В органической химии карбанион — это анион , в котором углерод заряжен отрицательно. [1] [ не удалось проверить ]
Формально карбанион — это сопряженное основание угольной кислоты :
где B обозначает основание . Карбанионы, образующиеся в результате депротонирования алканов (по углероду sp 3 ), алкенов (по углероду sp 2 ), аренов (по углероду sp 2 ) и алкинов (по углероду sp ), известны как алкил , алкенил ( винил ) . , арил и алкинил ( ацетилид ) 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 , имины / соли иминия , галогенирующие реагенты (например, N -бромсукцинимид и дийод ). и доноры протонов . Карбанион — один из нескольких реакционноспособных промежуточных продуктов органической химии . В органическом синтезе литийорганические реагенты и реактивы Гриньяра обычно обрабатывают и называют «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 настоящие карбанионы.
В отсутствие π-делокализации отрицательный заряд карбаниона локализуется на sp x- гибридной орбитали углерода в виде неподеленной пары . Как следствие, локализованные алкил-, алкенил/арил- и алкинилкарбанионы принимают тригонально-пирамидальную, изогнутую и линейную геометрию соответственно. Согласно правилу Бента , размещение карбанионной неподеленной пары электронов на орбитали со значительным s-характером является благоприятным, что объясняет пирамидальную и изогнутую геометрию алкильных и алкенильных карбанионов соответственно. Теория отталкивания электронных пар валентной оболочки (VSEPR) делает аналогичные предсказания. Это контрастирует с карбокатионами, которые отдают предпочтение незанятым несвязывающим орбиталям чистого атомного p-характера, что приводит к плоской и линейной геометрии соответственно для алкильных и алкенильных карбокатионов.
Однако делокализованные карбанионы могут отклоняться от этой геометрии. Вместо того, чтобы находиться на гибридной орбитали, неподеленная карбанионная пара может занимать ар-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 сопряженными группами (например, аллильные анионы, еноляты, нитронаты и т. д.) обычно имеют плоскую, а не пирамидальную форму. Точно так же делокализованные алкенилкарбанионы иногда предпочитают линейную, а не изогнутую геометрию. Чаще всего изогнутая геометрия по-прежнему предпочтительна для замещенных алкенил-анионов, хотя линейная геометрия лишь немного менее стабильна, что приводит к легкому уравновешиванию между ( E ) и ( Z )-изомерами (изогнутого) аниона через линейное переходное состояние. [2] Например, расчеты показывают, что исходный виниловый анион или этиленид H 2 C=CH - имеет барьер инверсии 27 ккал/моль (110 кДж/моль), тогда как алленильный анион или алленид H 2 C=C =CH − ↔ H 2 C − −C≡CH ), отрицательный заряд которого стабилизируется за счет делокализации, имеет инверсионный барьер всего 4 ккал/моль (17 кДж/моль), что отражает стабилизацию линейного переходного состояния за счет лучшей π-делокализации. . [3]
Карбанионы обычно являются нуклеофильными и основными. Основность и нуклеофильность карбанионов определяются заместителями при углероде. К ним относятся
Геометрия также влияет на орбитальную гибридизацию несущего заряд карбаниона. Чем больше s-характер несущего заряда атома, тем стабильнее анион.
Карбанионы, особенно полученные из слабых углеродных кислот, которые не получают достаточного эффекта от двух перечисленных выше стабилизирующих факторов, обычно в разной степени чувствительны к кислороду и воде. В то время как некоторые из них просто разлагаются и разлагаются в течение нескольких недель или месяцев под воздействием воздуха, другие могут почти сразу же энергично и экзотермически реагировать с воздухом, приводя к самопроизвольному воспламенению ( пирофорность ). Среди карбанионных реагентов, часто встречающихся в лаборатории, ионные соли цианида водорода ( цианиды ) необычны тем, что они неопределенно стабильны в сухом воздухе и очень медленно гидролизуются в присутствии влаги.
Металлоорганические реагенты, такие как бутиллитий (гексамерный кластер, [BuLi] 6 ) или бромид метилмагния (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 электронная плотность сильно поляризована в сторону атома углерода. Чем более электроположителен присоединенный атом металла, тем ближе поведение реагента к поведению настоящего карбаниона.
