Олефинирование карбонильных соединений

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Олефинирование карбонильных соединений, т.е. превращение карбонильной группы в двойную углерод-углеродную связь, является одной из важнейших стратегий региоселективного синтез замещенных алкенов.

В частности, многие полные синтезы сложных молекул, в том числе природных, включают стадию образования двойной связи С=С именно таким путем. Олефинирование представляет собой построение алкена из двух различных компонентов - карбонильного соединения и олефирующего реагента, что позволят достаточно широко варьировать природу заместителей при двойной связи.

Огромный прогресс в данной области органического синтеза связан прежде всего с использованием различных переходных металлов и реагентов на их основе, а также элементоорганических соединений. Постоянно разрабатываются новые модификации, реагенты и катализаторы классических реакций, что расширяет область их применения и позволяет осуществлять соответствующие превращения с более высокими выходами, большей селективностью и в более мягких условиях.

Карбонильный атом углерода имеет частичный положительный заряд, поэтому, как правило, общие методы олефинирования основаны на присоединении к карбонильной группе различных С-нуклеофилов, как синтезированных заранее, так и получаемых in situ. Все методы олефинирования разделены на четыре группы: присоединение к карбонильной группе илидов или карбанионов, стабилизированных гетероатомами в б-положении; конденсация карбонильных соединений с различными СН-кислотами; олефинирование с использованием реагентов на основе металлов; методы, не относящиеся к первым трем группам.

1. Присоединение илидов или карбанионов, стабилизированных в б-положении

Данный раздел посвящен методам олефинирования, основанным на присоединении к карбонильной группе илидов типа 1 или карбанионов типа 2, стабилизированных элементами ША-VIIA групп Периодической системы или функциональными группами, содержащими гетероатомы. Взаимодействие илидов 1 с карбонильными соединениями приводит к интермедиатам 3, имеющим бетаиновую структуру, или к циклическим интермедиатам 4. В результате присоединения карбанионов 2 к карбонильной группе образуются алкоксиды соответствующих в-гидроксиэлементоорганических соединений 5.

Е - гетероатом или функциональная группа

В зависимости от природы гетероатома дальнейшее превращение интермедиатов в целевые алкены может протекать двумя путями. Следует отметить, что в приведенных выше реакциях, как правило, происходит потеря элементоорганического фрагмента, что указывает на его вспомогательную роль. В случае элементов менее электроотрицательных, чем углерод, см. таблица 1, обладающих высоким сродством к кислороду, происходит элиминирование из промежуточных соединений соответствующих кислородсодержащих продуктов - элементоорганических оксидов и гидроксидов. Таким образом, олефинирующий реагент является одновременно и восстановителем.

В случае элементов, обладающих электроотрицательностью, близкой к углероду или большей (О, Вг), для превращения промежуточно образующихся алкоксидов типа 5 в алкены требуется применение дополнительных восстановителей. В данном случае реакции образования и восстановления промежуточных соединений 5 обычно проводят последовательно. Часто бывает необходимо предварительно защитить гидроксигруппу силилированием или ацилированием, в этом случае восстановлению подвергают защищенные соединения 6.

RED - восстановитель, PG - защитная группа

2. Реагенты на основе кремния

2.1 Олефинирование по Петерсону

Реакция карбонильных соединений с карбанионами, стабилизированными б-триорганилсилильной группой, с последующим элиминированием промежуточно образующегося силанола является общим методом олефинирования по Петерсону. С момента открытия в 1968 г. данная реакция нашла применение в синтезе самых различных алкенов (наряду с методологиями Виттига и Жюлиа). Одной из привлекательных особенностей реакции Петерсона является то, что она может быть использована в приготовлении цис- или транс-алкенов из одного и того же в-гидроксисилана. Обработка в-гидроксисилана кислотой приводит к одному алкену, в то время как обработка того же самого в-гидроксисилана основанием приведет к алкену противоположной стереохимии.

В качестве олефинирующих реагентов в ней используют б-силилкарбанионы RCHSiMe₃ 7, получаемые из б-галогенсиланов по реакции Гриньяра или их металлированием, депротонированием силанов сильными основаниями, а также присоединением металлоорганических соединений к винилсиланам. Депротонирование силанов облегчается наличием других электроноакцепторных групп в реагенте. В качестве карбонильной компоненты могут быть использованы ароматические, алифатические и непредельные альдегиды и кетоны.

