Алкилирующие агенты


	Загрузить архив:
	Файл: pda-0559.zip (11kb [zip], Скачиваний: 168) скачать

- 1 -

2Введение.

Алкилирующие агенты - весьма ценные реагенты в органическом

синтезе. Алкилированием называется процесс введения алкильной

группы (радикала) в молекулу вместо атома водорода:

4алкилир.агент

R-H ───────────────760 R-R'

Для наиболее легкого замещения водорода на алкильную группу

необходимо, чтобы водород в молекуле обладал достаточной подвиж-

ностью. Следовательно, алкилированию подвергаются кислоты Бренсте-

да: C-H, N-H, O-H, S-H кислоты.

Наиболее часто в качестве алкилирующих соединений применяют

вещества, содержащие полярную связь R-X, например, алифатические

галогенпроизводные, алкилсульфаты и др. сложные эфиры, диазосоеди-

нения. В этом реферате рассматриваются вопросы алкилирования раз-

личных веществ с помощью диазосоединений, а также свойства, синтез

диазосоединений и некоторые способы алкилирования ими.

Первое алифатическое диазосоединение впервые получил Курциус

действием HNO42 0на эфиры 7a0-аминокислот. Некоторые реакции этих ве-

ществ оказались сходными с реакциями ароматических диазосоедине-

ний, поэтому они были названы эфирами диазокарбоновых кислот.

Позже, в 1894 г. Пейхманом были получены простейшие алифати-

ческие диазосоединения - диазометан и др., притом довольно сложны-

ми путями.

В настоящее время алифатические диазосоединения и особенно

диазометан получили широкое распространение в качестве реагента в

лабораторной практике.

2Строение алифатических диазосоединений.

Курциус предложил алифатическим диазосоединениям строение с

трехчленным циклом, а Анджели и Тиле - линейную структуру:

R-C R-CH=N N R-СH=N=N

I II III

- 2 -

На основании данных электронографического метода было уста-

новлено, что молекулы алифатических диазосоединений имеют линейное

строение. Вначале такой результат был несколько неожиданным, т.к.

предполагалось, что диазосоединения соответствуют структурам II

или III, а они имеют сильные частичные заряды на атомах C и N,

вследствие чего они должны иметь значительный дипольный момент.

Однако оказалось, что диазометан, например, имеет дипольный мо-

мент, равный всего 1.4770105-180.

На основании теории резонанса в настоящее время можно утверж-

дать, что молекула диазометана представляет собой среднее между

структурами II и III, т.е.

R-CH-N=N

Длина связи С-N в молекуле диазометана составляет 0.134 нм, а

длина связи N-N 0.113 нм, что ближе к длине тройной, чем двойной

связи, т.е. длина связи C-N несколько меньше,

чем N-N вследствие наличия незначительного смещения электронной

плотности в молекуле диазометана. Частота валентного колебания

7n4N-N 0лежит в области 2000-2200 см5-10.

Стабильность диазосоединений очень сильно зависит от того,

находятся ли группировки с кратными связями при углеродном атоме

около диазогруппы (эффект сопряжения). Этим фактом можно объяснить

большую стабильность диазокетонов, эфиров диазокарбоновых кислот

по сравнению с диазоалканами.

2Диазоалканы0 2и0 2диазометан.

К алифатическим диазосоединениям относятся вещества следующе-

го строения:

R' R' R'

C-N7=0N7 0 756 0 C=N=N 7560 C-N=N

R R R

( где R и R' = H, Alk ).

Алифатические соединения стабилизируются в форме имида.

Диазометан CH420N42 0- простейшее диазосоединение алифатического

ряда. Он может образовываться действием щелочи и гидразина на хло-

роформ:

- 3 -

CHCl430 + H420N-NH420 + 3KOH ─760 CH420N420 + 3KCl + 3H420O.

Удобнее получать диазометан действием щелочи на нитрозомети-

луретан, нитрозометилмочевину и др. нитрозометиламиды (см. Получе-

ние диазоалканов).