Фактически, настоящие карбанионы (т.е. виды, не присоединенные к стабилизирующему ковалентно связанному металлу) без электроноакцепторных и/или сопрягающих заместителей недоступны в конденсированной фазе, и эти виды необходимо изучать в газовой фазе. Некоторое время было неизвестно, могут ли простые алкил-анионы существовать в свободном виде; многие теоретические исследования предсказывали, что даже анион метанида CH−3должен быть несвязанным (т.е. сродство к электрону •CH 3 было предсказано отрицательным). Такая разновидность разложилась бы немедленно в результате спонтанного выброса электрона и, следовательно, была бы слишком мимолетной, чтобы ее можно было наблюдать непосредственно с помощью масс-спектрометрии. [4] Однако в 1978 году метанид-анион был однозначно синтезирован путем подвергания кетена электрическому разряду, а сродство к электрону (EA) •CH 3 было определено фотоэлектронной спектроскопией как +1,8 ккал/моль, что делает его связанным виды, но едва ли. Строение СН−3Было обнаружено, что он имеет пирамидальную форму (C 3v ) с углом H-C-H 108° и барьером инверсии 1,3 ккал/моль, тогда как •CH 3 был определен как плоский (точечная группа D 3h ). [5]
Простые первичные, вторичные и третичные карбанионы sp 3 (например, этанид CH 3 CH−2, изопропанид (CH 3 ) 2 CH - и т -бутанид (CH 3 ) 3 C - впоследствии были определены как несвязанные виды (ЭА 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, циклопропильный и кубильный анионы связываются за счет увеличения s-характера орбитали неподеленной пары, тогда как неопентил- и фенетил-анионы также связываются в результате отрицательного гиперконъюгирования неподеленной пары с β-заместителем (n C → σ* С-С ). То же самое справедливо и для анионов с бензильной и аллильной стабилизацией. Карбанионы в газовой фазе, которые являются sp 2 и sp-гибридизированными, гораздо сильнее стабилизированы и часто получаются непосредственно путем депротонирования в газовой фазе. [6]
В конденсированной фазе в качестве истинно ионных частиц были выделены только карбанионы, которые достаточно стабилизированы путем делокализации. В 1984 году Олмстед и Пауэр представили литий- краун- эфирную соль карбаниона трифенилметанида 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 12-краун-4 приводит к образованию красного раствора и солевого комплекса [Li(12-краун-4)] + [CPh 3 ] − выпадает в осадок при −20 °C. Длина центральной связи C–C составляет 145 пм, фенильное кольцо движется под средним углом 31,2 °. Эта форма пропеллера менее выражена с противоионом тетраметиламмония. Также была получена кристаллическая структура аналогичного дифенилметанид-аниона ([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 импульсным радиолизом дибензилртути. [9]
В начале 1904 [10] и 1917 года [11] Шленк получил две соли красного цвета, сформулированные как [NMe 4 ] + [CPh 3 ] - и [NMe 4 ] + [PhCH 2 ] - соответственно, путем метатезиса соответствующий натрийорганический реагент с хлоридом тетраметиламмония. Поскольку катионы тетраметиламмония не могут образовывать химическую связь с карбанионным центром, считается, что эти виды содержат свободные карбанионы. Хотя структура первого была подтверждена с помощью рентгеновской кристаллографии почти столетие спустя, [12] нестабильность второго до сих пор не позволяет провести структурную проверку. Сообщалось , что реакция предполагаемого « [NMe 4 ] + [PhCH 2 ] - » с водой приводит к высвобождению толуола и гидроксида тетраметиламмония, что является косвенным подтверждением заявленного состава.
Одним из инструментов обнаружения карбанионов в растворе является протонный ЯМР . [13] Спектр циклопентадиена в ДМСО показывает четыре виниловых протона при 6,5 м.д. и два протона метиленового мостика при 3 м.д., тогда как циклопентадиенильный анион имеет одиночный резонанс при 5,50 м.д. Использование ЯМР 6 Li и 7 Li позволило получить данные о структуре и реакционной способности различных литийорганических соединений.
Любое соединение, содержащее водород, в принципе может подвергаться депротонированию с образованием сопряженного основания. Соединение является угольной кислотой , если депротонирование приводит к потере протона у атома углерода. По сравнению с соединениями, которые обычно считаются кислотами (например, минеральными кислотами , такими как азотная кислота , или карбоновыми кислотами, такими как уксусная кислота ), угольные кислоты обычно на много порядков слабее, хотя существуют исключения (см. ниже). Например, бензол не является кислотой в классическом понимании Аррениуса , поскольку его водные растворы нейтральны. Тем не менее, это очень слабая кислота Бренстеда с предполагаемым p K a 49, которая может подвергаться депротонированию в присутствии супероснования, такого как основание Лохмана-Шлоссера ( н -бутиллитий и т -бутоксид калия ). Факторы, определяющие относительную стабильность карбанионов, как сопряженных кислотно-основных пар, определяют также и упорядоченность значений p K a соответствующих карбоновых кислот. Кроме того, значения p K a позволяют предсказать, будет ли процесс переноса протона термодинамически выгодным: для того, чтобы депротонирование кислой разновидности HA основанием B − было термодинамически выгодным ( K > 1), соотношение p K a ( BH) > p K a (AH) должно выполняться.
