Изменение полярности
В органической химии умполунг ( Немецкий: [ˈʔʊmˌpoːlʊŋ] ) или инверсия полярности — это химическая модификация функциональной группы с целью изменения полярности этой группы. [1] [2] Эта модификация допускает вторичные реакции этой функциональной группы, которые в противном случае были бы невозможны. [3] Концепция была введена Д. Зеебахом (отсюда и немецкое слово umpolung, обозначающее обратную полярность) и Э. Дж. Кори . Анализ полярности во время ретросинтетического анализа сообщает химику, когда для синтеза целевой молекулы необходима тактика умполунга.
Введение [ править ]
Подавляющее большинство важных органических молекул содержат гетероатомы, которые поляризуют углеродные скелеты в силу своей электроотрицательности. Поэтому в стандартных органических реакциях большинство новых связей образуется между атомами противоположной полярности. Это можно считать «нормальным» режимом реактивности.
Одним из следствий этой естественной поляризации молекул является то, что замещенные углеродные скелеты с 1,3- и 1,5-гетероатомами чрезвычайно легко синтезировать ( реакция Альдоля , конденсация Кляйзена , реакция Михаэля , перегруппировка Кляйзена , реакция Дильса-Альдера ), тогда как 1, Паттерны замещения 2-, 1,4- и 1,6-гетероатомов труднее обнаружить с помощью «нормальной» реакционной способности. Поэтому важно понять и разработать методы индукции умполунга в органических реакциях.
Примеры [ править ]
Самый простой способ получить закономерности замещения 1,2-, 1,4- и 1,6-гетероатомов — начать с них. Биохимические и промышленные процессы могут обеспечить недорогие источники химических веществ, которые обычно имеют недоступные схемы замещения. Например, аминокислоты, щавелевая кислота, янтарная кислота, адипиновая кислота, винная кислота и глюкоза встречаются в изобилии и обеспечивают нестандартные закономерности замещения.
Умполунг цианидного типа [ править ]
Канонический реагент умполунга — это цианид-ион . Цианид-ион необычен тем, что ожидается, что углерод, тройно связанный с азотом, будет иметь (+) полярность из-за более высокой электроотрицательности атома азота. Однако отрицательный заряд цианид-иона локализован на углероде, что придает ему (-) формальный заряд. Эта химическая амбивалентность приводит к умполунгу во многих реакциях, в которых участвует цианид.
Например, цианид является ключевым катализатором конденсации бензоина , классического примера инверсии полярности.
Конечным результатом бензоиновой реакции является образование связи между двумя атомами углерода, которые обычно являются электрофилами.
N-гетероциклические карбены [ править ]
N-гетероциклические карбены по реакционной способности подобны цианиду. Как и цианид, они обладают необычной химической амбивалентностью, что позволяет им вызывать умполунг в реакциях, в которых они участвуют. Карбен имеет шесть электронов — по два в одинарных связях углерод-азот, два в sp. 2 -гибридная орбиталь и пустая р-орбиталь. СП 2 неподеленная пара действует как донор электронов, тогда как пустая p-орбиталь способна действовать как акцептор электронов.
В этом примере β-углерод α,β-ненасыщенного эфира 1 формально действует как нуклеофил: [4] тогда как обычно ожидается, что это будет акцептор Михаила .
Этот карбен реагирует с α,β-ненасыщенным эфиром 1 в β-положении, образуя промежуточный енолят 2 . За счет таутомеризации 2b может сместить концевой атом брома на 3 . Реакция элиминирования регенерирует карбен и высвобождает продукт 4 .
Для сравнения: в реакции Бейлиса-Хиллмана тот же электрофильный β-атом углерода подвергается атаке реагента, что приводит к активации α-положения енона как нуклеофила.
Тиамина пирофосфат [ править ]
В биологических процессах можно использовать цианоподобную реакционную способность умполунга, не полагаясь на токсичный ион цианида. Пирофосфат тиамина (который сам по себе является N-гетероциклическим карбеном ) (TPP) выполняет функционально идентичную роль. Тиазолиевое кольцо в TPP депротонировано внутри гидрофобного ядра фермента. [5] в результате чего образуется карбен, способный к умполунгу.
Ферменты, которые используют TPP в качестве кофактора, могут катализировать реакционную способность умполунга, например декарбоксилирование пирувата.
