Büchner – Curtius – Schlotterbeckova reakce - Büchner–Curtius–Schlotterbeck reaction

Nesmí být zaměňována s Rozšíření Buchnerova prstenu.

The Buchner – Curtius – Schlotterbeckova reakce je reakce z aldehydy nebo ketony s alifatický diazoalkany vytvořit homologovaný ketony.[1] Poprvé to popsal Eduard Buchner a Theodor Curtius v roce 1885[2] a později Fritz Schlotterbeck v roce 1907.[3] Schlotterbeck před objevením reakce předcházeli také dva němečtí chemici, Hans von Pechmann v roce 1895 a Viktor Meyer v roce 1905.[4][5] Reakce se od té doby rozšířila na syntézu β-keto estery z kondenzace mezi aldehydy a diazo estery.[6] Obecné reakční schéma je následující:

Obecné schéma pro Buchnerovu reakci

Reakce poskytuje dvě možné karbonyl sloučeniny (I a II) spolu s an epoxid (III). Poměr produktů je určen použitým reaktantem a reakčními podmínkami.

Mechanismus reakce

Obecný mechanismus je uveden níže. Rezonující šipka (1) ukazuje a přispěvatel rezonance diazo sloučeniny s osamělým párem elektrony na uhlík sousedící s dusík. Diazo sloučenina pak dělá a nukleofilní útok na sloučeninu obsahující karbonylovou skupinu (nukleofilní adice ), produkující a čtyřboký meziprodukt (2). Tento meziprodukt se rozkládá vývojem plynného dusíku tvořícího terciární karbokation středně pokročilí (3).

Počáteční kroky v reakčním mechanismu Buchner – Curtius – Schlotterbeck

Reakce je pak dokončena buď reformací karbonylu přes 1,2-přeskupení nebo tvorbou epoxidu. Existují dva možné karbonylové produkty: jeden vzniklý migrací R1 (4) a další migrací R.2 (5). Relativní výtěžek každého možného karbonylu je určen migračními preferencemi R-skupin.

Mechanismy tvorby karbonylových produktů

Epoxidový produkt je tvořen intramolekulární adiční reakce ve kterém osamělý pár z kyslíku napadá karbokationt (6).

Mechanismus tvorby epoxidového produktu

Tato reakce je exotermická kvůli stabilitě plynného dusíku a sloučenin obsahujících karbonylovou skupinu. Tento specifický mechanismus je podporován několika pozorováními. Nejprve kinetické studie reakcí mezi diazomethan a různé ketony ukázaly, že následuje celková reakce kinetika druhého řádu.[7] Reaktivita dvou sérií ketonů je navíc v řádu Cl3CCOCH3 > CH3COCH3 > C6H5COCH3 a cyklohexanon > cyklopentanon > cykloheptanon > cyklooktanon.[7][8] Tyto řády reaktivity jsou stejné jako ty, které byly pozorovány u reakcí, které jsou dobře zavedené při nukleofilním útoku na karbonylovou skupinu.

Rozsah a variace

Reakce byla původně provedena v diethylether a rutinně generované vysoké výtěžky v důsledku inherentní nevratné reakce způsobené tvorbou plynný dusík. I když tyto reakce lze provádět při teplotě místnosti, rychlost se zvyšuje při vyšších teplotách. Typicky se reakce provádí při teplotách nižších než teplota varu pod zpětným chladičem.[3] Optimální reakční teplota je určena konkrétním použitým diazoalkanem. Reakce zahrnující diazomethany s alkylovými nebo arylovými substituenty jsou exotermické při teplotě místnosti nebo nižší.[9] Reakce zahrnující diazomethany s acyl nebo aroylové substituenty vyžadují vyšší teploty.[9] Reakce byla od té doby upravena tak, aby probíhala v přítomnosti Lewisovy kyseliny a běžná organická rozpouštědla, jako je THF a dichlormethan. Reakce obvykle probíhají při teplotě místnosti asi hodinu a výtěžek se pohybuje od 70% do 80%, podle volby Lewisova kyselina a rozpouštědlo.[10]

Sterické efekty

Sterické účinky z alkyl Bylo prokázáno, že substituenty na karbonylovém reaktantu ovlivňují jak sazby a výnosy Büchner – Curtius – Schlotterbeckovy reakce. Tabulka 1 ukazuje procentní výtěžek ketonových a epoxidových produktů, jakož i relativní rychlosti reakce pro reakce mezi několika methyl alkyl ketony a diazomethan.[7]

stůl 1
Začíná KetonKeton  %Epoxid  %Relativní sazba
CH3COCH33833.51.0
CH3COCH2CH332400.4
CH3COCH2CH2CH318550.15
CH3COCH (CH3) CH2--0.095
CH3CO (CH2)8CH30100-

Pozorované snížení rychlosti a zvýšení výtěžku epoxidu, jak se velikost alkylové skupiny zvětšuje, naznačuje sterický účinek.

