Microsoft PowerPoint - 01PL_met

METALE

W SYNTEZIE

ORGANICZNEJ

Tworzenie pojedynczego

wiązania węgiel-węgiel

część I

Lista podręczników

•

R. P. Houghton

„Kompleksy metali w chemii organicznej”

•

W. Carruthers, I. Coldham

„Modern Methods of Organic Chemistry”

•

M. Bochmann

„Organometalics 1” and „Organometallics 2”

•

J. Gawroński, K. Gawrońska, K. Kacprzak, M. Kwit

„Współczesna

synteza organiczna”

•

F. Pruchnik

„Chemia metaloorganiczna – pierwiastki przejściowe”

•

J. Skarżewski

„ Wprowadzenie do syntezy organicznej”

Pierwszy syntetyczny związek metaloorganiczny został

otrzymany ponad 200 lat temu w 1760 roku przez francuskiego

chemika L. C. Cadet de Gassicourt.

Podczas prac nad nowym atramentem sympatycznym uzyskał

on nieprawdopodobnie śmierdzącą ciecz, która - jak się potem

okazało – była związkiem arsenoorganicznym o wzorze

(CH

)

. Połączenie to nazwano kakodylem (po grecku

κακοδια oznacza śmierdzieć).

Pierwszy kompleks π otrzymał w 1827 roku duński chemik W. C.
Zeise (profesor Uniwersytetu w Kopenhadze, znany również jako
odkrywca ksantogenianów). Ogrzewając sól K

PtCl

w etanolu

uzyskał związek o sumarycznym wzorze KPtCl

. Sam

odkrywca nie zdawał sobie sprawy z wagi swojego odkrycia.
Wiele lat później uświadomiono sobie, że Zeise otrzymał
pierwszy organometaliczny związek metalu przejściowego,
etylenowy kompleks π platyny(II). Ten sam kompleks uzyskuje
się z dużo lepszą wydajnością działając bezpośrednio etylenem
na K

PtCl

w obecności katalizatora SnCl

. W eksperymencie

Zeisa etylen tworzył się in situ przez odwodnienie (dehydratację)
etanolu.

Wiązanie olefin z metalami przejściowymi

model

Dewara-Chatta-

Duncansona

Alkeny i alkiny kompleksują metale przejściowe za

pomocą wiążących orbitali π, które tworzą wiązania z

pustymi orbitalami ns, np, (n-1)d

, (n-1)d

-y

metalu lub

ich hybrydami.

Olefiny są słabymi zasadami więc wiązanie z metalem

musi być dodatkowo stabilizowane przez redonorowe

wiązanie metal-alken (alkin) polegające na przeniesieniu

elektronów z obsadzonych orbitali metalu na pusty orbital

π* olefiny. Jest to tak zwane wiązanie π-zwrotne.

Wiązanie π-zwrotne polegające na obsadzeniu

antywiążącego orbitalu π* alkenu obniża krotność

wiązania, wydłuża je i osłabia. Można to

zaobserwować przy pomocy metod spektroskopii IR

gdzie zjawisko wydłużenia wiązania C=C wyraża się

obniżeniem częstości drgań rozciągających w regionie

1600-1500 cm

-1

Reakcje kompleksów π z elektrofilami

Reakcje kompleksów π alkenów z elektrofilami,

takimi jak HX, zazwyczaj prowadzą do reduktywnej

eliminacji alkenu i utworzenia kompleksu typu

. Tylko w wyjątkowych sytuacjach udało się

wyizolować pochodne alkilowe.

Reakcje kompleksów π z elektrofilami

Protonowanie kompleksów π

allenowych i dienowych prowadzi

do izolowalnych pochodnych

allilowych.

Reakcje kompleksów π z nukleofilami

Najważniejsze zastosowanie olefinowych kompleksów π to

reakcje addycji nukleofilowej. Są one możliwe dzięki

wysokiej podatności skoordynowanych olefin na atak

nukleofilowy.

Reaktywność etylenu w stosunku do nukleofilów i

elektrofilów jest bardzo mała. Po skoordynowaniu etylenu

przez metal przejściowy jego reaktywność gwałtownie

rośnie – ulega on łatwo atakowi nukleofilowemu, zwłaszcza

gdy kompleks jest kationowy.

Wiązanie
alkanów
z metalami

Pierwszy związek metaloorganiczny – kompleks σ – został

otrzymany przypadkowo przez Edwarda Franklanda w 1848

roku. Frankland chciał uzyskać stabilne rodniki etylowe

działając cynkem na jodoetan a wyizolował dwa produkty

metaloorganiczne: EtZnI oraz ZnEt

. Było to wyjątkowe

osiągnięcie naukowe w tamtym czasie – zwłaszcza gdy weźmie

się pod uwagę piroforyczną naturę związków

cynkoorganicznych i ich ekstremalną podatność na hydrolizę.

