WikiDer > Окисление диоксиранами

Oxidation with dioxiranes

Окисление диоксиранами относится к введению кислорода в органические молекулы под действием диоксиран. Диоксираны хорошо известны своим окислением алкенов до эпоксидов; однако они также способны окислять другие ненасыщенные функциональные группы, гетероатомы и алкановые связи C-H.[1]

Вступление

Диоксираны могут образовываться под действием KHSO.5 по карбонильным соединениям. Из-за их низколежащих σ *О-О орбитально, они являются высокоэлектрофильными окислителями и реагируют с ненасыщенными функциональными группами, связями Y-H (с образованием продуктов внедрения кислорода) и гетероатомами.[2] Наиболее распространенными диоксиранами, используемыми в органическом синтезе, являются: диметилдиоксиран (DMD) и трифторметил-метилдиоксиран (TFD). Последний эффективен для хемоселективного окисления связей C-H и Si-H.[3] Хотя этот класс реагентов наиболее известен для эпоксидирования алкенов, диоксираны также широко используются для других видов окисления.

(1)

DioxGen.png

Механизм и стереохимия

Преобладающие механизмы

Эпоксидирование алкинов и алленов протекает по согласованным механизмам, аналогичным эпоксидированию простых алкенов.[4] Часто эти эпоксидированные продукты нестабильны и подвергаются дальнейшим реакциям окисления с помощью различных механизмов, таких как внедрение Y-H.

Кинетические исследования окисления гетероатомов показали, что их механизмы, вероятно, происходят за счет SN2, а не путем одноэлектронного переноса. Примером окисления гетероатомов является нуклеофильное разложение DMD под действием N-оксиды, побочная реакция, которая регенерирует восстановленный исходный материал и превращает окислитель в дикислород и ацетон.[5]

(2)

DioxMech1.png

Что касается механизма окисления C-H и Si-H, было предложено два механизма. Споры вращаются вокруг того, происходит ли окисление через согласованное внедрение оксеноидного типа или через радикальные промежуточные соединения. Большой объем доказательств (включая аналогичные окисления алкенов и перкислота эпоксидирование) поддерживает согласованный механизм;[6] однако недавние наблюдения радикальной реактивности были сделаны. Полное сохранение конфигурации при окислении хиральных алканов исключает участие свободных радикалов без каркаса. Однако при окислении некоторых ДМД наблюдались продукты радикального разложения, что указывает на наличие радикальных промежуточных продуктов.[7]

(3)

DioxMech2.png

Стереоселективные варианты

Энантиоселективное окисление диоксирана может зависеть от хиральных нерацемических диоксиранов, таких как Диоксиран на основе фруктозы Ши. Энантиоселективное окисление мезо-диолы с катализатором Ши, например, производят хиральные α-гидроксикетоны с умеренной энантиоселективностью.[8]

(4)

DioxStereo2.png

Альтернативно, асимметричное окружение может быть создано за счет использования хиральных комплексов металлов. Например, координация сульфидов с хиральными нерацемическими комплексами переходных металлов облегчает энантиоселективное сульфоксидирование диоксиранами. Бычий сывороточный альбумин также можно использовать для создания хиральной среды для сульфоксидации.[9]

(5)

DioxStereo.png

Объем и ограничения

Диоксираны окисляют самые разные функциональные группы. В этом разделе описывается область применения эпоксидирования диоксирана на подложках и наиболее часто получаемые продукты.

Окисление алкинов, алленов, аренов и других уникальных ненасыщенных функциональных групп может давать эпоксиды или другие окисленные продукты. Окисление аллены дает аллен диоксиды или продукты внутримолекулярного участия.[10] Также наблюдались незначительные количества побочных продуктов, образовавшихся в результате дополнительного окисления или перегруппировки.

