Маделунг синтезі: Индолдарды өндіруге арналған органикалық реакция
Madelung synthesis
Маделунг синтезі: Индолдарды жасау әдісі. N-фениламидтердің ішкі циклдануы, негіздік катализ, 200-400°C температурада жүзеге асырылады. Химиялық реакция туралы толық ақпарат!
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Индолдарды өндіруге арналған органикалық химиялық реакция. Органикалық химияда Маделунг синтезі – жоғары температурада күшті негіз қолданылып, N-фениламидтердің ішкі молекулалық циклдеуі арқылы (субститутталған немесе субститутталмаған) индолдарды өндіретін химиялық реакция. Маделунг синтезі 1912 жылы Уолтер Маделунгпен хабарланды, ол N-бензоил-о-толуидин және екі эквивалент натрий этиоксиді қолданылып, қыздырылған, ауадан қорғалған реакция кезінде 2-фенилинддолдың синтезделгенін байқады. Көбінесе реакция жағдайларына 200–400 °C температурада гексан немесе тетрагидрофуран еріткіштерінде негіз ретінде натрий немесе калий алкоксидін қолдану кіреді. Синтезде гидролиз кезеңі де қажет. Маделунг синтезі маңызды, себебі ол N-ацил-о-толуидиндердің негіз катализделген термиялық циклдеуінен индолдарды өндіретін сирек белгілі реакциялардың бірі болып табылады.
Organic chemical reaction for producing indoles
In organic chemistry, Madelung synthesis is a chemical reaction that produces (substituted or unsubstituted) indoles by the intramolecular cyclization of N phenylamides using strong base at high temperature. The Madelung synthesis was reported in 1912 by Walter Madelung, when he observed that 2 phenylindole was synthesized using N benzoyl o toluidine and two equivalents of sodium ethoxide in a heated, airless reaction. Common reaction conditions include use of sodium or potassium alkoxide as base in hexane or tetrahydrofuran solvents, at temperatures ranging between 200–400 °C. A hydrolysis step is also required in the synthesis. The Madelung synthesis is important because it is one of few known reactions that produce indoles from a base catalyzed thermal cyclization of N acyl o toluidines.
Жалпы реакция
Басқа негіздер немесе қосымша топтармен нұсқалар мүмкін, бірақ бұл әдіс негізінен 2 алкинилиндолдарды дайындаумен шектеледі (электрофильді ароматтық алмастыру арқылы алу қиын), себебі реакция жағдайлары өте күшті. Маделунг синтезінің толық реакция механизмі төменде келтірілген.
Variants with other bases or additional substituents are possible, but the method is essentially confined to the preparation of 2 alkinylindoles (not easily accessible through electrophilic aromatic substitution) because of vigorous reaction conditions. A detailed reaction mechanism for the Madelung synthesis follows.
Реакция механизмі
Реакция амид тобының азотынан сутегін және күшті негіздің әрекетімен амид тобына орто-жағдайдағы бензилді сутегін алудан басталады. Содан кейін, бензилді сутегін алу нәтижесінде пайда болған карбанион амид тобының электрофилді карбонил көміртегіне нуклеофилді шабуыл жасайды. Бұл оқиға кезінде амидтің π-байланысы бос электрон жұбына айналып, теріс зарядталған оттек пайда болады. Осы бастапқы қадамдардан кейін күшті негіз қажет болмайды және гидролиз жүруі керек. Теріс зарядталған азот бейтарап зарядын қайта алу үшін протонмен біріктіріледі, ал оттек жақсы кететін топқа айналу үшін екі рет протонмен біріктіріледі. Азоттан бос электрон жұбы оң зарядталған кететін топты шығарып тастау үшін π-байланысын құрайды, сонымен қатар азоттың оң зарядқа ие болуына себеп болады. Реакцияның соңғы қадамы – жою реакциясы (нақтырақ айтқанда E2 реакциясы), ол екі циклді қосылыс түзілгенге дейін бензилді болған екінші сутегінің алынуын қамтиды, оның электрондары сақина жүйесінде жаңа π-байланысын құрайды. Бұл азоттың бейтарап зарядын қалпына келтіру үшін алдыңғы қадамда азотпен құрылған π-байланысын азоттың бос электрон жұбына қайта айналдыруға мүмкіндік береді.
