Loading article…
有機化学において、カルボニル還元は、カルボニル基を通常はアルコールに変換する反応です。これは一般的な変換で、さまざまな方法で実施されています。 [1]ケトン、アルデヒド、カルボン酸、エステル、アミド、酸ハロゲン化物など、最も普及している官能基にはカルボニル化合物が含まれます。カルボン酸、エステル、酸ハロゲン化物は、還元剤の強さに応じて、アルデヒドに還元することも、さらに一歩進んで第一級アルコールに還元することもできます。アルデヒドとケトンは、それぞれ第一級アルコールと第二級アルコールに還元できます。脱酸素化では、アルコール基をさらに還元して、H で置き換えることで完全に除去することができます。
カルボニル還元には、2 つの大まかな戦略があります。業界で好まれている 1 つの方法では、還元剤として水素を使用します。このアプローチは水素化と呼ばれ、金属触媒が必要です。もう 1 つの大まかなアプローチでは、H -と H + を別々に供給する化学量論的試薬を使用します。この記事では、これらの試薬の使用に焦点を当てます。これらの試薬の中で有名なのは、ホウ化水素のアルカリ金属塩とアルミニウム水素化物です。
一般的な考慮事項
反応機構の観点から見ると、金属水素化物はカルボニル炭素への水素化物の求核付加を引き起こす。カルボニルへの水素化物の付加の容易さは、カルボニルの求電子性およびかさ高さ、ならびに水素化物試薬の対応する電子的および立体的性質によって影響を受ける。これらの傾向の結果として、酸ハロゲン化物、ケトン、およびアルデヒドは通常最も容易に還元される化合物であり、一方、酸およびエステルにはより強力な還元剤が必要である。重要かつ特徴的なのは、これらの水素化物試薬は一般に C=C 結合を攻撃しないことである。[2]
金属水素化物還元剤の還元力には、いくつかの要因が関係している。水素化ホウ素試薬の還元力は、カルボニル酸素に配位してカルボニルを活性化できるNa +と Li +などの対イオンによって影響を受ける。Li + はNa +よりもカルボニル酸素に強く結合する。[3]ただし、テトラヒドロアルミネートの場合、NaAlH 4と LiAlH 4 は同様に挙動する。[2]多くの金属添加物が研究されている。たとえば、亜鉛水素化ホウ素、名目上はZn(BH 4 ) 2 は、他の還元性基の存在下でアルデヒドとケトンの穏やかな選択的還元に使用されている。[4]
中心金属（通常はB対Al）は還元剤の強度に大きく影響します。アルミニウム水素化物はホウ素化物に比べて求核性が高く、還元剤として優れています。 [5] 比較的弱い還元剤であるホウ素化ナトリウムは、通常、ケトンやアルデヒドの還元に使用されます。多くの官能基（ニトロ基、ニトリル、エステル）を許容します。[6]
取り扱い特性において、水素化アルミニウムリチウムと水素化ホウ素ナトリウム（およびその誘導体）は大きく異なります。NaBH 4は LiAlH 4よりもはるかに取り扱いやすく、空気中で数週間安定しています。溶媒として水またはエタノールとともに使用できますが、LiAlH 4 はプロトン性溶媒と爆発的に反応します。
ホウ素またはアルミニウムの置換基は、これらの還元剤の力、選択性、および取り扱い特性を調節します。 アセトキシやシアノなどの 電子吸引基は還元力を低下させるため、NaBH(OAc) 3および NaBH 3 (CN) は弱い還元剤です。アルキル基などの電子供与基は還元力を高めます。スーパーハイドライド(リチウムトリエチルボロハイドライド) およびL-セレクトリドは強力な還元剤です。したがって、取り扱いには危険です。
次の表[7]は、どのカルボニル官能基がどの還元剤によって還元できるかを示しています（これらの試薬の中には、反応条件によって効力が変化するものがあります）。
基質
カルボン酸およびエステル
アルデヒドやケトンに比べて、カルボン酸は還元が難しい。リチウムアルミニウムヒドリドが一般的に効果的である。最初のステップは、カルボン酸の脱プロトン化である。カルボン酸とエステルの還元の最終ステップは、アルミニウムアルコキシドの加水分解である。[8]エステル（およびアミド）は、親カルボン酸よりも簡単に還元される。それらの還元により、それぞれアルコールとアミンが得られる。[9] リチウムアルミニウムヒドリドによるエステルの還元の理想的な式は次の通りである。
- 2 RCO 2 R' + LiAlH 4 → LiAl(OCH 2 R) 2 (OR')
- LiAl(OCH 2 R) 2 (OR') + 4 H 2 O → LiAl(OH) 4 + 2 HOCH 2 R + 2 HOR'
