Реакции с участием карбенов, нитренов и других электронодефицитных интермедиантов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство по образованию

ГОУ ВПО «Кемеровский государственный университет»

Химический факультет

Кафедра органической химии

Курсовая работа

Реакции с участием карбенов, нитренов и других электронодефицитных интермедиантов

Выполнил:

Мулюкова А.А.

Кемерово 2014

Введение

Общей чертой реакций, описываемых в данной курсовой работе, является формальное участие в них интермедиантов с четным числом электронов, имеющих незаполненные орбитали низкой энергии. Интермедиант - промежуточное вещество с коротким временем жизни, образующиеся в ходе химической реакции и затем реагирующих дальше до продуктов реакции. Так как они очень быстро реагируют, их концентрация в реакционной смеси очень мала. Поэтому их образование либо теоретически постулируют, либо обнаруживают при помощи современных физико-химических методов анализа. Наиболее известные из таких интермедиантов являются карбениевые ионы. Далее будут рассмотрены примеры реакций фрагментации и перегруппировок карбениевых ионов, имеющих синтетическое значение. Важны также и нейтральные частицы, содержащие двухвалентный углерод и одновалентный азот,- карбены и нитрены.

Современная теоретическая органическая химия допускает, что многие реакции, приписываемые карбенам и нитренам, могут осуществляться также и другими интермедиантами более высокой координации, которые объединяют под общим названием карбеноидов и нитреноидов. Часто трудно точно определить природу подлинного интермедианта в конкретном процессе, и многие другие реакции, страдают такой неопределенностью. Более того, для некоторых из реакций, которые будут далее рассматриваться, вполне определенно показано, что свободные карбены и нитрены в них не участвуют, но они включены в данную тему, поскольку механизмы этих реакций весьма близки.

1. Карбены

Карбенами называют нейтральные нестабильные частицы с шестью валентными электронами и общей формулой R¹R²C: (два заместителя и электронная пара). Существует два состояния карбенов: синглетное и триплетное в зависимости от того, находятся ли два несвязывающих электрона на одной и той же молекулярной орбитали со спаренными спинами или на двух орбиталях равной энергии с параллельными спинами.

Эти две электронные конфигурации находят отражение как в различной геометрии и химической активности, так и в таком важном физическом свойстве, как магнетизм: синглетный карбен диамагнитен, а триплетный парамагнитен. Поэтому триплетные карбены можно исследовать с помощью ЭПР-спектроскопии.

При качественном описании связей в синглетном карбене предполагается sp^z-гибридизация атома углерода с двумя электронами иа одной $р²-гибридизованной орбитали и с одной свободной р-орбиталью, Угол RCR' несколько меньше, чем нормальный угол в 120° (если R и R' малы), так как межорбитальное отталкивание должно быть наибольшим для более диффузной орбитали свободной пары электронов, В три- плетном карбене лиганды должны связываться с углеродом sp-гибриди- зованными орбиталями в линейном расположении с неспаренными электронами на двух взаимно ортогональных р-орбиталях.

Заместители могут вызвать нарушение относительных энергий синглетиого н триплетного состояний [2]. Обычно алкильные группы в качестве заместителей действуют так же, как водород, поэтому диалкил- карбеиы в основном состоянии триплетиы. Предполагается, однако, что доноры свободных пар электронов должны в большей мере стабилизовать синглетное состояние, чем триплетное, за счет смещения it-электронов на вакантную р-орбиталь.

Как предположил Скелл, реакционная способность карбенов в синглетном и триплетном состоянии должна быть различной. В триплетном состоянии карбен является бирадикалом и следует ожидать, что он должен обладать такой же селективностью в реакциях с олефинами, как и другие частицы, содержащие неспаренные электроны. В синглетном состоянии с его незанятой р-орбиталью карбен должен быть электрофильным реагентом и его реакционная способность по отношению к олефинами должна быть сходной с активностью других электрофильных частиц. В общем случае карбены присоединяются к алкенам с образованием производных циклопропана. Как видно сравнительная реакционная способность по отношению к избранным олефинам в большей мере соответствует элек- трофильным моделям (бромирование, эпоксидирование), чем радикальной модели.

