В органической химии карбанион — это анион , в котором углерод заряжен отрицательно. [1] [ проверка не пройдена ]
Формально карбанион — это сопряженное основание угольной кислоты :
где B обозначает основание . Карбанионы, образующиеся при депротонировании алканов ( при sp 3 углероде ), алкенов (при sp 2 углероде), аренов (при sp 2 углероде) и алкинов (при sp углероде), известны как алкильные , алкенильные ( винильные ), арильные и алкинильные ( ацетилидные ) анионы соответственно.
Карбанионы имеют концентрацию электронной плотности на отрицательно заряженном углероде, который в большинстве случаев эффективно реагирует с различными электрофилами различной силы, включая карбонильные группы , соли иминов / иминия , галогенирующие реагенты (например, N -бромсукцинимид и дииод ) и доноры протонов . Карбанион является одним из нескольких реакционноспособных промежуточных продуктов в органической химии . В органическом синтезе литийорганические реагенты и реактивы Гриньяра обычно рассматриваются и называются «карбанионами». Это удобное приближение, хотя эти виды обычно представляют собой кластеры или комплексы, содержащие высокополярные, но все же ковалентные связи металл–углерод (M δ+ –C δ− ), а не истинные карбанионы.
При отсутствии π-делокализации отрицательный заряд карбаниона локализуется на sp x -гибридизованной орбитали на углероде в качестве неподеленной пары . Как следствие, локализованные алкильные, алкенильные/арильные и алкинильные карбанионы принимают тригонально-пирамидальную, изогнутую и линейную геометрии соответственно. По правилу Бента размещение электронов карбанионной неподеленной пары на орбитали со значительным s-характером благоприятно, что объясняет пирамидальную и изогнутую геометрии алкильных и алкенильных карбанионов соответственно. Теория отталкивания электронных пар валентной оболочки (VSEPR) делает похожие предсказания. Это контрастирует с карбокатионами, которые отдают предпочтение незанятым несвязывающим орбиталям чисто атомного p-характера, что приводит к плоской и линейной геометрии соответственно для алкильных и алкенильных карбанионов.
Однако делокализованные карбанионы могут отклоняться от этих геометрий. Вместо того, чтобы находиться на гибридной орбитали, карбанионная неподеленная пара может вместо этого занимать ap-орбиталь (или орбиталь с высоким p-характером). P-орбиталь имеет более подходящую форму и ориентацию для перекрытия с соседней π-системой, что приводит к более эффективной делокализации заряда. Как следствие, алкилкарбанионы с соседними конъюгирующими группами (например, аллильные анионы, еноляты, нитронаты и т. д.) обычно являются плоскими, а не пирамидальными. Аналогично, делокализованные алкенильные карбанионы иногда предпочитают линейную, а не изогнутую геометрию. Чаще всего изогнутая геометрия по-прежнему предпочтительна для замещенных алкенильных анионов, хотя линейная геометрия лишь немного менее стабильна, что приводит к легкому равновесию между изомерами ( E ) и ( Z ) (изогнутого) аниона через линейное переходное состояние . [2] Например, расчеты показывают, что исходный винильный анион или этиленид, H 2 C=CH − , имеет инверсионный барьер 27 ккал/моль (110 кДж/моль), в то время как алленильный анион или алленид, H 2 C=C=CH − ↔ H 2 C − −C≡CH ), отрицательный заряд которого стабилизирован делокализацией, имеет инверсионный барьер всего 4 ккал/моль (17 кДж/моль), что отражает стабилизацию линейного переходного состояния за счет лучшей π-делокализации. [3]
Карбанионы обычно нуклеофильны и основны. Основность и нуклеофильность карбанионов определяются заместителями на углероде. К ним относятся
Геометрия также влияет на орбитальную гибридизацию карбаниона, несущего заряд. Чем больше s-характер атома, несущего заряд, тем стабильнее анион.
