کاهش توس مولکولهای معطر غنی از الکترون و فقیر با الکترون – مثالها و مکانیسمها

احیای توس فرآیندی برای تبدیل بنزن (و بستگان معطر آن) به 1،4-سیکلوهگزادین با استفاده از سدیم (یا لیتیوم) به عنوان یک عامل کاهنده در آمونیاک مایع به عنوان حلال (نقطه جوش: -33 درجه سانتیگراد) در حضور یک الکل مانند اتانول، متانول یا تی بوتانول.

فهرست مطالب

کاهش توس
مکانیسم کاهش توس
Na/NH3 را با NaNH2/NH3 اشتباه نگیرید
اثرات جایگزین در کاهش توس
حلقه‌های معطر با گروه‌های خارج‌کننده الکترون (EWG) در مجاورت EWG پروتونه می‌شوند.
حلقه‌های معطر با گروه‌های اهداکننده الکترون (EDG) روی کربن «اورتو» به EDG پروتونه می‌شوند.
یادداشت
(پیشرفته) مراجع و مطالعه بیشتر
1. کاهش توس

هنگامی که بنزن با سدیم فلزی (یا لیتیوم) در آمونیاک مایع به عنوان یک حلال، در حضور یک منبع پروتون (مانند اتانول، متانول یا تی بوتانول) درمان می شود، نتیجه کاهش خالص یکی از پیوندهای دوگانه است. حلقه بنزن برای ایجاد 1،4-سیکلوهگزادین.

(من می گویم “شبکه” زیرا دو پیوند C-C pi شکسته شده و یک پیوند C-C pi تشکیل می شود)

اگرچه کاهش تولوئن و متوکسی بنزن برای اولین بار توسط ووستر و گادفری در سال 1937 گزارش شد، این واکنش پس از آن که پروفسور آرتور جی. برچ، شیمیدان استرالیایی که به عنوان پسادکتر زیر نظر رابرت رابینسون برنده جایزه نوبل کار می کرد، به عنوان کاهش توس شناخته شد. ساختار محصول در سال 1944 به عنوان یک مشتق 1،4-سیکلوهگزادین. [توجه] همانطور که توسط جان کورنفورث در بیوگرافی برچ ذکر شده است، رابینسون (که در آن زمان عمدتاً از آزمایشگاه دور بود و به تلاش های جنگی کمک می کرد) از زمانی که برچ صرف توسعه این واکنش کرد، ناراضی بود.

2. مکانیسم کاهش توس

آمونیاک (NH3) گازی در دمای اتاق است که در دمای 33- درجه سانتی گراد می جوشد. آمونیاک گازی را می توان با استفاده از انگشت سرد یخ/استون (-78 درجه سانتی گراد) به مایع تبدیل کرد، جایی که می تواند به عنوان حلال برای فلزات قلیایی (مانند لی، سدیم و پتاسیم) عمل کند. اگرچه این فلزات در آمونیاک مایع به مقدار کمی حل می شوند (حدود 1 تا 5 گرم سدیم در هر لیتر NH3)، نتیجه یک رنگ آبی تماشایی است: یک بار ساخته شده، هرگز فراموش نمی شود.

عکس کاهش توس، از ChemTips توسط براندون فایندلی.

رنگ آبی شدید به دلیل وجود الکترون های حل شده (e-) است که در محلول آمونیاک شنا می کنند. [توجه داشته باشید]

پس از برخورد با بنزن، یک الکترون به سیستم پی آروماتیک اضافه می‌شود و در نتیجه یک آنیون رادیکال با هفت الکترون پی ایجاد می‌شود. [توجه داشته باشید]

[توجه داشته باشید که در مکانیسم فشار پیکان، دو پیوند C-C pi شکسته و یک پیوند C-C pi تشکیل می‌شود، به همین دلیل است که گفتیم این واکنش منجر به شکستگی خالص پیوند C-C pi می‌شود].

آنیون رادیکال که به شدت بازی است، بلافاصله توسط الکل در کربن پروتونه می شود.

سپس رادیکال پنتادینیل حاصل می‌تواند الکترون دوم را از “سوپ الکترون” بپذیرد و در نتیجه یک آنیون جدید (“آنیون پنتادینیل”) ایجاد کند. (چرا پنتادینیل و نه هگزادینیل؟ به یادداشت مراجعه کنید)

در این مرحله است که وجود یک الکل (مثلاً اتانول یا تی بوتانول) ضروری می‌شود، زیرا NH3 اسید کافی برای پروتونه کردن این آنیون نیست.

