Сокращение березы

Органическая реакция, используемая для преобразования аренов в циклогексадиены

Восстановление по Берчу — это органическая реакция, которая используется для преобразования аренов в 1,4-циклогексадиены . Реакция названа в честь австралийского химика Артура Берча и включает органическое восстановление ароматических колец в аминном растворителе (традиционно жидкий аммиак ) с щелочным металлом (традиционно натрий) и источником протонов (традиционно спирт ). В отличие от каталитического гидрирования , восстановление по Берчу не восстанавливает ароматическое кольцо полностью до циклогексана .

Сокращение Березы

Примером может служить восстановление нафталина в аммиаке и этаноле:

нафталин березовый восстановление

Механизм реакции и региоселективность

Раствор натрия в жидком аммиаке состоит из интенсивно синей электридной соли [Na(NH ₃ ) _x ] ⁺ e ⁻ . Сольватированные электроны присоединяются к ароматическому кольцу, образуя радикальный анион , который затем отрывает протон от спирта. Затем процесс повторяется либо в орто- , либо в пара -положении (в зависимости от заместителей), образуя конечный диен. ^[1] Остаточные двойные связи не стабилизируют дальнейшие радикальные присоединения. ^{[2] [3]}

Восстановление бензола березой , также доступно в анимированной форме .

Известно, что реакция имеет третий порядок – первый порядок по ароматике, первый порядок по щелочному металлу и первый порядок по спирту. ^[4] Для этого необходимо, чтобы лимитирующей стадией было превращение радикального аниона B в циклогексадиенильный радикал C.

Восстановление анизола березой .

Этот шаг также определяет структуру продукта. Хотя Артур Бирч изначально утверждал, что протонирование происходит в мета -положении, ^[5] последующее исследование показало, что протонирование происходит либо в орто-, либо в пара -положении. Доноры электронов имеют тенденцию вызывать орто -протонирование, как показано на примере восстановления анизола (1). Электроноакцепторные заместители имеют тенденцию вызывать пара -протонирование, как показано на примере восстановления бензойной кислоты (2). ^[6]

Сольватированные электроны будут преимущественно восстанавливать достаточно электроотрицательные функциональные группы, такие как кетоны или нитрогруппы , но не атакуют спирты , карбоновые кислоты или эфиры . ^[6]

Региоселективность вторичного протонирования

Второе восстановление и протонирование также ставят механистические вопросы. Таким образом, существуют три резонансные структуры для карбаниона (обозначенные на рисунке как B, C и D).

Простые вычисления Хюккеля приводят к равным электронным плотностям на трех атомах 1, 3 и 5, но асимметричным порядкам связей. Изменение обменных интегралов для учета изменяющихся межатомных расстояний дает максимальную электронную плотность на центральном атоме 1, ^{[7] [8] [9]} результат, подтвержденный более современными вычислениями RHF . ^[10]

Результат аналогичен сопряженным енолятам. Когда эти анионы (но не енольный таутомер ) кинетически протонируются, они делают это в центре, образуя β,γ-ненасыщенный карбонил. ^{[7] [11]}

Модификации

Традиционное восстановление Берча требует криогенных температур для сжижения аммиака и пирофорных доноров электронов щелочных металлов. Разработаны варианты для уменьшения неудобств.

Многие амины служат альтернативными растворителями: например, ТГФ ^{[12] [13]} или смешанный н -пропиламин и этилендиамин . ^[14]

Чтобы избежать прямого щелочного воздействия, существуют химические альтернативы, такие как восстановитель M-SG . Восстановление также может осуществляться с помощью внешнего потенциала или жертвенного анода (магния или алюминия), но тогда необходимы соли щелочных металлов для локализации реагентов посредством комплексообразования. ^[15]

Алкилирование березы

При алкилировании по Берчу анион , образующийся при восстановлении по Берчу, захватывается подходящим электрофилом , таким как галогеналкан , например: ^[16]

Березовый Алкилирование Org Synth 1990

В замещенных ароматических соединениях заместитель, оттягивающий электроны , такой как карбоновая кислота , стабилизирует карбанион , образуя наименее замещенный олефин ; ^[17] заместитель, отдающий электроны, имеет противоположный эффект. ^[18]

Добавление 1,4-дибромбутана к восстановлению трет-бутилбензоата по Берчу образует продукт 1,1-циклогексадиен. ^[19]

Сокращение Бенкезера

Восстановление Бенкезера представляет собой гидрирование полициклических ароматических углеводородов , особенно нафталинов, с использованием лития или металлического кальция в низкомолекулярных алкиламинных растворителях . В отличие от традиционного восстановления Берча, реакцию можно проводить при температурах выше точки кипения аммиака (−33 °C). ^{[20] [21]}