Swoje reakcje Frankland prowadził w atmosferze wodoru!!!

kompleksy σ

Pierwsza synteza związków alkilocynku

zapoczątkowała szybki rozwój chemii

kompleksów σ. Wkrótce po odkryciu Falklanda

otrzymano kolejne kompleksy σ: związki glino-,

magnezo-, tręcio-, krzemo-, cyno- i

ołowioorganiczne.

Pierwszy metaloorganiczny kompleks σ metalu

przejściowego otrzymał William Jackson Pope

(1870-1939) w 1907 roku. Jednak struktura

tetramerycznego kompleksu Pt(IV) przez 50 lat

pozostawała niewyjaśniona. W następnych

latach podejmowano liczne i nieudane próby

syntezy nowych kompleksów σ metali

przejściowych dowodząc w końcu, że wiązanie σ

C-M (węgiel-metal_przejściowy) jest z natury

niestabilne, chyba że obecne są stabilizujące

ligandy π.

Sytuacja zmieniła się w latach 1960. Okazało się, że obecność

ligandów π nie jest konieczna aby kompleksy metali

przejściowych typu metal-alkil były trwałe.

Uzyskano szereg stabilnych kompleksów a nawet dla wielu z

nich wyznaczono wartości entalpii wiązania M-C.

Stabilność związku chemicznego oznacza jego trwałość w

standartowych warunkach w obecności różnych reagentów.

Istnieją związki, które mogą być ogrzewane bez rozkładu do

wysokiej temperatury w atmosferze gazu obojętnego ale gwałtownie

reagują w obecności wilgoci lub tlenu atmosferycznego.

Są to związki niestabilne.

Istnieją także związki, dla których dane termodynamiczne sugerują

labilność ale są trwałe w obecności tlenu i nie reagują z wodą.

Są to związki stabilne.

Reaktywność kompleksów σ metal-alkil

Większość kompleksów σ metal_przejściowy-alkil to związki
bardzo reaktywne. Najważniejsze typy reakcji, którym
ulegają to:

Reakcje z rozerwaniem wiązania M-C:

wodoroliza wiązania M-C

b) reakcje z elektrofilami (CO

, H

, I

)

Reakcje wbudowania (insercji) nienasyconego reagenta

w wiązanie M-C. Najczęściej biorą udział ligandy CO,
izocyjanki, alkeny i alkiny.

Reakcje reduktywnej eliminacji (jak łączenie ligandów

alkilowych z nukleofilami)

Efekty i zastosowanie kompleksowania w reakcjach

podstawienia nukleofilowego

1. Koordynowanie grupy odchodzącej

a) powstanie kompleksu przyspiesza podstawienie
b) ułatwia atak wewnątrzcząsteczkowy

Reakcja Wurtza

A. Wurtz, Ann. Chim. Phys. [3] 44, 275 (1855); Ann. 96, 364 (1855).

Połączenie dwóch rodników alkilowych w reakcji

dwóch moli halogenków alkilowych

z dwoma molami sodu.

2RX + 2Na

→

R-R + 2NaX

Sód

Reakcja Wurtza-Fittiga

B. Tollens, R. Fittig, Ann. 131, 303 (1864);

R. Fittig, J. König, ibid. 144, 277 (1867).

Powstawanie aromatycznych

alkilowanych węglowodorów w wyniku

połączenia halogenków alkilowych i

arylowych w obecności sodu:

Związki litoorganiczne mają szerokie zastosowanie w
syntezie organicznej jako zasady oraz jako nukleofile.
Reagują z wieloma elektrofilami a zakres tych reakcji od
oderwania protonu po atak nukleofilowy zależy:

od budowy związku litoorganicznego,

od budowy elektrofila,
od zastosowanych warunków.

Związki litoorganiczne zapisujemy ogólnie jako Li-R,

jednakże bardzo często tworzą one w roztworach złożone

struktury a wiązanie lit-węgiel uzyskuje w dużym stopniu

charakter kowalencyjny.

Rozpuszczalniki koordynujące THF, Et

O oraz silne σ-

donory jak TMEDA redukują stopień asocjacji związków

litoorganicznych zwiększając ich reaktywność.

2. Metalowanie pozycji α w aminach związkami alkilolitowymi

Podstawienie protonu α w aminach litem jest podstawą

metody α-alkilowania amin drugorzędowych. Grupa

aminowa R

N-Me nie jest wystarczająco aktywująca aby

ugrupowanie metylenowe mogło być przekształcone w sól

litową R

N-CH

-M jednak niektóre pochodne amin

drugorzędowych mogą być już przekształcone w związki

litoorganiczne przy pomocy silnych zasad. Uzyskane w ten

sposób pochodne α-aminolitoorganiczne reagują łatwo z

elektrofilami (chlorkami alkilowymi i acylowymi,

aldehydami).

