Bartonova reakce

Z Wikipedie, otevřené encyklopedie

Bartonova reakce je fotochemická reakce spočívající ve fotolýze alkylového esteru kyseliny dusité za vzniku δ-nitrosovaného alkoholu.

Reakci objevil Derek Barton v roce 1960;[1] v roce 1969 získal Nobelovu cenu za chemii za porozumění konformacím organických molekul;[2] příslušná práce byla důležitá pro rozvoj Bartonovy reakce.[3]

Podstatou Bartonovy reakce je homolýza vazby RO–NO, po níž následuje odštěpení δ-vodíku, rekombinace radikálů, a tautomerizace za tvorby oximu.[4] Selektivitu vůči δ-vodíku zajišťuje konformace cyklického šestičlenného radikálového meziproduktu. V mnoha případech lze snadno předvídat místo, kde dojde k odštěpení vodíku, což umožňuje regio- a stereoselektivní zavádění funkčních skupin do složitých molekul, a za dosažení vysokých výtěžků. Díky možnosti zpracovat i jinak nereaktivní substráty použil Barton tento postup na přípravu několika umělých analogů steroidů.[5]

Přestože nepatří Bartonova reakce k nejvyužívanějším organickým reakcím, tak je společně s mechanisticky podobnou Hofmannovou-Löfflerovou-Freytagovou reakcí jednou z prvních reakcí založených na aktivaci vazeb C-H.[6]

Příprava alkylnitritů[editovat | editovat zdroj]

Alkylnitrity pro Bartonovy reakce se připravují reakcemi alkoholů s nitrosyliovými kationty připravenými těsně před reakcí dehydratací dvojnásobně protonované kyseliny dusité.[7] Kroky této přípravy jsou mechanisticky totožné s první polovinou mechanismu tvorby diazoniových solí.

Alkylnitrity lze připravit z nitrosylchloridu, reakce je ale vratná a produkty vytváří termodynamickou rovnováhu s výchozími látkami. Nitrosylchlorid je také silným oxidačním činidlem a může oxidovat a současně chlorovat použité alkoholy;[8] při jeho použití s aromatickými alkoholy často vznikají nitrososloučeniny a jiné přeoxidované produkty.

Mechanismus a regioselektivita[editovat | editovat zdroj]

Při Bartonových reakcích ke štěpení vazeb O-N obvykle slouží záření z vysokotlakých rtuťových lamp.[9] Jeho působením se vytváří alkyoxylové radikály, které okamžitě odštěpují atomy vodíku z δ-uhlíků. Za nepřítomnosti jiných zdrojů radikálů nebo dalších reaktivních skupin se alkylový radikál rekombinuje s nitrosylovým. Takto vytvořená nitrososloučenina se poté tautomerizuje na oxim.

Uhlíkatý radikál může být zachycen dalšími zdroji radikálů, jako jsou jod a akrylonitril. V prvním případě je δ-vodík nahrazován jodem a následně probíhá cyklizace za vzniku tetrahydrofuranu SN2 reakcí.[10] V druhém případě dojde k prodloužení řetězce a oximová skupina je od kyslíku vzdálená o dva uhlíky více než obvykle.[11]

Tento mechanismus podporují výsledky experimentů založených na kinetickém izotopovém efektu[12]

Izotopovým značkováním nitritů 15N bylo zjištěno, že nitrosylové radikály se s ostatními alkylovými radikály rekombinují náhodně;. rekombinace s alkoxylovými radikály (reakce zpětná k homolýze) ale u značkovaných molekul téměř neprobíhala.[13]

Ojediněle se alkoxylové radikály mohou epimerizovat před odštěpením vodíku.[14]

Atom vodíku se nejčastěji, a to i u steroidních molekul, odštěpuje z methylové skupiny v 1,3.diaxiální poloze vůči alkoxylu.[15]

Pokud na δ-uhlík není navázán vodík, nebo určitá konformace tento vodík přibližuje k ε uhlíku, tak převažuje 1,6-přenos, takové reakce bývají ale výrazně pomalejší.

