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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 posteriores. [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 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 al anillo no sustituido; los sustituyentes β (un enlace más allá) 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 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

  1. ^ March, Jerry (1985), Química orgánica avanzada: reacciones, mecanismos y estructura, 3.ª edición, Nueva York: Wiley, ISBN 9780471854722, OCLC  642506595
  2. ^ Rabideau, PW; Marcinow, Z. (1992). "La reducción de Birch de compuestos aromáticos". Org. React. (revisión). 42 : 1–334. doi :10.1002/0471264180.or042.01. ISBN 0471264180.
  3. ^ Mander, LN (1991). "Reducción parcial de anillos aromáticos mediante la disolución de metales y otros métodos". Compr. Org. Synth. (revisión). 8 : 489–521. doi :10.1016/B978-0-08-052349-1.00237-7. ISBN 978-0-08-052349-1.
  4. ^ ab Krapcho, AP; Bothner-By, AA (1959). "Cinética de las reducciones de benceno y bencenos sustituidos mediante amoníaco-metal-alcohol". J. Am. Chem. Soc . 81 (14): 3658–3666. doi :10.1021/ja01523a042.
  5. ^Por Birch 1944.
  6. ^ abcd Carey, Francis A.; Sundberg, Richard J. (2007). Química orgánica avanzada . Vol. B: Reacciones y síntesis (5.ª ed.). Nueva York: Springer. págs. 437–439. ISBN. 978-0-387-44899-2.
  7. ^ abc Zimmerman, HE (1961). "Orientación en reducciones de amoníaco metálico". Tetrahedron . 16 (1–4): 169–176. doi :10.1016/0040-4020(61)80067-7.
  8. ^ Zimmerman, Howard E (1975). Mecánica cuántica para químicos orgánicos . Nueva York: Academic Press. pp. 154-5. ISBN. 0-12-781650-X.
  9. ^ ab Zimmerman, H. E. (1963). "Reordenamientos catalizados por bases". En De Mayo, P. (ed.). Reordenamientos moleculares . Nueva York: Interscience. págs. 350–352.
  10. ^ desde
    • Zimmerman, HE; ​​Wang, PA (1990). "La regioselectividad de la reducción de Birch". J. Am. Chem. Soc . 112 (3): 1280–1281. doi :10.1021/ja00159a078.
    • Zimmerman, HE; ​​Wang, PA (1993). "Regioselectividad de la reducción de Birch". J. Am. Chem. Soc . 115 (6): 2205–2216. doi :10.1021/ja00059a015.
  11. ^ Paufler, RM (1960) Tesis de doctorado, Universidad Northwestern, Evanston, IL.
  12. ^ Ecsery, Zoltan y Muller, Miklos (1961). "Reducción de vitamina D2 con metales alcalinos". Magyar Kémiai Folyóirat . 67 : 330–332.
  13. ^ Donohoe, Timothy J. y House, David (2002). "Reducción parcial sin amoniaco de compuestos aromáticos utilizando litio di- tert -butilbifenilo (LiDBB)". Journal of Organic Chemistry . 67 (14): 5015–5018. doi :10.1021/jo0257593. PMID  12098328.
  14. ^ Garst, Michael E.; Lloyd J.; Shervin; N. Andrew; Natalie C.; Alfred A.; et al. (2000). "Reducciones con litio en aminas de bajo peso molecular y etilendiamina". Journal of Organic Chemistry . 65 (21): 7098–7104. doi :10.1021/jo0008136. PMID  11031034.
  15. ^ Peters, Byron K.; Rodriguez, Kevin X.; Reisberg, Solomon H.; Beil, Sebastian B.; Hickey, David P.; Kawamata, Yu; Collins, Michael; Starr, Jeremy; Chen, Longrui; Udyavara, Sagar; Klunder, Kevin; Gorey, Timothy J.; Anderson, Scott L.; Neurock, Matthew; Minteer, Shelley D.; Baran, Phil S. (21 de febrero de 2019). "Electrorreducción orgánica sintética escalable y segura inspirada en la química de baterías de iones de litio". Science . 363 (6429): 838–845. Bibcode :2019Sci...363..838P. doi :10.1126/science.aav5606. PMC 7001862 . PMID  30792297. 
  16. ^ Taber, DF; Gunn, BP; Ching Chiu, I. (1983). "Alquilación del anión de la reducción de Birch del ácido o-anísico: 2-heptil-2-ciclohexenona". Síntesis orgánicas; Volúmenes recopilados , vol. 7, pág. 249.
  17. ^ Kuehne, ME; Lambert, BF (1963). "Ácido 1,4-dihidrobenzoico". Síntesis orgánicas; Volúmenes recopilados , vol. 5, pág. 400.
  18. ^ Paquette, LA; Barrett, JH (1969). "2,7-Dimetiloxepina". Síntesis orgánicas; Volúmenes recopilados , vol. 5, pág. 467.
  19. ^ Clive, Derrick LJ y Sunasee, Rajesh (2007). "Formación de carbociclos fusionados con benzo mediante ciclización radicalaria formal en un anillo aromático". Organic Letters . 9 (14): 2677–2680. doi :10.1021/ol070849l. PMID  17559217.