The reaction begins with the extraction of a hydrogen from the nitrogen of the amide substituent and the extraction of a benzylic hydrogen from the substituent ortho to the amide substituent by a strong base. Next, the carbanion resulting from the benzylic hydrogen extraction performs a nucleophilic attack on the electrophilic carbonyl carbon of the amide group. When this occurs, the pi bond of the amide is converted into a lone pair, creating a negatively charged oxygen. After these initial steps, strong base is no longer required and hydrolysis must occur. The negatively charged nitrogen is protonated to regain its neutral charge, and the oxygen is protonated twice to harbor a positive charge in order to become a good leaving group. A lone pair from the nitrogen forms a pi bond to expel the positively charged leaving group, and also causes the nitrogen to harbor a positive charge. The final step of the reaction is an elimination reaction (specifically an E2 reaction), which involves the extraction of the other hydrogen that was once benzylic, before the bicyclic compound was formed, whose electrons are converted into a new pi bond in the ring system. This allows the pi bond formed by nitrogen in the preceding step to be converted back into a lone pair on nitrogen to restore nitrogen's neutral charge.
Реакция шарттарын жақсартудағы жетістіктер
Қажетті индол өнімінің түзілуін арттыру үшін әртүрлі техникалар қолданылды. Ароматтық сақинада электрон беретін топтар болғанда жоғары түзілім алынады, ал электрон қабылдайтын топтар болғанда керісінше болады. Дегенмен, R5 тобы электрон қабылдайтын болса, түзілім төмендеудің орнына артады. Сонымен қатар, реакцияның тиімділігі R6 тобының кеңдігіне де зор тәуелді. Бұл топ неғұрлым кең болса, реакция соғұрлым тиімсіз болады. Маделунг синтезі үшін қажетті жағдайлар өте қиын. Ақырқы кезде, жоғарыда айтылған өзгерістер оның қолдануға ыңғайлылығын арттыру үшін қолданылды, реакция жүргізілетін температураны төмендетуге және қажетті өнімнің түзілуін арттыруға бағытталды. Мысалы, N-фениламидтің ароматтық сақинасына электрон беретін топтар орналастырылса және R5 орнына электрон қабылдайтын топ қойылса, реакция үшін қажетті температура шамамен 25 °C-қа төмендейді. Бұл ерекше өзгеріс, осы металл катализдік негіздердің кез келгенін пайдалану, Маделунг-Хоулихан түрі деп аталады.
Various techniques have been applied to increase the yield of the desired indole product. When the aromatic ring has electron donating substituents higher yields are obtained, and the opposite is true when the aromatic ring has electron withdrawing substituents. However, when the R5 substituent is an electron withdrawing substituent, the yield is increased instead of decreased. Additionally, the efficiency of the reaction is also heavily dependent on the bulkiness of the R6 substituent. The bulkier this group, the less efficient is the reaction. The conditions required for the Madelung synthesis are quite severe. Fortunately, the aforementioned modifications have been since applied to enhance its practicality, working to decrease the required temperature at which the reaction is performed and increase the desired product yield. For example, when electron donating are placed on the aromatic ring of the N phenylamide and an electron withdrawing substituent is substituted at R5, the required temperature for the reaction decreases to approximately 25 °C. This particular modification, the use of either of these metal mediated bases, is termed the Madelung Houlihan variation.
Синтетикалық қолдану
Маделунг синтезі химия, биохимия және өнеркәсіптік химияда көптеген маңызды қолданыстарға ие. Бұл реакция 81% өніммен архитектуралық тұрғыдан күрделі треморгендік индол алкалоидын ( ) пенитрем D синтездеуге пайдалы болды, бұл молекула ергота саңырауқұлағымен табиғи түрде өндіріледі және малдарда әртүрлі бұлшықет және неврологиялық ауруларды тудырады. Бұл токсин мал шаруашылығында маңызды экономикалық проблемаларды тудыратындықтан, алкалоид ( ) пенитрем D-ді синтездеу және оны оңай ыдырату жолдарын түсіну өте маңызды. Дегенмен, мұндай күрделі молекуланы синтездеудің өзі үлкен жетістік еді. Маделунг синтезі 2,6-дифенил-1,5-диаза-1,5-дигидросиндаценді 2,5-диметил-1,4-фенилендиаминнен синтездеуде де қолданылды. Бұл синтез Маделунг синтезіне ешқандай өзгеріссіз, 320–330 °C температурада натрий этиоксиді негізін қолдана отырып жүзеге асырылды. Бұл индацен – коммерциялық өнеркәсіпте қолданылуы мүмкін, төмен құнмен жарық дисплейлеріне арналған органикалық жарықдиод болып табылады.
The Madelung synthesis has many important applications in chemistry, biochemistry, and industrial chemistry. This reaction served useful in synthesizing, with an 81% yield, the architecturally complex tremorgenic indole alkaloid ( ) penitrem D, a molecule naturally produced by ergot fungus that causes various muscular and neurological diseases in livestock. Because this toxin ultimately causes significant economic problems in the livestock industry, understanding how to synthesize and easily decompose alkaloid ( ) penitrem D is of great importance. Nonetheless, the synthesis of such a complex molecule was, by itself, an incredible feat. Another facet through which the Madelung synthesis has served useful is in the synthesis of 2,6 diphenyl 1,5 diaza 1,5 dihydro s indacene, from 2,5 dimethyl 1,4 phenylenediamine. This synthesis was performed without modification to the Madelung synthesis, using sodium ethoxide base at a temperature of 320 – 330 °C. This indacene has shown to be an organic light emitting diode that may have important applications for low cost light displays in commercial industry.
