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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 lleva el 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 completamente a ciclohexano .

La reducción de abedul
La reducción de abedul

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

Reducción de abedul naftaleno
Reducción de abedul naftaleno

Mecanismo de reacción y regioselectividad.

Una solución de sodio en amoníaco líquido consiste en la sal electruro de color azul intenso [Na(NH 3 ) x ] + e − . Los electrones solvatados se suman al anillo aromático para dar un anión radical , que luego extrae un protón del alcohol. Luego, el proceso se repite en la posición orto o para (dependiendo de los sustituyentes) para dar el dieno final. [1] Los dobles enlaces residuales no estabilizan más adiciones de radicales. [2] [3]

El electrón ataca un anillo de benceno, que luego extrae un protón del ROH; El proceso luego se repite en la posición para.
Reducción de benceno 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 se produce inmediatamente en orto.
Reducción de anisol en abedul .

Ese paso también determina la estructura del producto. Aunque Arthur Birch originalmente argumentó que la protonación se producía en la posición meta , [5] investigaciones posteriores han revelado que la protonación se produce en la posición orto o para . Los donantes de electrones tienden a inducir la ortoprotonación , como se muestra en la reducción del anisol (1). Los sustituyentes aceptores de electrones tienden a inducir la paraprotonación, 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 a los alcoholes , ácidos carboxílicos o éteres . [6]

Regioselectividad de protonación secundaria

La segunda reducción y protonación también plantea cuestiones mecanicistas. Por tanto, 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 diferentes distancias interatómicas 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 enol ) se protonan cinéticamente, lo hacen en el centro para producir el carbonilo β,γ-insaturado. [7] [11]

Modificaciones

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

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

Para evitar los álcalis directos, 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 luego se necesitan sales de metales alcalinos para colocar los reactivos mediante la complejación. [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 Org de alquilación de abedul 1990
Sintetizador Org de alquilación de abedul 1990

En los aromáticos sustituidos, un sustituyente aceptor de electrones , como un ácido carboxílico , estabilizará el carbanión para generar la olefina menos sustituida ; [17] un sustituyente donador de electrones tiene el efecto contrario. [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 alquilaminas de bajo peso molecular . A diferencia de la reducción tradicional de Birch, la reacción se puede realizar a temperaturas superiores al punto de ebullición del amoníaco (-33 °C). [20] [21]

Para la reducción de naftaleno con litio en una solución mixta de etilamina y 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 de naftaleno siguen estando relativamente poco estudiados en teoría. Los sustituyentes adyacentes al puente parecen dirigir la reducción al anillo no sustituido; Los sustituyentes β (un enlace más) tienden a dirigir la reducción al 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 ofrece mejores rendimientos. [28] [29]

La reacción fue difícil de entender mecanísticamente, y la controversia se prolongó hasta la década de 1990.

El caso de los grupos aceptores de 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 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 una posible alquilación.

Para los sustituyentes donadores de electrones, Birch propuso inicialmente un metaataque , 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 cuestionadas por Zimmerman en 1961, quien calculó las densidades electrónicas de los aniones radicales y dienos, revelando que el sitio orto era más negativo y, por lo tanto, tenía más probabilidades de protonarse. [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 respaldaban el metaataque ; [34] Birch y Radom, en 1980, concluyeron que se producirían sustituciones tanto orto como meta con una ligera preferencia por orto . [35]

A principios de la década de 1990, Zimmerman y Wang desarrollaron una técnica experimental para distinguir entre orto y metaprotonación . El método comenzó con la premisa de que los carbaniones son mucho más básicos que los aniones radicales correspondientes y, por tanto, 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 orto deuterio que meta (una proporción de 1:7). Además, los cálculos modernos de densidad electrónica ahora indicaban firmemente la ortoprotonación ; las densidades orbitales fronterizas, más análogas a los cálculos tradicionales utilizados en estudios anteriores, no lo hicieron. [10]

Aunque en 1996 Birch seguía reacio a admitir que se prefería la protonación orto , [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

Ver también

Referencias

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