Jump to content

Карбен

(Перенаправлено с Карбена )
Метилен — простейший карбен.

В органической химии карбен содержащая молекула, нейтральный атом углерода с двумя валентными и двумя неподеленными валентными электронами . Общая формула R-:C-R' или R=C: где R представляет собой заместители или атомы водорода.

Термин «карбен» может также относиться к конкретному соединению. :CH 2 , также называемый метиленом , исходный гидрид , из которого формально образуются все остальные карбеновые соединения. [1] [2]

Существует два типа карбенов: синглеты и триплеты , в зависимости от их электронной структуры. [3] Разные классы подвергаются разным реакциям.

Большинство карбенов чрезвычайно реакционноспособны и недолговечны. Небольшое количество (дигалогенкарбены , окись углерода , [4] и моносульфид углерода ) можно выделить и стабилизировать в виде металлических лигандов , но в противном случае их нельзя хранить в больших количествах. Редким исключением являются стойкие карбены . [5] которые имеют широкое применение в современной металлоорганической химии .

Поколение

[ редактировать ]

Существует два распространенных метода получения карбена.

При α-элиминировании два заместителя удаляются от одного и того же атома углерода. Это происходит, когда реагенты, у которых нет хороших уходящих групп, вицинальных по отношению к кислому протону, подвергаются воздействию сильного основания; например, фениллитий отделяет HX от галоформы (CHX 3 ). [6] Такие реакции обычно требуют условий фазового переноса . [ нужна ссылка ]

Молекулы, не содержащие кислых протонов, также могут образовывать карбены. Геминальный дигалогенид , подвергшийся воздействию литийорганических соединений, может подвергаться обмену металл-галоген , а затем удалять литиевую соль с образованием карбена, а металлический цинк отделяет галогены аналогичным образом в реакции Симмонса-Смита . [7]

R 2 CBr 2 + BuLi → R 2 CLi(Br) + BuBr
R 2 CLi(Br) → R 2 C + LiBr

Остается неясным, образуются ли в этих условиях действительно свободные карбены или комплекс металл-карбен. Тем не менее образующиеся таким образом металлокарбены дают ожидаемые органические продукты. [7] В специализированном, но поучительном случае α-галогенсодержащие соединения ртути можно выделить и отдельно термолизовать. « Реактив Зейферта » при нагревании выделяет CCl 2 :

C 6 H 5 HgCCl 3 → CCl 2 + C 6 H 5 HgCl

Отдельно карбены могут быть получены реакцией экструзии с большим изменением свободной энергии. Диазирины и эпоксиды фотолизируются с огромным выделением при деформации кольца карбенов . Первые выдавливают инертный газообразный азот , но эпоксиды обычно дают реакционноспособные карбонильные отходы, а асимметричные эпоксиды потенциально могут образовывать два разных карбена. Обычно связь CO с меньшим дробным порядком связи (меньшее количество резонансных структур с двойной связью) разрывается. Например, когда один заместитель представляет собой алкил , а другой - арил , арилзамещенный углерод обычно высвобождается в виде карбенового фрагмента.

Кольцевая деформация не является необходимой для возникновения сильной термодинамической движущей силы. Фотолиз , тепло или катализаторы на основе переходных металлов (обычно родий и медь ) разлагают диазоалканы на карбен и газообразный азот ; это происходит в реакции Бэмфорда-Стивенса и перегруппировке Вольфа . Как и в случае с металлокарбенами, некоторые реакции диазоалканов, которые формально протекают через карбены, вместо этого могут образовывать промежуточный циклоаддукт [3+2] , который вытесняет азот.

Алкилиденкарбен

Для образования алкилиденкарбена кетон можно подвергнуть воздействию триметилсилилдиазометана , а затем сильного основания.