(6)

DioxScope1.png

При окислении гетероароматических соединений получаемые продукты зависят от условий реакции. Таким образом, при низких температурах ацетилированные индолы просто эпоксидируются с высоким выходом (незащищенные индолы подвергаются N-окислению). Однако при повышении температуры до 0 ° C получаются перегруппированные продукты.[11]

(7)

DioxScope2.png

DMD может окислять гетероатомы до соответствующих оксидов (или продуктов разложения оксидов). Часто результаты этих окислений зависят от условий реакции. Чисто третичные амины дают соответствующие N-оксиды.[12] Первичные амины дают нитроалканы при обработке 4 эквивалентами DMD, но азоксисоединения при обработке только 2 эквивалентами.[13] Вторичные амины дают гидроксиламины или нитроны.[14]

(8)

DioxScope3.png

Окисление нитронат-анионов, образующихся на месте из нитроалканов, приводит к карбонильным соединениям в примере окислительного Неф реакция.[15]

(9)

DioxScope4.png

Окисление сульфидов в присутствии одного эквивалента DMD приводит к сульфоксидам.[16] Увеличение количества используемого DMD (2 или более эквивалентов) приводит к сульфонам. И азот, и сера более восприимчивы к окислению, чем кратные углерод-углеродные связи.

(10)

DioxScope5.png

Хотя алканы обычно сложно функционализировать напрямую, введение C-H с помощью TFD во многих случаях является эффективным процессом. Порядок реакционной способности связей C-H следующий: аллильная> бензильная> третичная> вторичная> первичная. Часто получаемые промежуточные спирты дополнительно окисляются до карбонильных соединений, хотя этого можно избежать путем улавливания на месте с ангидридом. Хиральные алканы функционализируются с сохранением конфигурации.[17]

(11)

DioxScope6.png

Диоксираны окисляют первичные спирты до альдегида или карбоновой кислоты;[18] однако DMD избирательно окисляет вторичные спирты по сравнению с первичными. Таким образом, вицинальные диолы могут превращаться в α-гидроксикетоны при окислении диоксирана.[19]

(12)

DioxScope7.png

Эпоксидирование обычно происходит легче, чем окисление C-H, хотя пространственно затрудненные аллильные группы могут подвергаться селективному окислению C-H вместо эпоксидирования двойной аллильной связи.[20]

Сравнение с другими методами

Известен ряд альтернативных реагентов для окисления гетероатомов, включая пероксиды (часто используемые с катализатором на основе переходного металла) и оксазиридины. Эти реагенты не страдают от проблем чрезмерного окисления и проблем разложения, связанных с диоксиранами; однако объем их подложки, как правило, более ограничен. Нуклеофильное разложение диоксиранов до синглетный кислород - уникальная проблема, связанная с окислением гетероатома диоксиран. Хотя хиральные диоксираны не обеспечивают таких же уровней энантиоселективности, как другие протоколы, такие как система сульфоксидации Кагана,[21] Комплексообразование с хиральным комплексом переходного металла с последующим окислением дает оптически активные сульфоксиды с хорошей энантиоселективностью.

Окисление аренов и кумуленов первоначально приводит к эпоксидам. Эти субстраты устойчивы ко многим реагентам эпоксидирования, включая оксазиридины, пероксид водорода, и оксосоединения марганца. Металлоорганические окислители также медленно реагируют с этими соединениями, за исключением метилтриоксорений.[22] Надкислоты также реагируют с аренами и кумуленами, но не могут использоваться с субстратами, содержащими чувствительные к кислотам функциональные группы.

Прямая окислительная функционализация связей C-H является постоянной проблемой в химии окисления. Среди безметалловых систем диоксираны являются лучшими окислителями для превращения связей C-H в спирты или карбонилы. Однако некоторые каталитические системы переходных металлов, такие как система Уайта палладий-сульфоксид, способны избирательно окислять связи C-H.[23]

Условия и методика экспериментов

Типичные условия

Диоксираны летучие перекиси с ним следует обращаться осторожно в хорошо вентилируемом вытяжном шкафу. Следует строго избегать вдыхания и воздействия на кожу. Поскольку многие процессы окисления диоксирана тонко зависят от условий реакции, следует также позаботиться об оптимизации параметров реакции, таких как эквиваленты окислителя и температура. Гидроксильные и эфирные растворители должны никогда использоваться в реакциях диоксиранов, так как будет происходить конкурентное окисление растворителя.

