Циклоалкин

В органической циклоалкин — циклический аналог алкина химии ( −C≡C− ). Циклоалкин состоит из замкнутого кольца атомов углерода , содержащего одну или несколько тройных связей . Циклоалкины имеют общую формулу C _п ЧАС _{2 п -4}_. Из-за линейного характера C-C≡C-C Алкиновая единица , циклоалкины могут быть сильно напряженными и могут существовать только тогда, когда количество атомов углерода в кольце достаточно велико, чтобы обеспечить гибкость, необходимую для соответствия этой геометрии . Крупные алкинсодержащие карбоциклы могут быть практически ненапряженными, тогда как мельчайшие составляющие этого класса молекул могут испытывать настолько большую нагрузку, что их еще предстоит наблюдать экспериментально. ^{[ 1 ]} Циклооктин ( C ₈ H ₁₂ ) — наименьший циклоалкин, который можно выделить и хранить в виде стабильного соединения. ^{[ 2 ]} Несмотря на это, циклоалкины меньшего размера могут быть получены и уловлены в результате реакций с другими органическими молекулами или в результате образования комплексов с переходными металлами .

Фон

Из-за существенных геометрических ограничений, налагаемых Функциональность R-C≡C-R , циклоалкины меньше циклодецина ( C ₁₀ H ₁₆ ) приводят к сильно напряженным конструкциям. В то время как циклонин ( C ₉ H ₁₄ ) и циклооктин ( C ₈ H ₁₂ ) представляют собой изолируемые (хотя и сильно реакционноспособные) соединения циклогептин ( C ₇ H ₁₀ ), циклогексин ( C ₆ H ₈ ) и циклопентин ( C ₅ H ₆ ) существуют только как временные промежуточные продукты реакции или как лиганды, координирующиеся с металлическим центром. ^{[ 3 ]} Существует мало экспериментальных данных, подтверждающих существование циклобутина ( C ₄ H ₄ ) или циклопропин ( C ₃ H ₂ ), кроме исследований, сообщающих о выделении осмия комплекса с циклобутиновыми лигандами. ^{[ 4 ]} Первоначальные исследования, которые продемонстрировали временную промежуточную связь семи-, шести- и пятичленных циклоалкинов, основывались на захвате высокоэнергетического алкина подходящим партнером реакции, таким как циклические диены или диазосоединения , для образования соединений Дильса-Альдера или диазоалкана. 1,3-диполярного циклоприсоединения соответственно. Продукты ^{[ 5 ]} Стабильные циклоалкины с малыми кольцами впоследствии были изолированы в комплексе с различными переходными металлами, такими как никель , палладий и платина . ^{[ 6 ]} Несмотря на то, что напряженные циклоалкины долгое время считались химическими диковинками с ограниченным синтетическим применением, недавние работы продемонстрировали полезность напряженных циклоалкинов как в полном синтезе сложных природных продуктов , так и в биоортогональной химии . ^{[ 7 ]}^{[ 8 ]}

Угловая деформация

Угловая деформация в циклоалкинах возникает в результате деформации Валентный угол R-C≡C , который должен иметь место, чтобы соответствовать молекулярной геометрии колец, содержащих менее десяти атомов углерода. Энергии деформации, связанные с циклононином ( C ₉ H ₁₄ ) и циклооктин ( C ₈ H ₁₂ ) составляют примерно 2,9 ккал/моль и 10 ккал/моль соответственно. ^{[ 9 ]} Эта тенденция к увеличению энергии для изолируемых компонентов этого класса указывает на быстрое увеличение угловой деформации с обратной корреляцией с размером кольца. Анализ с помощью фотоэлектронной спектроскопии показал, что алкиновая связь в небольших циклических системах состоит из двух невырожденных π-связей - высокореакционно-напряженной связи, перпендикулярной π-связи с более низкой энергией. ^{[ 10 ]} Цис -изгиб Валентный угол R-C≡C приводит к резкому снижению энергии самой низкой незанятой молекулярной орбитали - феномену, который объясняет реакционную способность напряженных циклоалкинов с точки зрения теории молекулярных орбиталей . ^{[ 11 ]}

