Циклоппропанация
В органической химии циклопропанирование относится к любому химическому процессу, в результате которого образуется циклопропан ( (СН 2 ) 3 ) кольца . Это важный процесс в современной химии, поскольку многие полезные соединения имеют этот мотив; например пиретроидные инсектициды и ряд хинолоновых антибиотиков ( ципрофлоксацин , спарфлоксацин и др.). Однако высокая кольцевая деформация, присутствующая в циклопропанах, затрудняет их производство и обычно требует использования высокореактивных соединений , таких как карбены , илиды и карбанионы . [1] Многие реакции протекают хелетропно .
Подходы
[ редактировать ]Из алкенов с использованием карбеноидных реагентов
[ редактировать ]Существует несколько методов преобразования алкенов в циклопропановые кольца с использованием реагентов карбенового типа. Поскольку карбены сами по себе очень реакционноспособны, их обычно используют в стабилизированной форме, называемой карбеноидом . [2]
Реакция Симмонса-Смита
[ редактировать ]В реакции Симмонса-Смита реакционноспособным карбеноидом является йодид йодметилцинка , который обычно образуется в результате реакции между дийодметаном и парой цинк-медь . Были разработаны модификации, включающие более дешевые альтернативы, такие как дибромметан. [3] или диазометан и йодид цинка . [4] Реакционную способность системы можно также повысить, заменив пару цинк-медь на диэтилцинк . [5] Известны асимметричные варианты. [6]
Использование диазосоединений
[ редактировать ]Некоторые диазосоединения , такие как диазометан , могут реагировать с олефинами с образованием циклопропанов в двухстадийном порядке. Первый этап включает 1,3-диполярное циклоприсоединение с образованием пиразолина , который затем подвергается деазотированию либо фотохимическим , либо термическим разложением с образованием циклопропана. Термический путь, в котором в качестве катализаторов часто используются КОН и платина , также известен как синтез циклопропана Кишнера в честь русского химика Николая Кишнера. [7] [8] а также может быть осуществлено с использованием гидразина и α,β-ненасыщенных карбонильных соединений . [9] Механизм разложения был предметом нескольких исследований и остается несколько спорным, хотя широко считается, что он протекает через дирадикальные виды. [10] [11] С точки зрения зеленой химии этот метод превосходит другие циклопропанации на основе карбена; поскольку в нем не используются металлы или галогенированные реагенты, а образуется только N 2 в качестве побочного продукта . Однако реакция может быть опасной, поскольку следовые количества непрореагировавших диазосоединений могут взорваться во время термической перегруппировки пиразолина.
Использование диазосоединений с металлическим катализом
[ редактировать ]Метилфенилдиазоацетат и многие родственные диазопроизводные являются предшественниками донорно-акцепторных карбенов , которые можно использовать для циклопропанирования или для внедрения в связи CH органических субстратов. Эти реакции катализируются трифторацетатом родия (II) и родственными хиральными производными. [12] [13] [14]
Использование свободных карбенов
[ редактировать ]Свободные карбены можно использовать в реакциях циклопропанирования, однако возможности для этого ограничены, поскольку лишь немногие из них можно получить удобным способом и почти все они нестабильны (см.: Димеризация карбенов ). Исключением являются дигалогенкарбены, такие как дихлоркарбен или дифторкарбен , которые достаточно стабильны и реагируют с образованием геминальных дигалоциклопропанов. [15] Эти соединения затем можно использовать для образования алленов посредством перегруппировки Скаттебеля .
Реакция расширения кольца Бюхнера также включает образование стабилизированного карбена.Циклопропанирование также стереоспецифично, поскольку присоединение карбена и карбеноидов к алкенам представляет собой форму хелетропной реакции , причем присоединение происходит син- способом. Например, дибромкарбен и цис -2-бутен дают цис -2,3-диметил-1,1-дибромциклопропан, тогда как транс- изомер дает исключительно транс -циклопропан. [16]
Из алкенов с помощью илидов
[ редактировать ]Циклопопропаны могут быть получены с использованием илида серы в реакции Джонсона-Кори-Чайковского . [17] однако этот процесс в значительной степени ограничен использованием олефинов с низким содержанием электронов, особенно α,β-ненасыщенных карбонильных соединений.
