Sự khử 1 điện tử của các hợp chất cacbonyl và Este; Sự ghép cặp có tính khử

Hòa tan kim loại ban đầu vào aldehyt, xeton, và este thành các anion dạng gốc. Sau đó, chất cho proton có thể phản ứng tiếp theo, tạo thành các gốc trung tính. Cách thức phản ứng này được sử dụng, ví dụ, trong việc làm khô THF hoặc ête với kali trong sự hiện diện của chất chỉ thị benzophenone. Kali và benzophenone phản ứng để cho ra gốc anion ketyl kali có màu xanh đậm, ký hiệu là A (Hình 14.45). Sau đó nước proton hóa ketyl A đến hydroxyl hóa gốc B nếu còn vết nước. Ngoài ra kali khử B thông qua một điện tử còn lại chuyển đến hợp chất hữu cơ kali đã thế hydroxy C. C ngay lập tức hỗ biến cho potassium alkoxide D. Khi tất cả nước đã được dung hết, không ketyl A mới hình thành nào có thể được proton hóa để màu xanh của nó thể hiện là việc làm khô kết thúc. Dissolving metals initially convert aldehydes, ketones, and esters into radical anions. Subsequently, proton donors may react with the latter, which leads to neutral radicals. This mode of reaction is used, for example, in the drying of THF or ether with potassium in the presence of the indicator benzophenone. Potassium and benzophenone react to give the deep-blue potassium ketyl radical anion A (Figure 14.45).Water then protonates ketyl A to the hydroxylated radical B as long as traces of water remain. Further potassium reduces B via another electron transfer to the hydroxysubstituted organopotassium compound C. C immediately tautomerizes to the potassium alkoxide D. Once all the water has been consumed, no newly formed ketyl A can be protonated so that its blue color indicates that drying is complete.

14.4.2 Sự khử 1 điện tử của các hợp chất cacbonyl và Este; Sự ghép cặp có tính khử.

14.4.2 One-Electron Reductions of Carbonyl Compounds and Esters; Reductive Coupling

Hòa tan kim loại ban đầu vào aldehyt, xeton, và este thành các anion dạng gốc Sau

đó, chất cho proton có thể phản ứng tiếp theo, tạo thành các gốc trung tính Cách thứcphản ứng này được sử dụng, ví dụ, trong việc làm khô THF hoặc ête với kali trong sựhiện diện của chất chỉ thị benzophenone Kali và benzophenone phản ứng để cho ragốc anion ketyl kali có màu xanh đậm, ký hiệu là A (Hình 14.45) Sau đó nước protonhóa ketyl A đến hydroxyl hóa gốc B nếu còn vết nước Ngoài ra kali khử B thông quamột điện tử còn lại chuyển đến hợp chất hữu cơ kali đã thế hydroxy C C ngay lập tức

hỗ biến cho potassium alkoxide D Khi tất cả nước đã được dung hết, không ketyl Amới hình thành nào có thể được proton hóa để màu xanh của nó thể hiện là việc làmkhô kết thúc

Dissolving metals initially convert aldehydes, ketones, and esters into radicalanions Subsequently, proton donors may react with the latter, which leads to neutralradicals This mode of reaction is used, for example, in the drying of THF or etherwith potassium in the presence of the indicator benzophenone Potassium andbenzophenone react to give the deep-blue potassium ketyl radical anion A (Figure14.45).Water then protonates ketyl A to the hydroxylated radical B as long as traces ofwater remain Further potassium reduces B via another electron transfer to thehydroxysubstituted organopotassium compound C C immediately tautomerizes to thepotassium alkoxide D Once all the water has been consumed, no newly formed ketyl

