Цинкорганическая химия — это изучение физических свойств, синтеза и реакций цинкорганических соединений , которые представляют собой металлоорганические соединения , содержащие химические связи между углеродом (C) и цинком (Zn) . [1] [2] [3] [4]
Цинкорганические соединения были одними из первых металлоорганических соединений. Они менее реакционноспособны, чем многие другие аналогичные металлоорганические реагенты, такие как реактивы Гриньяра и литийорганические реактивы . В 1848 году Эдвард Франкленд получил первое цинкорганическое соединение диэтилцинк путем нагревания иодистого этила в присутствии металлического цинка. [5] В результате этой реакции образовалась летучая бесцветная жидкость, которая самопроизвольно воспламенялась при контакте с воздухом. Из-за своей пирофорной природы цинкорганические соединения обычно получают безвоздушным методом . Они неустойчивы по отношению к протонным растворителям . Для многих целей их готовят на месте , а не выделяют, но многие из них были выделены как чистые вещества и тщательно охарактеризованы. [6]
Цинкорганические соединения можно разделить на категории по количеству углеродных заместителей, связанных с металлом. [2] [3]
В своих координационных комплексах цинк (II) принимает несколько координационных геометрий, обычно октаэдрическую , тетраэдрическую и различные пентакоординатные геометрии. Эту структурную гибкость можно объяснить электронной конфигурацией цинка [Ar]3d 10 4s 2 . 3d-орбиталь заполнена, поэтому эффекты поля лигандов отсутствуют. Таким образом, координационная геометрия во многом определяется электростатическими и стерическими взаимодействиями. [2] Цинкорганические соединения обычно являются двух- или трехкоординатными, что отражает сильное донорное свойство карбанионных лигандов.
Типичные диорганоцинковые комплексы имеют формулу R 2 Zn. Диалкилцинковые соединения являются мономерами с линейной координацией у атома цинка. [7] Между углеродом и цинком существует полярная ковалентная связь , поляризованная в сторону углерода из-за различий в значениях электроотрицательности (углерод: 2,5 и цинк: 1,65). Дипольный момент симметричных диорганоцинковых реагентов в этих линейных комплексах можно рассматривать как нулевой, что объясняет их растворимость в неполярных растворителях, таких как циклогексан . В отличие от других бинарных алкилов металлов, диорганоцинковые соединения обладают низким сродством к комплексообразованию с эфирным растворителем. Связь в R 2 Zn описывается как использование sp- гибридизированных орбиталей на Zn. [2]
Эти структуры приводят к тому, что цинк имеет две связывающие d-орбитали и три низколежащие несвязывающие d-орбитали (см. несвязывающую орбиталь ), которые доступны для связывания. Когда у цинка отсутствуют электронодонорные лиганды, он не может получить координационное насыщение, что является следствием большого атомного радиуса и низкого дефицита электронов цинка. Следовательно, мостиковые алкильные или арильные группы возникают редко из-за слабого дефицита электронов атома цинка. Хотя в некоторых случаях это действительно происходит, например, когда Ph 2 Zn (показано ниже) и какие галогены являются цинкорганическими, они могут образовывать металлические кластеры (см. Химию кластеров ). Когда к атому цинка добавляется галогеновый лиганд, как акцепторный, так и донорный характер цинка усиливается, что позволяет осуществлять агрегацию. [2]
Существует несколько методов получения цинкорганических соединений. Коммерчески доступными диорганоцинковыми соединениями являются диметилцинк , диэтилцинк и дифенилцинк. Эти реагенты дороги и сложны в обращении. В одном исследовании [8] [9] активное цинкорганическое соединение получено из гораздо более дешевых броморганических предшественников:
Первоначальный синтез диэтилцинка Франкландом включал реакцию этилиодида с металлическим цинком. Цинк необходимо активировать, чтобы облегчить эту окислительно-восстановительную реакцию. Одной из таких активированных форм цинка, используемых Франкландом, является пара цинк-медь . [5]
Цинк Рике , получаемый восстановлением ZnCl 2 калием in situ, является еще одной активированной формой цинка. Эта форма оказалась полезной для таких реакций, как сочетание Негиши и сочетание Фукуямы . Образованию цинкорганических реагентов способствуют алкил- или арилгалогениды, содержащие электроноакцепторные заместители, например нитрилы и сложные эфиры. [10] [11]
Двумя наиболее распространенными реакциями взаимного превращения функциональных групп цинка являются галогениды и бор, которые катализируются йодидом меди (CuI) или основанием. Промежуточное соединение бора синтезируют путем первоначальной реакции гидроборирования с последующей обработкой диэтилцинком . Этот синтез показывает полезность цинкорганических реагентов, демонстрируя высокую селективность в отношении наиболее реакционноспособного участка молекулы, а также создавая полезных партнеров для связывания. [12]
Эту реакцию переноса группы можно использовать при аллилировании или других реакциях сочетания (например, реакции Негиши). [13]
Одним из основных недостатков диорганоцинкового алкилирования является перенос только одного из двух алкильных заместителей. Эту проблему можно решить, используя Me 3 SiCH 2 - (TMSM), который является непереносимой группой. [14]
Трансметаллирование аналогично взаимопревращениям, показанным выше, цинк может обмениваться с другими металлами, такими как ртуть , литий , медь и т. д. Одним из примеров этой реакции является реакция дифенилртути с металлическим цинком с образованием дифенилцинка и металлической ртути :
Преимущество трансметаллирования в цинк часто заключается в большей толерантности к другим функциональным группам в молекуле из-за низкой реакционной способности, которая увеличивает селективность. [15]
Органоцинк можно получить непосредственно из металлического цинка: [17] [18]
Во многих их реакциях цинкорганические соединения выступают в качестве промежуточных продуктов.
