Wolffův přesmyk
Wolffův přesmyk je organická reakce, při které α-diazokarbonylové sloučeniny odštěpují molekulární dusík za současného 1,2-přesmyku a mění se tak na keteny, jež se dají následně převést nukleoifilními reakcemi se slabě kyselými nukleofily (například vodou, alkoholy, nebo aminy) na deriváty karboxylových kyselin, případně [2+2] cykloadicemi na čtyřčlenné kruhy.[1] Objevil ji Ludwig Wolff v roce 1902.[2]
Mechanismus Wolffova přesmyku je předmětem sporů; žádný z navržených mechanismů sám dostatečně nevysvětluje průběh reakce. Nejčastěji se uvádí soustředěný a karbenový mechanismus; níže je popsán první z nich.[3] Wolffův přesmyk má široké využití, protože α-diazokarbonylové sloučeniny jsou snadno dostupné, ketenové meziprodukty mohou reagovat několika způsoby, a stereochemie přesunující se skupiny se zachovává.[3] K jeho omezením patří značná reaktivita α-diazokarbonylových sloučenin, která poskytuje široký rozsah možných vedlejších reakcí.[1]
Wolffovy přesmyky lze vyvolávat termolyticky,[2] fotolyticky,[4] nebo katalyzátory založenými na přechodných kovech;[2] u přechodných kovů nejlépe fungují oxid stříbrný a další stříbrné sloučeniny. Wolff ův přesmyk byl zanut do řady totálních syntéz.
Zvláštním případem je Arndtova–Eistertova reakce, kde se prodlužuje řetězec karboxylové kyseliny o methylenovou skupinu. Wolffovy přesmyky se využívají také ke zmenšování kruhů; jestliže je α-diazoketon cyklický, tak je kruh produktu Wolffova přesmyku menší než u výchozí látky. Wolffovy přesmyky lze také použít na tvorbu molekul obsahujících cykly s velkým kruhovým napětím, které se často nedají vytvořit jinými postupy.
Historie
[editovat | editovat zdroj]V roce 1902 zjistil Ludwig Wolff, že reakcí diazoacetofenonu s oxidem stříbrným a vodou vzniká kyselina fenyloctová a při nahrazení vody v reakční směsi amoniakem se tvoří fenylacetamid.[2] O několik let později byly v nezávislé studii dosaženy stejné výsledky.[5]
Využívání Wolffova přesmyku zaznamenalo rozvoj až 20 let po jeho objevu, proztože do 30. let 20. století nebyla známa jednoduchá výroba diazoketonů.[3] Tato reakce byla poté zahrnuta do mnoha organických syntéz.[1][3]
Mechanismus
[editovat | editovat zdroj]Mechanismus Wolffova přesmyku je předmětem sporů, často mezi soustředěným a postupným mechanismem;[3] na dvou parametrech ale panují shody. Zaprvé se α-diazokarbonylové sloučeniny vyskytují v rovnováze mezi s-cis a s-trans-konformery, jejichž zastoupení může ovlivnit průběh reakce; s-cis konformery při fotolýze reagují soustředěným mechanismem, jelikož jsou odstupující a přesunující se skupina vůči sobě v opačně rovnoběžné poloze, zatímco u s-trans molekul převažuje postupný karbenový mechanismus, případně nedochází k přesmyku. Druhým shodným prvkem je to, že nezávisle na mechanismu přesmyk vytváří keten, který lze zachytit slabě kyselým nukleofilem, například alkoholem nebo aminem, přičemž proběhne [2+2] cykloadice. Silné kyseliny nevyvolávají přesmyk, místo toho protonují α-uhlík a vyvolávají [[SN2 reakce|SN2] reakce.