水素化ホウ素ナトリウムは、状況によっては、特に添加剤を加えることでエステル還元に使用できます。[1]
カルボン酸誘導体からアルデヒドを形成することは困難である。なぜなら、弱い還元剤（NaBH 4）はエステルやカルボン酸の還元が非常に遅いことが多いのに対し、強い還元剤（LiAlH 4）は形成されたアルデヒドを直ちにアルコールに還元するからである。[10]
福山還元では、まずカルボン酸にチオールを加えてチオエステルに変換する（エステル化に似たメカニズム）。[11]次にチオエステルをパラジウム触媒とシリルヒドリドで還元してアルデヒドとする。
酸塩化物からアルデヒドへ
酸塩化物は、立体障害のある水素化物供与体によって還元され、アルデヒドを与えることができる。還元剤DIBAL-H（ジイソブチルアルミニウムヒドリド）は、通常、あらゆるカルボニルを還元するが、この目的によく使用される。DIBAL-Hは、低温で1当量のみ使用すれば、酸塩化物をアルデヒドレベルまで選択的に還元することができる。[12] LiAlH(OtBu) 3 （LiAlH 4とtBuOHからその場で生成）も同様の挙動を示す。[13] リチウムアルミニウムヒドリドによる酸塩化物のアルデヒドへの還元の理想的な式は次の通りである。
- RCOCl + LiAlH(OtBu) 3 → LiCl + "Al(OtBu) 3 " + RCHO
アルコールに還元せずにアルデヒドを形成する従来の方法（立体障害のある水素化物と反応性カルボニルを使用）は、基質の範囲が狭く、反応条件に大きく依存するため制限があります。この方法を回避する 1 つの方法は、カルボン酸誘導体をアルコールまで還元し、その後アルコールを酸化してアルデヒドに戻すことです。他の代替方法としては、チオエステルまたはWeinreb アミドを形成し、その後、それぞれ福山還元または Weinreb 反応によって新しい種をアルデヒドに還元するか、Rosenmund 反応のように触媒水素化を使用する方法があります。
ワインレブケトン合成では、まず塩化アシルをワインレブアミドに変換し、次に有機金属試薬で処理してケトンを形成するか、またはリチウムアルミニウムヒドリドで処理してアルデヒドを形成する：[14]
ワインレブアミドは、金属水素化物還元によって形成される求電子カルボニルではなく、安定したキレートを介して還元されます。したがって、以下に示すように、キレートは 1 回だけ還元されます。
ローゼンムント反応は、水素ガスと硫酸バリウム上のパラジウム触媒を用いてアシル塩化物をアルデヒドに還元する反応で、表面積が小さいため過還元が防止される。[15]
アルデヒドとケトン
ケトンはアルデヒドよりも反応性が低い。これは立体効果が大きいことと、余分なアルキル基がC=O結合に電子密度を与えて求電子性が低くなるためである。[16]アルデヒドはケトンよりも還元されやすいため、より穏やかな試薬と条件が必要となる。一方、カルボン酸、アミド、エステルは求電子性が低く、強力な還元剤が必要となる。[17]
水素化ホウ素ナトリウムによるケトンの還元の理想的な式は次のとおりです。
- 4 RCOR' + NaBH 4 → NaB(OCHRR') 4
- NaB(OCHRR') 4 ) + 4 H 2 O → "NaB(OH) 4 " + 4 HOCHRR' + 4 HOR'
還元アミノ化
アルデヒドとケトンはアルコールへの還元に加えて、アミンに変換される、すなわち還元アミノ化される。[18]シアノ置換基のため、NaBH 3 CNは中程度のpH（> 4）で弱い還元剤であり、カルボニルの存在下で存在するイミニウムカチオンを優先的に還元する。
α,β-不飽和カルボニル
α,β-不飽和カルボニルが還元されると、3つの生成物が得られる。単純なカルボニル還元によるアリルアルコール、1,4-還元（共役還元とも呼ばれる）による飽和ケトンまたはアルデヒド、または二重還元による飽和アルコールである。[19] NaBH 4を使用するとこれらのいずれの結果も得られるが、InCl 3または NiCl 2 は1,4-還元を特異的に触媒する。[1] カリウムまたはリチウムトリ（sec-ブチル）ボロヒドリドは1,4-還元を選択することがあるが、立体障害によって妨げられる可能性がある。[20] トリフェニルホスフィノ銅ヒドリドクラスターは、触媒水素化を誘導して特異的に共役還元を行う。
