Медноорганическая химия

Соединение со связями углерода и меди

Димер эфирата дифенилкупрата лития из кристаллической структуры

Скелетная формула димера эфирата дифенилкупрата лития

Химия органической меди — это изучение физических свойств, реакций и синтеза медьорганических соединений , которые представляют собой металлоорганические соединения, содержащие химическую связь углерода с медью . ^{[1] [2] [3]} Они являются реагентами в органической химии .

Первое органомедное соединение, взрывоопасный ацетилид меди(I) _Cu2C2 ( Cu −C≡C−Cu ), было синтезировано Рудольфом Христианом Бёттгером в 1859 году путем пропускания ацетиленового газа через раствор хлорида меди(I) _: ^[4]

C ₂ H ₂ + 2 CuCl → Cu ₂ C ₂ + 2 HCl

Структура и связь

Медноорганические соединения разнообразны по структуре и реакционной способности, но почти все они основаны на меди со степенью окисления +1, иногда обозначаемой как Cu(I) или Cu ⁺ . С 10 электронами в валентной оболочке поведение связи Cu(I) похоже на Ni(0), но из-за своей более высокой степени окисления он в меньшей степени участвует в образовании пи-связей . Органические производные меди с более высокими степенями окисления +2 и +3 иногда встречаются в качестве промежуточных продуктов реакции , но редко выделяются или даже наблюдаются.

Медьорганические соединения образуют комплексы с различными мягкими лигандами , такими как алкилфосфины ( R ₃ P ), тиоэфиры ( R ₂ S ) и цианиды ( CN ⁻ ).

Благодаря сферической электронной оболочке Cu ⁺ комплексы меди(I) имеют симметричные структуры — линейные, тригонально-плоские или тетраэдрические , в зависимости от числа лигандов.

Простые комплексы с лигандами CO, алкеном и Cp

Соли меди(I) давно известны тем, что связывают CO, хотя и слабо. Представительным комплексом является CuCl(CO), который является полимерным. В отличие от классических карбонилов металлов, пи-связь в этих соединениях не является сильной. ^[5]

Часть каркаса CuCl(CO). В этом координационном полимере центры Cu тетраэдрически связаны тройными мостиковыми хлоридными лигандами.

Алкены связываются с медью(I), хотя опять же, как правило, слабо. Связывание этилена с Cu в белках имеет широкое значение в биологии растений, настолько, что этилен классифицируется как растительный гормон . Его присутствие, обнаруживаемое Cu-белком, влияет на созревание и многие другие процессы. ^[6]

Хотя медь не образует металлоцен , могут быть получены полусэндвичевые комплексы. Одним из таких производных является π-циклопентадиенил(триэтилфосфин)медь(I). ^[7]

Алкил и арильные соединения меди

Алкильные и арильные соединения меди(I)

Галогениды меди реагируют с литийорганическими реагентами, образуя медьорганические соединения. Пионером в этой области был Генри Гилман , который сообщил о метилмеди в 1936 году. Таким образом, фенилмедь получают реакцией фениллития с бромидом меди (I) в диэтиловом эфире . Реактивы Гриньяра можно использовать вместо литийорганических соединений. Гилман также исследовал диалкилкупраты. Они получаются путем объединения двух эквивалентов RLi с солями Cu (I). В качестве альтернативы эти купраты получают из олигомерных нейтральных медьорганических соединений путем обработки одним эквивалентом литийорганического реагента.

Соединения типа [CuR _n ] ^{( n −1)−} реагируют с кислородом и водой, образуя оксид меди(I) . Они также имеют тенденцию быть термически нестабильными, что может быть полезно в некоторых реакциях сочетания. Несмотря на эти трудности или из-за них, органомедные реагенты часто генерируются и потребляются in situ без попыток их выделения. Они используются в органическом синтезе в качестве алкилирующих реагентов, поскольку они демонстрируют большую толерантность к функциональным группам , чем соответствующие реагенты Гриньяра и литийорганические реагенты. Электроотрицательность меди намного выше, чем у ее ближайшего соседа в группе 12 элементов , цинка , что предполагает пониженную нуклеофильность для ее углеродных лигандов.

Соли меди реагируют с терминальными алкинами, образуя ацетилениды .

