- 1 -
Введення.
Алкілуючі агенти - вельми цінні реагенти в органічному синтезі. Алкілування називається процес введення алкільних групи (радикала) в молекулу замість атома водню:
алкілір.агент
R-H --------------- 6 R-R '
Для найбільш легкого заміщення водню на алкільних групу необхідно, щоб водень в молекулі володів достатньою рухливістю. Отже, алкілування піддаються кислоти Бренстеда: CH, NH, OH, SH кислоти.
Найбільш часто як алкилирующих з'єднань застосовують речовини, що містять полярну зв'язок RX, наприклад, аліфатичні галогенопохідних, Стабілізатори та ін складні ефіри, Діазосполуки. У цьому рефераті розглядаються питання алкілування різних речовин за допомогою Діазосполуки, а також властивості, синтез Діазосполуки і деякі способи алкілування ними.
Перше Аліфатичні Діазосполуки вперше отримав Курціус дією HNO2 на ефіри a-амінокислот. Деякі реакції цих речовин виявилися подібними з реакціями ароматичних Діазосполуки, тому вони були названі ефірами діазокарбонових кислот.
Пізніше, в 1894 р. Пейхманом були отримані найпростіші аліфатичні Діазосполуки - діазометан та ін, притому досить складними шляхами.
В даний час аліфатичні Діазосполуки і особливо діазометан одержали широке поширення в якості реагенту в лабораторній практиці.
Будова аліфатичних Діазосполуки.
Курціус запропонував аліфатичних Діазосполуки будову з тричленні циклом, а Анджело і Тіле - лінійну структуру:
N
R-C R-CH = N N R-СH = N = N
N
I II III
На підставі даних електронографіческого методу було встановлено, що молекули аліфатичних Діазосполуки мають лінійна будівля. Спочатку такий результат був дещо несподіваним, тому що передбачалося, що Діазосполуки відповідають структурам II або III, а вони мають сильні часткові заряди на атомах C і N, внаслідок чого вони повинні мати значний дипольний момент. Однак виявилося, що діазометан, наприклад, має дипольний момент, що дорівнює всього 1.4710-18.
На підставі теорії резонансу в даний час можна стверджувати, що молекула діазометана являє собою середнє між структурами II і III, тобто
R-CH-N = N
Довжина зв'язку С-N в молекулі діазометана становить 0.134 нм, а довжина зв'язку NN 0.113 нм, що ближче до довжини потрійний, ніж подвійний зв'язок, тобто довжина зв'язку CN дещо менше,
ніж NN внаслідок наявності незначного зміщення електронної
густини в молекулі діазометана. Частота валентного коливання
nN-N лежить в області 2000-2200 см-1.
Стабільність Діазосполуки дуже сильно залежить від того, чи знаходяться угруповання з кратними зв'язками при вуглецевому атомі близько діазогруппи (ефект сполучення). Цим фактом можна пояснити більшу стабільність діазокетонов, ефірів діазокарбонових кислот у порівнянні з діазоалканамі.
Діазоалкани і діазометан.
До аліфатичних Діазосполуки відносяться речовини наступного будівлі:
R 'R' R '
C-N = N 56 C = N = N 56 C-N = N
R R R
(Де R і R '= H, Alk).
Аліфатичні з'єднання стабілізуються у формі іміда. Діазометан CH2N2 - найпростіше Діазосполуки аліфатичного
ряду. Він може утворюватися дією лугу і гідразину на хлороформ:
CHCl3 + H2N-NH2 + 3KOH -6 CH2N2 + 3KCl + 3H2O.
Зручніше отримувати діазометан дією лугу на нітрозометілуретан, нітрозометілмочевіну та ін нітрозометіламіди (див. Отримання діазоалканов).
Діазометан являє собою дуже токсичний газ жовтого кольору, який при температурі близько 0оС переходить на рідину. Діазометан при нагріванні надзвичайно сильно підриває. Діазометан найбільш часто застосовується як алкілуючі агент (метілірующій) і застосовується у вигляді свіжоприготованого ефірного розчину, поводження з яким зручно і безпечно.
Вищі діазоалкани - рідкі або тверді пофарбовані в колір від жовтого до червоного речовини. Досить токсичні, при нагріванні вибухають. Більш стійкі, ніж вищі діазоалкани.
Отримання діазоалканов.
Отримують діазоалкани наступними методами:
а) лужна обробка ацил-, карбамоіл-або тозіл-N-нітрозамінів, а також N-тозілгідразонов, наприклад:
KOH
Ar-CH = NNSO2HC6H4CH3 ------- 6 Ar-CHN2.
