Алкилирующие агенты

Алкилированием называется процесс введения алкильной группы (радикала) в молекулу вместо атома водорода: алкилир.агент R-H 6 R-R' Для наиболее легкого замещения водорода на алкильную группу необходимо, чтобы водород в молекуле обладал достаточной подвижностью.

Следовательно, алкилированию подвергаются кислоты Бренстеда: C-H, N-H, O-H, S-H кислоты.

Наиболее часто в качестве алкилирующих соединений применяют вещества, содержащие полярную связь R-X, например, алифатические галогенпроизводные, алкилсульфаты и др. сложные эфиры, диазосоединения. В этом реферате рассматриваются вопросы алкилирования различных веществ с помощью диазосоединений, а также свойства, синтез диазосоединений и некоторые способы алкилирования ими.

Первое алифатическое диазосоединение впервые получил Курциус действием HNO 2 на эфиры a -аминокислот.

Некоторые реакции этих веществ оказались сходными с реакциями ароматических диазосоединений, поэтому они были названы эфирами диазокарбоновых кислот. Позже, в 1894 г.

Пейхманом были получены простейшие алифатические диазосоединения - диазометан и др., притом довольно сложными путями. В настоящее время алифатические диазосоединения и особенно диазометан получили широкое распространение в качестве реагента в лабораторной практике.

Строение алифатических диазосоединений.

Курциус предложил алифатическим диазосоединениям строение с трехчленным циклом, а Анджели и Тиле - линейную структуру: N R-C R-CH=N N R-СH=N=N N I II III - 2 - На основании данных электронографического метода было установлено, что молекулы алифатических диазосоединений имеют линейное строение.

Вначале такой результат был несколько неожиданным, т.к. предполагалось, что диазосоединения соответствуют структурам II или III, а они имеют сильные частичные заряды на атомах C и N, вследствие чего они должны иметь значительный дипольный момент.

Однако оказалось, что диазометан, например, имеет дипольный момент, равный всего 1.4 7 10 -18 . На основании теории резонанса в настоящее время можно утверждать, что молекула диазометана представляет собой среднее между структурами II и III, т.е. R-CH-N=N Длина связи С-N в молекуле диазометана составляет 0.134 нм, а длина связи N-N 0.113 нм, что ближе к длине тройной, чем двойной связи, т.е. длина связи C-N несколько меньше, чем N-N вследствие наличия незначительного смещения электронной плотности в молекуле диазометана.

Частота валентного колебания n N-N лежит в области 2000-2200 см -1 . Стабильность диазосоединений очень сильно зависит от того, находятся ли группировки с кратными связями при углеродном атоме около диазогруппы (эффект сопряжения). Этим фактом можно объяснить большую стабильность диазокетонов, эфиров диазокарбоновых кислот по сравнению с диазоалканами.

Диазоалканы и диазометан. К алифатическим диазосоединениям относятся вещества следующего строения: R' R' R' C-N = N 56 C=N=N 56 C-N=N R R R ( где R и R' = H, Alk ). Алифатические соединения стабилизируются в форме имида.

Диазометан CH 2 N 2 - простейшее диазосоединение алифатического ряда. Он может образовываться действием щелочи и гидразина на хлороформ: - 3 - CHCl 3 + H 2 N-NH 2 + 3KOH 6 CH 2 N 2 + 3KCl + 3H 2 O. Удобнее получать диазометан действием щелочи на нитрозометилуретан, нитрозометилмочевину и др. нитрозометиламиды (см.

Получение диазоалканов). Диазометан представляет собой весьма токсичный газ желтого цвета, который при температуре около 0 о С переходит в жидкость.

Диазометан при нагревании чрезвычайно сильно взрывает.

Диазометан наиболее часто применяется как алкилирующий агент (метилирующий) и применяется в виде свежеприготовленного эфирного раствора, обращение с которым удобно и безопасно.

Высшие диазоалканы - жидкие или твердые окрашенные в цвет от желтого до красного вещества.

Весьма токсичны, при нагревании взрываются. Более устойчивы, чем высшие диазоалканы.

Получение диазоалканов.