A can be protonated so that its blue color indicates that drying is complete

Trong việc làm khô THF hay ete (hình 14.45), trình tự keton → ketyl → gốchydroxy → hợp chất cơ kim loại được hydroxy hóa → alkoxide là 1 trong quá trìnhkhông theo hướng chuyển đổi tất cả các keton thành “sản phẩm” Phản ứng mô tảtrong hình 14.46 có đặc điểm tương tự trình tự các bước như hình 14.45 (và có nhưvậy mới không cần phải thảo luận về cơ chế của chúng một lần nữa) Tuy nhiên, trongphản ứng của hình 14.46, phản ứng có hướng diễn ra để hoàn toàn cho đến khi tất cảcác keton đã được dung hết Lý do cho điều này là: nó là mục đích của phản ứng đểkhử keton thành alcohol Chất nền trong hình 14.46 là một cyclohexanone có cấu trạng

bền và tác nhân khử là natri, chất mà tan được trong isopropanol Đĩng vai trị kép,dung mơi này cũng hoạt động như một nguồn proton Vì nguồn cung cấp proton nàykhơng giới hạn trong trường hợp này, tất cả các keton được chuyển thành alkoxide.

In the drying of THF or ether (Figure 14.45), the sequence ketone → ketyl →hydroxylated radical → hydroxylated organometallic compound → alkoxide is ofcourse not intended to convert all the ketone into “product.” The reaction depicted inFigure 14.46 features the same sequence of steps as Figure 14.45 (and there is thus noneed to discuss their mechanism again) In the reaction of Figure 14.46, however, thereaction is intended to run to completion until all of the ketone has been consumed.Thereason for this is that it is the purpose of this reaction to reduce the ketone to thealcohol.The substrate in Figure 14.46 is a conformationally fixed cyclohexanone andthe reducing agent is sodium, which dissolves in isopropanol Playing a dual role, thissolvent also acts as a proton source Since the supply of this proton source is unlimited

in this case, all of the ketone is converted into alkoxide

tạo mà u xanh dương khi

khô ng có nướ c

A

H K

khô ng mà u khi có nướ c

H + H2O

- K OH

Hình 14.45 Về mặt hóa học của việc làm khô THF hay ete với kali và

benzophenone là đặc điểm của sự khử keton → ketyl và phản ứng bẫy của ketyl vớilượng nước còn lại

Fig 14.45 Chemistry of the drying of THF or ether with potassium and

benzophenone featuring the ketone → ketyl reduction and the trapping reaction of theketyl with residual water

O

tert -Bu

Na OH

Thật thú vị, sự khử thể hiện trong hình 14.46 thì chọn lọc xuyên lập thể cao Chỉ có

cấu hình trans của cyclohexanol được hình thành, nghĩa là, alcol ở vị trí xích đạo Như

vậy mức độ chọn lọc xuyên lập thể cao không thể đạt được với tác chất chuyểnhydride (xem hình 8.8)

Interestingly, the reduction shown in Figure 14.46 is highly diastereoselective Onlythe trans-configured cyclohexanol is formed, that is, the equatorial alcohol Such a

level of diastereoselectivity cannot be achieved with hydride transfer reagents (cf.Figure 8.8).

Sự chọn lọc xuyên lập thể của sự khử được mô tả trong hình14.46 được xác địnhkhi gốc hydroxy hóa A được khử thành cơ natri đã hydroxyl hóa B Đối với sự sắp xếptrong không gian, nhóm OH xem như là ở một vị trí giả xích đạo của nguyên tử C hoátrị ba và ở mức độ vừa đủ để pyramidal hóa ở trung tâm gốc của vòng cyclohexyl củachất trung gian A Do đó, các electron không ghép cặp ở nguyên tử C đó chiếm một

