Клайзен қалыптасуы: химиялық реакция және механизмдері
Claisen rearrangement
Клайсен реакциясы – көміртекті байланыс құрудың маңызды химиялық әдісі. Экзотермиялық, стереоспецификалық, ішмолекулалық процестің кинетикасы бірінші ретті.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Химиялық реакция
Chemical reaction
Клайзеннің қайта орналасуы – Райнер Людвиг Клайзен ашқан, көміртек-көміртек байланысын жасауға қабілетті күшті химиялық реакция.
The Claisen rearrangement is a powerful carbon–carbon bond forming chemical reaction discovered by Rainer Ludwig Claisen.
Механизм
Клайзеннің қайта орналасуы экзотермиялық, келісілген (байланыстың үзілуі және қайта бірігуі) перициклдік реакция. Вудвард-Хоффманн ережелері беттік, стереоспецификалық реакция жолын көрсетеді. Кинетикасы бірінші реттік және бүкіл трансформация жоғары реттелген циклдік өткізілмелі күй арқылы жүзеге асады және молекулаішілік болып табылады. Кроссовер тәжірибелері реакцияның молекулааралық механизм арқылы жүру мүмкіндігін жоққа шығарады және молекулаішілік процеске сәйкес келеді. Клайзеннің қайта орналасуында айқын еріткіш әсерлері байқалады, онда полярлы еріткіштер реакцияны күштірек үдетуге бейім. Сутегі байланысын түзетін еріткіштер ең жоғары жылдамдық константаларын көрсетті. Мысалы, этанол/су еріткіш қоспалары сульфоланға қарағанда 10 есе жоғары жылдамдық константаларын береді. Тривалентті органоалюминий реагенттері, мысалы триметилалюминий, осы реакцияны үдетуге қабілетті екені дәлелденді.
The Claisen rearrangement is an exothermic, concerted (bond cleavage and recombination) pericyclic reaction. Woodward–Hoffmann rules show a suprafacial, stereospecific reaction pathway. The kinetics are of the first order and the whole transformation proceeds through a highly ordered cyclic transition state and is intramolecular. Crossover experiments eliminate the possibility of the rearrangement occurring via an intermolecular reaction mechanism and are consistent with an intramolecular process. There are substantial solvent effects observed in the Claisen rearrangement, where polar solvents tend to accelerate the reaction to a greater extent. Hydrogen bonding solvents gave the highest rate constants. For example, ethanol/water solvent mixtures give rate constants 10 fold higher than sulfolane. Trivalent organoaluminium reagents, such as trimethylaluminium, have been shown to accelerate this reaction.
Ароматикалық Claisen қайта орналасуы
Клайзеннің бірінші рет тіркелгені – аллильфенил эфирінің аралық 1-ге [3,3] сигматроптық изомеризациясы, ол тез арада 2-аллильфенолға таутомерленеді. Клайзен изомеризациясы Коп изомеризациясымен тізбектей жүруі мүмкін, онда аллиль тобы сақинадағы пара-позицияға шабуылдайтын сияқты: мысалы, мета-позициядағы электронды қабылдағыш топтар (мысалы, бромид) изомеризацияны орто-позицияға (71% орто өнім), ал электронды донорлық топтар (мысалы, метокси) пара-позицияға (69% пара өнім) бағыттайды. Бұған қоса, орто-субституттардың болуы тек пара-субститутталған изомеризация өнімдеріне алып келеді. Егер альдегид немесе карбон қышқылы орто немесе пара позицияларын алып жатса, аллильдік тізбек топты ығыстырып, оны тиісінше көміртек монооксиді немесе көміртек диоксиді түрінде бөліп шығарады.
The first reported Claisen rearrangement is the [3,3] sigmatropic rearrangement of an allyl phenyl ether to intermediate 1, which quickly tautomerizes to a 2 allylphenol. The Claisen rearrangement can occur in domino fashion with a Cope rearrangement, in which case the allyl group appears to attack the para position on the ring: For example, electron withdrawing groups (such as bromide) at the meta position direct the rearrangement to the ortho position (71% ortho product), while electron donating groups (such as methoxy), direct rearrangement to the para position (69% para product). Additionally, presence of ortho substituents exclusively leads to para substituted rearrangement products. If an aldehyde or carboxylic acid occupies the ortho or para positions, the allyl side chain displaces the group, releasing it as carbon monoxide or carbon dioxide, respectively.
