Généralités

Les réactions de réduction sont souvent difficiles. En effet, les molécules organiques possèdent souvent plusieurs fonctions susceptibles d'êtres réduites. Il est alors nécessaire de choisir le réactif ad hoc qui permettra de réduire la fonction désirée sans toucher aux autres.

Comme pour les oxydations, il existe plusieurs catégories de réaction de réduction :

  • Les réactions impliquant le remplacement d'un oxygène (ou d'un halogène) par un hydrogène (ex : un groupe C=O est remplacé par un CH2).
  • Les réactions dans lesquelles un oxygène est enlevé du substrat et donc remplacé par rien (ex : passage de R-S(O)-R' à R-S-R').
  • Les réductions par addition d'hydrogène.
  • Les réactions par rupture de liaison (ex: passage de R-O-O-R' à R-OH).
  • Les couplages réducteurs (réaction de couplage par action des métaux dissous).

Le tableau suivant résume la tolérance des diverses fonctions organiques en fonction de quelques agents de réduction :

Fonction

NaBH4

BH3

9-BBN

LiAlH4

AlH3

H2 cat.

Pas de réaction

Pas de réaction

 

Pas de réaction

Pas de réaction

Pas de réaction

Marche +/-

Pas de réaction

Marche +/-

Marche +/-

Pas de réaction

 

Pas de réaction

Marche +/-

Pas de réaction

Pas de réaction

Pas de réaction

Pas de réaction

 

Pas de réaction

Pas de réaction

Pas de réaction

D'après le tableau suivant, on constate que la réduction fait intervenir de l'hydrogène. Une réaction de réduction est donc un transfert d'hydrogène soit sous forme H2 (c'est le cas de la réduction catalytique), soit "H-" (c'est le cas des hydrures comme LiAlH4 et NaBH4) soit H· (c'est le cas de la chimie radicalaire, non évoquée dans ce tableau), soit encore des transferts d'électrons ou un transfert chimique.

 

Réactions impliquant le remplacement d'un oxygène (ou un halogène) par un hydrogène

Pour faire ces réactions de transfert d'hydrure il existe divers réactifs dont les plus courants sont ici rangés par ordre de réactivité :

En théorie le bore est capable de donner 4 hydrogènes, mais ça c'est la théorie, car en pratique ce n'est pas le cas. En effet, lorsque le bore donne un hydrogène, il fixe un oxygène et donc l'encombrement autour de l'atome de bore devient de plus en plus important. Conclusion: en pratique on utilise toujours 2 équivalents d'agent de réduction.
A partir de LiAlH4, il est possible de créer des espèces du type LiAlH(XR)3 où X est un hétéroatome. Ces espèces sont intéressantes car elles vont permettre une meilleure sélectivité selon la théorie HSAB développée au chapitre sur les dérivés carbonylés.

LiAlH(OMe)3 est un réactif plus dur que LiAlH4 (toujours selon la théorie HSAB), alors que LiAlH(SMe)3 est plus mou que LiAlH4.
Exemple pour la réduction d'une cétone a,b-insaturée :

On a vu précédemment, au chapitre sur les carbonyles, que les réactifs durs font une attaque 1,2 alors que les réactifs mous font une attaque 1,4.

Dernier point important à noter : LiAlH4, est insoluble dans le milieu, on aura donc une réaction en phase hétérogène. En revanche, les composés tels que LiAlH(XR)3 sont solubles dans le milieu réactionnel, on a donc une réaction en phase homogène.

Quelques exemples de réduction par l'hydrure "H-" :

  • Ouverture d'un époxyde par un nucléophile "H-"

  • Réduction asymétrique : En complexant l'espèce réductrice à un ligand chiral comme le binaphtol, il est possible de réduire une cétone achirale en alcool chiral (pour comprendre la chiralité due au ligand voir les chapitres de stéréochimie dans les généralités).

Le DiBAl (aussi noté DiBAlH, pour DiisoButylAluminiumHydrid) est lui aussi un agent de réduction mais pas aussi fort que LiAlH4, il est donc plus sélectif.

Cette réduction est d'autant plus intéressante que l'on voit que selon l'hydrure utilisé on peut réduire un ester soit en aldéhyde soit en alcool primaire. De plus en ajoutant un acide de Lewis, ici BF3.OEt2, il est possible de réduire l'ester en éther.

  • Sélectrides : Les sélectrides sont des boranes encombrés. Il existe 3 sélectrides le L-Sélectride LiBH(sBu)3, le N-Sélectride NaBH(sBu)3, et le K-Sélectride KBH(sBu)3.

L'exemple suivant montre comment, en encombrant l'atome de bore, on peut réduire sélectivement une fonction carbonyle par rapport à une autre. En effet, le borane étant déjà bien encombré, on va réduire le carbonyle le plus dégagé.