AO giả định hướng trục Dạng hình học ưa thích này được hướng đến và chắc chắcmột lần và cho tất cả với việc chuyển điện tử thứ hai Nó đưa đến tăng những hợp chất

cơ natri B B đồng phân hóa ngay lập tức để đủ tạo alkoxide natri xích đạo

The diastereoselectivity of the reduction depicted in Figure 14.46 is determinedwhen the hydroxylated radical A is reduced to the hydroxylated organosodiumcompound B For steric reasons, the OH group assumes a pseudo-equatorial position inthe trivalent and moderately pyramidalized C atom of the radical center of thecyclohexyl ring of intermediate A Consequently, the unpaired electron at that C atomoccupies a pseudo–axially oriented AO This preferred geometry is fostered and settledonce and for all with the second electron transfer It gives rise to the organosodiumcompound B B isomerizes immediately to afford the equatorial sodium alkoxide.Trong phản ứng của các hợp chất cacbonyl khác so với những thể hiện trong hình14.45 và 14.46 với các kim loại không đáng kể, ban đầu, các ketyl được hình thành tốt.Tuy nhiên, các ketyl Mg của acetone (hình 14.47) thì tính sắp xếp trong không gian ítchướng ngại lập thể hơn nhiều so với ketyl K của benzophenone (hình 14.45) Do đó,chất trước dime hóa trong khi chất sau thì không

In reactions of carbonyl compounds other than the ones shown in Figures 14.45 and14.46 with nonprecious metals, initially, ketyls are formed as well However, the Mgketyl of acetone (Figure 14.47) is sterically much less hindered than the K ketyl ofbenzophenone (Figure 14.45) The former therefore dimerizes while the latter doesnot

O OH OH

H 2 O

O Mg

Hình 14.47 Sự dime hóa khử của acetone (sự ghép cặp pinacol).

Fig 14.47 Reductive dimerization of acetone (pinacol coupling).

Muối magnesium của glycol được hình thành như vậy Nó sinh ra 1 glycol với tênthường pinacol khi làm sạch với acid yếu Do đó, loại nối khử này của các hợp chất

cacbonyl gọi là sự ghép cặp pinacol.

The magnesium salt of glycol is thus formed It yields a glycol with the trival namepinacol upon workup with weak acid Hence, this kind of reductive coupling of

carbonyl compounds is called pinacol coupling.

Các hợp chất cacbonyl cũng có thể trải qua một sự nối khử với titan hóa trị thấp cónghĩa là, các hợp chất titan, trong đó Ti chiếm một số oxy hóa giữa 0 và +2 (hình14.48) Tùy thuộc vào nhiệt độ, các sản phẩm khác nhau được hình thành Sự nốipinacol xảy ra ở nhiệt độ thấp và dẫn đến một muối đơn kim loại dị vòng (như hình14.49 [dòng đầu]) hoặc tạo một muối hai kim loại mạch hở (không được thể hiện) củamột glycol Glycol có thể được cô lập sau khi loại sạch nước

Carbonyl compounds also can undergo a reductive coupling with so-calledlowvalent titanium, that is, titanium compounds in which Ti possesses an oxidationnumber between 0 and +2 (Figure 14.48) Depending on the temperature, differentproducts are formed A pinacol coupling occurs at low temperature and leads to aheterocyclic monometal salt (as shown in Figure 14.49 [top]) or to an acyclic dimetalsalt (not shown) of a glycol The glycol can be isolated after aqueous workup

Tầm quan trọng đặc biệt của sự nối pinacol Ti-trung gian của các hợp chất cacbonyl

là phản ứng đóng vòng nội phân tử thành công với hiệu suất rất cao (ví dụ, hình 14.48,dòng đầu) Các vòng với kích cỡ từ 3 đến hơn 20 nguyên tử C có thể được hình thànhcũng có hiệu suất tốt Các phản ứng kết nối chỉ có một bất lợi, cụ thể là các glycol

được hình thành mà không có chọn lọc xuyên lập thể đơn giản Đó là, chúng đượchình thành như là hỗn hợp của đồng phân xuyên lập thể Sự kết nối được thể hiện

trong hình 14.48, ví dụ, hiệu suất dihydroxyl hóa cis-và trans- vòng 14 cạnh với 1 tỷ lệ

