Реакция Бартона - Barton reaction

В Реакция Бартона, также известный как Реакция сложного эфира нитрита Бартона, представляет собой фотохимическую реакцию, в которой участвует фотолиз алкила нитрит сформировать δ-нитрозо алкоголь.

Обнаруженная в 1960 году реакция названа в честь ее первооткрывателя, лауреата Нобелевской премии сэра Дерек Бартон.[1] Бартона Нобелевская премия по химии в 1969 г. был награжден за свою работу по пониманию конформаций органических молекул, работу, которая сыграла ключевую роль в понимании полезности реакции Бартона.[2]

Реакция Бартона включает в себя гомолитический RO – NO-расщепление с последующим δ-отбор водорода, свободный радикал рекомбинации и таутомеризации с образованием оксим.[3] Селективность по δ-водороду является результатом конформации 6-членного промежуточного радикала. Часто место отрыва атома водорода можно легко предсказать. Это позволяет регио- и стереоселективно вводить функциональность в сложные молекулы с высоким выходом. Из-за своего уникального свойства в то время изменять инертные субстраты, Бартон широко использовал эту реакцию в 1960-х годах для создания ряда неестественных аналогов стероидов.[4]

Хотя реакция Бартона не пользовалась популярностью и не получила широкого распространения среди многих других органических реакций, вместе с механически аналогичными Реакция Гофмана – Лёффлера он представляет собой один из первых примеров C-H активация химия, область, которая в настоящее время является темой многих передовых исследований в промышленных и академических химических кругах.[5]

Получение алкилнитритов

Необычный алкилнитрит, исходный материал реакции Бартона, получают путем воздействия спирта на катион нитрозилия, образующийся in situ в результате дегидратации дважды протонированной азотистой кислоты.[6] Эта серия стадий механически идентична первой половине механизма образования более известных арила и алкила. соли диазония.

При синтезе алкилнитритов из нитрозилхлорид известен и часто используется в контексте синтеза сложных молекул, реакция обратима, и продукты находятся в термодинамическом равновесии с исходным материалом. Кроме того, нитрозилхлорид является мощным окислителем, и наблюдается окисление спиртов с сопутствующим хлорированием.[7] Реакция нитрозилхлорида с ароматическими спиртами обычно дает нитрозосоединения и другие продукты избыточного окисления.

Механизм реакции и региоселективность

Реакция Бартона начинается с фотохимически индуцированного разрыва нитритной связи O-N, обычно с использованием ртутной лампы высокого давления.[8] Это дает алкиоксильный радикал, который немедленно отрывает атом водорода от δ-углерода. В отсутствие других источников радикалов или других проксимальных реактивных групп алкильный радикал рекомбинирует с нитрозильным радикалом. Образующиеся нитрозосоединения подвергаются таутомеризация к выделенному оксимному продукту.

Углерод-центрированный радикал может быть перехвачен другими источниками радикалов, такими как йод или акрилонитрил. В первом случае δ-водород заменяется йодом, затем последующие циклизация к тетрагидрофуран по SN2 реакция.[9] Второй пример приводит к продукту удлинения цепи с оксимом, образованным на 2 углеродных единицы дальше от кислорода, чем обычно.[10]

Эта механистическая гипотеза подтверждается кинетический изотопный эффект эксперименты.[11] Изотопное мечение нитрита с помощью 15N показало, что механизм «не связан» и что нитрозильный радикал, образованный из данного нитрита, случайным образом рекомбинирует с другими алкильными радикалами. Однако было показано, что рекомбинация нитрозильного радикала с алкоксильным радикалом (обращение гомолитического расщепления) протекает без скремблирования изотопных меток.[12] Это отсутствие прочных радикальных пар также подтверждается наблюдением, что алкильные радикалы, образованные в условиях Бартона, могут подвергаться радикальной циклизации, в то время как аналогичные промежуточные соединения, генерируемые тетраацетат свинца окисления нет.[13]

В редких случаях оказывается, что алкоксильный радикал может эпимеризоваться до отрыва атома водорода.[14]

Чаще всего, включая стероидные системы, атом водорода отделяется от метильной группы, которая находится в 1,3-диаксиальном соотношении с алкоксильным радикалом.[15] В отсутствие водорода на δ-углероде или когда конкретная конформация подложки ориентирует ε-углерод близко друг к другу, перенос 1,6-атома водорода является предпочтительным процессом. Однако эти реакции имеют тенденцию протекать на порядок медленнее, чем соответствующий перенос 1,5-атома водорода.

