Κεφάλαιο 10: Μερικοί ακόμα μηχανισμοί οργανικών αντιδράσεων

Transcript

1 Κεφάλαιο 10: Μερικοί ακόμα μηχανισμοί οργανικών αντιδράσεων Σύνοψη Το κεφάλαιο αυτό ασχολείται με τη μελέτη των μηχανισμών συγκεκριμένων αντιδράσεων. Μερικές από αυτές μπορούν να ταξινομηθούν ως αντιδράσεις: οξείδωσης αλκοολών, εστεροποίησης, αναγωγής καρβονυλικών ενώσςεων, αναδιάταξης, διασταυρούμενης σύζευξης και ολεφινικής μετάθεσης. Γίνεται επίσης αναφορά στις παραμέτρους που επηρεάζουν την πορεία και έκβασή τους. Η συγγραφή του κεφαλαίου βασίστηκε εν μέρει στα σχετιζόμενα κεφάλαια των βιβλιογραφικών αναφορών [1-10]. Προαπαιτούμενη γνώση Για την ευκολότερη και καλύτερη κατανόηση αυτού του κεφαλαίου ο αναγνώστης θα πρέπει να είναι σε θέση να σχεδιάζει σωστές δομές Lewis, να έχει εξοικειωθεί με τη χρήση κυρτών βελών, να κατέχει τους βασικούς κανόνες ονοματολογίας και στερεοχημείας, να αναγνωρίζει τις διάφορες τάξεις οργανικών ενώσεων και να γνωρίζει καλά τους μηχανισμούς που αναφέρθηκαν στα προηγούμενα κεφάλαια. Για τα αντικείμενα αυτά ο αναγνώστης μπορεί να ανατρέχει στα σχετιζόμενα κεφάλαια των βιβλιογραφικών αναφορών [1-10] και στα προηγούμενα κεφάλαια του παρόντος συγγράμματος. 10. Μερικοί ακόμα μηχανισμοί οργανικών αντιδράσεων 10.1 Αντιδράσεις οξείδωσης αλκοoλών Οξείδωση αλκοoλών με αντιδραστήρια του χρωμίου Οι αλκοόλες (πρωτοταγείς και δευτεροταγείς) οξειδώνονται με αντιδραστήρια του χρωμίου (Na 2 Cr 2 O 7, K 2 Cr 2 O 7, CrO 3 ) σε υδατικό διάλυμα για να δώσουν αλδεΰδες και κετόνες, αντίστοιχα, Σχήμα Εντούτοις, με αυτές τις συνθήκες οι παραγόμενες αλδεΰδες δίνουν με περαιτέρω οξείδωση καρβοξυλικά οξέα. Σχήμα 10.1 Το γενικό σχήμα οξείδωσης μιας αλκοόλης με χρωμικά. Η οξείδωση γίνεται σε όλες τις περιπτώσεις από το χρωμικό οξύ (Η 2 CrO 4 ), Σχήμα Το αρχικό στάδιο της οξείδωσης περιλαμβάνει τoν σχηματισμό του χρωμικού εστέρα Α, ο οποίος στη συνέχεια υφίσταται μιαν Ε2 απόσπαση για να δώσει την καρβονυλική ένωση Β. Στην περίπτωση που η Β είναι μια αλδεΰδη, λόγω του υδατικού περιβάλλοντος σχηματίζεται ο υδρίτης C (δείτε και την παράγραφο ), ο οποίος επίσης οξειδώνεται (με παρόμοιο μηχανισμό) για να δώσει το καρβοξυλικό οξύ. 1

