Agents reducteurs

La réduction des carbonyles est une tâche courante en chimie organique. Les chimistes utilisent différents agents réducteurs pour contrôler soigneusement le résultat de la procédure.

Les carbonyles sont des groupes fonctionnels avec un atome de carbone doublement lié à un oxygène. Les groupes carbonyles apparaissent dans de nombreux types de composés. Lorsque les carbonyles sont réduits, le produit dépendra en partie de la composition chimique exacte du composé. De plus, un réactif particulier peut avoir différents produits de réduction. En utilisant différents agents réducteurs, les chimistes peuvent contrôler ces produits, ou si la réaction a lieu.

Cette vidéo illustrera la réaction d’un composé carbonyle avec deux agents réducteurs différents, et les différents produits qui en résultent.

Le carbone est moins électronégatif que l’oxygène, donc lorsqu’ils partagent une liaison, comme dans un carbonyle, le carbone aura une charge positive partielle, ce qui le rend électrophile. Cela le rend à son tour sensible aux attaques nucléophiles, comme le transfert d’hydrure qui déclenche la plupart des réductions de carbonyles. L’augmentation de cette charge positive augmente l’électrophilie, augmentant la réactivité du carbone. La diminution de la charge rendra le carbone moins réactif

Les halogénures d’acyle ont un autre atome fortement électronégatif, comme le chlore, lié au carbone, augmentant la charge positive sur le carbone. Par conséquent, ce groupe est plus réactif que les cétones ou les aldéhydes. D’autre part, les esters, les amides et les acides carboxyliques ont tous des structures de résonance qui propagent une charge négative supplémentaire sur leurs carbones, ce qui les rend moins positifs. Par conséquent, ces composés sont moins réactifs que les cétones et les aldéhydes.

Différents donneurs d’hydrures ont également des réactivités différentes, ce qui affecte les composés carbonylés qu’ils sont capables de réduire. L’hydrure d’aluminium et de lithium est très réactif et est capable de réduire la plupart des composés carbonylés. Pendant ce temps, le borohydrure de sodium a une réactivité relativement faible. Il peut réduire les halogénures d’acyle, les aldéhydes et les cétones, mais est incapable de réduire les esters, les amides ou les acides carboxyliques moins réactifs. La réactivité de l’hydrure de lithium tri-tert-butoxyaluminium est intermédiaire et produira également différents produits de réduction

Les chimistes utilisent ces principes de réactivité pour contrôler quels produits résultent d’une réaction de réduction. Par exemple, l’acétoacétate d’éthyle possède 2 groupes carbonyles uniques : une cétone et un ester. S’il est réduit avec du borohydrure de sodium, seule la cétone sera affectée, produisant du 3-hydroxybutarate d’éthyle. Cependant, s’il est réduit avec de l’hydrure d’aluminium et de lithium, les deux carbonyles seront affectés, produisant du 1,3-butanediol.

Pour démontrer ces principes de réduction des carbonyles, nous allons effectuer les deux réactions de réduction avec de l’acétoacétate d’éthyle. Nous étudierons également les produits par chromatographie sur couche mince et spectroscopie infrarouge, afin d’examiner soigneusement le devenir de chaque carbonyle.

La première réaction utilisera le borohydrure de sodium moins réactif. Pour commencer, installez une fiole à fond rond sur une plaque d’éthylène Ajoutez un barre d’appui et 0,127 mL d’acétoacétate d’éthyle dans cette fiole. Ensuite, ajoutez 5 ml d’éthanol et commencez à mélanger.

Ensuite, pesez 74 mg de borohydrure de sodium. Par petites portions, ajoutez-le dans la fiole. La réaction de réduction deviendra blanche et bouillonnera. Après avoir ajouté tout le borohydrure, surveillez la réaction toutes les quelques minutes avec la chromatographie sur couche mince, en utilisant 40 % d’acétate d’éthyle et 60 % d’hexane comme phase mobile. Le produit attendu aura une valeur de rétention légèrement inférieure à celle de l’acétoacétate d’éthyle de départ.

Une fois la réaction terminée, ajoutez 10 ml d’eau au mélange pour éteindre la réaction. Extraire le produit de l’eau deux fois avec 30 mL d’acétate d’éthyle dans un entonnoir de séparation. Pour plus d’informations sur cette procédure, consultez notre vidéo sur l’extraction

Dans un entonnoir séparateur, mélangez 30 mL de saumure avec la solution. Mélangez la solution en la laissant se séparer en deux couches, et récupérez la phase organique. À cela, ajoutez de la poudre de sulfate de sodium, qui absorbera toute eau restante, jusqu’à ce qu’elle ne s’agglutine plus.

Filtrez la solution dans une fiole à fond rond, puis évaporez le solvant à l’aide d’un évaporateur rotatif ou rotovap.