Stereochemie α-diazo ketonů
[editovat | editovat zdroj]Pro objasnění mechanismu Wolffova přesmyku je nutná stereochemie α-diazoketonů. Molekuly obsahující α-diazokarbonylové skupiny jsoiu v jejich místě zpravidla rovinné, jelikož mají vzhledem k dvojné povaze vazeb mezi karbonylovým a alfa uhlíkem velké rotační bariéry (55–65 kJ/mol).[6] Takto velké bariéry brání rotacím mlekul a vedou k rovnováhám mezi dvojicí konformerů, s-trans a s-cis. s-cis-konformery jsou v důsledku elektrostatického přitahování mezi částečně záporným nábojem na kyslíku a kladně nabitým dusíkem elektronově výhodnější.[1] Když je skupina R1 velká a R2 je vodík, pak je stericky výhodnější s-cis, pokud jsou ale velké obě tyto skupiny, tak se stericky výhodnějším stává s-trans uspořádání; dostatečná velikost obou substituentů způsobí, že sterické odpuzování bude silnější než elektrostatické přitahování, což vede k převaze s-trans. Malé a středně velké cyklické molekuly zachovávají s-cis konformaci.
Soustředěný mechanismus
[editovat | editovat zdroj]Když je α-diazoketon v konformai s-cis, tak jsou osstupující (N2) a přesunující se skupina (R1) navzájem opačně rovnoběžné, což upřednostňuje soustředěný mechanismus, ve kterém odštěpení dusíku probíhá současně s 1,2-přesmykem alkylu. Tento mechanismus se objevuje u termolytických i fotolytických variant reakce, kdy výrazně převažuje s-cis-konformer.[7]
Ve studii na základě chemicky indukované dynamické nukleární polarizace bylo zjištěno, že fotochemický přesmyk diazoacetonu, který se vyskytuje hlavně jako s-cis-konformer, probíhá soustředěně.[8]
Jako důkaz, že u s-cis-konformerů probíhá soustředěný a u s-trans-konformerů postupný mechanismus, byly použity poměry produktů přímé fotolýzy a fotolýzy zcitlivěné tripletovými stavy.[9]
Postupný mechanismus
[editovat | editovat zdroj]s-trans-α-diazoketony nevykazují opačně rovnoběžné vzájemné uspořádání odstupující a přesunující se skupiny, takže je u nich pravděpodobný postupný přesmyk. Postupný mechanismus začíná odštěpením dusíku, které vede k tvorbě α-ketokarbenu. Tento α-ketokarben se může přeměnit 1,2-alkylovým přesmykem na keten, a nebo 4π-elektrocyklickou reakcí na antiaromatický oxiren. Opětovné otevření oxirenu může proběhnout dvěma způsoby, kde vzniká α-ketokarben, který může poté vytvoři konečný ketenový produkt.
Postupný mechanismus podporují dvě skutečnosti; zaprvé rychlostní konstanta Wolffových přesmyků závisí více na stabilitě vytořeného karbenu než na náchylnosti přesunující se skupiny k přesunu[10] a za druhé je keten ochuzován o těžší izotopy, což odpovídá oxirenovému meziproduktu, který se vytváří pouze postupným echanismem. Na obrázku níže je atom 13C zobrazen červeně. Symetrický oxirenový meziprodukt při otevírání ztrácí 13C label. Jestliže jsou skupiny R1 a R2 stejné, pak lze určit poměr produktů vtnikajících soustředěným a postupným mechanismem; pokud se liší, oxiren se bude v jednom směru otevírat přednostně a poměr není možné zjistit, ale případné ochuzování o těžší izotop naznačuje postupnýmechanismus.[1]Během fotolýzy diazoacetaldehydu bylo odstraněno 8 % značek, což naznačuje, že se přes oxiren vytváří 16 % produktu.[11]
U fotolýzy bifenylového (R1 = R2</sub = fenyl) substátu byl pozorován přesun 20–30 % značek, takže se přes oxiren vytvářelo 40–60 % produktu;[12] u α-diazocyklohexanonu se podíl značky nesnižoval, protože tato látka je přítomna pouze jako s-cis izomer, a tzak reaguje soustředěným mechanismem, při němž seoxiren nevytváří.[13]