Структуры и связь

[ редактировать ]
Синглетные и триплетные карбены

Двумя классами карбенов являются синглетные и триплетные карбены. Триплетные карбены представляют собой дирадикалы с двумя неспаренными электронами, обычно образуются в результате реакций, разрывающих две σ-связи (альфа-элиминирование и некоторые реакции экструзии), и не вызывают повторной гибридизации атома карбена. Синглетные карбены имеют одну неподеленную пару , обычно образуются в результате диазораспада и принимают sp. 2 орбитальная структура. [8] Валентные углы (определенные методом ЭПР ) составляют 125–140° для триплетного метилена и 102° для синглетного метилена.

Большинство карбенов имеют нелинейное триплетное основное состояние. Для простых углеводородов триплетные карбены обычно всего лишь на 8 ккал / моль (33 кДж /моль) более стабильны, чем синглетные карбены, что сравнимо с инверсией азота . Стабилизация частично объясняется правилом максимальной множественности Хунда . Однако стратегии стабилизации триплетных карбенов при комнатной температуре неуловимы. 9-фторенилиден Было показано, что представляет собой быстро уравновешивающую смесь синглетных и триплетных состояний с разницей в энергии примерно 1,1 ккал/моль (4,6 кДж/моль), хотя обширная делокализация электронов в кольца усложняет любые выводы, сделанные на основе диарилкарбенов . [9] Моделирование показывает, что электроположительные гетероатомы могут термодинамически стабилизировать триплетные карбены, например, силильные и силилоксикарбены , особенно трифторсилилкарбены. [10]

Льюис-основные азот, кислород, сера или галогенидные заместители, связанные с двухвалентным углеродом, могут делокализовать электронную пару на пустую p -орбиталь, чтобы стабилизировать синглетное состояние. Это явление лежит в основе замечательной стабильности стойких карбенов .

Реактивность

[ редактировать ]

Карбены ведут себя как очень агрессивные кислоты Льюиса . Они могут атаковать неподеленные пары , но их основная синтетическая полезность связана с атаками на π-связи , которые дают циклопропаны; и на σ-связях , которые вызывают внедрение карбена . Другие реакции включают перегруппировки и димеризации. Реакционная способность конкретного карбена зависит от заместителей , включая любые присутствующие металлы .

Синглет-триплетные эффекты

[ редактировать ]
Присоединение карбена к алкенам

Синглетные и триплетные карбены проявляют разную реакционную способность. [11] [ нужна страница ] [12]

Триплетные карбены являются дирадикалами и участвуют в ступенчатом радикальном присоединении . При присоединении триплетного карбена обязательно участвует (хотя бы один) интермедиат с двумя неспаренными электронами.

Синглетные карбены могут (и реагируют) как электрофилы , нуклеофилы или амбифилы . [4] Их реакции обычно согласованы и часто хелетропны . [ нужна ссылка ] Синглетные карбены обычно электрофильны. [4] если только у них нет заполненной p -орбитали, и в этом случае они могут реагировать как основания Льюиса. Реакция Бэмфорда-Стивенса дает карбены в апротонных растворителях и ионы карбения в протонных .

Различные механизмы подразумевают, что присоединения синглетных карбенов стереоспецифичны , а присоединения триплетных карбенов стереоселективны . Метилен в результате диазометана фотолиза реагирует либо с цис- , либо с транс - 2-бутеном, образуя единственный диастереомер диметилциклопропана 1,2- : цис из цис и транс из транс . Таким образом, метилен представляет собой синглетный карбен; если бы это был триплет, продукт не зависел бы от геометрии исходного алкена. [13]

Циклоппропанация

[ редактировать ]
Циклопропанирование карбена

Карбены присоединяются к двойным связям с образованием циклопропанов . [14] и, в присутствии медного катализатора , в алкины с образованием циклопропенов . Реакции присоединения обычно протекают очень быстро и экзотермично , а образование карбена ограничивает скорость реакции.

При циклопропанировании Симмонса-Смита обычно иодид иодметилцинка образует комплекс с любыми аллильными гидроксильными группами , так что присоединение происходит к гидроксильной группе .

