Расширение кольца Бюхнера

Расширение кольца Бюхнера
Назван в честь	Эдуард Бюхнер
Тип реакции	Реакция перегруппировки

Расширение кольца Бюхнера представляет собой двухэтапную реакцию образования органической связи CC, используемую для доступа к 7-членным кольцам . Первый этап включает образование карбена этилдиазоацетата , который циклопропанирует ароматическое кольцо из . Расширение кольца происходит на втором этапе, когда электроциклическая реакция открывает циклопропановое кольцо с образованием 7-членного кольца.

История

Реакция расширения кольца Бюхнера была впервые использована в 1885 году Э. Бюхнером и Т. Куртиусом. ^[1]^[2] которые получили карбен из этилдиазоацетата для присоединения к бензолу, используя как термический, так и фотохимический пути синтеза производных циклогептатриена . Полученный продукт представлял собой смесь четырех изомерных карбоновых кислот . Вариации реакции обусловлены способами получения карбена. Достижения в металлоорганической химии привели к повышению селективности производных циклогептатриена. В 1980-х годах было обнаружено, что диродиевые катализаторы дают отдельные изомеры циклопропана с высокими выходами. ^[3] Находят применение в медицине (синтез лекарств). ^[4]^[5]^[6]^[7]^[8] и материаловедение (производные фуллеренов). ^[9]^[10]^[11]

Подготовка

Получение этилдиазоацетата:

Первый синтез производных циклогептатриена Бюхнером в 1885 году использовал фотолиз и термические условия для получения карбена. Процедура подготовки опасного исходного материала, необходимого для образования карбена в реакции Бюхнера, этилдиазоацетата, доступна в Organic Syntheses . ^[12] В предоставленную процедуру Серл включает предостерегающие инструкции из-за взрывоопасной природы эфиров диазоуксусной кислоты.

Приготовление металлического карбеноида:

Синтез карбена в 1960-х годах был сосредоточен на использовании медных катализаторов для стереоселективного циклопропанирования. ^[13] В 1980-х годах диродиевые катализаторы использовались для получения карбеноида для циклопропанирования. Появление металлохимии улучшило селективность соотношения продуктов производных циклогексатриена за счет выбора лиганда на карбеноидном катализаторе. ^[14]

Механизм

Шаг 1:

Механизм реакции расширения кольца Бюхнера начинается с образования карбена из этилдиазоацетата, первоначально образующегося в результате фотохимических или термических реакций с экструзией азота.

Образовавшийся карбен присоединяется к одной из двойных связей бензола с образованием циклопропанового кольца.

Появление реагентов, катализируемых переходными металлами, открывает альтернативные стереоспецифические методы циклопропанирования. Выбор металлов включает Cu, Rh и Ru с различными лигандами. ^[13] Использование родиевых катализаторов в реакции Бюхнера для получения карбенов снижает количество продуктов за счет образования преимущественно кинетических циклогептатриениловых эфиров. ^[14] Смеси продуктов реакций Бюхнера, образующиеся при использовании термических катализаторов на родии II, менее сложны. Вятт и др. изучили региоселективность термической реакции Бюхнера с использованием Rh ₂ (O ₂ CCF ₃ ) ₄ и продемонстрировали, что электрофильный характер карбена родия отдает предпочтение реакции по более нуклеофильным π-связям ароматического кольца. ^[15]

Принятый карбеновый каталитический цикл ^[16] был предложен Йейтсом ^[17] в 1952 году. Первоначально диазосоединение окислительно присоединяется к комплексу металла-лиганда. После экструзии азота образуется металлический карбен, который реагирует с ароматическим веществом, богатым электронами, с целью восстановительной регенерации металлического катализатора, завершая каталитический цикл.

Шаг 2:

Второй этап реакции Бюхнера включает расширение перициклического согласованного кольца. Согласно правилам Вудворда-Хоффмана , электроциклическое раскрытие производных норкарадиена представляет собой 6-электронный дисротаторный (π 4 _s + σ 2 _s ), термически разрешенный процесс.

норкарадиен-циклогептатриен Равновесие широко изучено. ^[18] Положение равновесия зависит от стерических , электронных и конформационных эффектов. Из-за конформационной деформации в циклопропановом кольце норкарадиена равновесие лежит на стороне циклогептатриена. Равновесие может быть смещено в сторону норкарадиена за счет дестабилизации циклогептатриена путем объемного замещения (большие пространственно затрудненные группы, т.е. т -бутил) у C1 и C6.