3. Transmetalowanie związków cynoorganicznych

Metoda ta pozwala łatwo uzyskać reaktywne związki α-

aminolitoorganiczne. Wymiana cyny na lit jest szczególnie

efektywna dla N-Boc zabezpieczonych drugorzędowych amin a

nawet dla zwykłych amin trzeciorzędowych.

Przykład: addycja n-butylolitu do związku cynoorganicznego 100 generuje

reaktywny związek α-aminolitoorganiczny 101, który reaguje z różnymi

elektrofilami.

4. Bezpośrednie litowanie tioeterów w pozycji α

Alkilowe tioetery nie są szczególnie kwasowe ale mogą

ulegać litowaniu w pozycji α w przypadku obecności

dodatkowych grup aktywujących takich jak dodatkowy

atom siarki lub podwójne wiązanie.

Szczególnie ważną rolę pełnią siarczki allilowe ( zwłaszcza

tioetery allilowo-fenylowe), które łatwo ulegają reakcji z n-
butylolitem dając reaktywne związki litoorganiczne i mogą

być następnie alkilowane głównie w pozycji α.

Niezwykle ważne są reakcje litowania i alkilowania atomów
węgla C-α w układach, gdzie 2 atomy siarki związane są z tym
samym atomem węgla. Oderwanie protonu jest tu bardzo
łatwe pod działaniem n-butylolitu.
Uzyskany 2-lito-1,3-ditian reaguje z licznymi elektrofilami:
chlorkami alkilowymi, epoksydami i związkami
karbonylowymi*.

* M.Yus, C.Najera, F.Foubelo, Tetrahedron, 59 (2003), 6147

Do najważniejszych związków miedzioorganicznych zalicza

się miedziany Gilmana R

CuLi otrzymywane w reakcji

jodku miedzi(I) z dwoma równoważnikami związku

litoorganicznego.

Gilman, Henry (1893-1986)

Znamy obecnie kilka typów miedzianów: R

CuLi

(klasyczne miedziany Gilmana), RCu(CN)Li oraz

Cu(CN)Li

. Miedziany te różnią się naturalnie

reaktywnością i wybór któregoś z nich jest uzależniony

od typu reakcji, którą chcemy przeprowadzić.

Na ogół generuje się je in situ i nie izoluje

Bardzo użyteczną reakcją tworzenia pojedynczego

wiązania C-C wykorzystującą miedziany jest reakcja

sprzęgania grup alkilowych miedzianu z halogenkami

alkilowymi lub tosylanami.

Reakcja zachodzi w temperaturze pokojowej dając

wysokie wydajności produktów. Miedziany tolerują

obecność wielu grup funkcyjnych.

Drugorzędowe bromki i jodki alkilowe nie reagują z dobrymi

wydajnościami z klasycznymi miedzianami Gilmana. Stosuje

się więc miedziany wyższych rzędów R

Cu(CN)Li

. Te

reagenty są bardziej uniwersalne – mogą reagować też z

halogenkami pierwszorzędowymi.

Odrębnym zagadnieniem są tetrachloromiedziany(II) litu,

CuCl

, otrzymywane bezpośrednio z chlorku litu i chlorku

miedzi(II). Stosuje się je w ilościach katalitycznych w obecności

związków Grignarda. Przypuszcza się, że czynnikiem

aktywnym są w reakcjach alkilowania kompleksy

miedzio(I)organiczne o nie zbadanej jeszcze strukturze,

tworzące się w wyniku reakcji tetrachloromiedzianu z

halogenkiem alkilomagnezowym.

Reakcja difenylomiedzianu(I) litu z (-)-(R)-2-bromobutanem

zachodzi z inwersją konfiguracji – sugeruje to mechanizm S

Jednakże podobny eksperyment wykonany z optycznie

czynnym jodkiem alkilowym daje produkt racemiczny co

oznacza, że reakcje miedzianów Gilmana z jodkami alkilowymi

przebiegają według mechanizmu określanego raczej jako one-

electron transfer niż według S

Stereochemia alkilowania miedzianami Gilmana

Kompleksy cynko-miedzioorganiczne

Reagenty te generowane są in situ w reakcji chlorku cynku z

kompleksem CuCN*2LiCl (rozpuszczalnym w THF).

Są bardziej reaktywne od związków cynkoorganicznych. Nie

izoluje się ich w trakcie reakcji.