В органической химии умполунг ( нем . [ˈʔʊmˌpoːlʊŋ] ) или инверсия полярности — это химическая модификация функциональной группы с целью изменения полярности этой группы. [1] [2] Эта модификация допускает вторичные реакции этой функциональной группы, которые в противном случае были бы невозможны. [3] Концепция была введена Д. Зеебахом (отсюда и немецкое слово umpolung , обозначающее обратную полярность) и Э. Дж. Кори . Анализ полярности во время ретросинтетического анализа сообщает химику, когда для синтеза целевой молекулы необходима тактика умполунга.
Подавляющее большинство важных органических молекул содержат гетероатомы, которые поляризуют углеродные скелеты в силу своей электроотрицательности. Поэтому в стандартных органических реакциях большинство новых связей образуется между атомами противоположной полярности. Это можно считать «нормальным» режимом реактивности.
Одним из следствий этой естественной поляризации молекул является то, что замещенные углеродные скелеты с 1,3- и 1,5-гетероатомами чрезвычайно легко синтезировать ( реакция Альдоля , конденсация Кляйзена , реакция Михаэля , перегруппировка Кляйзена , реакция Дильса-Альдера ), тогда как 1, Паттерны замещения 2-, 1,4- и 1,6-гетероатомов труднее обнаружить с помощью «нормальной» реакционной способности. Поэтому важно понять и разработать методы индукции умполунга в органических реакциях.
Самый простой способ получить закономерности замещения 1,2-, 1,4- и 1,6-гетероатомов — начать с них. Биохимические и промышленные процессы могут обеспечить недорогие источники химических веществ, которые обычно имеют недоступные схемы замещения. Например, аминокислоты, щавелевая кислота, янтарная кислота, адипиновая кислота, винная кислота и глюкоза встречаются в изобилии и обеспечивают нестандартные закономерности замещения.
Канонический реагент умполунга — это цианид-ион . Цианид-ион необычен тем, что ожидается, что углерод, тройно связанный с азотом, будет иметь (+) полярность из-за более высокой электроотрицательности атома азота. Однако отрицательный заряд цианид-иона локализован на углероде, что придает ему (-) формальный заряд. Эта химическая амбивалентность приводит к умполунгу во многих реакциях, в которых участвует цианид.
Например, цианид является ключевым катализатором конденсации бензоина , классического примера инверсии полярности.
Конечным результатом бензоиновой реакции является образование связи между двумя атомами углерода, которые обычно являются электрофилами.
N-гетероциклические карбены по реакционной способности подобны цианиду. Как и цианид, они обладают необычной химической амбивалентностью, что позволяет им вызывать умполунг в реакциях, в которых они участвуют. Карбен имеет шесть электронов — по два в одинарных связях углерод-азот, два на его sp 2 -гибридной орбитали и пустую р-орбиталь. Неподеленная пара sp 2 действует как донор электронов, тогда как пустая p-орбиталь способна действовать как акцептор электронов.
В этом примере β-углерод α,β-ненасыщенного эфира 1 формально действует как нуклеофил [4] , тогда как обычно ожидается, что он будет акцептором Михаэля .
Этот карбен реагирует с α,β-ненасыщенным эфиром 1 в β-положении, образуя промежуточный енолят 2 . За счет таутомеризации 2b может сместить концевой атом брома на 3 . Реакция элиминирования регенерирует карбен и высвобождает продукт 4 .
Для сравнения: в реакции Бейлиса-Хиллмана тот же электрофильный β-атом углерода подвергается атаке реагента, что приводит к активации α-положения енона как нуклеофила.
В биологических процессах можно использовать цианидоподобную реакционную способность умполунга, не полагаясь на токсичный ион цианида. Пирофосфат тиамина (который сам по себе является N-гетероциклическим карбеном ) (TPP) выполняет функционально идентичную роль. Тиазолиевое кольцо в TPP депротонируется внутри гидрофобного ядра фермента [5] , в результате чего образуется карбен, способный к умполунгу.
Ферменты, которые используют TPP в качестве кофактора, могут катализировать реакционную способность умполунга, например декарбоксилирование пирувата.
В отсутствие TPP декарбоксилирование пирувата привело бы к размещению отрицательного заряда на карбонильном углероде, что противоречило бы нормальной поляризации двойной связи углерод-кислород.
