Реакции С и О ацилирования
Введение.
Реакции ацилирования обладают очень многими полезными свойствами. Они
позволяют вести в молекулу функциональную группу C=O путем реакций
присоединения либо замещения, не подвергая исходную молекулу окислению
(восстановлению). Таким образом, можно получать соединения различных
классов: а) амиды; б) сложные эфиры; в) ангидриды карбоновых кислот; г)
кетоны и другие полезные соединения. Неудивительно, что реакции
ацилирования находят широкое применение в промышленности и в химических
исследованиях. В своем докладе я рассмотрю три наиболее важных типа реакций
ацилирования C-ацилирование, O-ацилирование и N-ацилирование.
Реакции C-ацилирования.
Наиболее часто в реакциях С-ацилирования используются металлоорганические
соединения (реактивы Гриньяра, кислоты Льюиса, соединения алкила с
металлом, алкоголяты металлов, а также комплексные соли с алкильными
лигандами).
Реакция алкил-де-галогенирования.
Рассмотрим реакцию алкил-де-галогенирования (превращения ацилгалогенидов
в кетоны с помощью металлоорганических соединений). Ацилгалогениды гладко и
в мягких условиях взаимодействуют с диалкилкупратами лития, давая с
высокими выходами кетоны. Это происходит по следующей схеме:
Группа R' может быть первичной, вторичной или третичной алкильной или
арильной; она может содержать йодо-, кето-, нитро-, циано- и сложноэфирные
группы. Успешно проведены реакции, в которых группа R была метильной,
первичной алкильной и винильной. Вторичные и третичные алкильные группы
можно ввести, если вместо R2CuLi использовать PhS(R)CuLi. Группа R может
быть и алкинильной, если в качестве реагента применяется ацетиленид меди
R’’C(CСu.
Другой тип металлоорганических реагентов, которые дают хорошие выходы
кетонов при обработке ацилгалогенидами, - это кадмийорганические соединения
R2Cd (получаемые из реактивов Гриньяра) В этом случае группа R может быть
арильной или первичной алкильной. Вторичные и третичные алкилкадмиевые
реагенты оказываются, как правило, недостаточно устойчивыми, чтобы служить
полезными реагентами в этой реакции. Как в R’COX, так и в R2Cd может
присутствовать сложноэфирная группа. Цинкорганические соединения ведут себя
аналогично, но используются реже. Ртутьорганические соединения и
тетраалкилсиланы также вступают в эту реакцию при катализе AlX3.
Реакция алкил-де-ацилокси-замещения.
Также интересна реакция алкил-де-ацилокси-замещения (превращение
ангидридов, сложных эфиров и амидов карбоновых кислот в кетоны с помощью
металлоорганических соединений), с помощью котрой можно получать кетоны из
соединений других классов.
Как и ацилгалогениды, ангидриды и сложные эфиры карбоновых кислот при
обработке реактивами Гриньяра дают третичные спирты. Для увеличения выхода
кетона применяют низкие температуры и обратный порядок смешения реагентов.
Реакции сочетания ацилгалогенидов.
Известны также интересные реакции сочетания ацилгалогенидов, в результате
которых можно получать симметричные ?-дикетоны.
При действии пирофорного свинца ацилгалогениды вступают в реакцию
сочетания, аналогичную реакции Вюрца:
Аналогично проходит реакция бензоилхлорида под действием ультразвука в
присутствии литиевой проволоки с образованием бензила:
Реакции ацилирования кетонов ангидридами.
Ацилирование кетонов ангидридами в присутствии трифторида бора в качестве
катализатора приводит к ?-дикетонам. В случае несимметричных кетонов
ацилирование идет главным образом по наиболее замещенному положению:
Продуктом является комплекс, содержащий BF2, который под действием
водного ацетата натрия разлагается с образованием ацилированного кетона.
Следовательно, трифторид бора и кетон надо брать в эквимолярных
соотношениях.