De même, sur les composés de type norbornanes (issus souvent des cycloadditions de Diels-Alder), il existe une face encombrée et une face dégagée. A nouveau la réduction se fera sur la face dégagée.

  • Réduction suivant un processus radicalaire : Par réaction radicalaire il est possible de réduire un alcool. La première étape consiste en la formation d'un alcoolate qui par réaction avec CS2 donnera un xanthate dont l'alkylation à l'iodure de méthyle va permettre d'avoir le substrat que l'on pourra réduire.

De même il est aussi possible par réduction radicalaire de réduire un dérivé halogéné. L'exemple suivant montre une de ces réductions en utilisant le TTMSS comme propagateur de radicaux, à la place de Bu3SnH. En effet, l'hydrure de tributyle étain est hautement toxique, mais d'un autre coté le TTMSS coûte environ 75€ le gramme...

A noter que bien que très intéressantes ces réductions radicalaires sont sujettes à caution. En effet, la chimie des radicaux est une chimie à part entière (voir le chapitre des réactions radicalaires), il est donc nécessaire de bien étudier le substrat à réduire avant de se lancer dans une réduction radicalaire, de façon à éviter les réactions parasites comme des cyclisations etc…

Le tableau suivant résume l'action des hydrures les plus courants :

Hydrure

Remarques

LiAlH4

C'est un hydrure très général, il réduit la plupart des groupes tels que : aldéhydes, cétones, les acides et leurs dérivés, les nitriles, les dérivés halogénés, les alcools propargyliques, certains dérivés nitro aliphatiques

A noter que dans le cas des dérivés nitro aromatiques, la réduction donne des diazos. De même, comme nous l'avons vu plus haut, la réduction de cétone a,b-insaturées donne un mélange de composés de réduction 1,2 et 1,4. De plus, la réduction d'ester sulfoniques donne souvent un mélange de composés où les liaisons C–O et S–O sont rompus.

LiAlH(OMe)3

D'après la théorie HSAB, LiAlH(OMe)3 est un réactif plus dur que LiAlH4, pourtant c'est un réducteur plus doux, c'est ainsi qu'on l'utilise pour la réduction des chlorures d'acides et des esters en aldéhydes, entre autres.

Les esters sont réduits moins facilement que les aldéhydes et les cétones. Pour les cétones a,b-insaturées on a essentiellement du produit de réduction 1,2.

LiAlH(OtBu)3

Même chose que pour LiAlH(OMe)3 mais grâce à la présence du groupe tBu ce réducteur est encore plus sélectif (réduction plus diastéréosélective pour les cétones).

Red-Al®

Son action est similaire à celle de LiAlH4. Néanmoins, ce composé est soluble dans les solvants organiques. Les nitriles sont réduits en aldéhydes, et les aldéhydes aromatiques en méthyles aromatiques.

La réduction des cétones a,b-insaturées se fait en 1,2, si l'on ajoute en plus du cuivre (I) alors on a une réduction 1,4.

NaBH4

Réducteur assez doux, qui permet de réduire les cétones, les aldéhydes, les chlorures d'acide ainsi que les imines, et les ions iminiums.

Les esters et autres dérivés d'acide réagissent lentement ou pas du tout. Les dérivés halogénés ne sont pas facilement réduits, quand aux époxydes leur réduction est très lente.

LiBH4

LiBH4 est plus fort que NaBH4, ce qui bien sûr engendre une plus faible sélectivité et ainsi LiBH4 permet de réduire les esters.

Zn(BH4)2

Même chose que pour NaBH4 la seule différence s'observant au niveau de la diastéréosélectivité de la réduction qui fait intervenir un modèle chélaté. Cette diastéréosélectivité est en générale supérieure à celle observée avec NaBH4.

NaBH4.CeCl3

Même chose que pour NaBH4, mais ici comme pour Zn(BH4)2 la réduction se fait avec un modèle chélaté.

L'autre grande différence avec NaBH4, c'est lorsque l'on réduit des cétones a,b-insaturées. En effet, avec NaBH4 on a un mélange 1,2 et 1,4 (1,4 en faible proportion). Alors qu'avec l'addition de CeCl3 on a essentiellement de l'addition 1,2.

MBH(O2R)3

M est un métal, et le groupe (O2R) est formé à partir de RCO2H. Bon agent de réduction pour les imines et les énamines. Son pouvoir réducteur dépend du solvant de la réaction ainsi que de la nature du groupe R.

A noter deux réactions parasites : Avec les amines une alkylation peut être observée, avec les alcènes on observe parfois des hydroborations.

