Окисление Дакина - Dakin oxidation

Реакция Дакина
Названный в честьГенри Дрисдейл Дакин
Тип реакцииОрганическая окислительно-восстановительная реакция
Идентификаторы
Портал органической химиидакин-реакция
RSC ID онтологииRXNO: 0000169
Окисление Дакина

В Окисление Дакина (или же Реакция Дакина) является органический окислительно-восстановительная реакция в котором орто - или же параграф -гидроксилированный фенил альдегид (2-гидроксибензальдегид или же 4-гидроксибензальдегид ) или же кетон реагирует с пероксид водорода в основание сформировать бензендиол и карбоксилат. В целом карбонильная группа окисляется, а перекись водорода восстанавливается.

Окисление Дакина, которое тесно связано с Окисление Байера-Виллигера, не следует путать с Реакция Дакина – Веста, хотя оба названы в честь Генри Дрисдейл Дакин.

Механизм реакции

Окисление Дакина начинается с нуклеофильный добавление гидропероксида анион к карбонил углерод, образуя тетраэдрический промежуточный (2). Промежуточный элемент разрушается, вызывая [1,2] -арил миграция гидроксид устранение, и образование фенила сложный эфир (3). Затем фениловый эфир гидролизованный: нуклеофильное добавление гидроксида из раствора к карбонильному углероду сложного эфира образует второй тетраэдрический промежуточный продукт (4), которая схлопывается, устраняя феноксид и формирование карбоновая кислота (5). Наконец, феноксид извлекает кислый водород из карбоновой кислоты, давая собранные продукты (6).[1][2]

Катализируемый основанием механизм окисления Дакина

Факторы, влияющие на кинетику реакции

Окисление Дакина имеет два шаги, ограничивающие скорость: нуклеофильное присоединение гидропероксида к карбонильному углероду и миграция [1,2] -арила.[2] Следовательно, общая скорость окисления зависит от нуклеофильности гидропероксида, электрофильность карбонильного углерода и скорость миграции [1,2] -арила. В алкил заместители на карбонильном углероде, относительные положения гидроксильных и карбонильных групп в арильном кольце, присутствие других функциональных групп в кольце и реакционная смесь pH четыре фактора, которые влияют на эти шаги ограничения скорости.

Алкильные заместители

В общем, фенилальдегиды более реакционноспособны, чем фенилкетоны, потому что карбонильный углерод кетона менее электрофилен, чем карбонильный углерод альдегида.[1] Разницу можно уменьшить, увеличив температуру реакционной смеси.[3]

Относительное положение гидроксильных и карбонильных групп

Водородная связь в орто субстрат

О-гидроксифенилальдегиды и кетоны окисляются быстрее, чем п-гидроксифенилальдегиды и кетоны в слабоосновных условиях. В о-гидроксисоединения, когда гидроксильная группа протонированный, внутримолекулярный водородная связь может образовываться между гидроксильным водородом и карбонилом кислород, стабилизируя резонансная структура с положительным обвинять на карбонильном углероде, тем самым увеличивая электрофильность карбонильного углерода (7). Без этой стабилизации карбонильный углерод п-гидроксисоединения менее электрофильны. Следовательно, о-гидроксисоединения окисляются быстрее, чем п-гидроксисоединения, когда гидроксильная группа протонирована.[2]

Образование продукта карбоновой кислоты

M-гидроксисоединения не окисляются до м-бензолдиолы и карбоксилаты. Скорее они образуют фенилкарбоновые кислоты.[1][2] Это можно объяснить вариациями миграционных способностей арильных колец. Гидроксильные группы орто или же параграф в концентрат карбонильной группы электронная плотность на арильном углероде связанный к карбонильному углероду (10c, 11d). Фенильные группы обладают низкой способностью к миграции, но более высокая плотность электронов у мигрирующего углерода увеличивает способность к миграции, облегчая миграцию [1,2] -арила и позволяя реакции продолжаться. M-гидроксисоединения не концентрируют электронную плотность на мигрирующем углероде (12а, 12b, 12c, 12d); миграционная способность их арильных групп остается низкой. В бензиловый вместо этого мигрирует водород, который имеет наивысшую миграционную способность (8), образуя фенилкарбоновую кислоту (9).