Внутримолекулярная циклизация
[ редактировать ]Циклопропаны могут быть получены различными реакциями внутримолекулярной циклизации . Простой метод состоит в использовании первичных галогеналканов, несущих соответствующим образом расположенные электроноакцепторные группы. Обработка сильным основанием приведет к образованию карбаниона , который будет циклизироваться по 3-экзо-триггерной схеме со смещением галогенида. Примеры включают образование циклопропилцианида. [18] и циклопропилацетилен [19] Этот механизм также лежит в основе перегруппировки Фаворского .
Родственным процессом является циклизация 1,3-дибромпропана посредством реакции Вюрца . Его использовал первого синтеза циклопропана для Август Фройнд в 1881 году. Первоначально эту реакцию проводили с использованием натрия, [20] однако выход можно улучшить, заменив его на цинк . [21]
- BrCH 2 CH 2 CH 2 Br + 2 Na → (CH 2 ) 3 + 2 NaBr
Другие подходы
[ редактировать ]- Реакция Кулинковича образует циклопропанолы в результате реакции между эфирами и реагентами Гриньяра в присутствии алкоксида титана.
- Реакция Бингеля — это специализированная реакция циклопропанирования, используемая для функционализации фуллерена .
- При ди-π-метана перегруппировке фотохимическая 1,4-диенов стимуляция вызывает перегруппировку с образованием винилциклопропанов. [22] Затем они могут подвергаться винилциклопропановой перегруппировке.
- Циклопропан-жирно-ацил-фосфолипидсинтаза осуществляет циклопропанирование в биологических системах.
- Использование кобальт(II)-порфиринового катализа с использованием диазосоединений и олефинов.
Биосинтез
[ редактировать ]
Хотя циклопропаны относительно редки в биохимии, в природе идентифицировано множество путей циклопропанирования. Наиболее распространенные пути включают реакции замыкания кольца карбокатионов в терпеноидах . Циклопропановые жирные кислоты образуются в результате воздействия S-аденозилметионина (SAM) на ненасыщенные жирные кислоты. Предшественник гормона этилена , 1-аминоциклопропан-1-карбоновая кислота , получается непосредственно из SMM посредством внутримолекулярного нуклеофильного смещения группы SMe 2 после конденсации с пиридоксальфосфатом . [23] Прямой перенос карбена от диазоэфиров к олефинам также был достигнут посредством биокатализа in vitro с использованием сконструированных вариантов фермента цитохрома P450 из Bacillus megaterium , которые были оптимизированы путем направленной эволюции . [24]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Пеллиссье, Элен (июль 2008 г.). «Последние разработки в области асимметричного циклопропанирования». Тетраэдр . 64 (30–31): 7041–7095. дои : 10.1016/j.tet.2008.04.079 .
- ^ ИЮПАК , Сборник химической терминологии , 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Интернет-исправленная версия: (2006–) « Карбеноиды ». дои : 10.1351/goldbook.C00813.html
- ^ Фабиш, Бодо; Митчелл, Теренс Н. (1984). «Недорогая модификация реакции Симмонса-Смита: образование бромида бромметилцинка, изученное методом ЯМР-спектроскопии». Журнал металлоорганической химии . 269 (3): 219–221. дои : 10.1016/0022-328X(84)80305-8 .
- ^ Виттиг, Джордж; Винглер, Франк (1 августа 1964 г.). «О метиленированных галогенидах металлов, IV. Образование циклопропана из олефинов с бис-галогенметилцинком». Химические отчеты . 97 (8): 2146–2164. дои : 10.1002/cber.19640970808 .
- ^ Фурукава, Дж.; Кавабата, Н.; Нисимура, Дж. (1968). «Синтез циклопропанов реакцией олефинов с диалкилцинком и иодидом метилена». Тетраэдр . 24 (1): 53–58. дои : 10.1016/0040-4020(68)89007-6 .
- ^ Шаретт, AB; Бошемен, А. (2001). «Реакция циклопропанирования Симмонса-Смита». Орг. Реагировать. Том. 58. с. 1. дои : 10.1002/0471264180.или058.01 . ISBN 978-0471264187 .
- ^ Льюис, Дэвид Э. (4 ноября 2013 г.). «Инвалидность, деспотизм, деоксигенация – от ссылки до академика: Николай Матвеевич Кижнер». Angewandte Chemie, международное издание . 52 (45): 11704–11712. дои : 10.1002/anie.201303165 . ПМИД 24123691 .
- ^ Н. М. Кишнер, А. Завадовский, Ж. Русс. Физ. хим. Соц. 43, 1132 (1911).