Вставка C—H

[ редактировать ]
Карбеновая вставка

Вставки - еще один распространенный тип реакции карбена. [15] форма окислительного присоединения . Вставки могут происходить, а могут и не происходить в один этап (см. выше). Конечным результатом является то, что карбен вставляется в существующую связь, предпочтительно X–H (X не углерод), в противном случае C–H или (в противном случае) связь C–C. Алкилкарбены встраиваются гораздо более избирательно, чем метилен, который не различает первичные, вторичные и третичные связи CH.

Карбеновая внутримолекулярная реакция
Карбеновая межмолекулярная реакция

возникающая 1,2-перегруппировка, в результате внутримолекулярного внедрения в связь, прилегающую к карбеновому центру, является помехой в некоторых схемах реакций, поскольку она потребляет карбен, чтобы дать тот же эффект, что и традиционная реакция отщепления . [16] Как правило, жесткие структуры благоприятствуют внутримолекулярным внедрениям. В гибких структурах образование пятичленного кольца предпочтительнее образования шестичленного кольца. Когда такие вставки возможны, межмолекулярные вставки не наблюдаются. Как меж-, так и внутримолекулярные внедрения допускают асимметричную индукцию от хирального металлического катализатора.

Электрофильная атака

[ редактировать ]

Карбены могут образовывать аддукты с нуклеофилами и являются обычным предшественником различных 1,3-диполей . [16]

Димеризация карбена

[ редактировать ]
Равновесие Ванцлика

Карбены и предшественники карбеноидов могут димеризоваться до алкенов . Часто, но не всегда, это нежелательная побочная реакция; Димеризация карбенов металлов использовалась при синтезе полиалкинилэтенов и является основным промышленным путем получения тефлона (см. «Карбен § Промышленное применение »). Стойкие карбены приходят в равновесие со своими соответствующими димерами – равновесие Ванцлика .

Лиганды в металлоорганической химии

[ редактировать ]

В металлоорганических соединениях комплексы металлов с формулой L n MCRR' часто описываются как карбеновые комплексы. [17] Однако такие соединения не реагируют так же, как свободные карбены, и редко образуются из предшественников карбенов, за исключением стойких карбенов. [ нужна ссылка ] [18] Карбеновые комплексы переходных металлов можно классифицировать по их реакционной способности, причем наиболее четко определены первые два класса:

Промышленное применение

[ редактировать ]

Масштабное применение карбенов — промышленное производство тетрафторэтилена — предшественника тефлона . Тетрафторэтилен образуется при посредничестве дифторкарбена : [22]

CHClF 2 → CF 2 + HCl
2 CF 2 → F 2 C=CF 2

Внедрение карбенов в связи C–H широко использовалось, например, при функционализации полимерных материалов. [23] и электроотверждение клеев . [24] Многие приложения основаны на синтетических 3-арил-3-трифторметилдиазиринах . [25] [26] (предшественник карбена, который можно активировать нагреванием, [27] свет, [26] [27] или напряжение ) [28] [24] но существует целое семейство карбеновых красителей .

Карбены были впервые постулированы Эдуардом Бюхнером в 1903 году при циклопропанирования исследованиях этилдиазоацетата толуолом. [29] В 1912 году Герман Штаудингер [30] также превратил алкены в циклопропаны с диазометаном и CH 2 в качестве промежуточного продукта. Деринг в 1954 году продемонстрировал их синтетическую полезность с помощью дихлоркарбена . [31]