پروتونه شدن این گونه در کربن مرکزی منجر به 1،4-سیکلوهگزادین می شود. مطالعات انجام شده توسط 13-C NMR نشان می دهد که کربن مرکزی بالاترین چگالی الکترون را دارد.

بنابراین، اگرچه گفتیم که واکنش شامل شکست خالص یک پیوند پی منفرد است، در واقع ما دو پیوند پی را می شکنیم و یکی را تشکیل می دهیم.

3. Na/NH3 را با NaNH2/NH3 اشتباه نگیرید

شرایط کاهش توس را می توان به راحتی با شرایطی که آمید سدیم (NaNH2) تشکیل می دهند اشتباه گرفت.

نکته کلیدی این است که تفاوت بین فلز سدیم (خنثی، به راحتی تک الکترون خود را رها می کند) در NH3 (حلال) و NaNH2 (آمید سدیم، باز قوی) در NH3 (حلال، همچنین باز مزدوج) را بدانید.

به عنوان مثال، این یک کاهش توس نیست – این حذف یک کلرید برای تشکیل بنزین و به دنبال آن حمله است!

اشتباه رایج دیگر این است که تصور کنید نقش Na/NH3 قرار دادن NH2 روی حلقه است. این نیز نادرست است.

4. اثرات جایگزین در کاهش توس

سوال بعدی این است که وقتی جانشین ها روی رینگ حضور دارند چه اتفاقی می افتد؟ چه نوع محصولاتی بدست می آید؟

از آنجایی که «هسته دوست» در اینجا اساساً الکترون‌های آزاد (e-) است، واکنش در حلقه‌های آروماتیک با جایگزین‌های الکترون‌کشنده (مانند CO2H) سریع‌تر و در حلقه‌های آروماتیک با جایگزین‌های الکترون دهنده (OCH3) کندتر است.

جانشین های الکترون گیر و جانشین های الکترون دهنده نیز محصولات متفاوتی می دهند.

با گروه های الکترون خارج کننده، پروتوناسیون در مجاورت گروه الکترون خارج کننده دریافت می کنید.

با گروه‌های اهداکننده الکترون مانند OCH3، پروتوناسیون روی کربن مجاور کربن حامل OCH3 («اورتو» به -OCH3) دریافت می‌کنید. مثل این:

چرا تفاوت؟

هنگامی که یک جایگزین وجود دارد، تشکیل اولین پیوند C-H تعیین می کند که کدام محصول تشکیل می شود. این به نوبه خود به مکانی که پایدارترین آنیون در آن تشکیل می‌شود بستگی دارد.

5. حلقه‌های معطر با گروه‌های خارج‌کننده الکترون (EWG) در مجاورت پروتونه می‌شوند.

به EWG

هنگامی که یک گروه الکترون گیر مانند CO2CH3 وجود داشته باشد، آنیون را می توان از طریق تشدید از کربن به اکسیژن (که الکترونگاتیو تر است، در تثبیت بار منفی بسیار بهتر است) تغییر مکان داد. به یاد بیاورید که این نمونه ای از پذیرنده pi بودن CO2CH3 است.

بنابراین پروتونه شدن بر روی کربن حامل جانشین الکترون‌کشنده (یعنی پی-پذیرنده) روی می‌دهد. [توجه داشته باشید]

6. حلقه‌های معطر با گروه‌های اهداکننده الکترون (EDG) روی کربن «اورتو» به EDG پروتونه می‌شوند.

هنگامی که گروهی وجود دارد که یک دهنده قوی پی (OCH3) است، تشکیل آنیون در مجاورت آن گروه در واقع نامطلوب است. پس از همه، الکترون ها دفع می کنند!

در این حالت محصول با قرار دادن بار منفی تا حد امکان دور از گروه اهداکننده pi تعیین می شود.

وینیل اترهای حاصل را می توان با اسید آبی به کتون هیدرولیز کرد. این فرآیند در تولید هورمون‌های استروئیدی اهمیت ویژه‌ای پیدا کرد که منجر به ساخت قرص ضد بارداری شد. به عنوان مثال، سنتز نورتی استرون از استرادیول بر کاهش توس متکی بود که در این پست کمی بررسی کردیم.

