METALE

METALE

W SYNTEZIE

W SYNTEZIE

ORGANICZNEJ

ORGANICZNEJ

Tworzenie pojedynczego

wiązania węgiel-węgiel

część I

Lista podręczników

•

R. P. Houghton

„Kompleksy metali w chemii organicznej”

•

W. Carruthers, I. Coldham

„Modern Methods of Organic Chemistry”

•

M. Bochmann

„Organometalics 1” and „Organometallics 2”

•

J. Gawroński, K. Gawrońska, K. Kacprzak, M. Kwit

„Współczesna

synteza organiczna”

•

F. Pruchnik

„Chemia metaloorganiczna – pierwiastki przejściowe”

•

J. Skarżewski

„ Wprowadzenie do syntezy organicznej”

Pierwszy syntetyczny związek metaloorganiczny został

otrzymany ponad 200 lat temu w 1760 roku przez francuskiego

chemika L. C. Cadet de Gassicourt.

Podczas prac nad nowym atramentem sympatycznym uzyskał

on nieprawdopodobnie śmierdzącą ciecz, która - jak się potem

okazało – była związkiem arsenoorganicznym o wzorze

As

2

(CH

3

)

4

. Połączenie to nazwano kakodylem (po grecku

κακοδια oznacza śmierdzieć).

Pierwszy kompleks π otrzymał w 1827 roku duński chemik W. C.
Zeise (profesor Uniwersytetu w Kopenhadze, znany również jako
odkrywca ksantogenianów). Ogrzewając sól K

2

PtCl

4

w etanolu

uzyskał związek o sumarycznym wzorze KPtCl

3

C

2

H

4

. Sam

odkrywca nie zdawał sobie sprawy z wagi swojego odkrycia.
Wiele lat później uświadomiono sobie, że Zeise otrzymał
pierwszy organometaliczny związek metalu przejściowego,
etylenowy kompleks π platyny(II). Ten sam kompleks uzyskuje
się z dużo lepszą wydajnością działając bezpośrednio etylenem
na K

2

PtCl

4

w obecności katalizatora SnCl

2

. W eksperymencie

Zeisa etylen tworzył się in situ przez odwodnienie (dehydratację)
etanolu.

William Christopher Zeise (15.10.1789 – 12.11.1847)

Wiązanie olefin z metalami przejściowymi

model

Dewara-Chatta-

Duncansona

Alkeny i alkiny kompleksują metale przejściowe za

pomocą wiążących orbitali π, które tworzą wiązania z

pustymi orbitalami ns, np, (n-1)d

z

2

, (n-1)d

x

2

-y

2

metalu lub

ich hybrydami.

Olefiny są słabymi zasadami więc wiązanie z metalem

musi być dodatkowo stabilizowane przez redonorowe

wiązanie metal-alken (alkin) polegające na przeniesieniu

elektronów z obsadzonych orbitali metalu na pusty orbital

π* olefiny. Jest to tak zwane wiązanie π-zwrotne.

Wiązanie π-zwrotne polegające na obsadzeniu

antywiążącego orbitalu π* alkenu obniża krotność

wiązania, wydłuża je i osłabia. Można to

zaobserwować przy pomocy metod spektroskopii IR

gdzie zjawisko wydłużenia wiązania C=C wyraża się

obniżeniem częstości drgań rozciągających w regionie

1600-1500 cm

-1

.

Reakcje kompleksów π z elektrofilami

Reakcje kompleksów π alkenów z elektrofilami,

takimi jak HX, zazwyczaj prowadzą do reduktywnej

eliminacji alkenu i utworzenia kompleksu typu

L

n

MX

y

. Tylko w wyjątkowych sytuacjach udało się

wyizolować pochodne alkilowe.

Reakcje kompleksów π z elektrofilami

Protonowanie kompleksów π

allenowych i dienowych prowadzi

do izolowalnych pochodnych

allilowych.

Reakcje kompleksów π z nukleofilami

Najważniejsze zastosowanie olefinowych kompleksów π to

reakcje addycji nukleofilowej. Są one możliwe dzięki

wysokiej podatności skoordynowanych olefin na atak

nukleofilowy.

Reaktywność etylenu w stosunku do nukleofilów i

elektrofilów jest bardzo mała. Po skoordynowaniu etylenu

przez metal przejściowy jego reaktywność gwałtownie

rośnie – ulega on łatwo atakowi nukleofilowemu, zwłaszcza

gdy kompleks jest kationowy.

Teoria międzycząsteczkowego i wewnątrzcząsteczkowego

mechanizmu reakcji skoordynowanych olefin

z nukleofilami

Wiązanie
alkanów
z metalami

Pierwszy związek metaloorganiczny – kompleks σ – został

otrzymany przypadkowo przez Edwarda Franklanda w 1848

roku. Frankland chciał uzyskać stabilne rodniki etylowe

działając cynkem na jodoetan a wyizolował dwa produkty

metaloorganiczne: EtZnI oraz ZnEt

2

. Było to wyjątkowe

osiągnięcie naukowe w tamtym czasie – zwłaszcza gdy weźmie

się pod uwagę piroforyczną naturę związków

cynkoorganicznych i ich ekstremalną podatność na hydrolizę.