Mechanistické studie
[editovat | editovat zdroj]Za termolytických i fotolytických podmínek probíhají jak soustředěný, tak i postupný mechanismus. Wolffův přesmyk byl předmětem mnoha mechanistických studií, zaměřujících se na konformace, zcitlivění, kinetiku, a ochuzování o izotopy; mezi těmito faktory ovlivňujícími zastoupení jednotlivých mechanismů lze určit obecně platná pravidla. α-diazoketony vyskytující se v s-cis konformaci zpravidla reagují soustředěným mechanismem, zatímco s-trans konformery vynucují postupný mechanismus.[1] Lépe se přesunující skupiny na α-diazoketonech podporují soustředěný mechanismus;[1] s výjimkou cyklických ale ty substráty, které vytváří výhradně s-cis izomer, reagují oběma způsoby.[1] Reakce řízené přechodnými kovy bývají různorodé, ale obecně probíhají přes karbenové meziprodukty.[3] Celý mechanismus fotolytického Wolffova přesmyku je přibližně znázorněn na tomto obrázku:
Přesuny skupin
[editovat | editovat zdroj]Mechanismus Wolffova přesmyku ovlivňuje také to, jak snadno se příslušná skupina přesunuje; tuto schopnost lze určit pomocí mechanistické studie. Nejsnáze se přesunuje vodík, o něco pomalejší jsou přesuny alkylů a arylů (u alkylů jsou přesuny snažší při fotolýze a u arylů při termolýze).[14]
Vliv substituentů je u arylových skupin obvykle zanedbatelný, pouze areny s NO2 skupinami se přesunují o něco hůře.[14] Heterocykly bývají špatnými přesunujícími se skupinami, protože dodávají elektrony z p orbitalů do π* vazeb C=O, čímž snižují schopnost přesunu.[1]
Fotochemické reakce: H > alkyl ≥ aryl >> SR > OR ≥ NR2
Termolytické reakce H > aryl ≥ alkyl (heteroatomy se nepřesunují)
Příprava a výroba α-diazokarbonylových sloučenin
[editovat | editovat zdroj]Wolffův přesmyk je znám od roku 1902, ale synteticky významným se stal ve 30 letech 20. století, kdy byly vyvinuty účinné postupy výroby α-diazokarbonylových sloučenin. Nejčastěji se používají Arndtův-Eistertův postup, Franzenova varianta Dakinovy-Westovy reakce, a diazotransfery.
Arndtova-Eistertova reakce
[editovat | editovat zdroj]Arndtova–Eistertova reakce spočívá v acylaci diazomethanu acylchloridy, kdy vznikají převážně α-diazoketony. Uhlíkový konec diazomethanu se navazuje na karbonyl, za vzniku tetraedrického meziproduktu. Z tohoto meziproduktu se odštěpí chlorid, který poté deprotonuje meziprodukt na α-diazoketon.
α-diazoketony jsou nestálé v kyselých prostředích, kdy kyselina protonuje α-uhlík a chlorid může způsobit SN2 odštěpení dusíku.
Franzenova varianta Dakinovy-Westovy reakce
[editovat | editovat zdroj]Dakinova–Westova reakce je reakce aminokyseliny s acylanhydridem za přítomnosti zásady, jejímiž produkty jsou ketoamidy. Franzenova varianta je vhodná na tvorbu α-diazoketonů.[15]
Franzenova varianta nitrosuje ketoamidy oxidem dusitým v kyselině octové a vzniklý produkt reaguje s methoxidem v methanolu za vzniku sekundárního α-diazoketonu.
Diazotransfery
[editovat | editovat zdroj]Diazotransfery spočívají v reakcích organických azidů, obvykle tosylazidu, s aktivovanými (dvojicí skupin odtahujících elektrony) methylenovými skupinami za přítomnosti zásady na α-diazo-1,3-diketony.[16]
Zásada deprotonuje methylen, čímž se utvoří enolát, který poté reaguje s tosylazidem. Produkt této reakce se následně rozkládá slabou kyselinou na α-diazo-1,3-diketon.
