Chemie organokovových sloučenin Jaromír Literák Ustav chemie Přírodovědecké fakulty MU 9. prosince 2014 m 80 S© C-M Vazba C-M má částečně iontový charakter, reaktivita roste s polaritou vazby. Prvek Li Mg Ti Al Zn Cu Si Sn B C Elektronegativita 0,97 1,2 1,3 1,5 1,7 1,7 1,7 1,7 2,0 2,5 % iontové vazby 43 35 30 22 15 12 12 11 6 Sloučeniny nepřechodných kovů jsou velice reaktivní, mohou vystupovat jako báze, nukleofily a občas také redukční činidla. Sloučeniny přechodných kovů jsou charakteristické kovalentním charakterem vazby C-M, kov se může vyskytovat ve více oxidačních stavech, mohou fungovat jako katalyzátory nejrůznějších reakcí. Jaromír Literák Chemie org a no kovových sloučenin Metody přípravy organokovů Reakce kovu s organickým halogenidem • Redukce alkyl-, alkenyl- nebo arylhalogenidů na povrchu kovu. • Možné v případě kovů jako Na, Li, Mg, Zn. • Pro reakci nejvhodnější R-Br, R-CI je méně reaktivní, R-l poskytuje více Wurtzovu reakci. H3C H3C Li' Li "~V"~ H3C Li«, H3C R-X + 2 Li R-X + Mg R—Li + LiX R-Mg-X R-X + Zn R-Zn-X Komplikaci představuje Wurtzova reakce (Na, Li): 2 ^r^/1 +2 Li -► yf^^^ +2 Lil Jaromír Literák Chemie org a no kovových sloučenin Metody přípravy organokovů Transmetalace • Vhodná pro přípravu zvláště sloučenin přechodných kovů. • Vychází ze snadno připravitelných sloučenin Mg, Li. Hnací silou reakce je vznik stabilního halogenidu elektropozitivního kovu (LiX, MgX2): MgCI rT^r CdCI a + CdCI2 -»- + MgCI2 H3C 2 >-MgBr + ZnBr2 -- H3C^ZyCH3 + 2 H3C CH3 CH3 Deprotonace kyselých C-H vazeb r-cec-H + NaH 0 © r-c=c: Na + H2 Metody přípravy organokovů Deprotonace kyselých C-H vazeb o Schůdné jen u dostatečně kyselých atomů vodíku. i / —c-h =c =c-h i h pKa -50 ~44 -25 Variantou reakce je orŕ/70-metalace (lithiace), která dovoluje deprotonovat málo kyselé Csp2-H a Csp3-H vazby díky komplexaci Li blízkými skupinami jako -N(R)2 nebo -OR: h3 (f^l + CH3CH2CH2CH2Br N Br 2 N Li Pořadí bazicity: Csp3-Li > Csp2-Li > CSp-Li • Reakci může komplikovat reakce vzniklého organokovů s alkylhalogenidem: R H n u R H R H >=< C4HsiL' » >=< + CH3CH2CH2CH2Br ——*- W H Br H Li H C4H9 Jaromír Literák Chemie org a no kovových sloučenin Metody přípravy organokovů Výměna lithia za halogen • Řešením je použití dvou ekvivalentů organokovů, který vyvolá eliminaci: Ft H CH3 R H CH3 )=< + H3C-kl_i -► >=< + H3C-^Br H Br CH3 H Li ^ ch3 ch3 ch3 h3C H3C—|—Br + H3C—I—Li -*~ H3C—|—H + )=CH2 + LiBr CH3 CH3 CH3 H3C Organokovy nepřechodných kovů jsou nekompatibilní s určitými funkčními skupinami, se kterými reagují: H O O —OH —N —SH —\ —\ — C=N R R OR Jaromír Uterák Chemie org a no kovových sloučenin Philippe A. Barbier (1848-1922) Barbier (1899): »3Cy^^yCH3 + Mg + CH3| CH3 O CH3 OH Jaromír Literák Chemie org a no kovových sloučenin gnardova cinid Victor Grignard (1871-1935) El Grignard (1900): H3C-I + Mg El2Q» H3C-Mgl H3C-Mgl + R—f Q,Mgl R-|~CH3 H 0' OH R-|~CH3 + H20 -— R—j—CH3 + MgBrOH H H Rheinholdt, H.: ,,Fifty years of the Grignard reaction", J. Chem. Educ, 1950, 27 (9), p. 476. (DOI: 10.1021/ed027p476) Vlastnosti organokovových sloučenin nepřechodných kovů • Rovnováha mezi různými organohořečnatými sloučeninami v roztoku, pro stabilitu sloučenin RMgX je důležitá komplexace s ethery nebo terciárními aminy (Lewisova kyselina-Lewisova báze): 2 R-X Mg - 2 R-Mg-X - ' R-Mg-R + MgX2 RyR R-Mg-X R'aR • Organokovy v závislosti na prostředí agregují: 2 