13.4. Методы синтеза одноатомных спиртов в лаборатории

• Гидролиз алкилгалогенидов. Обычно спирты получают гидролизом хлоралканов при нагревании с водой или водным раствором щелочей. В первом случае реакция обратима, а во втором она часто сопровождается элиминированием галогеноводородов, например:

Во избежание побочных процессов первоначально из хлоралканов предпочтительно синтезировать сложные эфиры, которые затем омыляют до спиртов.

Для лучшей гомогенизации реакционной смеси в нее добавляют некоторое количество смешивающегося с водой растворителя, например, диоксана.

• Гидроборирование-окисление алкенов. Алкены реагируют с дибораном (ВН₃)₂, образуя первоначально алкилбораны, которые при окислении превращаются в спирты.

Реакцию проводят в тетрагидрофуране. Диборан получают реакцией между двумя коммерческими реагентами: боргидридом натрия и фторидом бора, часто in situ (в реакционной смечи в присутствии алкена) или восстанавливают хлорид бора(III) водородом.

Алкилбораны не выделяют, а обрабатывают их в том же реакционном сосуде щелочным раствором пероксида водорода. Как видно из приведенных реакций, они протекают против классического правила Марковникова и без перегруппировок.

Следует отметить, что в реакции участвует не диборан, а его мономер, образующийся в растворе:

.

Наряду с дибораном в органическом синтезе применяют комплекс борана в тетрагидрофуране.

• Механизм реакции гидроборирования можно представить как типичное электрофильное присоединение гидрида бора по двойной связи, в котором электрофилом является атом бора. С современной точки зрения эту реакцию рассматривают как процесс, протекающий через четырехцентровый промежуточный комплекс.

По-видимому, реакция гидроборирования алкенов начинается с электрофильной атаки атома бора. В образовавшемся -комплексе на атоме бора увеличивается отрицательный заряд с тенденцией образования вторичного карбкатиона. Однако последний не образуется, потому что приобретающий отрицательный заряд атом бора легко теряет атом водорода в виде гидрид-иона с синхронным образованием продукта цис-присоединения.

Реакция окисления алкилборанов протекает следующим образом. На первой стадии гидропероксид-анион атакует электронодефицитный атом бора.

Образовавшийся интермедиат перегруппировывается благодаря миграции алкильной группы со своими электронами к атому кислорода по схеме, сходной с перегруппировкой карбкатионов.

Взаимодействие с гидропероксидом в щелочной среде протекает быстро и с выделением тепла.

Образовавшийся эфир борной кислоты легко разлагается в условиях реакции с высвобождением спирта.

Чтобы предотвратить дальнейшее окисление продуктов реакции до альдегидов и кислот, процесс проводят в атмосфере азота в присутствии борной кислоты (А. Башкиров), которая образует со спиртами стойкие к окислению эфиры борной кислоты В(ОR)₃. Последние затем легко гидролизуются щелочами. Таким путем в промышленности, в частности, получают цетиловый спирт С₁₆Н₃₃ОН.

Реакция гидроборирования проста и удобна, выходы очень высоки, и ее можно использовать для синтеза соединений, которые трудно получить из алкенов каким-либо другим способом. Для ациклических, моно- и дизамещенных алкенов гидроборирование–окисление дает уникальную возможность синтеза первичных спиртов с суммарным выходом 80-95%.

• Алкилборирование оксида углерода(II). Дальнейшее развитие методов получения спиртов из алкилборанов получило в работах Г. Брауна и М. Рашке, которые предложили в качестве акцептора алкилборана оксид углерода(II). Реакция протекает при температурах 100-125 С. В промежуточном комплексе происходит последовательная миграция алкильных групп с атома бора на атом углерода.

Этим методом в зависимости от условий проведения реакции можно получить с высоким выходом первичные, вторичные и третичные спирты.

• Гидроксимеркурирование-демеркурирование алкенов приводит к образованию спиртов и не сопровождается перегруппировкой. Направление реакции соответствует правилу Марковникова; она протекает в мягких условиях, а выходы близки к теоретическим.

Механизм этой реакции может быть представлен следующим образом. Первоначально происходит диссоциация ацетата ртути(II) с образованием иона СН₃СООНg⁺. Ацетоксимеркурат-катион реагирует с двойной связью С=С алкена подобно протону. Далее карбокатион взаимодействует с водой, образуя алкилртутную соль.

Демеркурирование образующихся меркурированных спиртов протекает количественно при обработке их боргидридом натрия.

Например:

Замена воды на спирт или карбоновую кислоту приводит к получению простых или сложных эфиров. В лаборатории этот метод полностью вытеснил реакцию гидратации алкенов.

• Восстановление сложных эфиров и карбоновых кислот приводит к первичным спиртам.

• Каталитическое гидрирование сложных эфиров обычно проводят над платиновыми катализаторами, никелем Ренея или меднохромитовым катализатором.

• В лабораторных условиях в качестве восстановителя значительно чаще используется алюмогидрид лития.

• Большие количества спиртов с неразветвленной углеродной цепью, содержащих четное число атомов углерода, ранее получали в чистом виде восстановлением натрием в этиловом или бутиловом спирте сложных эфиров жирных кислот или жиров по методу Буво¹-Блана².

• Восстановление оксосоединений до спиртов можно проводить водородом в присутствии катализаторов, таких как никель Ренея или платина, а также алюмогидридом лития или боргидридом натрия. При этом из альдегидов получаются первичные спирты, а из кетонов – вторичные.

Следует отметить, что боргидрид натрия в отличие алюмогидрида лития не восстанавливает карбоксильную и сложноэфирную группы, что позволяет восстанавливать карбонильную группу в их присутствии.

Алкил- и арилзамещенные боргидриды наряду с селективностью восстановления обеспечивают и стереоселективность.

• Синтезы на основе реактива Гриньяра. Реактивы Гриньяра легко вступают во взаимодействие с карбонильными соединениями. Формальдегид при этом образует первичный спирт, остальные альдегиды – вторичные, а кетоны – третичные спирты.

При взаимодействии реактива Гриньяра со сложными эфирами получают третичные спирты, за исключением эфиров муравьиной кислоты, дающих вторичные спирты.

Образовавшийся кетон более активен, чем сложный эфир, и поэтому он в первую очередь реагирует с реактивом Гриньяра.

• Получение спиртов на основе оксиранов.

• Органические -оксиды (оксираны или эпоксиды) также вступают в реакции с алкилмагнийгалогенидами, образуя первичные спирты.

• Эпоксиды при действии алюмогидрида лития превращаются в спирты. Реакция состоит в нуклеофильной атаке гидрид-аниона по наименее замещенному (менее экранированному) атому углерода с образованием вторичного или третичного спирта.

Ввиду того, что -оксиды обычно получают из олефинов, то такой двухстадийный процесс можно рассматривать как альтернативу реакции гидратации алкенов. В отличие от последней реакции восстановление эпоксидов протекает регио- и стереоспецифично. В системах, для которых невозможно свободное вращение вокруг -связей гидроксильная группа и атом водорода имеют анти-конфигурацию, отсюда и название этого процесса – анти-гидратация.

• Взаимодействие первичных аминов с азотистой кислотой приводит к образованию спиртов.

C_nH_2n+1NH₂ + HONO → C_nH_2n+1OH + N₂↑ + H₂O

Реакция не имеет реальной синтетической значимости, т. к. сопровождается образованием большого количества побочных продуктов.

• Взаимодействие галогеналканов с супероксидом калия – один из самых современных методов синтеза спиртов.

Замещение атома галогена у вторичных асимметрических атомов углерода на гидроксил сопровождается полным обращением конфигурации.