Диазометан представляет собой весьма токсичный газ желтого

цвета, который при температуре около 05о0С переходит в жидкость. Ди-

азометан при нагревании чрезвычайно сильно взрывает. Диазометан

наиболее часто применяется как алкилирующий агент (метилирующий) и

применяется в виде свежеприготовленного эфирного раствора, обраще-

ние с которым удобно и безопасно.

Высшие диазоалканы - жидкие или твердые окрашенные в цвет от

желтого до красного вещества. Весьма токсичны, при нагревании

взрываются. Более устойчивы, чем высшие диазоалканы.

2Получение диазоалканов.

Получают диазоалканы следующими методами:

а) щелочная обработка ацил-, карбамоил- или тозил-N-нитроза-

минов, а также N-тозилгидразонов, например:

4KOH

Ar-CH=NNSO420HC460H440CH430 ───────760 Ar-CHN420.

б) окислением гидразонов:

Hg52+

(C460H450)420C=NNH420 ───────760 (C460H450)420CN420.

в) обработкой оксимов хлорамином или О-сульфонилгидроксилами-

ном (HO430SONH420):

ClNH42

RCOCH=NOH ───────760 RCOCHN420.

г) действием азотистой кислоты на7 a0-аминоэфиры:

HNO42

H420NCH420COOR ───────760 N420CHCOOR

- 4 -

Диазоалканы нельзя получать диазотированием первичных аминов,

поскольку в молекулах последних нет активированного 7a0-водородного

атома, так что образовавшийся алкилдиазониевый ион быстрее распа-

дается с выделением азота, чем депротонируется до диазоалкана. По-

этому для получения таких диазосоединений приходится прибегать к

обходному пути: нитрозируют ацилированный первичный алифатический

амин и ацилнитрозоалкиламин подвергают щелочному распаду:

O CH420-R' +2OH5-0 O

R-C-N ─────────760 R-C + 5-0O-N=N-CH420-R'

N=O -H420O O

7{ 0 7}

R-CH420-N=N-O5-0 ────────76 0│R-CH-N7=0N7│560 R-CH=N=N │7 =0 R-CH N N

-OH5-7 [ 0 7]

Образующийся промежуточно диазотат распадается до диазоалка-

на.

Из множества нитрозамидов для получения диазоалканов особенно

удобными оказались нитрозоалкилмочевины, нитрозоалкилуретаны и

нитрозоалкилтолуолсульфамиды.

По способу, приведенному выше, можно получать с удовлетвори-

тельными выходами только низшие диазоалканы, т.к. с увеличением

длины цепи выходы сильно падают. С хорошим выходом высшие диазоал-

каны могут быть получены пиролизом в вакууме литиевых солей тозил-

гидразонов[1].

Методика синтеза диазометана из нитрозометилмочевины.

1В колбу Эрленмейера помещают 35 мл. холодного 40% раствора

1KOH и 100 мл. эфира. Затем, постоянно встряхивая колбу, небольшими

1порциями прибавляют 0.1 моль нитрозометилмочевины. Температура при

1этом не должна превышать 55о1С. Через 10 мин. после внесения послед-

1ней порции сливают эфирный раствор диазометана и сушат 3 ч. над

1небольшим количеством твердого KOH.

1Определение содержания диазометана.

1а) Гравиметрическое. Прибавляют избыток n-бромбензойной кис-

1лоты. Избыток кислоты удаляют промыванием карбонатом натрия. Слож-

1ный эфир взвешивают.

1б) Титриметрическое[2]. К аликвотной части раствора диазоме-

1тана прибавляют 0.2 н. эфирный раствор бензойной кислоты. Неизрас-

- 5 -

1ходованную кислоту оттитровывают 0.1 н. NaOH.

Получение диазометана из нитрозометилтолуолсульфамида - де

Боер Т., Бэкер Х. В сб.: Синтезы органических препаратов. Сб. 8.