R-Mg-CI ~ ~ R-Mg Mg-R CH3LÍ v Et20 - tetramer C4H9LÍ v hexanu - hexamer v THF - tetramer v THF - tetramer+dimer Jaromír Uterák Chemie organokovových sloučenin Vlastnosti organokovových sloučenin nepřechodných kovů Tyto sloučeniny jsou velice reaktivní, mohou vystupovat jako nukleofily, báze a občas také redukční činidla: Lithné sloučeniny poskytují méně enolizačních a redukčních reakcí než sloučeniny RMgX (Grignardova činidla). Jaromír Uterák Chemie organokovových sloučenin Reakce organokovových sloučenin nepřechodných kovů Reakce s kyselinami Li + D20 -D + LiOD Reakce s alkylhalogenidy a alkylačními činidly • Dochází k nukleofilním substitucím, často mechanismem Sn2. • RLi reagují s alkylačními činidly lépe než RMgX: H3C CH3 )=( + CH3CH2CH2CH2I H Li HqC CHt >=< H CH2CH2CH2CH3 CH3 H3C—/]- MgBr + H3CO-S-OCH3 CH3 CH3 H3C—on3 CH3 CH3 + H3CO-S-OMgBr O Jaromír Uterák Chemie organokovových sloučenin Reakce organokovových sloučenin nepřechodných kovů Reakce s aldehydy a ketony • Vznikají příslušné alkoholy: H3CTH H3C^Li o'Li H3C-|-H CH3 H2Q , OH H3C-|-H CH3 LiOH 1. PhMgBr //\ 2. H20 OH • Reakce Grignardových činidel probíhá s největší pravděpodobností přes šestičlenný tranzitní stav za spoluúčasti dvou molekul organokovů: o.. ^MgX Mg Mg O' I R I R' R RMgX Jaromír Literák Chemie organokovových sloučenin Reakce organokovových sloučenin nepřechodných kovů Reakce s aldehydy a ketony • Nukleofilní adice organokovu může být doprovázena enolizací (deprotonací C-H vazby) a redukcí: o CH3 CH3 RMgX .OMgX H3C^__^CH3 H3C R CH3 adice OMgX H3C^ ^=%.^CH3 CH3 CH3 enolizace ,OMgX H3C^__^CH3 H3C H CH3 redukce Rozdělení produktů / % Grignardovo činidlo adice enolizace redukce CH3MgX 95 0 0 (CH3)3CMgX 0 35 65 (CH3)3CCH2MgX 0 90 0 Jaromír Uterák Chemie organokovových sloučenin Reakce organokovových sloučenin nepřechodných kovů Reakce s aldehydy a ketony • Terciární alkoholy mohou snadno při zpracování reakční směsi dehydratovat za vzniku alkenu: Reakce s epoxidy • Reakcí vznikají alkoholy: R^-MgX /0-MgX H?0> ^OH R Jaromír Uterák Chemie organokovových sloučenin Reakce organokovových sloučenin nepřechodných kovů Reakce Grignardových činidel s nitrily • Dochází k adici 1 ekvivalentu RMgX na -CN skupinu, zpracováním vodou promárně vznikají iminy, které lze za kyselé katalýzy Jaromír Uterák Chemie organokovových sloučenin Reakce organokovových sloučenin nepřechodných kovů Reakce organokovů s estery a halogenidy karboxylových kyselin O Substituce odstupující skupiny probíhající adičně-eliminačním mechanismem za vzniku ketonu (nebo aldehydu). R-^x —- K'^p -^r R.^R R-MgX kde X = alkoxy nebo aryloxy nebo halogen Q Adice organokovů na karbonyl za vzniku alkoholátu, který reakcí s H2O uvolní alkohol. P OH 4- R (° o€ r.^r -*■ r'—j-r h2°> r.-4-r + MgXOH R-MgX kde X = alkoxy nebo aryloxy nebo halogen Reakci obvykle nelze zastavit ve stádiu aldehydu nebo ketonu nastavením poměru 1:1, lze je však připravit užitím přebytku esteru nebo halogenidu. Jaromír Literák Chemie organokovových sloučenin Reakce organokovových sloučenin nepřechodných kovů Reakce organokovů s amidy karboxylových kyselin • Amid nesmí obsahovat -NHR skupinu, která je kyselá. • Reakce užívaná k přípravě aldehydů: MgCI • Reakce užívaná k přípravě ketonů (Weinrebův amid): O' VcH3 O /C H3C-CECH—N 2W> AD + H-N r bH3 Hr^c c Jaromír Literák Chemie organokovových sloučenin HoC-CEC-Li CH3 CH3 Reakce