Механизмы реакций, протекающие с участием карбанионов

Ростовский государственный университет Кафедра органической химии

Чуб Н.К.

Механизмы реакций, протекающие с участием карбанионов

Ростов-на-Дону, 2003 г.

2

Лекции по спецкурсу «Кинетика и механизмы органических реакций» разработаны доцентом кафедры органической химии, к.х.н. Чубом Николаем Кондратьевичем.

3

Механизмы реакций, протекающие с участием карбанионов. Если подходить строго к определению карбаниона, то этому типу промежуточно образующихся частиц, относятся соединения, содержащие на углеродном атоме свободную электронную пару: атом углерода, содержащий заряд, скорее находится в sp3, чем в sp2 состоянии. Простые карбанионы очень неустойчивы в растворах и усилия их получить пока не увенчались успехом (CH3CH2−, и другие без противоиона). Тем не менее существует ряд подходов к решению этой проблемы: изучается положение равновесия для реакции в эфире и смеси эфир-пентан. RLi

+

R I

RI + R Li

Считается, что группа R, образующая более устойчивый карбанион должна быть связана скорее с литием, а не с йодом. Результаты этих исследований дали следующее уменьшение устойчивости: Винил > фенил > циклопропил > этил > н-пропил > изобутил > неопентил > циклобутил > циклопентил Аналогично было изучено равновесие при взаимодействии алкилмагниевых соединений с алкилртутными в ТГФ. R Mg 2

+

R Hg 2

RI + R Li

В этом случае группа, образующая более устойчивый карбанион, будет связана с магнием. Устойчивость карбанионов, полученная этим методом уменьшалась в ряду: фенил > винил > циклопропил > метил > этил > изопропил. Эти результаты показывают, что устойчивость карбанионов уменьшается в ряду: метил > первичный > вторичный и еще менее устойчив трет-бутиланионы, хотя его положение не определялось.

4

Имея неподеленную пару, карбанион является основанием и принимая протон, он превращается в сопряженную кислоту. Отсюда, устойчивость карбаниона прямо связана с силой сопряженной кислоты; чем слабее кислота, тем больше сила основания и тем меньше устойчивость карбаниона; чем ниже устойчивость, тем легче он принимает протон от любого доступного источника. Поэтому порядок устойчивости в ряду карбанионов эквивалентно определению силы

кислот.

Практически

к

классу

карбанионов

относятся

металлоорганические соединения. Металлоорганическими называют такие соединения, которые имеют связь металла с атомом углерода. Многие связи углерод-металл, например, являются ковалентными, но связи углерода с более активными металлами имеют полярную ковалентную связь, где электроны сильно поляризованы в сторону углерода, такая связь и близка по полярности к ионной и не случайно они получили названия псевдокислот. Является ли связь С-М

ковалентной

или

близка

по

полярности

к

ионной

зависит

от

электроотрицательности металла и строения органической части молекулы. Ионная связь возрастает при уменьшении отрицательного заряда на углеродном атоме за счет резонанса, например, CH3Na, CH3CO-CH-COOEt.

Строение

металлоорганических соединений, не стабилизированных резонансом, во многом зависит от агрегатного состояния этих соединений. Карбанионы – одни из важных промежуточных частиц в органическом синтезе, чему они обязаны в значительной степени из-за своей способности образовывать

углерод-углеродную

связь

в

реакции

с

электрофилами. Карбанионы можно разделить на три основные группы: 1 Неделокализованные σ - карбанионы или sp3 – карбанионы.

разнообразными

5

2 sp2- и sp- карбанионы. 3 Делокализованные π - карбанионы.