Подготовка ТФД[24]

Пятигорлый сосуд с круглым дном на 150 мл оборудован механической мешалкой, прямым конденсатором с воздушным охлаждением, неплотно набитым силанизированной стекловатой, воронкой для добавления твердых частиц, трубкой для впуска газа, проходящей в реакционную смесь, и термометром. Воздушный конденсатор соединен сбоку с верхним входом спирального конденсатора с эффективной рубашкой, охлаждаемого до -75 ° C (сухой лед / ацетон); нижний выход этого конденсатора подсоединен к двустороннему переходнику коллектора фракций, несущему две приемные колбы по 50 мл, также охлаждаемые до -75 ° C. Последовательно к адаптеру устанавливаются две холодные ловушки, первая охлаждается до -75 ° C, а вторая - до температуры жидкого азота. В основной сосуд загружается NaHCO3 (1,5 г) и Na2ЧАС2ЭДТА (0,5 г) растворяют в 15 мл бидистиллированной воды и охлаждают до 2–5 ° C. К нему добавляют 20 г (0,179 моль) 1,1,1-трифтор-2-пропанона и начинают механическое перемешивание. Твердый пероксомоносульфат калия (0,081 моль, 25 г тройной соли курокса) быстро добавляют (1-2 мин) в реакционный сосуд, пропуская через смесь легкий поток газообразного гелия (или аргона). Непосредственно перед началом добавления твердого неорганического пероксида к последней ловушке создается небольшой вакуум (650-700 мм рт. –8 мин собирают примерно 12 мл желтого раствора TFD в TFP с концентрацией диоксирана от 0,5 до 0,8 М; 1H ЯМР (CF3COCH3, Мне4Si, −20 ° C) 6 1,97 (с).

Холодные растворы TFP можно быстро высушить над MgSO.4 (Сорт Аналар), быстро фильтруют и хранят на молекулярных ситах 5Å при -20 ° C (хранить в защищенном от света месте). При этом следует соблюдать осторожность при использовании особо чистой посуды (перед сушкой для окончательной мойки мы используем 0,01% Na2ЧАС2ЭДТА в бидистиллированной воде) и что следы металлов и другие примеси тщательно исключены, наблюдается только незначительная потеря содержания диоксирана в растворах (например, 56% в течение 48 часов при -20 ° C). Дорогой растворитель TFP может быть извлечен из растворов разложившегося диоксирана низкотемпературной фракционной перегонкой (точка кипения 22 ° C) через эффективную колонну.

Пример процедуры окисления[24]

(13)

DioxEx.png

Раствор TFD (4,60 мл, 0,50 М, 2,30 ммоль) в трифторацетон/ CH2Cl2 (2: 1 об. / Об.) При –20 ° добавляли к раствору адамантан (136 мг, 0,100 ммоль) в CH2Cl2 (5 мл) также при –20 ° при интенсивном магнитном перемешивании. За ходом реакции следили с помощью анализа ГЖХ, который показал, что 97% адамантана превратилось в его гидроксилированные продукты за 40 минут. Удаление растворителя на роторный испаритель (–20 °, 15 мм рт. Ст.) Давала смесь 1,3-дигидроксиадамантана (156 мг, 91%) и моногидроксиадамантана (4,6 мг, 3%). Спектральные данные 1,3-дигидроксиадамантана следующие. ИК (KBr): 3275 (O-H), 2930 и 2851 (C-H), 1453, 1135, 1027, 968, 911, 801 см.−1. 1H ЯМР (CDCl3): 1,50 (м, 2 H), 1,62 (кажущийся d, 8 H), 1,65 (с, 2 H), 2,23 (м, 2 H), 4,88 (OH).

