Получаване на алкохоли с NaBH4

Преди да разгледаме получаването на алкохоли с натриев борхидрид, да видим какви други начини за получаване на алкохоли сме обсъждали вече в предишни видео уроци. Например алкохоли могат да се получат от алкени, като се присъединява ОН-група по правилото на Марковников или ОН се присъединява обратно на правилото на Марковников. Това е единият начин за получаване на алкохол. Може също да се получи от алкилхалогениди. Процесът може да е SN1 или SN1 реакция. После, но затова още не сме говорили, е получаване на алкохоли от карбонилни съединения и тук има няколко различни начина за това. Може да се използва натриев борхидрид, NaBH4, което ще разгледаме в това видео. В следващото видео ще говорим за използването на литиево-алуминиев хидрид, LiAlH4. Може също да се използват металооргинични съединения като реактив на Гриняр. Ще запиша и него тук. Ще го обсъдим в друго бъдещо видео. В това видео имаме време само за натриевия борхидрид. Да видим общата реакция, в която се използва натриев борхидрид за получаване на алкохол. Тук отляво можеш да видиш че започваме с алдехид или кетон. тук има или водород, свързан с този карбонил, или R' група. Ще присъединим натриев борхидрид и после ще добавим източник на протони, който може да е всичко. Ще запиша само Н+. Ще се получи или първичен, или вторичен алкохол, зависи от изходното вещество. Тук ще има първичен или вторичен алкохол. Сега да видим механизма за получаване на алкохоли с използване на натриев борхидрид. Ще започнем с кетон. Значи ще започнем с кетон. Ще напиша реакцията ето така. Имам моята карбонилна група, поставям несподелените двойки електрони, после това става R', за да бъде кетон. Тук се приближава натриевият борхидрид. Ще запиша структурата му: значи имаме Na+, положителен формален заряд. После имаме бор, свързан с четири водорода. Тук имаме формален заряд –1 при бора, като ще сложа и тези тук. Механизмът, който ще ти покажа, е опростен механизъм. Действителният механизъм е малко по-сложен, но и този механизъм върши работа. Да видим опростената версия. Първото нещо, за което трябва да се замислим, е този карбонил тук, този въглерод, свързан с двойна връзка с кислород. Тук има разлика в електроотрицателността между въглерода и кислорода. Тук този въглерод и този кислород: кислородът е по-електроотрицателен, затова електроните в тази двойна връзка между въглерода и кислорода ще бъдат изтеглени към кислорода. Следователно кислородът има частично отрицателен заряд, нали? Има увеличена електронна плътност при кислорода. Докато въглеродът загубва част от своята електронна плътност. Той е частично положителен. Ако въглеродът е частично положителен, той е електрофил, нали? Той иска електрони. Откъде ще получи електрони? Може да получи електрони от тук. Значи два електрона при този водород ще се придвижат и ще атакуват този въглерод. Това е нуклеофилната част от молекулата. Тук ще има твърде много връзки при този въглерод, така че една от тези, електроните от тази пи-връзка тук ще се преместят при кислорода. Значи тук ще се прибавят два електрона. Сега да напиша резултатите от тази нуклеофилна атака. Имаме R, после имаме въглерод, и тук имаме R'. Горният кислород имаше две несподелени електронни двойки и току-що получи още една, така че общо са три. Това му придава отрицателен формален заряд –1. Присъединихме и водород. Сега ще оцветя някои от електроните, за да виждаме кое къде отива. Значи този водород и електроните от тази връзка са този водород и тези два електрона ето тук. Значи тук натриевият борхидрид е източник на хидридни аниони. Хидриден анион е водород с два електрона и формален заряд –1. Това е начинът да разглеждаме тези реагенти. Хидридът не е най-добрият нуклеофил, защото не е достатъчно поляризиран. Такъв малък атом не може да е много добър нуклеофил. Но това тук е опростената версия на механизма. В следващата стъпка на механизма имаме реакция на киселина с основа. Тук плуват протони наоколо, нали? Добавихме Н+ в разтвора, една несподелена електронна двойка ще прилапа протона и сме готови. Сега ще напиша продукта. Това е нашият алкохол. Ще поставя и тази несподелена електронна двойка. Тук имаме само един водород, свързан с този въглерод. Така че, ако започнем с кетон, ще имаме вторичен алкохол, като в този случай. Сега да видим една действителна реакция. Започваме с ванилин. Ванилинът е съединение с много приятна миризма. Ако разгледаме строежа на ванилина, тук при пръстена имаме алдехидна група. Има и други функционални групи. Ще запиша и другата част от молекулата на ванилина, ето така. В първата стъпка ще добавя натриев борхидрид. Добавям натриев борхидрид, после, след като реагира, добавяме източник на протони. HCl е много подходящо в този случай, но ще запиша просто Н+. Когато се опитваш да определиш продукта на изпит, не е нужно да правиш дори тези прост механизъм. Можеш да се престориш, че хидридният йон ще действа като нуклеофил, въпреки че вече казахме, че това не е точно така. Значи тук имаме нашият хидрид нуклеофил. Той ще атакува този въглерод тук. Това е карбонилният въглерод, нали? Той ще бъде частично положителен. Това ще измести тези електрони при нашия кислород. Да запишем междинното съединение при тази реакция. Имаме бензенов