Нитрил анион - Nitrile anion

Нитрильные анионы находятся нитрилы без протона в положении α к нитрильной группе. Они претерпевают реакции нуклеофильного присоединения и замещения с различными электрофилы.[1]

Хотя нитрильные анионы функционально похожи на енолирует дополнительная кратная связь в нитрильных анионах обеспечивает им уникальную кетен -подобная геометрия. Дополнительно депротонирован циангидрины могут действовать как замаскированные ацильные анионы, давая продукты, недоступные с помощью одних енолятов. Механизмы присоединения и замещения нитрила хорошо изучены; однако обычно требуются строго основные условия, ограничивающие синтетическую применимость реакции.

Механизм и стереохимия

Образование нитрильных анионов

Нитрил-анионы чаще всего образуются под действием соответствующего основания. Однако pKаs нитрилов охватывают широкий диапазон - не менее 20 pKа единицы. Таким образом, правильный выбор основы обычно зависит от основания. Ацетонитрилы, содержащие дополнительную стабилизирующую электроноакцепторную группу (такую ​​как ароматическое кольцо), обычно можно депротонировать с использованием гидроксидных или алкоксидных оснований. С другой стороны, нестабилизированные нитрилы обычно требуют оснований амидов щелочных металлов (таких как NaNH2 ) или алкилы металлов (такие как бутиллитий ) для эффективного депротонирования. В последнем случае происходит конкурентное присоединение алкильной группы к нитрилу.

NitrileGen.png

ИК-спектроскопия исследования показали существование по крайней мере двух таутомерных форм нитрил-аниона (см. выше).

Полианионы нитрилов также могут быть образованы путем множественного депротонирования, и эти частицы производят полиалкилированные продукты в присутствии алкилэлектрофилов.[2]

Альтернативные методы получения нитрильных анионов включают сопряженное добавление к α, β-ненасыщенным нитрилам,[3] снижение,[4] и трансметаллирование.[5]

Реакции нитриланионов

Механизмы реакций с участием нитрил-анионов зависят, прежде всего, от природы электрофил участвует. Простое алкилирование происходит SN2 смещение[6] и подчиняются обычным стереоэлектронным требованиям процесса. Фазовый катализ был использован при алкилировании арилацетонитрилов.[7][8] Анионы нитрила также могут участвовать в Майкл добавки -типа к активированным двойным связям и реакциям винилирования с ограниченным числом поляризованных, беспрепятственных производных ацетилена.[9]

NitrilePTC.png

Арилирование нитрильных анионов также возможно и может происходить по разным механизмам в зависимости от субстратов и условий реакции. Арилгалогениды, в которых отсутствуют электроноакцепторные группы, реагируют по механизму присоединения-отщепления с участием бензин промежуточные звенья. Арилфосфаты и аммоний реагируют через SRN1 путь, который включает образование анион-радикала арила, фрагментацию и образование связи с нуклеофилом. Перенос электрона на вторую молекулу арена осуществляется по радикальной цепи.

НитрилSRN1.png

Бедные электронами ароматические соединения подвергаются нуклеофильное ароматическое замещение в присутствии нитрильных анионов.

Объем и ограничения

Основная трудность реакций алкилирования с использованием нитрильных анионов - это чрезмерное алкилирование. Например, при алкилировании ацетонитрила выход моноалкилированного продукта в большинстве случаев низок. Двумя исключениями являются алкилирование эпоксиды (ближайший отрицательный заряд открытого эпоксида препятствует дальнейшему алкилированию) и алкилированию частицами цианометилмеди (I). Побочные реакции также могут представлять проблему; концентрации аниона нитрила должны быть высокими, чтобы смягчить процессы, включающие самоконденсацию, такие как Реакция Торпа-Циглера. Другие важные побочные реакции включают удаление алкилцианидного продукта или исходного алкилгалогенида и амидин формирование.