Эту органическую реакцию можно использовать для превращения α-галогенэфира и кетона или альдегида в β-гидроксиэфир. Кислота необходима для протонирования образующегося алкоксида во время обработки. Начальным этапом является окислительное присоединение металлического цинка к связи углерод-галоген с образованием енолята углерод-цинк. Этот енолят C-Zn может затем посредством координации перегруппироваться в енолят кислорода-цинка. Как только он образуется, другой исходный материал, содержащий карбонил, будет координироваться, как показано ниже, и давать продукт после протонирования. [20] Преимущества реакции Реформатского по сравнению с традиционными протоколами альдольных реакций заключаются в следующем:
Ниже показано шестичленное переходное состояние модели Циммермана-Тракслера (Контроль хелатирования, см. Реакцию Альдола ), в котором R 3 меньше, чем R 4 . [21]
Реакция Реформатского использовалась во многих полных синтезах, таких как синтез C(16),C(18)-бис-эпицитохалазина D: [22]
Реакция Реформатского допускает даже использование гомоенолятов цинка. [23] Модификацией реакции Реформатского является реакция Блеза . [21]
Реагент Симмонса -Смита используется для получения циклопропанов из олефинов с использованием иодистого метилена в качестве источника метилена. Реакцию осуществляют с цинком. Ключевым образующимся промежуточным соединением цинка является карбеноид (иодметил) йодид цинка, который реагирует с алкенами с образованием циклопропанированного продукта. Скорость образования активных форм цинка увеличивается за счет обработки ультразвуком, поскольку первоначальная реакция происходит на поверхности металла.
Хотя механизм до конца не изучен, предполагается, что цинкорганическое промежуточное соединение представляет собой металл- карбеноид . Считается, что промежуточное соединение представляет собой трехцентровую структуру типа «бабочка». Это промежуточное соединение может быть направлено заместителями, такими как спирты, для доставки циклопропана на одну и ту же сторону молекулы. Пара цинк-медь обычно используется для активации цинка. [21]
Цинкорганические соединения, производные бромистого или иодида метилена, могут электрофильно присоединяться к карбонильным группам с образованием концевых алкенов . [24] Реакция механически связана с реакцией Теббе и может катализироваться различными кислотами Льюиса (например, TiCl 4 или Al 2 Me 6 ). [25] Реакция используется для введения дейтерия в молекулы для изотопной маркировки или в качестве альтернативы реакции Виттига .
Эта мощная углерод-углеродная связь, образующая реакции кросс-сочетания, объединяет органический галогенид и цинкорганический галогенид в присутствии никелевого или палладиевого катализатора . Органический галоидный реагент может представлять собой алкенил , арил , аллил или пропаргил . Сообщалось также о сочетании алкилцинка с алкилгалогенидами, такими как бромиды и хлориды, с использованием активных катализаторов, таких как предкатализаторы Pd-PEPPSI, которые сильно сопротивляются удалению бета-гидрида (обычное явление с алкильными заместителями). [26] В качестве партнеров сочетания на стадии трансметаллирования в этой реакции могут использоваться как диорганические [ проверьте правописание ] , так и цинкорганические галогениды. Несмотря на низкую реакционную способность цинкорганических реагентов по отношению к органическим электрофилам, эти реагенты относятся к числу наиболее сильных металлонуклеофилов по отношению к палладию. [27]
Разновидности алкилцинка требуют присутствия по крайней мере стехиометрического количества галогенид-ионов в растворе для образования «цинкатной» разновидности формы RZnX 3 2- , прежде чем она сможет подвергнуться трансметаллированию в палладиевый центр. [28] Такое поведение сильно контрастирует со случаем арилцинковых разновидностей. Ключевым этапом каталитического цикла является трансметаллирование , при котором галогенид цинка обменивает свой органический заместитель на другой галоген с металлическим центром.