Bellus Claisen қайта орналасуы
Беллюс-Клайзен қайта құрылымдалуы – аллиль эфирлерінің, аминдердің және тиоэфирлердің кетендермен реакциясы, нәтижесінде γ,δ қанықпаған эфирлер, амидтер және тиоэстерлер түзіледі. Бұл трансформацияны Беллус 1979 жылы пиретроидтық инсектицидке дейінгі аралық затты синтездеу кезінде кездейсоқ байқаған. Галогенмен алмастырылған кетендер (R1, R2) осы реакцияда олардың жоғары электрофилділігіне байланысты жиі қолданылады. Пайда болған α-галоэстерлерді, амидтерді және тиоэстерлерді жою үшін көптеген тотығу-тотықсыздану әдістері жасалған. Беллюс-Клайзен қайта құрылымдалуы синтетикалық химиктерге сақинаны кеңейту стратегияларын жүзеге асыру үшін ерекше мүмкіндік береді.
The Bellus–Claisen rearrangement is the reaction of allylic ethers, amines, and thioethers with ketenes to give γ,δ unsaturated esters, amides, and thioesters. This transformation was serendipitously observed by Bellus in 1979 through their synthesis of an intermediate to an insecticide, pyrethroid. Halogen substituted ketenes (R1, R2) are often used in this reaction for their high electrophilicity. Numerous reductive methods for the removal of the resulting α haloesters, amides and thioesters have been developed. The Bellus Claisen offers synthetic chemists a unique opportunity for ring expansion strategies.
Эшенмозер-Клайзен қайта орналасуы
Эшенмозер-Клайзен қайта орналасуы N,N диметилацетамид диметил ацеталының қатысуымен аллиль спирттерін қыздыру арқылы γ,δ қанықпаған амидті түзеді. Бұл әдіс 1964 жылы Альберт Эшенмозермен әзірленген. Эшенмозер-Клайзен қайта орналасуы морфиннің толық синтезінде маңызды қадам ретінде қолданылды. Механизмі: Қайта орналасу литий энолятын хлортриметилсиланмен байланыстыру арқылы түзілетін силилкетен ацеталы арқылы жүреді. Bellus Claisen (жоғарыда) сияқты, Ирландия Claisen қайта орналасуы бөлме температурасында және одан жоғары температурада жүзеге асуы мүмкін. E және Z конфигурациялы силилкетен ацеталдары тиісінше анти және син қайта орналасқан өнімдерге әкеледі. Әдебиетте хиральды бор реагенттерін және хиральды қосымшаларды қолданатын Ирландия Claisen қайта орналасуының көптеген мысалдары кездеседі.
The Eschenmoser–Claisen rearrangement proceeds by heating allylic alcohols in the presence of N,N dimethylacetamide dimethyl acetal to form a γ,δ unsaturated amide. This was developed by Albert Eschenmoser in 1964. Eschenmoser Claisen rearrangement was used as a key step in the total synthesis of morphine. Mechanism: The rearrangement proceeds via silylketene acetal, which is formed by trapping the lithium enolate with chlorotrimethylsilane. Like the Bellus Claisen (above), Ireland Claisen rearrangement can take place at room temperature and above. The E and Z configured silylketene acetals lead to anti and syn rearranged products, respectively. There are numerous examples of enantioselective Ireland Claisen rearrangements found in literature to include chiral boron reagents and the use of chiral auxiliaries.
Джонсон-Клейзенді қайта орналастыру
Джонсон-Клайзен қайта құрылымдалуы – аллиль спиртінің ортоэстермен эфир түзу реакциясы. Бұл реакцияны катализдеу үшін пропион қышқылы сияқты әлсіз қышқылдар қолданылған. Бұл қайта құрылымдалу көбінесе жоғары температураны (100–200 °C) талап етеді және толық аяқталуына 10-ден 120 сағатқа дейін уақыт кетеді. Дегенмен, КФС сазы немесе пропион қышқылының қатысуымен микротолқынды қыздыру реакция жылдамдығы мен өнімділігін едәуір арттырады. Механизмі: Энолятты түзу үшін әртүрлі металл тұздарын пайдалануға болады, бірақ мырыш хлориді ең жоғары өнімділікті қамтамасыз етеді және ең жақсы стереоспецификалық қасиеттерге ие. Энолят түрі -20 °C температурада α-позицияда аллильдік тізбегі бар аминқышқылын түзу үшін қайта құрылымдалады. Бұл әдісті 1993 жылы Ули Казмаер сипаттаған.
The Johnson–Claisen rearrangement is the reaction of an allylic alcohol with an orthoester to yield a ester. Weak acids, such as propionic acid, have been used to catalyze this reaction. This rearrangement often requires high temperatures (100–200 °C) and can take anywhere from 10 to 120 hours to complete. However, microwave assisted heating in the presence of KSF clay or propionic acid have demonstrated dramatic increases in reaction rate and yields. Mechanism: While different metal salts can be used to form the enolate, the use of zinc chloride results in the highest yield and gives the best stereospecificity. The enolate species rearranges at –20 °C to form an amino acid with an allylic side chain in α position. This method was described by Uli Kazmaier in 1993.