б) окисленням гідразонов:
Hg2 +
(C6H5) 2C = NNH2 ------- 6 (C6H5) 2CN2.
в) обробкою оксим хлораміном або О-сульфонілгідроксіламіном (HO3SONH2):
ClNH2
RCOCH = NOH ------- 6 RCOCHN2.
г) дією азотної кислоти на a-аміноефіри:
HNO2
H2NCH2COOR ------- 6 N2CHCOOR
Діазоалкани не можна отримувати діазотірованіем первинних амінів, оскільки в молекулах останніх немає активованого a-водневого атома, так що утворився алкілдіазоніевий іон швидше розпадається з виділенням азоту, ніж депротоніруется до діазоалкана. Тому для отримання таких Діазосполуки доводиться вдаватися до обхідного шляху: нітрозіруют ацілірованний первинний аліфатичні амін і ацілнітрозоалкіламін піддають лужному розпаду:
O CH2-R '2 OH-O
R-C-N --------- 6 R-C +-O-N = N-CH2-R '
N = O-H2O O
R-CH2-N = NO--------- 6 | R-CH-N = N | 56 R-CH = N = N | = R-CH NN
-OH-[]
Утворюється проміжно діазотат розпадається до діазоалкана.
З безлічі нітрозамідов для отримання діазоалканов особливо зручними виявилися нітрозоалкілмочевіни, нітрозоалкілуретани і нітрозоалкілтолуолсульфаміди.
За способом, наведеному вище, можна отримувати з задовільними виходами тільки нижчі діазоалкани, тому що зі збільшенням довжини ланцюга виходи сильно падають. З гарним виходом вищі діазоалкани можуть бути отримані піролізу у вакуумі літієвих солей тозілгідразонов [1].
Методика синтезу діазометана з нітрозометілмочевіни.
У колбу Ерленмейера поміщають 35 мл. холодного 40% розчину KOH і 100 мл. ефіру. Потім, постійно струшуючи колбу, невеликими порціями додають 0.1 моль нітрозометілмочевіни. Температура при цьому не повинна перевищувати 5оС. Через 10 хв. після внесення останньої порції зливають ефірний розчин діазометана і сушать 3 ч. над невеликою кількістю твердого KOH.
Визначення вмісту діазометана.
а) гравіметричні. Додають надлишок n-бромбензойной кислоти. Надлишок кислоти видаляють промиванням карбонатом натрію. Складний ефір зважують.
б) Тітріметріческое [2]. До аліквотной частини розчину діазометана додають 0.2 н. ефірний розчин бензойної кислоти. Невитрачену кислоту оттітровивают 0.1 н. NaOH.
Отримання діазометана з нітрозометілтолуолсульфаміда - де Боєр Т., Бекер Х. У СБ: Синтези органічних препаратів. Сб 8. Пер з англ. - М.: ИЛ, 1958. с. 7.
Етиловий ефір діазоуксусной кислоти, діазокетони.
Етиловий ефір діазоуксусной кислоти CHN2-COOC2H5 виходить
дією HNO2 на етиловий ефір амінооцтова кислоти:
C2H5-OOC-CH2-NH2 + HNO2 -6 C2H5OOC-CHN2 + 2H2O.
Етиловий ефір діазоуксусной кислоти - жовта в'язка рідина з неприємним запахом задушливим, Тпл.-22оС, Ткип. 140-141о d420
1.0921, nD20 1.4616, розчинний у етанолі, ефірі, бензолі, важко у воді.
Він є токсичною речовиною. При необережному нагріванні розкладається з вибухом, особливо за наявності домішок. Ретельно промиті діазоуксусний ефір може бути перегнати в невеликих кількостях навіть при атмосферному тиску.
Діазокетони утворюються при реакції ангідридів або галогенангідрідов карбонових кислот з діазометаном:
R-COCl + CH2N2 - 6 R-CO-CHN2.
Діазокетони в лужному розчині легко переходять в карбонові кислоти з подовженням вуглецевого ланцюга на 1 атом (перегрупування Курціуса).
Якщо реакція проводиться не в лужному середовищі (у присутності тріетіламіна), то відщеплюються HCl або карбонова кислота реагують ще з одним молем Діазосполуки, утворюючи метілхлорід або метиловий ефір.
a-Діазокетони є цінними проміжними продуктами. Їх можна відновити до метілкетонов або до a-амінокетонов. Реакція їх з галогеноводородом призводить до утворення a-галогенкетонов. Також діазокетони у присутності води, спирту або аміаку може бути переведений в соотв. карбонову кислоту, ефір або Амідов. І нарешті, діазокетони можуть бути застосовані для алкілування різних з'єднань аналогічно діазоалканам.