Для дигалогенкарбенов триплетная форма стабильнее синглентной но для дигалогенкарбенов :CHal2 и для других карбенов с заместителями, содержащими неподеленную пару электронов, основным состоянием остается синглентным. Валентный угол для дихлоркарбена С1-С-С1, равный 106⁰ хорошо согласуется с синглентной формой. Более высокая стабильность синглентной формы дигалогенкарбенов по сравнению с триплетной, обусловлена ее стабилизацией за счет неподеленной пары электронов гетероатома.

1.1 Образование карбенов

Существует несколько общих методов генерирования таких нестабильных частиц как карбены. В одном из них в качестве источника карбенов используют алифатические диазосоединения - диазоалканы. Простейшим диазосоединением алифатического ряда является диазометан . Диазометан представляет собой относительно неустойчивое вещество, разлагающееся при облучении на азот и метилен.

Метилен СН2 при фотолизе диазометана образуется в менее стабильной синглетной форме. Синглетный метилен в условиях реакции в результате столкновений с молекулами диазометана или азота быстро теряет энергию и превращается в более стабильный триплетный метилен. Поэтому процессы с участием триплетного метилена целесообразно изучать в газовой фазе в атмосфере инертного газа при малых концентрациях субстрата. Фотолиз диазосоединений удобен для генерации самого метилена, но мало употребим для генерации других карбенов вследствие малой доступности высших диазоалканов.

Более общий метод генерирования моно- и диалкилкарбенов заключается в термическом или фотохимическом разложении тозилгидразонов - производных карбонильных соединений. Этот метод, в принципе, является модификацией метода разложения диазосоединений, поскольку и в этом случае интермедиатами являются диазосоединения. Исходные тозилгидразоны образуются при взаимодействии альдегида или кетона с тозилгидразином. Фотохимическое разложение тозилгидразонов в присутствии сильного основания (трет-бутилата калия, н-бутиллития и др.) позволяет избежать выделения диазоалкана. Образующееся диазосоединение сразу же подвергается фотохимическому разложению и не накапливается в реакционной среде. Разложение тозилгидразонов с целью генерации карбенов проводят в апротонной индифферентной среде - диметоксиэтане СН₃ОСН₂СН₂ОСН₃ (моноглим) или диметиловом эфире диэтиленгликоля СН₃ОСН₂СН₂ОСН₂СН₂ОСН₃ (диглим).

Для генерирования дигалокарбенов разработаны методы, основанные на реакции -элиминирования галогеноводорода из тригалогенометанов под действием сильных оснований. Этот метод исторически был первым, с помощью которого в качестве интермедиата был генерирован первый из карбенов - дихлоркарбен (Дж. Хайн 1950 г.). При взаимодействии с сильными основаниями из хлороформа (рКа хлороформа составляет ~16), бромоформа (рКа = 9) и других тригалогенометанов образуется анион который стабилизируется за счет отщепления галогенид-иона с образованием дигалокарбена:

В качестве основания можно использовать также литийорганические соединения в индифферентной апротонной среде. Тогда ниже -100 ⁰С можно зафиксировать образование трихлорметиллития в качестве интермедиата.

С помощью таких сильных оснований, как RLi, можно генерировать карбены из 1,1-дигалогенпроизводных

Точную структуру интермедиата в реакции элиминирования с использованием литийорганических соединений в качестве оснований, установить трудно. Кроме свободного карбена СХ₂ здесь возможно образование раз личных других частиц, которые по химическому поведению подобны карбенам, но по строению отличаются от карбенов. Такие частицы называются карбеноидами. К карбеноидам относятся соединения типа LiCCl₃, LiCНCl₂ и др. комплексы карбенов с галогенидами лития и ряд других частиц.