Синтез

Первоначальные попытки синтеза напряженных циклоалкинов показали, что циклоалкины могут быть получены путем удаления соляной кислоты из 1-хлорциклоалкена с умеренным выходом. Желаемый продукт можно получить в виде смеси с соответствующим алленом в качестве основного продукта. ^{[ 12 ]}

Дальнейшая работа в этой области была направлена на разработку более мягких условий реакции и получение более устойчивых выходов. Чтобы избежать образования нежелательного аллена , метод Кобаяши для получения аринов был адаптирован для синтеза циклоалкинов. ^{[ 13 ]}

Совсем недавно компания Fujita разработала превосходный метод получения напряженных циклоалкинов. Он включает индуцированное основанием -элиминирование винилйодония β солей . Винилйодониум оказался особенно полезным синтетическим предшественником напряженных циклоалкинов из-за его высокой реакционной способности, которая возникает из-за сильной электроноакцепторной способности положительно заряженных форм йода, а также уходящей группе . способности йодония к ^{[ 14 ]}

Помимо описанных путей элиминирования, циклоалкины также можно получить окислением циклических бисгидразонов оксидом ртути. ^{[ 15 ]} или тетраацетат свинца ^{[ 3 ]} а также путем термического разложения селенадиазола. ^{[ 16 ]}

Реакции

Напряженные циклоалкины способны вступать во все реакции присоединения, типичные для алкинов с открытой цепью. Благодаря активированной природе циклической тройной связи углерод-углерод многие реакции алкинового присоединения, такие как реакция Дильса-Альдера, 1,3-диполярное циклоприсоединение и галогенирование, в отсутствие катализаторов . могут осуществляться в очень мягких условиях и часто необходимо ускорить трансформацию в нециклической системе. Помимо реакционной способности алкинов, циклоалкины способны претерпевать ряд уникальных, полезных с синтетической точки зрения превращений.

Вставка циклогексинового кольца

Одним из особенно интригующих способов реакционной способности является внедрение циклогексина в циклические кетоны . Реакция инициируется опосредованным алкоксидом образованием реакционноспособных циклоалкинов in situ с последующим α- депротонированием кетона с образованием соответствующего енолята . Затем два соединения подвергаются формальному [2+2]-фотоциклоприсоединению с образованием очень нестабильного промежуточного циклобутанолата, который легко разлагается до енонового продукта. ^{[ 17 ]}

Эта реакция была использована в качестве ключевого этапа в полном синтезе Каррейры гуанакастапенов O и N. Она позволила целесообразно построить кольцевую систему 5-7-6 и предоставила полезные синтетические ручки для последующей функционализации. ^{[ 18 ]}^{[ 19 ]}

Безмедийная клик-реакция с циклооктином

Циклооктин, наименьший изолируемый циклоалкин, способен подвергаться азид -алкиновому циклоприсоединению Хейсгена в мягких физиологических условиях в отсутствие катализатора меди (I) из-за напряжения. Эта реакция нашла широкое применение в качестве биоортогональной трансформации для визуализации живых клеток. ^{[ 20 ]} Хотя был известен мягкий катализируемый медью вариант реакции, CuAAC (катализируемое медью азид-алкиновое циклоприсоединение) с линейными алкинами, развитие реакции без меди было значительным, поскольку оно обеспечивало легкую реакционную способность, устраняя при этом необходимость в токсичный металлический катализатор. ^{[ 21 ]}

