Введение
Химический процесс, предназначенный для изменения полярности молекулярной функциональной группы.
В органической химии, umpolung, или инверсия полярности, — это химическая модификация функциональной группы с целью обращения её полярности. Эта модификация позволяет проводить вторичные реакции с этой функциональной группой, которые в противном случае были бы невозможны. Концепция была предложена Д. Зеебахом (отсюда немецкое слово umpolung, означающее «обращенная полярность») и Э. Дж. Кори. Анализ полярности при ретросинтетическом анализе позволяет химику определить, когда необходимо использовать тактику umpolung для синтеза целевой молекулы.
Введение
Подавляющее большинство важных органических молекул содержат гетероатомы, которые поляризуют углеродные скелеты благодаря своей электроотрицательности. Поэтому в стандартных органических реакциях большинство новых связей образуется между атомами с противоположной полярностью. Это можно рассматривать как "нормальный" режим реакционной способности. Одним из следствий этой естественной поляризации молекул является то, что углеродные скелеты с 1,3- и 1,5-гетероатомными заместителями чрезвычайно легко синтезировать (реакция Алдоля, конденсация Клейзена, реакция Майкла, перегруппировка Клейзена, реакция Дильса-Альдера), в то время как схемы замещения 1,2-, 1,4- и 1,6-гетероатомов получить с помощью "нормальной" реакционной способности сложнее. Поэтому важно понимать и разрабатывать методы, позволяющие индуцировать umpolung в органических реакциях.
Примеры
Самый простой способ получения 1,2-, 1,4- и 1,6-замещенных гетероциклов – начинать с них. Биохимические и промышленные процессы могут предоставить недорогие источники химических веществ с необычными схемами замещения, которые обычно недоступны. Например, аминокислоты, щавелевая кислота, янтарная кислота, адипиновая кислота, винная кислота и глюкоза широко распространены и содержат нестандартные схемы замещения.
Умполированная цианидная
Канонический реагент для умполюнга – это ион цианида. Ион цианида необычен тем, что углерод, тройно связанный с азотом, следовало бы ожидать с (+) полярностью из-за большей электроотрицательности атома азота. Однако отрицательный заряд иона цианида локализован на углероде, что придает ему (-) формальный заряд. Эта химическая амбивалентность приводит к умполюнгу во многих реакциях с участием цианида. Например, цианид является ключевым катализатором в конденсации бензоина, классическом примере инверсии полярности. Конечным результатом реакции бензоина является образование связи между двумя атомами углерода, которые обычно выступают в роли электрофилов.
N-гетероциклические карбены
N-гетероциклические карбены по реакционной способности схожи с цианидами. Как и цианиды, они обладают необычной химической амбивалентностью, позволяющей им вызывать изменение полярности (умполюнг) в реакциях, в которых они участвуют. Карбен имеет шесть электронов – по два в углерод-азотных одинарных связях, два в sp2-гибридизованной орбитали и одну вакантную p-орбиталь. Одиночная электронная пара sp2 выступает в роли донора электронов, а вакантная p-орбиталь способна выступать в роли акцептора электронов. В данном примере β-углерод α,β-ненасыщенного эфира 1 формально выступает в качестве нуклеофила, в то время как обычно он должен быть акцептором Майкла. Этот карбен реагирует с α,β-ненасыщенным эфиром 1 в β-положении, образуя промежуточный энолят 2. В результате таутомеризации 2b может отщепить концевой атом брома, образуя соединение 3. Реакция элиминирования регенерирует карбен и высвобождает продукт 4. Для сравнения: в реакции Бейлиса-Хиллмана тот же электрофильный β-углерод атакуется реагентом, но это приводит к активации α-положения энона как нуклеофила.
Тиамин пирофосфат
Биологические процессы могут использовать реакционную способность, подобную цианидной инверсии полярности (umpolung), не прибегая к токсичному цианид-иону. Тиаминпирофосфат (TPP), который сам по себе является N-гетероциклическим карбеном, выполняет функционально идентичную роль. Тиазольное кольцо в TPP депротонируется в гидрофобном ядре фермента, образуя карбен, способный к umpolung. Ферменты, использующие TPP в качестве кофактора, могут катализировать реакции umpolung, такие как декарбоксилирование пирувата. Без TPP декарбоксилирование пирувата привело бы к появлению отрицательного заряда на карбонильном углероде, что противоречило бы обычной поляризации углерод-кислородной двойной связи.