選択的にアリルアルコールを形成し、1,4生成物を避けるために、ルーシェ還元ではNaBH 4とCeCl 3 (H 2 O) 7からその場で生成される「水素化ホウ素セリウム」を使用する [21] [22]水素化物源Zn(BH 4 ) 2も1,2選択性を示し、より高いジアステレオ選択性を示す。これはカルボニル酸素だけでなく隣接する原子にも配位することによって行われる: [23]
水素化分解
カルボニル還元の特殊なケースでは、完全な脱酸素、つまり水素化分解が伴います。この結果は、脱官能化を伴うため、望ましくないことがよくあります。
この変換反応には、クレメンゼン還元（強酸性条件下）やウォルフ・キシュナー還元（強塩基性条件下）、およびウォルフ・キシュナー反応のさまざまな修正版が含まれる。例えば、カグリオッティ修正版では、塩基を使用せず、より穏やかな条件でトシルヒドラゾンと水素供与体を使用する。[24]マイヤーズ修正版では、ヒドラジンをビス（tert-ブチルジメチルシリル）ヒドラジンに置き換え、室温でより穏やかな条件を使用し、迅速かつ効率的である。[25]
芳香族カルボニルは脂肪族化合物よりも容易にそれぞれのアルカンに還元されます。[26]例えば、ケトンは触媒水素化[27] [28]または温和な条件下でのバーチ還元[29]によってそれぞれのアルキルベンゼンに還元されます。
立体選択性
ジアステレオ選択的還元
シクロヘキサノンの還元では、水素化物源が軸方向に攻撃してエクアトリアルアルコールを生成することも、エクアトリアルに攻撃して軸アルコールを生成することもできます。軸攻撃 (赤で表示) では、水素化物は1,3-ジアキシャルひずみに遭遇します。エクアトリアル攻撃 (青で表示) では、水素化物は 1,3-ジアキシャル相互作用を回避しますが、新しく生成されたアルコールと追加された水素原子が反応中間体で互いに重なり合うと、基質は不利なねじりひずみを受けます(軸アルコールのニューマン投影図で示すように)。
LiBH(Me 2 CHCHMe) 3などの大きな還元剤は、1,3-軸相互作用によって妨げられるため、赤道方向に攻撃します。[6] NaBH 4などの小さな還元剤は、小分子の1,3-二軸相互作用は最小限であるため、エクリプス相互作用を避けるために軸方向に優先的に攻撃します。小さな還元剤の軸優先性には、立体電子的理由も挙げられています。[30]ただし、基質をかさばらせると（1,3-軸相互作用が増加すると）、小さな水素化物供与体の場合でも、軸攻撃の頻度が減少します。[31]
エナンチオ選択的還元
非対称ケトンを還元すると、結果として生じる第二級アルコールにはキラル中心があり、キラル遷移状態または触媒を使用して制御できます。エヴァンス-サクセナ還元では、近くのアルコールが還元を誘導します。
不斉合成におけるよく知られたカルボニル還元としては、野依不斉水素化（β-ケトエステル還元/Ru/BINAP）とCBS還元（BH 3、プロリン由来のキラル触媒） があります。
歴史と代替方法
アルコール存在下で金属ナトリウムの混合物を使用するブボー・ブラン還元は、カルボニル還元の初期の手法であった。[ 32 ] 現在ではほとんど使われていない。ブボー・ブラン還元の発見に続いて、H2が還元剤として機能する接触水素化という大きな進歩を含む多くの手法が開発されました。 [33] 1940年代から発見されたホウ素塩と水素化アルミニウム塩は、カルボニル還元に非常に便利な試薬であることが証明されました。
メーアヴァイン・ポンドルフ・ヴェルレイ還元では、アルミニウムイソプロポキシドが水素化物源として機能する。この反応の状況は、「有機合成化学者がメーアヴァイン・ポンドルフ・ヴェルレイ（MPV）反応のような従来の技術を使用しようとすることはほとんどない」と要約されている。[34]
参照
参考文献
- ^ abc バンフィ、ルカ;ナリサノ、エンリカ。リヴァ、レナータ。ニコラ・スティアスニ。ヒルセマン、マーティン。山田徹；坪龍之 (2014) 「水素化ホウ素ナトリウム」。有機合成用試薬の百科事典。 1 ～ 13 ページ。土井：10.1002/047084289X.rs052.pub3。ISBN 9780470842898。
- ^ ab Brown, Herbert C.; Ramachandran, P. Veeraraghavan (1996). 「60年間のヒドリド還元」。有機合成における還元。ACSシンポジウムシリーズ。第641巻。pp. 1–30。doi :10.1021 / bk -1996-0641.ch001。ISBN 9780841233812。