Приведенные ниже значения представляют собой значения p K a , определенные в диметилсульфоксиде (ДМСО), который имеет более широкий полезный диапазон (от ~0 до ~35), чем значения, определенные в воде (от ~0 до ~14), и лучше отражает основность карбанионов в типичных органические растворители. Значения ниже 0 или больше 35 оцениваются косвенно; следовательно, численная точность этих значений ограничена. Значения p K a для водной среды 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 растворителей часто замалчивается. В общем, значения p K a в воде и органическом растворителе значительно различаются, когда анион способен образовывать водородные связи. Например, в случае воды значения резко различаются: p K a в воде из воды составляет 14,0, [14] , тогда как p K a в ДМСО из воды составляет 31,4, [15] , что отражает различную способность воды и воды. ДМСО для стабилизации гидроксид- аниона. С другой стороны, для циклопентадиена численные значения сопоставимы: pKa в воде равно 15, а pKa в ДМСО равно 18. [15]
Как видно из приведенных выше примеров, кислотность увеличивается (p K a уменьшается), когда отрицательный заряд делокализован. Этот эффект возникает, когда заместители карбаниона ненасыщены и/или электроотрицательны. Хотя угольные кислоты обычно считаются кислотами, которые намного слабее, чем «классические» кислоты Бренстеда, такие как уксусная кислота или фенол, кумулятивный (аддитивный) эффект нескольких электроноакцепторных заместителей может привести к образованию кислот, которые будут такими же сильными или более сильными, чем неорганические минеральные кислоты. кислоты. Например, тринитрометан HC(NO 2 ) 3 , трицианометан HC(CN) 3 , пентацианоциклопентадиен C 5 (CN) 5 H и фульминовая кислота HCNO — все они являются сильными кислотами со значениями p K a в водной среде , которые указывают на полный или почти полный перенос протона. к воде. Трифлидовая кислота с тремя сильно электроноакцепторными трифлильными группами имеет расчетное значение p K a значительно ниже -10. На другом конце шкалы, как полагают, углеводороды, содержащие только алкильные группы, имеют значения p K a в диапазоне от 55 до 65. Таким образом, диапазон констант кислотной диссоциации углеродных 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 присоединение Михаэля .
При молекулярной геометрии карбаниона, описываемой как тригональная пирамида , вопрос заключается в том, могут ли карбанионы проявлять хиральность или нет , потому что, если активационный барьер для инверсии этой геометрии слишком низок, любая попытка введения хиральности закончится рацемизацией , подобно азоту . инверсия . Однако существуют убедительные 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-йодоктана с втор -бутиллитием в петролейном эфире при -70 ° C с последующей реакцией с сухим льдом дала в основном рацемическую 2-метилмасляную кислоту , но также и количество оптически активной 2-метилоктановой кислоты, которое могло образоваться только из столь же оптически активного 2-метилгептиллития с атомом углерода, связанным с карбанионом лития: [22]
При нагревании реакции до 0°С оптическая активность теряется. Еще больше доказательств последовало в 1960-х годах. Реакция цис- изомера 2-метилциклопропилбромида с втор -бутиллитием снова с последующим карбоксилированием сухим льдом дала цис -2-метилциклопропилкарбоновую кислоту. Образование транс- изомера указывало бы на нестабильность промежуточного карбаниона. [23]
Таким же образом реакция (+)-( S ) -1 -бром-1 - метил-2,2-дифенилциклопропана с н -бутиллитием с последующей закалкой метанолом привела к получению продукта с сохранением конфигурации : [24]
В последнее время появились хиральные соединения метиллития: [25]
Фосфат 1 содержит хиральную группу с водородным и дейтериевым заместителями . Станнильная группа замещается литием в интермедиат 2 , который 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 в этой реакционной последовательности сохраняется хиральность. ( Энантиоселективность определяли методом ЯМР-спектроскопии после дериватизации кислотой Мошера .)
Карбанионная структура впервые появилась в механизме реакции конденсации бензоина , как правильно предположили Кларк и Артур Лапворт в 1907 году. [26] В 1904 году Вильгельм Шленк получил [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 [27]. Фраза «карбанион» была введена Уоллисом и Адамсом в 1933 году как отрицательно заряженный аналог карбония . ион [28] [29]