Олефинирование органических соединений. Реакция Виттига-Хорнера

Олефинирование органических соединений. Реакция Виттига-Хорнера

Содержание

Введение

Механизм и стереохимия

Получение фосфонатов

Условия проведения реакции       

Реакция Виттига-Хорнера в органическом синтезе

Заключение

Список использованной литературы

Введение

В последние годы реакции карбонильных соединений с иллидами трехвалентного фосфора находят широкое применение в синтезе олефинов. Одной из первых известных реакций такого типа является реакция Виттига, в которой карбонильные компоненты вводятся во взаимодействие с иллидами фосфора с образованием олефинов и фосфин-оксида, как показано на схеме 1.

Схема 1 - Схема реакции Виттига

На данный момент детально изучены область применения, механизм и стереохимические аспекты данной реакции.

Всё же сенитез олефинов по Виттигу имеел определенные ограничения, это, в свое время, привело к возникновению и развитию различных модификаций данного процесса. В них использовались другие фосфорорганические соединения, которые с легкостью образовывали карбанион.

В одной из первых модификаций реакции Виттига использовались карбанионы, генерируемые из производных дифенилфосфиноксида. Было показано, что они взаимодействуют с альдегидами и кетонами с образованием олефинов (схема 2).

Схема 2 - Использование дифенилфосфиноксида в модификации р-ции Виттига. R1 = алкил, алкоксикарбонил и др.

Еще одна модифиация реакции Виттига была разработана Хорнером, Вэдсвортом и Эмонсом. В этой реакции используются стабилизированные карбанионы, полученние из фосфонатов. Было показано, что такие соединения реагируют с альдегидами и кетонами так же, как и производные фосфиноксидов (схема 3).

Схема 3 - Реакция Хорнера. R = алкил, фенил. R1 = электроотрицательная группа

Анионы, полученные из фосфонатов, обладают более ярко выраженными нуклеофильными свойствами, чем илиды фосфора. Это приводит к тому, что они способны реагировать с большим разнообразием карбонильных субстратов при более мягких условиях. Например, фенилацилиден-трифенилфосфоран (схема 1: R = Ph, R1 = H, R2 = COPh) реагирует с альдегидами только при длительном кипячении в тетрагидрофуране, в то время как карбанион из диэтил-фенацилфосфоната (схема 3: R = Et, R1 = COPh) реагирует с альдегидами с выделнием теплоты.

Водорастворимость получаемых из фосфонатов фосфат-ионов позволяет более легко выделять олефины из продуктов реакции.

Повышенная реакционная способность анионов, полученных из фосфонатов, позволяет проводить их алкилирование (схема 4), в то время как илиды фосфора обычно не активны в таких реакциях.

Схема 4 - Алкилирование карбанионов, полученных из фосфонатов

Фосфонаты более доступны как продукты реакции Арбузова и дешевле, чем соли алкил-фосфония.

Использование фосфонатов также имеет преимущества перед использованием фосфин-оксидов. Анионы, полученныее из фосфонатов, более реакционноспособны по отношению к альдегидам и кетонам и в то же время менее чувствительны к природе используемого основания и к атмосферному кислороду.

Механизм и стереохимия

Механизм образования олефинов из стабилизированных фосфонатных крбанионов аналогичен механизму традиционной реакции Виттига и представляет собой двухстадийный процесс в котором кабанион на первой (обратимой) стадии реагирует с карбонильным соединением с образованием интермедиата оксианиона (бетаина). Далее бетаин (необратимо) разлагается путем переноса кислорода к фосфору с образованием олефина и диалкилфосфат-иона (схема 5).

карбанион фосфонат синтез реакция

Схема 5 - Механизм взаимодействия фосфонатного карбаниона с карбонильным соединением

Считается, что превращение бетаина в олефин протекает путем цис-элиминирования фосфат-иона через четырехчленное циклическое переходное состояние.

В успешном синтезе олефинов могут быть использованы только те фосфонаты, которые содержат дополнителную стабилизирующую карбанион группу (схема 6).

Схема 6 - Резонансная стабилизация карбаниона. А = гетероатом

С другой стороны из фосфонатов, в которых R1 (схема 6) = Н, Alk, либо другая нестабилизирующая группировка, в результате взаимодействия с бутиллитием может образовываться нестабилизированный карбанион, но его реакции с карбонильными соединениями не приводят к значительному выходу олефинов.

В литературе описано использование представленных в таблице 1 различных типов фосфонатов в синтезе олефинов по реакции Хорнера - Виттига.

Таблица 1 - Различные типы фосфонатов

Фосфонаты, стабилизированные гетероатомом

В ряде опытов наблюдалось присутствие в продуктах реакции как цис- так и транс-олефинов. Такая стереохимия реакции между фосфонатными карбанионами и карбонильными соединениями может быть объяснена с позиций ранее предложенного механизма. Промежуточные оксианионы, образующиеся обратимо в результате реакции фосфонатного карбаниона и альдегида (схема 7), могут существовать в виде двух диастереомеров. Эритро-бетаин является предшественником цис-олефина, в то время как трео-бетаин приводит к транс-продукту.

Схема 7 - Образование цис- и транс- продуктов

Считается, что соотношение изомерных олефинов можно предсказать исходя из степени обратимости реакций образования двух различных оксианионов и из скорости их разложения до олефинов.