30 : 70

The special significance of the Ti-mediated pinacol coupling of carbonylcompounds is that intramolecular ring-closure reactions succeed with outstandingyields (e.g., Figure 14.48, top) Rings with sizes from 3 to more than 20 C atoms can

be formed equally well.These coupling reactions have only one disadvantage, namely,that the glycols are formed without simple diastereoselectivity That is, they areformed as mixtures of diastereoisomers The coupling shown in Figure 14.48, forexample, yields the cis- and trans-dihydroxylated 14-membered rings in a 30 : 70 ratio

Ở nhiệt độ cao hơn, các hợp chất cacbonyl tương tự và cùng "titan có hóa trị thấp"sinh ra anken thay vì glycol Hợp chất dicarbonyl vòng hóa theo các điều kiện chocycloalkene (ví dụ, hình 14.48, dòng dưới cùng) Đây là loại ghép nối khử được gọi làmột phản ứng McMurry Như với sự hình thành glycol Ti-trung gian, phản ứng nàythường không phải là chọn lọc xuyên lập thể Ví dụ, các cycloalkene 14-cạnh của hình14.48 được hình thành với một tỷ lệ 10: 90 cis: trans

At higher temperatures, the same carbonyl compounds and the same “low-valenttitanium” yield alkenes instead of glycols Dicarbonyl compounds cyclize under theseconditions giving cycloalkenes (e.g., Figure 14.48, bottom) This type of reductivecoupling is called a McMurry reaction As with the Ti-mediated glycol formation, thisreaction generally is not diastereoselective The 14-membered cycloalkenes of Figure14.48, for example, are formed in a 10 : 90 cis : trans ratio

Chọn lọc xuyên lập thể đối với sự hình thành glycol Ti-trung gian và anken từdialdehyde của hình 14.48 thì khá khác nhau Tuy nhiên, các trung gian Ti glycolatecủa cách ghép nối đầu tiên sẽ được chuyển đổi thành các anken của cách ghép nối thứhai sau khi làm nóng Dù sao sự khác biệt của chọn lọc xuyên lập thể thu được vẫn phùhợp nhất với một phần cơ chế của phản ứng McMurry thể hiện trong hình 14.49

The diastereoselectivities for the Ti-mediated glycol vs alkene formations from thedialdehyde of Figure 14.48 are rather different Yet, the Ti glycolate intermediates ofthe first coupling mode are converted into the alkenes of the second coupling modeupon heating That nonetheless this discrepancy of diastereoselectivities is observed is

in perfect agreement with the mechanism of the part of the McMurry reaction shown

nhiệ t độ thấ p hơn

+ TiCl3 (prereduced by Zn/Cu)

trans cis

10 : 90 nhiệ t độ cao hơn

Hình 14.48 Nối khử của một hợp chất dicarbonyl đủ điều kiện cho glycol xuyên

lập thể hoặc anken xuyên lập thể (phản ứng McMurry)

Fig 14.48 Reductive coupling of a dicarbonyl compound to afford diastereomeric

glycols or diastereomeric alkenes (McMurry reaction)

Hãy nhớ rằng khi proton hĩa, các titanium glycolate A và B của hình 14.49

cho-trans và cis-diol, tương ứng Vì vậy, theo hiệu suất tương đối được đưa ra trong hình

14.48, các glycolate A và B cĩ lẽ được hình thành trong tỷ lệ 30:70 Ở nhiệt độ đủ cao,cùng sự phân hủy glycolate thơng qua sự đồng ly của một trong các liên kết C ¬O củachúng Cả hai glycolate phản ứng theo cách này để cùng tạo một gốc trung gian C Chỉliên kết C¬O bên tái trong gốc này cũng đứt theo kiểu đồng ly, và sự ghép nối quaydẫn đến sự hình thành liên kết đơi C=C của sản phẩn anken Sự quay xung quanh liênkết C¬C(O) trong chất trung gian C cơ bản là tự do Điều này giải thích tại sao anken,sản phẩm McMurry, khơng được tạo thành lập như là một đồng phân lập thể tinh khiết

và tại sao cấu hình liên kết đơi của nĩ thì độc lập với cấu trúc lập thể của titaniumglycolate hiện diện ban đầu