2 Σχήμα 10.2 Ο μηχανισμός οξείδωσης μιας αλκοόλης με χρωμικά. Ειδικότερα για τις πρωτοταγείς αλκοόλες, η οξείδωση μπορεί να σταματήσει στο στάδιο της αλδεΰδης, εφόσον το χρησιμοποιούμενο αντιδραστήριο του χρωμίου είναι διαλυτό σε άλλο διαλύτη εκτός του νερού, π.χ. η διχρωμική πυριδίνη (PDC, αντιδραστήριο Cornforth, Cornforth reagent) ή καλύτερα η χλωροχρωμική πυριδίνη (PCC), Εικόνα Εικόνα 10.1 Οι δομές του PDC και του PCC Οξείδωση Swern Η οξείδωση Swern (Swern oxidation) αποτελεί μιαν εναλλακτική μέθοδος οξείδωσης αλκοολών, χωρίς τη χρήση τοξικών μετάλλων. Στο πρώτο στάδιο, σε χαμηλή θερμοκρασία, το διμεθυλοσουλφοξείδιο (Α) και το οξαλυλοχλωρίδιο (Β) δίνουν το σουλφωνιακό κατιόν C, το οποίο μετατρέπεται στο αντίστοιχο αλκοξυσουλφωνιακό κατιόν D. Στη συνέχεια η προσθήκη μιας βάσης (συνήθως τριαιθυλαμίνη), οδηγεί σε θερμοκρασία δωματίου σε μιαν Ε2 απόσπαση, Σχήμα Με την αντίδραση Swern οι παραγόμενες, από πρωτοταγείς αλκοόλες, αλδεΰδες δεν οξειδώνονται προς καρβοξυλικά οξέα. 2

3 Σχήμα 10.3 Ο μηχανισμός της αντίδρασης Swern Οξείδωση Dess-Martin Η οξείδωση Dess-Martin (Dess-Martin oxidation) επιτελείται με το περιοδινάνιο Dess-Martin (DMP, Dess- Martin periodinane) που είναι μια ένωση του υπερσθενούς ιωδίου. Το αρχικό προϊόν προσθήκης της αλκοόλης στο DMP δίνει με απόσπαση την καρβονυλική ένωση, ενώ το ιώδιο ανάγεται, Σχήμα Με την αντίδραση οξείδωσης Dess-Martin, όπως και με την αντίδραση Swern, οι παραγόμενες, από πρωτοταγείς αλκοόλες, αλδεΰδες δεν οξειδώνονται προς καρβοξυλικά οξέα. Σχήμα 10.4 Ο μηχανισμός της οξείδωσης Dess-Martin Αντιδράσεις αναγωγής αλδεϋδών και κετονών προς αλκάνια 3

4 Αντίδραση Wolff-Kishner Η αντίδραση Wolff-Kishner (Wolff-Kishner reaction) μετατρέπει μιαν καρβονυλική ένωση (αλδεΰδη ή κετόνη) σε ένα αλκάνιο (C=O => CH 2 ). Λαμβάνει χώρα με την επίδραση υδραζίνης σε αλκαλικό περιβάλλον, Σχήμα Στο πρώτο στάδιο σχηματίζεται, με την προσθήκη της υδραζίνης, η υδραζόνη Α (παράγραφος ), η οποία χάνει διαδοχικά δύο Η από το Ν για να δώσει, με αποβολή N 2 (απόσπαση), το καρβανιόν Β. Αυτό μετατρέπεται με πρωτονίωση στο τελικό προϊόν. Σχήμα 10.5 Ο μηχανισμός της αντίδρασης Wolff-Kishner Αναγωγή Clemmensen Η αναγωγή Clemmensen (Clemmensen reduction) μετατρέπει επίσης μιαν καρβονυλική ένωση (αλδεΰδη ή κετόνη) στο αντίστοιχο αλκάνιο. Λαμβάνει χώρα με την επίδραση αμαλγάματος Ζn-Hg σε ισχυρά όξινο περιβάλλον, Σχήμα Ο μηχανισμός της αντίδρασης αυτής δεν έχει πλήρως διευκρινισθεί. Πιστεύεται πως το πρώτο στάδιο χωρεί μέσω ριζών. Η αναγωγή Clemmensen και η αντίδραση Wolff Kishner (παράγραφος ) αποτελούν συμπληρωματικές επιλογές για την ίδια μετατροπή, αφού η πρώτη χωρεί σε όξινο ενώ η δεύτερη σε βασικό περιβάλλον. Σχήμα 10.6 Ο πιθανός μηχανισμός της αναγωγής Clemmensen. 4

