Тримеризация алкинов в бензольное кольцо: механизмы и катализ.
Alkyne trimerisation
Тримеризация алкинов: образование бензольного кольца из трех алкинов с помощью металлокатализатора. Важный метод в органическом синтезе и исторически значимая реакция.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Химическая реакция трех алкинов с образованием бензольного кольца
Chemical reaction of three alkynes to form a benzene ring
Тримеризация алкина — это реакция [2+2+2]-циклоприсоединения, в которой три алкиновых фрагмента (≡C–C≡) реагируют с образованием бензольного кольца. Для протекания реакции необходим металлический катализатор. Этот процесс представляет исторический интерес и находит применение в органическом синтезе. Как реакция циклоприсоединения, она отличается высокой атомной экономией. Разработано множество вариантов, включая циклизацию смесей алкинов и алкенов, а также алкинов и нитрилов.
An alkyne trimerisation is a [2+2+2] cycloaddition reaction in which three alkyne units (|C\tC) react to form a benzene ring. The reaction requires a metal catalyst. The process is of historic interest as well as being applicable to organic synthesis. Being a cycloaddition reaction, it has high atom economy. Many variations have been developed, including cyclisation of mixtures of alkynes and alkenes as well as alkynes and nitriles.
Механизм
С точки зрения механизма, реакции начинаются с образования металлоалкиновых комплексов. Объединение двух алкинов в координационной сфере приводит к образованию металлациклопентадиена. Исходя из металлациклопентадиенового интермедиата, можно рассматривать множество путей, включая металлоциклогептатриены, металланорборнадиены и более сложную структуру, содержащую карбеноидный лиганд.
In terms of mechanism, the reactions begin with the formation of metal alkyne complexes. The combination of two alkynes within the coordination sphere affords a metallacyclopentadiene. Starting from the metallacyclopentadiene intermediate, many pathways can be considered including metallocycloheptatrienes, metallanorbornadienes, and a more complicated structure featuring a carbenoid ligand.
Область применения и ограничения
Катализаторы для циклотримеризации селективны к тройным связям, что обеспечивает реакции достаточно широкий спектр субстратов. Многие функциональные группы устойчивы к воздействию реакции. Региоселективная межмолекулярная тримеризация несимметричных алкинов остаётся нерешённой проблемой. Некоторые катализаторы деактивируются в результате образования стабильных 18-электронных η4-комплексов. Циклобутадиены, циклогексадиены и ареновые комплексы наблюдались в качестве неактивных, "выключенных" катализаторов. Помимо высокомолекулярных соединений, димеров и тримеров, возникающих из-за низкой регио- и хемоселективности, обнаружены побочные продукты энинов, образующиеся при димеризации алкинов. Катализаторы на основе родия особенно эффективно способствуют образованию энинов (см. ниже). В случае катализа никелем, образование более крупных циклов (в частности, циклооктатетраена) может представлять проблему.
Catalysts for cyclotrimerisation are selective for triple bonds, which gives the reaction a fairly wide substrate scope. Many functional groups are tolerated. Regioselective intermolecular trimerization of unsymmetrical alkynes remains an unsolved problem. Some catalysts are deactivated by formation of stable, 18 electron η4 complexes. Cyclobutadiene, cyclohexadiene, and arene complexes have all been observed as off cycle, inactivated catalysts. In addition to high order polymers and dimers and trimers, which originate from low regio and chemoselectivities, enyne side products derived from alkyne dimerisation have been observed. Rhodium catalysts are particularly adept at enyne formation (see below). For nickel catalysis, formation of larger rings (particularly cyclooctatetraene) can be a problem.