Равновесие может быть изменено путем изменения замещения в положении C7. Электронодонорные группы (EDG) отдают предпочтение норкарадиену, а электроноакцепторные группы (EWG) — циклогептатриену.

положение равновесия — equilibrium position

Таутомерию циклопропановых норкарадиена и циклогептатриена можно понять на основе молекулярных орбиталей Уолша норкарадиенциклопропанового кольца. Электронная рационализация стабилизации орбиталей Уолша ^[18] возможно как для электроноакцепторных, так и для электронодонорных групп при углероде С7. Молекулярные орбитали электроноакцепторных групп при C7 перекрываются с HOMO-орбиталями Уолша циклопропанового кольца, вызывая укорочение связи C1-C6. В случае электронодонорных групп теперь в НСМО снова возможно перекрытие орбиталей, что приводит к усилению разрыхляющего характера, дестабилизирующего норкарадиеновый таутомер. Положение равновесия можно регулировать в зависимости от карбеновых заместителей.

Приложения

Лекарство:

Важность химии аннуляции расширения кольца Бюхнера очевидна при применении этой синтетической последовательности в синтезе биологических соединений.

Изучая аналогичную реакцию присоединения карбена к тиофену , Стивен Мэтлин и Лам Чан в 1981 году применили метод расширения кольца Бюхнера для получения спиропроизводных пенициллина. ^[7]

Производное пенициллина — Penicillin Derivative

В 1998 году Мандер и др. синтезировал дитерпеноид тропон Харрингтонолид. ^[6] с использованием химии аннуляции внутримолекулярного расширения кольца Бюхнера. родиевый катализатор (Rh ₂ (манделат) ₄ Для получения карбена использовали ) и DBU (1,8-диазабицикло[5.4.0]ундец-7-ен). Было обнаружено, что этот натуральный продукт обладает противоопухолевыми и противовирусными свойствами.

Данхайзер и др. использовали внутримолекулярную генерацию карбеноидов для получения замещенных азуленов посредством расширения кольца типа Бюхнера. Противоязвенный препарат Эгуален (КТ1-32). ^[4]^[5] был синтезирован с использованием этой стратегии расширения-аннуляции колец с родиевым катализатором (Rh ₂ (OCOt-Bu) ₄ ) в эфире.

Материаловедение:

Метод расширения кольца Бюхнера использовался для синтеза исходных материалов для приложений в материаловедении, связанных с фотоэлектрическими элементами. Разработка донорно-акцепторного интерфейса (ДА), состоящего из проводящих полимерных доноров и акцепторов производных бакминстерфуллерена, создает фазово-разделенный композит, который повышает фотопроводимость (доступную только с полимерными донорами) в процессе фотоиндуцированного переноса заряда фотоэлектрических элементов. ^[19] Фуллереновые солнечного соединения могут быть функционализированы для смешивания C ₆₀ для повышения эффективности элемента полимерной в зависимости от синтезированной тонкой пленки . ^[11]

производное фуллерена — fullerene derivative

Ограничения

К недостаткам реакции относятся побочные реакции карбенового фрагмента. Необходимо учитывать выбор растворителя для реакции. В дополнение к потенциальным реакциям внедрения углерод-водородных связей , внедрение углерод-галогенкарбена возможно, когда дихлорметан . в качестве растворителя используется ^[20]

Контроль региоселективности во время добавления карбена необходим, чтобы избежать побочных продуктов, образующихся в результате сопряженных изомеров циклогептатриена. Ноэльс и др. использовали Rh(II)-катализаторы для генерации карбена в мягких условиях реакции (комнатная температура) для региоселективного получения кинетического несопряженного изомера циклогептатриена. ^[3]^[8]^[21]

