Номер 119, страница 103 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

3.119. Назовите известные вам способы исчерпывающего восстановления карбонильных соединений. Какие ограничения имеет каждый из методов?

Решение

Исчерпывающее восстановление карбонильных соединений (альдегидов и кетонов) — это процесс превращения карбонильной группы ($C=O$) в метиленовую группу ($CH_2$). Существует несколько основных методов для проведения такого превращения, каждый из которых имеет свои преимущества и ограничения.

1. Восстановление по Клемменсену (Clemmensen reduction)

Этот метод заключается в кипячении карбонильного соединения с амальгамированным цинком ($Zn(Hg)$) в концентрированной соляной кислоте ($HCl$).

Общая схема реакции: $$ R-C(=O)-R' \xrightarrow{Zn(Hg), \text{ конц. } HCl, \Delta} R-CH_2-R' $$

Ограничения метода:
• Реакция протекает в жестких кислотных условиях, поэтому метод неприменим для соединений, содержащих кислотно-чувствительные функциональные группы. К таким группам относятся: ацетали, простые эфиры, эпоксиды, третичные спирты (могут дегидратироваться и претерпевать перегруппировки), двойные и тройные связи (могут изомеризоваться или присоединять $HCl$).
• Метод плохо подходит для высокомолекулярных, пространственно затрудненных или нерастворимых в кислоте кетонов.
• Для алифатических альдегидов и кетонов могут преобладать побочные процессы, такие как альдольная конденсация и полимеризация. Наилучшие результаты достигаются для арил-алкил кетонов.

Ответ: Восстановление по Клемменсену использует амальгамированный цинк в концентрированной соляной кислоте. Основным ограничением является использование жестких кислотных условий, что делает метод непригодным для молекул с кислотно-чувствительными группами.

2. Восстановление по Вольфу-Кижнеру (Wolff-Kishner reduction)

Метод заключается в нагревании карбонильного соединения с гидразином ($N_2H_4$) и сильным основанием (например, $KOH$ или трет-бутилатом калия $t-BuOK$) в высококипящем растворителе (например, диэтиленгликоле). Реакция протекает через образование промежуточного гидразона.

Общая схема реакции: $$ R-C(=O)-R' + N_2H_4 \xrightarrow{-H_2O} R-C(=N-NH_2)-R' \xrightarrow{KOH, \Delta} R-CH_2-R' + N_2 \uparrow $$

Ограничения метода:
• Реакция проводится в жестких основных условиях и при высокой температуре, что делает ее неприменимой для соединений, содержащих чувствительные к основанию группы (например, сложноэфирные, амидные группы, которые гидролизуются) или группы, способные к элиминированию (например, уходящие группы в $\beta$-положении).
• Возможна эпимеризация хиральных центров, находящихся в $\alpha$-положении к карбонильной группе.
• Пространственно затрудненные кетоны реагируют очень медленно или не реагируют вовсе.
• Высокие температуры могут приводить к термическому разложению сложных молекул. Использование более мягких модификаций (например, $t-BuOK$ в ДМСО) позволяет проводить реакцию при более низких температурах, но условия все равно остаются сильноосновными.

Ответ: Восстановление по Вольфу-Кижнеру использует гидразин и сильное основание при нагревании. Главное ограничение — жесткие основные условия и высокая температура, что несовместимо с чувствительными к основаниям функциональными группами и термически нестабильными соединениями.

3. Восстановление через тиоацетали (Мозинго, Mozingo reduction)

Это двухстадийный метод, который является наиболее мягким и универсальным из рассматриваемых. На первой стадии карбонильное соединение превращают в циклический тиоацеталь (или тиокеталь) при реакции с дитиолом (например, 1,2-этандитиолом) в присутствии кислотного катализатора. На второй стадии проводят десульфуризацию полученного тиоацеталя с помощью никеля Ренея ($Raney Ni$). Мягкость условий делает метод совместимым с большинством функциональных групп, чувствительных к сильным кислотам или основаниям (сложные эфиры, амиды, лактоны и др.).

Общая схема реакции: $$ R-C(=O)-R' \xrightarrow{\substack{1. \text{ HS(CH}_2\text{)_2SH, H}^+ \\ 2. \text{ Raney Ni}}} R-CH_2-R' $$

Ограничения метода:
• Метод является двухстадийным, что может снижать общий выход продукта.
• Никель Ренея является сильным гидрирующим агентом и может восстанавливать другие функциональные группы в молекуле, такие как нитрогруппы, имины, оксимы, а также двойные и тройные связи (особенно сопряженные). В жестких условиях может затрагивать и ароматические системы.
• Сернистые соединения, используемые на первой стадии, могут "отравлять" другие катализаторы, что необходимо учитывать при планировании многостадийных синтезов.

Ответ: Восстановление через тиоацетали — это мягкий двухстадийный метод, включающий образование тиоацеталя с последующей десульфуризацией никелем Ренея. Ограничения связаны с многостадийностью и неселективностью никеля Ренея, который может восстанавливать и другие функциональные группы.