Трехчленные кольца представляют собой напряженные фрагменты в органической химии. Когда 3-членное кольцо содержит гетероатом, например, в эпоксиде или в промежуточном соединении бромония , три атома в кольце становятся поляризованными. Невозможно приписать полярность (+) и (-) трехчленному кольцу, не имея двух соседних атомов с одинаковой полярностью. Следовательно, всякий раз, когда нуклеофил открывает поляризованное трехчленное кольцо, неизбежно возникает умполунг. [ нужна цитация ] Например, открытие оксида этилена гидроксидом приводит к образованию этиленгликоля .
Химия дитиана — классический пример инверсии полярности. Это можно наблюдать в реакции Кори-Зибаха .
Обычно атом кислорода в карбонильной группе более электроотрицательен , чем атом углерода, и поэтому карбонильная группа реагирует как электрофил по отношению к углероду. Эта полярность может быть изменена, когда карбонильная группа превращается в дитиан или тиоацеталь . В синтонной терминологии обычная карбонильная группа представляет собой ацильный катион , а дитиан — замаскированный ациловый анион .
Когда дитиан получается из альдегида , такого как ацетальдегид, ацильный протон может быть оторван н -бутиллитием в ТГФ при низких температурах. Образовавшийся таким образом 2-литио-1,3-дитиан реагирует как нуклеофил при нуклеофильном замещении с алкилгалогенидами , такими как бензилбромид , с другими карбонильными соединениями, такими как циклогексанон , или оксиранами , такими как фенилэпоксиэтан, как показано ниже. После гидролиза дитиановой группы конечными продуктами реакции являются α-алкилкетоны или α-гидроксикетоны . Обычным реагентом для гидролиза дитиана является (бис (трифторацетокси) иод) бензол .
Химия дитиана открывает путь ко многим новым химическим превращениям. Один из примеров можно найти в так называемой химии анионного реле , в которой отрицательный заряд анионной функциональной группы, возникающий в результате одной органической реакции, переносится в другое место внутри того же углеродного каркаса и становится доступным для вторичной реакции. [6] В этом примере многокомпонентной реакции как формальдегид ( 1 ), так и изопропилальдегид ( 8 ) превращаются в дитианы 3 и 9 с помощью 1,3-пропандитиола . Сульфид 3 сначала силилируют по реакции с трет -бутиллитием , а затем с триметилсилилхлоридом 4 , затем удаляют второй ацильный протон и вводят в реакцию с оптически активным (-)- эпихлоргидрином 6 , замещающим хлор. Это соединение служит субстратом для реакции с другим дитианом 9 с образованием продукта 10 раскрытия оксиранового кольца . Под влиянием полярного основания HMPA 10 перегруппировывается в перегруппировку 1,4-Брука в силиловый эфир 11 , реактивируя дитиановую группу формальдегида в виде аниона (отсюда и концепция анионного реле). Эта дитиановая группа реагирует с оксираном 12 с образованием спирта 13 и на заключительной стадии сульфидные группы удаляются с помощью (бис(трифторацетокси)иод)бензола .
Тактика химии анионного эстафета элегантно применялась при полном синтезе сложных молекул со значительной биологической активностью, таких как спонгистатин 2 [7] и манделалид А. [8] [9]
Можно образовать связь между двумя атомами углерода (-) полярности, используя окислитель, например йод . В этом полном синтезе энтеролактона [ 10] 1,4-заместители кислорода собираются путем окислительного гомосочетания енолята карбоксилата с использованием йода в качестве окислителя.
Обычно атом азота в аминогруппе реагирует как нуклеофил через свою неподеленную пару . Эта полярность может быть изменена на противоположную, когда первичный или вторичный амин замещается хорошей уходящей группой (такой как атом галогена или алкоксигруппа ). Образующееся N-замещенное соединение может вести себя как электрофил по атому азота и реагировать с нуклеофилом , как, например, при электрофильном аминировании карбанионов . [11]
Недавно различные карбонилы были превращены в заменители металлорганических реагентов посредством умполунга гидразона C.-J. Ли и др. В присутствии катализатора, подобно металлоорганическим реагентам, гидразоны могут подвергаться нуклеофильному присоединению, конъюгатному присоединению и катализируемому переходными металлами кросс-сочетанию с различными электрофилами с образованием новых CC-связей. [12]
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )