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バーチ還元 Birch Reduction

 

概要

芳香族化合物は液体アンモニア/アルコールの混合溶媒中、アルカリ金属(Li, Na, K)もしくはアルカリ土類金属(Ca, Mg)で処理すると、1,4-シクロヘキサジエンに還元される。一置換ベンゼンの場合、置換基が電子供与性(EDG)か求引性(EWG)かで得られる生成物が異なる。

α,β-不飽和カルボニル化合物、共役ジエン、アルキンなども還元対象になる。特にアルキンを基質として反応させると、E-オレフィンが選択的に得られる。ベンジル基アリールスルホニル基の脱保護条件としても用いられる。

よりマイルドな還元条件としてLi/DBB(4,4′-di-t-bulylbiphenyl)Na/naphthaleneなどが知られている。 アンモニアBirch条件よりも官能基受容性に優れる。

液体アンモニアの代わりに低級アルキルアミンを用いると、アミンがプロトン源となり、より高温で行なえ還元力も強くなる(Benkeser還元)。

基本文献

  • Birch, A. J. J. Chem. Soc. 1944, 430.
  • Birch, A. J. J. Chem. Soc.1945, 809.
  • Birch, A. J. J. Chem. Soc.1946, 593.
  • Birch, A. J. J. Chem. Soc.1947, 102, 1642.
  • Birch, A. J. J. Chem. Soc.1949, 2531.

<Benkeser reduction>

  • Benkeser, R. A.; Robinson, R. E.; Landesman, H. J. Am. Chem. Soc. 1952, 74, 5699. DOI: 10.1021/ja01142a041
  • Benkeser, R. A.; Robinson, R. E.; Sauve, D. M.; Thomas, O. H. J. Am. Chem. Soc.1955, 77, 3230. DOI: 10.1021/ja01617a025
  • Benkeser, R. A.; Belmonte, F. G.; Kang, J. J. Org. Chem.1983, 48, 2796. DOI: 10.1021/jo00165a003

<review>

  • Watt, G. W. Chem. Rev. 1950, 46, 317. DOI: 10.1021/cr60144a003
  • Birch, A.J. Quart. Rev.1950, 4, 69.
  • Birch, A.J.; Smith, H. Quart. Rev.1958, 12, 17.
  • Kaiser, E. M. Synthesis1972, 391. DOI: 10.1055/s-1972-21889
  • Caine, D. Org. React.1976, 23, 1.
  • Hook, J. M.; Mander, L. N. Nat. Prod. Rep.1986, 3, 35. DOI: 10.1039/NP9860300035
  • Schultz, A. G. Acc. Chem. Res.1990, 23, 207. DOI: 10.1021/ar00175a001
  • Mander, L. N. Comprehensive Organic Synthesis1991, 8, 489.
  • Rabideau, P. W.; Marcinow, Z. Org. React.1992, 42, 1.
  • Birch, A. J. Pure Appl. Chem.1996, 68, 553. doi:10.1351/pac199668030553
  • Schultz, A. G. Chem. Commun.1999, 1263. DOI: 10.1039/A901759C
  • Subba Rao, G. S. R. Pure Appl. Chem.2003, 75, 1443. [PDF]
  • Donohoe, T. J.; Thomas, R. E. Nat. Protoc.2007, 2, 1888. doi:10.1038/nprot.2007.245
  • Zimmerman, H. E. Acc. Chem. Res.2012, 45, 164. DOI: 10.1021/ar2000698

 

開発の歴史

1944年オーストラリアの化学者であるBirchによって発見された。その後1952年にBenkerserらによって液体アンモニアの代わりにアミンを加える変法が報告されたため、Birch redctuctionもしくはBenkerser reductionと呼ばれる。

Arthur John Birch

Arthur John Birch

反応機構

生じるオレフィンの位置選択性は、アニオン性中間体が安定化されるかどうかで決まる。EDG置換基では、根元にアニオンが出る中間体が不安定化され、EWGの場合は安定化される。 (参考:J. Am. Chem. Soc. 1993, 115, 2205, Acc. Chem. Res. 2012, 45, 164.)

アルコールを添加しておくことで、系中で生成する強塩基NH2による望まぬ異性化が抑えられる。

ベンゼンを還元する反応の相対速度は Li(360)>Na(2)>K(1)である。

birch_2.gif

 

アルキンをBirch還元すると、E-アルケンが選択的に得られる。Lindlar還元ジイミド還元ではZ-アルケンが得られるため、相補的に用いられる。還元的に生成されるジアニオン種は、電子的反発を避けるように生成する。このため、E-アルケンが選択的に生成してくる。t-BuOHを加えておくことで過剰還元などの副反応を抑制できる。

yne-en3

 

反応例

Birch還元中に生成する電子求引基で安定化された炭素アニオンは、さらにアルキルハライドやアルデヒドなどの求電子剤と反応して炭素-炭素結合を形成できる。一例[1]を以下に示す。

birch_3.gif

末端アルキンは脱プロトン化を受けるためBirch還元の適用外である(内部アルキンのみを選択的に還元することが可能)が、硫酸アンモニウム共存下に行えば還元することが可能。[2]

alkyne_birch_3

実験手順

ピロール類のBirch還元[3]

birch_4.gif

 

実験のコツ・テクニック

※アンモニアの沸点は約-33℃なので、ジムロートではなく低温濃縮が行えるDewer冷却器を用いる。
※テフロン被覆の攪拌子はBirch条件で侵され、黒ずんでしまう。ガラス製攪拌子を用いるのがベター。
※リチウムワイヤーは、付着する油分をあらかじめペンタンで洗い落とし、ハサミで小さく刻んで用いる。
※活性種が生じていれば深青色の溶液になっているはず。
※イソプレンは一電子還元剤のクエンチ目的でしばしば用いられる。

参考文献

[1] Schultz, A. G.; Pettus, L. J. Org. Chem. 1997, 62, 6855. DOI:10.1021/jo9707592
[2] Henne, A. L.; Greenlee, K. W. J. Am. Chem. Soc. 1943, 65, 2020.
[3] Donohoe, T. J.; Thomas, R. E. Nat. Protoc. 2007, 2, 1888. doi:10.1038/nprot.2007.245

関連反応

 

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