Присоединение б-силилкарбаниона 7 к карбонильной группе приводит к алкоксидному интермедиату 8, который далее отщепляет силанол, превращаясь в алкен. Движущей силой реакции является образование прочной связи Si - О (см. табл. 1). Если интермедиат 8 обладает ионной природой (когда противоионом является Na⁺ или К ⁺, либо заместитель R³ - анион-стабилизирующая группа), происходит спонтанное элиминирование силанола с образованием алкена. В случае, когда интермедиат 8 имеет ковалентную природу (противоион - Li⁺, Mg²⁺, Al³⁺), соответствующие в-гидроксисиланы 9 могут быть выделены.

Элиминирование силанола из в-гидроксисиланов в присутствии кислот или оснований протекает по различным механизмам и приводит к противоположным изомерам алкенов. Так, при действии эфирата трифторида бора на в-гидроксисилан 10 основным продуктом реакции является Е-изомер окт-4-ена, тогда как в присутствии КН преимущественно образуется Z-изомер.

Наблюдаемая стереоселективность реакции Петерсона объясняется тем, что в кислой среде элиминирование гидрокси- и триалкилсилильной групп происходит из наиболее термодинамически выгодной анти-перипланарной конформации О-протонированной формы в-гидроксисилана 9. В присутствии оснований алкены противоположной геометрии получаются путем син-элиминирования силанола из промежуточного силоксетана 11. Возможность контроля геометрии продуктов реакции является одним из основных преимуществ олефинирования по Петерсону, однако для достижения стереоселективности необходимо контролировать стереохимию образования в-гидроксисиланов 9. В противном случае придется разделять диастереомеры.

Рассмотрим результаты проведения реакции элиминирования при разных условиях на примере 5-триметилсилилоктанола-4, см. таблицу 2.

По представленным выше результатам можно сделать вывод, что элиминирование в-гидроксисиланов является стереоспецифическим процессом. В кислой среде реакции приводит к анти - элиминированию, а в щелочной к син - элиминированию.

Дополнительную информацию о возможности применения в-кремнийзамещенных алкоголятов в реакциях олефинирования была представлена в докладе Джилмана и Томаси в 1962, в котором описывается образование тетрафенилалкена в реакции с бензофеноном. Чтобы рационализировать образование алкена, ученые предложили схему реакции, включающую процесс элиминирования.

Однако, подобная попытка с 4,4 - бис(диметиламино) бензофеноном была неуспешна. Кроме того, не было приложено никакого усилия, чтобы расширить реакцию олефинирования, включая кроме нетипичных фосфорзамещенных кремниевых соединений простые силаны.

Далее сообщаются результаты исследований, которые явно демонстрируют, что олефинирование карбонильных соединений может быть проведено с использованием общих кремнийзамещенных карбанионов.

Серия четырех в-кремнийкарбинолов 12-15 была приготовлена по реакции триметилсилилметилмагний хлорида с соответствующим карбонильным соединением. Каждый из карбинолов был получен с достаточно хорошим выходом, и, следовательно, очевидно, что алкоголяты магния не подвергаются желаемому процессу элиминирования.

Чтобы проверить относительную стабильность соответствующих алкоголятов натрия и калия, 12 обработали гидридами натрия и калия в тетрагидрофуране (THF). В отличии от алкоголятов магния, соли натрия и калия подвергались желаемому разложению с выходом 67 и 86% соответственно.

карбонильный синтез олефинирование кремний

Элиминирования алкоголятов калия прошло за 6 часов при комнатной температуре, в то время как элиминирование натрия не завершилось и за 20 часов при температуре 50°С.

Раствор 14 в THF обработали несколькими каплями серной кислотой. Было установлено, что нонен-1 медленно образуется при комнатной температуре, но быстро при 65°С. При этом выход нонена-1 составляет 73%. В подобной реакции 13, но с 10%-ой серной кислотой, получался стирол (который полимеризовался в процессе) с высоким выходом за 3 часа при температуре 60°С.