Remember that upon protonation, the titanium glycolates A and B of Figure 14.49furnish the trans- and cis-diols, respectively Therefore, according to the relative yieldsgiven in Figure 14.48, these glycolates A and B must be formed in a 30 : 70 ratio At

sufficiently high temperatures, the same glycolates decompose via the homolyticcleavage of one of their C¬O bonds Both glycolates react in this fashion to deliver oneand the same radical intermediate C The only C¬O bond left in this radical also breakshomolytically, and spin pairing leads to the formation of the C“C double bond of theresulting alkene The rotation about the C¬C(O) bond in the intermediate C isessentially free This explains why the alkene, the McMurry product, is not formed as

a pure stereoisomer and why its double bond configuration is independent of thestereostructure of the initially present titanium glycolates

Ngay cả nhóm C=O của ester (hình 14.50, dòng trên) và amide (hình 14.50, dòngcuối) có thể trải qua phản ứng McMurry nội phân tử với nhóm ketone carbonyl nếuchúng thể hiện “titanium hóa trị thấp” được điều chế theo nhiều cách khác nhau khôngđáng kể Cơ chế của các phản ứng này đúng với cơ chế của sự ghép aldehyde/aldehyde (hình 14.48 và 14.49)

Even C=O groups of esters (Figure 14.50, top) and amides (Figure 14.50, bottom)can undergo intramolecular McMurry reactions with ketone carbonyl groups if theyare exposed to “low-valent titanium” prepared in a slightly different way Themechanism of these reactions corresponds by and large to the mechanism of thealdehyde/ aldehyde coupling (Figures 14.48 and 14.49)

Sự vòng hóa McMurry được thể hiện trong hình 14.50 thì hấp dẫn từ quan điểmtổng hợp Sản phẩm vòng hóa B của ketoester A là một enol 10 cạnh

The McMurry cyclizations shown in Figure 14.50 are quite interesting from asynthetic point of view The cyclization product B of ketoester A is a 10-memberedenol

O TiL n O

O

O TiL n

10 : 90

O TiL n O

C

70 : 30

+ " TiO2" +

Hình 14.49 Cơ chế của phản ứng McMurry Dị vòng monotitanium glycolate A và

B hoặc dititanium glycolate tương tự phân ly ở nhiệt độ cao hơn bằng sự dị ly của 1trong các liên kết C¬O của chúng và hình thành gốc trung gian C Alkene được hìnhthành bằng sự cắt liên kết C¬O thứ 2 Alkene này thì không thu được như là 1 đồngphân lập thể đơn bởi vì sự quay tự do xung quanh liên kết C¬C(O) trong gốc trung

gian C Chú ý rằng alkene được hình thành với sự chọn lọc cis, trans thì độc lập về cấu

hình với titanium glycolate trước đó

Fig 14.49 Mechanism of the McMurry reaction The heterocyclic monotitanium

glycolates A and B or analogous dititanium glycolates decompose at highertemperatures via heterolytic cleavage of one of their C¬O bonds and form the radicalintermediate C The alkene is formed by cleavage of the second C¬O bond Thisalkene is not obtained as a single stereoisomer because of the free rotation about theC¬C(O) bond in the radical intermediate C Note that the alkene is formed with acis,trans-selectivity that is independent of the configuration of the titanium glycolateprecursor(s)

Fig 14.50 Crossed McMurry reactions: ketone/ester coupling (top) and

ketone/amide coupling (bottom)

Eter Nó có thể bị thủy phân bằng acid cho ketone C, ketone C có thể là sản phẩmcủa 1 phản ứng McMurry Sự vòng hóa của ketoamide D minh họa 1 trong những tổng

hợp hay nhất của các 2,3-disubstituted indole (indole 2 nhóm thế) (tổng hợp Fürstner indole).

