Mekanismen för bensofenon - nukleofil additionsreaktion

blivandekemisten skrev:

Hej! Jag har en laboration där vi ska reducera bensofenon (keton) till difenylmetanol (sekundär alkohol). I reaktionen används natriumborhydrid, är det reduktionsmedlet?

Precis, det är reduktionsmedlet.

 

Etanol/vatten används som lösningsmedel. Under upparbetningen hälls reaktionsblandningen över isvatten och koncentrerad saltsyra, kommer saltsyran att ge protoner, alltså reducera bensofenon eller används syran som katalysator för reaktionen?  

Nej HCl kan inte användas som reducera något. När syran protolyseras kommer kloridjonen behålla bägge elektronerna från bindningen (Cl-H), och dessa elektroner släpper inte kloridjonen i från sig (inte under dessa förhållanden i.a.f.).

Saltsyran kommer i vatten/EtOH fasen att protolyseras och surgöra vattenfasen, vilken poäng kan det ha? Varför vill du få denna fas sur? (en ledtråd är att titta på produkten ifrån reduktionensreaktionen).

 

Det jag har svårast med är att beskriva mekanismen för funktionen. Jag tror att det är en nukleofil additionsreaktion men ska man utgå från att den sker under sura förhållanden med tanke på saltsyran, eller sker mekanismen innan saltsyran har tillsats?

Det sker en hydrogenering (reduktion) av ketonen till en alkohol, och under denna reaktion adderas en hydridjon (nukleofilen) och en proton tas upp. Men hydrogeneringar (överföring av hydridjon, samt proton) inkluderar i princip en addition, så reaktionen kan kort och gott kallas för hydrogenering.

Reaktionen är oberoende av saltsyran.

När man ritar mekanismen tänker jag att ett elektronpar från Boratomen i natriumborhydrid agerar nukleofil och attackerar karbonylkolet i bensofenon och att ett elektronpar från dubbelbindningen skiftar upp till syreatomen och att det då bildas en alkoxidjon. Stämmer detta? 

Nej boratomen attackerar inte, bor är i detta komplex deltapositivt och hjälper till att får en hydroidjon att anfalla. Att en omlagring av den bindningen till syret sker är den vanliga beskrivningen av vad som sker, d.v.s. genom ett tertiärt TS (även om det finns en annan mekanism beskriven, som involverar vätebindningar, f.f.a när MeOH används som lösningsmedel).

 

Vad händer isåfall med resten av natriumborhydriden? Är det bara ett elektronpar som lämnas hos bensofenon för att göra så att bensofenonens syre och kol (det tidigare karbolylkolet) kan plocka upp protoner från etanol/saltsyra?

Syran är katalytisk, efter reduktionen är resterna av borkomplexet positivt laddat och kan donera protonen.

Tack för bra svar!

mag1 skrev:

Saltsyran kommer i vatten/EtOH fasen att protolyseras och surgöra vattenfasen, vilken poäng kan det ha? Varför vill du få denna fas sur? (en ledtråd är att titta på produkten ifrån reduktionensreaktionen).

-----------

Reaktionen är oberoende av saltsyran.

Kommer saltsyran att protoniseras först i H20/EtOH-fasen? Sker inte det redan när syran blandas i isvattnet?

Vill man få lösningen sur för att oxoniumjonerna ska kunna donera en proton?

-----------

Om inte saltsyran hade tillsats, hade reaktionen då skett ändå fast mycket långsammare?

blivandekemisten skrev:

Tack för bra svar!

mag1 skrev:

Saltsyran kommer i vatten/EtOH fasen att protolyseras och surgöra vattenfasen, vilken poäng kan det ha? Varför vill du få denna fas sur? (en ledtråd är att titta på produkten ifrån reduktionensreaktionen).

-----------

Reaktionen är oberoende av saltsyran.

Kommer saltsyran att protoniseras först i H20/EtOH-fasen? Sker inte det redan när syran blandas i isvattnet?

Jo absolut det sker direkt när saltsyran träffar på vattnet.

 

Vill man få lösningen sur för att oxoniumjonerna ska kunna donera en proton?

Ja, det är ett praktiskt sätt att tillföra syra. Men du skrev att detta var under upparbetningssteget, så då är syrans roll en annan, d.v.s. att den tillsätts för att se till att hydroxigruppen i produkten verkligen tar upp en proton och förlorar sin laddning.

 

-----------

Om inte saltsyran hade tillsats, hade reaktionen då skett ändå fast mycket långsammare?

Precis, saltsyran tillsätts till reaktionsblandningen för att reaktionen sker lättare vid överskott av syra, där protonerna agerar likt en katalysator. Nettomässigt överförs en hydridjon (H^-) från natriumborohydriden till ketokolet, och den bildade alkoxiden tar sedan en proton även den från borohydriden - så bägge vätekärnorna och elektronen kommer ifrån natriumborohydriden.

På vilket sätt ser den till att hydroxigruppen tar upp en proton och förlorar sin laddning och hur kan protonerna fungera som en katalysator om bensofenon inte tar upp just dessa protoner?

Vi fick rätt av vår laborationshandledare för mekanismen ovan, men där tas först en proton upp från borhydriden och sedan en från oxoniumjonen, är det egentligen fel då?

blivandekemisten skrev:

På vilket sätt ser den till att hydroxigruppen tar upp en proton och förlorar sin laddning och hur kan protonerna fungera som en katalysator om bensofenon inte tar upp just dessa protoner?

Men du har inte ritat ut alla produkterna, det bildas även en produkt från natriumborohydriden efter det första steget. Denna produkt har då förlorat en hydridjon och boratomen är så pass deltapositiv att den släpper ifrån sig en proton. Så nettomässigt förbrukas det inte något av saltsyrans protoner - utan natriumborohydriden ger en hydridjon och en proton till slutprodukten.