organokovových sloučenin nepřechodných kovů Reakce organokovů s oxidem uhličitým Zde se objevuje největší rozdíl v reaktivitě mezi RLi a RMgX. O Adice organokovů na CO2 poskytuje sůl karboxylové kyseliny: o=crb ( H3CLMgCI O-MgCI H3• keton: H3C-Li CO, .LI H3C^ H3C^- O-Li CH3 H3c-|-q - CH3 H3C-|-OH OH H20 0 H3C CH3 Jaromír Literák Chemie organokovových sloučenin • Organokovové sloučeniny přechodných kovů se podobně jako sloučeniny nepřechodných kovů rozkládají vlhkostí a jsou oxidovány kyslíkem. • Obvykle se připravují nepřímo transmetalací ze snadno připravitelných organolithných nebo horečnatých sloučenin. o Obecně ale platí, že jsou méně reaktivní - jsou to slabší báze a lepší nukleofily. 2 H3C-MgBr + CdCI2 H3C-Cd-CH3 + MgBr2 + MgCI2 H3C-MgBr + CdCI2 H3C-Cd-CI + MgBrCI H3C-Cd-CH3 + H3C-^ Cl 0 H3C CH3 Jaromír Uterák Chemie organokovových sloučenin Reakce organokovových sloučenin přechodných kovů Reformatskeho reakce - příprava organozinečnatého činidla (enolátu) vzniklého z a-halogenkarbonylových sloučenin a reakce činidla s karbonylovými sloučeninami: O o Et-. A^Br _^D_^ EU X^ZnBr _ZnBr Ph O O' ^ZnBr O OH Ph E..0A^Ph -^L Et.o^Aph_^ ek0X^f Simmonsova-Smithova reakce - cyklopropanace násobných vazeb: CH2I2 + Zn H H karbenoid Cyklopropanace Zn-I CH2 + Znl2 Jaromír Literák Chemie organokovových sloučenin niny přechodných kovů Gilmanova činidla Organokupráty F^CuLi a R2CuMgX lze připravit reakcí Cul nebo CuBr s organohořečnatými nebo organolithnými sloučeninami v poměru 1:2 v etheru za nízké teploty. Cul H!CL^U » (CH3Cu)„ H3C"Li » (CH3)2CuLi Sloučeniny se svědčily jako dobré nukleofily - jsou málo bazické a měkké nukleofily. Organokupráty jsou schopny substituovat halogeny i na sp2 uhlících: C9H13-I + (CH3)2CuLi SN2 -30 °C C9H13-CH3 + Lil + CH3Cu C4H9 on op C4H9 + (C4H9)2CuLi — > + Lil +(C4H9)Cu C4Hg H3C^( + (CH3)2CuLi Cl H3C^CH3 + LÍCI + CH3Cu Jaromír Uterák Chemie org a no kovových sloučenin snasycené karbonylové sloučeniny Nu Nu 1,2- adice 1,4- adice g© 8© tvrdé Q nukleofily mé'kké nukleofily rychlá a často vratná adice, často kinetický produkt adice probíhá pomaleji, je nevratná 1. Bu-MgBr> 2. H20/Hs 1. BupCuLi 2. H20/hľ HO. H Bu Jaromír Uterák Chemie org a no kovových sloučenin ;omplexy přechodných kovů Nobelova cena za chemii v roce 2001: Asymetrická hydrogenace sloučenin William S. Knowles (1917) katalyzovaná komplexy přechodných kovů. Ryoji Noyori (1938) Asymetrická hydrogenace sloučenin katalyzovaná komplexy přechodných kovů. K. Barry Sharpless (1941) Oxidační reakce katalyzovaná chirálními komplexy přechodných kovů. ;omplexy přechodných kovů Nobelova cena za chemii v roce 2005: Vývoj a užití metathese v organické syntéze Yves Chauvin (1930) (katalýza komplexy přechodných kovů). Vývoj a užití metathese v organické syntéze (katalýza komplexy přechodných kovů). Vývoj a užití metathese v organické syntéze (katalýza komplexy přechodných kovů). Jaromír Uterák Chemie org a no kovových sloučenin Robert H. Grubbs (1942) Richard R. Schröck (1945) 3 „ Pd(pph)4 Jaromír Literák Chemie organokovových sloučenin Jaromír Literák Chemie organokovových sloučenin Palladiem katalyzované cross-couplingové reakce Negishiho reakce: E,00C^Q^' + BrZn^Q^CN \ j^™4 > NChQ^QkcOOH Suzukiho reakce: o2n^Qko-|-cf3+^bhQ-ch3^ö^ h3c^>^Qkno2 Stilleho reakce: Jaromír Literák Chemie org a no kovových sloučenin Jaromír Uterák Chemie org a no kovových sloučenin