Алкилгалогениды реагируют с медьорганическими соединениями с инверсией конфигурации. С другой стороны, реакции медьорганических соединений с алкенилгалогенидами протекают с сохранением конфигурации субстрата. ^[8]

Медьорганические соединения взаимодействуют с арилгалогенидами (см. конденсацию Ульмана и реакцию Ульмана ):

${\displaystyle {\begin{aligned}{\ce {{ArX}+ (Ar')2CuLi}}\ &{\ce {<=> {ArAr'CuLi}+ Ar'X}}\\{\ce {2ArAr'CuLi}}\ &{\ce {<=> {(Ar)2CuLi}+ (Ar')2CuLi}}\\{\ce {{ArAr'CuLi}+ O2}}\ &{\ce {-> Ar-Ar'}}\end{aligned}}}$^{[ требуется разъяснение ]}

Структуры

Алкильные и арильные медные комплексы агрегируют как в кристаллической форме, так и в растворе. Агрегация особенно очевидна для нейтральных по заряду медных органосоединений, т. е. видов с эмпирической формулой (RCu), которые принимают циклические структуры. Поскольку каждому медному центру требуется по крайней мере два лиганда, органическая группа является мостиковым лигандом . Этот эффект иллюстрируется структурой мезитилмеди, которая является пентамером. Циклическая структура также наблюдается для CuCH ₂ SiMe ₃ , где Me обозначает метильную группу CH ₃ , первого 1:1 медного органосоединений, проанализированного методом рентгеновской кристаллографии (1972 г. Лаппертом). Это соединение относительно стабильно, поскольку объемные триметилсилильные группы обеспечивают стерическую защиту. Это тетрамер , образующий 8-членное кольцо с чередующимися связями Cu-C. Кроме того, четыре атома меди образуют плоское кольцо Cu ₄ на основе трехцентровых двухэлектронных связей . Длина связи медь-медь составляет 242 пм по сравнению с 256 пм в объемной меди. В пентамезитилпентамеди образуется 5-членное медное кольцо, похожее на (2,4,6-триметилфенил)золото, а пентафторфенилмедь является тетрамером. ^[9]

Диметилкупрат лития(I) представляет собой димер в диэтиловом эфире , образующий 8-членное кольцо с двумя атомами лития, связывающими две метильные группы, (Li ⁺ [Cu(CH ₃ ) ₂ ] ⁻ ) ₂ . Аналогично, дифенилкупрат лития(I) образует димерный эфират, ([Li(O(CH ₂ CH ₃ ) ₂ )] ⁺ [Cu Ph ₂ ] ⁻ ) ₂ , в твердом состоянии. ^[10]

Алкильные и арильные соединения меди(III)

Участие в противном случае редкого состояния окисления Cu(III) было продемонстрировано в сопряженном присоединении реагента Гилмана к енону : ^[11] В так называемом эксперименте ЯМР с быстрой инъекцией при -100 °C реагент Гилмана Li ⁺ [Cu(CH3 ₎ 2 _] - ⁽ стабилизированный иодидом лития ) был введен в циклогексенон ( 1 ), что позволило обнаружить комплекс меди с алкеном pi 2. При последующем добавлении триметилсилилцианида образуется соединение Cu(III) 3 (неограниченно стабильное при этой температуре), а при повышении температуры до -80 °C образуется сопряженный продукт присоединения 4 . Согласно сопутствующим экспериментам in silico ^[12], промежуточное соединение Cu(III) имеет квадратную плоскую молекулярную геометрию с цианогруппой в цис -ориентации по отношению к циклогексенилметиновой группе и антипараллельно метиновому протону. С другими лигандами, чем цианогруппа, это исследование предсказывает стабильные при комнатной температуре соединения Cu(III).

Реакции органокупратов

Реакции кросс-сочетания

До разработки катализируемых палладием реакций кросс-сочетания медь была предпочтительным катализатором в течение почти столетия. Палладий обеспечивает более быструю и селективную реакцию. Медные реагенты и катализаторы продолжают оставаться предметом инноваций. По сравнению с палладием медь дешевле, но обороты часто ниже с медью, а условия реакции более энергичные. ^[13]

Реакции Li ⁺ [CuR ₂ ] ⁻ с алкилгалогенидами R'−X дают продукт сочетания:

Li ⁺ [CuR2 _] − ⁺ R'−X → R−R' + CuR + LiX

Механизм реакции включает окислительное присоединение (OA) алкилгалогенида к Cu(I), образуя планарный промежуточный Cu(III), за которым следует восстановительное устранение (RE). Нуклеофильная атака является определяющим скорость этапом. При замещении иодида предлагается механизм одноэлектронного переноса (см. рисунок).

