伯奇還原反應

伯奇還原反應 (Brich Reduction)
國立臺灣師範大學化學系碩士班 鍾長志

圖一 Arthur John Birch（來源：參考資料4）

Arthur John Birch 1915年出生於澳洲雪梨，畢業於雪梨大學，之後曾到過牛津大學、劍橋大學、曼徹斯特大學深造。^1,4

Birch是二十世紀傑出有機化學家之一，在有機金屬化學及生物化學具有一定的影響力，他非凡的創造力使得他在科學上享譽盛名。其中最被人熟知的反應是伯奇還原反應，其具有廣泛的應用性，最重要的應用是在口服避孕藥（oral contraceptives）的合成，因此伯奇又有藥丸之父的稱號。伯奇的聚酮類理論（Polyketide Theory），在生物合成中以及天然物中也被人熟知。另外，他最後發表的研究–合成二烯三羰鐵衍生物（diene iron tricarbonyl derivatives），後來也被擴展應用。^1,4

在1930年代為了解決具類固醇結構、具芳香環結構的激素以及脂環化合物（alicyclic compound）因為合成這些化合物的技術還不夠成熟、且在立體選擇性上仍有困難的問題，伯奇利用金屬鈉與醇類反應，將酯類還原成醇類、甚至還原萘類，但沒辦法有效還原苯。對於還原過程比較常用一些催化劑、或是高溫高壓方式來還原的方法（例如：利用鉑配合大量的氫氣、鎳或銅-鉻催化劑是一般常用的方法），會使得產物立體選擇性的改變，或是會移去一些官能基。當時在類固醇的合成中也遇到問題，因當時還不知道乙烯基醚在酸中容易水解得到羰基化合物。到了1943年，伯奇有了一個重要發現：當在液體氨與金屬鈉和醇在同一反應中可以有還原的效果，若是在沒有取代基的芳香環上可以增加兩個氫原子（意指芳香環可以被還原）；另一則是可以很容易從乙烯基醚化合物得到羰基化合物。伯奇結合這兩個發現設計出實驗：首先他將甲氧基苯(1)利用液體氨與金屬鈉和醇進行還原反應，得到2,5-二氫衍生物(2)，再將衍生物(2)在酸性條件下進行水解得到環己-3-烯-1-酮(3)，並可在酸催化之下再進行異構化得到產物以環己-2-烯-1-酮(4)。^1,4（圖二）

圖二 伯奇還原反應可將甲氧基苯還原、合成化合物(2)、(3)、(4) （來源：作者繪製）

環己烯酮（cyclohexenone）的衍生物是很多類固醇激素中所含有的結構，此外這個結構在其他的合成中也很常扮演著中間體的角色。伯奇在1944到1950年間在化學期刊上發表了有關此研究的一系列文章，這些文章更是奠定了這一系列化合物在合成上的基礎。伯奇也推測出它的反應機構以及取代基不同時所造成的影響。

舉例以苯環的例子所繪製的反應機構^2,3,5：先利用苯（A）與鈉進行電子轉移得到得一電子的中間（C），再與甲醇進行質子轉移得到（D）；中間體（D）再與金屬鈉進行一次電子轉移得中間體（E），最後再與甲醇進行質子轉移得到還原產物（B）。（圖三）

圖三 以苯環的例子的伯奇還原反應5（來源：作者繪製）

在苯環上若改接不同取代基也會有不同效果。下圖為接上拉電子基團（圖四）以及推電子基團（圖五）的反應機構。

圖四 苯環上有拉電子基團取代（來源：參考資料8）

圖五 苯環上有推電子基團取代（來源：參考資料8）

舉例來說，若苯環接上拉電子接團，苯甲酸(I)在接受電子後可以形成中間體(II)或是中間體(III)，而中間體(III)可以有一較穩定結構的共振式-中間體(IV)；因此在接上拉電子基團時，反應便會比較趨向於以下這條路徑，以形成更多穩定的共振中間體。（圖六）

圖六 拉電子基團的影響7（來源：作者繪製）

而苯環上若接上推電子接團，如圖七：苯甲醚(V)在接受電子後可以形成中間體(VI)及中間體(VII)，由於推電子效應的關係，中間體(VII)電子雲密度較高、產生較大的斥力，因此中間體(VI)的結構相對於中間體(VII)穩定。

圖七 推電子基團的影響7（來源：作者繪製）

由以上共振中間體與苯環上的推拉電子取代基之關係，其影響結果可由圖八作為總結。

圖八 推拉電子基團的影響之結果，EDG 表示推電子基團，EWG表示拉電子基團（來源：參考資料2,3）

參考文獻

1. Obituary- Arthur John Birch, http://oa.anu.edu.au/obituary/birch-arthur-john-109
2. Birch reduction ~ Named reaction.com, http://www.name-reaction.com/birch-reduction
3. Birch reduction, http://www.organic-chemistry.org/namedreactions/birch-reduction.shtm
4. Rickards, R. W., & Cornforth, J. (1995). Arthur John Birch. 3 August 1915.
5. http://www.columbia.edu/itc/chemistry/c3045/client_edit/ppt/PDF/11_10_11.pdf
6. http://www.ch.imperial.ac.uk/rzepa/blog/?p=8452
7. Organic Reactions Stereochemistry And Mechanism (Through Solved Problems), By P S Kalsi
8. Zimmerman, H. E., & Wang, P. A. (1993). The regioselectivity of the Birch reduction. Journal of the American Chemical Society, 115(6), 2205-2216.