Концентрация электронной плотности у мигрирующего углерода с параграф (вверху) и орто (внизу) гидроксильная группа
Отсутствие концентрации электронной плотности у мигрирующего углерода с мета гидроксильная группа

Другие функциональные группы на арильном кольце

Замена фенильных водородов с электронодонорные группы орто или же параграф к карбонильной группе увеличивает электронную плотность у мигрирующего углерода, способствует миграции [1,2] -арила и ускоряет окисление. Замена электронодонорными группами мета к карбонильной группе не изменяет электронную плотность у мигрирующего углерода; поскольку способность незамещенных фенильных групп к миграции низка, миграция водорода преобладает. Замена электроноакцепторными группами орто или же параграф к карбонилу снижает электронную плотность у мигрирующего углерода (13c), ингибирует миграцию [1,2] -арила и способствует миграции водорода.[1]

Концентрация положительного заряда в мигрирующем углероде с параграф нитрогруппа

pH

Анион гидропероксида является более реакционноспособным нуклеофилом, чем нейтральный пероксид водорода. Следовательно, окисление ускоряется по мере увеличения pH до pKа повышается концентрация перекиси водорода и гидроперекиси. Однако при pH выше 13,5 окисление не происходит, возможно, из-за депротонирование второго перекисного кислорода. Депротонирование второго пероксидного кислорода предотвратило бы миграцию [1,2] -арила, потому что одиночный окись анион слишком прост, чтобы его можно было удалить (2).[2]

Депротонирование гидроксильной группы увеличивает отдачу электронов от гидроксильного кислорода. Когда гидроксильная группа орто или же параграф Что касается карбонильной группы, депротонирование увеличивает электронную плотность на мигрирующем углероде, способствуя более быстрой миграции [1,2] -арила. Следовательно, миграции [1,2] -арила способствует диапазон pH, который способствует депротонированию над протонированной гидроксильной группой.[2]

Варианты

Кислотно-катализируемое окисление Дакина

Окисление Дакина также может происходить в умеренно кислых условиях с механизмом, аналогичным механизму, катализируемому основанием. В метанол, перекись водорода и каталитический серная кислота карбонильный кислород протонированный (14), после чего перекись водорода присоединяется в качестве нуклеофила к карбонильному углероду, образуя тетраэдрический промежуточный продукт (15). После внутримолекулярного переноса протона (16,17), тетраэдрический промежуточный продукт коллапсирует, происходит миграция [1,2] -арила и воды устраняется (18). Нуклеофильное присоединение метанола к карбонильному углероду дает еще одно тетраэдрическое промежуточное соединение (19). После второго внутримолекулярного переноса протона (20,21), тетраэдрический промежуточный продукт разрушается, удаляя фенол и образуя сложный эфир, протонированный у карбонильного кислорода (22). Наконец, депротонирование карбонильного кислорода дает собранные продукты и регенерирует кислотный катализатор (23).[4]

Кислотно-катализируемый механизм окисления Дакина

Окисление Дакина, катализируемое борной кислотой

Добавление борная кислота в реакционную смесь, катализируемую кислотой, увеличивает выход фенольного продукта по сравнению с продуктом фенилкарбоновой кислоты, даже при использовании фенилальдегидных или кетоновых реагентов с электронодонорными группами мета к карбонильной группе или электроноакцепторным группам орто или же параграф к карбонильной группе. Борная кислота и пероксид водорода образуют комплекс в растворе, который после добавления к карбонильному углероду способствует миграции арила по сравнению с миграцией водорода, максимизируя выход фенола и снижая выход фенилкарбоновой кислоты.[5]

Катализируемое метилтриоксорением окисление Дакина

Используя ионная жидкость растворитель с каталитическим метилтриоксорений (МТО) резко ускоряет окисление Дакина. МТО образует комплекс с пероксидом водорода, который увеличивает скорость добавления пероксида водорода к карбонильному углероду. Однако МТО не изменяет относительные выходы продуктов фенола и фенилкарбоновой кислоты.[6]