Att det finns ett överskott av protoner (från saltsyran) underlättar reaktionen, då alkoxiden kan ta en proton från antingen hydroniumjonen eller en av de protoner som är bundna till boratomen. Tillsätter du saltsyra kommer hydroniumjonkoncentrationen bli högre, men då dessa protoner nettomässigt inte konsumeras är syran katalytisk.

 

Vi fick rätt av vår laborationshandledare för mekanismen ovan, men där tas först en proton upp från borhydriden och sedan en från oxoniumjonen, är det egentligen fel då?

Nej det är ingen proton (H⁺) utan en hydridjon (H^-), vilket är en stor skillnad. Protonen är nöjd utan sin elektron (och reagerar inte så gärna med något alls, frånsett i syra/bas reaktioner). Hydridjonen har en elektron extra, och är därmed tokreaktiv, och en nukleofil - därför kan denna reduktionsreaktion ske.

mag1 skrev:

Att det finns ett överskott av protoner (från saltsyran) underlättar reaktionen, då alkoxiden kan ta en proton från antingen hydroniumjonen eller en av de protoner som är bundna till boratomen. Tillsätter du saltsyra kommer hydroniumjonkoncentrationen bli högre, men då dessa protoner nettomässigt inte konsumeras är syran katalytisk.

Hm, jag köper inte detta, måste jag säga... Nu var det länge sedan jag var på ett labb, så jag kanske tänker helt fel nu, men i praktiken tillsätter man väl natriumborohydriden först, väntar tills reaktionen verkar ha avstannat och först sen - som ett sista steg - tillsätter man syran under själva upparbetningen.

Så reaktionen upp till upparbetningen tänker jag helt enkelt bara ut så här, precis som det TS har ritat:

Jag tror inte den reaktionen egentligen är i behov av någon katalysator, med tanke på hur potent reduktionsmedel som borhydridjonen är. Men om man nu skulle vilja hjälpa den här reaktionen på traven så tror jag inte att en syra skulle hjälpa oss - snarare tvärtom. Om syra fanns närvarande här så är väl risken stor att borhydridjonen reagerar med vätejonerna i stället, så att vi bara får massa vätgas som produkt?

[...] efter reduktionen är resterna av borkomplexet positivt laddat och kan donera protonen.

Det här köper jag inte riktigt heller. Hur menar du att mekanismen för detta skulle se ut? Skulle produkten bli BH₂⁻?

Däremot kan jag hålla med om att det negativt laddade syret inte ser så stabilt ut, så boranmolekylerna kommer säkert hjälpa till att stabilisera det, i väntan på vätejonerna från syran vid upparbetningen anländer. Men är inte det rimligaste då att syret attackerar det fria p-orbitalet på boratomen? Så här alltså:

Den här reaktionen tänker jag är mer eller mindre reversibel, så när syran tillsätts så gissar jag att syret kickar ut boarnmolekylerna och binder till vätejonerna i stället, så som TS har ritat det i sin mekanism.

Kruxen är att blandningen av lösningsmedel i detta fall verkar vara vatten/EtOH, vattnet är med hela vägen (om jag inte misstolkat TS helt). Det blir lite annorlunda i t.ex. MeOH men det verkar inte vara fallet här.

Så visst bildas det vätgas, och det är därför borohydriden brukar tillsättas försiktigt under en längre tid och i överskott, tills vätgasavgången avstannat. Varpå lösningen kan tillföras ytterligare natriumborohydrid, som då finns kvar intakt, och gör att den önskade reaktionen att ske trots vatten/EtOH.

Jag lutar nog åt att en av produkterna av det första steget är BH₂^-, som sedan kan kompenseras för/stabiliseras i form av jonföreningen, d.v.s. att natriumjonsaltet NaBH₂ bildas. Så nettomässigt konsumeras inget av den katalytiska syran under reaktionen då både hydridjonen och protonen som konsumeras under reduktionen av ketonen, kommer ifrån borohydriden, d.v.s. inget av den katalytiska syran förbrukas.

Jag har svårt att se att du skulle kunna få en reversibilitet av reaktionen. Kanske skulle addukten du visade i sista bilden mellan syret och bor kunna bildas i ett aprotiskt lösningsmedel. Men då protonerna på boronen är rejält sura, hoppar gärna en proton gärna över till syret, varpå BH₂^- lämnar stabiliserad av natriumjonen (eller motsvarande proton från syran, som sedan fås tillbaka när saltet bildas).

Tillägg: 21 dec 2021 22:57

Efter lite kommunikation med oggih, så är jag inte lite helt säker på att mitt förslag går rent kemiskt (tack för PM:et!).

Min ursprungliga tanke var att det i blandningen EtOH/vatten, efter bildandet av BH3 (från den första reduktionen) så skulle en syrareaktion kunna ske, under bildandet av borsyra med en protonövergång till alkoxiden, motsvarande vad jag tidigare skrev. Men BH3 kanske skulle reagera vidare med hydroxidjoner genom reduktionsreaktioner, under utvecklande av vätgas, med borsyra som slutprodukt. Eller genom att borohydriden deltar i upp till fyra reduktioner av ketonen.

Att det var vatten (aprotiskt lösningsmedel) med gjorde att mina tankar gick till eventuella hydroxider/epoxider som kan bildas med bor, och mer syra-/baskemi snarare än redoxkemi.

Förhoppningsvis kommer en uppdatering, men för tydlighetens skull - det förslag som oggih visade är textbokslösningen (f.f.a. i aprotiska lösningsmedel, typ THF eller MeOH - utan vatten).

Tack för alla svar! Intressant läsning och kul att ni verkligen vill hjälpa till!