Медноорганическая химия

Соединение со связями углерод-медь

Димер эфирата дифенилкупрата лития из кристаллической структуры

Скелетная формула димера эфирата дифенилкупрата лития

Медьорганическая химия — это изучение физических свойств, реакций и синтеза медьорганических соединений , которые представляют собой металлоорганические соединения, содержащие химическую связь между углеродом и медью . ^{[1] [2] [3]} Это реагенты в органической химии .

Первое медьорганическое соединение, взрывчатый ацетилид меди(I) Cu ₂ C ₂ ( Cu-C≡C-Cu ), было синтезировано Рудольфом Кристианом Беттгером в 1859 году путем пропускания газообразного ацетилена через раствор хлорида меди(I) : ^{[4 ] ]}

C ₂ H ₂ + 2 CuCl → Cu ₂ C ₂ + 2 HCl

Структура и связь

Медьорганические соединения разнообразны по строению и реакционной способности, но почти все они основаны на меди со степенью окисления +1, иногда обозначаемой Cu(I) или Cu ⁺ . Имея 10 электронов в валентной оболочке , поведение связи Cu(I) аналогично Ni(0), но из-за более высокой степени окисления он участвует в меньшем количестве 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 цианид ( CN ^- ).

Благодаря сферической электронной оболочке Cu ⁺ комплексы меди(I) имеют симметричное строение — линейное, тригонально-планарное или тетраэдрическое , в зависимости от числа лигандов.

Простые комплексы с CO, алкеном и лигандами Cp.

Давно известно, что соли меди(I) связывают CO, хотя и слабо. Представительным комплексом является полимерный комплекс CuCl(CO). В отличие от классических карбонилов металлов, пи-связь в этих соединениях не является прочной. ^[5]

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

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

Хотя медь не образует металлоцена , можно получить полусэндвич-комплексы. Одним из таких производных является π-циклопентадиенил(триэтилфосфин)медь(I). ^[7]

Алкильные и арильные соединения меди

Алкильные и арильные соединения меди(I)

Галогениды меди реагируют с литийорганическими реагентами с образованием медьорганических соединений. Первооткрывателем этой области был Генри Гилман , который сообщил о метилмеди в 1936 году. Таким образом, фенилмедь получается реакцией фениллития с бромидом меди (I) в диэтиловом эфире . Вместо литийорганических соединений можно использовать реактивы Гриньяра. Гилман также исследовал диалкилкупраты. Их получают путем объединения двух эквивалентов RLi с солями Cu(I). Альтернативно, эти купраты получают из олигомерных нейтральных медьорганических соединений путем обработки одним эквивалентом литийорганического реагента.

Соединения типа [CuR _n ] ^{( n -1)-} реакционноспособны по отношению к кислороду и воде, 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, медьорганические реагенты часто производятся и потребляются на месте , без попыток их выделения. Их используют в органическом синтезе в качестве алкилирующих реагентов, поскольку они проявляют большую толерантность к функциональным группам , чем соответствующие реагенты Гриньяра и литийорганические реагенты. Электроотрицательность меди намного выше , чем у ее ближайшего соседа по группе 12 элементов , цинка , что предполагает пониженную нуклеофильность ее углеродных лигандов.

Соли меди реагируют с концевыми алкинами с образованием ацетилидов .

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

Медьорганические соединения соединяются с арилгалогенидами (см. Конденсацию Ульмана и реакцию Ульмана ):

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

Структуры

Алкильные и арильные комплексы меди агрегируют как в кристаллической форме, так и в растворе. Агрегация особенно очевидна для медьорганических соединений с нейтральным зарядом, т.е. соединений с эмпирической формулой (RCu), которые принимают циклические структуры. Поскольку для каждого медного центра требуется как минимум два лиганда, органическая группа является мостиковым лигандом . Этот эффект иллюстрируется структурой мезитилмеди, которая представляет собой пентамер. Циклическая структура также наблюдается у CuCH ₂ SiMe ₃ , где Me означает метильную группу CH ₃ , первого медьорганического соединения с соотношением 1:1, которое было проанализировано методом рентгеновской кристаллографии (Lappert, 1972). Это соединение относительно стабильно, поскольку объемистые 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 между медью составляет 242 пм по сравнению с 256 пм в массивной меди. В пентамезитилпентамеди образуется 5-членное медное кольцо, аналогичное (2,4,6-триметилфенил)золоту, а пентафторфенилмедь представляет собой тетрамер. ^[9]