Карбанионы, особенно полученные из слабых карбоновых кислот, которые не получают достаточной выгоды от двух стабилизирующих факторов, перечисленных выше, как правило, чувствительны к кислороду и воде в разной степени. В то время как некоторые просто деградируют и разлагаются в течение нескольких недель или месяцев при воздействии воздуха, другие могут бурно и экзотермически реагировать с воздухом почти сразу, чтобы спонтанно воспламениться ( пирофорность ). Среди часто встречающихся в лаборатории карбанионных реагентов ионные соли цианистого водорода ( цианиды ) необычны тем, что они бесконечно стабильны в сухом воздухе и гидролизуются только очень медленно в присутствии влаги.
Металлоорганические реагенты, такие как бутиллитий (гексамерный кластер, [BuLi] 6 ) или метилмагнийбромид (эфирный комплекс, MeMg(Br)(OEt 2 ) 2 ), часто называют «карбанионами», по крайней мере в ретросинтетическом смысле. Однако на самом деле они представляют собой кластеры или комплексы, содержащие полярную ковалентную связь, хотя и с электронной плотностью, сильно поляризованной по направлению к атому углерода. Чем более электроположителен присоединенный атом металла, тем ближе поведение реагента к поведению настоящего карбаниона.
Фактически, истинные карбанионы (т.е. виды, не присоединенные к стабилизирующему ковалентно связанному металлу) без электроноакцепторных и/или конъюгирующих заместителей недоступны в конденсированной фазе, и эти виды должны изучаться в газовой фазе. Некоторое время не было известно, могут ли простые алкильные анионы существовать в качестве свободных видов; многие теоретические исследования предсказывали, что даже метанид - анион CH−3должен быть несвязанным видом (т.е., сродство к электрону •CH 3 было предсказано как отрицательное). Такой вид немедленно распадался бы путем спонтанного выброса электрона и, следовательно, был бы слишком мимолетным, чтобы его можно было наблюдать непосредственно с помощью масс-спектрометрии. [4] Однако в 1978 году метанид-анион был однозначно синтезирован путем воздействия на кетен электрического разряда, а сродство к электрону (EA) •CH 3 было определено с помощью фотоэлектронной спектроскопии как +1,8 ккал/моль, что делает его связанным видом, но едва ли. Структура CH−3было обнаружено, что он является пирамидальным (C 3v ) с углом H−C−H 108° и барьером инверсии 1,3 ккал/моль, в то время как •CH 3 было определено как плоское ( точечная группа D 3h ). [5]
Простые первичные, вторичные и третичные sp 3 карбанионы (например, этанид CH 3 CH−2, изопропанид (CH 3 ) 2 CH − и t -бутанид (CH 3 ) 3 C − впоследствии были определены как несвязанные виды (EAs CH 3 CH 2 • , (CH 3 ) 2 CH• , (CH 3 ) 3 C• составляют −6, −7,4, −3,6 ккал/моль соответственно), что указывает на то, что α-замещение является дестабилизирующим. Однако относительно скромные стабилизирующие эффекты могут сделать их связанными. Например, циклопропиловые и кубильные анионы связаны из-за повышенного s-характера орбитали неподеленной пары, в то время как неопентильные и фенетильные анионы также связаны в результате отрицательной гиперконъюгации неподеленной пары с β-заместителем (n C → σ* C–C ). То же самое справедливо для анионов с бензильной и аллильной стабилизацией. Газофазные карбанионы, которые sp 2 и sp гибридизированы, гораздо сильнее стабилизированы и часто получаются непосредственно путем газофазного депротонирования. [6]
В конденсированной фазе только карбанионы, которые достаточно стабилизированы делокализацией, были выделены как истинно ионные виды. В 1984 году Олмстед и Пауэр представили соль литий- краун-эфира трифенилметанид-карбаниона из трифенилметана , н -бутиллития и 12-краун-4 (который образует стабильный комплекс с катионами лития) при низких температурах: [7]
