Окисление Дакина (или реакция Дакина ) — это органическая окислительно-восстановительная реакция , в которой орто- или пара - гидроксилированный фенилальдегид ( 2-гидроксибензальдегид или 4 -гидроксибензальдегид ) или кетон реагирует с перекисью водорода (H 2 O 2 ) в основании с образованием бензолдиола и карбоксилата . В целом карбонильная группа окисляется, тогда как H 2 O 2 восстанавливается.
Окисление Дейкина, тесно связанное с окислением Байера-Виллигера , не следует путать с реакцией Дейкина-Уэста , хотя обе названы в честь Генри Драйсдейла Дейкина .
Окисление Дакина начинается с ( 1 ) нуклеофильного присоединения гидропероксидного иона к карбонильному углероду , образуя ( 2 ) тетраэдрический промежуточный продукт . Промежуточный продукт разрушается, вызывая миграцию [1,2] -арила , элиминирование гидроксида и образование ( 3 ) фенилового эфира . Фениловый эфир впоследствии гидролизуется : нуклеофильное присоединение гидроксидного иона из раствора к карбонильному углероду эфира образует ( 4 ) второй тетраэдрический промежуточный продукт, который разрушается, удаляя ( 5 ) феноксидный ион и образуя карбоновую кислоту . Наконец, феноксид извлекает кислотный водород из карбоновой кислоты, давая ( 6 ) собранные продукты. [1] [2] [3]
Окисление Дакина имеет два этапа, ограничивающих скорость : нуклеофильное присоединение гидропероксида к карбонильному углероду и миграция [1,2]-арила. [2] Таким образом, общая скорость окисления зависит от нуклеофильности гидропероксида, электрофильности карбонильного углерода и скорости миграции [1,2]-арила. Алкильные заместители на карбонильном углероде, относительное положение гидроксильных и карбонильных групп на арильном кольце, наличие других функциональных групп на кольце и pH реакционной смеси являются четырьмя факторами, которые влияют на эти этапы, ограничивающие скорость.
В целом, фенилальдегиды более реакционноспособны, чем фенилкетоны, поскольку карбонильный углерод кетона менее электрофилен, чем карбонильный углерод альдегида. [1] Разницу можно смягчить, увеличив температуру реакционной смеси. [4]
О -гидроксифенилальдегиды и кетоны окисляются быстрее, чем п -гидроксифенилальдегиды и кетоны в слабощелочных условиях. В о -гидроксисоединениях, когда гидроксильная группа протонирована , может образовываться внутримолекулярная водородная связь между гидроксильным водородом и карбонильным кислородом , стабилизируя резонансную структуру с положительным зарядом на карбонильной группе углерода, тем самым увеличивая электрофильность карбонильного углерода ( 7 ). При отсутствии этой стабилизации карбонильный углерод п -гидроксисоединений менее электрофилен. Поэтому о -гидроксисоединения окисляются быстрее, чем п -гидроксисоединения, когда гидроксильная группа протонирована. [2]
M -гидроксисоединения не окисляются до m -бензолдиолов и карбоксилатов. Вместо этого они образуют фенилкарбоновые кислоты. [1] [2] Это можно объяснить изменениями в миграционных способностях арильных колец. Гидроксильные группы в орто- или пара-положении по отношению к карбонильной группе концентрируют электронную плотность на арильном углероде, связанном с карбонильным углеродом ( 10c , 11d ). Фенильные группы имеют низкую миграционную способность, но более высокая электронная плотность на мигрирующем углероде увеличивает миграционную способность, облегчая миграцию [1,2]-арила и позволяя реакции продолжаться. M -гидроксисоединения не концентрируют электронную плотность на мигрирующем углероде ( 12a , 12b , 12c , 12d ); миграционная способность их арильных групп остается низкой. Бензильный водород, имеющий наибольшую миграционную способность, вместо этого мигрирует ( 8 ) , образуя фенилкарбоновую кислоту ( 9 ).