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

Алкильные и ариловые соединения меди(III)

Участие редкой в ​​других отношениях степени окисления Cu (III) было продемонстрировано при сопряженном присоединении реагента Гилмана к енону : ^[11] В так называемом эксперименте ЯМР с быстрым введением при -100 ° C реактив Гилмана Li ⁺ [Cu(CH ₃ ) ₂ ] ⁻ (стабилизированный иодидом лития ) вводили в циклогексенон ( 1 ), что позволило обнаружить медь-алкен пи-комплекс 2 . При последующем добавлении триметилсилилцианида образуется форма Cu(III) 3 (неопределенно стабильная при этой температуре), а при повышении температуры до -80 °C - продукт сопряженного присоединения 4 . Согласно сопутствующим экспериментам in silico ^[12] промежуточный продукт Cu(III) имеет квадратную плоскую молекулярную геометрию с цианогруппой в цис- ориентации по отношению к циклогексенилметиновой группе и антипараллельной метиновому протону. Это исследование предсказывает появление стабильных при комнатной температуре соединений Cu(III) с другими лигандами, кроме цианогруппы .

Реакции органокупратов

Реакции кросс-сочетания

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

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

Li ⁺ [CuR ₂ ] ⁻ + R'−X → R−R' + CuR + LiX

Механизм реакции включает окислительное присоединение (ОА) алкилгалогенида к Cu(I) с образованием планарного промежуточного соединения Cu(III) с последующим восстановительным элиминированием (RE). Нуклеофильная атака является стадией, определяющей скорость. При замещении йодида предложен одноэлектронный механизм 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 реакционноспособной, следующий: хлорангидриды ^[14] > альдегиды > тозилаты ~ эпоксиды > йодиды > бромиды > хлориды > кетоны > сложные эфиры > нитрилы >> алкены.

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

Реакции сцепления

Окислительная реакция — это реакция ацетилидов меди с сопряженными алкинами в реакции Глейзера (например, при синтезе циклооктадеканонаена ) или с арилгалогенидами в реакции Кастро-Стивенса .

Восстановительная реакция — это реакция сочетания арилгалогенидов со стехиометрическим эквивалентом металлической меди, которая происходит в реакции Ульмана . Родственная реакция, называемая декарбоксилативным кросс-сочетанием , одним из партнеров сочетания является карбоксилат. Cu(I) замещает карбоксил , образуя промежуточный арилмедь (ArCu). Одновременно палладиевый катализатор реагирует с арилбромидом с образованием палладиевого промежуточного соединения (Ar'PdB), которое подвергается переметаллированию с образованием ArPdAr', что, в свою очередь, восстановительно удаляет биарил . ^{[15] [16]}

Редокс-нейтральная реакция — это реакция концевых алкинов с галогеналкинами с солью меди (I) в реакции Кадио-Ходкевича . Также возможно термическое соединение двух медьорганических соединений.

Карбокупратион

Карбокупрация представляет собой нуклеофильное присоединение медьорганических реагентов ( R-Cu ) к ацетилену или концевым алкинам , приводящее к образованию алкенилмедного соединения ( R ₂ C=C(R)-Cu ). ^[17] Это особый случай карбометаллирования , также называемый реакцией Норманта . ^{[18] [19]}

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

Синтетические приложения

• Сочетание Чана -Лама позволяет образовывать связи арилуглерод-гетороатом. Он включает сочетание бороновых кислот , станнанов или силоксанов с NH- или OH-содержащими субстратами.
• Реакция Ульмана включает реакции арилгалогенидов, опосредованные медью. Различают два типа реакции Ульмана:
  1. Классический синтез симметричных биарильных соединений, промотированный медью)
  2. Нуклеофильное ароматическое замещение, промотируемое медью.
• Реакция сочетания Соногаширы , в которой используются как медь, так и палладий, включает в себя связывание арил- и/или винилгалогенидов с концевыми алкинами.