5 10.3 Αντιδράσεις εστεροποίησης Εστεροποίηση Steglich Η εστεροποίηση Steglich (Steglich esterification) αποτελεί μιαν εναλλακτική μέθοδο της εστεροποίησης Fischer (παράγραφος ). Πλεονεκτεί λόγω των πολύ ήπιων πειραματικών συνθηκών, του μη αντιστρεπτού της χαρακτήρα και του γεγονότος ότι αντιδρούν ακόμα και τριτοταγείς αλκοόλες. Γίνεται με την επίδραση δικυκλοεξυλοκαρβοδιιμιδίου (DCC) και καταλυτικής ποσότητας DMAP στο μίγμα ενός καρβοξυλικού οξέος και μιας αλκοόλης, Σχήμα Στο πρώτο στάδιο το καρβοξυλικό οξύ και το DCC δίνουν μιαν Ο-ακυλοϊσοουρία (Α), η οποία στη συνέχεια προσβάλλεται από το DMAP (πρώτη πυρηνόφιλη ακυλο-υποκατάσταση). Το προκύπτον πολύ δραστικό αμίδιο Β δίνει εύκολα με δεύτερη πυρηνόφιλη ακυλουποκατάσταση τον τελικό εστέρα. Η ίδια μεθοδολογία έχει εφαρμοστεί χρησιμοποιώντας και άλλα καρβοδιιμίδια (όπως π.χ. το διισοπροπυλοκαρβοδιιμίδιο, DIC) ή αμίνες αντί για αλκοόλες (οπότε προκύπτουν αμίδια). Σχήμα 10.7 Ο μηχανισμός της εστεροποίησης Steglich Αντίδραση Mitsunobu Η αντίδραση Mitsunobu (Mitsunobu reaction) αποτελεί επίσης μιαν πολύ ευέλικτη μέθοδο εστεροποίησης πρωτοτοταγών και δευτεροταγών αλκοολών. Γίνεται με την επίδραση αζωδικαρβοξυλικού διαιθυλεστέρα (DΕAD) και τριφαινυλοφωσφίνης στο μίγμα ενός καρβοξυλικού οξέος και μιας αλκοόλης, Σχήμα Στο πρώτο στάδιο η Ph 3 P αντιδρά με το DEAD οδηγώντας στο φωσφονιακό ενδιάμεσο Α, το οποίο στη συνέχεια προσβάλλεται από την αλκοόλη για να δώσει το πολύ δραστικό ενδιάμεσο Β. Το τελευταίο προσβάλλεται από 5

6 το καρβοξυλικό ανιόν και σχηματίζεται ο τελικός εστέρας. Η μεγάλη σημασία της αντίδρασης έγκειται στο γεγονός ότι στην περίπτωση ασύμμετρης δευτεροταγούς αλκοόλης η προσβολή από το καρβοξυλικό ανιόν γίνεται με αναστροφή της στερεοχημείας του στερεογονικού κέντρου (αναστροφή κατά Walden, παράγραφος 2.2). Εκτός από τις αλκοόλες έχουν χρησιμοποιηθεί και άλλα πυρηνόφιλα, ενώ το ρόλο του DEAD μπορούν να παίξουν διάφορες άλλες διαζωενώσεις αυτού του τύπου. Σχήμα 10.8 Ο μηχανισμός της εστεροποίησης Mitsunobu Αντίδραση Corey-Seebach Τα 1,3-διθειάνια δίνουν με την επίδραση ισχυρής βάσης (π.χ. BuLi) τα αντίστοιχα ανιόντα (Α) τα οποία είναι πολύ καλά πυρηνόφιλα και αλκυλιώνονται εύκολα, Σχήμα Η μετατροπή αυτή (αντίδραση Corey- Seebach, Corey-Seebach reaction) αποτελεί στην ουσία μιαν α-αλκυλίωση της αρχικής καρβονυλικής ένωσης (αλδεΰδη), αφού τα διθειάνια είναι οι θειοακετάλες των καρβονυλικών ενώσεων (παράγραφος ). Έτσι, μέσω της διαδικασίας αυτής (που χωρεί με αντιστροφή της πολικότητας του καρβονυλίου) μια αλδεΰδη μετατρέπεται σε μιαν κετόνη. Σχήμα 10.9 Η αντίδραση Corey-Seebach. 6