Výpočetními studiemi bylo zjištěno, že převaha 1,5-přenosu vodíku nad 1,6-přenosem je spíše způsobena entropickou výhodností než stabilnější konformací přechodného stavu;[16] přechodný stav odpovídající 1,6-přenosu má asi o 3 kJ/mol nižší energii než u 1,5-přenosu.

Odštěpení δ-vodíků se objevuje i u acyklických molekul, kde se ale vedle něj objevuje i oddělování alfa-vodíku za vzniku ketonu.[17]

U některých nitritů, zvláště těch odvozených od cyklopentylových alkoholů, reagují kyslíkové radikály převážně skrz štěpení vazeb C-C;[10] například cyklopentylnitrit vytváří glutaraldehydmonoxim. Podobná reaktivita se objevuje i v případech, kdy je radikálový meziprodukt relativně stálý, což nastává například u allylových radikálů vytvořených fragmentatcí isopulegolnitritu.[18]

Druhy[editovat | editovat zdroj]

U pevných molekul, jako je aldosteron, je 1,5-přenos vodíku velmi rychlý, s rychlostní konstantou řádově 107 s-1; obdobný mezimolekulární pře nos může být až 100krát pomalejší.[19]

Přesun vodíku je výhodný také díky tvorbě silnější vazby O-H namísto slabší vazby C-H. Rozdíl energií je u primárního alkylového radikálu vzniklého z alkoxylového 12 kJ/mol, u sekundárního 20 kJ/mol a u terciárního 30 kJ/mol[15]

Alkylový radikál vytvořený přenosem vodíku může, pokud jsou přítomny látky zachytávající nitrosylové radikály, vstupovat do jiných radikálových reakcí. D. Barton apopsal zachycování radikálů I2 a CCl3Br (použitými jako reaktivní zdroje jodu/bromu) vytvářející δ-halogenovaný alkohol. Takovéto alkoholy lze v zásaditém prostředí cyklizovat na příslušné tetrahydropyrany.[20]

Velké přebytky aktivovaných alkenů mohou rozdělit alkylové radikály a vést ke tvorbě vazeb C-C z neaktivovaných vazeb C-H.[21]

Kyslík může zachycovat alkylové radikály a vytvářet tak organické peroxidové radikály, které poté reagují s nitrosylovými a po izomerizaci vznikají δ-nitrátové estery, stálé v kyselých i zásaditých prostředích, jež lze za mírných podmínek zredukovat na odpovídající alkoholy.[22]

Syntetická využití[editovat | editovat zdroj]

Aldosteronacetát[editovat | editovat zdroj]

V článku vydaném krátce po objevu Bartonovy reakce byla popsána příprava aldosteronacetátu.[23]

Reakcí kortikosteronacetátu s nitrosylchloridem v suchém pyridinu vznikal ester kyseliny dusité. Po ozáření v inertní atomosféře a přidání vodného roztoku dusitanu sodného proběhla selektivní tvorba oximu. Oxim byl následně acetylován a hydrolyzován na poloacetal.

Perhydrohistrionikotoxin[editovat | editovat zdroj]

Po krátké syntéze spiro-[5.4]systému získal Elias James Corey pomocí selektivní Bartonovy reakce oxim v 1,3-diaxiální pozici vůči dusitanovému esteru. Oxim byl Beckmannovým přesmykem přeměněn na laktam a následně zredukován na konečný produkt.[24]

Bartonova reakce v sybtéze perhydrohistrionikotoxinu

Azadiradion[editovat | editovat zdroj]

Corey použil Barton ovu reakci také jako součást přípravy azadiradionu, sloučeniny patřící mezi limonoidy; místo nitrosylchloridu byla použita kyselina nitrosylsírová.[25]

Bartonova reakce v syntéze azadiradionu

Deriváty allobetulinu[editovat | editovat zdroj]

Při přípravě několika derivátů triterpenoidu allobetulinu byla provedena reakce využívající dva po sobě jdoucí 1,5-přesuny vodíku. Proces byl formálně 1,7-přesunem na velkou vzdálenost.[26]

Bartonova reakce v příprave derivátů allobetullinu

Odkazy[editovat | editovat zdroj]

Reference[editovat | editovat zdroj]

V tomto článku byl použit překlad textu z článku Barton reaction na anglické Wikipedii.