Получают диазоалканы следующими методами: а) щелочная обработка ацил-, карбамоилили тозил-N-нитрозаминов, а также N-тозилгидразонов, например: KOH Ar-CH=NNSO 2 HC 6 H 4 CH 3 6 Ar-CHN 2 . б) окислением гидразонов: Hg 2+ (C 6 H 5 ) 2 C=NNH 2 6 (C 6 H 5 ) 2 CN 2 . в) обработкой оксимов хлорамином или О-сульфонилгидроксиламином (HO 3 SONH 2 ): ClNH 2 RCOCH=NOH 6 RCOCHN 2 . г) действием азотистой кислоты на a -аминоэфиры: HNO 2 H 2 NCH 2 COOR 6 N 2 CHCOOR - 4 - Диазоалканы нельзя получать диазотированием первичных аминов, поскольку в молекулах последних нет активированного a -водородного атома, так что образовавшийся алкилдиазониевый ион быстрее распадается с выделением азота, чем депротонируется до диазоалкана.

Поэтому для получения таких диазосоединений приходится прибегать к обходному пути: нитрозируют ацилированный первичный алифатический амин и ацилнитрозоалкиламин подвергают щелочному распаду: O CH 2 -R' +2OH - O R-C-N 6 R-C + - O-N=N-CH 2 -R' N=O -H 2 O O { } R-CH 2 -N=N-O - 6 R-CH-N = N 56 R-CH=N=N = R-CH N N -OH - [ ] Образующийся промежуточно диазотат распадается до диазоалкана. Из множества нитрозамидов для получения диазоалканов особенно удобными оказались нитрозоалкилмочевины, нитрозоалкилуретаны и нитрозоалкилтолуолсульфамиды. По способу, приведенному выше, можно получать с удовлетворительными выходами только низшие диазоалканы, т.к. с увеличением длины цепи выходы сильно падают. С хорошим выходом высшие диазоалканы могут быть получены пиролизом в вакууме литиевых солей тозилгидразонов[1]. Методика синтеза диазометана из нитрозометилмочевины. В колбу Эрленмейера помещают 35 мл. холодного 40% раствора KOH и 100 мл. эфира. Затем, постоянно встряхивая колбу, небольшими порциями прибавляют 0.1 моль нитрозометилмочевины.

Температура при этом не должна превышать 5 о С. Через 10 мин. после внесения последней порции сливают эфирный раствор диазометана и сушат 3 ч. над небольшим количеством твердого KOH. Определение содержания диазометана. а) Гравиметрическое.

Прибавляют избыток n-бромбензойной кислоты.

Избыток кислоты удаляют промыванием карбонатом натрия.

Сложный эфир взвешивают. б) Титриметрическое[2]. К аликвотной части раствора диазометана прибавляют 0.2 н. эфирный раствор бензойной кислоты.

Неизрас- - 5 - ходованную кислоту оттитровывают 0.1 н. NaOH. Получение диазометана из нитрозометилтолуолсульфамида - де Боер Т., Бэкер Х. В сб.: Синтезы органических препаратов. Сб. 8. Пер с англ. - М.: ИЛ, 1958. с. 7. Этиловый эфир диазоуксусной кислоты, диазокетоны.

Этиловый эфир диазоуксусной кислоты CHN 2 -COOC 2 H 5 получается действием HNO 2 на этиловый эфир аминоуксусной кислоты: C 2 H 5 -OOC-CH 2 -NH 2 + HNO 2 6 C 2 H 5 OOC-CHN 2 + 2H 2 O. Этиловый эфир диазоуксусной кислоты - желтая вязкая жидкость с неприятным удушливым запахом, Т пл. -22 о С, Т кип. 140-141 о d 4 20 1.0921, n D 20 1.4616, растворим в этаноле, эфире, бензоле, трудно в воде. Он является токсичным веществом. При неосторожном нагревании разлагается со взрывом, особенно при наличии примесей.

Тщательно промытый диазоуксусный эфир может быть перегнан в небольших количествах даже при атмосферном давлении.