Ether It can be hydrolyzed by acid to give ketone C, which itself cannot be theproduct of a McMurry reaction The cyclization of ketoamide D illustrates one of the

most versatile syntheses of 2,3-disubstituted indoles (Fürstner indole synthesis).

Các ester carboxylic cũng có thể được khử với natri hòa tan (hình 14.51) Rất nhiềusản phẩm khác nhau thu được tuỳ thuộc vào việc khử được thực hiện trong ethanol hay

xylene Phản ứng của ester với natri trong ethanol được gọi là phản ứng Blanc Trước khi phát hiện ra phức hydrua kim loại, phản ứng này là phương pháp duy

Bouveault-nhất cho sự khử este với rượu Diester thể hiện trong hình 14.51 tạo ra một diol theocách này

Carboxylic esters also can be reduced with dissolving sodium (Figure 14.51) Verydifferent products are obtained depending on whether the reduction is carried out inethanol or xylene The reaction of esters with sodium in ethanol is referred to as the

Bouveault–Blanc reaction Prior to the discovery of complex metal hydrides, this

reaction was the only method for the reduction of esters to alcohols The diester shown

in Figure 14.51 produces a diol in this way

Cơ chế của sự khử Bouveault–Blanc được thể hiện trong dòng 1 và 2 của hình14.51 Nó bắt đầu với chuỗi ester → gốc anion C → gốc hydroxyl D → hợp chất cơnatri hydroxyl hóa B → hemiacetal anion A Chuỗi này hoàn toàn tương tự với chuỗiketone → ketyl → gốc hydroxyl A → hợp chất cơ natri hydroxyl hóa B → natrialkoxide xuất hiện trong sự khử 1 ketone với Na trong iPrOH (hình 14.46)

The mechanism of the Bouveault–Blanc reduction is shown in rows 1 and 2 ofFigure 14.51 It starts with the sequence ester → radical anion C → hydroxylatedradical D → hydroxylated organosodium compound B → hemiacetal anion A Thissequence is completely analogous to the sequence ketone → ketyl → hydrox-ylatedradical A → hydroxylated organosodium compound B → sodium alkoxide that occurs

in the reduction of a ketone with Na in iPrOH (Figure 14.46)

Chất trung gian A của sự khử Bouveault–Blanc trong hình 14.51 không là 1alkoxide đơn giản nhưng tốt hơn anion của 1 hemiacetal Tiếp theo, nó phân ly thành 1anion alkoxide và 1 aldehyde Trong diễn biến sâu hơn của sự khử Bouveault–Blanc,aldehyde này bị khử bởi Na/EtOH đúng như là ketone của hình 14.46 được khử bởiNa/iPrOH

Intermediate Aof the Bouveault–Blanc reduction of Figure 14.51 is not a simplealkoxide but rather the anion of a hemiacetal Accordingly, it decomposes into analkoxide anion and an aldehyde In the further course of the Bouveault–Blancreduction, this aldehyde is reduced by Na/EtOH just as the ketone of Figure 14.46 isreduced by Na/iPrOH

Cái được gọi là sự ngưng tụ acyloin bao gồm sự khử của ester—và sự khử của

diester cụ thể — với natri trong xylene Cơ chế phản ứng của sự ngưng tụ này được thểhiện ở dòng 2–4 của hình 14.51 Chỉ những chất trung gian đầu tiên, gốc anion C, xuấthiện như là 1 chất trung tốt trong sự khử Bouveault–Blanc Hiển nhiên, trong xylene,gốc anion C không thể proton hóa Kết quả là, nó bền cho đến khi ester thứ 2 cũng lấy

1 electron trong sự hình thành bis(anion gốc) F Hai gốc trung tâm của F kết hợp trongbước kế tiếp để tạo natri “glycolate” G Hợp chất G, dianion của 1 bis(hemiacetal),được chuyển thành 1,2-diketone J bằng sự tách 2 đương lượng natri alkoxide.Diketone này được chuyển bởi 2 electron lien tiếp của phản ứng chuyển đổi thành