stringtranslate.com

расширение кольца Бюхнера

Расширение кольца Бюхнера представляет собой двухэтапную органическую реакцию образования связи CC, используемую для доступа к 7-членным кольцам . Первый этап включает образование карбена из этилдиазоацетата , который циклопропанирует ароматическое кольцо . Расширение кольца происходит на втором этапе, при этом электроциклическая реакция раскрывает циклопропановое кольцо с образованием 7-членного кольца.

Расширение кольца Бюхнера
Расширение кольца Бюхнера

История

Реакция расширения кольца Бюхнера была впервые использована в 1885 году Эдуардом Бюхнером и Теодором Курциусом [1] [2] , которые приготовили карбен из этилдиазоацетата для присоединения к бензолу, используя как термические, так и фотохимические пути в синтезе производных циклогептатриена . Полученный продукт представлял собой смесь четырех изомерных карбоновых кислот . Изменения в реакции возникают из-за методов приготовления карбена. Достижения в области металлоорганической химии привели к повышению селективности производных циклогептатриена. В 1980-х годах было обнаружено, что диродиевые катализаторы обеспечивают получение отдельных изомеров циклопропана с высокими выходами. [3] Применения находят применение в медицине (синтез лекарств) [4] [5] [6] [7] [8] и материаловедении (производные фуллерена). [9] [10] [11]

Подготовка

Приготовление этилдиазоацетата

Первый синтез производных циклогептатриена, проведенный Бухнером в 1885 году, использовал фотолиз и термические условия для получения карбена. Процедура приготовления опасного исходного материала, необходимого для получения карбена в реакции Бухнера, этилдиазоацетата, доступна в Organic Syntheses . [12] В представленной процедуре Сирл включает предостерегающие инструкции из-за взрывоопасной природы диазоуксусных эфиров.

Приготовление карбеноида металла

Синтез карбена в 1960-х годах был сосредоточен на использовании медных катализаторов для стереоселективного циклопропанирования. [13] В 1980-х годах диродиевые катализаторы использовались для получения карбеноида для циклопропанирования. Появление металлохимии улучшило селективность соотношений продуктов производных циклогексатриена за счет выбора лиганда на карбеноидном катализаторе. [14]

Механизм

Шаг 1

Механизм реакции расширения кольца Бюхнера начинается с образования карбена из этилдиазоацетата, первоначально полученного в результате фотохимических или термических реакций с экструзией азота.

механизм карбена
механизм карбена

Образовавшийся карбен присоединяется к одной из двойных связей бензола, образуя циклопропановое кольцо.

вставка карбена
вставка карбена

Появление реагентов, катализируемых переходными металлами, обеспечивает альтернативные стереоспецифические методы циклопропанирования. Выбор металлов включает Cu, Rh и Ru с различными лигандами. [13] Использование родиевых катализаторов в реакции Бюхнера для генерации карбена уменьшает количество продуктов, производя преимущественно кинетические циклогептатриениловые эфиры. [14] Смеси продуктов реакций Бюхнера, получаемые с использованием термических катализаторов родия II, менее сложны. Уайетт и др. изучили региоселективность термической реакции Бюхнера с использованием Rh 2 (O 2 CCF 3 ) 4 и продемонстрировали, что электрофильный характер родиевого карбена предпочитает реакцию по более нуклеофильным π-связям ароматического кольца. [15]

региоселективность
региоселективность

Принятый карбеновый каталитический цикл [16] был предложен Йейтсом [17] в 1952 году. Первоначально диазосоединение окислительно присоединяется к комплексу металлического лиганда. После экструзии азота образуется металлический карбен, который реагирует с богатым электронами ароматическим веществом, восстановительно регенерируя металлический катализатор, завершая каталитический цикл.

каталитический цикл
каталитический цикл

Шаг 2

Второй этап реакции Бюхнера включает перициклическое согласованное расширение кольца. На основе правил Вудворда-Хоффмана электроциклическое раскрытие производных норкарадиена является 6-электронным дисротаторным (π 4 s + σ 2 s ), термически разрешенным процессом.

открытие кольца
открытие кольца

Равновесие норкарадиен-циклогептатриен было тщательно изучено. [18] Положение равновесия зависит от стерических , электронных и конформационных эффектов. Из-за конформационного напряжения в циклопропановом кольце норкарадиена равновесие лежит на стороне циклогептатриена. Равновесие может быть смещено в сторону норкарадиена путем дестабилизации циклогептатриена объемным замещением (большие стерически затрудненные группы, например, t -бутил) в C1 и C6.

таутомерия
таутомерия

Равновесие может быть изменено путем изменения замещения в положении C7. Электронодонорные группы (EDG) благоприятствуют норкарадиену, тогда как электроноакцепторные группы (EWG) благоприятствуют циклогептатриену.