Элегантным примером сочетания Негиши является синтез Фюрстнером амфидинолида Т1: [29]
Сочетание Фукуямы представляет собой реакцию, катализируемую палладием, включающую сочетание арильного, алкильного, аллильного или α,β-ненасыщенного тиоэфирного соединения. Это тиоэфирное соединение можно сочетать с широким спектром цинкорганических реагентов, чтобы выявить соответствующий кетоновый продукт. Этот протокол полезен из-за его чувствительности к функциональным группам, таким как кетон , ацетат , ароматические галогениды и даже альдегиды. Наблюдаемая хемоселективность указывает на то, что образование кетонов происходит более легко, чем окислительное присоединение палладия к этим другим фрагментам. [30]
Еще одним примером этого метода сочетания является синтез (+)- биотина . В этом случае происходит реакция Фукуямы с тиолактоном: [31]
Реакция Барбье включает нуклеофильное присоединение карбаниона, эквивалентного карбонилу. Превращение аналогично реакции Гриньяра. Цинкорганический реагент получают путем окислительного присоединения к алкилгалогениду. В результате реакции образуется первичный, вторичный или третичный спирт посредством 1,2-присоединения . Реакция Барбье выгодна тем, что это однореакторный процесс: цинкорганический реагент образуется в присутствии карбонильного субстрата. Цинкорганические реагенты также менее чувствительны к воде, поэтому эту реакцию можно проводить в воде. Подобно реакции Гриньяра, применяется равновесие Шленка , при котором может образовываться более реакционноспособный диалкилцинк. [21]
Механизм напоминает реакцию Гриньяра , в которой алкоксид металла может генерироваться радикальным ступенчатым путем, посредством переноса одного электрона , или согласованным путем реакции через циклическое переходное состояние. Примером этой реакции является синтез циклопропарадицикола Данишевским . При использовании условий реакции цинкорганического присоединения допускаются другие функциональные группы диенона и алкина: [32]
Образование ацетилида цинка происходит через посредство диалкинила цинка (обмен функциональных групп). Были разработаны каталитические процессы, такие как эфедриновый процесс компании Merck. [33] Пропаргиловые спирты можно синтезировать из ацетилидов цинка. Эти универсальные промежуточные соединения затем можно использовать для широкого спектра химических превращений, таких как реакции кросс-сочетания , гидрирования и перициклические реакции . [34]
В отсутствие лигандов реакция протекает медленно и неэффективно. В присутствии хиральных лигандов реакция протекает быстро и дает высокую конверсию. Рёдзи Ноёри определил, что комплекс моноцинк-лиганд является активной разновидностью. [35]
Диастереоселективность присоединения цинкорганических реагентов к альдегидам можно предсказать с помощью следующей модели Нойори и Дэвида А. Эванса : [36]
Ацетилиды цинка используются в ингибиторе обратной транскриптазы ВИЧ-1 эфавиренц , а также в производных эфедрина компании Merck . [37]
О первом цинкорганическом комплексе ( органоцинкате ) сообщил в 1858 году Джеймс Альфред Ванклин , [38] помощник Франкланда, и он касался реакции элементарного натрия с диэтилцинком :
Цинкорганические соединения, которые являются сильными кислотами Льюиса, уязвимы для нуклеофильной атаки щелочных металлов , таких как натрий , и, таким образом, образуют эти «атомные соединения». Выделяют два типа цинкорганических соединений: тетраорганоцинкаты ([R 4 Zn]M 2 ), которые являются дианионными, и триорганоцинкаты ([R 3 Zn]M), которые являются моноанионными. Их структуры, определяемые лигандами, тщательно охарактеризованы. [3]
Тетраорганоцинкаты , такие как [Me 4 Zn]Li 2, можно получить путем смешивания Me 2 Zn и MeLi в молярном соотношении ректантов 1:2. Другой пример синтетического пути образования спиоциклических органоцинкатов показан ниже: [3]
Триорганоцинкатные соединения образуются путем обработки диорганоцинка, такого как (Me 3 SiCH 2 ) 2 Zn , щелочным металлом (K) или щелочноземельным металлом (Ba, Sr или Ca). Одним из примеров является [(Me 3 SiCH 2 ) 3 Zn]K. Триэтилцинкат разлагается до гидридоэтилцинката(II) натрия в результате отщепления бета-гидрида : [39]
Продукт представляет собой битетраэдрическую структуру с общими краями и мостиковыми гидридными лигандами .
Хотя цинкорганические соединения изучаются реже, они часто обладают повышенной реакционной способностью и селективностью по сравнению с нейтральными диорганоцинковыми соединениями. Они были полезны в стереоселективном алкилировании кетонов и родственных карбонилов, реакциях раскрытия кольца. Арилтриметилцинкаты участвуют в реакциях образования CC, опосредованных ванадием. [3]
Известны также низковалентные цинкорганические соединения, имеющие связь Zn–Zn. О первом таком соединении, декаметилдизинкоцене , сообщалось в 2004 году. [40]