Реакції аліфатичних Діазосполуки з протонами кислотами.
Діазосполуки володіють нуклеофільних властивостями. Вуглецевий атом, сусідній з діазогруппой, являє собою центр з основними властивостями, особливо легко піддається дії кислот. При приєднання протона усувається можливість сполучення діазогруппи з іншою частиною молекули. Запас енергії цього проміжного продукту настільки великий, що негайно і незворотньо відщеплюється азот. При цьому утворюється карбкатіон, який стабілізується звичайним шляхом - приєднанням нуклеофільного агента. У разі діазоалканов, інших, ніж діазометан, можливо також утворення олефін.
Здатність аліфатичних Діазосполуки вступати в реакцію з протонами кислотами залежить від їх основності. Ця властивість Діазосполуки слабшає, як і слід було чекати, від діазометана через діазоуксусний ефір до діазокетонам і a-діазодікарбонільним з'єднанням. Останні стійкі до іонів ОН-. Швидкість реакції аліфатичних Діазосполуки з протонами кислотами пропорційна рН реакційного середовища.
Отримання метилових ефірів карбонових кислот і фенілметілових ефірів з діазометана з відповідно карбонових кислот та фенолів за схемою (1) має препаративні та аналітичне значення. Реакція протікає кількісно і в дуже м'яких умовах, так що цим шляхом можна метильованих, наприклад, нестійкі природні з'єднання. Оскільки метильної катіон при етерифікації не створює стеріческіх труднощів, з діазометаном можуть взаємодіяти просторово утруднені кислоти.
Кислотність спиртів недостатня для того, щоб утворювати з діазометаном метилові ефіри. Якщо, однак, додати каталітичні кількості борофтороводородной кислоти або перевести спирти в ансольвокіслоти, то можна здійснити їх Метилювання діазометаном:
-
| F |
R-O-H + BF3 --- 6 | R-O-B-F | H +
| F |
[]
Загальна методика метилювання карбонових кислот та фенолів діазометаном.
У колбі або склянці до розчину 0.1 благаючи підлягає алкілування сполуки у водному метанолі (1:10) додають при перемішуванні при кімнатній температурі ефірний розчин діазометана, поки не з'явиться стійке слабожелтое фарбування; до цього часу має припинитися виділення азоту при додаванні нових порцій діазометана (додаток вести повільно і обережно, не допускаючи спінювання!). Відганяють розчинник під вакуумом, залишок розчиняють в ефірі, промивають розведеним розчином NaOH і водою, сушать сульфатом магнію; складний ефір (відповідно фенолу) після отгонкой розчинника очищають перегонкою або перекристалізацією.
Схема 1.
R-CH-N = N + H + --- 6 R-CH2-N = N --- 6 N = N + R-CH2 +
+ H2O
---------- 6 R-CH2-OH2 + ---- 6 R-CH2-OH + H +
| + R-COO-
R-CH2 + ---------------- 6 R-COO-CH2-R
| + C6H5O-
---------- 6 C6H5-O-CH2-R
R = Н, алкіл, RC (O) -, RO-CO-
Реакції аліфатичних Діазосполуки з карбонільних сполуками.
Завдяки своїм властивостям нуклеофільних аліфатичні Діазосполуки можуть реагувати і з карбонільної групою. Однак можливість для здійснення такої реакції є лише в найбільш реакційноздатні карбонільних з'єднань.
Важливі реакції діазометана, який гладко взаємодіє з альдегідами, кетонами, галогенангідрідамі та ангідриди кислот, у той час як діазоуксусний ефір реагує тільки з альдегідами, але вже не реагує з кетонами.
Приєднання діазометана до альдегідів і кетонів протікає таким чином (схема 2).
Схема 2.
R R R
N = N-CH2 + C = O --- 6 N = N-CH2-CO------- 6 + CH2-CO-R 'R'-N2 R '
`R R'-C +-O-R '
------------ 6 | 5 - 6 C = O а)
| CH2-R R-CH2
|
R O-| `R 'R-C +-O-R
C ----------------- 6 | 5 - 6 C = O б)
R 'CH2 + | CH2-R' R'-CH2
|
| Внутрімолек. R O
--------------- 6 C --- CH2
SN-р-ція R '
( `R над стрілкою означає, що перегрупування йде з переміщенням залишку R).
Як правило, переважають перегрупування, які ведуть до з'єднань а і б. Реакція, отже, може бути використана для подовження вуглецевого ланцюга в кетонах і для розширення циклу у циклічних кетонів.