пръстен. Ще поставя и другите функционални групи, които не участват в реакцията. И ще запиша какво имаме тук. Имаме един водород, който вече е свързан с този въглерод. Сега присъединихме друг водород при този въглерод. После имаме кислород с три несподелени електронни двойки, който има формален заряд –1. Когато добавим източник на протони, несподелена електронна двойка ще присъедини този протон тук и ще получим алкохол. Сега ще напиша продуктите. Отново имаме ОН, която излиза от този пръстен. Имаме и тази част от молекулата, тази етерна част. И после имаме ОН-група. Тази молекула, тъй като има сходна структура с ванилина, също има приятна миризма. Тя е много приятна. Това е много хубав експеримент, който да се проведе в лабораторията. Да класифицираме типа на алкохола, дали е първичен, вторичен или третичен алкохол. Спомни си как се прави това, първо гледаме въглеродния атом, свързан директно с ОН – това е този атом тук – и определяме с колко други въглеродни атома е свързан той. Този въглерод е свързан с един друг въглерод. Това е един пример за първичен алкохол. Ако започнем с алдехид, както тука... това е нашият алдехид, тогава ще получим първичен алкохол като продукт. Сега да направим друг пример. Този път да вземем кетон. Ще запиша кетона тук. Това е циклохексанон. Това е нашият кетон. Ще добавим натриев борхидрид, NaBH4. И ще добавим метанол. Това става в една стъпка. Отново, разглеждаме натриевия борхидрид като източник на хидридни аниони. Пак повтарям, това не е истинският механизъм, това е опростена версия. Ако си на изпит, това е най-лесният начин да го направиш. Атакува въглерода, тези електрони отиват при този кислород. Имаме междинно съединение. Ще го напиша тук. Хидридните аниони атакуват и се образува нова връзка тук, където беше карбонилният въглерод. Сега този кислород има три несподелени електронни двойки и формален заряд –1. Той ще вземе един протон от метанола, който сега е източникът на протони. Крайният продукт... сега ще го запиша тук. Тук запазвам водорода, и ще видиш след секунда. Тук имам ОН, ето така. Получава се циклохексанол като продукт. Това е редукционна реакция. Редуцираме молекулата, за да се получи алкохол. Нека да вземем реактантите и продукта от тази реакция и да определим степените им на окисление, за да видим, че това е пример за редукция. Само ще препиша изходния кетон. Тук ще поставя няколко атома сега. Просто преписвам изходния кетон по този начин. Сега ще препиша и продукта, който получихме. Поставям тук тези въглероди. После добавяме водород. После получихме алкохол, ето тук. Хайде да определим степените на окисление. Когато определяме степените на окисление, трябва да добавим и тези електрони. Ще поставя тук електроните, ето така. Сега да си спомним как правехме това в предишни видеа. Разглеждаме електроотрицателността. Ако разглеждам четирите електрона между въглерода и кислорода, кислородът е по-електротрицателен. Така че кислородът ще получи всички тези електрони. Значи продължаваме така. Въглерод срещу въглерод, които се борят за тези електрони, те са с еднаква електроотрицателност, тъй като са един и същ елемент. Всеки въглерод ще получи по един от тези електрони. Същото се случва и тук. Така че, когато определяме степента на окисление, казваме, че тя е равна на броя на валентните електрони, които атомът има обикновено, за въглерода това е четири. И от тях изваждаме броя на електроните, когато отчитаме електроотрицателността, който е две в този случай. Значи степента на окисление на този въглерод е плюс две. Значи имаме степен на окисление 2 отляво. Да видим отдясно. Ще поставя електроните. Всяка връзка съдържа два електрона. Поставям тук по два електрона на всяка връзка, така че поставям по два електрона тук, ето така. После отново разглеждам разликата в електроотрицателността. Пак имаме въглерод и въглерод наравно, ето така. После въглерод и кислород: кислородът е по-електротрицателен, той ще вземе тези електрони тук. Въглерод и водород: въглеродът е малко по-електроотрицателен. Значи въглеродът взима тези два електрона. Въглеродът обикновено има четири. Сега въглеродът има четири, след като отчетохме електроотрицателността. Значи степента на окисление на този въглерод е нула. Да видим какво стана със степента на окисление. Започнахме със степен на окисление две, а сега тя се редуцира до степен на окисление нула. Значи това е редукционна реакция, нали? Това е редукция. Можеш да използваш няколко различни определения. Можеш да разглеждаш редукцията като понижение на степента на окисление, или редукция на степента на окисление. Може да я разглеждаш като това, че въглеродът придоби електрони... той привлече още два електрона. Друг начин да го разглеждаш е, че този въглерод загуби връзка с този кислород, ето тук отляво, въглеродът имаше две връзки с кислород. Отдясно въглеродът има само една връзка с кислород. И образува връзка с водород. Така че нарасна броят връзки с водород, намаля броят на връзките с кислород. Това е друг начин да обясним защо е редукционна реакция. Да определим степените на окисление вероятно е най-добрият начин за това. В следващото видео ще говорим как се получават алкохоли с литиево-алуминиев хидрид, което е много подобно на използването на натриев борхидрид.