Поскольку в смеси продуктов зачастую преобладает транс-олефин, можно предположить, что скорость образования и разложения до олефина трео-бетаина выше таковой для эритро-бетаина. Низкую скорость образования эритро-бетаина можно объяснить тем, что в заторможенная его конформация (схема 7) является весьма напряженной в результате стерического взаимодействия R1 и R2.

Получение фосфонатов

В основном фосфонаты получают по реакциям Михаэлиса и Арбузова. Первая включает обработку алкилметаллических производных диалкилфосфитов алкилгалидами (схема 8).

Схема 8 - Получение фосфонатов по реакции Михаэлиса

Реакция Арбузова включает в себя обработку триалкилфосфитов алкилгалидами (схема 9).

Схема 9 - Получение фосфонатов по реакции Арбузова

В последнее время реакция Арбузова упрощена и адаптирована для получения больших выходов фосфонатов.

Условия проведения реакции

В наше время условия протекания реакции образования олефинов из карбонильных соединений и фосфонатных карбанионов мало отличаются от тех, что впервые были предложены Хорнером, Вэдсвортом и Эмонсом. Фосфонаты, содержащие в α-положении к анионному центру сильную электроноакцепторную группу (CO2R, COR, CONHR, SO2R, CN, PO(OR)2) легко и при комнатной температуре дают карбанион при реакции с таким основаниями как гидрид натрия, амид натрия, либо алкоксиды металлов.

Конденсация протекает при добавлении карбонильного соединения к карбаниону обычно при комнатной температуре. Растворители могут различаться по полярности от бензола, через тетрагидрофуран вплоть до диметилсульфоксида.

Фосфонаты, не содержащие стабилизированных группировок, как было сказано раньше, образуют карбанион при взаимодействии с бутил-литием при -78°С в тетрагидрофуране.

Фосфонаты, в которых стабилизирующую группировку представляют такие заместители, как Ph, CH=CHR, SR, CH(OR)2, находятся примерно посредине в ряду активности в образовании карбанионов. Они медленно реагируют с гидридом натрия. Повышение температуры реакционной среды приводит к их разложению. Для протекания конденсации необходимо присутствие в смеси карбонильных соединений. Недавние исследования французских ученых Lavielle и Sturtz реакции образования олефинов из карбонильных соединений и аллилфосфонатов в смеси HMPA/бензол с использованием NaH в качестве основания показали, что карбанион образуется только в присутствии карбанильных соединений в смеси.

Реакция Виттига-Хорнера в органическом синтезе

Преимущества в использовании фосфонатных карбанионов в синтезе олефинов перед традиционной реакцией Виттига значительно расширили применение реакции Виттига-Хорнера в синтезе широкого спектра соединений. Одним из важных преимуществ является то, что стерические затруднения в переходном состоянии зачастую позволяют протекание реакции с преимущественным образованием одного из стереоизомеров. Хорошо иллюстрируют этот факт синтезы с использованием природных соединений.

Виг и коллеги провели транс-олефинирование с использованием диэтил 1-этоксикарбонилэтилфосфоната на различных стадиях в синтезе терпенов ланцеола, гумбертиола и α-фарнесена (схема 10).

Схема 10 - Реакция Виттига - Хорнера в синтезе стероидов

Во всех вышеприведенных реакциях протекало транс-олефинирование и получался транс-олефин. и Wright получали микофенольную кислоту обработкой соответствующего альдегида диэтил этоксикарбонилметилфосфанатным анионом. В ходе синтеза образовывался исключительно транс-2 сложный эфир (схема 11).

Схема 11 - Реакция Виттига - Хорнера в синтезе микофенольной кислоты

В некоторых случаях фосфонатная модификация реакции Виттига является альтернативой ранее изученным реакциям и дает более приемлемые результаты. Так, прямое образование α,β-ненасыщенных сложных эфиров в ходе реакции между диэтил этоксикарбонилметилфосфоонатом и альдегидами или кетонами является альтернативой реакции Реформатского.

Фосфонаты, содержащие амидную группу охотно образуют карбанион, который реагирует с карбонильными соединениями с образованием α,β-ненасыщенных амидов.

Японскими исследователями разработана двухстадийная схема превращения кетонов (альдегидов) в α,β-ненасыщенные альдегиды.

Заключение

Фосфонатная модификация реакции Виттига, получившая название реакции Виттига - Хорнера, показала многочисленные преимущества данного процесса над традиционным олефинированием с использованием иллидов фосфора.

Достоинства реакции Виттига - Хорнера привели к широкому распространению метода в органическом синтезе. Данная модификация показала себя как более выгодная альтернатива некоторым известным реакциям, нашла применение в стереоселективном синтезе а также в синтезе многих природных соединений.

Значительный интерес представляет олефинирование с участием фосфонатных реагентов, обладающих внутренней асимметрией. Очевидно, что изучение различных вариантов реакции Виттига - Хорнера в будущем будет продолжаться.

Список использованной литературы

1.   Boutagy J., Thomas R. Olefin Syntheses with Organic Phosphonate Carbanions// Chem. Rev. - 1974. - Vol. 74. - P. 87 - 99.

2.      Maryanoff B., Reitz A. The Wittig Olefination Reaction // Chem. Rev. - 1989. - Vol. 89. No 4. - P. 863 - 927.