Пер с англ. - М.: ИЛ, 1958. с. 7.

2Этиловый эфир диазоуксусной кислоты,

2диазокетоны.

Этиловый эфир диазоуксусной кислоты CHN420-COOC420H45 0получается

действием HNO420 на этиловый эфир аминоуксусной кислоты:

C420H450-OOC-CH420-NH420 + HNO420 ─760 C420H450OOC-CHN420 + 2H420O.

Этиловый эфир диазоуксусной кислоты - желтая вязкая жидкость

с неприятным удушливым запахом, Т4пл.0-225о0С, Т4кип. 0140-1415о 0d44520

1.0921, n4D520 01.4616, растворим в этаноле, эфире, бензоле, трудно в

воде.

Он является токсичным веществом. При неосторожном нагревании

разлагается со взрывом, особенно при наличии примесей. Тщательно

промытый диазоуксусный эфир может быть перегнан в небольших коли-

чествах даже при атмосферном давлении.

Диазокетоны образуются при реакции ангидридов или галогенан-

гидридов карбоновых кислот с диазометаном:

R-COCl + CH420N420 ──760 R-CO-CHN420.

Диазокетоны в щелочном растворе легко переходят в карбоновые

кислоты с удлинением углеродной цепи на 1 атом (перегруппировка

Курциуса).

Если реакция проводится не в щелочной среде (в присутствии

триэтиламина), то отщепляющиеся HCl или карбоновая кислота реаги-

руют еще с одним молем диазосоединения, образуя метилхлорид или

метиловый эфир.

7a0-Диазокетоны являются ценными промежуточными продуктами. Их

можно восстановить до метилкетонов или до 7a0-аминокетонов. Реакция

их с галогеноводородом приводит к образованию 7a0-галогенкетонов.

Также диазокетоны в присутствии воды, спирта или аммиака может

быть переведен в соотв. карбоновую кислоту, эфир или амид. И нако-

нец, диазокетоны могут быть применены для алкилирования различных

- 6 -

соединений аналогично диазоалканам.

2Реакции алифатических диазосоединений

2с протонными кислотами.

Диазосоединения обладают нуклеофильными свойствами. Углерод-

ный атом, соседний с диазогруппой, представляет собой центр с ос-

новными свойствами, особенно легко поддающийся действию кислот.

При присоединении протона устраняется возможность сопряжения диа-

зогруппы с остальной частью молекулы. Запас энергии этого промежу-

точного продукта столь велик, что немедленно и необратимо отщепля-

ется азот. При этом образуется карбкатион, который стабилизируется

обычным путем - присоединением нуклеофильного агента. В случае ди-

азоалканов, иных, чем диазометан, возможно также образование оле-

фина.

Способность алифатических диазосоединений вступать в реакцию

с протонными кислотами зависит от их основности. Это свойство диа-

зосоединений ослабевает, как и следует ожидать, от диазометана че-

рез диазоуксусный эфир к диазокетонам и 7a0-диазодикарбонильным сое-

динениям. Последние устойчивы к ионам ОН5-0. Скорость реакции алифа-

тических диазосоединений с протонными кислотами пропорциональна рН

реакционной среды.

Получение метиловых эфиров карбоновых кислот и фенилметиловых

эфиров из диазометана из соответственно карбоновых кислот и фено-

лов по схеме (1) имеет препаративное и аналитическое значение. Ре-

акция протекает количественно и в очень мягких условиях, так что

этим путем можно метилировать, например, неустойчивые природные

соединения. Поскольку метильный катион при этерификации не создает

стерических затруднений, с диазометаном могут взаимодействовать

пространственно затрудненные кислоты.

Кислотность спиртов недостаточна для того, чтобы образовывать

с диазометаном метиловые эфиры. Если, однако, добавить каталити-

ческие количества борофтороводородной кислоты или перевести спирты

в ансольвокислоты, то можно осуществить их метилирование диазоме-

таном:

- 7 -

7{ 0 7}0-

│ F │

R-O-H + BF430 ───760 │ R-O-B-F │ H5+

│ F │

7[ 0 7]

Общая методика метилирования карбоновых кислот и фенолов диа-

зометаном.