В последние годы для генерирования дигалокарбенов вместо н-бутиллития широко используют в качестве основания бис(триметилсилил)амид натрия.

При этом выделяется химически инертный силазан [бис(триметилсилил)амид]. Бис(триметилсилил)амид натрия, в отличие от н-бутиллития, можно выделять в инертной атмосфере в сухом виде. На практике чаще используют его эфирные растворы, которые можно хранить при комнатной температуре в течение длительного времени.

Дихлоркарбен может быть также генерирован при термическом декарбоксилировании сухого трихлорацетата натрия:

1.2 Реакции карбенов

Присоединение карбенов к алкенам с образованием производных циклопропана является важнейшей реакцией карбенов. Реакция была открыта в 1954 г. Дерингом и Хофманом и в настоящее время это наиболее распространенный общий способ синтеза производных циклопропана и построения циклопропанового кольца

В этой реакции наиболее отчетливо проявляется различие в реакционной способности синглетной и триплетной формы карбенов. Карбен в трипленом состоянии является бирадикалом и следует ожидать, что триплетный карбен должен обладать такой же реакционной способностью и селективностью в реакциях с алкенами, как и другие бирадикальные частицы. Синглетный карбен с пустой р-орбиталью и неподеленной парой электронов должен быть "бифильным" реагентом, т.e. одновременно и электрофильным и нуклеофильным агентом. Синглетный карбен может участвовать в синхронном одностадийном циклоприсоединении к двойной связи, тогда как триплетный карбен должен присоединяться в две последовательные стадии.

Для синглетного карбена характерно синхронное присоединение к двойной связи алкена с полным сохранением геометрии при двойной связи (реакция [2+1]-циклоприсоединения). Присоединение синглетной формы карбена по двойной связи происходит, таким образом, строго стереоспецифично. Хорошей моделью переходного состояния в этом случае является активированный комплекс:

В качестве примеров стереоспецифического присоединения синглетного карбена к алкенам приведем присоединение дихлоркарбена к цис-пентену-2 и транс-бутену-2.

Первоначально дихлоркарбен генерировали из хлороформа под действием трет-бутилата, натрия в апротонной среде (эфир, ТГФ, ДМЭ, пентан) или при термическом разложении сухого трихлорацетата натрия в ДМЭ. С внедрением в практику органического синтеза метода межфазного катализа с переносом реагентов из водной в органическую фазу, этот метод нашел широкое применение и для присоединения дигалокарбенов к алкенам.

Дихлоркарбен, генерированный в воде в присутствии гидроксида натрия подвергается быстрому гидролизу с образованием оксида углерода(II) и формиата натрия, поэтому для получения геминальных дихлорциклопропанов карбен необходимо генерировать в органической фазе, а не в воде. Это достигается депротонированием хлороформа под действием гидроксид-иона на границе раздела фаз хлороформ - вода. Далее анион разлагается на дихлоркарбен и хлорид-анион уже в органической фазе и дихлоркарбен присоединяется к двойной связи алкена. Общая схема превращений описывается приведенной ниже последовательностью уравнений.

Фазовый перенос в этом случае заключается в переносе гидроксида тетраалкиламмония из водной в органическую фазу. Простота и доступность этого метода генерирования дигалокарбенов (Макоша, 1969 г.) обусловили его широкое использование для создания циклопропанового кольца в условиях межфазного переноса. В настоящее время присоединение :CCI2. и CBr₂ карбенов к двойной связи осуществляется именно этим методом. Выходы 1,1-дигалогезамещенных циклопропанов, как правило, весьма высоки и легко воспроизводимы. Некоторые примеры присоединения дигалокарбенов к алкенам в условиях межфазного катализа приведены ниже:

При восстановлении 1,1-дигалогенциклопропанов под действием лития в mpem-бутиловом спирте, цинка в уксусной кислоте или натрия в жидком аммиаке оба атома галогена замещаются на водород. Это один из общих методов получения производных циклопропана.

