Химия цинкорганических соединений изучает физические свойства, синтез и реакции цинкорганических соединений , которые представляют собой металлоорганические соединения , содержащие химические связи углерода (C) с цинком (Zn) . [1] [2] [3] [4]
Цинкорганические соединения были одними из первых полученных металлоорганических соединений. Они менее реакционноспособны, чем многие другие аналогичные металлоорганические реагенты, такие как реагенты Гриньяра и литийорганические реагенты . В 1848 году Эдвард Франкланд получил первое цинкорганическое соединение, диэтилцинк , путем нагревания этилиодида в присутствии металлического цинка. [5] Эта реакция дала летучую бесцветную жидкость, которая самопроизвольно воспламенялась при контакте с воздухом. Из-за своей пирофорной природы цинкорганические соединения обычно получают с использованием методов, не требующих воздуха . Они нестабильны по отношению к протонным растворителям . Для многих целей их готовят in situ , а не выделяют, но многие из них были выделены в виде чистых веществ и тщательно охарактеризованы. [6]
Цинкорганические соединения можно классифицировать по числу углеродных заместителей, связанных с металлом. [2] [3]
В своих координационных комплексах цинк(II) принимает несколько координационных геометрий, обычно октаэдрическую , тетраэдрическую и различные пентакоординационные геометрии. Эта структурная гибкость может быть отнесена к электронной конфигурации цинка [Ar]3d 10 4s 2 . 3d-орбиталь заполнена, и, следовательно, эффекты поля лиганда отсутствуют. Координационная геометрия, таким образом, определяется в основном электростатическими и стерическими взаимодействиями. [2] Цинкорганические соединения обычно являются двух- или трехкоординированными, что отражает сильное донорное свойство карбанионных лигандов.
Типичные диорганоцинковые комплексы имеют формулу R 2 Zn. Диалкилцинковые соединения являются мономерными с линейной координацией у атома цинка. [7] Между углеродом и цинком существует полярная ковалентная связь , поляризованная по направлению к углероду из-за различий в значениях электроотрицательности (углерод: 2,5 и цинк: 1,65). Дипольный момент симметричных диорганоцинковых реагентов можно рассматривать как нулевой в этих линейных комплексах, что объясняет их растворимость в неполярных растворителях, таких как циклогексан . В отличие от других бинарных алкилов металлов, диорганоцинковые виды демонстрируют низкое сродство к комплексообразованию с эфирным растворителем. Связывание в R 2 Zn описывается как использование sp- гибридизованных орбиталей на Zn. [2]
Эти структуры приводят к тому, что цинк имеет две связывающие d-орбитали и три низколежащие несвязывающие d-орбитали (см. несвязывающая орбиталь ), которые доступны для связывания. Когда цинку не хватает лигандов, отдающих электроны, он не может получить координационное насыщение, что является следствием большого атомного радиуса и низкого дефицита электронов цинка. Поэтому редко происходит образование мостиковых алкильных или арильных групп из-за слабого дефицита электронов атома цинка. Хотя это происходит в некоторых случаях, таких как Ph 2 Zn (показано ниже) и какие галогены являются органоцинком, могут образовывать металлические кластеры (см. химия кластеров ). Когда к атому цинка добавляется галогенный лиганд, как акцепторный, так и донорный характер цинка усиливается, что позволяет агрегировать. [2]
Существует несколько методов получения цинкорганических соединений. Коммерчески доступные диорганоцинковые соединения — это диметилцинк , диэтилцинк и дифенилцинк. Эти реагенты дороги и сложны в обращении. В одном исследовании [8] [9] активное цинкорганическое соединение получают из гораздо более дешевых прекурсоров броморганических соединений :
Оригинальный синтез диэтилцинка Франкландом включает реакцию этилиодида с металлическим цинком. Цинк должен быть активирован, чтобы облегчить эту окислительно-восстановительную реакцию. Одной из таких активированных форм цинка, используемых Франкландом, является пара цинк-медь . [5]
Цинк Рике , полученный восстановлением ZnCl2 in situ с калием, является другой активированной формой цинка. Эта форма оказалась полезной для таких реакций, как сочетание Негиши и сочетание Фукуямы . Образование цинкорганических реагентов облегчается для алкил- или арилгалогенидов, содержащих электроноакцепторные заместители, например, нитрилы и эфиры. [10] [11]
Две наиболее распространенные реакции взаимопревращения функциональных групп цинка происходят с галогенидами и бором, которые катализируются иодидом меди (CuI) или основанием. Промежуточный бор синтезируется начальной реакцией гидроборирования с последующей обработкой диэтилцинком . Этот синтез показывает полезность цинкорганических реагентов, демонстрируя высокую селективность для наиболее реакционноспособного участка в молекуле, а также создавая полезные партнеры по связыванию. [12]
Эту реакцию переноса группы можно использовать в аллилировании или других реакциях сочетания (например, реакция Негиши). [13]
Одним из главных недостатков диорганоцинкалкилирования является то, что переносится только один из двух алкильных заместителей. Эту проблему можно решить, используя Me 3 SiCH 2 - (TMSM), который является непереносимой группой. [14]
Трансметаллирование похоже на взаимопревращения, показанные 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 цинка в том, что он часто более толерантен к другим функциональным группам в молекуле из-за низкой реакционной способности, что повышает селективность. [15]
Органоцинк можно получить непосредственно из металлического цинка: [17] [18]
Во многих их реакциях цинкорганические соединения выступают в качестве промежуточных продуктов.