Potřeba dvou skupin odtahujících elektrony omezuje rozsah využití tohoto postupu; lze ale použít substráty obsahující jednu takovou skupinu, jestliže se nejprve formyluje keton Claisenovou kondenzací, po níž následuje diazotransfer a deformylace.[17]
Výhodou tohoto postupu je možnost použití nenasycených ketonů. Kinetické regioselektivity při tvorbě enoátu a lepší využitelnosti nenasycených karbonylových sloučenin lze dosáhnout vytvořením enolátu pomocí bis(trimethylsilyl)amidu lithného a nahrazení formylace trifluoracetylací.[18]
Způsoby spouštění přesmyku
[editovat | editovat zdroj]Wolffovy přesmyky lze spustit termolyticky,[2] fotolyticky,[4] nebo katalyzátory založenými na přechodných kovech.[2]
Termolýza vyžaduje zahřívání reakční směsi na vysoké teploty, kolem 180 °C, a má tak jen omezené využití.[2] Mnohé produkty Wolffových přesmyků se vyznačují velkým kruhovým napětím a jejich kruhy se za vysokých teplot mohou otevírat. I za nižších teplot než přesmyky mohou navíc probíhat SN2 substituce diazoskupin na α-uhlících, které vytvářejí vedlejší produkty. Největší využití mají tepelné Wolffovy pžesmyky při přípravách analogů karboxylových kyselin, kdy reagují keteny ve vysokovroucích rozpouštědlech, jako jsou anilin a fenol.[2]
Přechodné kovy umožňují provedení Wolffových přesmyků za nižších teplot, jelikož stabilizují komplexy typu kov-karben, tvořící se jako meziprodukty; ty jsou však někdy tak stálé, že se nepřesmykují. Karbeny rhodia, mědi, a palladia jsou na Wolffovy přesmyky příliš stálé a namísto nich vstupují do jiných reakcí, převážně karbenových insercí.[3] Nejvíce používaným katalyzátorem je zde oxid stříbrný, běžně se používá též benzoát stříbrný. Tyto reakce bývají uskutečňovány za přítomnosti slabých zásad, jako jsou uhličitan sodnýnebo terciární aminy.[3]
Tepelné a kovy katalyzované Wolffovy přesmyky jsou známé od froku 1902,[2] ale fotolytické varianty byly popsány až roku 1951.[4]Využívá se při nich skutečnost, že α-diazoketony mají dva absorbční pásy umožňující „povolené“ π→π* přechody o energiích odpovídajících 240–270 nm, a formálně „nepovolené“ π→σ* na 270–310 nm;[4] přechody elektronů v těchto oblastech mohou být vyvolány poomocí středně- a nízkotlakých rtuťových lamp. Tripletové sensitizátory způsobují vytváření karbenů neodpovídajících Wolffovým přesmykům, a nejsou tak pro jejich syntetická využití vhodné, byly však využity ke zkoumání jejich mechanismu.[3]
Syntetická využití
[editovat | editovat zdroj]Wolffovy přesmyky mají, podle reakcí ketenových meziproduktů, několik možných retronů; například u Arndtových-Eisterových homologací jde o deriváty karboxylových kyselin obsahující α-methylenovou skupinu a u zmenšování kruhů je to kyselina, ke které patří α-uhlík v kruhu.
Homologační reakce
[editovat | editovat zdroj]- ↑ a b c d e f g h i W. Kirmse. 100 Years of the Wolff Rearrangement. European Journal of Organic Chemistry. 2002, s. 2193. DOI 10.1002/1099-0690(200207)2002:14<2193::AID-EJOC2193>3.0.CO;2-D.
- ↑ a b c d e f g h i L. Wolff. Ueber Diazoanhydride. Justus Liebig's Annalen der Chemie. 1902, s. 129-195. Dostupné online. DOI 10.1002/jlac.19023250202.