${\displaystyle [{\ce {R}}{-}{\color {Blue}{\ce {Cu}}}{\ce {-R}}]^{-}{\ce {Li+}}\ {\xrightarrow {\color {Red}{\ce {R'-X}}}}\ \left[{\ce {R}}{-}{\overset {{\displaystyle \color {Red}{\ce {R}}'} \atop |}{\underset {| \atop {\displaystyle \color {Red}{\ce {X}}}}{\color {Blue}{\ce {Cu}}}}}{\ce {-R}}\right]^{-}{\ce {Li+}}{\ce {->R}}{-}{\color {Blue}{\ce {Cu}}}+{\ce {R}}{-}{\color {Red}{\ce {R'}}}+{\ce {Li}}{-}{\color {Red}{\ce {X}}}}$

В этой реакции участвуют многие электрофилы. Примерный порядок реакционной способности, начиная с наиболее реакционноспособного, следующий: хлорангидриды ^[14] > альдегиды > тозилаты ~ эпоксиды > иодиды > бромиды > хлориды > кетоны > сложные эфиры > нитрилы >> алкены

В целом механизм OA-RE аналогичен механизму реакций перекрестного связывания, катализируемых палладием. Одно из различий между медью и палладием заключается в том, что медь может подвергаться процессам одноэлектронного переноса. ^[8]

Реакции сопряжения

Окислительное сочетание представляет собой сочетание ацетиленидов меди с сопряженными алкинами в реакции Глазера (например, в синтезе циклооктадеканонаена ) или с арилгалогенидами в реакции Кастро-Стефенса .

Восстановительное связывание представляет собой реакцию связывания арилгалогенидов со стехиометрическим эквивалентом металлической меди, которая происходит в реакции Ульмана . Связанная реакция называется декарбоксилирующим перекрестным связыванием , одним из партнеров связывания является карбоксилат. Cu(I) замещает карбоксил, образуя промежуточное соединение арилмедь (ArCu). Одновременно палладиевый катализатор реагирует с арилбромидом, образуя органопалладиевое промежуточное соединение (Ar'PdB), которое подвергается трансметаллированию , давая ArPdAr', который, в свою очередь, восстановительно устраняет биарил . ^{[15] [16]}

Редокс-нейтральное сочетание представляет собой сочетание терминальных алкинов с галогеналкинами с солью меди(I) в реакции Кадиота-Ходкевича . Также возможно термическое сочетание двух медьорганических соединений.

Карбокупрация

Карбокупрация — это нуклеофильное присоединение медьорганических реагентов ( R−Cu ) к ацетилену или терминальным алкинам, приводящее к _{алкенилмедному} соединению ( R2C =C(R)−Cu ). ^[17] Это особый случай карбометаллирования , также называемый реакцией Нормана . ^{[18] [19]}

Каталитический цикл карбокупратации для синтеза альдольных продуктов типа Бейлиса-Хиллмана ^[20]

Синтетические приложения

• Сочетание Чана-Лэма позволяет образовывать связи арильный углерод-гетероатом. Оно включает сочетание бороновых кислот , станнанов или силоксанов с NH- или OH-содержащими субстратами.
• Реакция Ульмана включает в себя реакции арилгалогенидов, опосредованные медью. Различают два типа реакции Ульмана:
  1. Классический синтез симметричных биарильных соединений, стимулируемый медью)
  2. Нуклеофильное ароматическое замещение, стимулируемое медью.
• Реакция сочетания Соногаширы , в которой используются как медь, так и палладий, подразумевает сочетание арил- и/или винилгалогенидов с терминальными алкинами.