Swoje reakcje Frankland prowadził w atmosferze wodoru!!!

kompleksy σ

Pierwsza synteza związków alkilocynku

zapoczątkowała szybki rozwój chemii

kompleksów σ. Wkrótce po odkryciu Falklanda

otrzymano kolejne kompleksy σ: związki glino-,

magnezo-, tręcio-, krzemo-, cyno- i

ołowioorganiczne.

Pierwszy metaloorganiczny kompleks σ metalu

przejściowego otrzymał William Jackson Pope

(1870-1939) w 1907 roku. Jednak struktura

tetramerycznego kompleksu Pt(IV) przez 50 lat

pozostawała niewyjaśniona. W następnych

latach podejmowano liczne i nieudane próby

syntezy nowych kompleksów σ metali

przejściowych dowodząc w końcu, że wiązanie σ

C-M (węgiel-metal_przejściowy) jest z natury

niestabilne, chyba że obecne są stabilizujące

ligandy π.

Sytuacja zmieniła się w latach 1960. Okazało się, że obecność

ligandów π nie jest konieczna aby kompleksy metali

przejściowych typu metal-alkil były trwałe.

Uzyskano szereg stabilnych kompleksów a nawet dla wielu z

nich wyznaczono wartości entalpii wiązania M-C.

Stabilność związku chemicznego oznacza jego trwałość w

standartowych warunkach w obecności różnych reagentów.

Istnieją związki, które mogą być ogrzewane bez rozkładu do

wysokiej temperatury w atmosferze gazu obojętnego ale gwałtownie

reagują w obecności wilgoci lub tlenu atmosferycznego.

Są to związki niestabilne.

Istnieją także związki, dla których dane termodynamiczne sugerują

labilność ale są trwałe w obecności tlenu i nie reagują z wodą.

Są to związki stabilne.

Reaktywność kompleksów σ metal-alkil

Większość kompleksów σ metal_przejściowy-alkil to związki
bardzo reaktywne. Najważniejsze typy reakcji, którym
ulegają to:

1.

Reakcje z rozerwaniem wiązania M-C:

a)

wodoroliza wiązania M-C

b) reakcje z elektrofilami (CO

2

, H

+

, I

2

)

2.

Reakcje wbudowania (insercji) nienasyconego reagenta

w wiązanie M-C. Najczęściej biorą udział ligandy CO,
izocyjanki, alkeny i alkiny.

3.

Reakcje reduktywnej eliminacji (jak łączenie ligandów

alkilowych z nukleofilami)

Efekty i zastosowanie kompleksowania w reakcjach

podstawienia nukleofilowego

1. Koordynowanie grupy odchodzącej

a) powstanie kompleksu przyspiesza podstawienie
b) ułatwia atak wewnątrzcząsteczkowy

2. Koordynowanie nukleofila

Stan przejściowy sześcioczłonowy

(alkilowanie enolanów)

Stan przejściowy sześcioczłonowy

(alkilowanie allilu)

Synteza kumulenów

Reakcja Wurtza

A. Wurtz, Ann. Chim. Phys. [3] 44, 275 (1855); Ann. 96, 364 (1855).

Połączenie dwóch rodników alkilowych w reakcji

dwóch moli halogenków alkilowych

z dwoma molami sodu.

2RX + 2Na

→

→

→

→

R-R + 2NaX

Sód

Na

Mechanizm reakcji Wurtza

Reakcja Wurtza-Fittiga

B. Tollens, R. Fittig, Ann. 131, 303 (1864);

R. Fittig, J. König, ibid. 144, 277 (1867).

Powstawanie aromatycznych

alkilowanych węglowodorów w wyniku

połączenia halogenków alkilowych i

arylowych w obecności sodu:

Reaktywność związków alkilosodowych:

Synteza pojedynczego wiązania C-C

Zastosowanie pochodnych alkilolitu

Lit

Li

Związki litoorganiczne mają szerokie zastosowanie w
syntezie organicznej jako zasady oraz jako nukleofile.
Reagują z wieloma elektrofilami a zakres tych reakcji od
oderwania protonu po atak nukleofilowy zależy:

od budowy związku litoorganicznego,

od budowy elektrofila,
od zastosowanych warunków.

Związki litoorganiczne zapisujemy ogólnie jako Li-R,

jednakże bardzo często tworzą one w roztworach złożone

struktury a wiązanie lit-węgiel uzyskuje w dużym stopniu

charakter kowalencyjny.

Rozpuszczalniki koordynujące THF, Et

2

O oraz silne σ-

donory jak TMEDA redukują stopień asocjacji związków

litoorganicznych zwiększając ich reaktywność.