7 10.5 Αντίδραση Staudinger Η αντίδραση Staudinger (Staudinger reaction) αποτελεί ήπια μέθοδο αναγωγής ενός αζιδίου στην αντίστοιχη αμίνη, Σχήμα Στο αρχικό στάδιο η τριφαινυλοφωσφίνη αντιδρά με το αζίδιο για να δώσει το φωσφαζίδιο Α. Αυτό στη συνέχεια χάνει N 2 και μετατρέπεται στο ιμινοφωσφοράνιο Β, το οποίο υδρολύεται άμεσα προς την τελική αμίνη. Σχήμα Ο μηχανισμός της αντίδρασης Staudinger Σύνθεση Gabriel Ένα αλογοναλκάνιο μπορεί να μετατραπεί σε αμίνη με τη σύνθεση Gabriel (Gabriel synthesis). Αυτή αρχικά περιλαμβάνει την επίδραση φθαλιμιδικού καλίου (Α) στο αλογονοαλκάνιο (πυρηνόφιλη υποκατάσταση) και στη συνέχεια την υδρόλυση ή υδραζινόλυσή του (ηπιότερη η δεύτερη μέθοδος), Σχήμα Σχήμα Η σύνθεση Gabriel Συμπύκνωση Pechmann Η συμπύκνωση Pechmann (Pechmann condensation) πραγματοποιείται μεταξύ φαινολών και β-κετοεστέρων παρουσία ενός ισχυρού οξέος κατά Lewis και δίνει κουμαρινικά παράγωγα, Σχήμα Το πρώτο στάδιο είναι ο σχηματισμός του β-κετοεστέρα της φαινόλης Α. Στη συνέχεια μια ενδομοριακή αντίδραση ηλεκτρονιόφιλης αρωματικής υποκατάστασης (παράγραφος 7.1) οδηγεί στο παράγωγο Β, το οποίο με αφυδάτωση μετατρέπεται στο τελικό προϊόν. 7

8 Σχήμα Ο μηχανισμός της συμπύκνωσης Pechmann Αντιδράσεις αναδιάταξης Οξείδωση Baeyer-Villiger Η οξείδωση Bayer-Villiger (Baeyer-Villiger oxidation) είναι μια αντίδραση που χωρεί σε κετόνες με την επίδραση υπεροξέων, Σχήμα Στο πρώτο στάδιο γίνεται πυρηνόφιλη προσθήκη του υπεροξέος στο δεσμό C=O και προκύπτει το ασταθές ενδιάμεσο Α. Αυτό δίνει μιαν αντίδραση κυκλικής αναδιάταξης με μετακίνηση ενός εκ των αλκυλίων της κετόνης. Το προϊόν είναι ένας εστέρας. Σε μη συμμετρικές κετόνες μετακινείται κυρίως το περισσότερο σταθεροποιημένο (ως κατιόν) αλκύλιο, δηλαδή ισχύει η σειρά μετανάστευσης: 3 ες αλκύλιο > 2 ες αλκύλιο > 1 ες αλκύλιο > μεθύλιο. Η μεταναστευτική ικανότητα των φαινυλίων είναι παρόμοια αυτής των 2 ων αλκυλίων. Στην περίπτωση κυκλικών κετονών προκύπτουν οι αντίστοιχες λακτόνες. Η ίδια μετατροπή επιτυγχάνεται και με τη χρήση μίγματος H 2 O 2 /BF 3. 8

9 Σχήμα Ο μηχανισμός της οξείδωσης Baeyer-Villiger Αναδιάταξη Hofmann Η αναδιάταξη Hofmann (Hofmann rearrangement) είναι μια αντίδραση που λαμβάνει χώρα σε πρωτοταγή αμίδια με την επίδραση αλογόνου και βάσης, Σχήμα Στο πρώτο στάδιο γίνεται απόσπαση ενός πρωτονίου από τη βάση και σχηματίζεται το σταθεροποιημένο αμιδικό ιόν Α, το οποίο δίνει αντίδραση ηλεκτρονιόφιλης υποκατάστασης (όπως ένα ενολικό ανιόν, παράγραφος 4.5.8) με το αλογόνο. Η μετέπειτα απόσπαση ενός ακόμη πρωτονίου οδηγεί στη σύνθεση ενός Ν-αλογονοαμιδικού ιόντος (Β). Στο τελευταίο γίνεται η μετακίνηση της αλκυλομάδας από το καρβονύλιο στο Ν και σχηματίζεται ένας ισοκυανικός εστέρας (C), ο οποίος υδρολύεται κατά τα γνωστά προς αμίνη (παράγραφος 5.5.1). Το αλογόνο που χρησιμοποιείται συνήθως είναι το Br 2. Σχήμα Ο μηχανισμός της αναδιάταξης Hofmann Αναδιάταξη Beckmann Η αναδιάταξη Beckmann (Beckmann rearrangement) γίνεται με την επίδραση πυκνών υδατικών οξέων σε οξίμες κετονών, Σχήμα Η οξίμη σε ισχυρά όξινο περιβάλλον αρχικά πρωτονιώνεται και στη συνέχεια με μετακίνηση ενός αλκυλίου και απόσπαση νερού σχηματίζεται το ιμινικό κατιόν Α. Αυτό προσβάλλεται από το νερό για να δώσει μέσω του εναμιδίου Β, το τελικό αμίδιο. Σημειώνεται ότι το αλκύλιο που μετακινείται είναι πάντα αυτό που είναι σε θέση trans ως προς το υδροξύλιο της οξίμης. Στις οξίμες που προέρχονται από κυκλικές κετόνες το προϊόν είναι μια λακτάμη. 9