В отсутствие TPP декарбоксилирование пирувата привело бы к размещению отрицательного заряда на карбонильном углероде, что противоречило бы нормальной поляризации двойной связи углерод-кислород.
3-членные кольца [ править ]
 |
Трехчленные кольца представляют собой напряженные фрагменты в органической химии. Когда трехчленное кольцо содержит гетероатом, например, в эпоксиде или в промежуточном соединении бромония , три атома в кольце становятся поляризованными. Невозможно приписать полярность (+) и (-) трехчленному кольцу, не имея двух соседних атомов с одинаковой полярностью. Следовательно, всякий раз, когда нуклеофил открывает поляризованное трехчленное кольцо, неизбежно возникает умполунг. [6] Например, открытие оксида этилена гидроксидом приводит к образованию этиленгликоля .
анионного реле карбонильного Химия умполунга /
Химия дитиана — классический пример инверсии полярности. Это можно наблюдать в реакции Кори-Зибаха .
Обычно атом кислорода в карбонильной группе более электроотрицательен, чем атом углерода, и поэтому карбонильная группа реагирует как электрофил по отношению к углероду. Эта полярность может быть изменена, когда карбонильная группа превращается в дитиан или тиоацеталь . В синтонной терминологии обычная карбонильная группа представляет собой ацильный катион , а дитиан — замаскированный ациловый анион .
Когда дитиан получается из альдегида, такого как ацетальдегид, ацильный протон может быть оторван н -бутиллитием в ТГФ при низких температурах. Образовавшийся таким образом 2-литио-1,3-дитиан реагирует как нуклеофил при нуклеофильном замещении с алкилгалогенидами , такими как бензилбромид , с другими карбонильными соединениями, такими как циклогексанон , или оксиранами, такими как фенилэпоксиэтан, как показано ниже. После гидролиза дитиановой группы конечными продуктами реакции являются α-алкилкетоны или α-гидроксикетоны . Обычным реагентом для гидролиза дитиана является (бис (трифторацетокси) иод) бензол .
Химия дитиана открывает путь ко многим новым химическим превращениям. Один из примеров можно найти в так называемой химии анионного реле , в которой отрицательный заряд анионной функциональной группы, возникающий в результате одной органической реакции, переносится в другое место внутри того же углеродного каркаса и становится доступным для вторичной реакции. [7] В этом примере многокомпонентной реакции как формальдегид ( 1 ), так и изопропиловый альдегид ( 8 ) превращаются в дитианы 3 и 9 с помощью 1,3-пропандитиола . Сульфид 3 сначала силилируют по реакции с трет -бутиллитием , а затем с триметилсилилхлоридом 4 , после чего второй ацильный протон удаляют и вводят в реакцию с оптически активным (-)- эпихлоргидрином 6 , замещающим хлор. Это соединение служит субстратом для реакции с другим дитианом 9 с образованием раскрытия оксиранового кольца продукта 10 . Под влиянием полярного основания HMPA 10 . перегруппировывается в 1,4-перегруппировку Брука в силиловый эфир 11, реактивируя дитиановую группу формальдегида в качестве аниона (отсюда и концепция анионного реле) Эта дитиановая группа реагирует с оксираном 12 с образованием спирта 13 и на заключительной стадии сульфидные группы удаляются с помощью (бис(трифторацетокси)иод)бензола .
Тактика химии анионного реле была элегантно применена при полном синтезе сложных молекул со значительной биологической активностью, таких как спонгистатин 2. [8] и Манделалид А. [9] [10]
Образование окислительной связи [ править ]
Можно образовать связь между двумя атомами углерода (-) полярности, используя окислитель, например йод . В этом полном энтеролактона синтезе [11] 1,4-заместители кислорода образуются путем окислительного гомосочетания енолята карбоксилата с использованием йода в качестве окислителя.
Амин умполунг [ править ]
Обычно атом азота в аминогруппе реагирует как нуклеофил через свою неподеленную пару . Эта полярность может быть изменена на противоположную, когда первичный или вторичный амин замещается хорошей уходящей группой (такой как атом галогена или алкоксигруппа ). Образующееся N-замещенное соединение может вести себя как электрофил по атому азота и реагировать с нуклеофилом, как, например, при электрофильном аминировании карбанионов . [12]
Гидразоновый умполунг [ править ]
Недавно различные карбонилы были превращены в заменители металлорганических реагентов посредством умполунга гидразона C.-J. Ли и др. В присутствии катализатора, как и металлоорганические реагенты, гидразоны могут подвергаться нуклеофильному присоединению, конъюгатному присоединению и катализируемому переходными металлами кросс-сочетанию с различными электрофилами с образованием новых CC-связей. [13]
Ссылки [ править ]
- ^ Сибах, Д. (1979). «Методы реактивности Умполунга». Angewandte Chemie International Edition на английском языке . 18 (4): 239–258. дои : 10.1002/anie.197902393 .