Elektronické efekty

Ketony a aldehydy s substituenty přitahující elektrony reagují snadněji s diazoalkany než s ložisky substituenty darující elektrony (Tabulka 2). Kromě urychlení reakce substituenty přitahující elektrony typicky zvyšují množství produkovaného epoxidu (tabulka 2).

Tabulka 2
Počáteční směsKarbonyl  %Epoxid  %Odkaz
Benzaldehyd97-[3]
Ó-Nitrobenzaldehyd16.565[11]
p-Nitrobenzaldehyd2946[11]
Piperonal31-4618[12]
Aceton20-3833-40[13][14]
ChloracetonNějaký65[11][13]
1,1,1-trichloracetonStopa90[11][13]
Methoxyaceton-39[8]
Cyklohexanon6515[15]
2-chlorcyklohexanon1150[16]
2-hydroxycyklohexanon-90[17]

Účinky substituentů na diazoalkany jsou obráceny vzhledem k karbonylovým reaktantům: substituenty přitahující elektrony snižují rychlost reakce, zatímco substituenty darující elektrony ji urychlují. Například diazomethan je výrazně reaktivnější než ethyl diazoacetát, i když méně reaktivní než jeho vyšší alkylové homology (např. diazoethan).[18][19][20][21][22][23] Reakční podmínky mohou také ovlivnit výtěžky karbonylového produktu a epoxidového produktu. V reakcích Ó-nitrobenzaldehyd,[11] p-nitrobenzaldehyd,[24] a fenylacetaldehyd[7] s diazomethanem se poměr epoxidu k karbonylu zvyšuje zahrnutím methanolu v reakční směsi. Opačný vliv byl také pozorován při reakci piperonal s diazomethanem, který vykazuje zvýšený výtěžek karbonylu v přítomnosti methanolu.[25]

Předvolby migrace

Poměr dvou získaných karbonylových produktů (I a II) je určen relativními migračními schopnostmi karbonylových substituentů (R1 a R.2). Obecně platí, že skupina R, která je nejvíce schopna stabilizovat částečný kladný náboj vytvořený během přesmyku, migruje přednostně. Výrazná výjimka z tohoto obecného pravidla je řazení hydridů. Migrační preference karbonylových R-skupin mohou být silně ovlivněny volbou rozpouštědla a diazoalkanu. Ukázalo se například, že methanol podporuje migraci arylu.[11][12] Jak je ukázáno níže, pokud se reakce piperanolu (IV) s diazomethanem provádí v nepřítomnosti methanolu, je hlavním produktem (V) získaný keton, který se provádí hydridovým posunem. Pokud je rozpouštědlem methanol, dochází k arylovému posunu za vzniku aldehydu (VI), který nelze izolovat, protože pokračuje v reakci za vzniku ketonu (VII) a epoxidu (VIII).[11][12]

Vliv rozpouštědla na migrační preference

Použitý diazoalkan může také určit relativní výtěžky produktů ovlivněním migračních preferencí, jak je vyjádřeno reakcemi Ó-nitropiperonal s diazomethanem a diazoethanem. V reakci mezi Ó-nitropiperonál (IX) a diazomethan, arylový posun vede k produkci epoxidu (X) v 9 až 1 přebytku ketonového produktu (XI). Když je diazethan nahrazen diazomethanem, hydridový posun produkuje keton (XII), jediný izolovatelný produkt.[26]

Vliv diazoalkanu na migrační preference

Příklady v literatuře

K usnadnění jednoho uhlíku lze použít Büchner – Curtius – Schlotterbeckovu reakci kruhové expanze když je substrát keton cyklický. Například reakce cyklopentanon s diazomethan formuláře cyklohexanon (je uvedeno níže). Rozšíření Büchnerova prstenu reakce využívající diazoalkany se ukázaly jako synteticky užitečné, protože je lze použít nejen k vytvoření 5- a 6-členných kruhů, ale také nestabilnějších 7- a 8-členných kruhů.[27]

