Reducción selectiva de nitrocompuestos

Question

¿Hay alguna forma de reducir selectivamente una $\ce{NO2}$ grupo de un compuesto dinitro- o trinitro- a una amina.

Estaba leyendo Solomons y Frhyle y dice que m -dinitrobenceno puede reducirse selectivamente utilizando $\ce{H2S}$ en amoníaco acuoso o alcohólico. También dice que cuando se lleva a cabo con 2,4-dinitrotolueno conduce a la reducción del grupo 4-nitro.

Entonces, ¿hay alguna forma de predecir qué grupo nitro se reducirá, y/o algún mecanismo relacionado con esto? He estado buscando frenéticamente en libros e incluso un artículo de Internet sería suficiente.

Answer 1

¿Hay alguna forma de predecir qué grupo nitro se reducirá

Después de haber revisado tres páginas de Google Scholar y haber leído varios trabajos de investigación en busca de una respuesta, definitivamente hay no hay manera de predecir el producto aquí para cada caso general. El documento más detallado sobre el tema de la reducción de Zinin es, con mucho, Porter, H. K. Reacciones orgánicas 2011 , 455-481 ( enlace ). Incluso este documento llegó a decir que (p458):

Es evidente que queda mucho por aprender sobre el mecanismo y que sería deseable realizar estudios con técnicas e instrumentos modernos.

Sin embargo, da ejemplos razonablemente detallados de la reducción selectiva del dinitrobenceno sustituido que vale la pena mencionar. Para empezar:

Las posiciones de los sustituyentes juegan un papel importante en el progreso de la reacción. ... En los polinitrocompuestos, las posiciones relativas de los grupos determinan si la reducción da derivados monoamínicos o poliamínicos y determinan la distribución de isómeros de los derivados monoamínicos.

Por ejemplo: (p459):

En los dinitro y trinitrobencenos sustituidos, el grupo nitro menos obstaculizado se reduce preferentemente.

En los dinitro y trinitrofenoles y sus éteres, un grupo nitro ortho a hidroxi o alcoxi se reduce preferentemente.

Esto es lo máximo que necesita saber sobre esta reducción. Los demás detalles son más técnicos, y se adjuntan a continuación son lectores interesados.

---

Más detalles:

Al final del artículo, Porter ha proporcionado enormes tablas en las que se detallan varios derivados (sustituidos) de mono, di y tri-nitrobenceno y sus principales productos en la reducción de Zinin. Así pues, Estudié casi un centenar de reducciones diferentes a través de esas tablas, e intenté idear otras formas razonables de predecir el producto principal que los dos ya mencionados, especialmente en derivados asimétricos de polinitrobenceno . No he incluido en la lista los mononitrobencenos, ya que sólo tienen un único grupo nitro que hay que reducir. Además, los polinitrobencenos simétricos (como el 2,4,6-trinitromesitileno) tienen todos sus grupos nitro equivalentes, por lo que el producto obtenido al reducir cualquiera de los grupos es el mismo. He ignorado los bifenilos y los naftalenos en mis cálculos para mantener los resultados simples. Además, los productos excepcionales no se enumeran aquí, ya que se han detallado en el artículo (p460-p464 en "Side reactions").

Los siguientes resultados pueden utilizarse para predecir el producto principal en los derivados simples de polinitrobenceno. Hay que tener en cuenta que se producen reacciones secundarias excepcionales, por lo que la predicción puede no ser siempre exacta. Sin embargo, se obtiene una lista bastante amplia de productos predecibles, como se muestra a continuación. Los ejemplos de compuestos se encuentran entre paréntesis.

1. El menos estéricamente obstaculizado $\ce{-NO2}$ se reduce en derivados alquílicos del politnitrobenceno (cuadros 2 y 3).
   Ejemplo: 5- t -butyl-2,4,6-trinitro- m -El xileno produce 4- t -butil-3,5-dinitro-2,6-xilideno, es decir, una forma elegante de decir que el $\ce{-NO2}$ grupo para el tert -El grupo butilo se redujo.
2. Cuando un grupo hidroxi o alcoxi está presente, entonces el ortho El grupo nitro se reduce, incluso en presencia de otros halógenos en el anillo.
   (tabla 4: 2,4-dinitrofenol, 2-cloro-4,6-dinitrofenol, 4-bromo-2,6-dinitrofenol)
3. Si tanto un sustituto alquilo como un grupo hidroxi/alcoxi están presentes, y: (tabla 4)
   • un solo grupo nitro es orto al hidroxi/alcoxi, entonces ese ortho el grupo nitro se reduce
     (2,4-dinitroanisol, 2,4-dinitrofenetol, 2,3-dimetoxi-5,6-dinitrotolueno)
   • ningún grupo nitro es orto/ambos grupos nitro son orto al grupo hidroxi/alcoxi, entonces el grupo nitro menos estéricamente obstaculizado se reduce
     (2,3-dimetoxi-5,6-dinitrotolueno; 1,2,4-trimetoxi-5,6-dinitrobenceno produce 3,4,6-trimetoxi-2-nitroanilina)
4. Los cuadros 5, 6, 7, 8, 10 y 11 no tienen compuestos analizables.
5. El cuadro 9 enumera nitroderivados de anilina .
   • se da preferencia en la reducción al grupo nitro ortho al grupo amino.
     (2,4-dinitroanilina, 2,6-dinitroanilina, 3,5-dinitroanilina)
   • incluso en presencia de otros sustituyentes alcoxi o alquilo, el grupo nitro ortho al grupo amino sólo se reduce.
     (4,6-dinitro- o -toluidina, 4,6-dinitro- o -anisidina, 4,6-dinitro-2,5-xilideno)
   • el ortho El grupo nitro se reduce incluso en el caso de las anilinas N-alquiladas, aunque son mucho más voluminosas.
     (N-etil-2,4-dinitroanilina, N-metil-2,4-dinitroanilina)