Восстановители

Гидриды меди являются специализированными восстановителями . Хорошо известный гидрид меди представляет собой реактив Страйкера с формулой [(PPh ₃ )CuH] ₆ . Он уменьшает алкеновую часть α,β-ненасыщенных карбонильных соединений . ^[21] В родственной, но каталитической реакции используется комплекс меди(I) NHC с гидридными эквивалентами, обеспечиваемыми гидросиланом . ^{[22] [23]}

Реакция алкилирования меди

Реакции алкилирования медьорганических реагентов, как правило, протекают через гамма -алкилирование. Цис - гамма- атака лучше происходит в циклогексилкарбамате из-за стерических свойств. Сообщается, что реакция протекает в эфирных растворителях. Этот метод оказался очень эффективным для окислительного сочетания аминов и алкилов, в том числе трет -бутила, и арилгалогенидов. ^[24]

Реакции вицинальной функционализации

Вицинальная функционализация с использованием последовательности альдольных реакций карбокупрата/Мукаиямы: ^[25]

Мюллер и его коллеги сообщили о вицинальной функционализации α,β-ацетиленовых эфиров с использованием последовательности реакции карбокупратион/альдоль Мукаямы (как показано на рисунке выше). Карбокупрат способствует образованию Z-альдола.

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, Ю.; Ямаммото, С.; Ятагай, Х.; Маруяма, К. (1980). «Реакции, опосредованные кислотой Льюиса, с медьорганическим реагентом. Значительно усиленная региоселективная гамма-атака аллилгалогенидов и прямое алкилирование аллиловых спиртов через RCu.BF ₃ ». Журнал Американского химического общества . 102 (7): 2318–2325. дои : 10.1021/ja00527a032.

