Büchner–Curtius–Schlotterbecks reaktion
Buchner -Curtius-Schlotterbeck-reaktionen är reaktionen mellan aldehyder eller ketoner med alifatiska diazoalkaner för att bilda homologerade ketoner . Den beskrevs första gången av Eduard Buchner och Theodor Curtius 1885 och senare av Fritz Schlotterbeck 1907. Två tyska kemister föregick också Schlotterbeck i upptäckten av reaktionen, Hans von Pechmann 1895 och Viktor Meyer 1905. Reaktionen har sedan dess utvidgats till att syntesen av β-ketoestrar från kondensationen mellan aldehyder och diazoestrar . Det allmänna reaktionsschemat är som följer:
Reaktionen ger två möjliga karbonylföreningar (I och II) tillsammans med en epoxid (III). Förhållandet mellan produkterna bestäms av den använda reaktanten och reaktionsbetingelserna.
Reaktionsmekanism
Den allmänna mekanismen visas nedan. Den resonerande pilen ( 1 ) visar en resonansbidragsgivare av diazoföreningen med ett ensamt elektronpar på kolet intill kvävet . Diazoföreningen gör sedan en nukleofil attack på den karbonylhaltiga föreningen ( nukleofil addition ), vilket ger en tetraedrisk mellanprodukt ( 2 ). Denna intermediär sönderdelas genom utveckling av kvävgas som bildar den tertiära karbokatationsintermediären ( 3 ).
Reaktionen fullbordas sedan antingen genom reformering av karbonylen genom en 1,2-omlagring eller genom bildning av epoxiden. Det finns två möjliga karbonylprodukter: en bildad genom migrering av R 1 ( 4 ) och den andra genom migrering av R 2 ( 5 ). Det relativa utbytet av varje möjlig karbonyl bestäms av R-gruppernas migrationspreferenser.
Epoxidprodukten bildas av en intramolekylär additionsreaktion där ett ensamt par från syret angriper karbokaten ( 6 ).
Denna reaktion är exoterm på grund av stabiliteten hos kvävgas och de karbonylhaltiga föreningarna. Denna specifika mekanism stöds av flera observationer. För det första har kinetiska studier av reaktioner mellan diazometan och olika ketoner visat att den övergripande reaktionen följer andra ordningens kinetik . Dessutom är av ketoner i två cyklohexanon reaktiviteten CH3COCH3 . för C6H5COCH3 serier ordningarna Cl3CCOCH3 > > och > cyklopentanon > cykloheptanon > cyklooktanon _ Dessa reaktivitetsordningar är desamma som de som observerats för reaktioner som är väl etablerade som fortskridande genom nukleofil attack på en karbonylgrupp.
Omfattning och variation
Reaktionen utfördes ursprungligen i dietyleter och genererade rutinmässigt höga utbyten på grund av den inneboende irreversibla reaktionen orsakad av bildningen av kvävgas . Även om dessa reaktioner kan utföras vid rumstemperatur, ökar hastigheten vid högre temperaturer. Typiskt utförs reaktionen vid lägre temperaturer än återloppskokning. Den optimala reaktionstemperaturen bestäms av den specifika diazoalkan som används. Reaktioner som involverar diazometaner med alkyl- eller arylsubstituenter är exoterma vid eller under rumstemperatur. Reaktioner som involverar diazometaner med acyl- eller aroylsubstituenter kräver högre temperaturer. Reaktionen har sedan dess modifierats för att fortsätta i närvaro av Lewis-syror och vanliga organiska lösningsmedel såsom THF och diklormetan . Reaktioner löper i allmänhet vid rumstemperatur under cirka en timme, och utbytet sträcker sig från 70%-80% baserat på valet av Lewis-syra och lösningsmedel.
Steriska effekter
Steriska effekter av alkylsubstituenterna på karbonylreaktanten har visat sig påverka både hastigheten och utbytena av Büchner-Curtius-Schlotterbeck-reaktionen. Tabell 1 visar det procentuella utbytet av keton- och epoxidprodukterna såväl som de relativa reaktionshastigheterna för reaktionerna mellan flera metylalkylketoner och diazometan .
| Startar keton | Keton % | Epoxid % | Relativt pris |
|---|---|---|---|
| CH 3 COCH 3 | 38 | 33,5 | 1.0 |
| CH 3 COCH 2 CH 3 | 32 | 40 | 0,4 |
| CH 3 COCH 2 CH 2 CH 3 | 18 | 55 | 0,15 |
| CH3COCH ( CH3 ) CH2 _ | - | - | 0,095 |
| CH 3 CO(CH 2 ) 8 CH 3 | 0 | 100 | - |
Den observerade minskningen i hastighet och ökning av epoxidutbyte när storleken på alkylgruppen blir större indikerar en sterisk effekt.
