stringtranslate.com

реакция Бартона

Реакция Бартона , также известная как реакция нитритного эфира Бартона , представляет собой фотохимическую реакцию, которая включает фотолиз алкилнитрита с образованием δ - нитрозоспирта .

Реакция была открыта в 1960 году и названа в честь ее первооткрывателя, лауреата Нобелевской премии сэра Дерека Бартона . [1] Нобелевская премия по химии 1969 года была присуждена Бартону за его работу по пониманию конформаций органических молекул, работу, которая сыграла ключевую роль в осознании полезности реакции Бартона. [2]

Реакция Бартона включает гомолитическое расщепление RO–NO, за которым следует отщепление δ-водорода , рекомбинация свободных радикалов и таутомеризация с образованием оксима . [3] Селективность для δ-водорода является результатом конформации 6-членного радикального промежуточного соединения. Часто место отщепления атома водорода можно легко предсказать. Это позволяет регио- и стереоселективно вводить функциональность в сложные молекулы с высоким выходом. Благодаря своему уникальному в то время свойству изменять иным образом инертные субстраты, Бартон широко использовал эту реакцию в 1960-х годах для создания ряда неприродных аналогов стероидов. [4]

Хотя реакция Бартона не пользуется такой популярностью или широким распространением, как многие другие органические реакции, вместе с механически схожей реакцией Хофмана-Лёффлера она представляет собой один из первых примеров химии активации CH , области, которая в настоящее время является темой многих передовых исследований в промышленных и академических химических кругах. [5]

Получение алкилнитритов

Необычный алкилнитрит, исходный материал реакции Бартона, получают путем атаки спирта на катион нитрозилия, полученный in situ путем дегидратации дважды протонированной азотистой кислоты. [6] Эта серия стадий механически идентична первой половине механизма образования более известных арильных и алкилдиазониевых солей .

Хотя синтез алкилнитритов из нитрозилхлорида известен и часто применяется в контексте синтеза сложных молекул, реакция обратима, и продукты находятся в термодинамическом равновесии с исходным материалом. Кроме того, нитрозилхлорид является мощным окислителем, и наблюдалось окисление спиртов с сопутствующим хлорированием. [7] Реакция нитрозилхлорида с ароматическими спиртами обычно дает нитрозосоединения и другие продукты переокисления.

Механизм реакции и региоселективность

Реакция Бартона начинается с фотохимически индуцированного разрыва связи нитрит-ОН, обычно с использованием ртутной лампы высокого давления. [8] Это приводит к образованию алкилоксильного радикала, который немедленно отрывает атом водорода от δ-углерода. При отсутствии других источников радикалов или других проксимальных реакционноспособных групп алкильный радикал рекомбинирует с нитрозильным радикалом. Полученные нитрозосоединения подвергаются таутомеризации в изолированный оксимный продукт.

Радикал с углеродным центром может быть перехвачен другими источниками радикалов, такими как йод или акрилонитрил . В первом случае δ-водород заменяется йодом, затем следует циклизация в тетрагидрофуран по реакции SN2 . [9] Во втором примере получается продукт удлинения цепи с оксимом, образованным на 2 углеродных единицы дальше от кислорода, чем обычно. [10]

Эта механистическая гипотеза подтверждается экспериментами по кинетическому изотопному эффекту . [11] Изотопная маркировка нитрита с помощью 15N показала, что механизм не является «замкнутым», и что нитрозильный радикал, образованный из данного нитрита, рекомбинирует случайным образом с другими алкильными радикалами. Однако было показано, что рекомбинация нитрозильного радикала с алкоксильным радикалом (обратный гомолитический разрыв) происходит без перемешивания изотопных меток. [12] Это отсутствие тесного спаривания радикалов также подтверждается наблюдением, что алкильные радикалы, полученные в условиях Бартона, могут подвергаться радикальной циклизации, в то время как аналогичные промежуточные продукты, полученные в результате окисления тетраацетата свинца, не подвергаются. [13]

В редких случаях, по-видимому, алкоксильный радикал может эпимеризоваться до отрыва атома водорода. [14]

Чаще всего, включая стероидные системы, атом водорода отрывается от метильной группы, которая имеет 1,3-диаксиальную связь с алкоксильным радикалом. [15] При отсутствии водорода на δ-углероде или когда конкретная конформация субстрата ориентирует ε-углерод близко друг к другу, предпочтительным процессом является перенос 1,6-атома водорода. Однако эти реакции, как правило, на порядок медленнее, чем соответствующий перенос 1,5-атома водорода.