При восстановлении нафталина литием в смешанном растворе этиламина - диметиламина основными продуктами являются бицикло[3.3.0]дец-(1,9)-ен, бицикло[3.3.0]дец-(1,2)-ен и бицикло[3.3.0]декан. ^{[22] [23]}

Реакция Бенкезера

Модифицированная редукция Бенкезера

Направляющие эффекты заместителей нафталина остаются относительно неизученными теоретически. Заместители, соседствующие с мостиком, по-видимому, направляют восстановление к незамещенному кольцу; β-заместители (на одну связь дальше) имеют тенденцию направлять восстановление к замещенному кольцу. ^[6]

История

Артур Бирч , основываясь на более ранней (1937) работе Вустера и Годфри, которые использовали воду, ^[24] разработал реакцию в 1940-х годах, работая в лаборатории Дайсона Перринса в Оксфордском университете . ^[25] Оригинальная процедура Бирча использовала натрий и этанол , ^{[5] [26] [27]} Альфред Л. Уайлдс позже обнаружил, что литий дает лучшие выходы. ^{[28] [29]}

Реакцию было трудно понять с точки зрения механизма, споры продолжались вплоть до 1990-х годов.

Случай с электроноакцепторными группами очевиден, поскольку алкилирование по Берчу служит ловушкой для предпоследнего дианиона D. Этот дианион появляется даже в реакциях без спирта. Таким образом, начальное протонирование является пара , а не ипсо , как видно в трансформации BC. ^{[30] [31] [32]}

Восстановление бензойной кислоты, включая возможное алкилирование

Для электронодонорных заместителей Бирч изначально предложил метаатаку , соответствующую положению наибольшей электронной плотности в нейтральном бензольном кольце , позицию, одобренную Крапчо и Ботнером-Баем. ^{[4] [33]} Эти выводы были оспорены Циммерманом в 1961 году, который вычислил электронные плотности радикальных и диеновых анионов, показав, что орто- участок был наиболее отрицательным и, таким образом, наиболее вероятно протонировался. ^{[7] [9]} Но ситуация оставалась неопределенной, поскольку вычисления оставались высокочувствительными к геометрии перехода. Хуже того, орбитальные вычисления Хюккеля и неограниченные вычисления Хартри-Фока давали противоречивые ответы. Бернхэм в 1969 году пришел к выводу, что наиболее надежные вычисления поддерживали метаатаку ; ^[34] Бирч и Радом в 1980 году пришли к выводу, что как орто-, так и мета- замещения будут происходить с небольшим предпочтением орто . ^[35]

В начале 1990-х годов Циммерман и Ван разработали экспериментальную технику для различения орто- и мета- протонирования. Метод начинался с предпосылки, что карбанионы являются гораздо более основными, чем соответствующие радикальные анионы, и, таким образом, протонируют менее избирательно. Соответственно, два протонирования в восстановлении Берча должны демонстрировать изотопный эффект : в среде протия-дейтерия радикальный анион должен предпочтительно протонировать, а карбанион дейтерировать. Действительно, множество метоксилированных ароматических соединений демонстрировали меньше орто- дейтерия, чем мета (соотношение 1:7). Более того, современные вычисления электронной плотности теперь твердо указывают на орто -протонирование; граничные орбитальные плотности, наиболее аналогичные традиционным вычислениям, используемым в прошлых исследованиях, этого не сделали. ^[10]

Хотя Бирч и не желал признавать, что орто- протонирование является предпочтительным вплоть до 1996 года, ^[36] Циммерман и Ван одержали победу: современные учебники однозначно сходятся во мнении, что электронодонорные заместители способствуют орто- атаке. ^[6]

Дополнительное чтение

• Caine, D. (1976). «Восстановление и родственные реакции α,β-ненасыщенных карбонильных соединений с металлами в жидком аммиаке». Org. React. (обзор). 23 : 1–258. doi :10.1002/0471264180.or023.01. ISBN 0471264180.

Смотрите также

• Сольватированный электрон  — восстановитель
• Восстановление Буво–Бланка  — еще одна реакция с использованием сольватированных электронов
• Синтез метамфетамина  — применение