См. также

Ссылки

^ Бюхнер, Э.; Курциус, Т. (1885), «О действии диазоацетата на ароматические углеводороды» , Бер. Немецкий. Chem. Ges. , 18 (2): 2377–2379, номер документа : 10.1002/cber.188501802119.
^ Бюхнер, Э.; Куртиус, Т. (1885), «Синтез бета-кетоэфиров из альдегидов и диазоуксусной кислоты». , Бер. Дтч. хим. Гес. , 18 (2): 2371–2377, doi : 10.1002/cber.188501802118
^ Jump up to: ^а ^б Хьюберт, AJ; Ноэлс, А. Ф.; Ансио, Эй Джей; Варин, Р.; Тейсси, П. (1981), «Реакции диазосоединений, катализируемые переходными металлами. 2». Дополнение к ароматическим молекулам: катализ синтеза циклогептатриенов Бюхнера » (PDF) , J. Org. хим. , 46 (5): 873–876, doi : 10.1021/jo00318a010 , hdl : 2268/237697
^ Jump up to: ^а ^б Данхайзер, РЛ ; Дж. Л. Кейн, Дж.; Ши, К.М.; Кромби, А.Л. (2001), «Стратегия расширения кольца-аннуляции для синтеза замещенных азуленов. Получение и реакции сочетания Сузуки 1-азуленил трифлатов», Org. Летт. , 3 (7): 1081–1084, doi : 10.1021/ol0156897 , PMID 11277800
^ Jump up to: ^а ^б Данхайзер, РЛ; Кромби, Алабама; Кейн, JLJ; Ши, К.М. (2004), «Стратегия расширения и аннуляции кольца для синтеза замещенных азуленов и олигоазуленов. 2. Синтез азуленилгалогенидов, сульфонатов и соединений азуленилметаллов и их применение в реакциях сочетания, опосредованных переходными металлами», J. Org . хим. , 69 (25): 8652–8667, doi : 10.1021/jo048698c , PMID 15575741
^ Jump up to: ^а ^б Мандер, Л.Н.; Фрей, Б.; Уэллс, AP; Роджерс, Д.Х. (1998), "Синтез необычных дитерпеноидных тропонов хайнанолидол и харрингтонолид", J. Am. хим. Соц. , 120 (8): 1914–1915, doi : 10.1021/ja9738081
^ Jump up to: ^а ^б Мэтлин, SA; Чан, Л. (1981), «Новые спиропроизводные пенициллина», Tetrahedron Letters , 22 (40): 4025–4028, doi : 10.1016/S0040-4039(01)82055-4
^ Jump up to: ^а ^б Райсман, SE; Нани, РР; Левин, С. (2011), «Бюхнер и не только: циклопропанирование аренов применительно к полному синтезу натуральных продуктов» (PDF) , Synlett , 7 (17): 2437–2442, doi : 10.1055/s-0031-1289520
^ Прато, М. (1997), «[60] Химия фуллеренов для применения в материаловедении», J. Mater. хим. , 7 (7): 1097–1109, doi : 10.1039/A700080D
^ Вудл, Ф.; Гонсалес Р.; Хуммелен, Дж. К. (1995), "Специфическая кислотно-катализируемая и фотохимическая изомеризация прочного фуллероида в метанофуллерен", J. Org. хим. , 60 (8): 2618–2620, doi : 10.1021/jo00113a049
^ Jump up to: ^а ^б Вудл, Ф.; Хуммелен, Дж. К.; Найт, BW; ЛеПек, Ф. (1995), "Получение и характеристика производных фуллероида и метанофуллерена", J. Org. хим. , 60 (3): 532–538, doi : 10.1021/jo00108a012
^ Сирл, штат Нью-Йорк (1956), «Этилдиазоацетат», Organic Syntheses , 36:25 , doi : 10.15227/orgsyn.036.0025.
^ Jump up to: ^а ^б Лебель, Х.; Марку, Дж.; Молинаро, К.; Шаретт, А. (2003), «Реакции стереоселективного циклопропанирования», Chem. Rev. , 103 (4): 977–1050, doi : 10.1021/cr010007e , PMID 12683775
^ Jump up to: ^а ^б МакКерви, А.; Йе, Т. (1994), "Органический синтез с альфа-диазокарбонильными соединениями", Chem. Rev. , 94 (4): 1091–1160, doi : 10.1021/cr00028a010.
^ Вятт, Э.Э.; Galloway WRJD & Spring, DR (2011), «Региоселективность в термических реакциях Бюхнера типа Бюхнера, катализируемых родием (II), с замещенными арилгалогенидами: исследования по синтезу галоидзамещенных циклогептатриенов», Synlett , 2011 (10): 1449–1453 , дои : 10.1055/s-0030-1260562
^ Пиррунг, MC; Лю, Х.; Морхед, Дж.; Эндрю Т. (2002), «Хемзимы родия: кинетика Михаэлиса-Ментен в карбеноидных реакциях, катализируемых диродием (II) карбоксилатом», J. Am. хим. Соц. , 124 (6): 1014–1023, doi : 10.1021/ja011599l , PMID 11829610
^ Йейтс, П. (1952), «Катализируемое медью разложение диазокетонов», J. Am. хим. Соц. , 74 (21): 5376–5381, doi : 10.1021/ja01141a047
^ Jump up to: ^а ^б Магуайр, Арканзас; Макнамара, О.А. (2011), «Равновесие норкарадиенциклогептатриена», Тетраэдр , 67 : 9–40, doi : 10.1016/j.tet.2010.10.030
^ Ю, Г.; Гао, Дж.; Хуммелен, Дж. К.; Вудл, Ф.; Хигер, AJ (1995), «Полимерные фотоэлектрические элементы: повышенная эффективность за счет сети внутренних донорно-акцепторных гетеропереходов», Science , 270 (5243): 1789–1791, Бибкод : 1995Sci...270.1789Y , CiteSeerX 10.1.1.320. 7494 , doi : 10.1126/science.270.5243.1789 , S2CID 135489167 , ПроКвест 213566279
^ Прекрасно, СиДжей; Браунинг, Р.Г.; Бадаринарай, В.; Расика Диас, Х.В. (2005), «Реакция Бюхнера, катализируемая серебром», Tetrahedron Letters , 46 (14): 2453–2455, doi : 10.1016/j.tetlet.2005.02.052
^ Деринг, W.v.E.; Лабер, Г.; Вондерваль, Р.; Чемберлен, Северная Каролина; Уильямс, Р.Б. (1956), «Структура кислот Бюхнера», J. Am. хим. Соц. , 78 (20): 5448, doi : 10.1021/ja01601a080

