Reakcje sprzęgania za pośrednictwem manganu
Reakcje sprzęgania, w których pośredniczy mangan, to rodnikowe reakcje sprzęgania między enolizowalnymi związkami karbonylowymi i związkami nienasyconymi inicjowanymi przez sól manganu (III), zazwyczaj octan manganu (III). Octan miedzi (II) jest czasami używany jako współutleniacz wspomagający utlenianie pośrednich rodników do karbokationów.
Wstęp
Octan manganu(III) jest jednoelektronowym środkiem utleniającym, który jest szczególnie skuteczny w utlenianiu enolizowalnych związków karbonylowych do rodników α-oksoalkilowych lub α,α'-dioksoalkilowych. Powstające w ten sposób rodniki mogą następnie ulegać międzycząsteczkowej lub wewnątrzcząsteczkowej addycji do wielokrotnych wiązań węgiel-węgiel. Ścieżki dostępne dla rodnika adduktowego obejmują dalsze utlenianie do karbokationu (i późniejszą eliminację β lub uwięzienie nukleofilem) oraz abstrakcję wodoru w celu wytworzenia nasyconego związku karbonylowego zawierającego nowe wiązanie węgiel-węgiel. Czasami potrzebny jest octan miedzi (II), aby ułatwić utlenianie rodników adduktów do karbokationów. Wydajności tych reakcji są na ogół umiarkowane, szczególnie w przypadku międzycząsteczkowym, ale tandemowe wewnątrzcząsteczkowe cyklizacje rodnikowe inicjowane przez utlenianie Mn(III) mogą generować złożone szkielety karbocykliczne. Ze względu na ograniczoną kompatybilność grup funkcyjnych Mn (OAc) 3 , sprzęgania rodnikowe z wykorzystaniem tego odczynnika zastosowano głównie do syntezy naturalnych produktów węglowodorowych, takich jak feromony.
(1)
Mechanizm i stereochemia
Przeważający mechanizm
Mechanizm reakcji rodnikowych, w których pośredniczy mangan (III), zaczyna się od jednoelektronowego utleniania związku karbonylowego do rodnika α-oksoalkilowego. Następnie następuje addycja do olefiny, z wytworzeniem rodnika adduktowego 2 . O losie 2 decydują przede wszystkim warunki reakcji – w obecności octanu miedzi(II) ten związek pośredni ulega dalszemu utlenieniu do karbokationu i może eliminować, tworząc β,γ-nienasycony keton 4 . Sam octan manganu może wpływać na drugie utlenianie rodników adduktów stabilizowanych rezonansem do karbokationów 5 ; niestabilizowane rodniki ulegają dalszym przemianom przed reakcją z Mn(OAc) 3 . Przeniesienie atomu z innej cząsteczki substratu może wygenerować związek nasycony 3 . Rodniki adduktów lub karbokationy mogą ulegać reakcjom przeniesienia ligandu, dając związki karbonylowe z funkcjonalizacją γ. Gdy chlorek litu , zachodzi chlorowanie. Alternatywnie karbokationy mogą być uwięzione wewnątrzcząsteczkowo przez tlen karbonylowy, tworząc dihydrofurany po β-eliminacji.
(2)
Zakres i ograniczenia
Wyniki reakcji sprzęgania, w których pośredniczy mangan, zależą zarówno od struktury substratu (substratów), jak i warunków reakcji. Ta sekcja opisuje zakres i ograniczenia między- i wewnątrzcząsteczkowych reakcji sprzęgania rodnikowego, w których pośredniczy mangan, i jest zorganizowana zgodnie ze związkiem karbonylowym zastosowanym jako substrat.
Reakcje międzycząsteczkowe między ketonami/aldehydami i alkenami zwykle dają niskie wydajności. W przypadku braku octanu miedzi (II) zachodzi abstrakcja atomów wodoru , w wyniku czego powstają nasycone ketony lub aldehydy.
(3)
W przypadku obecności Cu(OAc) 2 następuje dalsze utlenianie do karbokationów, po którym następuje eliminacja, co prowadzi do powstania β,γ-nienasyconych związków karbonylowych z umiarkowaną wydajnością.
(4)
Związki aromatyczne są również użytecznymi akceptorami rodników w reakcjach sprzęgania, w których pośredniczy mangan (III). Furan reaguje selektywnie w pozycji α, dając podstawione produkty z dużą wydajnością.
(5)
Laktonizacja alkenów w obecności kwasu octowego i soli octanowych jest syntetycznie użyteczną metodą syntezy γ-laktonów. Selektywność jest wysoka w przypadku addycji rodników, która prowadzi do bardziej stabilnego rodnika adduktowego, a translaktony są selektywnie tworzone z cis lub trans acyklicznych alkenów.