Ensuite, utilisez le TLC pour vérifier la pureté du produit. Ensuite, analysez le produit avec la spectroscopie infrarouge. Voir notre vidéo sur IR pour plus de détails. Utilisez une procédure similaire pour analyser l’acétoacétate d’éthyle de départ à titre de référence.

Ensuite, voyons la réaction à l’aide de l’hydrure d’aluminium et de lithium, plus réactif. Installez un ballon à fond rond avec un agitateur, un septum et des conduites d’entrée et de sortie d’azote. Ajoutez 76 mg d’hydrure d’aluminium et de lithium dans le ballon et rebouchez rapidement avec le septum et purgez le ballon avec l’azote pendant quelques minutes. Après la purge, injecter 10 mL de tétrahydrofurane sec et plonger le ballon dans un bain de glace

Lorsque les autres préparations sont complètes, préparer une solution de 0,127 mL d’acétoacétate d’éthyle et de 3 mL de THF sec. Injectez cette solution goutte à goutte dans le ballon. La réaction bouillonnera vigoureusement. Comme précédemment, surveillez la réaction avec la TLC. Le produit attendu, le 1,3, le butanediol, aura également une valeur de rétention inférieure à celle de l’acétoacétate d’éthyle d’origine.

Lorsque la réaction est terminée, ajoutez 1 M d’acide chlorhydrique goutte à goutte, jusqu’à ce que tout l’hydrure de lithium et d’aluminium soit consommé et que la solution cesse de bouillonner. Retirer le septum, puis ajouter 40 ml d’acétate d’éthyle et 20 ml d’acide chlorhydrique 1 M.

Maintenant, purifiez le produit en suivant les mêmes étapes que précédemment. Extraire le produit trois fois avec 50 mL d’acétate d’éthyle. Séchez la solution d’acétate d’éthyle avec 30 ml de solution saline et de sulfate de sodium, filtrez et évaporez le solvant à l’aide d’un rotovap.

Maintenant que nous avons un produit, nous pouvons l’analyser avec TLC et IR comme auparavant.

Tout d’abord, jetons un coup d’œil aux résultats de la TLC. L’acétoacétate d’éthyle est hautement apolaire et se déplace près du front du solvant sur une plaque CCM. Son produit avec du borohydrure de sodium, l’éthyle 3-hydroxybutarate, est légèrement plus polaire et ne voyagera pas aussi loin. Pendant ce temps, le produit avec de l’hydrure d’aluminium et de lithium, le 1,3-butanediol, est encore plus polaire, ce qui le fait voyager le moins haut sur la plaque

Maintenant, examinons les résultats IR. L’acétoacétate d’éthyle a deux pics qui correspondent à l’étirement de la liaison carbonyle. L’un, d’environ 1 650 numéros d’onde, est la cétone et l’autre, d’environ 1 730, est l’ester. Le spectre du premier produit est similaire, mais il n’a qu’un seul pic de carbonyle et a gagné un large pic d’étirement de l’alcool O-H à environ 3 200 numéros d’onde. Le deuxième produit montre une perte des deux pics de carbonyle, illustrant la réactivité plus élevée de l’hydrure de lithium et d’aluminium

Le contrôle de la sélectivité et de la réactivité est important et doit être équilibré dans de nombreuses réactions organiques. Regardons quelques façons dont cela se fait.

En plus de réduire sélectivement les groupes fonctionnels, les agents réducteurs peuvent réagir de manière stéréospécifique, conduisant à des produits avec des structures tridimensionnelles différentes. Par exemple, la réduction du 4-tert-butyl-cyclohexanonène en 4-tert-butyl-cyclohexanol produit deux stéréoisomères différents, selon la direction d’où l’hydrure attaque le carbonyle. L’hydrure d’aluminium et de lithium attaque du côté axial, produisant le produit trans. Un autre agent réducteur, le L-selectride, attaque du côté équatorial, produisant le produit cis.

Enfin, nous pouvons modifier sélectivement d’autres types de molécules, telles que les protéines. Par exemple, les maléimides forment spécifiquement des liaisons avec des groupes thiols, mais pas avec d’autres nucléophiles. Dans une protéine, les seuls groupes thiols présents sont dans l’acide aminé cystéine, de sorte que les maléimides ne formeront des liaisons qu’avec ces parties de la molécule. Les biochimistes peuvent utiliser ces composés avec des colorants attachés pour éclairer des régions spécifiques d’une protéine

Vous venez de regarder l’introduction de JoVE à la chimiosélectivité dans les réactions de réduction. Vous devriez maintenant comprendre comment différents agents réducteurs peuvent produire des produits différents lorsqu’ils réagissent avec des carbonyles. Merci d’avoir regardé !