Триплетный карбен, как типичный бирадикал, присоединяется к алкенам по двухстадийному механизму с промежуточным образованием нового бирадикала. Замыкание цикла в бирадикале с образованием производного циклопропана невозможно до тех пор, пока один из электронов в бирадикале не подвергнется спиновой инверсии. Инверсия спина более медленный процесс по сравнению с вращением вокруг простых С-С-связей в бирадикале. Поэтому замыкание циклопропанового кольца приводит к образованию обоих диастереомеров. Действительно, присоединение триплетного карбена к двойной связи нестереоспецифично и в общем случае приводит к образованию обоих диастереомерных форм циклопропанового производного.

Реакции внедрения по связи С-Н.

Уникальной особенностью синглетного карбена является его способность внедряться по связи С-Н углеводородов. Реакционная способность синглетного метилена настолько велика, что внедрение его по связи С-Н не избирательно. Связи С-Н для первичного, вторичного и третичного атома углерода подвергаются атаке синглетного СН₂ примерно с одинаковыми скоростями. Так, например, распределение продуктов внедрения CH₂ в случае н-гептана соответствует статистическому распределению изомеров.

Реакции внедрения характерны только для активных синглетных карбенов. Дигалокарбены не внедряются по связи С-Н.

Для триплетных карбенов характерны не реакции внедрения по связи С-Н, а отщепление от алканов атома водорода с образованием свободных радикалов.

Далее образующиеся свободные радикалы претерпевают характерные для них химические превращения (рекомбинация, диспропорционирование, реакция с кислородом воздуха и т.д.).

В заключении можно отметит, что в данном разделе приведены лишь начальные сведения по химии карбенов и карбеноидов. Отдельного обсуждения требуют, например, данные по перегруппировкам карбенов с миграцией водорода или алкильной группы к электронодефицитному атому углерода карбена.

Для синглентных карбенов характерны сдвиги. Очень легко мигрирует водород, но возможны также миграции алкильных и арильных групп. Эта реакция используется для синтеза алкенов против правила Бредта.

В подходящих условиях карбены, имеющие ненасыщенные заместители, например, подвергаются карбен-карбеновым перегруппировкам через [схема (57)]. При X=0 такое взаимное превращение предшествует перегруппировке Вольфа для фотолитически генерированных кетокарбенов. К этой же группе относятся арилкарбены и, хотя обычно они не перегруппировываются в растворе, в условиях импульсного вакуумного пиролиза при температуре ниже устанавливается их равновесие с ароматическими карбенами при более высоких температурах протекает также сужение цикла с образованием, например, винилиденциклопенгадиена

Внешне аналогичную серию перегруппировок претерпевают арил-нитрены

Другими характерными для карбенов перегруппировками и фрагментациями являются превращения циклопропенилидена в аллен, циклобутилидена в метиленциклопропан а также превращения, иллюстрируемые схемами.

2. Нитрены

Азотистые аналоги карбенов называют нитренами. Как и в случае карбенов, для них возможны синглетиое и тринлетное электронные состояния. Триплетное состояние обычно является основным, но в реакции может быть вовлечена любая из этих двух частиц. Между «химией нитренов и химией карбенов есть много общего, но, разумеется, существуют и значительные различия.

Для генерирования арил- и аминонитренов применяют частичное восстановление нитро- и нитрозосоединения (чаще всего под действием R'3P).

При нагревании либо под действием ультрафиолета азиды разлагаются с отщеплением азота и образованием нитренов:

Это частицы с одновалентным азотом , являющиеся электронными аналогами карбенов. Нитрен, образующийся в качестве интермедиата при облучении УФ-светом эфиров азидокарбоновой кислоты N₃-COOR, присоединяется к алкенам с образованием азиридинов, например:

Выходы азиридинов в этом случае, как правило, ниже, чем выходы соответствующих циклопропанов в реакциях алкенов с диазосоединениями. На практике для синтеза азиридинов чаще используют другие более эффективные методы синтеза.