1В колбе или стакане к раствору 0.1 моля подлежащего алкилиро-

1ванию соединения в водном метаноле (1:10) добавляют при перемеши-

1вании при комнатной температуре эфирный раствор диазометана, пока

1не появится устойчивое слабожелтое окрашивание; к этому времени

1должно прекратиться выделение азота при добавлении новых порций

1диазометана (прибавление вести медленно и осторожно, не допуская

1вспенивания!). Отгоняют растворитель под вакуумом, остаток раство-

1ряют в эфире, промывают разбавленным раствором NaOH и водой, сушат

1сульфатом магния; сложный эфир (соответственно фенолят) после от-

1гонки растворителя очищают перегонкой или перекристаллизацией.

Схема 1.

R-CH-N7=0N + H5+0 ───760 R-CH420-N7=0N ───760 N7=0N + R-CH425+

+ H420O

┌─────────760 R-CH420-OH425+0 ────760 R-CH420-OH + H5+

│ + R-COO5-

R-CH425+0 ──────┼─────────760 R-COO-CH420-R

│ + C460H450O5-

└─────────760 C460H450-O-CH420-R

R = Н, Алкил, RC(O)-, RO-CO-

2Реакции алифатических диазосоединений

2с карбонильными соединениями.

Благодаря своим нуклеофильным свойствам алифатические диазо-

соединения могут реагировать и с карбонильной группой. Однако воз-

можность для осуществления такой реакции имеется только у наиболее

реакционноспособных карбонильных соединений.

Важны реакции диазометана, который гладко взаимодействует с

- 8 -

альдегидами, кетонами, галогенангидридами и ангидридами кислот, в

то время как диазоуксусный эфир реагирует только с альдегидами, но

уже не реагирует с кетонами.

Присоединение диазометана к альдегидам и кетонам протекает

следующим образом (схема 2).

Схема 2.

R R 5 0 R

N7=0N-CH420 + C=O ───760 N7=0N-CH420-C-O5-0 ──────760 5+0CH420-C-O5-

R' R' -N420 5 0 R'

7`0R R'-C5+0-O5-0 R'

┌───────────760 │7 50──760 C=O а)

│ CH420-R R-CH42

│

R O5-0 │7 `0R' R-C5+0-O5-0 R

C ─────┼───────────760 │7 50──760 C=O б)

R' CH425+0 │ CH420-R' R'-CH42

│

│ Внутримолек. R O

└──────────────760 C───CH42

S4N0-р-ция R'

(7`0R над стрелкой означает, что перегруппировка идет с переме-

щением остатка R).

Как правило, преобладают перегруппировки, которые ведут к со-

единениям а и б. Реакция, следовательно, может быть использована

для удлинения углеродной цепи в кетонах и для расширения цикла у

циклических кетонов.

Взаимодействие диазометана с ангидридами и хлорангидридами

кислот протекает несколько иначе, поскольку в этом случае отщепле-

ние азота от первичного аддукта 1 уже не является предпочтительной

реакцией. Отщепляется преимущественно хлористый водород, и образу-

ется относительно7 a0-диазокетон:

- 9 -

R R

N7=0N-CH420 + C=O ────760 N7=0N-CH420-C-O5-

Cl Cl

H R R

N7=0N-C-C-O5-0 ─────760 N7=0N-CH-C=O + HCl

H Cl

2Присоединение диазосоединений

2по кратным связям.

Алифатические диазосоединения реагируют с активированными

олефинами, например с сопряженными диенами или 7a0,7b0-ненасыщенными

карбонильными соединениями, давая 7D510-пиразолины, а с ацетиленом -

пиразолы.