Синтетические применения
Тримеризация алкинов не имеет практической ценности, хотя реакция оказала значительное влияние. Котримеризация алкинов и нитрилов в присутствии органокобальтовых катализаторов была коммерциализирована для производства замещенных пиридинов. Циклизация, включающая субстраты, в которых некоторые или все алкиновые фрагменты соединены между собой, может приводить к образованию конденсированных кольцевых систем. Длина связующих цепей определяет размер дополнительных колец. Присоединение 1,5-диина к алкину приводит к образованию бензоциклобутена – напряженной структуры, которую затем можно подвергнуть дальнейшим реакциям. Все три алкиновых фрагмента могут быть соединены, что приводит к образованию трех колец за один этап, при этом размеры двух дополнительных колец контролируются соответствующей длиной связующих цепей. Замещенные триины могут циклизоваться с образованием продуктов, проявляющих спиральную хиральность. В одном примере, примечательном образованием трех новых ароматических колец за один этап, показанный триин превращается в спиральный продукт при обработке циклопентадиенилкобальтовым дикарбонилом. По состоянию на 2004 год этот процесс еще не был асимметричным, но продукты можно было разделить с помощью хиральной ВЭЖХ. Бензин, генерируемый *in situ* из бензольного кольца, несущего орто-ориентированные трифлатные и триметилсилильные заместители, может быть использован для получения арина вместо ацетилена и в сочетании с подходящим диином. Такой производный бензола реагирует с 1,7-октадином в присутствии подходящего катализатора с образованием нафталиновой системы. Это пример гексадегидро-реакции Дильса-Альдера. Тримеризация трех молекул 2-бутина (диметилацетилена) дает гексаметилбензол. Реакция катализируется трифенилхромом тритетрагидрофуранатом или комплексом триизобутилалюминия и тетрахлорида титана. Тримеризация трех молекул дифенилацетилена дает гексафенилбензол. Реакция катализируется дикобальтом октакарбонилом.
Alkyne trimerization is of no practical value, although the reaction was highly influential. The cotrimerization of alkynes and nitriles in the presence of organocobalt catalysts has been commercialized for the production of substituted pyridines. Cyclization involving substrates in which some or all of the alkyne units are tethered together can provide fused ring systems. The length of the tether(s) controls the sizes of the additional rings. Addition of a 1,5 diyne with an alkyne produces a benzocyclobutene, a strained structure that can then be induced to undergo further reactions. All three alkyne units can be tethered, leading to creation of three rings in a single step, with each of the two additional ring sizes controlled by the respective tether lengths. Crowded triynes can cyclize to products exhibiting helical chirality. In one example remarkable for the formation of three new aromatic rings in one step, the triyne shown is transformed into the helical product via treatment with cyclopentadienylcobalt dicarbonyl. As of 2004, this process had yet to be rendered asymmetric, but the products could be separated through chiral HPLC. Benzyne, generated in situ from a benzene ring bearing ortho distributed triflate and trimethylsilyl substituents, can be used to generate an aryne in place of an acetylene and combined with a suitable diyne. Such a benzene derivative reacts with 1,7 octadiyne in the presence of a suitable catalyst to generate a naphthalene system. This is an example of a hexadehydro Diels–Alder reaction. Trimerisation of three 2 butyne (dimethylacetylene) molecules yields hexamethylbenzene. The reaction is catalyzed by triphenylchromium tri tetrahydrofuranate or by a complex of triisobutylaluminium and titanium tetrachloride. Trimerisation of three diphenylacetylene molecules yields hexaphenylbenzene. The reaction is catalyzed by dicobalt octacarbonyl.
Сравнение с другими методами
Циклотримеризация представляет собой альтернативу функционализации предварительно сформированных ароматических соединений посредством электрофильного или нуклеофильного замещения, региональную селективность которого иногда бывает сложно контролировать. Другие методы прямого образования ароматических колец из замещенных ненасыщенных предшественников включают реакцию Дёца, палладий-катализируемую [4+2] бензаннуляцию энинов с алкинами и [4+2] циклоприсоединение энинов с алкинами, катализируемое кислотами Льюиса. Циклизация лабильных интермедиатов бензина с алкинами, катализируемая палладием, также может приводить к образованию замещенных ароматических соединений.
Cyclotrimerization presents an alternative to the functionalization of pre formed aromatic compounds through electrophilic or nucleophilic substitution, the regioselectivity of which can sometimes be difficult to control. Other methods for the direct formation of aromatic rings from substituted, unsaturated precursors include the Dötz reaction, palladium catalyzed [4+2] benzannulation of enynes with alkynes, and Lewis acid mediated [4+2] cycloaddition of enynes with alkynes. Cyclization of transient benzyne species with alkynes, catalyzed by palladium, can also produce substituted aromatic compounds.