1. Неделокализованные σ - карбанионы. Агрегатное состояние многих металлоорганических соединений, в зависимости от строения катиона, температуры и растворителя, может иметь строение мономера, димера, тримера

и т.д. полимера. Координирующие

растворители (эфир, диметоксиэтан, тетраметилэтилендиамин, диоксан и др.) способствуют распаду агрегатов на более реакционноспособные меньшего размера. Металлоорганическая связь может соединять: 1) один атом углерода с одним атомом металла (протонная σ-связь) 2) один атом углерода с двумя атомами металла – ''трехцентровая двухэлектронная'' связь. Один атом углерода с тремя атомами у металла – ''четырехцентровая двухэлектронная'' связь, что схематически представлено ниже: M R

M

R M

M R M

M

Самые малые атомы элементов особенно склонны образовывать стабильные соединения, содержащие мостиковые алкильные группы. Это показано длиной связи С-М при различной ''центровости'' связи и переходом от лития к цезию: для лития 2-х центр. - 0.219 нм; 3-х центр.- 0.221 нм; 4-х центр.-

6

0.218нм, соответственно для натрия - 0.249 нм, калия- 0.255 нм, рубидия- 0.298 нм. Эти

типы

связей

формируют

агрегацию

металлоорганических

соединений, они входят в структуру последних и, в зависимости от природы растворителя, его основности, агрегатное состояние металлоорганических соединений

может

меняться

от

полимерного

к

мономерному

сольватированному состоянию. Кроме того, агрегация зависит от строения карбаниона, катиона и температуры. Мономерное строение имеют простые магнийорганические соединения в диэтиловом эфире и тетраметилэтилендиамине (ТМЭДА). (1). Димерное строение имеют триметилалюминий, где мономеры удерживаются двумя 3-х центровыми связями (2). Другие два типа димеров имеют строение (3 и 4), как, например, метиллитий и этилмагнийбромид в триэтиламине. Тетрамерное строение имеют MeLi, EtLi в ТМЭДА в углеводородных растворителях н - и трет-бутиллитий. Такое строение может быть представлено структурами 5,6 и 7, причем, анионы располагаются как на гранях тетраэдра, так и в вершинах. CH3

H3C R

X R

R

M S

S

M S

S

Al H3C

CH3

S M

X

X M

CH3

H3C

S

M

Al

S

R

S

R

X

R

R

X M

S 1

2

3

Полимеры – кристаллические MeK, MeRb, MeCs, Me2 и др.

S 4

7

H

H

H M

C

H

H

C H

H

M

M

M

R M

H

M R

R

n

M

C H 5

Многие

C H H

R

M

карбанионы

M

H

гораздо

6

устойчивее,

что

обусловлено

определенными перечисленными ниже структурными особенностями: 1) Сопряжение неподеленной пары электронов с кратной связью

O

C

O

C

C

C

Этим объясняется устойчивость карбанионов аллильного и бензильного типов. Устойчивость дифенилметил - , трифенилметил-анионов настолько повышается, что они сохраняются в растворах неопределенно долгое время при условии абсолютного отсутствия следов воды. Устойчивость ионов в которых сопряжение неподеленной пары углерода сопряжено с кратной связью С=О, С=N, еще более усиливается, поскольку эти электроотрицательные атомы лучше удерживают отрицательный заряд. O R

CH

C

R

R

CH

C

R

R

O N O

O

C R

R

O O

N

C

R

2) Повышение s-характера карбанионного центра определяет возрастающую устойчивость карбаниона:

8

R

C > R2C

C

CH ~ ~ Ar > R3C

CH2

sp – гибридизованный атом углерода имеет на 50% s-характер и намного более кислый Н, чем у этилена (sp2, s- 33%) и более кислый, чем у этана (s - 25%). Это наблюдается также и у циклопропиланионов, которые намного устойчивей метильных аналогов, (увеличивается s-характер связей). 3) Стабилизация серой или фосфором. Если карбанионный центр с атомом серы или фосфора, устойчивость карбанионов возрастает. O

O

R R

S

C

O

R

O

R R

C

S

R

O

O

R

R Ar

P

C

O

R

Ar

P

C R

O

4) Эффект поля. К этой группе карбанионов относятся, так называемые илиды (серы, азота, фосфора и др.) (R)3N

5)

Стабилизация

CR2

,

(Ph)3P

удаленной

CHR , R

связью.