положение равновесия
положение равновесия

Таутомерию норкарадиена и циклогептатриена можно понять на основе циклопропановых молекулярных орбиталей Уолша циклопропанового кольца норкарадиена. Электронная рационализация стабилизации орбиталей Уолша [18] возможна как для электроноакцепторных , так и для электронодонорных групп у углерода C7. Молекулярные орбитали электроноакцепторных групп у C7 перекрываются с HOMO-орбиталями Уолша циклопропанового кольца, вызывая укорачивание связи C1-C6. В случае электронодонорных групп перекрытие орбиталей снова возможно теперь в LUMO, что приводит к увеличению антисвязывающего характера, дестабилизирующего таутомер норкарадиена. Положение равновесия может контролироваться в зависимости от карбеновых заместителей.

Орбитали Уолша
Орбитали Уолша

Приложения

Лекарство

Важность химии аннелирования с расширением кольца Бюхнера очевидна при применении этой синтетической последовательности в синтезе биологических соединений.

Изучая аналогичную реакцию присоединения карбена к тиофену , Стивен Мэтлин и Лэм Чан в 1981 году применили метод расширения кольца Бюхнера для получения спиропроизводных пенициллина. [7]

Производное пенициллина
Производное пенициллина

В 1998 году Мандер и др. синтезировали дитерпеноидный тропон, харрингтонолид [6] , используя химию аннулирования внутримолекулярного расширения кольца Бюхнера. Для получения карбена использовались родиевый катализатор (Rh 2 (манделат) 4 ) и DBU (1,8-диазабицикло[5.4.0]ундец-7-ен). Было обнаружено, что этот натуральный продукт обладает противоопухолевыми и противовирусными свойствами.

харрингтонолид
харрингтонолид

Данхайзер и др. использовали внутримолекулярную генерацию карбеноидов для получения замещенных азуленов через расширение кольца типа Бюхнера. Противоязвенный препарат Эгуален (KT1-32) [4] [5] был синтезирован с использованием этой стратегии расширения кольца-аннуляции с родиевым катализатором (Rh 2 (OCOt-Bu) 4 ) в эфире.

КТ1-32
КТ1-32

Материаловедение

Метод расширения кольца Бюхнера использовался для синтеза исходных материалов для применения в материаловедении, включающем фотоэлектрические элементы. Разработка интерфейса донор-акцептор (DA), состоящего из проводящих полимерных доноров и производных акцепторов бакминстерфуллерена, создает фазово-разделенный композит, который усиливает фотопроводимость (доступную только с полимерными донорами) в процессе фотоиндуцированного переноса заряда фотоэлектрических элементов. [19] Соединения фуллерена могут быть функционализированы для смешиваемости с C 60 для повышения эффективности солнечного элемента в зависимости от синтезированной полимерной тонкой пленки . [11]

производное фуллерена
производное фуллерена

Ограничения

Недостатки реакции включают побочные реакции карбенового фрагмента. Необходимо учитывать выбор растворителя для реакции. В дополнение к потенциалу для реакций внедрения связи углерод-водород , внедрение карбена углерод-галоген возможно, когда в качестве растворителя используется дихлорметан . [20]

Вставка связи C-Cl
Вставка связи C-Cl

Контроль региоселективности во время добавления карбена необходим для избежания побочных продуктов, образующихся из сопряженных изомеров циклогептатриена. Ноэльс и др. использовали катализаторы Rh(II) для генерации карбена в мягких условиях реакции (комнатная температура) для получения региоселективно кинетического несопряженного изомера циклогептатриена. [3] [8] [21]