[Buchner1-1] Бюхнер, Э.; Курциус, Т. (1885), «О действии диазоацетата на ароматические углеводороды» , Бер. Немецкий. Chem. Ges. , 18 (2): 2377–2379, номер документа : 10.1002/cber.188501802119.

[Buchner2-2] Бюхнер, Э.; Куртиус, Т. (1885), «Синтез бета-кетоэфиров из альдегидов и диазоуксусной кислоты». , Бер. Дтч. хим. Гес. , 18 (2): 2371–2377, doi : 10.1002/cber.188501802118

[dirhodium-3] Jump up to: ^а ^б Хьюберт, AJ; Ноэлс, А. Ф.; Ансио, Эй Джей; Варин, Р.; Тейсси, П. (1981), «Реакции диазосоединений, катализируемые переходными металлами. 2». Дополнение к ароматическим молекулам: катализ синтеза циклогептатриенов Бюхнера » (PDF) , J. Org. хим. , 46 (5): 873–876, doi : 10.1021/jo00318a010 , hdl : 2268/237697

[Danheiser1-4] Jump up to: ^а ^б Данхайзер, РЛ ; Дж. Л. Кейн, Дж.; Ши, К.М.; Кромби, А.Л. (2001), «Стратегия расширения кольца-аннуляции для синтеза замещенных азуленов. Получение и реакции сочетания Сузуки 1-азуленил трифлатов», Org. Летт. , 3 (7): 1081–1084, doi : 10.1021/ol0156897 , PMID 11277800

[Danheiser2-5] Jump up to: ^а ^б Данхайзер, РЛ; Кромби, Алабама; Кейн, JLJ; Ши, К.М. (2004), «Стратегия расширения и аннуляции кольца для синтеза замещенных азуленов и олигоазуленов. 2. Синтез азуленилгалогенидов, сульфонатов и соединений азуленилметаллов и их применение в реакциях сочетания, опосредованных переходными металлами», J. Org . хим. , 69 (25): 8652–8667, doi : 10.1021/jo048698c , PMID 15575741

[Mander-6] Jump up to: ^а ^б Мандер, Л.Н.; Фрей, Б.; Уэллс, AP; Роджерс, Д.Х. (1998), "Синтез необычных дитерпеноидных тропонов хайнанолидол и харрингтонолид", J. Am. хим. Соц. , 120 (8): 1914–1915, doi : 10.1021/ja9738081

[Matlin-7] Jump up to: ^а ^б Мэтлин, SA; Чан, Л. (1981), «Новые спиропроизводные пенициллина», Tetrahedron Letters , 22 (40): 4025–4028, doi : 10.1016/S0040-4039(01)82055-4