Elektroniska effekter
Ketoner och aldehyder med elektronbortdragande substituenter reagerar lättare med diazoalkaner än de som bär elektrondonerande substituenter ( tabell 2). Förutom att accelerera reaktionen ökar elektronbortdragande substituenter typiskt mängden producerad epoxid (tabell 2).
| Startförening | Karbonyl % | Epoxid % | Referens |
|---|---|---|---|
| Bensaldehyd | 97 | - | |
| o- Nitrobensaldehyd | 16.5 | 65 | |
| p- Nitrobensaldehyd | 29 | 46 | |
| Piperonal | 31-46 | 18 | |
| Aceton | 20-38 | 33-40 | |
| Kloroaceton | Några | 65 | |
| 1,1,1-Trikloraceton | Spår | 90 | |
| Metoxiaceton | - | 39 | |
| Cyklohexanon | 65 | 15 | |
| 2-klorcyklohexanon | 11 | 50 | |
| 2-hydroxicyklohexanon | - | 90 |
Effekterna av substituenter på diazoalkanerna är omvända i förhållande till karbonylreaktanterna: elektronbortdragande substituenter minskar reaktionshastigheten medan elektrondonerande substituenter accelererar den. Till exempel är diazometan betydligt mer reaktivt än etyldiazoacetat , men mindre reaktivt än dess högre alkylhomologer (t.ex. diazoetan). Reaktionsbetingelser kan också påverka utbytena av karbonylprodukt och epoxidprodukt. I reaktionerna mellan o -nitrobensaldehyd , p -nitrobensaldehyd och fenylacetaldehyd med diazometan ökas förhållandet mellan epoxid och karbonyl genom inkludering av metanol i reaktionsblandningen. Den motsatta inverkan har också observerats i reaktionen mellan piperonal och diazometan, som uppvisar ökat karbonylutbyte i närvaro av metanol.
Migrationsinställningar
Förhållandet mellan de två möjliga karbonylprodukterna (I och II) som erhålls bestäms av karbonylsubstituenternas (R1 och R2 ) relativa migreringsförmåga . I allmänhet migrerar den R-grupp som är mest kapabel att stabilisera den partiella positiva laddningen som bildas under omarrangemanget företrädesvis. Ett framträdande undantag från denna allmänna regel är hydridskiftning . Karbonyl R-gruppernas migrationspreferenser kan starkt påverkas av val av lösningsmedel och diazoalkan. Till exempel har metanol visat sig främja arylmigrering. Såsom visas nedan, om reaktionen av piperanol (IV) med diazometan utförs i frånvaro av metanol, är den keton som erhålls genom ett hydridskifte huvudprodukten (V). Om metanol är lösningsmedlet sker ett arylskifte för att bilda aldehyden (VI), som inte kan isoleras eftersom den fortsätter att reagera för att bilda keton- (VII) och epoxid- (VIII)-produkterna.
Den använda diazoalkanen kan också bestämma relativa utbyten av produkter genom att påverka migrationspreferenser, som förmedlas av reaktionerna av o -nitropiperonal med diazometan och diazoetan. I reaktionen mellan o -nitropiperonal (IX) och diazometan leder ett arylskifte till produktion av epoxiden (X) i 9 till 1 överskott av ketonprodukten (XI). När diazoetan ersätts med diazometan, producerar ett hydridskifte ketonen (XII), den enda isolerbara produkten.
Exempel i litteraturen
Büchner-Curtius-Schlotterbeck-reaktionen kan användas för att underlätta expansion av en kolring när substratketonen är cyklisk . Till exempel bildar reaktionen av cyklopentanon med diazometan cyklohexanon (visas nedan) . Büchner-ringexpansionsreaktionerna som använder diazoalkaner har visat sig vara syntetiskt användbara eftersom de inte bara kan användas för att bilda 5- och 6-ledade ringar, utan också mer instabila 7- och 8-ledade ringar.
En acyldiazometan kan reagera med en aldehyd för att bilda en β- diketon i närvaro av en övergångsmetallkatalysator ( SnCl 2 i exemplet nedan) . β-diketoner är vanliga biologiska produkter, och som sådan är deras syntes relevant för biokemisk forskning. Dessutom är de sura β-väteämnena i β-diketoner användbara för bredare syntetiska ändamål, eftersom de kan avlägsnas med vanliga baser.
Acyldiazometan kan också läggas till estrar för att bilda β-ketoestrar, som är viktiga för fettsyrasyntesen . Som nämnts ovan har de sura β-väten också produktiv funktionalitet .
Büchner–Curtius–Schlotterbeck-reaktionen kan också användas för att infoga en metylenbrygga mellan ett karbonylkol och en halogen av en acylhalogenid . Denna reaktion möjliggör bevarande av karbonyl- och halogenidfunktionaliteterna.
Det är möjligt att isolera kvävehaltiga föreningar med Büchner-Curtius-Schlotterbeck-reaktionen. Till exempel kan en acyl-diazometan reagera med en aldehyd i närvaro av en DBU-katalysator för att bilda isolerbara a-diazo-p-hydroxiestrar (visas nedan).