Диазокетоны образуются при реакции ангидридов или галогенангидридов карбоновых кислот с диазометаном: R-COCl + CH 2 N 2 6 R-CO-CHN 2 . Диазокетоны в щелочном растворе легко переходят в карбоновые кислоты с удлинением углеродной цепи на 1 атом (перегруппировка Курциуса). Если реакция проводится не в щелочной среде (в присутствии триэтиламина), то отщепляющиеся HCl или карбоновая кислота реагируют еще с одним молем диазосоединения, образуя метилхлорид или метиловый эфир. a -Диазокетоны являются ценными промежуточными продуктами. Их можно восстановить до метилкетонов или до a -аминокетонов.

Реакция их с галогеноводородом приводит к образованию a -галогенкетонов. Также диазокетоны в присутствии воды, спирта или аммиака может быть переведен в соотв. карбоновую кислоту, эфир или амид. И наконец, диазокетоны могут быть применены для алкилирования различных - 6 - соединений аналогично диазоалканам.

Реакции алифатических диазосоединений с протонными кислотами.

Диазосоединения обладают нуклеофильными свойствами.

Углеродный атом, соседний с диазогруппой, представляет собой центр с основными свойствами, особенно легко поддающийся действию кислот. При присоединении протона устраняется возможность сопряжения диазогруппы с остальной частью молекулы. Запас энергии этого промежуточного продукта столь велик, что немедленно и необратимо отщепляется азот. При этом образуется карбкатион, который стабилизируется обычным путем - присоединением нуклеофильного агента. В случае диазоалканов, иных, чем диазометан, возможно также образование олефина.

Способность алифатических диазосоединений вступать в реакцию с протонными кислотами зависит от их основности. Это свойство диазосоединений ослабевает, как и следует ожидать, от диазометана через диазоуксусный эфир к диазокетонам и a -диазодикарбонильным соединениям.

Последние устойчивы к ионам ОН - . Скорость реакции алифатических диазосоединений с протонными кислотами пропорциональна рН реакционной среды.

Получение метиловых эфиров карбоновых кислот и фенилметиловых эфиров из диазометана из соответственно карбоновых кислот и фенолов по схеме (1) имеет препаративное и аналитическое значение.

Реакция протекает количественно и в очень мягких условиях, так что этим путем можно метилировать, например, неустойчивые природные соединения.

Поскольку метильный катион при этерификации не создает стерических затруднений, с диазометаном могут взаимодействовать пространственно затрудненные кислоты.

Кислотность спиртов недостаточна для того, чтобы образовывать с диазометаном метиловые эфиры. Если, однако, добавить каталитические количества борофтороводородной кислоты или перевести спирты в ансольвокислоты, то можно осуществить их метилирование диазометаном: - 7 - { } - F R-O-H + BF 3 6 R-O-B-F H + F [ ] Общая методика метилирования карбоновых кислот и фенолов диазометаном. В колбе или стакане к раствору 0.1 моля подлежащего алкилированию соединения в водном метаноле (1:10) добавляют при перемешивании при комнатной температуре эфирный раствор диазометана, пока не появится устойчивое слабожелтое окрашивание; к этому времени должно прекратиться выделение азота при добавлении новых порций диазометана (прибавление вести медленно и осторожно, не допуская вспенивания!). Отгоняют растворитель под вакуумом, остаток растворяют в эфире, промывают разбавленным раствором NaOH и водой, сушат сульфатом магния; сложный эфир (соответственно фенолят) после отгонки растворителя очищают перегонкой или перекристаллизацией. Схема 1. R-CH-N = N + H + 6 R-CH 2 -N = N 6 N = N + R-CH 2 + + H 2 O 6 R-CH 2 -OH 2 + 6 R-CH 2 -OH + H + + R-COO - R-CH 2 + 6 R-COO-CH 2 -R + C 6 H 5 O - 6 C 6 H 5 -O-CH 2 -R R = Н, Алкил, RC(O)-, RO-COРеакции алифатических диазосоединений с карбонильными соединениями.

Благодаря своим нуклеофильным свойствам алифатические диазосоединения могут реагировать и с карбонильной группой.