Фото-Клайзеннің қайта орналасуы
Арил эфирлерінің Клазен қайта орналасуы фотохимиялық реакция ретінде де жүзеге асырылуы мүмкін. Жылулық жағдайларда алынатын дәстүрлі орто өнімнен ([3,3] қайта орналасу өнімі) басқа, фотохимиялық түрлену пара өнімін ([3,5] өнімі), аллил тобының басқаша изомерлерін (мысалы, [1,3] және [1,5] өнімдері), сондай-ақ эфир тобының қарапайым жоғалуына мүмкіндік береді, тіпті аллил эфирлерінен өзге алкил эфирлерін де қайта орналастыра алады. Фотохимиялық реакция бірлескен перициклді реакция ретінде емес, радикалдық ыдыраудың кезеңді процесі арқылы және одан кейін байланыс құру арқылы жүзеге асады, осылайша мүмкін болатын субстраттар мен өнім изомерлерінің кең ауқымына жол ашады. Фото Клайзен қайта орналасуының [1,3] және [1,5] нәтижелері арил эфирлерінің және ұқсас ацил қосылыстарының фото Фрис қайта орналасуымен үйлеседі.
The Claisen rearrangement of aryl ethers can also be performed as a photochemical reaction. In addition to the traditional ortho product obtained under thermal conditions (the [3,3] rearrangement product), the photochemical variation also gives the para product ([3,5] product), alternate isomers of the allyl group (for example, [1,3] and [1,5] products), and simple loss of the ether group, and even can rearrange alkyl ethers in addition to allyl ethers. The photochemical reaction occurs via a stepwise process of radical cleavage followed by bond formation rather than as a concerted pericyclic reaction, which therefore allows the opportunity for the greater variety of possible substrates and product isomers. The [1,3] and [1,5] results of the photo Claisen rearrangement are analogous to the photo Fries rearrangement of aryl esters and related acyl compounds.
Аза Клайзен
Имминий қайта құру процесіндегі π-байланысқан фрагменттердің бірі болуы мүмкін.
An iminium can serve as one of the pi bonded moieties in the rearrangement.
Чен-Мэп реакциясы
Чен-Мэпп реакциясы, сондай-ақ [3,3] фосфоримидаттың қайта орналасуы немесе Стаудингер-Клайзен реакциясы деп белгілі, спирттің орнына фосфит тобын енгізеді және осыны иминге айналдыру үшін Стаудингер тотығуын пайдаланады. Ал келесі Клайзен реакциясы P=O екі байланысының P=N екі байланысына қарағанда энергетикалық тұрғыдан тиімді болуына байланысты жүзеге асады.
The Chen–Mapp reaction, also known as the [3,3] phosphorimidate rearrangement or Staudinger–Claisen reaction, installs a phosphite in the place of an alcohol and takes advantage of the Staudinger reduction to convert this to an imine. The subsequent Claisen is driven by the fact that a P=O double bond is more energetically favorable than a P=N double bond.
Өте жоғары ретімен қайта орналастыру
Оверман қайта орналасуы (Ларри Оверманның есімімен аталған) – аллильді трихлорацетимидаттардың аллильді трихлорацетамидтерге Клейзен қайта орналасуы. Оверман қайта орналасуы 1,2-вициналды аллильді диолдардан вициналды диамино қосылыстарын синтездеуге қолданылады.
The Overman rearrangement (named after Larry Overman) is a Claisen rearrangement of allylic trichloroacetimidates to allylic trichloroacetamides. The Overman rearrangement is applicable to the synthesis of vicinal diamino compounds from 1,2 vicinal allylic diols.
Звитериондық Клайнсеннің қайта орналасуы
Қыздыру қажет ететін дәстүрлі Клайзен қайта орналасуларынан өзгеше, звиттериондық Клайзен қайта орналасулары бөлме температурасында немесе одан төмен температурада өтеді. Ацил-аммоний иондары қалыпты жағдайларда Z-енолаттарын жоғары дәлдікпен таңдайды.
Unlike typical Claisen rearrangements which require heating, zwitterionic Claisen rearrangements take place at or below room temperature. The acyl ammonium ions are highly selective for Z enolates under mild conditions.
Табиғатта
Хоризмат мутаза ферменті (EC 5.4.99.5) хоризматтың префенатқа Клайзен қайта орналасуын катализдейді, ал префенат – фенилаланин мен тирозин биосинтезі жолындағы аралық зат.
The enzyme chorismate mutase (EC 5.4.99.5) catalyzes the Claisen rearrangement of chorismate to prephenate, an intermediate in the biosynthetic pathway towards the synthesis of phenylalanine and tyrosine.
Тарих
1912 жылы ашылған Клейзен реакциясы [3,3] сигматроптық изомеризацияның алғаш рет тіркелген мысалы болып табылады.
Discovered in 1912, the Claisen rearrangement is the first recorded example of a [3,3] sigmatropic rearrangement.