- ^ Грёбель, БТ; Сибах, Д. (1977). «Умполунг реакционной способности карбонильных соединений через серосодержащие реагенты». Синтез . 1977 (6): 357. doi : 10.1055/s-1977-24412 . S2CID 95705677 .
- ^ Зеебах, Д.; Кори, Э.Дж. (1975). «Получение и синтетическое применение 2-литио-1,3-дитианов». Журнал органической химии . 40 (2): 231. doi : 10.1021/jo00890a018 .
- ^ Фишер, К.; Смит, Юго-Запад; Пауэлл, округ Колумбия; Фу, GC (2006). «Умполунг акцепторов Михаэля, катализируемый N-гетероциклическими карбенами» . Журнал Американского химического общества . 128 (5): 1472–1473. дои : 10.1021/ja058222q . ПМК 2553003 . ПМИД 16448117 .
- ^ Вашабо, штат Вашингтон; Дженкс, WP (1988). «Обмен протонами тиазолия C (2): корреляции структура-реактивность и новый взгляд на pKa тиамина C (2)-H». Биохимия . 27 (14): 5044–5053. дои : 10.1021/bi00414a015 . ПМИД 2844248 .
- ^ Клейден, Джонатан (2012). Органическая химия (2-е изд.). Издательство Оксфордского университета . п. 720.
- ^ Смит А.Б., III, Сиань М. (2006). «Химия анионных реле: эффективная тактика синтеза, ориентированного на разнообразие». Журнал Американского химического общества . 128 (1): 66–67. дои : 10.1021/ja057059w . ПМИД 16390124 .
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Смит А.Б., III., Лин К., Даути В.А., Чжуан Л., МакБрайар М.Д., Кернс Дж.К., Брук К.С., Мурасе Н., Накаяма К. (2001). «Спонгистатины: архитектурно сложные натуральные продукты - Часть вторая: синтез субъединицы C (29–51), сборка фрагментов и окончательная разработка (+)-спонгистатина 2». Angewandte Chemie, международное издание . 40 (1): 196–199. doi : 10.1002/1521-3773(20010105)40:1<196::AID-ANIE196>3.0.CO;2-T . ПМИД 11169711 .
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Нгуен М.Х., Иманиши М., Куроги Т., Смит А.Б., III. (2016). «Полный синтез (-)-манделалида А с использованием химии анионных реле (ARC): идентификация протокола перекрестного соединения ARC/CuCN типа II» . Журнал Американского химического общества . 138 (11): 3675–3678. дои : 10.1021/jacs.6b01731 . ПМЦ 4819492 . ПМИД 26954306 .
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Нгуен М.Х., Иманиши М., Куроги Т., Ван Х., Измаил Дж., Макфэйл К., Смит А.Б., III. (2018). «Синтетический доступ к семейству макролидов манделалида: разработка стратегии химии анионных реле» . Журнал органической химии . 83 (8): 4287–4306. дои : 10.1021/acs.joc.8b00268 . ПМК 5910188 . ПМИД 29480727 .
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Беллетир, JL; Фремонт, СЛ (1986). «Окислительная связь». Буквы тетраэдра . 27 (2): 127. doi : 10.1016/S0040-4039(00)83958-1 .
- ^ Эрдик, Э.; Да, М. (1989). «Электрофильное аминирование карбанионов». Химические обзоры . 89 (8): 1947–1980. дои : 10.1021/cr00098a014 .
- ^ Дай, XJ; Ли, CC; Ли, К.-Дж. (2021). «Карбонилумполунг как заменитель металлоорганического реагента». Обзоры химического общества . 50 (19): 10733–10742. дои : 10.1039/D1CS00418B . ПМИД 34382626 . S2CID 236989985 .
Внешние ссылки [ править ]
- ИЮПАК , Сборник химической терминологии , 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Исправленная онлайн-версия: (2006–) « умполунг ». дои : 10.1351/goldbook.U06551