Добавление н -бутиллития к трифенилметану (p K a в ДМСО CHPh 3 = 30,6) в ТГФ при низких температурах с последующим добавлением 12-краун-4 приводит к образованию красного раствора, а солевой комплекс [Li(12-краун-4)] + [CPh 3 ] − выпадает в осадок при −20 °C. Центральные длины связей C–C составляют 145 пм, а фенильное кольцо пропеллерировано под средним углом 31,2°. Эта форма пропеллера менее выражена с противоионом тетраметиламмония. Также была получена кристаллическая структура для аналогичного аниона дифенилметанида ([Li(12-краун-4)] + [CHPh 2 ] − ), полученного из дифенилметана (p K a в ДМСО CH 2 Ph 2 = 32,3). Однако попытка выделения комплекса бензильного аниона PhCH−2из толуола (p K a в ДМСО CH 3 Ph ≈ 43) не увенчалась успехом из-за быстрой реакции образовавшегося аниона с растворителем ТГФ. [8] Свободный бензил-анион также был получен в фазе раствора путем импульсного радиолиза дибензилртути. [9]
В начале 1904 [10] и 1917 [11] Шленк приготовил две соли красного цвета, сформулированные как [NMe 4 ] + [CPh 3 ] − и [NMe 4 ] + [PhCH 2 ] − , соответственно, путем метатезиса соответствующего натрийорганического реагента с тетраметиламмонийхлоридом. Поскольку катионы тетраметиламмония не могут образовывать химическую связь с карбанионным центром, считается, что эти виды содержат свободные карбанионы. В то время как структура первого была подтверждена рентгеновской кристаллографией почти столетие спустя, [12] нестабильность последнего до сих пор исключала структурную проверку. Сообщалось, что реакция предполагаемого « [NMe 4 ] + [PhCH 2 ] − » с водой высвобождала толуол и гидроксид тетраметиламмония и дает косвенные доказательства заявленной формулы.
Одним из инструментов для обнаружения карбанионов в растворе является протонный ЯМР . [13] Спектр циклопентадиена в ДМСО показывает четыре винильных протона при 6,5 ppm и два протона метиленового мостика при 3 ppm, тогда как циклопентадиенильный анион имеет один резонанс при 5,50 ppm. Использование 6 Li и 7 Li ЯМР предоставило структурные и реактивные данные для различных видов литийорганических соединений .
Любое соединение, содержащее водород, в принципе может подвергаться депротонированию с образованием сопряженного основания. Соединение является углеродной кислотой, если депротонирование приводит к потере протона атомом углерода. По сравнению с соединениями, которые обычно считаются кислотами (например, минеральными кислотами, такими как азотная кислота , или карбоновыми кислотами, такими как уксусная кислота ), углеродные кислоты обычно на много порядков слабее, хотя существуют исключения (см. ниже). Например, бензол не является кислотой в классическом смысле Аррениуса , поскольку его водные растворы нейтральны. Тем не менее, это очень слабая кислота Бренстеда с расчетным p K a 49, которая может подвергаться депротонированию в присутствии супероснования, такого как основание Лохмана-Шлоссера ( н -бутиллитий и t -бутоксид калия ). Как сопряженные пары кислота-основание, факторы, определяющие относительную стабильность карбанионов, также определяют упорядочение значений p K a соответствующих углеродных кислот. Кроме того, значения p K a позволяют предсказать, будет ли процесс переноса протона термодинамически выгодным: для того чтобы депротонирование кислотного вида HA основанием B − было термодинамически выгодным ( K > 1), должно соблюдаться соотношение p K a (BH) > p K a (AH).