LiBHEt3

Aussi appelé 'Super hydrure', c'est un agent de réduction fort. Il réduit les dérivés halogénés selon un mécanisme de type SN2. Il permet aussi de réduire les esters sulfoniques par rupture de la liaison C–O.

MBH(sBu)3

Ici M est un métal (Na, Li, K). Les sélectrides sont utilisés essentiellement pour réduire les aldéhydes et les cétones, ils sont utilisés lorsque l'on veut faire une réduction hautement diastéréosélective.

NaBH3CN

Permet des réductions à pH neutre voire pH acide. Ainsi les dérivés halogénés sont réduits à pH neutre, les aldéhydes et les cétones peuvent être réduits à pH = 4 ou plus bas encore. Les dérivés d'acide carboxylique sont non réactifs.

 

 

Réduction dans laquelle un oxygène est enlevé du substrat

Pour ce genre de réactions, à nouveau on pourra utiliser des hydrures tels que LiAlH4. C'est le cas notamment lorsque l'on veut réduire un sulfoxyde en thiol.

Les groupes nitro peuvent eux aussi être réduit mais cette fois par action d'hydrogène formé in situ.

 

 

Réduction dans laquelle des atomes d'hydrogène sont ajoutés au substrat (cas des insaturations carbonées)

La méthode la plus simple pour réduire une insaturation carbonée consiste à additionner de l'hydrogène sur cette insaturation. Si on part d'une triple liaison, il est très difficile par hydrogénation classique de s'arrêter à l'alcène. En revanche, en utilisant des catalyseurs spécifiques tel que le catalyseur de Lindlar (Pd + CaCO3) il est alors possible de réduire une triple liaison en une double liaison de stéréochimie Z. En ce qui concerne la double liaison de stéréochimie E il est possible de l'obtenir grâce à une réduction chimique.

Le cas suivant expose la réduction d'un diol propargylique, par action d'un réducteur ici le Red-Al® , on pourra réduire la triple liaison en une double de stéréochimie E. (Red-Al® : NaAlH2(OCH2CH2OCH3)2) Selles, P. Lett, R. Tetrahedron Lett. 2002, 43, 4621-4625.

 

  • Réduction des doubles liaisons en simples liaisons

En compétition avec l'hydrogénation il y a toujours l'isomérisation. Pour limiter l'isomérisation on peut utiliser une double liaison moins encombrée. Plus la double liaison est encombrée et plus il y a risque d'isomérisation, et moins la double liaison est réactive vis-à-vis de l'hydrogénation.

Exemple de compétition entre l'isomérisation et l'hydrogénation :

La vitesse de la réaction influe sur la diastéréosélectivité, ainsi avec le nickel de Raney on a :

Il est donc plus facile de réduire, avec le nickel de Raney, un aldéhyde qu'un alcène qui est lui même plus facile à réduire qu'une cétone.

Le catalyseur de Wilkinson est un complexe de rhodium qui permet de réduire les oléfines en composés saturés.(l'étoile signifie que la double liaison peut être mono-, di-, tri- ou tétra- substituée.)

    • Formation du catalyseur :

    • Mécanisme d'action du catalyseur :

Le catalyseur de Crabtree est quant à lui un catalyseur de syn hydrogénation pour les groupes : -OH ; -CONR2; -COOR; -OR

Hydrogénation par transfert chimique : Pour cela on utilise le diimide que l'on forme in situ, c'est un agent de syn hydrogénation. Cette hydrogénation est stéréosélective sur la face la plus dégagée.

Méthodes de préparation du diimide :

A noter que cet agent de réduction permet aussi de réduire d'autres fonctions comme les cétones et les nitriles. Néanmoins on peut établir l'ordre de réactivité suivant :

 

Réduction par rupture de liaison

La section suivante aborde le cas de la réduction par rupture d'une liaison azote-oxygène. Dans le cas suivant la liaison rompue est remplacée par deux liaisons, une liaison azote-hydrogène et une autre oxygène-hydrogène. C'est le cas de la réduction des isoxazolidines :

Ici l'agent de réduction est du zinc métallique en milieu acide (Smith, C. J.; Holmes, A. B.; Press, N. J. Chem. Commun., 2002, 1214-1215).

Cas des peroxydes : Deux types de ruptures possibles, dans un cas on a une réduction avec formation de deux molécules d'alcool, alors que dans l'autre cas on a formation d'un éther.

Cas des disulfides : Dans ce cas on forme deux diols, mais il est à noter qu'il existe plusieurs agents de réduction tels que (LiAlH4, KBH(OiPr)3).

 

Couplages réducteurs (action des métaux dissous)

L'action des métaux dissous sur un carbonyle va permettre de générer un radical sur le carbone qui porte l'oxygène d'où la réaction de couplage entre les deux radicaux (voir le chapitre sur la chimie radicalaire).

 

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