10 Σχήμα Ο μηχανισμός της αναδιάταξης Beckmann Πινακολική αναδιάταξη Η πινακολική αναδιάταξη (pinacol rearrangement) γίνεται με την επίδραση ισχυρών υδατικών οξέων σε 1,2- διόλες και δίνει κετόνες, Σχήμα Η αρχική πρωτονίωση ενός εκ των ΟΗ δίνει με απόσπαση νερού ένα καρβοκατιόν (Α). Σε αυτό γίνεται μετακίνηση μιας αλκυλομάδος από τον γειτoνικό C του υποστρώματος και, μέσω του Β, σχηματίζεται η τελική κετόνη. Στην περίπτωση μη συμμετρικά υποκατεστημένων διολών (R R ) υπάρχουν διάφοροι παράγοντες που χρήζουν διερεύνηση. Καταρχήν, το ποιο από τα δύο διαφορετικά κατιόντα του τύπου Α θα σχηματιστεί σχετίζεται με τη σταθερότητά τους. Δηλαδή θα προτιμηθεί να σχηματιστεί το περισσότερο υποκατεστημένο καρβοκατιόν. Ένα δεύτερο ερώτημα έχει να κάνει με το ποιο από τα δύο αλκύλια (R, αν είναι διαφορετικά μεταξύ τους) στο Α πρόκειται να μετακινηθεί: θα παραμείνει το αλκύλιο εκείνο που σταθεροποιεί καλύτερα το κατιόν Β. Ειδικότερα, στα συστήματα στα οποία ο ένας C με ΟΗ είναι μέρος δακτυλίου έχει παρατηρηθεί η μετακίνησή του με μεγέθυνση του δακτυλίου. Επιπλέον, σε κυκλικές διόλες το αλκύλιο που μετακινείται είναι αυτό που είναι σε trans-θέση ως προς το ΟΗ που αποχωρεί. Σχήμα Ο μηχανισμός της πινακολικής αναδιάταξης Βενζιδινική αναδιάταξη Η βενζιδινική αναδιάταξη (benzidine rearrangement) γίνεται με την επίδραση οξέος στην Ν,Ν διφαινυλοϋδραζίνη και δίνει τη βενζιδίνη (Β), Σχήμα Μετά την αρχική πρωτονίωση των δύο Ν 10

11 λαμβάνει χώρα μια [5,5]-σιγματοτροπική αναδιάταξη και προκύπτει το ενδιάμεσο Α, το οποίο αποπρωτονιώνεται προς το προϊόν. Ως παραπροϊόν απομονώνεται και το ο-παράγωγο C. Σχήμα Ο μηχανισμός της βενζιδινικής αναδιάταξης Αναδιάταξη Curtius Η αναδιάταξη Curtius (Curtius rearrangement) γίνεται με θερμική διάσπαση ακυλο-αζιδίων. Κατά την αντίδραση αυτή γίνεται μετακίνηση του αλκυλίου από τον καρβονυλικό C στο άτομο του Ν που είναι συνδεδεμένο με αυτόν, με ταυτόχρονο αποβολή N 2, Σχήμα Ο προκύπτων ισοκυανικός εστέρας μπορεί στη συνέχεια να αντιδράσει όπως αναφέρθηκε προηγουμένως (παράγραφος 5.5.1) και να δώσει μιαν αμίνη. Σχήμα Ο μηχανισμός της αναδιάταξης Curtius Αντιδράσεις σύζευξης Στη συνέχεια θα αναφερθούν μια σειρά από αντιδράσεις διασταυρούμενης σύζευξης (cross-coupling reactions), καταλυόμενες από Pd (ή άλλα μέταλλα, π.χ. Νi). Όλες οι αντιδράσεις αυτές χωρούν μέσω ενός παρόμοιου κυκλικού μηχανισμού, Σχήμα Το ένα από τα αντιδρώντα είναι ένα αλογονοπαράγωγο ή ψευδοαλογονοπαράγωγο (R-X), ενώ το άλλο (R -Υ) ποικίλει. Ανάλογα την περίπτωση απαιτείται και η χρήση κάποιων προσθέτων (παρατίθονται σε κάθε αντίδραση). Οι μεταλλικοί καταλύτες είναι συνήθως σύμπλοκα στα οποία το μέταλλο έχει βαθμό οξείδωσης 0, αλλά έχουν χρησιμοποιηθεί και σύμπλοκα μετάλλων με 11