Вычислительные исследования показали, что это предпочтение переноса 1,5-атома водорода перед переносом 1,6-атома водорода, по-видимому, является энтропийным, а не результатом конкретного стабильного переходного состояния, подобного «стулу».[16] Фактически, было подсчитано, что перенос атома 1,6-водорода происходит через переход, который примерно на 0,8 ккал / моль ниже, чем у 1,5.

В ациклических системах по-прежнему наблюдается отвод δ-водорода, однако отвод альфа-водорода с образованием соответствующего кетона конкурирует.[17]

В некоторых случаях, особенно в нитритах, полученных из циклопентиловых спиртов, кислород-центрированный радикал предпочитает реагировать через разрыв связи C-C, а не за счет отрыва Н-атома.[9] Например, в условиях Бартона циклопентилнитрит образует моноксим глутаральдегида. Это также наблюдается в случаях, когда промежуточный радикал, образующийся в результате фрагментации, особенно стабилен, например, аллильный радикал, образованный фрагментацией нитрита изопулегола.[18]

Варианты

В жестких системах, таких как альдостерон, перенос 1,5-атома водорода происходит очень быстро с константой скорости порядка 10-7 с-1. Подобный межмолекулярный перенос H-атома может происходить до 100 раз медленнее.[19] Кроме того, перенос атома водорода выигрывает от образования более прочной связи O-H за счет более слабой связи C-H. Для образования первичного, второго или третичного алкильного радикала из алкоксильного радикала существует движущая сила 3 ​​ккал / моль, 5 ккал / моль и 9 ккал / моль соответственно.[15]

Алкильный радикал, образующийся после переноса атома водорода, подвержен стандартным радикальным реакциям, когда поглотители присутствуют в достаточном избытке, чтобы вытеснить нитрозильный радикал. Вскоре после их первоначального раскрытия Бартон и его коллеги сообщили о ловушке радикала с помощью I2 и CCl3Br (как источники радикалов йода и брома соответственно) с образованием δ-галогенспирта. Эти виды галогидрина могут быть циклизованы до соответствующих тетрагидропиран производные в основных условиях.[20]

Большой избыток активированных алкенов может быть использован для перехвата алкильного радикала, что приводит к образованию связи C-C из неактивированной связи C-H.[21]

В присутствии кислород, алкильный радикал захватывается и образует органический пероксирадикал. Этот промежуточный продукт захватывается нитрозильным радикалом, а затем изомеризуется с образованием δ-нитратного эфира, который, будучи устойчивым как к кислотам, так и к основанию, может быть восстановлен до соответствующего спирта в мягких условиях.[22]

Применение в синтезе сложных молекул

Альдостерона ацетат

В публикации, которая начинается сразу после первоначального раскрытия Бартоном методологии в Журнал Американского химического общества, синтез альдостерон ацетат демонстрируется.[23] Взаимодействие ацетата кортикостерона с нитрозилхлоридом в сухом пиридине дает нитрит. Затем облучение в инертной атмосфере с последующей обработкой водным раствором нитрита натрия выборочно дает желаемый оксим. Затем оксим ацетилируют и гидролизуют с получением натурального продукта. полуацеталь.

Пергидрогистрионикотоксин

После короткого синтеза для получения желаемой спиро- [5.4] системы Nobel Laureaute E.J. Кори и соавторы использовали реакцию Бартона для селективного введения оксима в 1,3-диаксиальном положении к сложному эфиру нитрита. Оксим превращается в лактам через Перестановка Бекмана а затем сводится к натуральному продукту.[24]

Реакция Бартона в синтезе пергидрогистрионикотоксина

Азадирадионе

Кори снова использовал реакцию Бартона в синтезе азадирадиона, члена семейства лимоноидов природных продуктов. В этом случае, нитрозилсерная кислота используется вместо нитрозилхлорида.[25]

