicales adicionales. [2] [3]

El electrón ataca un anillo de benceno, que luego abstrae un protón del ROH; el proceso luego se repite en la posición para.
Reducción de benceno mediante método de abedul , también disponible en forma animada .

Se sabe que la reacción es de tercer orden : primer orden en el aromático, primer orden en el metal alcalino y primer orden en el alcohol. [4] Esto requiere que el paso limitante de la velocidad sea la conversión del anión radical B en el radical ciclohexadienilo C.

Reacción como con el benceno, pero la protonación procede inmediatamente en orto.
Reducción de anisol de abedul .

Ese paso también determina la estructura del producto. Aunque Arthur Birch argumentó originalmente que la protonación se producía en la posición meta , [5] investigaciones posteriores han revelado que la protonación se produce tanto en la posición orto como en la para . Los donantes de electrones tienden a inducir la protonación orto , como se muestra en la reducción del anisol (1). Los sustituyentes que atraen electrones tienden a inducir la protonación para , como se muestra en la reducción del ácido benzoico (2). [6]


Los electrones solvatados reducirán preferentemente grupos funcionales suficientemente electronegativos, como cetonas o grupos nitro , pero no atacarán alcoholes , ácidos carboxílicos o éteres . [6]

Regioselectividad de protonación secundaria

La segunda reducción y protonación también plantea cuestiones mecanicistas. Por ello, existen tres estructuras de resonancia para el carbanión (etiquetadas B, C y D en la imagen).

Los cálculos simples de Hückel conducen a densidades electrónicas iguales en los tres átomos 1, 3 y 5, pero órdenes de enlace asimétricos. La modificación de las integrales de intercambio para tener en cuenta las distancias interatómicas variables produce una densidad electrónica máxima en el átomo central 1, [7] [8] [9], un resultado confirmado por cálculos RHF más modernos. [10]

El resultado es análogo al de los enolatos conjugados. Cuando esos aniones (pero no el tautómero enólico ) se protonan cinéticamente, lo hacen en el centro para formar el carbonilo β,γ-insaturado. [7] [11]

Modificaciones

La reducción tradicional de Birch requiere temperaturas criogénicas para licuar el amoníaco y los donantes de electrones de metales alcalinos pirofóricos . Se han desarrollado variantes para reducir ambos inconvenientes.

Muchas aminas sirven como disolventes alternativos: por ejemplo, THF [12] [13] o n -propilamina y etilendiamina mixtas . [14]

Para evitar el uso directo de álcalis, existen alternativas químicas, como el agente reductor M-SG . La reducción también puede ser impulsada por un potencial externo o un ánodo de sacrificio (magnesio o aluminio), pero en ese caso son necesarias sales de metales alcalinos para colocar los reactivos mediante la formación de complejos. [15]

Alquilación de abedul

En la alquilación de Birch, el anión formado en la reducción de Birch queda atrapado por un electrófilo adecuado, como un haloalcano , por ejemplo: [16]

Sintetizador orgánico de alquilación de abedul 1990
Sintetizador orgánico de alquilación de abedul 1990

En los aromáticos sustituidos, un sustituyente que atrae electrones , como un ácido carboxílico , estabilizará el carbanión para generar la olefina menos sustituida ; [17] un sustituyente donador de electrones tiene el efecto opuesto. [18]

Alquilación de abedul
La adición de 1,4-dibromobutano a una reducción de Birch de benzoato de terc-butilo forma el producto 1,1-ciclohexadieno. [19]

Reducción de Benkeser

La reducción de Benkeser es la hidrogenación de hidrocarburos aromáticos policíclicos , especialmente naftalenos, utilizando litio o calcio metálico en disolventes de aminas de alquilo de bajo peso molecular . A diferencia de la reducción de Birch tradicional, la reacción se puede llevar a cabo a temperaturas superiores al punto de ebullición del amoniaco (−33 °C). [20] [21]

Para la reducción de naftaleno con litio en una solución mixta de etilamina - dimetilamina , los productos principales son biciclo[3.3.0]dec-(1,9)-eno, biciclo[3.3.0]dec-(1,2)-eno y biciclo[3.3.0]decano. [22] [23]

La reacción de Benkeser
Reducción de Benkeser modificada

Los efectos directores de los sustituyentes del naftaleno siguen siendo relativamente poco estudiados teóricamente. Los sustituyentes adyacentes al puente parecen dirigir la reducción hacia el anillo no sustituido; los sustituyentes β (un enlace más allá) tienden a dirigir la reducción hacia el anillo sustituido. [6]

Historia

Arthur Birch , basándose en trabajos anteriores de Wooster y Godfrey, [24] desarrolló la reacción mientras trabajaba en el Laboratorio Dyson Perrins de la Universidad de Oxford . [25] El procedimiento original de Birch utilizaba sodio y etanol ; [5] [26] [27] Alfred L. Wilds descubrió más tarde que el litio da mejores rendimientos. [28] [29]

La reacción fue difícil de entender mecánicamente y la controversia perduró hasta la década de 1990.

El caso de los grupos que atraen electrones es obvio, porque la alquilación de Birch sirve como trampa para el penúltimo dianión D. Este dianión aparece incluso en reacciones sin alcohol. Por lo tanto, la protonación inicial es para en lugar de ipso , como se ve en la transformación BC. [30] [31] [32]

Reducción del ácido benzoico, incluida la posible alquilación

Para los sustituyentes donadores de electrones, Birch propuso inicialmente el ataque meta , correspondiente a la ubicación de mayor densidad electrónica en un anillo de benceno neutro , una posición respaldada por Krapcho y Bothner-By. [4] [33] Estas conclusiones fueron desafiadas por Zimmerman en 1961, quien calculó las densidades electrónicas de los aniones radicales y dieno, revelando que el sitio orto era el más negativo y, por lo tanto, el más probable de protonar. [7] [9] Pero la situación seguía siendo incierta, porque los cálculos seguían siendo muy sensibles a la geometría de transición. Peor aún, los cálculos orbitales de Hückel y Hartree-Fock sin restricciones dieron respuestas contradictorias. Burnham, en 1969, concluyó que los cálculos más confiables apoyaban el ataque meta ; [34] Birch y Radom, en 1980, concluyeron que tanto las sustituciones orto como meta ocurrirían con una ligera preferencia por orto . [35]

A principios de los años 1990, Zimmerman y Wang desarrollaron una técnica experimental para distinguir entre protonación orto y meta . El método partía de la premisa de que los carbaniones son mucho más básicos que los aniones radicales correspondientes y, por lo tanto, se protonan de forma menos selectiva. En consecuencia, las dos protonaciones en la reducción de Birch deberían exhibir un efecto isotópico : en un medio de protio-deuterio, el anión radical debería protonarse preferentemente y el carbanión deuterarse. De hecho, una variedad de aromáticos metoxilados exhibieron menos deuterio orto que meta (una proporción de 1:7). Además, los cálculos modernos de densidad electrónica ahora indicaban firmemente la protonación orto ; las densidades orbitales de frontera, más análogas a los cálculos tradicionales utilizados en estudios anteriores, no lo hicieron. [10]

Aunque Birch se mostró reacio a admitir que se prefería la protonación orto hasta 1996, [36] Zimmerman y Wang habían ganado: los libros de texto modernos coinciden inequívocamente en que los sustituyentes donadores de electrones promueven el ataque orto . [6]

Lectura adicional

Véase también

Referencias

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