  20. ^ Reducciones de abedul, Instituto de Química, Skopje , Macedonia
  21. ^ Vogel, E.; Klug, W.; Breuer, A. (1974). "1,6-metano [10] anuleno". Síntesis orgánicas; Volúmenes recopilados , vol. 6.
  22. ^ Edwin M. Kaiser y Robert A. Benkeser "Δ 9,10 -Octalin" Org. Sintetizador. 1970, vol. 50, pág. 88 y sigs. doi :10.15227/orgsyn.050.0088
  23. ^ Índice Merck , 13.ª edición.
  24. ^ Wooster, CB; Godfrey, KL (1937). "Mecanismo de reducción de compuestos insaturados con metales alcalinos y agua". Revista de la Sociedad Química Americana . 59 (3): 596. doi :10.1021/ja01282a504.
  25. ^
    • Birch, A. J. (1944). "Reducción por disolución de metales. Parte I". J. Chem. Soc. : 430. doi :10.1039/JR9440000430.
    • Birch, A. J. (1945). "Reducción por disolución de metales. Parte II". J. Chem. Soc. : 809. doi :10.1039/jr9450000809.
    • Birch, A. J. (1946). "Reducción por disolución de metales. Parte III". J. Chem. Soc. : 593. doi :10.1039/jr9460000593.
    • Birch, AJ (1947). "Reducción por disolución de metales. Parte IV". J. Chem. Soc. : 102. doi :10.1039/jr9470000102.
    • Birch, Arthur J. (1947). "Reducción por disolución de metales. Parte V". J. Chem. Soc. : 1642. doi :10.1039/jr9470001642.
    • Birch, AJ; Mukherji, SM (1949). "Reducción por disolución de metales. Parte VI. Algunas aplicaciones en síntesis". J. Chem. Soc. : 2531. doi :10.1039/jr9490002531.
  26. ^ Abedul 1945.
  27. ^ Abedul 1946.
  28. ^ Wilds, AL; Nelson, NA (1953). "Un método superior para reducir éteres de fenol a derivados dihidro y cetonas insaturadas". J. Am. Chem. Soc . 75 (21): 5360–5365. doi :10.1021/ja01117a064.
  29. ^ Birch, AJ; Smith, H. (1958). "Reducción mediante soluciones de metal-amina: aplicaciones en síntesis y determinación de la estructura". Quart. Rev. (revisión). 12 (1): 17. doi :10.1039/qr9581200017.
  30. ^ Bachi, JW; Epstein, Y.; Herzberg-Minzly, H.; Loewnenthal, JE (1969). "Síntesis de compuestos relacionados con el ácido giberélico. III. Análogos del anillo a de las giberelinas". J. Org. Chem . 34 : 126–135. doi :10.1021/jo00838a030.
  31. ^ Taber, DF; Gunn, BP; Ching Chiu, I (1983). "Alquilación del anión de la reducción de abedul del ácido o-anísico: 2-heptil-2-ciclohexenona". Organic Syntheses . 61 : 59; Volúmenes recopilados , vol. 7, pág. 249.
  32. ^ Guo, Z.; Schultz, AG (2001). "Metodología de síntesis orgánica. Preparación y reducción-alquilación diastereoselectiva de birch de 2-metil-2,3-dihidroisoindol-1-onas 3-sustituidas". J. Org. Chem . 66 (6): 2154–2157. doi :10.1021/jo005693g. PMID  11300915.
  33. ^ Birch, AJ; Nasipuri, D. (1959). "Mecanismos de reacción en la reducción mediante soluciones de metal-amoníaco". Tetrahedron . 6 (2): 148–153. doi :10.1016/0040-4020(59)85008-0.
  34. ^ Burnham, DR (1969). "Orientación en el mecanismo de la reducción de Birch del anisol". Tetrahedron . 25 (4): 897–904. doi :10.1016/0040-4020(69)85023-4.
  35. ^
    • Birch, AJ; Hinde, AL; Radom, L. (1980). "Un enfoque teórico de la reducción de Birch. Estructuras y estabilidades de los aniones radicales de bencenos sustituidos". J. Am. Chem. Soc . 102 (10): 3370–3376. doi :10.1021/ja00530a012.
    • Birch, AJ; Radom, L. (1980). "Un enfoque teórico de la reducción de Birch. Estructuras y estabilidades de radicales ciclohexadienilo". J. Am. Chem. Soc . 102 (12): 4074–4080. doi :10.1021/ja00532a016.
  36. ^ Ver diagramas en:
    • Birch, AJ (1992). "Las hormonas esteroides y la Luftwaffe. Una incursión en la investigación estratégica fundamental y algunas de sus consecuencias: La reducción de Birch se convierte en una reducción de la natalidad". Esteroides . 57 (8): 363–377. doi :10.1016/0039-128X(92)90080-S. PMID  1519267. S2CID  24827957.
    • Birch, AJ (1996). "La reducción de Birch en la síntesis orgánica". Pure Appl. Chem . 68 (3): 553–556. doi : 10.1351/pac199668030553 . S2CID  : 41494178.