- ↑ a b c d e f g h i Gill, G. B. (1991) The Wolff Rearrangement. Trost, B. M. Flemming, I. (eds.) Comprehensive Organic Synthesis Oxford: Pergamon. 3:887 DOI:10.1016/B978-0-08-052349-1.00085-8 ISBN 978-0-08-052349-1
- ↑ a b c d L. Horner; E. Spietschka; A. W. Gross. Zur Kenntnis der Umlagerungsvorgänge bei Diazo-ketonen, o-Chinondiaziden und Säureaziden. Justus Liebig's Annalen der Chemie. 1951, s. 17-30. DOI 10.1002/jlac.19515730103.
- ↑ G. Schroeter. Über die Hofmann-Curtiussche, die Beckmannsche und die Benzilsäure-Umlagerung. Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft. 1909, s. 2236-2249. Dostupné online. DOI 10.1002/cber.190904202131.
- ↑ C. Pecile; F. Foffani; S. Chersetti. The interaction of diazocarbonyl compounds with hydroxylic solvents. Tetrahedron. 1964, s. 823-829. DOI 10.1016/S0040-4020(01)98414-5.
- ↑ F. Kaplan; G. K. Meloy. The Structure of Diazoketones. A Study of Hindered Internal Rotation 1,2. Journal of the American Chemical Society. 1966, s. 950-956. DOI 10.1021/ja00957a017.
- ↑ H. D. Roth; M. L. Manion. Solution photochemistry of diazoacetone. Wolff rearrangement and acetylmethylene. Journal of the American Chemical Society. 1976, s. 3392-3393. DOI 10.1021/ja00427a067.
- ↑ H. Tomioka; H. Okuno; S. Kondo; Y. Izawa. Direct evidence for ketocarbene-ketocarbene interconversion. Journal of the American Chemical Society. 1980, s. 7123-7125. DOI 10.1021/ja00543a050.
- ↑ M. W. Regitz. Untersuchungen an Diazoverbindungen, VII. Vergleichende kinetische Untersuchungen zur thermischen Stabilität aliphatischer Diazoverbindungen. Chemische Berichte. 1970, s. 1477-1485. DOI 10.1002/cber.19701030519.
- ↑ K. P. Zeller. Zur formylcarben-oxiren-isomerisierung. Tetrahedron Letters. 1977, s. 707-708. DOI 10.1016/S0040-4039(01)92732-7.
- ↑ K. P. Zeller; H. Meier; H. Kolshorn; E. Mueller. Zum Mechanismus der Wolff-Umlagerung. Chemische Berichte. 1972, s. 1875-1886. DOI 10.1016/S0040-4039(01)92732-7.
- ↑ Chybná citace: Chyba v tagu
<ref>; citaci označenéTimmnení určen žádný text - ↑ a b K. P. Zeller; H. Meier; E. Müller. Untersuchungen zur Wolff-Umlagerung—II. Tetrahedron. 1972, s. 5831-5838. DOI 10.1016/S0040-4020(01)88926-2.
- ↑ V. Franzen. Eine neue Methode zur Darstellung α,β-ungesättiger Ketone. Zerfall der Diazoketone R—CO—CN2—CH2—R′. Justus Liebigs Annalen der Chemie. 1957, s. 199. DOI 10.1002/jlac.19576020116.
- ↑ M. Regitz; A. Liedhegener. Reaktionen aktiver Methylenverbindungen mit Aziden, XII. Synthese von Diacyl-diazomethanen durch Diazogruppen-Übertragung. Chemische Berichte. 1966, s. 3128-3147. DOI 10.1002/cber.19660991010.
- ↑ M. Regitz. Reaktionen CH-aktiver Verbindungen mit Aziden, XVIII. Synthese von 2-Oxo-1-diazo-cycloalkanen durch entformylierende Diazogruppen-Übertragung. Chemische Berichte. 1968, s. 1263-1270. DOI 10.1002/cber.19681010419.
- ↑ R. L. Danheiser; R. F. Miller; R. G. Brisbois; S. Z. Park. An improved method for the synthesis of .alpha.-diazo ketones. The Journal of Organic Chemistry. 1990, s. 1959. DOI 10.1021/jo00293a053.