(6)
Związki β-dikarbonylowe są użytecznymi substratami do tworzenia dihydrofuranów. Octan miedzi (II) nie jest w tym przypadku konieczny ze względu na wysoką stabilizację rezonansową pośredniego rodnika difenylometylowego.
(7)
Kiedy alkeny lub związki karbonylowe zawierające boczne nienasycone ugrupowanie traktuje się octanem manganu (III) , mogą wystąpić tandemowe reakcje cyklizacji wewnątrzcząsteczkowej. Ogólnie egzocyklizacja końcowych wiązań podwójnych, jak pokazano w równaniu (10). Do tej transformacji można zastosować różne wzorce podstawień, a wydajności są na ogół wyższe niż w przypadku reakcji sprzęgania międzycząsteczkowego.
(8)
Stereochemiczny przebieg reakcji tandemowych można w niektórych przypadkach zrozumieć, wywołując stan przejściowy podobny do krzesła z jak największą liczbą podstawników w pozycjach pseudorównikowych; jednak znanych jest wiele przykładów wykazujących nieprzewidywalną stereochemię.
(9)
Nitryle są przydatne jako rodnikowe akceptory w tandemowych cyklizacjach. Hydroliza powstałej iminy prowadzi do policyklicznych ketonów z umiarkowaną wydajnością i dobrą stereoselektywnością.
(10)
Aplikacje syntetyczne
Syntetyczne zastosowania sprzęgania za pośrednictwem manganu skupiały się głównie na syntezie naturalnych produktów węglowodorowych, takich jak feromony . Synteza feromonu królowej pszczół wykorzystuje międzycząsteczkowe sprzężenie acetonu i octanu ω-alkenylu w drodze do celu.
(11)
Laktonizacja jest kluczowym etapem syntezy feromonu płciowego owsika pomidora. Późniejsze uwodornienie Lindlara, redukcja i acetylacja dostarczyły docelowego związku.
(12)
Warunki i procedura doświadczalna
Typowe warunki
Octan manganu(III) może być stosowany jako jego dihydrat lub w postaci bezwodnej. Alternatywnie można go wytwarzać elektrochemicznie z octanu manganu (II) . W przypadku tych reakcji należy wziąć pod uwagę stechiometrię , ponieważ wymagane są dwa równoważniki utleniacza, jeśli pożądane są półprodukty karbokationowe (ponieważ Mn(OAc) 3 jest utleniaczem jednoelektronowym). Drugi równoważnik octanu manganu(III) jest również wymagany, jeśli jako kokatalizator stosuje się octan miedzi(II) , ponieważ Mn(OAc) 3 ponownie utlenia Cu(I) do Cu(II). Lodowaty kwas octowy jest najczęściej stosowanym rozpuszczalnikiem i chociaż prowadzi do heterogenicznych mieszanin reakcyjnych w temperaturze pokojowej , można zastosować krótkie ogrzewanie przed dodaniem substratu w celu rozpuszczenia Mn(OAc) 3 . Ponieważ dla produktów pośrednich reakcji dostępnych jest wiele ścieżek o różnej cząsteczce, stężenie jest ważną zmienną, którą należy wziąć pod uwagę. Podwyższone temperatury są zwykle wymagane do przeprowadzenia utleniania mniej kwaśnych związków karbonylowych.
Przykładowa procedura
(13)
Do ogrzanego roztworu fenylosulfenyloacetonu (1 mmol) i 1,1-difenyloetenu (1 mmol) w AcOH (25 ml) dodano Mn(OAc) 3-2 H2O (4 mmol ) . Mieszaninę mieszano w 80° przez 12 minut. Reakcję przerwano przez dodanie H2O ( 60 ml), a następnie mieszaninę ekstrahowano benzenem. Po usunięciu benzenu produkt oddzielono w postaci bladożółtego oleju, albo na TLC (Wacogel B10) z elucją CHCl3 albo na kolumnie z żelem krzemionkowym z elucją benzenem. IR (CHCI3 ) 1642, 1018 cm -1 ; 1H NMR (60 MHz, CDC1 3 ) δ2,38 (t, J = 1,6 Hz, 3 H), 2,86 (dq, J = 1,6, 14,4 Hz, 1 H), 3,72 (dq, J = 1,6, 14,4 Hz, 1 H), 7,07–7,73 (m, 15H); wysoka rozdzielczość MS m/ e obliczono dla C23H20O2S 360,1184 . Znaleziono 360.1273.