Эти значения ниже являются значениями p K a , определенными в диметилсульфоксиде (ДМСО), который имеет более широкий полезный диапазон (~0 до ~35), чем значения, определенные в воде (~0 до ~14), и лучше отражает основность карбанионов в типичных органических растворителях. Значения ниже 0 или выше 35 оцениваются косвенно; следовательно, численная точность этих значений ограничена. Водные значения p K a также часто встречаются в литературе, особенно в контексте биохимии и энзимологии. Более того, водные значения часто приводятся во вводных учебниках по органической химии по педагогическим причинам, хотя вопрос зависимости от растворителя часто замалчивается. [14] В целом, значения p K a в воде и органическом растворителе значительно расходятся, когда анион способен образовывать водородные связи. Например, в случае воды значения резко различаются: p K a в воде воды составляет 14,0, [15] тогда как p K a в ДМСО воды составляет 31,4, [16] что отражает различную способность воды и ДМСО стабилизировать гидроксид- анион. С другой стороны, для циклопентадиена числовые значения сопоставимы: p K a в воде составляет 15, тогда как p K a в ДМСО составляет 18. [16]
Как показывают приведенные выше примеры, кислотность увеличивается (p K a уменьшается), когда отрицательный заряд делокализован. Этот эффект возникает, когда заместители на карбанионе ненасыщенные и/или электроотрицательные. Хотя углеродные кислоты обычно считаются кислотами, которые намного слабее «классических» кислот Бренстеда, таких как уксусная кислота или фенол, кумулятивный (аддитивный) эффект нескольких заместителей, принимающих электроны, может привести к кислотам, которые являются такими же сильными или более сильными, чем неорганические минеральные кислоты. Например, тринитрометан HC(NO 2 ) 3 , трицианометан HC(CN) 3 , пентацианоциклопентадиен C 5 (CN) 5 H и фульминовая кислота HCNO являются сильными кислотами с водными значениями p K a , которые указывают на полный или почти полный перенос протона в воду. Трифлидовая кислота с тремя сильно электроноакцепторными трифлильными группами имеет расчетный p K a значительно ниже −10. На другом конце шкалы предполагается, что углеводороды, содержащие только алкильные группы, имеют значения pKa в диапазоне от 55 до 65. Таким образом, диапазон констант кислотной диссоциации для карбоновых кислот охватывает более 70 порядков величины.
Кислотность α-водорода в карбонильных соединениях позволяет этим соединениям участвовать в синтетически важных реакциях образования связей C–C, включая альдольную реакцию и реакцию присоединения Михаэля .
С молекулярной геометрией для карбаниона, описанной как тригональная пирамида, вопрос заключается в том, могут ли карбанионы проявлять хиральность , потому что если активационный барьер для инверсии этой геометрии слишком низок, любая попытка введения хиральности закончится рацемизацией , аналогичной инверсии азота . Однако существуют веские доказательства того, что карбанионы действительно могут быть хиральными, например, в исследованиях, проведенных с некоторыми литийорганическими соединениями.
Первые доказательства существования хиральных литийорганических соединений были получены в 1950 году. Реакция хирального 2-иодооктана с s -бутиллитием в петролейном эфире при температуре −70 °C с последующей реакцией с сухим льдом дала в основном рацемическую 2-метилмасляную кислоту , а также некоторое количество оптически активной 2-метилоктановой кислоты, которая могла образоваться только из столь же оптически активного 2-метилгептиллития с атомом углерода, связанным с литием в виде карбаниона: [23]
При нагревании реакции до 0 °C оптическая активность теряется. Дополнительные доказательства последовали в 1960-х годах. Реакция цис- изомера 2-метилциклопропилбромида с s -бутиллитием, снова сопровождаемая карбоксилированием сухим льдом, дала цис -2-метилциклопропилкарбоновую кислоту. Образование транс -изомера указывало бы на то, что промежуточный карбанион нестабилен. [24]
Аналогичным образом реакция (+)-( S ) -l -бром- l -метил-2,2-дифенилциклопропана с н -бутиллитием с последующим гашением метанолом привела к продукту с сохранением конфигурации : [25]
Недавно были получены хиральные соединения метиллития: [26]
Фосфат 1 содержит хиральную группу с водородом и заместителем дейтерия . Станнильная группа заменяется литием в промежуточном соединении 2 , которое подвергается фосфатно-фосфорановой перегруппировке в фосфоран 3 , который при реакции с уксусной кислотой дает спирт 4. И снова в диапазоне от −78 °C до 0 °C хиральность сохраняется в этой последовательности реакций. ( Энантиоселективность была определена методом ЯМР-спектроскопии после дериватизации кислотой Мошера .)
Карбанионная структура впервые появилась в механизме реакции конденсации бензоина , как было правильно предложено Кларком и Артуром Лэпвортом в 1907 году. [27] В 1904 году Вильгельм Шленк приготовил [Ph 3 C] − [NMe 4 ] + в поисках тетраметиламмония (из хлорида тетраметиламмония и Ph 3 CNa ) [10] , а в 1914 году он продемонстрировал, как триарилметильные радикалы могут быть восстановлены до карбанионов щелочными металлами [28] Термин карбанион был введен Уоллисом и Адамсом в 1933 году как отрицательно заряженный аналог иона карбония [29] [30]