[Reisman-8] Jump up to: ^а ^б Райсман, SE; Нани, РР; Левин, С. (2011), «Бюхнер и не только: циклопропанирование аренов применительно к полному синтезу натуральных продуктов» (PDF) , Synlett , 7 (17): 2437–2442, doi : 10.1055/s-0031-1289520

[Prato-9] Прато, М. (1997), «[60] Химия фуллеренов для применения в материаловедении», J. Mater. хим. , 7 (7): 1097–1109, doi : 10.1039/A700080D

[Wudl1-10] Вудл, Ф.; Гонсалес Р.; Хуммелен, Дж. К. (1995), "Специфическая кислотно-катализируемая и фотохимическая изомеризация прочного фуллероида в метанофуллерен", J. Org. хим. , 60 (8): 2618–2620, doi : 10.1021/jo00113a049

[Wudl2-11] Jump up to: ^а ^б Вудл, Ф.; Хуммелен, Дж. К.; Найт, BW; ЛеПек, Ф. (1995), "Получение и характеристика производных фуллероида и метанофуллерена", J. Org. хим. , 60 (3): 532–538, doi : 10.1021/jo00108a012

[Searle-12] Сирл, штат Нью-Йорк (1956), «Этилдиазоацетат», Organic Syntheses , 36:25 , doi : 10.15227/orgsyn.036.0025.

[Lebel-13] Jump up to: ^а ^б Лебель, Х.; Марку, Дж.; Молинаро, К.; Шаретт, А. (2003), «Реакции стереоселективного циклопропанирования», Chem. Rev. , 103 (4): 977–1050, doi : 10.1021/cr010007e , PMID 12683775

[McKervey-14] Jump up to: ^а ^б МакКерви, А.; Йе, Т. (1994), "Органический синтез с альфа-диазокарбонильными соединениями", Chem. Rev. , 94 (4): 1091–1160, doi : 10.1021/cr00028a010.

[Wyatt-15] Вятт, Э.Э.; Galloway WRJD & Spring, DR (2011), «Региоселективность в термических реакциях Бюхнера типа Бюхнера, катализируемых родием (II), с замещенными арилгалогенидами: исследования по синтезу галоидзамещенных циклогептатриенов», Synlett , 2011 (10): 1449–1453 , дои : 10.1055/s-0030-1260562

[Yates-16] Пиррунг, MC; Лю, Х.; Морхед, Дж.; Эндрю Т. (2002), «Хемзимы родия: кинетика Михаэлиса-Ментен в карбеноидных реакциях, катализируемых диродием (II) карбоксилатом», J. Am. хим. Соц. , 124 (6): 1014–1023, doi : 10.1021/ja011599l , PMID 11829610

[NAME_HERE-17] Йейтс, П. (1952), «Катализируемое медью разложение диазокетонов», J. Am. хим. Соц. , 74 (21): 5376–5381, doi : 10.1021/ja01141a047

[Maguire-18] Jump up to: ^а ^б Магуайр, Арканзас; Макнамара, О.А. (2011), «Равновесие норкарадиенциклогептатриена», Тетраэдр , 67 : 9–40, doi : 10.1016/j.tet.2010.10.030

[Yu-19] Ю, Г.; Гао, Дж.; Хуммелен, Дж. К.; Вудл, Ф.; Хигер, AJ (1995), «Полимерные фотоэлектрические элементы: повышенная эффективность за счет сети внутренних донорно-акцепторных гетеропереходов», Science , 270 (5243): 1789–1791, Бибкод : 1995Sci...270.1789Y , CiteSeerX 10.1.1.320. 7494 , doi : 10.1126/science.270.5243.1789 , S2CID 135489167 , ПроКвест 213566279

[Lovely-20] Прекрасно, СиДжей; Браунинг, Р.Г.; Бадаринарай, В.; Расика Диас, Х.В. (2005), «Реакция Бюхнера, катализируемая серебром», Tetrahedron Letters , 46 (14): 2453–2455, doi : 10.1016/j.tetlet.2005.02.052

[Doering-21] Деринг, W.v.E.; Лабер, Г.; Вондерваль, Р.; Чемберлен, Северная Каролина; Уильямс, Р.Б. (1956), «Структура кислот Бюхнера», J. Am. хим. Соц. , 78 (20): 5448, doi : 10.1021/ja01601a080

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

[20]

[21]