Ссылки

^ Сакс, Пол; Шефер, Генри Ф. (1980). «Можно ли действительно получить циклопропин?». Дж. Ам. хим. Соц. 102 (9): 3239–3240. дои : 10.1021/ja00529a057 .
^ Циклоалкин (химическое соединение) - Интернет-энциклопедия Britannica
^ Перейти обратно: ^а ^б Кребс, Адольф; Вилке, Юрген (1983). «Циклоалкины, напряженные под углом». Темы современной химии . 109 : 189–233. дои : 10.1007/BFb0018059 . ISBN 3-540-11907-8 .
^ Адамс, Ричард Д.; Чен, Гонг; Цюй, Сяосу; Ву, Венган; Ямамото, Джон Х. (1992). «Циклобутин: лиганд. Синтез и молекулярная структура осмиевого кластера Os ₃ (CO) ₉ ( μ ³- ч ²-C ₂ CH ₂ CH ₂ )( μ -SPh)( μ -H)». J. Am. Chem. Soc. 114 (27): 10977–10978. doi : 10.1021/ja00053a053 .
^ Виттиг, Джордж; Кребс, Адольф (1961). «О существовании низших циклоалкинов, 1». хим. Бер. 94 (12): 3260–3275. дои : 10.1002/cber.19610941213 .
^ Беннетт, Мартин А.; Швемляйн, Хайнц П. (1989). «Металлокомплексы малых циклоалкинов и аринов». Энджью. хим. 28 (10): 1296–1320. дои : 10.1002/anie.198912961 .
^ Гампе, Кристиан М.; Каррейра, Эрик М. (2012). «Арины и циклогексин в синтезе натуральных продуктов». Энджью. хим. 51 (16): 3766–3778. дои : 10.1002/anie.201107485 . ПМИД 22422638 .
^ Пул, Томас Х.; Рейш, Джули А.; Чжао, Вейлин; Пул, Лесли Б.; Фурдуи, Кристина М.; Кинг, С. Брюс (2014). «Напряженные циклоалкины как новые белковые ловушки сульфеновой кислоты» . Дж. Ам. хим. Соц. 136 (17): 6167–6170. дои : 10.1021/ja500364r . ПМК 4017607 . ПМИД 24724926 .
^ Виттиг, Г.; Кребс, А.; Полке, Р. (1960). «О промежуточном появлении циклопентина». Энджью. Chem. 72 (9): 324. doi : 10.1002/anie.19600720914 .
^ Шмидт, Хартмут; Швейг, Армин (1974). «Расщепление вырожденного ацетиленового πmos; зонд кольцевой деформации». Тетраэдр Летт. 15 (16): 1471–1474. дои : 10.1016/S0040-4039(01)93113-2 .
^ Мейер, Герберт; Петерсен, Герман; Колсхорн, Хайнц (1980). «Кольцевая деформация циклоалкинов и ее спектроскопические эффекты». хим. Бер. 113 (7): 2398–2409. дои : 10.1002/cber.19801130708 .
^ Мур, Уильям Р.; Уорд, Гарольд Р. (1963). «Равновесие циклических алленов и ацетиленов». Дж. Ам. хим. Соц. 85 (1): 86–89. дои : 10.1021/ja00884a018 .
^ Химешима, Ёсио; Сонода, Такааки; Кобаяши, Хироши (1983). «Фторид-индуцированное 1,2-элиминирование о- (триметилсилил)фенилтрифлата до бензола в мягких условиях». хим. Летт. 12 (8): 1211–1214. дои : 10.1246/кл.1983.1211 .
^ Окуяма, Тадаши; Фудзита, Морифуми (2005). «Получение циклоалкинов путем гидро-йодонио-отщепления винилиодониевых солей». Акк. хим. Рез. 38 (8): 679–686. дои : 10.1021/ar040293r . ПМИД 16104691 .
^ Бломквист, AT; Лю, Лян Хуан; Борер, Джеймс К. (1952). «Многочленные углеродные кольца. VI. Ненасыщенные девятичленные циклические углеводороды». Дж. Ам. хим. Соц. 74 (14): 3643–3647. дои : 10.1021/ja01134a052 .
^ Мейер, Х.; Фойгт, Э. (1972). «Образование и фрагментация циклоалкено-1,2,3-селенадиазолов». Тетраэдр . 28 (1): 187–198. дои : 10.1016/0040-4020(72)80068-1 .
^ Гампе, Кристиан М.; Булос, Сами; Каррейра, Эрик М. (2010). «Циклогексин-циклоинсерция с помощью каскада расширения кольцеобразного кольца». Энджью. хим. 122 (24): 4186–4189. дои : 10.1002/ange.201001137 .
^ Гампе, Кристиан М.; Каррейра, Эрик М. (2011). «Полный синтез гуанакастепенов N и O». Энджью. хим. 50 (13): 2962–2965. дои : 10.1002/anie.201007644 . ПМИД 21370370 .
^ Гампе, Кристиан М.; Каррейра, Эрик М. (2012). «Циклогексин-циклоинсерция в дивергентном синтезе гуанакастепенов». Энджью. хим. 18 (49): 15761–15771. дои : 10.1002/chem.201202222 . ПМИД 23080228 .
^ Баскин, Джереми М.; Прешер, Дженнифер А.; Лафлин, Скотт Т.; Агард, Николас Дж.; Чанг, Памела В.; Миллер, Исаак А.; Ло, Андерсон; Коделли, Джулиан А.; Бертоцци, Кэролин Р. (2007). «Клик-химия без содержания меди для динамической визуализации in vivo» . Учеб. Натл. акад. наук. США . 104 (43): 16793–16797. Бибкод : 2007PNAS..10416793B . дои : 10.1073/pnas.0707090104 . ПМК 2040404 . ПМИД 17942682 .
^ Хейн, Джейсон Э.; Фокин, Валерий Владимирович (2010). «Катализируемое медью азид-алкиновое циклоприсоединение (CuAAC) и не только: новая реакционная способность ацетилидов меди (I)» . хим. Соц. Откр. 39 (4): 1302–1315. дои : 10.1039/b904091a . ПМК 3073167 . ПМИД 20309487 .