Реакция Бартона в синтезе азадирадиона

Производные аллобетулина

В процессе получения ряда производных тритерпеноида аллобетулина Дехан с соавторами наблюдали замечательную трансформацию в результате двух последовательных переносов 1,5-атома водорода. В то время как продукт одного переноса 1,5-атома водорода также наблюдался, первое превращение представляет собой формальный перенос 1,7-атома водорода на огромное расстояние.[26]

Формальный 1,7-Бартон в синтезе производных аллобетуллина

Рекомендации

  1. ^ Barton, D.H.R .; Битон, Дж. М .; Геллер, Л. Э .; Печет, М. М. (1960). «Новая фотохимическая реакция». Журнал Американского химического общества. 82 (10): 2640–2641. Дои:10.1021 / ja01495a061.
  2. ^ Barton, D.H.R .; Битон, Дж. М .; Геллер, Л. Э .; Печет, М. М. (1961). «Новая фотохимическая реакция1». Журнал Американского химического общества. 83 (19): 4076–4083. Дои:10.1021 / ja01480a030.
  3. ^ ИЮПАК, Сборник химической терминологии, 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Исправленная онлайн-версия: (2006–) "Бартон реакция ". Дои:10.1351 / goldbook.B00599
  4. ^ Nussbaum, A. L .; Yuan, E.P .; Robinson, C.H .; Mitchell, A .; Oliveto, E.P .; Битон, Дж. М .; Бартон, Д. Х. Р. (1962). «Фотолиз органических нитритов. VII. Фрагментация стероидной боковой цепи». Журнал органической химии. 27: 20–23. Дои:10.1021 / jo01048a004.
  5. ^ Gutekunst, W. R .; Баран, П.С. (2011). «Логика функционализации C – H в полном синтезе». Обзоры химического общества. 40 (4): 1976–91. Дои:10.1039 / c0cs00182a. PMID  21298176.
  6. ^ «Н-бутилнитрит». Органический синтез. 16: 7. 1936. Дои:10.15227 / orgsyn.016.0007.
  7. ^ Бекхэм, Л. Дж .; Fessler, W.A .; Кисе, М.А. (1951). «Нитрозилхлорид». Химические обзоры. 48 (3): 319–396. Дои:10.1021 / cr60151a001. PMID  24541207.
  8. ^ Сугимото, А .; Фукуяма, Т .; Сумино, Ю. Takagi, M .; Рю, И. (2009). «Микропоточная фоторадикальная реакция с использованием компактного источника света: приложение к реакции Бартона, приводящей к ключевому промежуточному соединению для мирицериновой кислоты A». Тетраэдр. 65 (8): 1593–1598. Дои:10.1016 / j.tet.2008.12.063.
  9. ^ а б Ахтар, М .; Barton, D.H.R .; Саммес, П. Г. (1965). «Некоторые радикальные обменные реакции при фотолизе нитритного эфира1». Журнал Американского химического общества. 87 (20): 4601–4607. Дои:10.1021 / ja00948a036.
  10. ^ Петрович, Г .; Чекович, З. (1997). «Свободнорадикальное алкилирование удаленного неактивированного δ-атома углерода». Tetrahedron Lett. 38 (4): 627–630. Дои:10.1016 / с0040-4039 (96) 02357-х.
  11. ^ Barton, D.H.R .; Hesse, R. H .; Pechet, M. M .; Смит, Л. К. (1979). «Механизм бартонной реакции». Журнал химического общества, Perkin Transactions 1: 1159. Дои:10.1039 / P19790001159.
  12. ^ Ахтар, М .; Печет, М. М. (1964). «Механизм реакции Бартона». Журнал Американского химического общества. 86 (2): 265–268. Дои:10.1021 / ja01056a035.
  13. ^ Чекович, Ẑ .; Илиев, Д. (1988). «Внутримолекулярная циклизация алкенильных радикалов, образованных переносом 1,5-водорода на алкоксильные радикалы». Буквы Тетраэдра. 29 (12): 1441–1444. Дои:10.1016 / S0040-4039 (00) 80319-6.