همانطور که کارل جراسی یک بار گفته بود، “Que viva Don Arturo Birch! ”

با تشکر از KG برای کمک ارزشمند با تصاویر موجود در این پست.

یادداشت
دومین سهم کلیدی توس در کاهش متوکسی بنزن این بود که نشان داد انول اتر می تواند به کتون هیدرولیز شود. این واکنش در نهایت در سنتز مشتقات استروئیدی بسیار مهم شد.
اولین شیمیدانی که این واکنش را «کاهش توس» نامید، کارل جراسی، «پدر قرص» بود.
بنابراین، هسته دوست در اینجا سدیم نیست، بلکه “الکترون” است. واکنشی که بدون برخورد دو مولکول با یکدیگر رخ می دهد، ممکن است عجیب به نظر برسد – مانند تولید مثل بدون رابطه جنسی. قیاس با تلقیح مصنوعی مناسب است، زیرا واکنش را می توان با استفاده از باتری به عنوان منبع الکترون بدون نیاز به هیچ گونه سدیم انجام داد.
آلکن های معمولی تحت تأثیر شرایط احیای توس قرار نمی گیرند. با این حال، آلکن های مزدوج را می توان کاهش داد.
در این شرایط آلکین ها تا حدی احیا می شوند تا ترانس آلکن بدهند (به احیای آلکین های Na/NH3 مراجعه کنید).
دومین رویداد پروتوناسیون مسئول تشکیل 1،4 دی ان است. چرا 1،4-دی ان (غیر مزدوج) تشکیل می شود و 1،3- دی ان (مزودو، بنابراین پایدارتر) شکل نمی گیرد؟ طبق مطالعات 13C NMR، کربن مرکزی غنی‌تر از الکترون است و منطق این است که واکنش سریع‌ترین (و برگشت‌ناپذیر) در این موقعیت اتفاق می‌افتد. بنابراین این نمونه ای از کنترل جنبشی است.
در غیاب منبع پروتون مانند CH3CH2OH اولین پروتوناسیون اتفاق می افتد (از طریق حلال NH3)، اما NH3 به اندازه کافی اسیدی نیست که بتواند پروتوناسیون دوم را انجام دهد. اگر الکل (مانند CH3CH2OH یا t-BuOH) وجود نداشته باشد، نتیجه تشکیل پیوند C-C بین حلقه‌های بنزن احیا شده است.
از آنجایی که محیط واکنش کاملاً اساسی است، اگر پروتوناسیون روی اکسیژن اتفاق بیفتد، محصول حاصل به سرعت دوباره پروتونه می‌شود. از طرف دیگر، پروتوناسیون روی کربن برگشت ناپذیر است.
ترسیم اوربیتال های مولکولی “آنیون رادیکال” بنزن یک سوال امتحانی خوب است.
چرا پنتادینیل و نه هگزادینیل؟ زیرا 5 اوربیتال p در سیستم مزدوج وجود دارد (زیرا کربن دیگر موجود در حلقه اکنون یک CH2 است و نمی تواند در تشدید شرکت کند).

این کاربرد کاهش توس به عنوان یک “گروه پوشاننده” برای استر بتا کتو بسیار هوشمندانه است. (مرجع 7).

(پیشرفته) مراجع و مطالعه بیشتر

این مقاله از وبلاگ In The Pipeline توسط درک لو یک پس‌زمینه قابل دسترس (بدون فرمول)، رنگارنگ، و جالب در مورد کاهش توس، همراه با بحث در مورد پیشرفت اخیر (2019) در کاهش الکتروشیمیایی توس ارائه می‌کند (به مرجع 8 مراجعه کنید). .

اجرای A Birch Reduction. از ChemTips

این جزوه ها در مورد کاهش توس از گروه های پروفسور اندرو جی. مایرز (هاروارد) و پروفسور فیل اس. باران (اسکریپس) به ویژه برای دانشجویان پیشرفته در مقطع کارشناسی / کارشناسی ارشد مفید است.