- ^ ケーニッヒ、ブルクハルト (2009)。 「還元反応」(PDF)。有機合成における現代の方法。レーゲンスブルク大学有機化学研究所。2015 年 8 月 24 日のオリジナル(PDF)からアーカイブ。2015 年12 月 1 日に取得。
- ^ 大石毅;中田正（2001）． 「水素化ホウ素亜鉛」。有機合成用試薬の百科事典。土井：10.1002/047084289X.rz004。ISBN 0471936235。
- ^ Sweeting, Linda M. (2001). 「還元剤」. タウソン大学. 2015年11月16日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2015年12月1日閲覧。
- ^ ab バンフィ、ルカ;ナリサノ、エンリカ。リヴァ、レナータ (2001-01-01)。水素化ホウ素ナトリウム。 John Wiley & Sons, Ltd. doi :10.1002/047084289x.rs052。ISBN 9780470842898。
- ^ スミス、マイケル B.;マーチ、ジェリー(2007)、上級有機化学: 反応、メカニズム、構造 (第 6 版)、ニューヨーク: ワイリー・インターサイエンス、p. 1790、ISBN 978-0-471-72091-1
- ^モフェット、ロバート・ブルース (1953)。「 2- (1-ピロリジル)プロパノール」。有機合成。33 :82。doi : 10.15227/orgsyn.033.0082。
- ^ McMurry, John E. (1973). 「イソキサゾール環化反応: 1-メチル-4,4a,5,6,7,8-ヘキサヒドロナフタレン-2(3 H )-オン」.有機合成. 53:70 . doi :10.15227/orgsyn.053.0070。
- ^ Gaylord, Norman G. (1957-08-01). 「複合金属水素化物による還元」. Journal of Chemical Education . 34 (8): 367. Bibcode :1957JChEd..34..367G. doi :10.1021/ed034p367.
- ^ 福山 徹; 林 紹成; 李 楽平 (1990-09-01). 「エチルチオールエステルのアルデヒドへの容易な還元：(+)-ネオトラマイシンAメチルエーテルの全合成への応用」アメリカ化学会誌. 112 (19): 7050–7051. doi :10.1021/ja00175a043. ISSN 0002-7863.
- ^ Zakharkin, LI; Khorlina, IM (1962). 「ジイソブチルアルミニウムヒドリドによるカルボン酸エステルのアルデヒドへの還元」Tetrahedron Letters . 3 (14): 619–620. doi :10.1016/s0040-4039(00)70918-x.
- ^ Cortes, Sergio (2010). 「水素化物還元における求核剤としての水素の使用」(PDF) . Sergio Cortes 博士の有機化学ページ. テキサス大学ダラス校. 2015 年12 月 1 日閲覧。
- ^ Nahm, Steven; Weinreb, Steven M. (1981). 「効果的なアシル化剤としてのN-メトキシ-n-メチルアミド」Tetrahedron Letters . 22 (39): 3815–3818. doi :10.1016/s0040-4039(01)91316-4.
- ^ Mosettig, Erich; Mozingo, Ralph (2004-01-01).酸塩化物のアルデヒドへのローゼンマント還元. John Wiley & Sons, Inc. doi :10.1002/0471264180.or004.07. ISBN 9780471264187。
- ^ ロッシュ、アレックス。「ケトンとアルデヒド」（PDF）。ラトガース大学。 2015年12月1日閲覧。
- ^ クレイデン、ジョナサン (2012).有機化学. OUP Oxford. p. 200. ISBN 978-0199270293。
- ^ Afanasyev, Oleg I.; Kuchuk, Ekaterina; Usanov, Dmitry L.; Chusov, Denis (2019). 「医薬品の合成における還元アミノ化」. Chemical Reviews . 119 (23): 11857–11911. doi :10.1021/acs.chemrev.9b00383. PMID 31633341. S2CID 204814584.