Циклизация ω-эпокси-1-нитрилов представляет собой интересный пример того, как стереоэлектронные факторы могут преобладать над стерическими факторами в реакциях внутримолекулярного замещения. В циклизации 1, например, только изомер циклопропана 2 наблюдается. Это объясняется лучшим перекрытием орбит в SN2 переходное состояние для циклизации. 1,1-дизамещенные и тетразамещенные эпоксиды также следуют этому принципу.

NitrileCollin.png

Конъюгированные нитрилы, содержащие γ-атомы водорода, могут быть депротонированы в γ-положении с образованием резонансно-стабилизированных анионов. Эти промежуточные продукты почти всегда реагируют с α-селективностью в реакциях алкилирования, за исключением анионов орто-толилнитрилы.

Толунитрил.png

Образование циангидринов из карбонильных соединений делает первый карбонильный углерод кислым. После защиты гидроксильной группы ацильной или силильной группой циангидрины могут действовать по существу как замаскированные ацильные анионы. Поскольку сложноэфирные защитные группы неустойчивы к основаниям, с циангидринами, защищенными сложным эфиром, должны использоваться мягкие основания. В этом контексте также можно использовать α- (диалкиламино) нитрилы.[10]

Примеры реакций арилирования и ацилирования показаны ниже. Хотя межмолекулярное арилирование с использованием нитрильных анионов приводит к умеренным выходам, внутримолекулярный Методика эффективно дает четырех-, пяти- и шестичленные бензоконденсированные кольца. Ацилирование может быть выполнено с использованием широкого спектра ацил-электрофилов, включая карбонаты, хлорформиаты, сложные эфиры, Anyhdrides, и хлорангидриды.[11] В этих реакциях используются два эквивалента основания, чтобы привести реакцию к ацилированному продукту - ацилированный продукт более кислый, чем исходный материал.

NitrileScope.png

Синтетические приложения

Алкилирование нитрильного аниона с последующим восстановительным децианированием было использовано в новом синтезе (2) -9-дотлецен-1-илацетата, полового феромона Paralobesia viteana.[12]

NitrileSynth.png

Условия и порядок экспериментов

Типичные условия

Наиболее распространенными основаниями, используемыми для депротонирования нитрилов, являются амиды щелочных металлов, замещенные амиды и гидриды. Эти реагенты требуют инертных безводных условий и осторожного обращения. Полиалкилирование является серьезной проблемой для первичных или вторичных нитрилов; однако существует ряд решений этой проблемы. Алкилирование цианоацетатов с последующим декарбоксилированием дает одно решение.[13] Ацилирование первичных или вторичных нитрилов обеспечивает удобный доступ к исходным материалам для этой последовательности. Дистилляция и хроматография применимы только для разделения моно- и диалкилированного материала, когда разница в молекулярной массе между ними велика.

Ацилирование намного проще, поскольку полученные α-цианокарбонильные соединения намного более кислые (и менее нуклеофильные), чем соответствующие исходные вещества. Моноацилированные продукты можно легко получить.

Пример процедуры[14]

К суспензии 24,4 г (1,017 моль) гидрид натрия в 200 мл безводного толуол добавляли смесь 122 г (1,043 моль) фенилацетонитрила и 150 г (1,095 моль) изобутилбромида. Смесь нагревали до 65 ° C, при этой температуре начиналась реакция. Нагревательный кожух снимали, и колбу охлаждали, чтобы не допустить слишком интенсивной реакции в течение начального 0,5-часового периода реакции. Реакционную смесь кипятили с обратным холодильником в течение дополнительных 5 часов и оставляли на ночь. Этиловый спирт (40 мл) осторожно по каплям добавляли с последующим добавлением по каплям 200 мл воды. Органический слой отделяли, а водный слой экстрагировали бензол. Объединенные органические слои последовательно промывали разбавленной кислотой, водой, карбонат натрия раствор и вода. После фильтрации через слой сульфат натрия, бензол упаривали и продукт фракционная перегонка с получением 115 г (66%) 2-фенил-4-метилвалеронитрила, бп 130–134 ° C (10 мм) [лит. (540) бп 136–138 ° C (15 мм)].