  1. ↑ D. H. R. Barton; J. M. Beaton; L. E. Geller; M. M. Pechet. A New Photochemical Reaction. Journal of the American Chemical Society. 1960, s. 2640–2641. DOI 10.1021/ja01495a061. 
  2. ↑ The Nobel Prize in Chemistry 1969. NobelPrize.org [online]. [cit. 2023-12-03]. Dostupné online. (anglicky) 
  3. ↑ D. H. R. Barton; J. M. Beaton; L. E. Geller; M. M. Pechet. A New Photochemical Reaction1. Journal of the American Chemical Society. 1961, s. 4076–4083. DOI 10.1021/ja01480a030. 
  4. ↑ The IUPAC Compendium of Chemical Terminology: The Gold Book. Příprava vydání Victor Gold. 4. vyd. Research Triangle Park, NC: International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) Dostupné online. DOI 10.1351/goldbook.b00599. (anglicky) DOI: 10.1351/goldbook. 
  5. ↑ A. L. Nussbaum; E. P. Yuan; C. H. Robinson; A. Mitchell; E. P. Oliveto; J. M. Beaton; D. H. R. Barton. The Photolysis of Organic Nitrites. VII. Fragmentation of the Steroidal Side Chain. The Journal of Organic Chemistry. 1962, s. 20–23. DOI 10.1021/jo01048a004. 
  6. ↑ W. R. Gutekunst; P. S. Baran. C–H functionalization logic in total synthesis. Chemical Society Reviews. 2011, s. 1976–1991. DOI 10.1039/c0cs00182a. PMID 21298176. 
  7. ↑ N-Butyl Nitrite. Organic Syntheses. 1936, s. 7. DOI 10.15227/orgsyn.016.0007. 
  8. ↑ L. J. Beckham; W. A. Fessler; M. A. Kise. Nitrosyl Chloride. Chemical Reviews. 1951, s. 319–396. DOI 10.1021/cr60151a001. PMID 24541207. 
  9. ↑ A. Sugimoto; T. Fukuyama; Y. Sumino; M. Takagi; I. Ryu. Microflow photo-radical reaction using a compact light source: Application to the Barton reaction leading to a key intermediate for myriceric acid A. Tetrahedron. 2009, s. 1593–1598. DOI 10.1016/j.tet.2008.12.063. 
  10. ↑ a b M. Akhtar; D. H. R. Barton; P. G. Sammes. Some Radical Exchange Reactions during Nitrite Ester Photolysis1. Journal of the American Chemical Society. 1965, s. 4601–4607. DOI 10.1021/ja00948a036. 
  11. ↑ G. Petrovic; Z. Cekovic. Free radical alkylation of the remote nonactivated δ-carbon atom. Tetrahedron Letters. 1997, s. 627–630. DOI 10.1016/s0040-4039(96)02357-x. 
  12. ↑ D. H. R. Barton; R. H. Hesse; M. M. Pechet; L. C. Smith. The mechanism of the barton reaction. Journal of the Chemical Society, Perkin Transactions 1. 1979, s. 1159. DOI 10.1039/P19790001159. 
  13. ↑ M. Akhtar; M. M. Pechet. The mechanism of the Barton Reaction. Journal of the American Chemical Society. 1964, s. 265–268. DOI 10.1021/ja01056a035. 
  14. ↑ A. Nickson; J. Mahajan; F. McGuire. Communications- Epimerization in a Nitrite Ester Photolysis. The Journal of Organic Chemistry. 1961, s. 3617–3618. DOI 10.1021/jo01067a671. 
  15. ↑ a b Ž. Čeković. Reactions of δ-carbon radicals generated by 1,5-hydrogen transfer to alkoxyl radicals. Tetrahedron. 2003, s. 8073–8090. DOI 10.1016/S0040-4020(03)01202-X. 