Замена фенильных водородов электронодонорными группами в орто- или пара-положении к карбонильной группе увеличивает электронную плотность на мигрирующем углероде, способствует миграции [1,2]-арила и ускоряет окисление. Замена электронодонорными группами в мета-положении к карбонильной группе не изменяет электронную плотность на мигрирующем углероде; поскольку миграционная способность незамещенной фенильной группы низкая, преобладает миграция водорода. Замена электроноакцепторными группами в орто- или пара-положении к карбонилу снижает электронную плотность на мигрирующем углероде ( 13c ), ингибирует миграцию [1,2]-арила и способствует миграции водорода. [1]
Гидропероксидный анион является более реактивным нуклеофилом, чем нейтральный пероксид водорода. Следовательно, окисление ускоряется по мере увеличения pH в сторону pK a пероксида водорода и повышения концентрации гидропероксида. Однако при pH выше 13,5 окисление не происходит, возможно, из-за депротонирования второго пероксидного кислорода. Депротонирование второго пероксидного кислорода предотвратит миграцию [1,2]-арила, поскольку одинокий оксидный анион слишком основный, чтобы его можно было устранить ( 2 ). [2]
Депротонирование гидроксильной группы увеличивает электронное донорство от гидроксильного кислорода. Когда гидроксильная группа находится в орто- или пара-положении по отношению к карбонильной группе, депротонирование увеличивает электронную плотность на мигрирующем углероде, способствуя более быстрой миграции [1,2]-арила. Следовательно, миграция [1,2]-арила облегчается диапазоном pH, который благоприятствует депротонированной гидроксильной группе по сравнению с протонированной. [2]
Окисление Дакина может происходить и в слабокислых условиях, с механизмом, аналогичным механизму, катализируемому основанием. В метаноле , перекиси водорода и каталитической серной кислоте карбонильный кислород протонируется ( 14 ), после чего перекись водорода присоединяется в качестве нуклеофила к карбонильному углероду, образуя тетраэдрический промежуточный продукт ( 15 ). После внутримолекулярного переноса протона ( 16 , 17 ) тетраэдрический промежуточный продукт разрушается, происходит миграция [1,2]-арила, и вода удаляется ( 18 ). Нуклеофильное присоединение метанола к карбонильному углероду образует еще один тетраэдрический промежуточный продукт ( 19 ). После второго внутримолекулярного переноса протона ( 20 , 21 ) тетраэдрический промежуточный продукт разрушается, удаляя фенол и образуя эфир, протонированный у карбонильного кислорода ( 22 ). Наконец, депротонирование карбонильного кислорода дает собранные продукты и регенерирует кислотный катализатор ( 23 ). [5]
Добавление борной кислоты в кислотно-катализируемую реакционную смесь увеличивает выход фенольного продукта по сравнению с фенилкарбоновой кислотой, даже при использовании фенилальдегидных или кетоновых реагентов с электронно-донорными группами в мета-положении к карбонильной группе или электронно-акцепторными группами в орто- или пара- положении к карбонильной группе. Борная кислота и перекись водорода образуют комплекс в растворе, который после добавления к карбонильной группе углерода благоприятствует миграции арила по сравнению с миграцией водорода, максимизируя выход фенола и снижая выход фенилкарбоновой кислоты. [6]
Использование ионного жидкого растворителя с каталитическим метилтриоксорением (МТО) значительно ускоряет окисление Дакина. МТО образует комплекс с перекисью водорода, что увеличивает скорость присоединения перекиси водорода к карбонильному углероду. Однако МТО не изменяет относительные выходы продуктов фенола и фенилкарбоновой кислоты. [7]
Смешивание мочевины и перекиси водорода дает комплекс мочевины и перекиси водорода ( UHC ). Добавление сухого UHC к фенилальдегиду или кетону без растворителя также ускоряет окисление Dakin. Как и MTO, UHP увеличивает скорость нуклеофильного присоединения перекиси водорода. Но в отличие от варианта, катализируемого MTO, вариант, катализируемый мочевиной, не производит потенциально токсичных отходов тяжелых металлов ; он также применялся для синтеза оксидов аминов, таких как пиридин- N -оксид . [4]
Окисление Дакина чаще всего используется для синтеза бензолдиолов [8] и алкоксифенолов. [1] [9] Катехол , например, синтезируется из о -гидрокси и о -алкокси фенилальдегидов и кетонов [8] и используется в качестве исходного материала для синтеза нескольких соединений, включая катехоламины [ 10] производные катехоламинов и 4- трет -бутилкатехин , распространенный антиоксидант и ингибитор полимеризации. Другие синтетически полезные продукты окисления Дакина включают гваякол , предшественник нескольких ароматизаторов; гидрохинон , распространенный проявляющий агент для фотографий; и 2- трет- бутил-4-гидроксианизол и 3- трет -бутил-4-гидроксианизол, два антиоксиданта, обычно используемые для консервирования упакованных продуктов питания. [7] Кроме того, окисление Дакина полезно в синтезе индолохинонов , природных соединений, которые проявляют высокую антибиотическую, противогрибковую и противоопухолевую активность. [11]