Вычислительные исследования показали, что это предпочтение переноса атома водорода 1,5 по сравнению с переносом атома водорода 1,6, по-видимому, обусловлено энтропийным преимуществом, а не является результатом определенного стабильного «креслоподобного» переходного состояния . [16] Фактически, было подсчитано, что перенос атома водорода 1,6 происходит через переход, который примерно на 0,8 ккал/моль ниже, чем у 1,5.

В ациклических системах δ-водородный отрыв все еще наблюдается, однако конкурирует с альфа-водородным отрывом с образованием соответствующего кетона. [17]

В некоторых случаях, особенно нитритов, полученных из циклопентиловых спиртов, кислород-центрированный радикал предпочитает реагировать через разрыв связи CC, а не через отрыв атома H. [9] Например, при воздействии условий Бартона циклопентилнитрит образует монооксим глутаральдегида. Это также наблюдается в случаях, когда промежуточный радикал, образованный фрагментацией, особенно стабилен, например, аллильный радикал, образованный фрагментацией нитрита изопулегола. [18]

Варианты

В жестких системах, таких как альдостерон, перенос 1,5-атома водорода происходит чрезвычайно быстро, с константой скорости порядка 10^7 с-1. Подобный межмолекулярный перенос атома H может быть до 100 раз медленнее. [19] Кроме того, перенос атома водорода выигрывает от образования более сильной связи OH за счет более слабой связи CH. Для образования первичного, второго или третичного алкильного радикала из алкоксильного радикала существует движущая сила 3 ​​ккал/моль, 5 ккал/моль и 9 ккал/моль соответственно. [15]

Алкильный радикал, образованный после переноса атома водорода, восприимчив к стандартным радикальным реакциям, когда поглотители присутствуют в достаточном избытке, чтобы вытеснить нитрозильный радикал. Вскоре после их первоначального раскрытия Бартон и его коллеги сообщили о захвате радикала с помощью I 2 и CCl 3 Br (в качестве источников радикалов йода и брома соответственно) с образованием δ-галогеноспирта. Эти виды галогенгидрина могут быть циклизованы в соответствующие производные тетрагидропирана в основных условиях. [20]

Большие избытки активированных алкенов могут быть использованы для перехвата алкильного радикала, что приводит к образованию связи CC из неактивированной связи CH. [21]

В присутствии кислорода алкильный радикал захватывается и образует органический пероксирадикал. Этот промежуточный продукт захватывается нитрозильным радикалом и затем изомеризуется, давая δ-нитратный эфир, который, будучи как кислотно-, так и щелочно-стабильным, может быть восстановлен до соответствующего спирта в мягких условиях. [22]

Применение в синтезе сложных молекул

Альдостерона ацетат

В публикации, непосредственно предшествующей первоначальному раскрытию методологии Бартоном в Журнале Американского химического общества , продемонстрирован синтез ацетата альдостерона . [23] Реакция ацетата кортикостерона с нитрозилхлоридом в сухом пиридине дает нитрит. Затем облучение в инертной атмосфере с последующей обработкой водным нитритом натрия селективно дает желаемый оксим. Затем оксим ацетилируют и гидролизуют, получая природный продукт полуацеталь .