Восстановители

Гидриды меди являются специализированными восстановителями . Известный гидрид меди — это реагент Страйкера с формулой [(PPh ₃ )CuH] ₆ . Он восстанавливает алкеновую часть α,β-ненасыщенных карбонильных соединений . ^[21] Схожая, но каталитическая реакция использует комплекс меди(I) NHC с эквивалентами гидрида, предоставляемыми гидросиланом . [ ^{22] [23]}

Реакция алкилирования меди

Обычно реакция алкилирования медноорганических реагентов протекает через гамма -алкилирование. Цис - гамма- атака лучше протекает в циклогексилкарбамате из-за стерических свойств. Сообщается, что реакция благоприятна в эфирных растворителях. Этот метод оказался очень эффективным для окислительного связывания аминов и алкилгалогенидов, включая трет -бутил и арилгалогениды. ^[24]

Реакции вицинальной функционализации

Вицинальная функционализация с использованием последовательности реакций карбокупратиона/альдольной конденсации Мукаямы: ^[25]

Мюллер и его коллеги сообщили о вицинальной функционализации α,β-ацетиленовых эфиров с использованием последовательности реакций карбокупратации/альдольной реакции Мукаямы (как показано на рисунке выше); карбокупратация способствует образованию Z-альдоля.

Смотрите также

• Этилмедь

Дальнейшее чтение

• Яо, Б.; Лю, Ю.; Чжао, Л.; Ван, Д.; Ван, М. (2014). «Разработка каталитического цикла Cu(II)-ArCu(II)-ArCu(III)-Cu(I): Cu(II)-катализируемое окислительное азидирование связи арена C-H воздухом в качестве окислителя в условиях окружающей среды». Дж. Орг. Хим . 79 (22): 11139–11145. дои : 10.1021/jo502115a. ПМИД  25350606.
• Ямамото, Y.; Ямаммото, S.; Ятагай, H.; Маруяма, K (1980). «Реакции с участием кислоты Льюиса органомедного реагента. Значительно улучшенная региоселективная гамма-атака аллильных галогенидов и прямое алкилирование аллильных спиртов через RCu.BF ₃ ». Журнал Американского химического общества . 102 (7): 2318–2325. doi :10.1021/ja00527a032.