Реакции ацилирования сложных эфиров сложными эфирами. Конденсации
Кляйзена и Дикмана.
При обработке сложных эфиров, содержащих атом водорода в ?-положении,
сильным основанием (этилат натрия), происходит конденсация, приводящая к ?-
кетоэфирам. Эта реакция называется конденсацией Кляйзена:
Необходимо отметить, что реакция идет еще дальше с образованием
карбаниона и этилового спирта. Это очень важный процесс, так как он смещает
равновесие вправо и позволяет получить желаемый продукт:
Когда в реакцию вводят смесь двух различных сложных эфиров, каждый из
которых содержит ?-атом водорода, то обычно получается смесь всех четырех
возможных продуктов; вследствие этого реакция редко используется в
синтетических целях. Однако, если атом водорода в ?-положении имеется
только в одном из сложных эфиров, смешанная реакция часто дает
удовлетворительные результаты.
Если две сложноэфирные группы, участвующие в конденсации, находятся в
одной молекуле, в результате получается циклический ?-кетоэфир; такая
реакция называется конденсацией Дикмана:
Наилучшие результаты при конденсации Дикмана получены для синтеза пяти-,
шести- и семичленных циклов. Реакции, приводящие к циклам с числом атомов в
кольце от 9 до 12, идут с очень низким выходом или не идут совсем; циклы
большего размера синтезированы с использованием метода высокого
разбавления.
Реакция ацилирования Фриделя-Крафтса.
Данная реакция позволяет присоединять к бензолу ацильный радикал. В
присутствии кислот Льюиса хлорангидриды и ангидриды кислот дают ион ацилия
R–C+=O, который действует как эффективный электрофильный реагент, приводя к
образованию кетона:
Получающийся кетон образует комплекс с хлористым алюминием извлекая его
тем самым из сферы реакции. Таким образом, для завершения реакции
необходимо значительно больше одного эквивалента катализатора.
Имеются, однако, некоторые указания, согласно которым, если бы комплекс с
AlCl3 не возникал, то кетон образовывал бы комплекс с ионом ацилия, который
не мог бы атаковать основной субстрат, в данном случае бензол.
Причем если радикал имеет сильно разветвленное строение, то может
происходить отщепление C=O, и в этом случае вместо ожидаемого ацилирования
будет наблюдаться алкилирование субстрата:
Интересным примером использования реакции Фриделя-Крафтса может быть
следующая двухстадийная и весьма важная в синтетическом отношении реакция:
Реакции N-ацилирования.
Ацилирование аминов ацилгалогенидами.
Реакции амино-де-галогенирования наиболее часто используются для синтеза
амидов. Действие аммиака или аминов на ацилгалогениды представляет собой
общий метод синтеза амидов.
Реакция сильно экзотермична и требует тщательного контроля, обычно
охлаждением или разбавлением. При использовании аммиака получают
незамещенные амиды, из первичных аминов получают N-замещенные амиды, а из
вторичных аминов – N,N-дизамещенные амиды. Аналогично можно ацилировать
ариламины. В некоторых случаях для связывания выделяющейся
галогеноводородной кислоты добавляют водный раствор щелочи. Такая реакция
носит название метода Шоттена-Баумана.
Гидразин и гидроксиламин также реагируют с ацилгалогенидами, давая
соответственно гидразиды RCONHNH2 и гидроксамовые кислоты RCONHOH; эта
реакция часто используется для синтеза данных соединений. Если вместо
ацилгалогенида взять фосген, то как ароматические, так и алифатические
первичные амины дают хлороформамиды ClCONHR, которые теряя HCl,
превращаются в изоцианаты RNCO. Это один из наиболее распространенных
методов синтеза изоцианатов.