  14. ^ Nickson, A .; Mahajan, J .; Макгуайр, Ф. (1961). «Связь - эпимеризация в фотолизе нитритного эфира». Журнал органической химии. 26 (9): 3617–3618. Дои:10.1021 / jo01067a671.
  15. ^ а б Чекович, Ž. (2003). «Реакции δ-углеродных радикалов, генерируемых переносом 1,5-водорода на алкоксильные радикалы». Тетраэдр. 59 (41): 8073–8090. Дои:10.1016 / S0040-4020 (03) 01202-X.
  16. ^ Дориго, А. Э .; McCarrick, M.A .; Loncharich, R.J .; Хоук, К. Н. (1990). «Переходные структуры для переноса атома водорода в кислород. Сравнение межмолекулярных и внутримолекулярных процессов, а также систем с открытой и закрытой оболочкой». Журнал Американского химического общества. 112 (21): 7508–7514. Дои:10.1021 / ja00177a009.
  17. ^ Ишмуратов, Г.Ю .; Харисов, Р. Ю.; Шаяхметова, А.К .; Боцман, Л. П .; Шитикова, О.В .; Толстиков, Г. А. (2005). «Озонолиз производных рицинолевой кислоты и превращения продуктов озонолиза в условиях реакции Бартона». Химия природных соединений. 41 (6): 643–649. Дои:10.1007 / s10600-006-0003-z. S2CID  43171151.
  18. ^ Bulliard, M .; Balme, G.V .; Гор, Дж. (1989). «Фрагментация изопулегола радикальным способом». Буквы Тетраэдра. 30 (17): 2213–2216. Дои:10.1016 / S0040-4039 (00) 99651-5.
  19. ^ Робертсон, Дж .; Pillai, J .; Лаш, Р. К. (2001). «Реакции радикальной транслокации в синтезе». Обзоры химического общества. 30 (2): 94–103. Дои:10.1039 / b000705f.
  20. ^ Ахтар, М .; Barton, D.H.R .; Саммес, П. Г. (1964). «Радикальный обмен при фотолизе нитритов». Журнал Американского химического общества. 86 (16): 3394–3395. Дои:10.1021 / ja01070a039.
  21. ^ Петрович, Г .; Чекович, Ž. (1999). «Алкилирование удаленных неактивированных δ-атомов углерода: добавление δ-углеродных радикалов, образованных переносом 1,5-водорода в промежуточных алкоксирадикалах, к активированным олефинам». Тетраэдр. 55 (5): 1377–1390. Дои:10.1016 / S0040-4020 (98) 01110-7.
  22. ^ Allen, J .; Кабан, Р. Б .; McGhie, J. F .; Бартон, Д. Х. Р. (1973). «Фотолиз нитритов в присутствии кислорода. Улучшенный синтез 32-кислородсодержащих ланостанов». Журнал химического общества, Perkin Transactions 1: 2402. Дои:10.1039 / P19730002402.
  23. ^ Barton, D.H.R .; Битон, Дж. М. (1960). «Синтез ацетата альдостерона». Журнал Американского химического общества. 82 (10): 2641. Дои:10.1021 / ja01495a062.
  24. ^ Кори, Э. Дж. (1975). «Простой тотальный синтез (+ -) - пергидрогистрионикотоксина». Журнал Американского химического общества. 97 (2): 430–431. Дои:10.1021 / ja00835a039. PMID  1169269.
  25. ^ Кори, Э. Дж .; Hahl, R. W. (1989). «Синтез лимоноида, азадирадиона». Буквы Тетраэдра. 30 (23): 3023–3026. Дои:10.1016 / S0040-4039 (00) 99392-4.
  26. ^ Dehaen, W .; Машенцева, А. А .; Сейтембетов, Т. С. (2011). «Аллобетулин и его производные: синтез и биологическая активность». Молекулы. 16 (12): 2443–2466. Дои:10.3390 / молекулы16032443. ЧВК  6259842. PMID  21403601.
  • Ласло Курти, Барбара Чако: Стратегические применения названных реакций в органическом синтезе; Elsevier Academic Press, Берлингтон-Сан-Диего-Лондон 2005, 1. издание; ISBN  0-12-369483-3.