Ссылки

1. Гэри Х. Познер (1980). Введение в синтез с использованием медноорганических реагентов . Нью-Йорк: Wiley: Wiley. ISBN 0-471-69538-6.
2. WA Herrmann, ред. (1999). Синтетические методы металлоорганической и неорганической химии . Том 5, Медь, серебро, золото, цинк, кадмий и ртуть. Штутгарт: Thieme. ISBN 3-13-103061-5.
3. Кристоф Эльшенбройх (2006). Металлоорганические соединения (3-е изд.). Вайнхайм: Wiley-VCH. ISBN 3-527-29390-6.
4. RC Беттгер (1859). «Ueber die Einwirkung des Leuchtgases auf verschiedene Salzsolutionen, insbesondere auf eine ammoniakalische Kupferchromürlösung». Аннален дер Химии и Фармации . 109 (3): 351–362. дои : 10.1002/jlac.18591090318.
5. Strauss, SH (2000). «Карбонилы меди(I) и серебра(I). Быть или не быть неклассическими». Журнал химического общества, Dalton Transactions . 2000 : 1–6. doi :10.1039/A908459B.
6. Лайт, К. М.; Вишневски, Дж. А.; Виньярд, Вашингтон; Кибер-Эммонс, М. Т. (2016). «Восприятие растительного гормона этилена: известное-известное и известное-неизвестное». J. Biol. Inorg. Chem . 21 (5–6): 715–728. doi :10.1007/s00775-016-1378-3. PMID  27456611. S2CID  14399214.
7. LTJ; McBride, DW; Ferguson, RB (1970). "Кристаллическая структура π-циклопентадиенил(триэтилфосфин)меди(I), π-C5H5CuP(C2H5 ₎ 3 " _. Acta _{Crystallographica B. 26} ( 5 ) : 515–21. doi : 10.1107 /S056774087000273X.
8. Posner, GH 2011. Реакции замещения с использованием медноорганических реагентов. Органические реакции. 22:2:253–400
9. Cairncross, Allan; Sheppard, William A; Wonchoba, Edward; Guilford, William J; House, Cynthia B; Coates, Robert M (1979). "Pentafluorophenylcopper tetramer, a react for synthesis of fluorinated aroma connections". Organic Syntheses . 59 : 122. doi :10.15227/orgsyn.059.0122.
10. NP Lorenzen, E. Weiss (1990). «Синтез и структура димерного дифенилкупрата лития: [{Li(OEt)2}(CuPh2)]2». Angew. Chem. Int. Ed. 29 (3): 300–302. doi :10.1002/anie.199003001.
11. Bertz, Steven H.; Cope, Stephen; Murphy, Michael; Ogle, Craig A.; Taylor, Brad J. (2007). «Быстрый инжекционный ЯМР в механистической химии органомеди. Приготовление неуловимого промежуточного соединения меди (III)1». Журнал Американского химического общества . 129 (23): 7208–9. doi :10.1021/ja067533d. PMID  17506552.
12. Ху, Хайпэн; Снайдер, Джеймс П. (2007). «Присоединение органокупратного конъюгата: квадратно-плоскостное промежуточное соединение «CuIII». Журнал Американского химического общества . 129 (23): 7210–1. дои : 10.1021/ja0675346. ПМИД  17506553.
13. Белеткая, ИП; Чепраков, АВ (2004). «Медь в реакциях кросс-сочетания: химия после Ульмана». Coord. Chem. Rev. 248 : 2337–2364. doi :10.1016/j.ccr.2004.09.014.
14. Для примера см.: Posner, Gary H.; Whitten, Charles E. (2003). "Secondary and Tertiary Alkyl Ketones from Carboxylic Acid Chlorides and Lithium Phenylthio(Alkyl)Cuprate Reagents: tert-Butyl Phenyl Ketone". Organic Syntheses : 122. doi :10.1002/0471264180.os055.28. ISBN 0471264229.
15. Goossen, LJ; Deng, G; Levy, LM (2006). «Синтез биарилов с помощью каталитического декарбоксилирующего связывания». Science . 313 (5787): 662–4. Bibcode :2006Sci...313..662G. doi :10.1126/science.1128684. PMID  16888137.
16. Реагенты: основание карбонат калия , растворитель NMP , катализаторы ацетилацетонат палладия , иодид меди(I) , MS обозначает молекулярные сита , лиганд фенантролин
17. Например: «Добавление комплекса этилкоппера к 1-октину: (E)-5-этил-1,4-ундекадиен». Органические синтезы . 64 : 1. 1986. doi :10.15227/orgsyn.064.0001.
18. Нормант, Дж; Бургейн, М. (1971). «Синтез этих стереоспецифических и реактивных виниловых органических веществ». Буквы тетраэдра . 12 (27): 2583. doi :10.1016/S0040-4039(01)96925-4.
19. Мюллер, Д.С.; Марек, И. (2016). «Реакции карбометаллирования, опосредованные медью». Chemical Society Reviews . 45 (16): 4552–4566. doi :10.1039/C5CS00897B. PMC 5166570. PMID  26808300 . 
20. ХЕНДРИКС, АМАНДА ДЖОЙ МЮЛЛЕР. НОВЫЕ МЕТОДЫ С ПОМОЩЬЮ КАТАЛИТИЧЕСКОГО КАРБОКУПРИРОВАНИЯ АЛКИНОАТОВ И ПОЛНОГО СИНТЕЗА (+)-АСПЕРГИЛЛИДА B (PDF) . Получено 17 января 2018 г. .
21. Daeuble, John F.; Stryker, Jeffrey M. (2001). "Гекса-μ-гидрогексакис(трифенилфосфин)гексамедь". Энциклопедия реагентов для органического синтеза . doi :10.1002/047084289X.rh011m. ISBN 0471936235.
22. Кокс, Н.; Данг, Х.; Уиттакер, А.М.; Лалик, Г. (2014). «NHC-гидриды меди как хемоселективные восстановители: каталитическое восстановление алкинов, алкилтрифлатов и алкилгалогенидов». Тетраэдр . 70 (27–28): 4219–4231. doi :10.1016/j.tet.2014.04.004.
23. Юркаускас, В.; Садиги, Дж. П.; Бухвальд, С. Л. (2003). «Сопряженное присоединение a,b-ненасыщенных соединений, катализируемое медно-карбеновым комплексом». Org. Lett . 5 (14): 2417–2420. doi :10.1021/ol034560p. PMID  12841744.
24. Ямамото, Х.; Марука, К. (1980). «Новое N-алкилирование аминов с использованием медноорганических реагентов». J. Org. Chem . 45 (13): 2739–2740. doi :10.1021/jo01301a048.
25. Мюллер, А. Дж.; Дженнингс, М. П. Вицинальная функционализация пропионилатных эфиров посредством последовательности тандемной каталитической карбокупации-альдольной реакции Мукаямы. Org. Lett. 2008, 10, 1649-1652