  16. ↑ A. E. Dorigo; M. A. McCarrick; R. J. Loncharich; K. N. Houk. Transition structures for hydrogen atom transfers to oxygen. Comparisons of intermolecular and intramolecular processes, and open- and closed-shell systems. Journal of the American Chemical Society. 1990, s. 7508–7514. DOI 10.1021/ja00177a009. 
  17. ↑ G. Y. Ishmuratov; R. Y. Kharisov; A. K. Shayakhmetova; L. P. Botsman; O. V. Shitikova; G. A. Tolstikov. Ozonolysis of Ricinolic Acid Derivatives and Transformations of the Ozonolysis Products under Barton Reaction Conditions. Chemistry of Natural Compounds. 2005, s. 643–649. DOI 10.1007/s10600-006-0003-z. 
  18. ↑ M. Bulliard; G. V. Balme; J. Gore. Fragmentation of isopulegol by a radical process. Tetrahedron Letters. 1989, s. 2213–2216. DOI 10.1016/S0040-4039(00)99651-5. 
  19. ↑ J. Robertson; J. Pillai; R. K. Lush. Radical translocation reactions in synthesis. Chemical Society Reviews. 2001, s. 94–103. DOI 10.1039/b000705f. 
  20. ↑ M. Akhtar; D. H. R. Barton; P. G. Sammes. Radical Exchange during Nitrite Photolysis. Journal of the American Chemical Society. 1964, s. 3394–3395. DOI 10.1021/ja01070a039. 
  21. ↑ G. Petrović; Ž. Čeković. Alkylation of remote non-activated δ-carbon atoms: Addition of δ-carbon radicals, generated by 1,5-hydrogen transfer in alkoxy radical intermediates, to activated olefins. Tetrahedron. 1999, s. 1377–1390. DOI 10.1016/S0040-4020(98)01110-7. 
  22. ↑ J. Allen; R. B. Boar; J. F. McGhie; D. H. R. Barton. Nitrite photolysis in the presence of oxygen. An improved synthesis of 32-oxygenated lanostanes. Journal of the Chemical Society, Perkin Transactions 1. 1973, s. 2402. DOI 10.1039/P19730002402. 
  23. ↑ D. H. R. Barton; J. M. Beaton. A Synthesis of Aldosterone Acetate. Journal of the American Chemical Society. 1960, s. 2641. DOI 10.1021/ja01495a062. 
  24. ↑ E. J. Corey. Simple total synthesis of (+-)-perhydrohistrionicotoxin. Journal of the American Chemical Society. 1975, s. 430–431. DOI 10.1021/ja00835a039. PMID 1169269. 
  25. ↑ E. J. Corey; R. W. Hahl. Synthesis of a limonoid, azadiradione. Tetrahedron Letters. 1989, s. 3023–3026. DOI 10.1016/S0040-4039(00)99392-4. 
  26. ↑ W. Dehaen; A. A. Mashentseva; T. S. Seitembetov. Allobetulin and Its Derivatives: Synthesis and Biological Activity. Molecules. 2011, s. 2443–2466. DOI 10.3390/molecules16032443. PMID 21403601. 

Externí odkazy[editovat | editovat zdroj]

Literatura[editovat | editovat zdroj]

  • László Kürti, Barbara Czakó: Strategic Applications of Named Reactions in Organic Synthesis; Elsevier Academic Press, Burlington-San Diego-London 2005, 1. edition; ISBN 0-12-369483-3
Citováno z „https://cs.wikipedia.org/w/index.php?title=Bartonova_reakce&oldid=23633457“