- ^ スミス、マイケル B.;マーチ、ジェリー(2007)、上級有機化学: 反応、メカニズム、構造 (第 6 版)、ニューヨーク: ワイリー・インターサイエンス、p. 1070、ISBN 978-0-471-72091-1
- ^ Banfi et al. 2014 は1,4-還元にはsec-ブチル誘導体を明確に推奨しているが、Hubbard & Dake (2012)「リチウムトリsec-ブチルホウ水素化物」におけるHubbardの最初の解説。同上。doi : 10.1002/047084289X.rl145.pub2では1,2-還元の例のみが示されていることに注意。
- ^ 有機合成における命名反応の戦略的応用（ペーパーバック）Laszlo Kurti、Barbara Czako著ISBN 0-12-429785-4
- ^ パケット、レオ A.サビサ、G.ヤダブ、JS;シャイアーマン、アンジェリーク M.商人、ローハン R. (2021)。 「塩化セリウム(III)」。有機合成用試薬の百科事典。 1 ～ 15 ページ。土井：10.1002/047084289X.rc041.pub3。ISBN 9780471936237。
- ^ Greeves, Nick (2015). 「ジアステレオ選択的ケトン還元」. ChemTube3D . リバプール大学. 2015年12月1日閲覧。
- ^ Caglioti, L.; Magi, M. (1963-01-01). 「トシルヒドラゾンとリチウムアルミニウム水素化物との反応」. Tetrahedron . 19 (7): 1127–1131. doi :10.1016/S0040-4020(01)98571-0.
- ^ Furrow, Michael E.; Myers, Andrew G. (2004-05-01). 「N-tert-ブチルジメチルシリルヒドラゾンの調製のための実際的な手順と、改良された Wolff-Kishner 還元法およびビニルハライドと gem-ジハライドの合成におけるその使用」。アメリカ化学会誌。126 ( 17 ) : 5436–5445。doi : 10.1021 /ja049694s。ISSN 0002-7863。PMID 15113215 。
- ^ 西村茂雄 (2001). 有機合成のための不均一触媒水素化ハンドブック（第1版）. ニューヨーク：ワイリー・インターサイエンス. p. 583. ISBN 9780471396987。
- ^ Zaccheria, Federica; Ravasio, Nicoletta; Ercoli, Mauro; Allegrini, Pietro (2005). 「添加剤なしで芳香族ケトンを還元脱酸素化する不均一 Cu 触媒」. Tetrahedron Letters . 46 (45): 7743–7745. doi :10.1016/j.tetlet.2005.09.041.
- ^ウォーカー、 ゴードン(1956)。「エノールの還元。デヒドロ酢酸の水素化による特定のメトキシベンズスベレンの新合成」。アメリカ化学会誌。78 (13): 3201–3205。doi :10.1021/ja01594a062。
- ^ Hall, Stan; Lipsky, Sharon; McEnroe, Frank; Bartels, Anne (1971). 「リチウムアンモニア還元による芳香族ケトンの芳香族炭化水素への変換」The Journal of Organic Chemistry . 36 (18): 2588–2591. doi :10.1021/jo00817a004.
- ^ Wong, Stephen S.; Paddon-Row, Michael N. (1990 年 1 月)。「カルボニル化合物への求核付加反応における ? 面立体選択性を制御する Anh?Eisenstein 電子モデルを支持する理論的証拠」。Journal of the Chemical Society、Chemical Communications (6): 456–458。doi :10.1039/c39900000456 。
- ^ Krishnamurthy, S.; Brown, Herbert C. (1976-05-01). 「リチウムトリシアミルボロヒドリド。優れた立体選択性を持つ環状ケトンの還元のための新しい立体障害試薬」アメリカ化学会誌。98 (11): 3383–3384。doi :10.1021 / ja00427a061。ISSN 0002-7863 。
- ^ ルイ・ブーヴォー;ブラン、ギュスターヴ・ルイ (1903)。 「Préparation des alcools primaires au moyen des Acides Contractants」[対応する酸による第一級アルコールの調製]。完了レンド。（フランス語で）。136 : 1676–1678。
- ^ Wheeler, Owen H. (1966). 「カルボニル基の還元」。Saul Patai (編) 著『カルボニル基: 第 1 巻』(1966 年)。PATAI の官能基化学。pp. 507–566。doi : 10.1002 /9780470771051.ch11。ISBN 9780470771051。
- ^ Cha, Jin Soon (2006). 「アルミニウム、ホウ素、その他の金属試薬を用いた有機官能基の還元における Meerwein−Ponndorf−Verley および関連反応の最近の開発: レビュー」。有機プロセス研究開発。10 (5): 1032–1053。doi :10.1021/op068002c。