---

Hay algunos casos que no he podido resolver. El autor tampoco los ha señalado como una excepción. Las sugerencias son bienvenidas:

1. La tabla 4 indica que el 2,4-dinitroanisol produce 5-nitro-o-anisidina. No me queda del todo claro por qué no se formó la esperada 4-nitro-o-anisidina. El mismo rendimiento se observa en el 2,4-dinitrofenetol que produce 5-nitro-o-fenetidina.
2. La tabla 7 muestra la reducción de 2,4-dinitro- $\alpha$ -toluenosulfónico como 2-amino-4-nitro- $\alpha$ -toluenosulfónico, lo cual no está claro por qué, dadas las restricciones estéricas en la posición orto.
3. La tabla 9 indica que la reducción del 3,5-dinitro-2,4-xilideno da 2,4-dimetil-5-nitro- m -fenilendiamina. No me queda claro por qué la más El grupo nitro estéricamente obstaculizado se reduce. Ni siquiera es orto al grupo anilina.

---

Creo que este es un análisis razonablemente detallado de la reducción selectiva de los polinitrocompuestos.

Answer 2

Fuente: Maity, Sunil K.; Pradhan, Narayan C.; Patwardhan, Anand V. " Reducción de p-nitrotolueno por sulfuro de amonio acuoso: Resina de intercambio aniónico como catalizador trifásico ". Revista de Ingeniería Química. 141 (1-3): 187–193. doi:10.1016/j.cej.2007.12.013.

---

El nombre de la reacción de reducción de di/trinitrobencenos a di/triaminobenceno se llama reducción de Zinin. La reacción se lleva a cabo utilizando aniones de azufre (sulfuro, hidrosulfuro y polisulfuros) o en este trabajo se utilizó sulfuro de amonio acuoso que es básicamente sulfuro de hidrógeno en amoníaco acuoso o alcohólico.

La ecuación básica de la reducción es la siguiente:-

(a) Reducción por iones sulfuro: $$\ce{4ArNO2 + 6S^{2−} + 7H2O → 4ArNH2 + 3S2O3^{2−} + 6OH- \label{a}\tag{1}}$$ (b) Reducción por iones disulfuro: $$\ce{ArNO2 + S2^{2−} + H2O → ArNH2 + S2O3^{2−} \label{b}\tag{2}}$$ (c) Reducción por iones hidrosulfuro: $$\ce{ArNO2 + 3HS− + H2O → ArNH2 + 3S + 3OH- \label{c}\tag{3}}$$

En el sulfuro de amonio acuoso (sulfuro de hidrógeno en amoníaco acuoso), los iones sulfuro y los iones hidrosulfuro permanecen en equilibrio. Los iones sulfuro reducen los nitroarenos según $\ref{a}$ mientras que los iones hidrosulfuro siguen $\ref{b}$ Como la concentración de los iones sulfuro en relación con los iones hidrosulfuro es muy pequeña, el curso de la reducción procedió a través de $\ref{c}$ predominantemente.

Aunque existen muchos trabajos publicados sobre la reducción de Zinin, la mecanismo exacto de esta importante reacción aún no está claro. La primera producto es probablemente un compuesto nitroso, que se reduce rápidamente a hidroxilamina y luego a amina. Se considera que el paso determinante de la velocidad El paso que determina la velocidad se considera el ataque del azufre divalente negativo al grupo nitro grupo nitro, porque no se observa que se formen compuestos intermedios durante la reacción.

Answer 3

La reducción de Zinin fue descubierta por el químico orgánico ruso Nikolay Zinin en 1842 ( Wikipedia ) y revisado por Porter (1973; Ref.1). Como señalan @Gaurang Tandon y @Nilay Ghosh en sus respuestas, esta reacción ofrece la mejor oportunidad de convertir polinitroaromatos como el 1,3-dinitrobenceno en 3-nitroanilina mediante la reducción selectiva de un grupo nitro con sulfuro de sodio ( $\ce{Na2S}$ ) u otros derivados de $\ce{H2S}$ . Mi única intención aquí es dar algunos ejemplos más, que pueden ayudar a deducir un mecanismo razonable para la reacción.