Рекомендации

  1. ^ Adam, W .; Zhao, C.-G .; Якка, К. Орг. Реагировать. 2007, 69, 1. Дои:10.1002 / 0471264180.or069.01
  2. ^ Adam, W .; Curci, R .; Эдвардс, Дж. О. Соотв. Chem. Res. 1989, 22, 205.
  3. ^ Asensio, G .; González-Núñez, M.E .; Biox Bernardini, C .; Mello, R .; Адам, В. Варенье. Chem. Soc. 1993, 115, 7250.
  4. ^ Adam, W .; Saha-Moller, C .; Якка, К. Орг. Реагировать. 2002, 61, 219.
  5. ^ Adam, W .; Бривиба, К .; Душек, Ф .; Golsch, D .; Кифер, В .; Сис, Х. J. Chem. Soc., Chem. Commun. 1995, 1831.
  6. ^ Mello, R .; Fiorentino, M .; Fusco, C .; Курчи, Р. Варенье. Chem. Soc. 1989, 111, 6749.
  7. ^ Браво, А .; Fontana, F .; Fronza, G .; Minisci, F .; Чжао, Л. J. Org. Chem. 1998, 63, 254.
  8. ^ Adam, W .; Saha-Möller, C.R .; Чжао, К.-Г. J. Org. Chem. 1999, 64, 7492.
  9. ^ Schenk, W.A .; Steinmetz, B .; Hagel, M .; Adam, W .; Саха-Мёллер, К. Р. З. Naturforsch. 1997, 1359.
  10. ^ Crandall, J. K .; Batal, D.J .; Lin, F .; Reix, T .; Надоль, Г. С .; Нг, Р.А. Тетраэдр 1992, 48, 1427.
  11. ^ Adam, W .; Арвайлер, М .; Peters, K .; Шмидескамп, Б. J. Org. Chem. 1994, 59, 2733.
  12. ^ Феррер, М .; Sánchez-Baeza, F .; Мессегер, А. Тетраэдр 1997, 53, 15877.
  13. ^ Мюррей, Р. У .; Singh, M .; Рат, Н. Тетраэдр: асимметрия 1996, 7, 1611.
  14. ^ Мюррей, Р. У .; Singh, M .; Джейараман, Р. Варенье. Chem. Soc. 1992, 114, 1346.
  15. ^ Пинник, Х. В. Орг. Реагировать. 1990, 38, 655.
  16. ^ Мюррей, Р. У .; Джейараман, Р. J. Org. Chem. 1985, 50, 2847.
  17. ^ Asensio, G .; Mello, R .; González-Núñez, M.E .; Castellano, G .; Корраль, Дж. Энгью. Chem. Int. Эд. Англ. 1996, 35, 217.
  18. ^ Курчи, Р. Варенье. Chem. Soc. 1991, 113, 2205.
  19. ^ Bovicelli, P .; Lupattelli, P .; Sanetti, A .; Минчоне, Э. Tetrahedron Lett. 1994, 35, 8477.
  20. ^ Adam, W .; Prechtl, F .; Richter, M. J .; Смерц, А.К. Tetrahedron Lett. 1995, 36, 4991.
  21. ^ Pitchen, P .; Dunach, E .; Дешмук, М. Н .; Каган, Х. Варенье. Chem. Soc. 1984, 106, 8188.
  22. ^ Adam, W .; Mitchell, C.M .; Saha-Möller, C.R .; Вайхольд, О. Структура и связь, металл-оксо и металл-пероксо в каталитическом окислении; Meunier, B., Ed .; Springer Verlag: Berlin Heidelberg, 2000; Vol. 97. С. 237–285.
  23. ^ Н.А. Вермёлен; РС. Чен; и M.C. Белый. Тетраэдр 2009, 65, 3078.
  24. ^ а б Mello, R .; Cassidei, L .; Fiorentino, M .; Fusco, C .; Курчи, Р. Tetrahedron Lett. 1990, 31, 3067.