кольца с тремя участками
3-членные кольца являются напряжёнными фрагментами в органической химии. Когда 3-членное кольцо содержит гетероатом, как, например, в эпоксиде или в промежуточном соединении бромония, три атома в кольце становятся поляризованными. Невозможно назначить положительную (+) и отрицательную (-) полярности 3-членному кольцу, не получив два соседних атома с одинаковой полярностью. Следовательно, при раскрытии поляризованного 3-членного кольца нуклеофилом происходит инверсия полярности (umpolung). Например, раскрытие оксида этилена гидроксид-ионом приводит к образованию этиленгликоля.
Химия карбонилового обмотка / анионных реле
Химия дитиана является классическим примером инверсии полярности. Это можно наблюдать в реакции Кори — Сибаха. Обычно атом кислорода в карбонильной группе более электроотрицателен, чем атом углерода, и поэтому карбонильная группа реагирует как электрофил по углероду. Эта полярность может быть обращена, когда карбонильная группа превращается в дитиан или тиоацеталь. В синтонной терминологии обычная карбонильная группа представляет собой ацильный катион, а дитиан — маскированный ацильный анион. Когда дитиан получают из альдегида, такого как ацетальдегид, ацильный протон может быть отщеплен н-бутиллитием в THF при низких температурах. Образовавшийся таким образом 2-литио-1,3-дитиан реагирует как нуклеофил в реакциях нуклеофильного замещения с алкилгалогенидами, такими как бензилбромид, с другими карбонильными соединениями, такими как циклогексанон, или с оксиранами, такими как фенилэпоксиэтан, показанными ниже. После гидролиза дитианной группы конечными продуктами реакции являются α-алкилкетоны или α-гидроксикетоны. Распространенным реагентом для гидролиза дитианов является (бис(трифторацетокси)йодо)бензол. Химия дитиана открывает путь ко многим новым химическим превращениям. Один пример можно найти в так называемой анионной релейной химии, в которой отрицательный заряд анионной функциональной группы, образовавшейся в результате одной органической реакции, переносится в другое место в пределах той же углеродной структуры и становится доступным для вторичной реакции. В этом примере многокомпонентной реакции как формальдегид (1), так и изопропилальдегид (8) превращаются в дитианы 3 и 9 с 1,3-пропандитиолом. Сульфид 3 сначала силилируется реакцией с трет-бутиллитием, а затем триметилсилилхлоридом 4, после чего удаляется второй ацильный протон и происходит реакция с оптически активным (−)-эпихлоргидрином 6 с замещением хлора. Это соединение служит субстратом для реакции с другим дитианом 9 с образованием продукта раскрытия оксиранового кольца 10. Под влиянием полярного основания HMPA соединение 10 претерпевает перегруппировку 1,4-Брука в силилэфир 11, реактивируя дитианную группу формальдегида в виде аниона (отсюда и концепция анионной реле). Эта дитианная группа реагирует с оксираном 12 с образованием спирта 13, и на последней стадии сульфидные группы удаляются с помощью (бис(трифторацетокси)йодо)бензола. Тактика анионной релейной химии была элегантно применена в общем синтезе сложных молекул, обладающих значительной биологической активностью, таких как спонгистатин 2 и манделалид А.
Формирование окислительной связи
Можно сформировать связь между двумя атомами углерода с ( ) поляризацией, используя окислитель, такой как йод. В этом полном синтезе энтеролактона 1,4-взаимное расположение кислородных заместителей формируется посредством окислительной гомодимеризации карбоксилатного енолята с использованием йода в качестве окислителя.
Аминовый амполунг
Обычно атом азота в аминной группе реагирует как нуклеофил за счет своей неподеленной электронной пары. Эта полярность может быть изменена на противоположную, когда первичный или вторичный амин замещен хорошей уходящей группой (например, атомом галогена или алкоксигруппой). Полученное N-замещенное соединение может проявлять свойства электрофила по атому азота и реагировать с нуклеофилом, как, например, в электрофильном аминировании карбанионов.
Гидразон, обмотанный
Недавно C. J. Li и коллеги использовали реакцию умполюнга гидразонов для превращения различных карбонильных соединений в суррогаты органометаллических реагентов. В присутствии катализатора, подобного органометаллическим реагентам, гидразоны способны вступать в нуклеофильное присоединение, конъюгированное присоединение и кросс-сочетания, катализируемые переходными металлами, с различными электрофилами, образуя новые углерод-углеродные связи.