См. также

[ редактировать ]
  1. ^ Хоффманн, Роальд (2005). Молекулярные орбитали комплексов переходных металлов . Оксфорд. п. 7. ISBN  978-0-19-853093-0 .
  2. ^ ИЮПАК , Сборник химической терминологии , 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Интернет-исправленная версия: (2006–) « Карбены ». doi : 10.1351/goldbook.C00806
  3. ^ Гроссман, Роберт Б. (2003). Искусство написания разумных механизмов органических реакций (2-е изд.). Нью-Йорк: Спрингер. п. 84. ИСБН  0-387-95468-6 .
  4. ^ Jump up to: а б с Гроссман 2003 , с. 35.
  5. ^ Подробные обзоры стабильных карбенов см.: (а) Буриссу, Д.; Герре, О.; Габбай, ФП; Бертран, Г. (2000). «Стабильные карбены» хим. Преподобный о. 100 (1): 39–9 дои : 10.1021/cr940472u . ПМИД   11749234 . (б) Мелаими, М.; Солейхавуп, М.; Бертран, Г. (2010). «Стабильные циклические карбены и родственные им виды, помимо диаминокарбенов» . Энджью. хим. Межд. Эд. 49 (47): 8810–8849. дои : 10.1002/anie.201000165 . ПМК   3130005 . ПМИД   20836099 .
  6. ^ Гроссман 2003 , стр. 84–85.
  7. ^ Jump up to: а б Гроссман 2003 , с. 85.
  8. ^ Гроссман 2003 , с. 84.
  9. ^ Грасс, ПБ; Брауэр, Бельгия; Зупанчич, Джей Джей; Кауфманн, К.Дж.; Шустер, Великобритания (1983). «Химические и физические свойства фторенилидена: уравновешивание синглетных и триплетных карбенов». Журнал Американского химического общества . 105 (23): 6833. doi : 10.1021/ja00361a014 .
  10. ^ Немировский, А.; Шрайнер, PR (ноябрь 2007 г.). «Электронная стабилизация триплетных карбенов в основном состоянии». Дж. Орг. Хим . 72 (25): 9533–9540. дои : 10.1021/jo701615x . ПМИД   17994760 .
  11. ^ Смит, Майкл Б.; Марч, Джерри (2007), Продвинутая органическая химия: реакции, механизмы и структура (6-е изд.), Нью-Йорк: Wiley-Interscience, ISBN  978-0-471-72091-1
  12. ^ Напротив, Гроссман 2003 , с. 85 гласит: «Реакционная способность карбенов и карбеноидов одинакова, независимо от того, как они образуются». Анализ Гроссмана не подтверждается современными текстами по физической органической химии и, вероятно, относится к быстрому уравновешиванию состояний карбенов после большинства методов генерации карбенов.
  13. ^ Скелл, PS; Вудворт, Р.К. (1956). «Структура карбена, ч2». Журнал Американского химического общества . 78 (17): 4496. doi : 10.1021/ja01598a087 .
  14. ^ Гроссман 2003 , стр. 85–86.
  15. ^ Гроссман 2003 , стр. 86–87.
  16. ^ Jump up to: а б Гроссман 2003 , с. 87.
  17. ^ Краткое руководство по применению карбеновых лигандов, помимо диаминокарбенов, см. Мунц, Д. (2018). «Выталкивание электронов - какой карбеновый лиганд для какого применения?». Металлоорганические соединения . 37 (3): 275–289. doi : 10.1021/acs.organomet.7b00720 .
  18. ^ Напротив, Гроссман 2003 : «Диазосоединения превращаются в синглетные карбены при осторожном нагревании и в карбеноиды при обработке солью Rh(II) или Cu(II), такой как Rh 2 (OAc) 4 или CuCl 2 . Переходный металл -производные карбеноиды, которые имеют двойную связь металл – C, вступают в реакции, типичные для синглетных карбенов. На этом этапе вы можете думать о них как о свободных синглетных карбенах, хотя это не так».