Пергидрогистрионикотоксин

После короткого синтеза для получения желаемой спиро-[5.4] системы, лауреат Нобелевской премии Э. Дж. Кори и его коллеги использовали реакцию Бартона для селективного введения оксима в 1,3-диаксиальное положение в нитритный эфир. Оксим преобразуется в лактам посредством перегруппировки Бекмана , а затем восстанавливается до природного продукта. [24]

Реакция Бартона в синтезе пергидрогистрионикотоксина

Азадирадион

Кори снова использовал реакцию Бартона в синтезе Азадирадиона , члена семейства лимоноидов природных продуктов. В этом случае вместо нитрозилхлорида используется нитрозилсерная кислота . [25]

Реакция Бартона в синтезе азадирадиона

Производные аллобетулина

В процессе приготовления серии производных тритерпеноида аллобетулина Дехан и его коллеги наблюдали замечательную трансформацию, происходящую в результате двух последовательных переносов 1,5-атома водорода. Хотя продукт переноса одного 1,5-атома водорода также наблюдался, первое преобразование представляет собой формальный перенос 1,7-атома водорода на огромное расстояние. [26]

Формальный 1,7 Бартон в синтезе производных аллобетуллина

Ссылки

  1. ^ Бартон, Д. Х. Р.; Битон, Дж. М.; Геллер, Л. Е.; Пеше, М. М. (1960). «Новая фотохимическая реакция». Журнал Американского химического общества . 82 (10): 2640–2641. doi :10.1021/ja01495a061.
  2. ^ Бартон, Д. Х. Р.; Битон, Дж. М.; Геллер, Л. Э.; Пеше, М. М. (1961). «Новая фотохимическая реакция1». Журнал Американского химического общества . 83 (19): 4076–4083. doi :10.1021/ja01480a030.
  3. ^ IUPAC , Compendium of Chemical Terminology , 2nd ed. («Золотая книга») (1997). Онлайн-исправленная версия: (2006–) «Barton Reaction». doi :10.1351/goldbook.B00599
  4. ^ Nussbaum, AL; Yuan, EP; Robinson, CH; Mitchell, A.; Oliveto, EP; Beaton, JM; Barton, DHR (1962). «Фотолиз органических нитритов. VII. Фрагментация стероидной боковой цепи». Журнал органической химии . 27 : 20–23. doi :10.1021/jo01048a004.
  5. ^ Gutekunst, WR; Baran, PS (2011). «Логика функционализации C–H в общем синтезе». Chemical Society Reviews . 40 (4): 1976–91. doi :10.1039/c0cs00182a. PMID  21298176.
  6. ^ "N-бутилнитрит". Органические синтезы . 16 : 7. 1936. doi :10.15227/orgsyn.016.0007.
  7. ^ Бекхэм, Л. Дж.; Фесслер, ВА; Кисе, МА (1951). «Нитрозилхлорид». Chemical Reviews . 48 (3): 319–396. doi :10.1021/cr60151a001. PMID  24541207.
  8. ^ Сугимото, А.; Фукуяма, Т.; Сумино, И.; Такаги, М.; Рю, И. (2009). «Микропотоковая фоторадикальная реакция с использованием компактного источника света: применение к реакции Бартона, приводящей к ключевому промежуточному продукту для мирицеровой кислоты А». Тетраэдр . 65 (8): 1593–1598. doi :10.1016/j.tet.2008.12.063.
  9. ^ ab Ахтар, М.; Бартон, ДХР; Сэммс, П.Г. (1965). «Некоторые реакции радикального обмена во время фотолиза эфира нитрита». Журнал Американского химического общества . 87 (20): 4601–4607. doi :10.1021/ja00948a036.
  10. ^ Петрович, Г.; Чекович, З. (1997). «Свободнорадикальное алкилирование удаленного неактивированного δ-атома углерода». Tetrahedron Lett . 38 (4): 627–630. doi :10.1016/s0040-4039(96)02357-x.
  11. ^ Бартон, Д. Х. Р.; Гессе, Р. Х.; Пеше, М. М.; Смит, Л. К. (1979). «Механизм реакции Бартона». Журнал химического общества, Perkin Transactions 1 : 1159. doi :10.1039/P19790001159. hdl : 1893/35137 .