Büchner – Curtius – Schlotterbeckova reakce použitá v jednom rozšíření uhlíkového kruhu

Acyl-diazomethan může reagovat s aldehyd za vzniku β-diketon v přítomnosti a přechodový kov katalyzátor (SnCl2 v níže uvedeném příkladu). β-Diketony jsou běžnými biologickými produkty, a proto je jejich syntéza relevantní pro biochemický výzkum. Kromě toho kyselé β-vodíky β-diketonů jsou užitečné pro širší syntetické účely, protože je lze odstranit běžnými bázemi.[27]

Büchner – Curtius – Schlotterbeckova reakce se používala k tvorbě β-diketonů

Acyl-diazomethan lze také přidat do estery za vzniku β-ketoesterů, které jsou důležité pro syntéza mastných kyselin. Jak bylo uvedeno výše, kyselé β-vodíky mají také produktivitu funkčnost.[27]

Büchner – Curtius – Schlotterbeckova reakce použitá při tvorbě β-ketoesterů

Lze také použít Büchner – Curtius – Schlotterbeckovu reakci vložit A methylenový můstek mezi karbonylovým uhlíkem a a halogen z acylhalogenid. Tato reakce umožňuje zachování karbonylových a halogenidových funkčních skupin.[28]

Büchner – Curtius – Schlotterbeckova reakce slouží k vložení methylenového můstku mezi halogen a karbonyl uhlík acylhalogenidu

Sloučeniny obsahující dusík je možné izolovat pomocí Büchner – Curtius – Schlotterbeckovy reakce. Například acyl-diazomethan může reagovat s aldehydem v přítomnosti a Katalyzátor DBU za vzniku izolovatelných a-diazo-p-hydroxyesterů (viz níže).[27]

Příklad Büchner – Curtius – Schlotterbeckovy reakce za vzniku sloučeniny, která obsahuje diazo skupinu