Synteza związków litoorganicznych

1. Bezpośrednia reakcja halogenków alkilowych z litem

2. Metalowanie pozycji α w aminach związkami alkilolitowymi

Podstawienie protonu α w aminach litem jest podstawą

metody α-alkilowania amin drugorzędowych. Grupa

aminowa R

2

N-Me nie jest wystarczająco aktywująca aby

ugrupowanie metylenowe mogło być przekształcone w sól

litową R

2

N-CH

2

-M jednak niektóre pochodne amin

drugorzędowych mogą być już przekształcone w związki

litoorganiczne przy pomocy silnych zasad. Uzyskane w ten

sposób pochodne α-aminolitoorganiczne reagują łatwo z

elektrofilami (chlorkami alkilowymi i acylowymi,

aldehydami).

Jeszcze łatwiej przekształcane są w związki litoorganiczne

pochodne N-nitrozowe, sterycznie zatłoczone amidy i

formamidyny.

3. Transmetalowanie związków cynoorganicznych

Metoda ta pozwala łatwo uzyskać reaktywne związki α-

aminolitoorganiczne. Wymiana cyny na lit jest szczególnie

efektywna dla N-Boc zabezpieczonych drugorzędowych amin a

nawet dla zwykłych amin trzeciorzędowych.

Przykład: addycja n-butylolitu do związku cynoorganicznego 100 generuje

reaktywny związek α-aminolitoorganiczny 101, który reaguje z różnymi

elektrofilami.

4. Bezpośrednie litowanie tioeterów w pozycji α

Alkilowe tioetery nie są szczególnie kwasowe ale mogą

ulegać litowaniu w pozycji α w przypadku obecności

dodatkowych grup aktywujących takich jak dodatkowy

atom siarki lub podwójne wiązanie.

Szczególnie ważną rolę pełnią siarczki allilowe ( zwłaszcza

tioetery allilowo-fenylowe), które łatwo ulegają reakcji z n-
butylolitem dając reaktywne związki litoorganiczne i mogą

być następnie alkilowane głównie w pozycji α.

Niezwykle ważne są reakcje litowania i alkilowania atomów
węgla C-α w układach, gdzie 2 atomy siarki związane są z tym
samym atomem węgla. Oderwanie protonu jest tu bardzo
łatwe pod działaniem n-butylolitu.
Uzyskany 2-lito-1,3-ditian reaguje z licznymi elektrofilami:
chlorkami alkilowymi, epoksydami i związkami
karbonylowymi*.

* M.Yus, C.Najera, F.Foubelo, Tetrahedron, 59 (2003), 6147

Miedź

Cu

Reagenty miedzioorganiczne

Zastosowanie w tworzeniu wiązań C-C

Do najważniejszych związków miedzioorganicznych zalicza

się miedziany Gilmana R

2

CuLi otrzymywane w reakcji

jodku miedzi(I) z dwoma równoważnikami związku

litoorganicznego.

Gilman, Henry (1893-1986)

Znamy obecnie kilka typów miedzianów: R

2

CuLi

(klasyczne miedziany Gilmana), RCu(CN)Li oraz

R

2

Cu(CN)Li

2

. Miedziany te różnią się naturalnie

reaktywnością i wybór któregoś z nich jest uzależniony

od typu reakcji, którą chcemy przeprowadzić.

Na ogół generuje się je in situ i nie izoluje

Bardzo użyteczną reakcją tworzenia pojedynczego

wiązania C-C wykorzystującą miedziany jest reakcja

sprzęgania grup alkilowych miedzianu z halogenkami

alkilowymi lub tosylanami.

Reakcja zachodzi w temperaturze pokojowej dając

wysokie wydajności produktów. Miedziany tolerują

obecność wielu grup funkcyjnych.

Drugorzędowe bromki i jodki alkilowe nie reagują z dobrymi

wydajnościami z klasycznymi miedzianami Gilmana. Stosuje

się więc miedziany wyższych rzędów R

2

Cu(CN)Li

2

. Te

reagenty są bardziej uniwersalne – mogą reagować też z

halogenkami pierwszorzędowymi.

Odrębnym zagadnieniem są tetrachloromiedziany(II) litu,

Li

2

CuCl

4

, otrzymywane bezpośrednio z chlorku litu i chlorku

miedzi(II). Stosuje się je w ilościach katalitycznych w obecności

związków Grignarda. Przypuszcza się, że czynnikiem

aktywnym są w reakcjach alkilowania kompleksy

miedzio(I)organiczne o nie zbadanej jeszcze strukturze,

tworzące się w wyniku reakcji tetrachloromiedzianu z

halogenkiem alkilomagnezowym.

Reakcja difenylomiedzianu(I) litu z (-)-(R)-2-bromobutanem

zachodzi z inwersją konfiguracji – sugeruje to mechanizm S

N

2.

Jednakże podobny eksperyment wykonany z optycznie

czynnym jodkiem alkilowym daje produkt racemiczny co

oznacza, że reakcje miedzianów Gilmana z jodkami alkilowymi

przebiegają według mechanizmu określanego raczej jako one-

electron transfer niż według S

N

2.

Stereochemia alkilowania miedzianami Gilmana

Kompleksy cynko-miedzioorganiczne

Reagenty te generowane są in situ w reakcji chlorku cynku z

kompleksem CuCN*2LiCl (rozpuszczalnym w THF).

Są bardziej reaktywne od związków cynkoorganicznych. Nie

izoluje się ich w trakcie reakcji.