Эта органическая реакция может быть использована для преобразования α-галогенэфира и кетона или альдегида в β-гидроксиэфир. Кислота необходима для протонирования полученного алкоголята во время обработки. Начальным шагом является окислительное присоединение цинкового металла к связи углерод-галоген, в результате чего образуется енолят углерода-цинка. Этот енолят C-Zn затем может перегруппироваться в енолят кислорода-цинка посредством координации. После того, как он образован, другой исходный материал, содержащий карбонил, будет координироваться способом, показанным ниже, и давать продукт после протонирования. [20] Преимущества реакции Реформатского по сравнению с обычными протоколами альдольной реакции заключаются в следующем:
Ниже показано шестичленное переходное состояние модели Циммермана-Тракслера (контроль хелатирования, см. Альдольная реакция ), в котором R 3 меньше R 4 . [21]
Реакция Реформатского использовалась в многочисленных полных синтезах, таких как синтез C(16),C(18)-бис-эпи-цитохалазина D: [22]
Реакция Реформатского даже допускает гомоеноляты цинка. [23] Модификацией реакции Реформатского является реакция Блейза . [21]
Реагент Симмонса -Смита используется для получения циклопропанов из олефинов с использованием метиленйодида в качестве источника метилена. Реакция осуществляется с цинком. Ключевым образующимся промежуточным цинком является карбеноид (йодометил)цинкйодид, который реагирует с алкенами, давая циклопропанированный продукт. Скорость образования активных видов цинка увеличивается с помощью ультразвука, поскольку начальная реакция происходит на поверхности металла.
Хотя механизм не был полностью разработан, предполагается, что органоцинковый промежуточный продукт является металл- карбеноидом . Считается, что промежуточный продукт является трехцентровым "типа бабочки". Этот промежуточный продукт может быть направлен заместителями, такими как спирты, для доставки циклопропана на ту же сторону молекулы. Пара цинк-медь обычно используется для активации цинка. [21]
Цинкорганические соединения , полученные из бромистого или иодистого метилена , могут электрофильно присоединяться к карбонильным группам с образованием терминальных алкенов . [24] Реакция механически связана с реакцией Теббе и может катализироваться различными кислотами Льюиса (например, TiCl4 или Al2Me6 ) . [25] Реакция используется для введения дейтерия в молекулы для изотопной маркировки или в качестве альтернативы реакции Виттига .
Эта мощная связь углерода-углерода, образующая реакции перекрестного сочетания, объединяет органический галогенид и реагент цинкорганического галогенида в присутствии никелевого или палладиевого катализатора . Органическим галогенидным реагентом может быть алкенил , арил , аллил или пропаргил . Сообщалось также о взаимодействии алкилцинка с алкилгалогенидами, такими как бромиды и хлориды, с активными катализаторами, такими как прекатализаторы Pd-PEPPSI, которые сильно сопротивляются элиминированию бета-гидрида (обычное явление с алкильными заместителями). [26] В качестве партнеров по сочетанию на этапе трансметаллирования в этой реакции могут использоваться как диорганические [ проверьте написание ] виды, так и цинкорганические галогениды. Несмотря на низкую реакционную способность реагентов цинкорганического галогенида по отношению к органическим электрофилам, эти реагенты являются одними из самых мощных нуклеофилов металлов по отношению к палладию. [27]
Виды алкилцинка требуют присутствия по крайней мере стехиометрического количества ионов галогенида в растворе для образования «цинкатных» видов в форме RZnX 3 2− , прежде чем они смогут подвергнуться трансметаллированию в палладиевый центр. [28] Такое поведение сильно контрастирует со случаем видов арилцинка. Ключевым шагом в каталитическом цикле является трансметаллирование , в котором галогенид цинка обменивает свой органический заместитель на другой галоген с металлическим центром.