Образовавшиеся 7D510-пиразолины сразу же или при нагревании изо-

меризуются в 7D520-пиразолины. При повышенной температуре (150-2005о0С)

пиразолины отщепляют азот и переходят в производные циклопропана.

Присоединение диазосоединения к олефину или ацетилену расс-

матривается как 1,3-биполярное присоединение. Диазосоединение выс-

тупает в роли диполя с положительным и отрицательным зарядами в

положениях 1,3. Этот диполь присоединяется к ненасыщенному партне-

ру (диполярофилу) с циклическим сдвигом электронов и образованием

пятичленного цикла.

Способность диазосоединений к присоединению падает в ряду ди-

азометан > диазоуксусный эфир > диазокетоны > диазо-7b0-дикарбониль-

ные соединения; для непредельных соединений эта способность умень-

шается с ростом склонности к мезомерии у заместителей, стоящих при

двойной связи. 1,3-диполярное циклоприсоединение часто использует-

ся для синтеза 5-и членных гетероциклов.

2Образование карбенов и их реакции.

Алифатические диазосоединения способны отщеплять азот и в от-

сутствие электрофильного агента. Это происходит, например, при пи-

ролизе, при освещении ультрафиолетовым светом или в присутствии

- 10 -

катализаторов - ионов серебра или меди.

Образующиеся в этих реакциях карбены (метилены) являются ко-

роткоживущими промежуточными продуктами с двумя свободными элект-

ронами у атома углерода. Если оба электрона имеют противоположные

спины, т.е. образуют электронную пару, то такое состояние называют

синглетным. Если спины электронов параллельны (неспаренные элект-

роны - бирадикал), то такое состояние называют триплетным. Как

правило, карбены сначала возникают в синглетном состоянии и затем

переходят в энергетически более выгодное триплетное состояние.

Спиновое состояние карбенов сильно влияет на механизм и сте-

реохимию реакций.

Важнейшие реакции карбенов:

а) внедрение в ковалентные связи, прежде всего в связи С-Н

(алкилирование). Например, при фотолизе раствора диазометана в ди-

этиловом эфире образуется смесь этил-н-пропилового и этилизопропи-

лового эфиров наряду с небольшими количествами этилена. Алкилкар-

бены в результате внутримолекулярного внедрения по С-Н связи легко

образуют циклопропаны.

б) присоединение к кратным связям. При этом карбены выступают

в роли электрофильных агентов (кислоты Льюиса), поскольку у атома

углерода они имеют лишь секстет электронов. Реакция приобрела пре-

паративное значение для синтеза циклических соединений; кроме это-

го, часто этим путем удается получать стерически однородные про-

дукты:

Арены тоже гладко присоединяют карбены. Так, например, из

бензола и метилена через промежуточный продукт I образуется

циклогептатриен-2,4,6 и кроме того, в результате внедрения - толу-

ол:

в) внутри- или межмолекулярное отщепление водорода с последу-

ющими реакциями образовавшихся радикалов:

- 11 -

R-CH: + R'-H ───760 R-CH42770 + R'77

Таким путем при комбинации радикалов могут образовываться

продукты внедрения.

2Литература.

1. Kauffmann G. M., J. Am. Chem. Soc.,1965, 87, 935-937.

2. Marshall E. K., Acree S.F. Ber. 1910, 43, 2323.

3. Saunders K.H., Allen L.M., Aromatic diazocompounds, 3 ed.,

Balt, 1985.

4. Huisgen R., Angew. Chem., 1955. 67,439-463.

5. Gutsche C. D. Org. Reactions, 1954, 8, 364-430.

6. Gilchrist T. L., Rees C. W. Carbenes, Nitrenes, Arynes.-

London: Nelson a. Sons, 1969.

7. Розанцев Г.Г., Файнзильберг А.А., Новиков С.С., Успю хим.,

1965, 34, c. 177-218.

8. Кнунянц И.Л., Гамбарян Н.П., Рохлин Е.М. Успю хим., 1958, 27,

c. 1361-1470.