Reference

  1. ^ Büchner – Curtius – Schlotterbeckova reakce. Komplexní reakce organických jmen a reagenty. John Wiley & Sons, Inc. 2010. doi:10.1002 / 9780470638859.conrr124. ISBN  9780470638859.
  2. ^ Buchner, E; Theodore Curtius (1885). „Synthese von Ketonsäureäthern aus Aldehyden und Diazoessigäther“. Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft. 18 (2): 2371–2377. doi:10,1002 / cber.188501802118.
  3. ^ A b C Schlotterbeck, Fritz (1907). „Transformace aldehydů na ketony pomocí diazomethanu“. Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft. 40 (2): 1826–1827. doi:10,1002 / cber.19070400285.
  4. ^ von Pechmann, Hans (1895). „Ueber Diazomethan“. Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft. 28 (1): 855–861. doi:10,1002 / cber.189502801189.
  5. ^ Meyer, Viktor (1905). „Über die Einwirkung von Diazomethan auf Aldehydsäuren und Aldehyde“. Monatshefte für Chemie. 26 (9): 1295. doi:10.1007 / BF01526540. S2CID  84264344.
  6. ^ Bandgar, B .; S. Pandit; V. Sadavarte (2001). „Montmorillonit K-10 katalyzovaná syntéza β-ketoesterů: kondenzace ethyl diazoacetátu s aldehydy za mírných podmínek“. Zelená chemie. 3 (5): 247–249. doi:10.1039 / B104116A.
  7. ^ A b C d Pohls, P. (1934). Zahajovací práce. Marburg, Německo: University of Marburg.
  8. ^ A b Pauli, O. (1935). Zahajovací práce. Marburg, Německo: University of Marburg.
  9. ^ A b C. David Gutsche (1954). „Svazek 8, kapitola 8: Reakce diazomethanu a jeho derivátů s aldehydy a ketony“. V Roger Adams (ed.). Organické reakce. New York: John Wiley & Sons. p. 396.
  10. ^ Holmquist, Christopher; Eric Roskamp (24. dubna 1989). „Selektivní metoda pro diazoacetát katalyzovala přímou přeměnu aldehydů na β-ketoestery s ethyl chloridem cínatým“. Journal of Organic Chemistry. 54 (14): 3258–3260. doi:10.1021 / jo00275a006.
  11. ^ A b C d E F G Arndt, Fritz; J. Amende; W. Ender (1. března 1932). „Synthesen mit Diazomethan VII Weiteres über die Umsetzung von Aldehyden und Ketonen“. Monatshefte für Chemie. 59 (1–2): 203–220. doi:10.1007 / BF01638230. S2CID  95999906.
  12. ^ A b C Mosettig, Erich (13. června 1928). „Über die Einwirkung von Diazo-methan auf Piperonal“. Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft (řada A a B). 61 (6): 1391–1395. doi:10.1002 / cber.19280610634.
  13. ^ A b C Eistert (1941). „Neuere Methoden der präparativen organischen Chemie 10. Synthesen mit Diazomethan“. Angew. Chem. 54 (99): 124–131. doi:10,1002 / ange.19410540904.
  14. ^ Meerwin, Ger. pat. 579 309 [C. A., 27, 4546 (1933)]
  15. ^ Kohler, E .; M. Tishler; H. Potter; H. Thompson (květen 1939). "Příprava cyklických ketonů rozšířením prstenců". Journal of the American Chemical Society. 61 (5): 1057–1061. doi:10.1021 / ja01874a021.
  16. ^ Gutsche, C. (říjen 1949). "Ring Enlargements. I. The Ring Enlargension of 2-Chlorocyclohexanone and 2-Phenylcyclohexanone". Journal of the American Chemical Society. 71 (10): 3513–3517. doi:10.1021 / ja01178a075.
  17. ^ Mousseron; Manon (1949). Bulletin de la Société Chimique: 392. Chybějící nebo prázdný | název = (Pomoc)
  18. ^ Mosettig, Erich; Alfred Burger (červen 1931). "Nové alkaminy v řadě tetrahydronaftalanů". Journal of the American Chemical Society. 53 (6): 2295–2300. doi:10.1021 / ja01357a038.
  19. ^ Giraitis, Albert; Jesse Bullock (květen 1937). "Reakce cyklohexanonu s diazethanem". Journal of the American Chemical Society. 59 (5): 951. doi:10.1021 / ja01284a511.
  20. ^ Adamson, Donald W .; J. Kenner (1937). "Vylepšené přípravky z alifatických diazosloučenin a některé z jejich vlastností". Journal of the Chemical Society: 1551–1556. doi:10.1039 / JR9370001551.
  21. ^ Adamson, Donald W .; J. Kenner (1939). "Reakce alifatických diazosloučenin s karbonylovými deriváty". Journal of the Chemical Society: 181–189. doi:10.1039 / JR9390000181.
  22. ^ Wilds, A.L .; Arthur L. Meader Jr. (září 1948). „Použití vyšších diazohydrokarbonů v syntéze Arndt – Eistert“. Journal of Organic Chemistry. 13 (5): 763–779. doi:10.1021 / jo01163a024. PMID  18884425.
  23. ^ Ramonczai, J .; L. Vargha (červen 1950). „Studie furanových sloučenin. III. Nová syntéza furylketonů“. Journal of the American Chemical Society. 72 (6): 2737. doi:10.1021 / ja01162a109.
  24. ^ Arndt, F .; Eistert, B .; Ender, W. (1929). „Synthesen mit diazo-methan, VI .: Uber die Reaktion von Ketonen und Aldehyden mit diazo-methan“. Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft. 62 (1): 44–56. doi:10.1002 / cber.19290620106.
  25. ^ C. David Gutsche (1954). „Svazek 8, kapitola 8: Reakce diazomethanu a jeho derivátů s aldehydy a ketony“. V Roger Adams (ed.). Organické reakce. New York: John Wiley & Sons. 369–370.
  26. ^ Mosettig, Erich; Karl Czadek (1931). "Reakce diazomethanu s piperonální. III". Monatshefte für Chemie. 57: 291–304. doi:10.1007 / BF01522123. S2CID  95637753.
  27. ^ A b C d Zhang, Yan; Jianbo Wang (22. července 2009). "Nedávný vývoj reakcí s -diazokarbonylovými sloučeninami jako nukleofily". Chemická komunikace (36): 5350–5361. doi:10.1039 / b908378b. PMID  19724784.
  28. ^ Fried, Josef; Robert C. Elderfield (červenec 1941). „STUDIE NA LAKTONECH SOUVISEJÍCÍ S KARDIACOVÝMI AGLYKONY. VI. AKCE DIAZOMETANU NA NĚKTERÉ DERIVÁTY α-PYRONU“. Journal of Organic Chemistry. 6 (4): 577–583. doi:10.1021 / jo01204a011.