На химические свойства нитренов влияет их электронное состояние. Наиболее важные реакции нитренов: отщепление атома водорода от других субстратов с превращением в амины в амины (характерно для триплетных нитренов), внедрение по связи С--Н (характерно для синглетных нитренов), присоединение по кратным связям (для синглетных нитренов реакция стереоспецифична), перегруппировки (напр., изомеризация в имины):

карбениевый нитрен химический интермедиант

Среди нитренов выделяют аминонитрены (диаэены, 1,1-диазены), обычно имеющие синглетное основное состояние. Некоторые диазены, имеющие объемные заместители (напр., ди-трет-бутилдиазен), существуют в стабильном виде. Для генерирования диазенов кроме общих методов генерирования нитренов используют окисление [чаще всего под действием Рb(ОАс)₄] гем-дизамещенного гидразина RR'NNH2, а также реакции вторичных аминов с дифторамином NHF₂ либо с HN=0, образующимся из соли Ангели NaON=NO₂Na или N-фенилсульфонилгид-роксиламином HONHSO₂C₆H₅. Для диазенов характерны легкое присоединение протона к нитреновому атому азота с образованием диазениевого катиона, внутримолекулярные перегруппировки (р-ция 1), расщепление с выбросом молекулы N2 (в отсутствие акцепторов) (2), а также димеризация с образованием симметричных тетразенов RR'N--N=N--NRR'.

3. Перегруппировки электронодефицитных интермедиантов

Реакции, сгруппированные в этом разделе, характеризуются скелетными перегруппировками. Некоторые из них считаются синхронными и, следовательно, обходятся без стадии электронодефицитного интермедианта. Наиболее важны реакции, в которых происходит миграция к углероду или азоту.

3.1 Миграция к углероду

Перегруппировка Вольфа (перегруппировка Вольфа-Шрётера), разложение диазокетонов с отщеплением N₂, приводящее к замещенным кетенам:

Катализаторы реакции Ag₂O, бензоат серебра, металлич. Ag, Pt, Си, иногда третичные амины (напр., триэтиламин). Реакцию проводят также и без катализатора при облучении или нагревании. В присутствии нуклеофилов образующийся кетен без выделения превращающийся в карбоновую кислоту или ее производные.

Наиболее вероятный механизм Вольфа перегруппировки включает промежуточное образование оксокарбена, который может обратимо превращаться в замещенный оксирен и изомерный оксокарбен:

В зависимости от исходного соединения и условий реакции изотопная метка (обозначена звездочкой) сохраняется на карбонильном атоме углерода или частично переходит на углеродный атом. Если атом углерода мигрирующей группы, непосредственно связанный с карбонильной группой, асимметричен, то при Вольфе перегруппировке сохраняется его конфигурация. Предполагается, что Вольфа перегруппировка осуществляется иногда не через оксокарбен, а синхронно с одноврем. миграцией заместителя и отщеплением азота. Образование побочных продуктов (ненасыщ. и насыщ. кетонов, алкоксикетенов, 2-алкилиден-1,3-диоксолов) при перегруппировке Вольфа обычно связано с реакциями оксокарбена или кетена.

Реакция Фаворского. 1) Перегруппировка галогенкетонов в карбоновые кислоты, их эфиры или амиды при действии оснований.

Существуют доказательства, что в ходе перегруппировки в качестве интермедиантов образуется разомкнутая форма циклопропана или циклопропанона:

Также есть родственный механизм, который может реализовываться при отсутствии подвижного атома водорода - это семибензильная перегруппировка.