CH

Сведения

S(R)2

очень

малочисленны.

Стабилизирующий эффект функциональных групп убывает в ряду: NO2 > ReO > COOR > SO2 > CN ≈ CONH2 > галоген > H > R 2. sp2 и sp – Карбанионы. Карбанионы, в которых отрицательный заряд не делокализован сопряжением и сосредоточен на sp2 – орбитали или на sp – орбитали. Примерами таких анионов являются PhMgBr • 2Et2O и 2 ТГФ – мономеры,

9

димер PhLi ТМЭДА. Этенилнатрий, - калий и рубидий показывают, что связь СМ σ - связывание с sp – орбиталью, со значительно большими расстояниями между металлом и ацетиленовой связью (структура (7)). Ar

Li

O R

Li Li Ar Li Ar ( 2,6 диметоксифениллитий) Li2O 6

C

C

M C

C

R

7

6

3. Делокализованные- π-карбанионы Делокализация отрицательного, благодаря резонансу /+М эффект/ оказывает громадный стабилизирующий эффект. Рентгеноструктурный анализ, УФ- и ИК- спектроскопические данные свидетельствуют, что соли карбанионов находятся в форме контактной ионной пары, причем атом углерода в π- системе в sp2 – гибридизации и молекула капланарна и атом металла обычно расположен над одним или несколькими самыми отрицательными углеродными атомами. Примеры приведены ниже: N

N Na

Li K N

N Li

N

Li

N Li N

N

В ДМСО и других катионсольватирующих растворителях контактные ионные пары существуют в виде сольватно разделенных пар. Переход из тесной

10

ионной пары в сольватно разделенную было достаточно основательно изучено и установлено: этот процесс равновесен и равновесие может сдвигаться в ту или другую сторону в зависимости от: 1) температуры; 2) от размера и заряда катиона; 3) полярности и строения растворителя; 4) давления; 5) строения аниона. Доказательство существования ионных пар и равновесие между тесной ионной парой и сольватно разделенной рассмотрено на примере солей флуоренила.

R

M

Рис 1. Оптический спектр поглощения флуоренилнатрия в ТГФ. На рис а кювета толщиной 0,0283 см; б- кювета толщиной 0.208 см; ---при 25° С, -•-•при- 30° С, ⎯ при- 50° С.

11

F-M+

+

nS

F

M

смещение наблюдается в сторону низких температур. % свободных ионов очень мал (по данным электропроводности).

Рис2. Спектры поглощения солей флуоренила в ТГФ при - 30°С в присутствии различных противоионов. ⎯ F -, Li +; ----- F -, Na + в ТГФ при – 30 °С; -• -• - F -, Cs + (F - - флуоренил).

Взаимодействие Cs+ с ТГФ очень мало и тесная ионная пара не в состоянии образовать сольватноразделенную пару даже при - 70°С.

12

Рис 3. Зависимость равновесия контактная – сольватно разделннная ионная пара флуоренилнатрия в ТГФ при 25°С от давления. С увеличением давления доля сольватно разделенных ионных пар растет, уменьшается объем за счет сольватно разделенных пар.

Рис 4. Температурная зависимост равновесия контактная – сольватно разделенная

ионная

пара

диметилтетрагидрофуране.

9-(2-гексил)флуорениллития

в

2,5-

13

Рис5. Спектр поглощения в видимой области литиевых солей флуоренила при 25°С. в ТГФ, ⎯ соль

---- соль 9-(2-гексил)флуоренила в диэтиловом эфире; ……… флуоренилнатрия в оксетане.

Сильная

сольватация

катиона,

что

приводит

к

уменьшению

взаимодействия катиона и частичному разделению ионов.