12 μεγαλύτερο βαθμός οξείδωσης, τα οποία ανάγονται στην πορεία της αντίδρασης (π.χ. Μ ΙΙ αντιδράσεις αυτές περιλαμβάνουν τρία κύρια στάδια, τα οποία κατά σειρά είναι: => Μ 0 ). Οι Οξειδωτική προσθήκη (oxidative addition) του καταλύτη στο αλογονοπαράγωγο (Pd 0 => Pd II ) και συναρμογή του R με το μέταλλο. Τρανσμετάλλωση (transmetallation) και συναρμογή και του R με το μέταλλο. Αναγωγική απόσπαση (reductive elimination), σχηματισμός του δεσμού C-C και αναγέννηση του καταλύτη (Pd ΙΙ => Pd 0 ). Σχήμα Γενικός μηχανισμός αντιδράσεων σύζευξης. Εκτός από τα στάδια αυτά, σε αρκετούς από τους μηχανισμούς αυτών των συζεύξεων έχει αποδειχθεί ότι λαμβάνει χώρα cis-trans ισομερείωση του προϊόντος οξειδωτικής προσθήκης (Α => Α ) ή/και η αντίστροφη ισομερείωση του προϊόντος τρανσμετάλλωσης (Β => Β ). Σε αρκετές πάντως περιπτώσεις οι μηχανισμοί αυτοί δεν έχουν επακριβώς προσδιορισθεί σε ό,τι αφορά όλα τα στάδια που μεσολαβούν. Η μεγαλύτερη διαφοροποίηση μεταξύ των διαφόρων τύπων σύζευξης εντοπίζεται στο στάδιο της τρανσμετάλλωσης Σύζευξη Negishi Η αντίδραση σύζευξης Negishi (Negishi coupling reaction) είναι μια αντίδραση σύζευξης ενός αλογονοπαραγώγου (αλκυλο- ή αρυλο-) και μιας οργανοψευδαργυρικής ένωσης παρουσία ενός οργανομεταλλικού καταλύτη του Pd (ή του Ni), Σχήμα Μετά την οξειδωτική προσθήκη του καταλύτη στο αλογονοαλκάνιο το σύμπλοκο Α δίνει την τρανσμετάλλωση με την οργανοψευδαργυρική ένωση. Τέλος, η αναγωγική απόσπαση του Β δίνει το προϊόν με αναγέννηση του καταλύτη. Η σύζευξη αυτή είναι εφικτή με μιαν ποικιλία αλειφατικών ή αρωματικών υποστρωμάτων. 12

13 Σχήμα Ο μηχανισμός της σύζευξης Negishi Αντίδραση Stille Η αντίδραση Stille (Stille reaction) είναι μια αντίδραση σύζευξης ενός αλογονοπαραγώγου (αλκενυλο-, αρυλο-, αλλυλο- ή αλκυνυλο-) και μιας οργανοκασσιτερικής ένωσης παρουσία ενός οργανομεταλλικού καταλύτη (συνήθως του Pd), Σχήμα Ο μηχανισμός της αντίδρασης περιλαμβάνει τα ίδια στάδια της σύζευξης Negishi (παράγραφος ) με τη διαφορά ότι στο στάδιο της τρανσμετάλλωσης εμπλέκεται ένα οργανοκασσιτερικό αντιδραστήριο και όχι ένα οργανοψευδαργυρικό. Η σύζευξη αυτή είναι εφικτή με μιαν ποικιλία υποστρωμάτων. 13