- ^ Дж. Петерсен, Р.; PS Скелл, П. (1967). «ФЕНИЛЦИКЛОПРОПАН». Орг. Синтез . 47:98 . дои : 10.15227/orgsyn.047.0098 .
- ^ Кроуфорд, Роберт Дж.; Мишра, Анупама (сентябрь 1966 г.). «Механизм термического разложения 1-пиразолинов и его связь с изомеризацией циклопропана». Журнал Американского химического общества . 88 (17): 3963–3969. дои : 10.1021/ja00969a014 .
- ^ Мурай, Елена; Остров, Она; Кастильо, Хосе А.; Альварес-Ларена, Анхель; Бурделанд, Хосе Л.; Браншаделл, Вигенс; Ортуньо, Роза М. (июнь 2003 г.). «Фотолиз хиральных 1-пиразолинов в циклопропаны: механизм и стереоспецифичность». Журнал органической химии . 68 (12): 4906–4911. дои : 10.1021/jo0342471 . ПМИД 12790598 .
- ^ Дэвис, HML; Мортон, Д. (2011). «Руководящие принципы сайт-селективной и стереоселективной межмолекулярной функционализации C – H донорно-акцепторными карбенами родия». Обзоры химического общества . 40 (4): 1857–1869. дои : 10.1039/C0CS00217H . ПМИД 21359404 .
- ^ Хью М.Л. Дэвис; Вэнь-хао Ху; Донг Син (2015). «Метилфенилдиазоацетат». ЭЭРОС : 1–10. дои : 10.1002/047084289X.rn00444.pub2 . ISBN 9780470842898 .
- ^ Лебель, Элен; Марку, Жан-Франсуа; Молинаро, Кармела; Шаретт, Андре Б. (1 апреля 2003 г.). «Стереоселективные реакции циклопропанирования». Химические обзоры . 103 (4): 977–1050. дои : 10.1021/cr010007e . ПМИД 12683775 .
- ^ Федоринский, Михал (1 апреля 2003 г.). «Синтез дигалоциклопропанов и их использование в органическом синтезе». Химические обзоры . 103 (4): 1099–1132. дои : 10.1021/cr0100087 . ПМИД 12683778 .
- ^ Скелл, PS; Гарнер, AY (1956). «Стереохимия карбен-олефиновых реакций. Реакции дибромкарбена с цис- и транс-2-бутенами». Журнал Американского химического общества . 78 (14): 3409–3411. дои : 10.1021/ja01595a040 .
- ^ Ли, А.-Х.; Дай, Л.-Х.; Аггарвал, В.К. (1997). «Асимметричные илидные реакции: эпоксидирование, циклопропанирование, азиридинирование, олефинирование и перегруппировка». Химические обзоры . 97 (6): 2341–2372. дои : 10.1021/cr960411r . ПМИД 11848902 .
- ^ Шлаттер, MJ (1943). «Циклопропилцианид» . Органические синтезы . 23 : 20. дои : 10.15227/orgsyn.023.0020 ; Сборник томов , т. 3, с. 223 ..
- ^ Хантингтон, Марта; Корли, Эдвард Г.; Томпсон, Эндрю С. (2000). «Циклопропилацетилен» . Органические синтезы . 77 : 231. дои : 10.15227/orgsyn.077.0231 .
- ^ Друг, август (1881 г.). « О триметилене». Журнал практической химии (на немецком языке). 26 (1): 625–635. дои : 10.1002/prac.18820260125 .
- ^ Густавсон, Г. (1887). «О новом методе представления триметилена». Дж. Практика. Хим. (на немецком языке). 36 :300-305. дои : 10.1002/prac.18870360127 .
- ^ ИЮПАК Золотой книги Определение
- ^ Вессйоханн, Людгер А.; Брандт, Вольфганг; Тиманн, Тис (апрель 2003 г.). «Биосинтез и метаболизм циклопропановых колец в природных соединениях». Химические обзоры . 103 (4): 1625–1648. дои : 10.1021/cr0100188 . ПМИД 12683792 .
- ^ Коэльо, PS; Брустад, ЕМ; Каннан, А.; Арнольд, FH (20 декабря 2012 г.). «Циклоппропанирование олефинов посредством переноса карбена, катализируемое специальными ферментами цитохрома P450» (PDF) . Наука . 339 (6117): 307–310. Бибкод : 2013Sci...339..307C . дои : 10.1126/science.1231434 . ПМИД 23258409 .