4. Методы получения карбанионов Нестабилизированные карбанионы (алкил-, арил-, винил- анионы) получают из соответствующих галогенидов реакцией с металлами или с металлоорганическими реагентами. RX + 2 M → RM + MX

X=Cl, Br, I

RX + R′M → RM + R′X

M=Li, Na, K, Mg, Zn.

Резонансно - и индуктивно – стабилизированные карбанионы получают из соответствующих предшественников R-H отрывом протона металлом или

14

основной ''солью'' металла (обменные реакции), π-карбанионы, вследствие делокализации заряда, как правило, имеют более кислые протоны, что облегчает отрыв протона. В зависимости от кислотности С-Н связи, в качестве основной «соли» используются: щелочи, их водные или спиртовые растворы, алкоголяты щелочных металлов, амиды щелочных металлов (MN(R2), МН и др.). Некоторые алкены присоединяют металлы, образуя дикарбанионы, а соли металлов – монокарбанионы. RM + 1/2H2 RM + HY ArCH2 Li +н -Bu

RH + M RH + MY Ar CH3 + н - BuLi C

C

C

C

+

2M

+

MY

M

Y

C

C

M

C

C

H

M

Эти методы получения карбанионов в основном, характерны для получения ''солей'' щелочных металлов, металлоорганические соединения тяжелых металлов получают обменными реакциями ''солей'' щелочных металлов с галогенпроизводными других металлов. 2 RLi + CdI2 → Cd (R)2

HgX2, MnI2 и др.

RM′ + MY → RM + M′Y Реакции с металлами – магний, литий, цинк, натрий, калий быстро восстанавливают

органические

галогениды

до

металлических

солей

карбанионов. Чаще используются Mg, Li, Zn для получения карбанионов: остальные дают продукты сочетания (Вюрца). Растворители: Et2O, для медленных реакций используются более координирующие растворители: ТГФ, глимы и др. Реакционная способность RX уменьшается в ряду: I >Br >Cl > F

15

Получение реактивов Гриньяра является наиболее известным методом получения магнийорганических соединений. Реакционная способность RX уменьшается в ряду RI > RBr > RCl. Иногда образование Гриньяра идет плохо; для инициирования обычно добавляют йод. Для повышения активности магния применяли ультрозвук или специально приготавливают активный магний реакцией MgCl2 с K, который образуется в момент выделения. Наблюдаемое в реакции

сочетание

при

попытках

получить

аллильные

и

бензильные

карбанионы можно избежать проводя реакции с высокоактивным магнием. Полученный таким образом высокоактивный магний в виде черного порошка, дает реактивы Гриньяра даже из фторидов и винилгалогенидов. Наблюдаемое

сочетание

при

попытках

получить

аллильные

и

бензильные анионы с натрием и магнием можно избежать если в реакцию получения

металлоорганического

соединения

проводить

в

присутствии

электрофила. Br

2

+

Br

Mg

+

Mg

+

+

MgBr2

O MgBr O

В случае аллилгалогенидов предложен синхронный механизм с циклическим переходным состоянием.

CH2 Ph

Li

CH2

Ph

CH2

CH

Cl

5. Типы реакций карбанионов. Карбанионы могут вступать в следующие реакции:

CH2

16

1) Реакции замещения 2) Реакции присоединения 3) Реакции элиминирования 4) Реакции окисления 5) Перегруппировки Прежде чем рассматривать механизмы реакций с участием карбанионов рассмотрим систему: растворитель-основание. Для отрыва протона в реакциях получения карбанионов используется большой ряд систем основание-растворитель, т.к. диапозон кослотности С-Н соединений лежит в пределах pKа от 4.2 до 50 для метана. Отметим, что НО- и ВО- достаточно сильные основания в ДМСО и используются для отрыва протона у соединений достаточно кислых: литийалканы требуются для отрыва протона у аллила, бензила.