Взаємодія діазометана з ангідриду і хлорангідрідамі кислот протікає трохи інакше, оскільки в цьому випадку відщеплення азоту від первинного аддукта 1 вже не є найкращою реакцією. Відщеплюється переважно хлористий водень, і утворюється щодо a-діазокетон:
R R
N = N-CH2 + C = O ---- 6 N = N-CH2-C-O-
Cl Cl
H R R
N = N-C-C-O------ 6 N = N-CH-C = O + HCl
H Cl
Приєднання Діазосполуки по кратним зв'язків.
Аліфатичні Діазосполуки реагують з активованими олефінамі, наприклад з сполученими дієн або a, b-ненасиченими карбонільних сполуками, даючи D1-піразоліни, а з ацетиленом - піразол.
Утворилися D1-піразоліни відразу ж або при нагріванні ізомерізуются в D2-піразоліни. При підвищеній температурі (150-200оС) піразоліни відщеплює азот і переходять в похідні циклопропану.
Приєднання Діазосполуки до олефін або ацетилену розглядається як 1,3-біполярні приєднання. Діазосполуки виступає в ролі диполя з позитивним і негативним зарядами у положеннях 1,3. Цей диполь приєднується до ненасиченого партнеру (діполярофілу) з циклічним зсувом електронів і утворенням п'ятичленних циклу.
Здатність Діазосполуки до приєднання падає в ряду діазометан> діазоуксусний ефір> діазокетони> Діаз-b-дікарбонільние з'єднання; для ненасичених сполук ця здатність зменшується зі зростанням схильності до мезомерії в заступників, які стоять при подвійному зв'язку. 1,3-діполярное ціклопрісоедіненіе часто використовується для синтезу 5-та члени гетероциклів.
Освіта карбенов та їх реакції.
Аліфатичні Діазосполуки здатні відщеплює азот і під час відсутності електрофільного агента. Це відбувається, наприклад, при піролізі, при освітленні ультрафіолетовим світлом або в присутності каталізаторів - іонів срібла та міді.
Утворені в цих реакціях карб (метил) є найкоротший проміжними продуктами з двома вільними електронами у атома вуглецю. Якщо обидва електрона мають протилежні спини, тобто утворюють електронну пару, то такий стан називають синглетні. Якщо спини електронів паралельні (неспарені електрони - бірадікал), то такий стан називають тріплетним. Як правило, карб спочатку виникають в синглетно стані і потім переходять у енергетично більш вигідне тріплетное стан.
Спіновое стан карбенов сильно впливає на механізм і стереохімії реакцій.
Найважливіші реакції карбенов:
а) впровадження в ковалентні зв'язку, перш за все у зв'язку С-Н (алкілування). Наприклад, при фотоліз розчину діазометана в діетіловом ефірі утворюється суміш етил-н-пропілового і етілізопропілового ефірів поряд з невеликими кількостями етилену. Алкілкарбени в результаті внутрімолекулярної впровадження з С-Н зв'язку легко утворюють циклопропан.
б) приєднання до кратним зв'язків. При цьому карб виступають в ролі електрофільні агентів (кислоти Льюїса), оскільки у атома вуглецю вони мають лише секстет електронів. Реакція придбала препаративні значення для синтезу циклічних сполук; крім цього, часто цим шляхом вдається отримувати стеріческі однорідні продукти:
Арени теж гладко приєднують карб. Так, наприклад, з бензолу і метилену через проміжний продукт I утворюється ціклогептатріен-2, 4,6 і крім того, в результаті впровадження - толуол:
в) внутрішньо-або міжмолекулярні відщеплення водню з подальшими реакціями утворилися радикалів:
R-CH: + R'-H --- 6 R-CH27 + R'7
Таким шляхом при комбінації радикалів можуть утворюватися продукти впровадження.
Література.
1. Kauffmann G. M., J. Am. Chem. Soc., 1965, 87, 935-937.
2. Marshall E. K., Acree S.F. Ber. 1910, 43, 2323.
3. Saunders KH, Allen LM, Aromatic diazocompounds, 3 ed., Balt, 1985.
4. Huisgen R., Angew. Chem., 1955. 67,439-463.
5. Gutsche C. D. Org. Reactions, 1954, 8, 364-430.
6. Gilchrist T. L., Rees C. W. Carbenes, Nitrenes, Arynes .- London: Nelson a. Sons, 1969.
7. Розанцев Г.Г., Файнзильберг А.А., Новиков С.С., Успю хім., 1965, 34, c. 177-218.
8. Кнунянц І.Л., Гамбарян Н.П., Рохлін Е.М. Успю хім., 1958, 27, c. 1361-1470.