Смит-модификацияланған Маделунг синтезі
Смит модификацияланған Маделунг синтезі, сондай-ақ Смит индол синтезі деп аталады, 1986 жылы Амос Смит және оның зерттеу тобы тарапынан ашылды. Бұл синтезде 2-алкил N-триметилсилил анилиндерінен туындаған органолитий реагенттерінің эфирлер немесе карбон қышқылдарымен конденсациялық реакциясы қолданылады, нәтижесінде алмастырылған индолдар алынады. Бұл синтез алькил, метокси және галоген топтары бар, сонымен қатар энолизделмейтін эфирлер немесе лактондармен реакцияласып, N-литийкетамин аралықтарын бере алатын әртүрлі алмастырылған анилиндерге қолданылатыны дәлелденді. Бұл аралық заттар индолиндерді алу үшін молекулаішілік гетероатомдық Петерсон олефинациясына түседі, содан кейін 2-алмастырылған индолға таутомерленеді. Смит индол синтезі – Маделунг синтезіне енгізілген маңызды модификациялардың бірі.
The Smith modified Madelung synthesis, also called the Smith indole synthesis, was discovered in 1986 by Amos Smith and his research team. This synthesis employs a condensation reaction of organolithium reagents derived from 2 alkyl N trimethylsilyl anilines by esters or carboxylic acids to yield substituted indoles. This synthesis has proven applicable to a wide variety of substituted anilines, including those with alkyl, methoxy, and halide groups, and can react with non enolizable esters or lactones to yield N lithioketamine intermediates. These intermediates then undergo intramolecular heteroatom Peterson olefination to yield indolinines, which then tautomerize to 2 substituted indoles. The Smith indole synthesis is one of the most important modifications to the Madelung synthesis.
Смит индол синтезінің реакциялық механизмі
Смит индол синтезі органолитий реагентінің екі эквивалентін (органолитий реагенттері өте күшті негіздер болғандықтан) алкил тобы мен азоттан протонды жою үшін қолданудан басталады, нәтижесінде екеуінде де теріс заряд пайда болады. Синтез карбанионның эфир немесе карбон қышқылының электрофильді карбонил көміртегіне нуклеофильдік шабуылымен жалғасады. Бұл оқиғада электрофилдің π байланысы оттегідегі бос электрон жұбына айналады. Бұл бос электрон жұптары кейін π байланысына қайта айналып, ОR тобының шығарылуына әкеледі. Содан кейін, теріс зарядталған азот жақын орналасқан электрофильді карбонил көміртегіне нуклеофильдік шабуыл жасайды, бұл да электрофилдің π байланысын оттегідегі бос электрон жұбына айналдырады. Бұл теріс зарядталған оттегі триметилсилил (TMS) тобының кремний атомына нуклеофильдік шабуыл жасайды, нәтижесінде трициклді қосылыс, оң зарядталған кремний атомы және бейтарап оттегі атомы түзіледі. Синтез молекулаішілік гетероатомдық Петерсон олефинациясы арқылы жүреді, соңында TMSO тобының шығарылуына және азот атомындағы бес мүшелі сақинада π байланысының қалыптасуына әкелетін жою реакциясы орын алады. Содан кейін кето-энол таутомеризмі жүзеге асып, қажетті өнім пайда болады.
The Smith indole synthesis begins by use of two equivalents of an organolithium reagent (as organolithium reagents are very strong bases) to extract a hydrogen from both the alkyl substituent and the nitrogen, resulting in a negative charge on both. The synthesis proceeds with a nucleophilic attack of the carbanion on the electrophilic carbonyl carbon of the ester or carboxylic acid. When this occurs, the pi bond of the electrophile is converted into a lone pair on the oxygen. These lone pairs are then reconverted back into a pi bond, resulting in the expulsion of the OR group. Next, the negatively charged nitrogen performs a nucleophilic attack on the adjacent electrophilic carbonyl carbon, again causing the pi bond of the electrophile to be converted into a lone pair on the oxygen. This negatively charged oxygen then performs a nucleophilic attack on the silicon atom of the trimethylsilyl (TMS) group, resulting in a tricyclic compound, and a positively charged silicon atom and neutral oxygen atom. The synthesis proceeds through an intramolecular heteroatom Peterson olefination, ultimately resulting in an elimination reaction which expels a TMSO group and forms a pi bond in the five membered ring at the nitrogen atom. Then, keto enol tautomerism occurs, resulting in the desired product.