Ссылки

1. Марч, Джерри (1985), Advanced Organic Chemistry: Reactions, Mechanisms, and Structure, 3-е издание, Нью-Йорк: Wiley, ISBN 9780471854722, OCLC  642506595
2. Rabideau, PW; Marcinow, Z. (1992). «Восстановление ароматических соединений березой». Org. React. (обзор). 42 : 1–334. doi :10.1002/0471264180.or042.01. ISBN 0471264180.
3. Mander, LN (1991). «Частичное восстановление ароматических колец путем растворения металлов и другими методами». Compr. Org. Synth. (обзор). 8 : 489–521. doi :10.1016/B978-0-08-052349-1.00237-7. ISBN 978-0-08-052349-1.
4. Krapcho, AP; Bothner-By, AA (1959). «Кинетика восстановления бензола и замещенных бензолов металлом, аммиаком и спиртом». J. Am. Chem. Soc . 81 (14): 3658–3666. doi :10.1021/ja01523a042.
5. Birch 1944.
6. Кэри, Фрэнсис А.; Сандберг, Ричард Дж. (2007). Advanced Organic Chemistry . Vol. B: Reactions and Synthesis (5-е изд.). Нью-Йорк: Springer. С. 437–439. ISBN 978-0-387-44899-2.
7. Циммерман, Х. Э. (1961). «Ориентация при восстановлении аммиака в металлах». Тетраэдр . 16 (1–4): 169–176. doi :10.1016/0040-4020(61)80067-7.
8. Циммерман, Говард Э. (1975). Квантовая механика для химиков-органиков . Нью-Йорк: Academic Press. С. 154–5. ISBN 0-12-781650-X.
9. Zimmerman, H. E. (1963). «Перегруппировки, катализируемые основаниями». В De Mayo, P. (ред.). Молекулярные перегруппировки . Нью-Йорк: Interscience. стр. 350–352.
10. • Циммерман, Х. Э.; Ванг, П. А. (1990). «Региоселективность восстановления березы». J. Am. Chem. Soc . 112 (3): 1280–1281. doi :10.1021/ja00159a078.
    • Циммерман, Х. Э.; Ванг, П. А. (1993). «Региоселективность восстановления березы». J. Am. Chem. Soc . 115 (6): 2205–2216. doi :10.1021/ja00059a015.
11. Пауфлер, Р. М. (1960) Докторская диссертация, Северо-Западный университет, Эванстон, Иллинойс.
12. Эчери, Золтан и Мюллер, Миклош (1961). «Восстановление витамина D2 щелочными металлами». Мадьяр Кемиай Фолиойрат . 67 : 330–332.
13. Донохоу, Тимоти Дж. и Хаус, Дэвид (2002). «Частичное восстановление ароматических соединений без аммиака с использованием ди- трет -бутилбифенила лития (LiDBB)». Журнал органической химии . 67 (14): 5015–5018. doi :10.1021/jo0257593. PMID  12098328.
14. Гарст, Майкл Э.; Ллойд Дж.; Шервин; Н. Эндрю; Натали К.; Альфред А.; и др. (2000). «Восстановление литием низкомолекулярных аминов и этилендиамина». Журнал органической химии . 65 (21): 7098–7104. doi :10.1021/jo0008136. PMID  11031034.
15. Питерс, Байрон К.; Родригес, Кевин X.; Рейсберг, Соломон Х.; Бейл, Себастьян Б.; Хики, Дэвид П.; Кавамата, Ю; Коллинз, Майкл; Старр, Джереми; Чен, Лонгруи; Удьявара, Сагар; Кландер, Кевин; Гори, Тимоти Дж.; Андерсон, Скотт Л.; Нейрок, Мэтью; Минтир, Шелли Д.; Баран, Фил С. (21 февраля 2019 г.). «Масштабируемое и безопасное синтетическое органическое электровосстановление, вдохновленное химией литий-ионных аккумуляторов». Science . 363 (6429): 838–845. Bibcode :2019Sci...363..838P. doi :10.1126/science.aav5606. PMC 7001862 . PMID  30792297. 
16. Табер, ДФ; Ганн, БП; Чинг Чиу, И. (1983). «Алкилирование аниона из восстановления Берча о-анисовой кислоты: 2-гептил-2-циклогексенон». Органические синтезы; Собрание томов , т. 7, стр. 249.
17. Кюне, М.Е.; Ламберт, Б.Ф. (1963). "1,4-Дигидробензойная кислота". Органические синтезы; Собрание томов , т. 5, стр. 400.
18. Paquette, LA; Barrett, JH (1969). "2,7-Диметилоксепин". Органические синтезы; Собрание томов , т. 5, стр. 467.
19. Клайв, Деррик Л. Дж. и Сунаси, Раджеш (2007). «Формирование бензоконденсированных карбоциклов путем формальной радикальной циклизации в ароматическое кольцо». Organic Letters . 9 (14): 2677–2680. doi :10.1021/ol070849l. PMID  17559217.
20. Birch Reductions, Институт химии, Скопье , Македония