H2C CH-CH3

LiBr - BuH

H2C CH-CH2Li

Отмечено влияние природы противоиона: скорость изомеризации алкенов в ДМСО с КО-трет-Ви в 103 раза больше, чем с LiО-трет-Вu, который более ковалентен, чем КО-трет-Ви. Сильное влияние на реакцию оказывает и растворитель, особенно при сравнении протонных и апротонных растворителях: КО-трет-Ви в ДМСО в 1014 раз более основен, чем в присутствии 5 % трет-ВиОН. Если сравнивать скорость реакции изомеризации олефина в диглиме, то по отношению к ней скорость в различных апротонных растворителях будет иметь следующие значения: в ДМСО – 1580 раз больше, в гексаметилфосфортриамиде в 465 раз, в N- метилпирролидоне – в 300 раз с во столько же раз в ДМФА.

17

H OBut R

CH2

CH

tBuOk

CH2

R

HOBut

CH

R

CH2

CH

CH

CH2

CH

R

CH

CH

CH3

Диены при восстановлении щелочным металлом, в результате переноса электрона образуется анион-радикал, который димеризуется с получением бисаллильных дианионов; последние отрывают протоны из двух диенов

CH2

CH

CH

CH

CH3

+

2 Li

Li CH

CH2

CH

CH

CH3

+

C10H18

Присоединение наблюдается в реакциях Михаэля, Мезейхаймера, Чичибабина. 1 Z

CH

CH2

+

Nu

Z

NO2

2

CH

NO2 +

Nu H

+

3

N

Nu

H

Nu N

N

4

CH2Nu

+

RLi

N

Nu R

R

5 Ph

+

RLi

Ph

Li

18

Механизмы реакций карбанионов с альдегидами или кетонами. Реакции карбанионов с альдегидами или кетонами являются одними из самых распространенных реакций образования С-С связи. Эта реакция является реакцией второго порядка, но в некоторых случаях она является реакцией третьего порядка: первого по карбонилу и второго по металлоорганическому соединению. V2= k [>=O] [RMgX] V3= k [>=O] [RMgX]2 Не во всех случаях реакция Гриньяра приводит к получению спиртов. В зависимости

от

стерических

факторов

карбонила,

а

также

от

металлоорганической компоненты, могут получаться различные продукты. В случае реакций второго порядка реакция идет через четырехцентровый интермедиат, причем медленой стадией процесса является превращение последнего в конечный продукт.

R C

O

+

R''MgX

k1

R'' C

k-1

R'

R R'

MgX

k2

R

R'' C

O R'

OMgX

При реакции третьего порядка образование спирта проходит через образование шестичленного аддукта с участием двух молекул Гриньяра. Это подтверждается и тем, что скорость реакции отвечает уравнению третьего порядка.

19

R k1 O

+

O

2R1MgX k

-1

Mg

Mg

X

R

k2

X

+

MgX2

OMgR1

R

При наличии объемных заместителей либо в гриньяровском, либо в карбонильном соединениях, в переходном состоянии оказывается есть место только для одной молекулы Гриньяра и в этом случае к карбонилу переходит малый по объему анион водорода (гидрид- ион).

R

H

R C

R'

k2

H

C

H

R CH

O

H

C Mg

R'

O

R

MgX

R C

+

C H

R

X

Переход гидрид-иона является стадией, определяющей скорость реакции кн /кD=2. Если пространственно затрудненное соединение Гриньяра имеет пространственно затрудненные заместители и не имеет атома водорода в βположении,

то

происходит

енолизация

карбонильного

соединения

и

восстановление карбонильной группы становится невозможным. C C

H

O

C Mg

R R R

C

+

HC(R)3

OMgX

X

Следует

C

отметить,

что

наиболее

легко

протекает

реакция

восстановления, но ее можно в значительной степени подавить, если к карбонильному соединению предварительно добавить эквимолярное количество дигалогенида магния, который образует с карбонильным соединением комплекс

20

в соотношении 1:1, что мешает образованию переходного состояния для восстановления. O

+

O

MgX2

MgX2

O O

MgX2

+

RMgX

R

Mg X

Mg

X

OMgX

X

+

R

MgX2