Однако возможность для осуществления такой реакции имеется только у наиболее реакционноспособных карбонильных соединений. Важны реакции диазометана, который гладко взаимодействует с - 8 - альдегидами, кетонами, галогенангидридами и ангидридами кислот, в то время как диазоуксусный эфир реагирует только с альдегидами, но уже не реагирует с кетонами.

Присоединение диазометана к альдегидам и кетонам протекает следующим образом (схема 2). Схема 2. R R R N = N-CH 2 + C=O 6 N = N-CH 2 -C-O - 6 + CH 2 -C-O - R' R' -N 2 R' ` R R'-C + -O - R' 6 5 6 C=O а) CH 2 -R R-CH 2 R O - ` R' R-C + -O - R C 6 5 6 C=O б) R' CH 2 + CH 2 -R' R'-CH 2 Внутримолек. R O 6 C CH 2 S N -р-ция R' ( ` R над стрелкой означает, что перегруппировка идет с перемещением остатка R). Как правило, преобладают перегруппировки, которые ведут к соединениям а и б.

Реакция, следовательно, может быть использована для удлинения углеродной цепи в кетонах и для расширения цикла у циклических кетонов.

Взаимодействие диазометана с ангидридами и хлорангидридами кислот протекает несколько иначе, поскольку в этом случае отщепление азота от первичного аддукта 1 уже не является предпочтительной реакцией.

Отщепляется преимущественно хлористый водород, и образуется относительно a -диазокетон: - 9 - R R N = N-CH 2 + C=O 6 N = N-CH 2 -C-O - Cl Cl H R R N = N-C-C-O - 6 N = N-CH-C=O + HCl H Cl Присоединение диазосоединений по кратным связям.

Алифатические диазосоединения реагируют с активированными олефинами, например с сопряженными диенами или a , b -ненасыщенными карбонильными соединениями, давая D 1 -пиразолины, а с ацетиленом - пиразолы.

Образовавшиеся D 1 -пиразолины сразу же или при нагревании изомеризуются в D 2 -пиразолины. При повышенной температуре (150-200 о С) пиразолины отщепляют азот и переходят в производные циклопропана.

Присоединение диазосоединения к олефину или ацетилену рассматривается как 1,3-биполярное присоединение.

Диазосоединение выступает в роли диполя с положительным и отрицательным зарядами в положениях 1,3. Этот диполь присоединяется к ненасыщенному партнеру (диполярофилу) с циклическим сдвигом электронов и образованием пятичленного цикла.

Способность диазосоединений к присоединению падает в ряду диазометан > диазоуксусный эфир > диазокетоны > диазоb -дикарбонильные соединения; для непредельных соединений эта способность уменьшается с ростом склонности к мезомерии у заместителей, стоящих при двойной связи. 1,3-диполярное циклоприсоединение часто используется для синтеза 5-и членных гетероциклов.

Образование карбенов и их реакции.

Алифатические диазосоединения способны отщеплять азот и в отсутствие электрофильного агента. Это происходит, например, при пиролизе, при освещении ультрафиолетовым светом или в присутствии - 10 - катализаторов - ионов серебра или меди.

Образующиеся в этих реакциях карбены (метилены) являются короткоживущими промежуточными продуктами с двумя свободными электронами у атома углерода. Если оба электрона имеют противоположные спины, т.е. образуют электронную пару, то такое состояние называют синглетным. Если спины электронов параллельны (неспаренные электроны - бирадикал), то такое состояние называют триплетным. Как правило, карбены сначала возникают в синглетном состоянии и затем переходят в энергетически более выгодное триплетное состояние.

Спиновое состояние карбенов сильно влияет на механизм и стереохимию реакций.

Важнейшие реакции карбенов: а) внедрение в ковалентные связи, прежде всего в связи С-Н (алкилирование). Например, при фотолизе раствора диазометана в диэтиловом эфире образуется смесь этил-н-пропилового и этилизопропилового эфиров наряду с небольшими количествами этилена.

Алкилкарбены в результате внутримолекулярного внедрения по С-Н связи легко образуют циклопропаны. б) присоединение к кратным связям. При этом карбены выступают в роли электрофильных агентов (кислоты Льюиса), поскольку у атома углерода они имеют лишь секстет электронов.