21. Фогель, Э.; Клюг, В.; Брейер, А. (1974). «1,6-Метано[10]аннулен». Органические синтезы; Собрание томов , т. 6.
22. Эдвин М. Кайзер и Роберт А. Бенкезер «Δ ^9,10 -окталин» Org. Синтез. 1970, вып. 50, с. 88 и след. дои : 10.15227/orgsyn.050.0088
23. Merck Index , 13-е изд.
24. Вустер, К. Б.; Годфри, К. Л. (1937). «Механизм восстановления ненасыщенных соединений щелочными металлами и водой». Журнал Американского химического общества . 59 (3): 596. doi :10.1021/ja01282a504.
25. • Бирч, А. Дж. (1944). «Восстановление путем растворения металлов. Часть I». J. Chem. Soc. : 430. doi :10.1039/JR9440000430.
    • Birch, A. J. (1945). "Восстановление путем растворения металлов. Часть II". J. Chem. Soc. : 809. doi :10.1039/jr9450000809.
    • Бирч, А. Дж. (1946). «Восстановление путем растворения металлов. Часть III». J. Chem. Soc. : 593. doi :10.1039/jr9460000593.
    • Birch, AJ (1947). "Восстановление путем растворения металлов. Часть IV". J. Chem. Soc. : 102. doi :10.1039/jr9470000102.
    • Бирч, Артур Дж. (1947). «Восстановление путем растворения металлов. Часть V». J. Chem. Soc. : 1642. doi :10.1039/jr9470001642.
    • Бирч, А. Дж.; Мукерджи, С. М. (1949). «Восстановление путем растворения металлов. Часть VI. Некоторые применения в синтезе». J. Chem. Soc. : 2531. doi :10.1039/jr9490002531.
26. Берч 1945.
27. Берч 1946.
28. Уайлдс, АЛ; Нельсон, NA ​​(1953). «Превосходный метод восстановления фенольных эфиров до дигидропроизводных и ненасыщенных кетонов». J. Am. Chem. Soc . 75 (21): 5360–5365. doi :10.1021/ja01117a064.
29. Берч, А. Дж.; Смит, Х. (1958). «Восстановление растворами металлов и аминов: применение в синтезе и определении структуры». Quart. Rev. (обзор). 12 (1): 17. doi :10.1039/qr9581200017.
30. Bachi, JW; Epstein, Y.; Herzberg-Minzly, H.; Loewnenthal, JE (1969). «Синтез соединений, родственных гибберелловой кислоте. III. Аналоги кольца a гиббереллинов». J. Org. Chem . 34 : 126–135. doi :10.1021/jo00838a030.
31. Табер, ДФ; Ганн, БП; Чинг Чиу, И (1983). "Алкилирование аниона из березового восстановления о-анисовой кислоты: 2-гептил-2-циклогексенон". Органические синтезы . 61 : 59; Собрание томов , т. 7, стр. 249.
32. Guo, Z.; Schultz, AG (2001). «Методология органического синтеза. Приготовление и диастереоселективное восстановление-алкилирование березой 3-замещенных 2-метил-2,3-дигидроизоиндол-1-онов». J. Org. Chem . 66 (6): 2154–2157. doi :10.1021/jo005693g. PMID  11300915.
33. Бирч, А. Дж.; Насипури, Д. (1959). «Механизмы реакции при восстановлении растворами металл-аммиак». Тетраэдр . 6 (2): 148–153. doi :10.1016/0040-4020(59)85008-0.
34. Бернхэм, DR (1969). «Ориентация в механизме восстановления анизола по Берчу». Тетраэдр . 25 (4): 897–904. doi :10.1016/0040-4020(69)85023-4.
35. • Бирч, А. Дж.; Хайнд, А. Л.; Радом, Л. (1980). «Теоретический подход к восстановлению Берча. Структуры и устойчивость радикальных анионов замещенных бензолов». J. Am. Chem. Soc . 102 (10): 3370–3376. doi :10.1021/ja00530a012.
    • Бирч, А. Дж.; Радом, Л. (1980). «Теоретический подход к восстановлению Берча. Структуры и стабильность циклогексадиенильных радикалов». J. Am. Chem. Soc . 102 (12): 4074–4080. doi :10.1021/ja00532a016.
36. Смотрите диаграммы в:
    • Бирч, А. Дж. (1992). «Стероидные гормоны и Люфтваффе. Наступление на фундаментальные стратегические исследования и некоторые его последствия: сокращение Берча становится сокращением рождаемости». Стероиды . 57 (8): 363–377. doi :10.1016/0039-128X(92)90080-S. PMID  1519267. S2CID  24827957.
    • Бирч, А. Дж. (1996). «Восстановление Берча в органическом синтезе». Pure Appl. Chem . 68 (3): 553–556. doi : 10.1351/pac199668030553 . S2CID  41494178.