2.2 Родственные методы

Как правило, в качестве олефинирующих реагентов применяют литиевые или магниевые соли кремнийсодержащих соединений, однако разработано несколько современных модификаций олефинирования по Петерсону с использованием производных переходных металлов. В одной из модификаций в качестве метиленирующих реагентов применяют металлоорганические соединения 16, 17, 18, получаемые in situ из галогенидов переходных металлов (TiCl₄, CrCl₃) и металлированного силана Me₃SiCH₂MgCl или германа Me₃GeCH₂MgCl. Таким образом, модифицированный реагент фактически представляет собой б-триметилсилил - (гермил) карбанион, имеющий в качестве противоиона переходный металл. Данное семейство реагентов использовано для превращения ряда алифатических и ароматических альдегидов в терминальные алкены с высокими выходами. Кетоны в подобную реакцию не вступают.

Аналогичным образом протекает реакция Петерсона с использованием системы (триметилсилил) метиллитий (19) - хлорид церия(Ш). Данная система позволяет метиленировать широкий круг альдегидов и кетонов, в том числе легко енолизующихся, так как основность церий-органических реагентов значительно ниже, чем основность литиевого производного. Элиминирование силанола из промежуточного соединения 20 проводят действием HF или KF; выходы терминальных алкенов обычно высокие (80-90%).

На основе реакции Петерсона разработаны также методы получения различных функционализированных алкенов. Так, для синтеза б, в-непредельных сложных эфиров был использован стабилизированный реагент Петерсона - б-силиленолят сложного эфира 21. Последний удобно готовить депротонированием соответствующих эфиров б-силилкарбоновых кислот сильными основаниями типа диизопропиламида лития.

Полифункциональный анион 22, стабилизированный триметилсилильной и цианогруппами, позволяет синтезировать каптодативные алкены типа соединения 23, содержащие одновременно как донорный (диметиламиногруппу), так и акцепторный заместители (цианогруппу). Для алифатических альдегидов реакция протекает с высокой стереоселективностью (преимущественно образуются E-изомеры алкенов), тогда как в случае ароматических альдегидов, а также кетонов стереоселективность снижается.

Сопоставление реакций Петерсона и Виттига, а также реакций Петерсона и Хорнера-Вадсворта-Эммонса (Horner-Wadsworth-Emmons, HWE) проведено при испытании олефинирующего реагента 24, стабилизированного одновременно атомами кремния и фосфора. Было найдено, что взаимодействие с бензофеноном приводит к образованию только фосфорсодержащих алкенов 25. Таким образом, кремниевые группы имеют большую склонность к элиминированию, чем фосфорные. Винилтрифенилфосфониевая соль 25, в частности, может быть использована в синтезе алленов типа соединения 26.

Для превращения карбонильных соединений в винилсиланы 28 был использован гем-дисилилметан 27, содержащий при одном из атомов кремния метоксигруппу. Депротонирование соединения 27 и присоединение карбаниона к карбонильной группе приводит к кремнийзамещенным алкенам.

Элиминируется исключительно метоксисилильная группа, что связано с координацией лития по атому кислорода в промежуточном соединении.

Заключение

В своей работе я рассмотрела один из современных методов синтеза алкенов путем олефинирования карбонильных соединений - олефинирование по Петерсону. Существует большое число обзоров и монографий, посвященных этой области синтезов. Например, они опубликованы в книгах Preparation of Alkenes, Comprehensive Organic Synthesis, в журналах Synthesis, Journal of the American Chemical Society, The Journal of Organic Chemistry и др.

Изучая этот метод синтеза алкенов, я попыталась рассмотреть и изучить как можно больше литературы, посвященной этой теме. И изложить в своей работе основные моменты и особенности олефинирования по Петерсону. И можно сделать вывод, что благодаря этому методу синтеза алкенов, появилась возможность расширить арсенал методов таких соединений.

Список литературы

1. Коротченко В.Н., Ненайденко В.Г., Баленкова Е.С., Шастин А.В. Успехи химии, 2004, т. 73, №10, с. 1039-1074.

2. P.F. Hudrlik, D.J. Peterson. J. Am. Chem. Soc. 1975, Vol. 97, №3, p. 1464-1468.

3. D.J. Peterson. J. Org. Chem. 1968, Vol. 33, №3, p. 780-784.

4. Ли Дж. Именные реакции. Механизмы органических реакций / Пер. с англ. В.М. Демьянович. - М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2006. - 456 с.

5. Вацуро К.В., Мищенко Г.Л. Именные реакции в органической химии. М., Химия, 1976. - 528 с.

Размещено на Allbest.ru