سر جان کورنفورث، برنده جایزه نوبل، طرحی بیوگرافی توس را در کتاب خاطرات بیوگرافی یاران انجمن سلطنتی نوشت. این مقاله همچنین یادآور می شود که اولین شیمیدانی که از اصطلاح “کاهش توس” استفاده کرد، کارل جراسی بود.

ادبیات ابتدایی

Umsetzungen von ungesättigten und mehrkernigen aromatischen Kohlenwasserstoffen mit Natrium und Calcium in flüssigem Ammoniak
والتر هوکل و هورست برشنایدر
لیب ان شیمی. 1939، 540 (1)، 157-189
DOI: 10.1002/jlac.19395400112
مکانیسم کاهش ترکیبات غیراشباع با فلزات قلیایی و آب
چارلز بوشنل ووستر و کنت ال. گادفری
مجله انجمن شیمی آمریکا 1937، 59 (3)، 596-597
DOI: 10.1021/ja01282a504
این دو مقاله مقدماتی برای کار آرتور برچ بودند – اینها کاهش ترکیبات معطر را با استفاده از Na/NH3 توصیف می‌کنند.
کاهش با حل کردن فلزات قسمت اول
آرتور جی. توس
جی. شیمی. Soc., 1944, 430-436
DOI: 10.1039/JR9440000430
اولین مقاله توس (از بین بسیاری) در مورد کاهش مواد آروماتیک توسط Na+NH3، که از آن زمان به بعد

e به نام او.
کاهش توس از ترکیبات معطر
رابیدو، پیتر دبلیو. مارسینو، زبیگنیو
سازمان واکنش نشان دهید. 1992، 42، 1-334
DOI: 10.1002/0471264180.or042.01
اهمیت کاهش توس باید در اینجا مشهود باشد – این موضوع بررسی بیش از 300 صفحه در واکنش‌های ارگانیک است! این شامل همه چیزهایی است که شما باید در مورد واکنش بدانید – تاریخچه، توسعه، مکانیسم ها، دامنه واکنش، و روش های آزمایشی.
تحلیل مکانیکی کاهش توس
هوارد ای. زیمرمن
حساب های تحقیقات شیمیایی 2012، 45 (2)، 164-170
DOI: 10.1021/ar2000698
این گزارش توسط پروفسور زیمرمن (یک شخصیت بسیار تأثیرگذار در شیمی آلی فیزیکی مدرن) خلاصه‌ای از کارهایی است که برای ایجاد مکانیسم کاهش توس انجام شده است.
کاهش ترکیبات آلی توسط لیتیوم در آمین های با وزن مولکولی کم. I. کاهش انتخابی هیدروکربن های آروماتیک به مونولفین
رابرت ای. بنکسر، رابرت ای. رابینسون، دیل ام. ساو و اوون اچ.
مجله انجمن شیمی آمریکا 1955، 77 (12)، 3230-3233
DOI: 10.1021/ja01617a025
مشابه دیگر احیای فلزات حل شونده، شرایط احیای سنتی توس را می توان گسترش داد – لی را می توان به جای Na استفاده کرد، و NH3 را می توان با آمین های با MW پایین (مانند متیل آمین) جایگزین کرد.
سنتز سینتون های 1،3-دیول از پیش سازهای آروماتیک اپوکسی: رویکردی برای ساخت محصولات طبیعی مشتق شده از پلی استات
دیوید ایوانز، جوئل آ. گوشت-پرونت، اریک ام. کریرا، و آندره بی.
مجله شیمی آلی 1991 56 (2)، 741-750
DOI: 10.1021/jo00002a048
منبع طرح واکنش در پاورقی. از آزمایشگاه پروفسور دیوید ایوانز (هاروارد)، چهره برجسته در سنتز محصولات طبیعی مدرن.
1،4-دی هیدروبنزوئیک اسید
M.E. Kuehne و B. F. Lambert
سازمان مصنوعی. 1963، 43، 22
DOI: 10.15227/orgsyn.043.0022
یک روش قابل اعتماد و قابل تکرار کاهش توس در سنتزهای آلی، منبعی از روش‌های آزمایشگاهی آلی مصنوعی مستقل. این همچنین انتخاب منطقه ای کاهش را برای آرن ها با EWG نشان می دهد.

یک مطالعه اجباری در مورد انجام کاهش الکتروشیمیایی توس بدون سدیم یا آمونیاک بر روی طیف وسیعی از بسترها.