  12. ^ Ахтар, М.; Пеше, М. М. (1964). «Механизм реакции Бартона». Журнал Американского химического общества . 86 (2): 265–268. doi :10.1021/ja01056a035.
  13. ^ Чекович, Ẑ.; Илиев, Д. (1988). «Внутримолекулярная циклизация алкенильных радикалов, образующихся при переносе 1,5-водорода на алкоксирадикалы». Tetrahedron Letters . 29 (12): 1441–1444. doi :10.1016/S0040-4039(00)80319-6.
  14. ^ Никсон, А.; Махаджан, Дж.; МакГвайр, Ф. (1961). «Сообщения — эпимеризация при фотолизе нитритного эфира». Журнал органической химии . 26 (9): 3617–3618. doi :10.1021/jo01067a671.
  15. ^ ab Čeković, Ž. (2003). «Реакции радикалов δ-углерода, образующихся при переносе 1,5-водорода на алкоксильные радикалы». Tetrahedron . 59 (41): 8073–8090. doi :10.1016/S0040-4020(03)01202-X.
  16. ^ Дориго, AE; Маккаррик, MA; Лончарич, RJ; Хоук, KN (1990). «Переходные структуры для переноса атома водорода в кислород. Сравнение межмолекулярных и внутримолекулярных процессов, а также систем с открытой и закрытой оболочкой». Журнал Американского химического общества . 112 (21): 7508–7514. doi :10.1021/ja00177a009.
  17. ^ Ишмуратов, Г.Ю.; Харисов, Р.Ю.; Шаяхметова, АК; Боцман, Л.П.; Шитикова, О.В.; Толстиков, ГА (2005). «Озонолиз производных рициноловой кислоты и превращения продуктов озонолиза в условиях реакции Бартона». Химия природных соединений . 41 (6): 643–649. doi :10.1007/s10600-006-0003-z. S2CID  43171151.
  18. ^ Буллиард, М.; Балм, Г. В.; Гор, Дж. (1989). «Фрагментация изопулегола радикальным процессом». Tetrahedron Letters . 30 (17): 2213–2216. doi :10.1016/S0040-4039(00)99651-5.
  19. ^ Робертсон, Дж.; Пиллаи, Дж.; Лаш, Р.К. (2001). «Реакции радикальной транслокации в синтезе». Chemical Society Reviews . 30 (2): 94–103. doi :10.1039/b000705f.
  20. ^ Ахтар, М.; Бартон, Д. Х. Р.; Сэммс, П. Г. (1964). «Радикальный обмен во время фотолиза нитрита». Журнал Американского химического общества . 86 (16): 3394–3395. doi :10.1021/ja01070a039.
  21. ^ Петрович, Г.; Чекович, Ж. (1999). «Алкилирование удаленных неактивированных δ-углеродных атомов: добавление радикалов δ-углерода, образующихся при переносе 1,5-водорода в промежуточных алкоксирадикалах, к активированным олефинам». Тетраэдр . 55 (5): 1377–1390. doi :10.1016/S0040-4020(98)01110-7.
  22. ^ Аллен, Дж.; Боар, Р.Б.; Макги, Дж.Ф.; Бартон, Д.Х.Р. (1973). «Фотолиз нитрита в присутствии кислорода. Улучшенный синтез 32-оксигенированных ланостанов». Журнал химического общества, Perkin Transactions 1 : 2402. doi : 10.1039/P19730002402.
  23. ^ Бартон, Д. Х. Р.; Битон, Дж. М. (1960). «Синтез ацетата альдостерона». Журнал Американского химического общества . 82 (10): 2641. doi :10.1021/ja01495a062.
  24. ^ Corey, EJ (1975). "Простой полный синтез (+-)-пергидрогистрионикотоксина". Журнал Американского химического общества . 97 (2): 430–431. doi :10.1021/ja00835a039. PMID  1169269.
  25. ^ Corey, EJ; Hahl, RW (1989). «Синтез лимоноида, азадирадиона». Tetrahedron Letters . 30 (23): 3023–3026. doi :10.1016/S0040-4039(00)99392-4.
  26. ^ Дехаен, В.; Машенцева А.А.; Сейтембетов, Т.С. (2011). «Аллобетулин и его производные: синтез и биологическая активность». Молекулы . 16 (12): 2443–2466. дои : 10.3390/molecules16032443 . ПМК 6259842 . ПМИД  21403601.