La preparación del 2-Amino-4-nitrofenol se ha logrado con éxito mediante la reducción selectiva del 2,4-dinitrofenol utilizando $\ce{Na2S/NH4Cl/aq.NH4OH}$ en $\pu{85 ^{\mathrm{o}}C}$ (Ref.2: Fue anotado que si la reacción se realiza a temperaturas inferiores a $\pu{70 ^{\mathrm{o}}C}$ es imposible obtener un producto puro incluso después de varias recristalizaciones):

Curiosamente, el 4,6-dinitrobenzimidazol se ha reducido selectivamente en el grupo 4-nitro para dar 4-amino-6-nitrobenzimidazol utilizando polisulfuro de sodio (Ref.3). Su resumen da algunas pistas sobre el posible mecanismo:

Resumen: Los 4,6 (5,7)-Dinitro y 5,6-dinitrobenzimidazoles se redujeron en alcohol etílico acuoso mediante polisulfuro de sodio para dar 4(7)-amino-6(5)-nitrobenzimidazol y 5(6)-amino-6(5)-nitrobenzimidazol. Las propiedades espectroscópicas se examinaron con respecto a los efectos de los grupos 4 y 5-nitro presentes en el anillo de bencimidazol. Así, la reducción preferente podría estar relacionada con la estructura quelante en los compuestos estudiados.

Polisulfuro de sodio ( $\ce{Na2S_n}$ ) es la sal de sodio de los sulfanos ( $\ce{H2S_n}$ ), que puede prepararse fácilmente calentando el $\ce{Na2S\cdot 9H2O}$ con la cantidad adecuada de $\ce{S8}$ . Por ejemplo, si $\pu{50 g}$ de $\ce{Na2S\cdot 9H2O}$ se calienta con $\pu{25 g}$ de $\ce{S8}$ a $\pu{100 ^{\mathrm{o}}C}$ una solución acuosa de $\ce{Na2S_{5.5}}$ se puede obtener (Ref.4).

Los trabajos más recientes con 1,3-dinitrobenceno y $\ce{Na2S_n}$ también se ha publicado (Ref.5). En este trabajo, los autores han afirmado la superioridad de $\ce{Na2S_n}$ para reducir selectivamente un grupo nitro sobre el reactivo reductor selectivo del grupo nitro, $\ce{Zn/NH4Cl}$ en agua (Ref.6)), que evidentemente ha dado mezcla de compuestos. También han demostrado que $\ce{H2S_n}$ preparado utilizando más $\ce{S8}$ da una mayor eficiencia en la reducción. Por ejemplo, $\ce{H2S_n}$ preparado con $6:5$ relación de peso de $\ce{Na2S\cdot 9H2O}$ a $\ce{S8}$ da un 57% de 3-nitroanilina mientras que $\ce{H2S_n}$ preparado con $9:2$ relación de peso de $\ce{Na2S\cdot 9H2O}$ a $\ce{S8}$ da sólo el 30% del producto esperado.

Basándose en el análisis anterior, se puede concluir que $\ce{Na2S\cdot 9H2O/S8}$ es un reactivo superior para reducir selectivamente un grupo nitro en compuestos poli-nitro.

---

Referencias:

1. H. K. Porter, "The Zinin Reduction of Nitroarenes," Reacciones orgánicas 1973 , 20(4) , 455-481 ( https://doi.org/10.1002/0471264180.or020.04 ).
2. W. W. Hartman, H. L. Silloway (revisado por H. R. Snyder y J. W. Kneisley), "2-Amino-4-nitrofenol". Síntesis orgánicas 1945 , 25 , 5 & Síntesis orgánicas, volumen colectivo 1955 , 3 , 82 (DOI:10.15227/orgsyn.025.0005).
3. S. Dincer, "La reducción preferencial de los 4,6 (5,7)-dinitro y 5,6-dinitrobenzimidazoles". Tintes y pigmentos 2002 , 53(3) , 263-266 ( https://doi.org/10.1016/S0143-7208(02)00018-9 ).
4. R. Steudel, "Capítulo 3: Polisulfanos inorgánicos $\ce{H2S_n}$ avec $n > 1$ ," En Topics in Current Chemistry, volumen 231: Elemental Sulfur and Sulfur-Rich Compounds II R. Steudel, Ed.; Springer-Verlag: Berlín, Alemania, 2003, pp. 99-125.
5. E. F. Lejarazo Gómez , E. Santos Santos, S. Suarez Torres, "Reducción de Nitrocompuestos, a través de diferentes condiciones de reacción (Química Combinatoria)," Revista de Química e Ingeniería Química 2018 , 12(2) , 74-82 (DOI:10.17265/1934-7375/2018.02.004).
6. T. Tsukinoki, H. Tsuzukia, "Reacción orgánica en el agua. Part 5. Novel synthesis of anilines by zinc metal-mediated chemoselective reduction of nitroarenes," Química verde 2001 , 3 , 37-38 (doi.10.1039/B008219H).