Окисление Сверна: механизм и особенности проведения
Swern oxidation
Окисление Сверна: мягкий метод окисления спиртов до альдегидов и кетонов с использованием оксалилхлорида и ДМСО. Подробно о реакции и мерах предосторожности.
В органической химии окисление Сверна, названное в честь Даниэля Сверна, — это химическая реакция, в которой первичный или вторичный спирт (R-OH) окисляется до альдегида (R-CHO) или кетона (R-CO-R') с использованием хлорида оксалила, диметилсульфоксида (DMSO) и органического основания, такого как триэтиламин. Это одна из многих окислительных реакций, обычно называемых окислениями с «активированным ДМСО». Реакция известна своей мягкостью и широкой толерантностью к функциональным группам. Побочными продуктами являются диметилсульфид ((CH3)2S), монооксид углерода (CO), диоксид углерода (CO2) и – при использовании триэтиламина в качестве основания – хлорид триэтиламмония (Et3NHCl). Из летучих побочных продуктов диметилсульфид обладает сильным, проникающим запахом, а монооксид углерода – высокой токсичностью, поэтому реакцию и последующую обработку необходимо проводить в вытяжном шкафу. Диметилсульфид – это летучая жидкость (температура кипения 37 °C) с неприятным запахом даже при низких концентрациях.
In organic chemistry, the Swern oxidation, named after Daniel Swern, is a chemical reaction whereby a primary or secondary alcohol (|\sOH) is oxidized to an aldehyde (|\sCH\dO) or ketone (|>C\dO) using oxalyl chloride, dimethyl sulfoxide (DMSO) and an organic base, such as triethylamine. It is one of the many oxidation reactions commonly referred to as 'activated DMSO' oxidations. The reaction is known for its mild character and wide tolerance of functional groups. The by products are dimethyl sulfide ((CH3)2S), carbon monoxide (CO), carbon dioxide (CO2) and—when triethylamine is used as base—triethylammonium chloride (Et3NHCl). Of the volatile by products, dimethyl sulfide has a strong, pervasive odour and carbon monoxide is acutely toxic, so the reaction and the work up needs to be performed in a fume hood. Dimethyl sulfide is a volatile liquid (B. P. 37 °C) with an unpleasant odour at even low concentrations.
Механизм
Первым шагом окисления Сверна является реакция ДМСО, 1a, формально в качестве резонансного участника 1b, с оксалилхлоридом, 2, при низкой температуре. Первый промежуточный продукт, 3, быстро разлагается с выделением углекислого газа и монооксида углерода, образуя хлоро(диметил)сульфониевый хлорид, 4. После добавления спирта 5, хлоро(диметил)сульфониевый хлорид 4 реагирует со спиртом, образуя ключевой промежуточный алкоксисульфониевый ион 6. Добавление как минимум 2 эквивалентов основания – обычно триэтиламина – приводит к депротонированию алкоксисульфониевого иона с образованием серного илида 7. В пятичленном кольцевом переходном состоянии серный илид 7 разлагается, образуя диметилсульфид и целевое карбонильное соединение 8.
The first step of the Swern oxidation is the low temperature reaction of DMSO, 1a, formally as resonance contributor 1b, with oxalyl chloride, 2. The first intermediate, 3, quickly decomposes giving off carbon dioxide and carbon monoxide and producing chloro(dimethyl)sulfonium chloride, 4. After addition of the alcohol 5, the chloro(dimethyl)sulfonium chloride 4 reacts with the alcohol to give the key alkoxysulfonium ion intermediate, 6. The addition of at least 2 equivalents of base — typically triethylamine — will deprotonate the alkoxysulfonium ion to give the sulfur ylide 7. In a five membered ring transition state, the sulfur ylide 7 decomposes to give dimethyl sulfide and the desired carbonyl compound 8.
Вариации
При использовании оксалилового хлорида в качестве дегидратирующего агента реакцию необходимо поддерживать при температуре ниже −60 °C, чтобы избежать побочных реакций. При использовании хлорида цианура или трифторуксусного ангидрида вместо оксалилового хлорида реакцию можно нагреть до −30 °C без побочных реакций. Другими способами активации ДМСО для инициирования образования ключевого промежуточного соединения 6 являются использование карбодимидов (окисление Пфитцнера–Моффатта), комплекса триоксида серы с пиридином (окисление Париха–Доринга) или уксусного ангидрида (окисление Олбрайта–Голдмана). Промежуточное соединение 4 также можно получить из диметилсульфида и N-хлоросукцинимида (окисление Кори–Ким). В некоторых случаях использование триэтиламина в качестве основания может приводить к эпимеризации углерода, находящегося в альфа-положении к новообразованной карбонильной группе. Использование более объемного основания, такого как диизопропилэтиламин, может уменьшить эту побочную реакцию.
When using oxalyl chloride as the dehydration agent, the reaction must be kept colder than −60 °C to avoid side reactions. With cyanuric chloride or trifluoroacetic anhydride instead of oxalyl chloride, the reaction can be warmed to −30 °C without side reactions. Other methods for the activation of DMSO to initiate the formation of the key intermediate 6 are the use of carbodiimides (Pfitzner–Moffatt oxidation), a sulfur trioxide pyridine complex (Parikh–Doering oxidation) or acetic anhydride (Albright Goldman oxidation). The intermediate 4 can also be prepared from dimethyl sulfide and N chlorosuccinimide (the Corey–Kim oxidation). In some cases, the use of triethylamine as the base can lead to epimerisation at the carbon alpha to the newly formed carbonyl. Using a bulkier base, such as diisopropylethylamine, can mitigate this side reaction.
Рассмотрение
Диметилсульфид, побочный продукт окисления Сверна, является одним из наиболее неприятных запахов, известных в органической химии. Люди могут обнаруживать это соединение в концентрациях всего от 0,02 до 0,1 части на миллион. Простое решение этой проблемы – промыть использованную лабораторную посуду раствором отбеливателя или оксона, которые окислят диметилсульфид обратно в диметилсульфоксид или диметилсульфон, оба из которых не имеют запаха и нетоксичны. Условия реакции позволяют проводить окисление кислоточувствительных соединений, которые могли бы разложиться в кислых условиях окисления, например, при окислении по Джонсу. Например, в синтезе сесквитерпена изовеллераля по Томпсону и Хиткоку, на заключительном этапе используется протокол Сверна, чтобы избежать перегруппировки кислоточувствительного фрагмента циклопропанеметанола.
Dimethyl sulfide, a byproduct of the Swern oxidation, is one of the most notoriously unpleasant odors known in organic chemistry. Humans can detect this compound in concentrations as low as 0.02 to 0.1 parts per million. A simple remedy for this problem is to rinse used glassware with bleach or oxone solution, which will oxidize the dimethyl sulfide back to dimethyl sulfoxide or to dimethyl sulfone, both of which are odourless and nontoxic. The reaction conditions allow oxidation of acid sensitive compounds, which might decompose under the acidic oxidation conditions such as Jones oxidation. For example, in Thompson & Heathcock's synthesis of the sesquiterpene isovelleral, the final step uses the Swern protocol, avoiding rearrangement of the acid sensitive cyclopropanemethanol moiety.