Катализируемое мочевиной окисление Дакина

Смешивание мочевина и перекись водорода дает комплекс мочевина-перекись водорода (UHC). Добавление сухой UHC до фенилальдегида или кетона без растворителя также ускоряет окисление Дакина. Подобно MTO, UHP увеличивает скорость нуклеофильного добавления перекиси водорода. Но в отличие от варианта, катализируемого МТО, вариант, катализируемый мочевиной, не производит потенциально токсичных тяжелый металл напрасно тратить; он также был применен к синтезу оксиды аминов Такие как пиридинN-окись.[3]

Синтетические приложения

Окисление Дакина чаще всего используется для синтеза бензолдиолов.[7] и алкоксифенолы.[1][8] Катехол, например, синтезируется из о-гидрокси и о-алкоксифенилальдегиды и кетоны,[7] и используется в качестве исходного материала для синтеза ряда соединений, в том числе катехоламины,[9] производные катехоламинов и 4-терт-бутилкатехол, распространенный антиоксидант и ингибитор полимеризации. Другие синтетически полезные продукты окисления Дакина включают: гваякол, предшественник нескольких ароматизаторов; гидрохинон, обычный агент для проявки фотографий; и 2-терт-бутил-4-гидроксианизол и 3-терт-бутил-4-гидроксианизол, два антиоксиданта, обычно используемые для консервирования упакованных пищевых продуктов.[6] Кроме того, окисление Дакина полезно в синтезе индолехиноны, встречающиеся в природе соединения, которые проявляют высокую антибиотическую, противогрибковую и противоопухолевую активность.[10]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б c d е Дакин, Х. (1909). «Окисление гидроксипроизводных бензальдегида, ацетофенона и родственных веществ». Американский химический журнал. 42 (6): 477–498.
  2. ^ а б c d е ж Hocking, M. B .; Bhandari, K .; Shell, B .; Смит, Т. А. (1982). «Стерические и pH эффекты на скорость окисления Дакина ацилфенолов». Журнал органической химии. 47 (22): 4208. Дои:10.1021 / jo00143a007.
  3. ^ а б Varma, R. S .; Найкер, К. П. (1999). «Комплекс мочевины-перекиси водорода: протоколы твердого окисления для гидроксилированных альдегидов и кетонов (реакция Дакина), нитрилов, сульфидов и азотных гетероциклов». Органические буквы. 1 (2): 189. Дои:10.1021 / ol990522n.
  4. ^ Matsumoto, M .; Кобаяши, К .; Хотта, Ю. (1984). «Кислотно-катализируемое окисление бензальдегидов до фенолов перекисью водорода». Журнал органической химии. 49 (24): 4740. Дои:10.1021 / jo00198a037.
  5. ^ Рой, А .; Редди, К. Р .; Mohanta, P.K .; Ila, H .; Джунджаппат, Х. (1999). «Перекись водорода / борная кислота: эффективная система окисления ароматических альдегидов и кетонов до фенолов». Синтетические коммуникации. 29 (21): 3781. Дои:10.1080/00397919908086017.
  6. ^ а б Bernini, R .; Coratti, A .; Provenzano, G .; Фибрици, Г. и Тофани, Д. (2005). «Окисление ароматических альдегидов и кетонов H2О2/ CH3ReO3 в ионных жидкостях: эффективная каталитическая реакция для получения двухатомных фенолов ». Тетраэдр. 61 (7): 1821–1825. Дои:10.1016 / j.tet.2004.12.025.
  7. ^ а б Дакин, Х. (1923). «Катехол». Органический синтез. 3: 28. Дои:10.15227 / orgsyn.003.0028.
  8. ^ Суррей, Александр Р. (1946). «Пирогаллол-1-монометиловый эфир». Органический синтез. 26: 90–2. Дои:10.15227 / orgsyn.026.0090. PMID  20280766.
  9. ^ Jung, M.E .; Лазарова Т. И. (1997). «Эффективный синтез селективно защищенных производных l-Dopa из l-тирозина посредством реакций Реймера-Тимана и Дакина». Журнал органической химии. 62 (5): 1553. Дои:10.1021 / jo962099r.
  10. ^ Аламгир, М .; Mitchell, P.S.R .; Bowyer, P.K .; Кумар, Н. и Блэк, Д.С. (2008). «Синтез 4,7-индолохинонов из индол-7-карбальдегидов окислением Дакина». Тетраэдр. 64 (30–31): 7136–7142. Дои:10.1016 / j.tet.2008.05.107.