производные циклогептатриена
производные циклогептатриена

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Бюхнер, Э.; Куртиус, Т. (1885), "Ueber die Einwirkung von Diazoessigather auf Fratisch Kohlenwasserstoffe", Ber. Дтч. хим. Гес. , 18 (2): 2377–2379, doi :10.1002/cber.188501802119
  2. ^ Бюхнер, Э.; Курциус, Т. (1885), «Синтез бета-кетоэфиров из альдегидов и диазоуксусной кислоты», Ber. Dtsch. Chem. Ges. , 18 (2): 2371–2377, doi :10.1002/cber.188501802118
  3. ^ ab Hubert, AJ; Noels, AF; Anciaux, AJ; Warin, R.; Teyssie, P. (1981), "Реакции диазосоединений, катализируемые переходными металлами. 2.' Присоединение к ароматическим молекулам: катализ синтеза циклогептатриенов по Бюхнеру" (PDF) , J. Org. Chem. , 46 (5): 873–876, doi :10.1021/jo00318a010, hdl :2268/237697
  4. ^ ab Danheiser, RL ; JL Kane, J.; Shea, KM; Crombie, AL (2001), "Стратегия расширения кольца-аннуляции для синтеза замещенных азуленов. Получение и реакции сочетания Сузуки 1-азуленилтрифлатов", Org. Lett. , 3 (7): 1081–1084, doi :10.1021/ol0156897, PMID  11277800
  5. ^ ab Danheiser, RL; Crombie, AL; Kane, JLJ; Shea, KM (2004), "Стратегия расширения кольца-аннуляции для синтеза замещенных азуленов и олигоазуленов. 2. Синтез азуленилгалогенидов, сульфонатов и соединений азуленилметаллов и их применение в реакциях сочетания, опосредованных переходными металлами", J. Org. Chem. , 69 (25): 8652–8667, doi :10.1021/jo048698c, PMID  15575741
  6. ^ ab Mander, LN; Frey, B.; Wells, AP; Rogers, DH (1998), "Синтез необычных дитерпеноидных тропонов хайнанолидола и харрингтонолида", J. Am. Chem. Soc. , 120 (8): 1914–1915, doi :10.1021/ja9738081
  7. ^ ab Matlin, SA; Chan, L. (1981), "Новые спиропроизводные пенициллина", Tetrahedron Letters , 22 (40): 4025–4028, doi :10.1016/S0040-4039(01)82055-4
  8. ^ ab Reisman, SE; Nani, RR; Levin, S. (2011), «Бюхнер и далее: циклопропанирование арена в применении к общему синтезу природных продуктов» (PDF) , Synlett , 7 (17): 2437–2442, doi :10.1055/s-0031-1289520
  9. ^ Прато, М. (1997), "[60]Химия фуллеренов для применения в материаловедении", J. Mater. Chem. , 7 (7): 1097–1109, doi :10.1039/A700080D
  10. ^ Вудл, Ф.; Гонсалес, Р.; Хаммелен, Дж. К. (1995), «Специфическая кислотно-катализируемая и фотохимическая изомеризация прочного фуллероида в метанофуллерен», J. Org. Chem. , 60 (8): 2618–2620, doi :10.1021/jo00113a049
  11. ^ ab Wudl, F.; Hummelen, JC; Knight, BW; LePeq, F. (1995), «Получение и характеристика производных фуллероидов и метанофуллеренов», J. Org. Chem. , 60 (3): 532–538, doi :10.1021/jo00108a012
  12. ^ Searle, NE (1956), "Этилдиазоацетат", Органические синтезы , 36 : 25, doi :10.15227/orgsyn.036.0025
  13. ^ аб Лебель, Х.; Марку, Дж.; Молинаро, К.; Шаретт, А. (2003), «Реакции стереоселективного циклопропанирования», Chem. Rev. , 103 (4): 977–1050, номер документа : 10.1021/cr010007e, PMID  12683775 .
  14. ^ ab McKervey, A.; Ye, T. (1994), «Органический синтез с альфа-диазокарбонильными соединениями», Chem. Rev. , 94 (4): 1091–1160, doi :10.1021/cr00028a010
  15. ^ Wyatt, EE; Galloway WRJD & Spring, DR (2011), "Региоселективность в термических реакциях типа Бюхнера, катализируемых родием(II), замещенных арилгалогенидов: исследования в направлении синтеза галогензамещенных циклогептатриенов", Synlett , 2011 (10): 1449–1453, doi :10.1055/s-0030-1260562
  16. ^ Пиррунг, MC; Лю, H.; Морхед, J.; Эндрю Т. (2002), «Родиевые хемзимы: кинетика Михаэлиса-Ментен в реакциях карбеноидов, катализируемых карбоксилатом диродия (II)», J. Am. Chem. Soc. , 124 (6): 1014–1023, doi : 10.1021/ja011599l, PMID  11829610
  17. ^ Йейтс, П. (1952), «Катализируемое медью разложение диазокетонов», J. Am. Chem. Soc. , 74 (21): 5376–5381, doi :10.1021/ja01141a047
  18. ^ ab Maguire, AR; McNamara, OA (2011), "Равновесие норкарадиенциклогептатриена", Tetrahedron , 67 : 9–40, doi :10.1016/j.tet.2010.10.030
  19. ^ Ю, Г.; Гао, Дж.; Хаммелен, Дж. К.; Вудл, Ф.; Хигер, А. Дж. (1995), «Полимерные фотоэлектрические элементы: повышение эффективности с помощью сети внутренних донорно-акцепторных гетеропереходов», Science , 270 (5243): 1789–1791, Bibcode : 1995Sci...270.1789Y, CiteSeerX 10.1.1.320.7494 , doi : 10.1126/science.270.5243.1789, S2CID  135489167, ProQuest  213566279 
  20. ^ Lovely, CJ; Browning, RG; Badarinaray, V.; Rasika Dias, HV (2005), "Реакция Бюхнера, катализируемая серебром", Tetrahedron Letters , 46 (14): 2453–2455, doi :10.1016/j.tetlet.2005.02.052
  21. ^ Doering, W. v. E.; Laber, G.; Vonderwahl, R.; Chamberlain, NF; Williams, RB (1956), "Структура кислот Бюхнера", J. Am. Chem. Soc. , 78 (20): 5448, doi :10.1021/ja01601a080