3.2 Миграции к азоту

Наиболее важными реакциями этого типа являются: перегруппировка Бекмана, при которой оксимы превращаются в амиды; группа реакций, в которых производные карбоновых кислот превращаются в амины с потерей карбонильного углерода, и реакция кетонов с азотистоводородной кислотой с образованием амидов (реакции Шмидта).

Перегруппировка Бекмана, изомеризация кетоксимов в N-замещенные амиды карбоновых кислот под действием кислотных агентов:

Бекмана перегруппировка стереоспецифична: всегда мигрирует радикал, находящийся в транс-положении к гидроксилу. Конфигурация атомов С в R' сохраняется. Установлено, что перегруппировываются не сами кетоксимы, а продукты их взаимод. с реагентами. Так, в случае ацилирующих агентов образуется ацильное производное, последующий распад к-рого происходит с разрывом связи N--О и синхронной миграцией R'. Для жирноароматич. оксимов постулировано промежут. Образование производных азионина.

Реакция, идущая с перегруппировкой к электронодефицитному азотному центру,- термическое разложение азидов кислот известна как перегруппировка Курциуса. Первичный продукт реакции изоцианат, который вступает в дальнейшее превращение:

Эту перегруппировку объединяет с перегруппировкой Бекмана сохранение стереохимической конфигурации мигрирующей группы.

Реакцию, которую иногда применяют для превращения карбоновых кислот в амины с отщеплением диоксида углерода,- окисление амидов гипобромитом. Это реакция называется перегруппировка Гофмана.

Стадия, определяющая скорость Гофмана реакции, отщепление галогена с образованием нитрена, который стабилизируется перегруппировкой визоцианат:

Последний при взаимодействии с Н2О через карбаминовую кислоту превращает в амин:

Карбоновые кислоты и их эфиры также можно превратить в амины с потерей карбонильной группы с азотистоводородной кислотой. Она известна как реакция Шмидта. В этом процессе, как и в реакции Курциуса электронодефицитный центр возникает в результате отщепления азота из азидной группы. Интермедиант образуется за счет присоединения аммиака к карбонильной группе. В случае карбоновых кислот, ключевой интермедиант образуется за счет присоединения азотистоводородной кислоты к карбонильной группе.

Заключение

В данной работе мы рассмотрели основные реакции и перегруппировки, в которых участвуют электронодефитные интермедианты. Эти соединения помимо перечисленных в курсовой работе реакций участвуют в важных синтетических реакциях. Карбеновые ионы образуются в важных реакциях циклизации полиолефинов, которые имеют существенное значение в синтезе полициклических продуктов терпенового ряда.

Список литературы

1. Несмеянов А.Н., Несмеянов Н.А. Начала органической химии. В 2 т. - М.: Химия, 1969.

2. Робертс Дж., Касерио М. Основы органической химии. - М.: Мир, 1978.

3. Берзин Б.Д., Берзин Д.Б. Курс современной органической химии. - М.: Высш. шк., 1999.

4. Неницеску К.Д. Органическая химия. В 2 т. - М.: Изд-во иностранной литературы, 1963.

5. Шабаров Ю.С. Органическая химия. - М.: Химия, 1994.

6. Реутов О.А., Курц А.Я., Бутин К.П. Органическая химия. - М.: МГУ, 2005.

7. Агрономов А.Е. Избранные главы органической химии. - М.: Химия, 1990.

8. Травень В.Ф. Органическая химия. Учебник для вузов. - М.: Академкнига, 2005.

9. Белобородов В.Л., Зурабян С.Э., Лузин А.П., Тюкавкина Н.А. Органическая химия. Основной курс. - М.: Дрофа, 2003.

10. Грандберг И.И. Органическая химия. - М.: Высш. шк., 2001.

11. Степанов В.М. Молекулярная биология. Структура и функции белков. - М.: Высш. шк., 1996.

12. Технология пластических масс / Под ред. В.В. Коршака. - М.: Химия, 1985.

Размещено на Allbest.ru