[1] Сакс, Пол; Шефер, Генри Ф. (1980). «Можно ли действительно получить циклопропин?». Дж. Ам. хим. Соц. 102 (9): 3239–3240. дои : 10.1021/ja00529a057 .

[2] Циклоалкин (химическое соединение) - Интернет-энциклопедия Britannica

[Adolf-3] Перейти обратно: ^а ^б Кребс, Адольф; Вилке, Юрген (1983). «Циклоалкины, напряженные под углом». Темы современной химии . 109 : 189–233. дои : 10.1007/BFb0018059 . ISBN 3-540-11907-8 .

[4] Адамс, Ричард Д.; Чен, Гонг; Цюй, Сяосу; Ву, Венган; Ямамото, Джон Х. (1992). «Циклобутин: лиганд. Синтез и молекулярная структура осмиевого кластера Os ₃ (CO) ₉ ( μ ³- ч ²-C ₂ CH ₂ CH ₂ )( μ -SPh)( μ -H)». J. Am. Chem. Soc. 114 (27): 10977–10978. doi : 10.1021/ja00053a053 .

[5] Виттиг, Джордж; Кребс, Адольф (1961). «О существовании низших циклоалкинов, 1». хим. Бер. 94 (12): 3260–3275. дои : 10.1002/cber.19610941213 .

[6] Беннетт, Мартин А.; Швемляйн, Хайнц П. (1989). «Металлокомплексы малых циклоалкинов и аринов». Энджью. хим. 28 (10): 1296–1320. дои : 10.1002/anie.198912961 .

[7] Гампе, Кристиан М.; Каррейра, Эрик М. (2012). «Арины и циклогексин в синтезе натуральных продуктов». Энджью. хим. 51 (16): 3766–3778. дои : 10.1002/anie.201107485 . ПМИД 22422638 .

[8] Пул, Томас Х.; Рейш, Джули А.; Чжао, Вейлин; Пул, Лесли Б.; Фурдуи, Кристина М.; Кинг, С. Брюс (2014). «Напряженные циклоалкины как новые белковые ловушки сульфеновой кислоты» . Дж. Ам. хим. Соц. 136 (17): 6167–6170. дои : 10.1021/ja500364r . ПМК 4017607 . ПМИД 24724926 .