Тиофосген при аналогичной обработке дает изотиоцианаты. Фосген в этой
реакции можно заменить более безопасным трихлорометилхлороформиатом. При
действии первичных аминов на хлороформиаты ROCOCl получаются карбаматы
ROCONHR’. Примером этой реакции служит защита аминогруппы в аминокислотах и
пептидах действием карбобензоксихлорида:
Аминогруппы вообще часто защищают превращением в более устойчивые –
амидные. Взаимодействие ацилгалогенидов с нитридом лития дает N,N-
диациламиды (триациламины).
Ацилирование аминов ангидридами.
По механизму и диапазону применимости реакция амино-де-ацилокси-замещения
аналогична реакции описанной в предыдущем разделе и может быть проведена с
участием аммиака, первичных или вторичных аминов.
Однако при использовании аммиака и первичных аминов получаются также и
имиды, в которых с атомом азота свяэаны две ацильные группы. Это происходит
особенно легко в случае циклических ангидридов, из которых образуются
циклические имиды:
Второй стадией этой реакции, которая намного медленне первой, является
атака атома азота амидной группы на карбоновую кислоту.
Ацилирование аминов карбоновыми кислотами.
При обработке карбоновых кислот аммиаком или аминами получаются соли.
Соли, полученные из аммиака, а также первичных и вторичных аминов в
результате пиролиза дают амиды, но этот метод менее удобен, чем реакции
аминов с ангидридами, ацилгалогенидами и сложными эфирами, и редко
используется в препаративных целях.
Хотя и взаимодействие кислот с аминами не приводит непосредственно к
амидам, можно добиться чтобы эта реакция шла с хорошим выходом при
комнатной или немного повышенной температуре.
Кислоты можно превратить в амиды также нагреванием с амидами других
карбоновых кислот (обмен), сульфоновых или фосфиновых кислот или действием
трис(алкиламино)боранов [B(NHR’)3] или трис(диалкиламино)боранов
[B(NR’2)3]:
Ацилирование аминов сложными эфирами.
Превращение сложных эфиров в амиды – полезный метод синтеза незамещенных,
N-замещенных и N,N-дизамещенных амидов из соответствующих аминов.
Реакцию можно проводить с алкильными или ароматическими группами R и R’.
Особенно хорошей уходящей группой является n-нитрофенильная. Эта реакция
весьма ценна, так как многие сложные эфиры легкодоступны или сравнительно
легко получаются даже в тех случаях, когда этого нельзя сказать о
соответствующем ангидриде кислоты или ацилгалогениде. Как и по реакции с
ацилгалогенидами, этим методом из сложных эфиров можно синтезировать
гидразиды и гидроксамовые кислоты действием гидразина и гидроксиламина
соответственно. И гидразин, и гидроксиламин взаимодействуют быстрее, чем
аммиак или первичные амины. Вместо сложных эфиров часто используют
фенилгидразиды, получаемые из фенилгидразина.
Остаётся добавить, что реакция образования гидроксамовых кислот. которые
в присутсвии трёхвалентного железа дают окрашенные комплексы, часто
используется как тест на сложные эфиры.
Ацилирование аминов амидами.
Это реакция обмена, и ее обычно проводят с солью амина. Уходящей группой
служит, как правило, NH2, а не NHR или NR2; в качестве реагентов наиболее
широко применяются первичные амины (в виде солей).
Для образования комплекса с уходящим аммиаком можно добавлять BF3. Эту
реакцию часто применяют для получения замещенных производных мочевины из
самой мочевины:
Диметилформамид можно превратить в другие формамиды продолжительным
нагреванием с первичным или вторичным амином.
Реакции O-ацилирования.
Гидролиз ацилгалогенидов.
Ацилгалогениды очень реакционноспособны, поэтому гидролиз проходит легко.
Большинство галогеноангидридов простых кислот следует хранить в безводных
условиях, так как они реагируют с влагой воздуха. Поэтому обычно вода
оказывается достаточно сильным нуклеофилом для проведения реакции |