NitrileEx.png

Рекомендации

  1. ^ Арсениядис, С .; Kyler, K. S .; Ватт, Д. С. (1984). «Реакции присоединения и замещения нитрил-стабилизированных карбанионов». Орг. Реагировать. 31: 1–71. Дои:10.1002 / 0471264180.or031.01. ISBN  0471264180.
  2. ^ Marr, G .; Ронейн, Дж. (1973). «Металлоорганические производные. V. Литирование ферроценилметилцианида». J. Organomet. Chem. 47: 417. Дои:10.1016 / S0022-328X (00) 81753-2.
  3. ^ Barrett, G.C .; Граттан, Т. Дж. (1979). "Органический электросинтез амбидентной реакционной способности замещения цианоалканов: электрохимически направленное αC-алкилирование бром-алканами". Tetrahedron Lett. 1979 (43): 4237. Дои:10.1016 / S0040-4039 (01) 86554-0.
  4. ^ Saegusa, T .; Ito, Y .; Kinoshita, H .; Томита, С. (1970). «Синтетические реакции комплексными катализаторами. XVI. Димеризация акрилонитрила и акрилата с помощью комплекса металл-изоцианид». Бык. Chem. Soc. JPN. 43 (3): 877. Дои:10.1246 / bcsj.43.877.
  5. ^ Перейре, М .; Odic, Y. (1969). "Алкилирование и органические функции для интермедиаторов органических композитов". Tetrahedron Lett. 1969 (2): 505. Дои:10.1016 / S0022-328X (00) 82070-7.
  6. ^ Коуп, A. C .; Holmes, H.L .; Хаус, Х. О. (1957). «Алкилирование сложных эфиров и нитрилов». Орг. Реагировать. 9: 107. Дои:10.1002 / 0471264180.or009.04. ISBN  0471264180.
  7. ^ Solaro, R .; D'Antone, S .; Кьеллини, Э. (1980). «Гетерогенное этилирование фенилацетонитрила». J. Org. Chem. 45 (21): 4179. Дои:10.1021 / jo01309a023.
  8. ^ Макоша, М .; Йончик, А. (1976). «Фазовое алкилирование нитрилов: 2-фенилбутиронитрил». Органический синтез. 55: 91. Дои:10.15227 / orgsyn.055.0091.
  9. ^ Макоша, М. (1966). «Реакции органических анионов. XII. Винилирование производных фенилацетонитрила». Tetrahedron Lett. 1966 (45): 5489. Дои:10.1016 / S0040-4039 (00) 70128-6.
  10. ^ Аист, Г .; Озорио, А. А .; Леонг, А. Ю. У. (1978). "N,N-диэтиламиноацетонитрил: обычно полезный латентный ацилкарбанион ». Tetrahedron Lett. 1978 (52): 5175. Дои:10.1016 / S0040-4039 (01) 85842-1.
  11. ^ Смит, П. А. С .; Breen, G. J. W .; Hajek, M. K .; Аванг, Д. В. К. (1970). «Выделение первичных продуктов разложения азидов. II. Азидопиразолы». J. Org. Chem. 35 (7): 2215. Дои:10.1021 / jo00832a024.
  12. ^ Савойя, Д .; Тальявини, Э .; Тромбини, К .; Умани-Рончи, А. (1980). «Калий на оксиде алюминия как реагент для восстановительной децианирования алкилнитрилов». J. Org. Chem. 45 (16): 3227. Дои:10.1021 / jo01304a016.
  13. ^ Kaiser, E.M .; Хаузер, К. Р. (1966). «Косвенные методы получения чистых моноалкилфенилацетонитрилов». J. Org. Chem. 31 (11): 3873. Дои:10.1021 / jo01349a525.
  14. ^ Goerner, G.L .; Muller, H.L .; Корбин, Дж. Л. (1959). «Примечания. Избранные фенил-2-метилгексаны». J. Org. Chem. 24 (10): 1561. Дои:10.1021 / jo01092a044.