[9] Виттиг, Г.; Кребс, А.; Полке, Р. (1960). «О промежуточном появлении циклопентина». Энджью. Chem. 72 (9): 324. doi : 10.1002/anie.19600720914 .

[10] Шмидт, Хартмут; Швейг, Армин (1974). «Расщепление вырожденного ацетиленового πmos; зонд кольцевой деформации». Тетраэдр Летт. 15 (16): 1471–1474. дои : 10.1016/S0040-4039(01)93113-2 .

[11] Мейер, Герберт; Петерсен, Герман; Колсхорн, Хайнц (1980). «Кольцевая деформация циклоалкинов и ее спектроскопические эффекты». хим. Бер. 113 (7): 2398–2409. дои : 10.1002/cber.19801130708 .

[12] Мур, Уильям Р.; Уорд, Гарольд Р. (1963). «Равновесие циклических алленов и ацетиленов». Дж. Ам. хим. Соц. 85 (1): 86–89. дои : 10.1021/ja00884a018 .

[13] Химешима, Ёсио; Сонода, Такааки; Кобаяши, Хироши (1983). «Фторид-индуцированное 1,2-элиминирование о- (триметилсилил)фенилтрифлата до бензола в мягких условиях». хим. Летт. 12 (8): 1211–1214. дои : 10.1246/кл.1983.1211 .

[14] Окуяма, Тадаши; Фудзита, Морифуми (2005). «Получение циклоалкинов путем гидро-йодонио-отщепления винилиодониевых солей». Акк. хим. Рез. 38 (8): 679–686. дои : 10.1021/ar040293r . ПМИД 16104691 .

[15] Бломквист, AT; Лю, Лян Хуан; Борер, Джеймс К. (1952). «Многочленные углеродные кольца. VI. Ненасыщенные девятичленные циклические углеводороды». Дж. Ам. хим. Соц. 74 (14): 3643–3647. дои : 10.1021/ja01134a052 .

[16] Мейер, Х.; Фойгт, Э. (1972). «Образование и фрагментация циклоалкено-1,2,3-селенадиазолов». Тетраэдр . 28 (1): 187–198. дои : 10.1016/0040-4020(72)80068-1 .

[17] Гампе, Кристиан М.; Булос, Сами; Каррейра, Эрик М. (2010). «Циклогексин-циклоинсерция с помощью каскада расширения кольцеобразного кольца». Энджью. хим. 122 (24): 4186–4189. дои : 10.1002/ange.201001137 .

[18] Гампе, Кристиан М.; Каррейра, Эрик М. (2011). «Полный синтез гуанакастепенов N и O». Энджью. хим. 50 (13): 2962–2965. дои : 10.1002/anie.201007644 . ПМИД 21370370 .

[19] Гампе, Кристиан М.; Каррейра, Эрик М. (2012). «Циклогексин-циклоинсерция в дивергентном синтезе гуанакастепенов». Энджью. хим. 18 (49): 15761–15771. дои : 10.1002/chem.201202222 . ПМИД 23080228 .

[20] Баскин, Джереми М.; Прешер, Дженнифер А.; Лафлин, Скотт Т.; Агард, Николас Дж.; Чанг, Памела В.; Миллер, Исаак А.; Ло, Андерсон; Коделли, Джулиан А.; Бертоцци, Кэролин Р. (2007). «Клик-химия без содержания меди для динамической визуализации in vivo» . Учеб. Натл. акад. наук. США . 104 (43): 16793–16797. Бибкод : 2007PNAS..10416793B . дои : 10.1073/pnas.0707090104 . ПМК 2040404 . ПМИД 17942682 .

[21] Хейн, Джейсон Э.; Фокин, Валерий Владимирович (2010). «Катализируемое медью азид-алкиновое циклоприсоединение (CuAAC) и не только: новая реакционная способность ацетилидов меди (I)» . хим. Соц. Откр. 39 (4): 1302–1315. дои : 10.1039/b904091a . ПМК 3073167 . ПМИД 20309487 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]

[ 16 ]

[ 17 ]

[ 18 ]

[ 19 ]

[ 20 ]

[ 21 ]