Восстановление гидридами металлов

Гидриды металлов, особенно алюмогидрид лития(LiAlH₄) и боргидрид лития LiBH₄ или натрия NaBH₄, обладают сильными восстановительными свойствами и используются для восстановления полярных соединений, имеющих двойные связи углерод–гетероатом.

Эти связи поляризованы и имеют частичный положительный заряд на атоме углерода, поэтому им характерны реакции присоединения С-, N- и О-нуклеофилов, которые в ряде случаев завершаются отщеплением уходящей группы. Рассматриваемые нами гидриды металлов могут играть роль Н-нуклеофила, как, например, металлоорганические соединения — С-нуклеофила, и отдавать гидрид-ион атому углерода, имеющему дефицит электронов.

Ниже приведен химизм реакции гидрида металла с карбонильной группой, которая идет особенно легко при восстановлении алюмогидридом лития альдегидов и кетонов до алкоголятов:

Перенос гидрид-иона осуществляется как синхронное расщепление связи металл–водород и образование С–Н-связи.

Последовательно в реакцию вступают все остальные атомы водорода гидрида, затем образовавшийся комплексный алкоголят лития и алюминия подвергается гидролитическому расщеплению:

Если в молекуле субстрата имеются «активные» водородные атомы, то алюмогидрид лития реагирует с ними в первую очередь, образуя водород.

Восстановление комплексными гидридами имеет важные преимущества по сравнению с другими методами: оно протекает, как правило, в очень мягких условиях и с высокими выходами. Этот метод особенно хорош при работе с ценными препаратами и с малыми количествами. Кроме того, он позволяет гладко восстанавливать малоактивные производные кислот.

Используя различные комплексные гидриды и растворители можно добиться высокой селективности восстановления.

Алюмогидрид лития — комплексное солеобразное соединение с формулой Li⁺AlH₄^–. Это белый мелкокристаллический очень гигроскопичный порошок. При контакте с водой он разлагается с выделением водорода. Алюмогидрид лития медленно растворяется в эфирах с образованием новых комплексов — эфиратов.

Алюмогидрид лития восстанавливает карбонильные соединения, карбоновые кислоты и все их кислород и галогенсодержащие производные до спиртов, азотсодержащие производные и алифатические нитросоединения — до аминов, а также галогениды и спирты — до углеводородов:

 

По легкости восстановления субстраты можно расположить в следующем порядке: альдегиды > кетоны > сложные эфиры > ангидриды кислот > кислоты > нитрилы > амиды > нитрогруппы. В литературе имеются и несколько другие данные о реакционной способности соединений.

Алюмогидрид лития восстанавливает практически все связи углерод–гетероатом, но не двойные связи углерод–углерод. Такая селективность позволяет восстановить функциональные группы в ненасыщенных углеводородах.

Добавление к алюмогидриду лития эквимолярного количества хлорида алюминия значительно увеличивает его восстанавливающее действие, что, по-видимому, связано с образованием гидрида алюминия и хлорида лития.

Восстановление алюмогидридом лития протекает в безводной среде, как правило, в эфире. Вместо диэтилового эфира в качестве растворителей можно использовать тетрагидрофуран, дибутиловый эфир, морфолин и др. Применение этих растворителей позволяет проводить восстановление при более высокой температуре, чем в диэтиловом эфире. Для увеличения растворимости субстрата эфиры иногда смешивают с бензолом или толуолом.

Работа с алюмогидридом лития требует особых мер предосторожности. Важно избегать контакта алюмогидрида лития с водой, так как это вызывает бурное разложение восстановителя с выделением воспламеняющегося в присутствии воздуха водорода. Тщательное обезвоживание растворителей является обязательным условием для работы с алюмогидридом лития.

В связи с тем, что с алюмогидридом лития можно работать только в безводной среде, в инертных органических растворителях, он непригоден для восстановления соединений, не растворяющихся в них, например, сахаров. В таких случаях хорошие результаты дает боргидрид натрия, который разлагается водой очень медленно.

В химико-фармацевтической промышленности алюмогидрид лития применяют:

а) для восстановления этилового эфира себациновой кислоты с лучшим выходом, чем в других методах (в синтезе противогрибкового препарата декамин)

б) в синтезе октадина

В синтезе нобриума алюмогидридом лития восстанавливают амид до вторичного амина (а), анальгетика диклофенака — карбоксильную группу до спирта (б), а:

Боргидрид натрия является менее активным реагентом, чем алюмогидрид лития. Он обычно восстанавливает только хлорангидриды кислот, карбонильные соединения и основания Шиффа, но восстанавливает в таких полярных растворителях, как вода, метанол, пиридин, ацетонитрил.

Боргидрид натрия широко использует для избирательного восстановления альдегидов и кетонов в присутствии других функциональных групп:

При этом восстановление боргидридом натрия не затрагивает галоген, сложноэфирные группы, сульфамидные и др.