Рекомендации

1. Гэри Х. Познер (1980). Введение в синтез с использованием медьорганических реагентов . Нью-Йорк: Уайли: Уайли. ISBN 0-471-69538-6.
2. WA Herrmann, изд. (1999). Синтетические методы металлоорганической и неорганической химии . Том. 5. Медь, серебро, золото, цинк, кадмий и ртуть. Штутгарт: Тиме. 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. Штраус, SH (2000). «Карбонилы меди (I) и серебра (I). Быть или не быть неклассическими». Журнал Химического общества, Dalton Transactions . 2000 : 1–6. дои : 10.1039/A908459B.
6. Свет, КМ; Вишневский, Дж. А.; Виньярд, Вашингтон; Кибер-Эммонс, Монтана (2016). «Восприятие растительного гормона этилена: известное-известное и известное-неизвестное». Ж. Биол. Неорг. Хим . 21 (5–6): 715–728. дои : 10.1007/s00775-016-1378-3. PMID  27456611. S2CID  14399214.
7. Дельбаре, LTJ; Макбрайд, Д.В.; Фергюсон, РБ (1970). «Кристаллическая структура π-циклопентадиенил(триэтилфосфин)меди(I), π-C ₅ H ₅ CuP(C ₂ H ₅ ) ₃ ». Акта Кристаллографика Б. 26 (5): 515–21. дои : 10.1107/S056774087000273X.
8. Posner, GH 2011. Реакции замещения с использованием медьорганических реагентов. Органические реакции. 22:2:253–400
9. Кэрнкросс, Аллан; Шеппард, Уильям А; Вончоба, Эдвард; Гилфорд, Уильям Дж; Хаус, Синтия Б; Коутс, Роберт М. (1979). «Тетрамер пентафторфенилмеди - реагент для синтеза фторированных ароматических соединений». Органические синтезы . 59 : 122. дои : 10.15227/orgsyn.059.0122.
10. Н. П. Лоренцен, Э. Вайс (1990). «Синтез и структура димерного дифенилкупрата лития: [{Li(OEt)2}(CuPh2)]2». Энджью. хим. Межд. Эд. 29 (3): 300–302. дои : 10.1002/anie.199003001.
11. Берц, Стивен Х.; Коуп, Стивен; Мерфи, Майкл; Огл, Крейг А.; Тейлор, Брэд Дж. (2007). «ЯМР для быстрой инъекции в механистической медьорганической химии. Получение неуловимого промежуточного соединения меди (III) 1». Журнал Американского химического общества . 129 (23): 7208–9. дои : 10.1021/ja067533d. ПМИД  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, А.В. (2004). «Медь в реакциях перекрестного сочетания: Химия Поста Ульмана». Коорд. хим. Преподобный . 248 : 2337–2364. дои : 10.1016/j.ccr.2004.09.014.
14. Пример см.: Познер, Гэри Х.; Уиттен, Чарльз Э. (2003). «Вторичные и третичные алкилкетоны из хлоридов карбоновых кислот и реагенты фенилтио(алкил)купрата лития: трет-бутилфенилкетон». Органические синтезы : 122. doi :10.1002/0471264180.os055.28. ISBN 0471264229.
15. Гуссен, ЖЖ; Дэн, Г; Леви, LM (2006). «Синтез биарилов посредством каталитического декарбоксилативного сочетания». Наука . 313 (5787): 662–4. Бибкод : 2006Sci...313..662G. дои : 10.1126/science.1128684. ПМИД  16888137.
16. Реагенты: основной карбонат калия , растворитель NMP , катализаторы ацетилацетонат палладия , йодид меди (I) , МС означает молекулярные сита , лиганд фенантролин.
17. Для примера: «Присоединение этилмедного комплекса 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». Обзоры химического общества . 45 (16): 4552–4566. дои : 10.1039/C5CS00897B. ПМК 5166570 . ПМИД  26808300. 
20. ХЕНДРИКС, АМАНДА ДЖОЙ МЮЛЛЕР. НОВЫЕ МЕТОДОЛОГИИ С ПОМОЩЬЮ КАТАЛИТИЧЕСКОГО КАРБОКУПРИРОВАНИЯ АЛКИНОАТОВ И ПОЛНОГО СИНТЕЗА (+)-АСПЕРГИЛЛИДА B (PDF) . Проверено 17 января 2018 г.
21. Дойбле, Джон Ф.; Страйкер, Джеффри М. (2001). «Гекса-μ-гидрогексакис(трифенилфосфин)гексамедь». Энциклопедия реагентов для органического синтеза . дои : 10.1002/047084289X.rh011m. ISBN 0471936235.
22. Кокс, Н.; Данг, Х.; Уиттакер, AM; Лалич, Г. (2014). «NHC-гидриды меди как хемоселективные восстановители: каталитическое восстановление алкинов, алкилтрифлатов и алкилгалогенидов». Тетраэдр . 70 (27–28): 4219–4231. дои : 10.1016/j.tet.2014.04.004.
23. Юркаускас, В.; Садиги, JP; Бухвальд, С.Л. (2003). «Сопряженное присоединение a,b-ненасыщенных соединений, катализируемое медно-карбеновым комплексом». Орг. Летт . 5 (14): 2417–2420. дои : 10.1021/ol034560p. ПМИД  12841744.
24. Ямамото, Х.; Марука, К. (1980). «Новое N-алкилирование аминов медьорганическими реагентами». Дж. Орг. Хим . 45 (13): 2739–2740. дои : 10.1021/jo01301a048.
25. Мюллер, AJ; Дженнингс, М.П. Вицинальная функционализация пропионилатных эфиров посредством последовательности тандемной каталитической реакции карбокупратион-Мукаияма-альдоль. Орг. Летт. 2008, 10, 1649-1652 гг.