  19. ^ Общий обзор с акцентом на применение диаминокарбенов см.: Хопкинсон, Миннесота; Рихтер, К.; Шедлер, М.; Глориус, Ф. (2014). «Обзор N-гетероциклических карбенов». Природа . 510 (7506): 485–496. Бибкод : 2014Natur.510..485H . дои : 10.1038/nature13384 . ПМИД   24965649 . S2CID   672379 .
  20. ^ С.П. Нолан «N-гетероциклические карбены в синтезе» 2006, Wiley-VCH, Вайнхайм. Распечатать ISBN   9783527314003 . Онлайн ISBN   9783527609451 . дои : 10.1002/9783527609451
  21. ^ Мэрион, Н.; Диес-Гонсалес, С.; Нолан, СП (2007). «N-гетероциклические карбены как органокатализаторы». Энджью. хим. Межд. Эд . 46 (17): 2988–3000. дои : 10.1002/anie.200603380 . ПМИД   17348057 .
  22. ^ Байзер, WX (2004). «Соединения фтора органические». Энциклопедия химической технологии Кирка-Отмера . Джон Уайли и сыновья. дои : 10.1002/0471238961.0914201802011026.a01.pub2 . ISBN  978-0471238966 .
  23. ^ Ян, Пэн; Ян, Вантай (10 июля 2013 г.). «Поверхностная хемоселективная фототрансформация связей C – H на органических полимерных материалах и связанные с этим высокотехнологичные приложения». Химические обзоры . 113 (7): 5547–5594. дои : 10.1021/cr300246p . ISSN   0009-2665 . ПМИД   23614481 .
  24. ^ Jump up to: а б Пин, Цзяньфэн; Гао, Фэн; Чен, Цзянь Линь; Вебстер, Ричард Д.; Стил, Терри У.Дж. (18 августа 2015 г.). «Отверждение клея посредством низковольтной активации» . Природные коммуникации . 6 : 8050. Бибкод : 2015NatCo...6.8050P . дои : 10.1038/ncomms9050 . ISSN   2041-1723 . ПМЦ   4557340 . ПМИД   26282730 .
  25. ^ Накашима, Хироюки; Хашимото, Макото; Садакан, Ютака; Томохиро, Такенори; Хаттон, Ясумару (1 ноября 2006 г.). «Простой и универсальный метод мечения фотофоров фенилдиазирина». Журнал Американского химического общества . 128 (47): 15092–15093. дои : 10.1021/ja066479y . ISSN   0002-7863 . ПМИД   17117852 .
  26. ^ Jump up to: а б Бленкоу, Антон; Хейс, Уэйн (5 августа 2005 г.). «Разработка и применение диазиринов в биологических и синтетических макромолекулярных системах». Мягкая материя . 1 (3): 178–205. Бибкод : 2005SMat....1..178B . дои : 10.1039/b501989c . ISSN   1744-6848 . ПМИД   32646075 .
  27. ^ Jump up to: а б Лю, Майкл Т.Х. (1 января 1982 г.). «Термолиз и фотолиз диазиринов». Обзоры химического общества . 11 (2): 127. дои : 10.1039/cs9821100127 . ISSN   1460-4744 .
  28. ^ Элсон, Клайв М.; Лю, Майкл Т.Х. (1 января 1982 г.). «Электрохимическое поведение диазиринов» . Журнал Химического общества, Chemical Communications (7): 415. doi : 10.1039/c39820000415 . ISSN   0022-4936 .
  29. ^ Бюхнер, Э.; Фельдман, Л. (1903). «Эфир диазоуксусной кислоты и толуол» . Отчеты Немецкого химического общества . 36 (3): 3509. doi : 10.1002/cber.190303603139 .
  30. ^ Штаудингер, Х.; Купфер, О. (1912). «О реакциях метилена. III. Диазометан» . Отчеты Немецкого химического общества . 45 : 501-509. дои : 10.1002/cber.19120450174 .
  31. ^ Фон Э. Деринг, В.; Хоффманн, АК (1954). «Прибавление дихлоркарбена к олефинам». Журнал Американского химического общества . 76 (23): 6162. doi : 10.1021/ja01652a087 .
[ редактировать ]
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 02a93ed682f4f3e84f671106afdc12bd__1722231840
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/02/bd/02a93ed682f4f3e84f671106afdc12bd.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Carbene - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)