Элегантным примером сочетания Негиши является синтез амфидинолида T1 Фюрстнера: [29]
Сочетание Фукуямы — это катализируемая палладием реакция, включающая сочетание арильного, алкильного, аллильного или α,β-ненасыщенного тиоэфирного соединения. Это тиоэфирное соединение может быть связано с широким спектром цинкорганических реагентов для выявления соответствующего кетонного продукта. 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 кетона происходит легче, чем окислительное добавление палладия в эти другие фрагменты. [30]
Еще одним примером этого метода связывания является синтез (+)- биотина . В этом случае связывание Фукуямы происходит с тиолактоном: [31]
Реакция Барбье включает нуклеофильное присоединение карбаниона, эквивалентного карбонилу. Превращение похоже на реакцию Гриньяра. Цинкорганический реагент образуется путем окислительного присоединения к алкилгалогениду. Реакция производит первичный, вторичный или третичный спирт путем 1,2-присоединения . Реакция Барбье выгодна, поскольку 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 , в котором может образовываться более реактивный диалкилцинк. [21]
Механизм напоминает реакцию Гриньяра , в которой алкоксид металла может быть получен радикальным ступенчатым путем, через перенос одного электрона или согласованным путем реакции через циклическое переходное состояние. Примером этой реакции является синтез циклопропарадицикола Данишефским . При использовании условий реакции присоединения цинкорганического соединения другие функциональные группы диенона и алкина допускаются: [32]
Образование ацетилида цинка происходит через посредничество диалкилцинка (обмен функциональной группой). Были разработаны каталитические процессы, такие как процесс эфедрина Merck. [33] Пропаргиловые спирты могут быть синтезированы из ацетилидов цинка. Эти универсальные промежуточные продукты затем могут быть использованы для широкого спектра химических превращений, таких как реакции кросс-сочетания , гидрирование и перициклические реакции . [34]
В отсутствие лигандов реакция идет медленно и неэффективно. В присутствии хиральных лигандов реакция идет быстро и дает высокую конверсию. Рёдзи Ноёри определил, что активным видом является комплекс моноцинк-лиганд. [35]
Диастереоселективность присоединения цинкорганических реагентов к альдегидам можно предсказать с помощью следующей модели Нойори и Дэвида А. Эванса : [36]
Цинк-ацетилиды используются в ингибиторе обратной транскриптазы ВИЧ-1 Эфавирензе, а также в производных эфедрина компании Merck . [37]
Первый цинкорганический комплекс ( органоцинкат ) был описан в 1858 году Джеймсом Альфредом Ванклином [38] , помощником Франкленда, и касался реакции элементарного натрия с диэтилцинком :
Цинкорганические соединения, которые являются сильно кислотными по Льюису , уязвимы для нуклеофильной атаки щелочных металлов , таких как натрий , и, таким образом, образуют эти «соединения атов». Распознаются два типа цинкорганических соединений: тетраорганические соединения ([R 4 Zn]M 2 ), которые являются дианионными, и триорганические соединения ([R 3 Zn]M), которые являются моноанионными. Их структуры, которые определяются лигандами, были подробно охарактеризованы. [3]
Тетраорганоцинкаты, такие как [Me 4 Zn]Li 2, могут быть образованы путем смешивания Me 2 Zn и MeLi в молярном соотношении ректантов 1:2. Другой пример синтетического пути образования спироциклических органоцинкатов показан ниже: [3]
Триорганоцинкатные соединения образуются при обработке 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 распадается на гидридоэтилцинкат натрия (II) в результате элиминирования бета-гидрида : [39]
Продукт представляет собой битетраэдрическую структуру с общими ребрами и мостиковыми гидридными лигандами .
Хотя они и менее изучены, органоцинкаты часто обладают повышенной реакционной способностью и селективностью по сравнению с нейтральными диорганоцинковыми соединениями. Они были полезны в стереоселективных алкилированиях кетонов и родственных карбонилов, реакциях раскрытия кольца. Арилтриметилцинкаты участвуют в реакциях формирования CC, опосредованных ванадием. [3]
Известны также низковалентные цинкорганические соединения, имеющие связь Zn–Zn. Первое такое соединение, декаметилдицинкоцен , было описано в 2004 году. [40]