10.6 : כוהל מתרכובות קרבוניל: חיזור

חיזור היא אסטרטגיה פשוטה להמרת קבוצת קרבוניל לקבוצת הידרוקסיל. שלושת המסלולים העיקריים לחיזור קרבונילים לכוהל הם הידרוגנציה קטליטית, חיזור הידריד וחיזור בוראן.

הידרוגנציה קטליטית דומה לחיזור של אלקן או אלקין על ידי סיפוח H_2 על פני הקשר pi בנוכחות זרזי מתכת מעבר כמו Raney Ni, Pd-C, Pt או Ru. ניתן לחזר אלדהידים וקטונים בשיטה זו, לעתים קרובות בחום מתון עד בינוני (25-100 מעלות צלזיוס) ולחץ (1-5 אטמוספירה H_2), כדי להניב כוהל של 1° ו-2°, בהתאמה.

איור 1. הידרוגנציה קטליטית יכולה להתאים ליישומים תעשייתיים כאשר לא נדרשים תנאים קשים, אך גם קשרי פחמן-פחמן בלתי רוויים מחוזרים.

ניתן להשיג חיזור הידריד על ידי ריאגנטים להעברת הידריד, כמו נתרן בורוהידריד (NaBH_4) וליתיום אלומיניום הידריד (LiAlH4, או LAH), שכן התקפה נוקלאופילית על ידי יון הידריד חופשי, אינה ידועה

כמעט עבור מלחי NaH בשל צפיפות המטען הגבוהה שלו, מה שהופך אותו לבסיס חזק. לאטומי המימן של LAH ו-NaBH_4, שהם קשורים קוולנטית לאטומי בורון ואלומיניום, יש מטענים שליליים חלקיים, ובכך משפרים את הגרעיניות שלהם במחיר של בסיסיות. השלב הראשון של סיפוח נוקלאופילי מוביל ליצירת יוני אלקוקסיד. תוצר הלוואי alkoxyborohydride או alkoxyaluminate מחזר שלוש מולקולות קרבוניל נוספות, ומעביר ברציפות את כל אטומי המימן שלהן. מכיוון שהידריד היא קבוצה עוזבת גרועה, שלבי העברת ההידריד הם בלתי הפיכים, ולכן התגובה ממשיכה עד להשלמה. לבסוף, תערובת התגובה עובדת עם ממס (כלומר, מים או כוהל במקרה של NaBH_4 וחומצה מדוללת במקרה של LAH).

איור 2. אלדהידים ואסטרים סימטריים מייצרים תוצר כוהל אחד של 1°. אסטרים לא סימטריים מייצרים תערובת של 1 מעלות כוהל.

LAH, NaBH_4 ונגזרותיהם שימושיים מאוד בחיזור אלדהידים וקטונים. LAH, חומר מחזר חזק, יכול גם לחזר תרכובות קרבוניל כמו חומצות, אסטרים, אציל כלורידים ואמידים. LAH מגיב באלימות עם מים וממיסים פרוטיים אחרים, משחרר גז מימן ויוצר מתכת הידרוקסיד/אלקוקסידי. לפיכך, חיזורים LAH מבוצעות בדרך כלל בממיסים לא פרוטיים כמו אתר דיאתיל נטול מים ו-THF.

איור 3. תמיסה כוהלית של ליתיום בורוהידריד היא חלופה לא מסוכנת ל-LAH בחיזור אסטרים סלקטיבית על פני חומצות.

מצד שני, NaBH_4 הוא בעל אופי מתון יותר ובדרך כלל מחזר רק בממיסים פרוטיים כמו אתנול או מתנול. לכן, ניתן להשתמש ב-NaBH_4 לחיזור אלדהידים וקטונים בנוכחות קבוצות פונקציונליות כמו אלקיל הלידים, אסטרים, אלקיל טוסילטים וקבוצות ניטרו. Diisobutylaluminum hydride (DIBAL-H) ​​יכול גם להמיר קרבונילים לכוהל בטמפרטורת החדר על ידי שני סיפוחים רצופים של יוני הידריד. עם זאת, כאשר מגיבים עם אסטרים בטמפרטורות נמוכות, ניתן לעצור תגובה זו בשלב האלדהיד על ידי סיפוח שווה ערך אחד בלבד של יון הידריד.

חיזור בורן משתמשת בתמיסת בוראן (BH_3) בדיאתיל אתר, THF או Me_2S כדי לחזר באופן סלקטיבי קבוצות קרבוניל עשירות באלקטרונים כמו חומצות קרבוקסיליות בנוכחות קבוצות פונקציונליות אחרות שניתן לחזר כמו אסטרים ואפילו קטונים.

איור 4. היווצרות של תוצר ביניים טריאצילבוראט תגובתי עם קבוצת קרבוניל אלקטרופילית יותר ממולקולת האסטר ההתחלתית מניעה את תגובת החיזור קדימה.

עבור אורגניזמים חיים, קו-אנזים מופחת NADH או הפוספוסטר שלו NADPH שווה ערך לריאגנטים הידרידיים במעבדה בזירוז אנזים של חיזורים ביולוגיים דומים.