14 Σχήμα Ο μηχανισμός της αντίδρασης Stille Αντίδραση Heck Η αντίδραση Heck (Heck reaction) είναι μια αντίδραση σύζευξης ενός αλογονοπαραγώγου (ο C είναι με υβριδισμό sp 2 ) και ενός αλκενίου (συνήθως φτωχού ηλεκτρονικά) παρουσία ενός οργανοπαλλαδιακού καταλύτη και μιας βάσης, Σχήμα Μετά την οξειδωτική προσθήκη του καταλύτη στο αλογονοπαράγωγο το σύμπλοκο Α σχηματίζει με το αλκένιο ένα π σύμπλοκο (Β). Η σύνδεση του αλκενίου με το μέταλλο γίνεται στο επόμενο στάδιο (συν-προσθήκη) και σχηματίζεται το C. Μια β-απόσπαση ακολουθεί και προκύπτει το σύμπλοκο του προϊόντος με το μέταλλο (D). Από αυτό γίνεται απελευθέρωση του προϊόντος και ο καταλύτης αναγεννάται με απόσπαση HX από τη χρησιμοποιούμενη βάση. Λόγω των υφιστάμενων στερεοχημικών παρεμποδίσεων στα ενδιάμεσα η αντίδραση Heck είναι στερεοεκλεκτική και δίνει κατά προτίμηση το trans-αλκένιο. 14

15 Σχήμα Ο μηχανισμός της αντίδρασης Heck Αντίδραση Suzuki Η αντίδραση Suzuki (Suzuki reaction) είναι μια αντίδραση σύζευξης ενός αλογονοπαραγώγου (ο C είναι με υβριδισμό sp 2 ) και ενός βορονικού παραγώγου (βορονικού οξέος ή βορονικού εστέρα) παρουσία ενός οργανοπαλλαδιακού καταλύτη και μιας βάσης, Σχήμα Με την οξειδωτική προσθήκη του καταλύτη στο αλογονοπαράγωγο σχηματίζεται το σύμπλοκο Α. Η βάση στη συνέχεια αποσπά το αλογόνο και προκύπτει το ενδιάμεσο Β, το οποίο δίνει την αντίδραση τρανσμετάλλωσης με το βορονικό ανιόν C. Στο ενδιάμεσο τρανσμετάλλωσης (D) γίνεται αναγωγική απόσπαση και προκύπτει το τελικό προϊόν, ενώ αναγεννάται και ο καταλύτης. 15

16 Σχήμα Ο μηχανισμός της αντίδρασης Suzuki Σύζευξη Sonogashira H σύζευξη Sonogashira (Sonogashira coupling) γίνεται μεταξύ ενός τελικού αλκυνίου και ενός αλογονοπαραγώγου (αρυλο- ή βινυλο-) με την επίδραση ενός οργανοπαλλαδιακού καταλύτη, ενός συνκαταλύτη του Cu Ι και μιας βάσης, Σχήμα Το πρώτο στάδιο είναι η οξειδωτική προσθήκη του καταλύτη στο αλογονοπαράγωγο για να δώσει το Α. Αυτό δίνει στη συνέχεια την αντίδραση τρανσμετάλλωσης με το οργανοχαλκικό παράγωγο Β, το οποίο προέρχεται από το αρχικό αλκύνιο με τη διαδοχική επίδραση του άλατος του Cu Ι και της βάσης. Μετά την trans-cis ισομερείωση του προϊόντος τρανσμετάλλωσης (C) προκύπτει με αναγωγική απόσπαση το προϊόν και αναγεννάται ο καταλύτης. Τα βινυλοπαράγωγα αντιδρούν γενικά ταχύτερα από τα αρυλοπαράγωγα. 16

17 Σχήμα Ο μηχανισμός της σύζευξης Sonogashira Ολεφινική μετάθεση Η ολεφινική μετάθεση (olefin metathesis) γίνεται με δύο αλκένια με τη δράση ενός οργανομεταλλικού καταλύτη, Σχήμα Ο μηχανισμός της αντίδρασης είναι στην πραγματικότητα μια σειρά από εναλλασσόμενες αντιδράσεις [2+2] κυκλοπροσθήκης και retro-[2+2] κυκλοπροσθήκης, μέσω των μεταλλοαλκυλιδενο-παραγώγων Α και Α και των μεταλλοκυκλοβουτανίων Β και Β. Σε αντίθεση με πολλές από τις αντιδράσεις που περιλαμβάνουν οργανομεταλλικά αντιδραστήρια, στην ολεφινική μετάθεση δεν υφίσταται σε όλο τον καταλυτικό κύκλο ούτε οξείδωση ούτε αναγωγή. Μεγάλος αριθμός υποκαταστατών είναι συμβατός με την αντίδραση αυτή. 17

18 Σχήμα Ο μηχανισμός της ολεφινικής μετάθεσης. Οι καταλύτες που χρησιμοποιούνται είναι και αυτοί στην ουσία μεταλλοαλκυλιδενο-παράγωγα του Ru, του W και του Μο, τα οποία είναι διαλυτά σε συνήθεις διαλύτες (ομογενής κατάλυση). Στην εικόνα Εικόνα 10.2 δίνονται μερικοί τέτοιοι καταλύτες του Schrock (Schrock s catalysts, A) και του Grubb (Grubb s catalysts, B και C). Εικόνα 10.2 Παραδείγματα καταλυτών της ολεφινικής μετάθεσης. Οι ολεφινικές μεταθέσεις μπορούν να ταξινομηθούν σε διάφορες κατηγορίες ανάλογα με τον τρόπο που αντιδρούν τα δύο αλκένια. Χαρακτηριστικά αναφέρονται (Σχήμα 10.26): 18

19 Η μετάθεση ολεφίνης με κλείσιμο δακτυλίου (RCM, ring-closing metathesis) και η μετάθεση ολεφίνης με άνοιγμα δακτυλίου (ROM, ring-opening metathesis), (1). Η διασταυρούμενη μετάθεση ολεφινών (CM, cross-metathesis) και η αιθενόλυση (EL, ethenolysis) ενός αλκενίου (2). Η μετάθεση ολεφίνης πολυμερισμού με άνοιγμα δακτυλίου (ROMP, ring-opening metathesis polymerization) (3). Σχήμα Τα είδη ολεφινικής μετάθεσης. Η RCM και η CM συνήθως γίνονται εύκολα με 1-αλκένια αφού ευνοούνται εντροπικά λόγω της παραγωγής ενός αερίου (αιθυλένιο). Αντίθετα η ROM και η EL απαιτούν συνήθως συνθήκες πολύ υψηλής πίεσης. Ειδικότερα η RCM ευνοείται όταν σχηματίζονται πενταμελείς και εξαμελείς δακτύλιοι, αλλά έχει επιτυχώς χρησιμοποιηθεί και για την κατασκευή πολλών μακροδακτυλίων. Βιβλιογραφία/Αναφορές [1] Ν. Ε. Αλεξάνδρου, Γενική Οργανική Χημεία: Δομή-Φάσματα-Μηχανισμοί, Θεσσαλονίκη, Ελλάς: Εκδόσεις Ζήτη, 1985, Τεύχη Α και Β. [2] A. Βάρβογλης, Χημεία Οργανικών Ενώσεων, Θεσσαλονίκη, Ελλάς: Παρατηρητής, [3] R. B. Grossman, The Art of Writing Reasonable Organic Reaction Mechanisms, New York, USA: Springer, [4] D. L. Boger, Modern Organic Synthesis, San Diego, USA: Rush Press, [5] W.C. Groutas, Organic Reaction Mechanisms, New York, USA: Wiley, [6] M. G. Moloney, Reaction Mechanisms at a Glance, Oxford, UK: Blackwell Science, [7] Μ. Β. Smith, J. March, Advanced Organic Chemistry, 5 th Ed., John Wiley & Sons, Inc., [8] J. McMurry, Οργανική Χημεία, (Μετάφραση Α. Βάρβογλης, Μ. Ορφανόπουλος, Ι. Σμόνου, Μ. Στρατάκης), Ηράκλειο, Ελλάς: Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης, [9] P. Vollhardt, N. Schore, Οργανική Χημεία: Δομή και Λειτουργικότητα (Μετάφραση: Ε. Μαλαμίδου, Ν. Ρόδιος, Σ. Σπυρούδης), Θεσσαλονίκη, Ελλάς: Εκδόσεις Αφοί Κυριακίδη, 2012, Τόμοι Α και Β. 19

20 [10] Θ. Μαυρομούστακος, Θ. Τσέλιος, Κ. Παπακωνσταντίνου, Θεμελιώδεις Αρχές Οργανικής Χημείας, Αθήνα, Ελλάς, Εκδόσεις Συμμετρία, Κριτήρια αξιολόγησης Κριτήριο αξιολόγησης 1 Κριτήριο αξιολόγησης 2 Κριτήριο αξιολόγησης 3 Κριτήριο αξιολόγησης 4 Κριτήριο αξιολόγησης 5 20