Карбены и циклопропанирование
Дихлоркарбен
Все промежуточные частицы, которые встречались нам раньше, имели трёхвалентный атом углерода: катион, радикал, анион. Карбен — частица с двухвалентным атомом углерода: у него две связи и два несвязывающих электрона, всего шесть электронов на внешней оболочке. Обычно два электрона карбена спарены и занимают одну орбиталь, а другая орбиталь свободна. Такой карбен одновременно похож на электрофил (свободная орбиталь) и на нуклеофил (неподелённая пара).
Как получают дихлоркарбен
Хлороформ обрабатывают сильным основанием — концентрированной щёлочью или трет-бутилатом калия.
- Перенос протона. Основание отнимает у хлороформа протон. Три атома хлора стабилизируют отрицательный заряд своим \(-I\)-эффектом, поэтому анион \(\ce{CCl3-}\) образуется уже под действием щёлочи.
- Уход уходящей группы. Трихлорметил-анион теряет хлорид-ион, и остаётся дихлоркарбен \(\ce{:CCl2}\).
Так как отщепляются протон и хлорид-ион от одного и того же атома углерода, такое отщепление называют α-отщеплением (в реакциях E1 и E2 они отщепляются от соседних атомов).
Присоединение к алкенам
Дихлоркарбен присоединяется к двойной связи в одну стадию: свободная орбиталь принимает π-электроны, а неподелённая пара одновременно образует вторую связь. Получается 1,1-дихлорциклопропан. Реакция стереоспецифична: цис-бут-2-ен даёт только цис-1,1-дихлор-2,3-диметилциклопропан, транс-бут-2-ен — только транс-изомер. Это доказывает, что обе связи C–C образуются одновременно.
edit_noteРазбор задачи: что образуется из стирола, хлороформа и концентрированного раствора щёлочи
Щёлочь отщепляет от хлороформа протон, трихлорметил-анион теряет хлорид-ион, и образуется дихлоркарбен. Он присоединяется к двойной связи стирола в одну стадию: обе новые связи C–C образуются одновременно. Получается (2,2-дихлорциклопропил)бензол — трёхчленный цикл, в котором один атом несёт два атома хлора, а соседний — фенильную группу.
errorКарбен — не радикал и не ион
У дихлоркарбена нет заряда, а два его несвязывающих электрона спарены. Поэтому он не вступает в цепные реакции, как радикалы, и не требует противоиона, как карбокатион.
boltКак читать названия бициклов
В названии бицикло[4.1.0]гептан числа в скобках показывают, сколько атомов в каждом из трёх мостиков между двумя общими атомами циклов: 4, 1 и 0. Сумма чисел плюс два общих атома даёт число атомов углерода: \(4 + 1 + 0 + 2 = 7\), гептан. Так называют продукты присоединения карбенов к циклоалкенам.
history_eduЧастица, которую поймали
В 1950 году американский химик Джек Хайн показал, что щелочной гидролиз хлороформа идёт через дихлоркарбен. В 1954 году Уильям Дёринг и Альберт Хоффман поймали эту частицу, присоединив её к алкенам, и карбены из гипотезы превратились в реагент органического синтеза.
Реакция Симмонса — Смита
Свободный метилен \(\ce{:CH2}\) (из диазометана на свету) слишком активен и реагирует неизбирательно. Для синтеза циклопропанов без атомов хлора используют реакцию Симмонса — Смита (1958): алкен нагревают с дииодметаном и цинком, активированным медью.
Карбеноид
Цинк внедряется по связи C–I дииодметана и образует иодметилцинкиодид \(\ce{I-CH2-ZnI}\). Это не свободный карбен, а карбеноид — металлоорганическое соединение, которое ведёт себя как источник группы \(\ce{CH2}\). Он передаёт группу \(\ce{CH2}\) двойной связи в одну стадию, с одной стороны, поэтому реакция стереоспецифична: цис-алкен даёт цис-дизамещённый циклопропан.
Применение
Реакция позволяет вводить трёхчленный цикл в сложные молекулы: её используют в синтезе природных соединений и лекарств, содержащих циклопропановый фрагмент, например некоторых пиретроидных инсектицидов.
edit_noteРазбор задачи: продукт реакции Симмонса — Смита с циклогексеном
Циклогексен с дииодметаном и цинк-медной парой даёт бицикло[4.1.0]гептан (норкаран): группа \(\ce{CH2}\) встраивается по месту двойной связи.
boltКак узнать реакцию в цепочке
Реагенты «\(\ce{CH2I2}\), \(\ce{Zn(Cu)}\)» — циклопропан без галогенов; «\(\ce{CHCl3}\), KOH или \(\ce{(CH3)3COK}\)» — 1,1-дихлорциклопропан; «\(\ce{CHBr3}\), основание» — 1,1-дибромциклопропан.
auto_awesomeЦиклопропан в бактериях
В мембранах многих бактерий есть жирные кислоты с циклопропановым кольцом посреди цепи, например лактобацилловая кислота. Бактерии строят этот цикл с помощью фермента, присоединяя группу \(\ce{CH2}\) к двойной связи непредельной кислоты, — природный аналог реакции Симмонса — Смита.
Циклопропаны в задачах
Трёхчленный цикл напряжён (около 115 кДж/моль, тема 4), и эта энергия проявляется в реакциях: циклопропаны, подобно алкенам, присоединяют водород, галогены и галогеноводороды с раскрытием цикла. Поэтому циклопропанирование и последующее раскрытие цикла позволяют строить углеродные скелеты, которые трудно получить иначе.
Раскрытие цикла
- С водородом на никеле при 80 °C циклопропан даёт пропан.
- С бромоводородом метилциклопропан даёт 2-бромбутан: протон присоединяется к наименее замещённому атому, цикл раскрывается так, чтобы образовался наиболее устойчивый катион, как у алкенов.
- С бромом циклопропан медленно даёт 1,3-дибромпропан.
edit_noteРазбор задачи: что образуется при нагревании 1,1-диметилциклопропана с бромоводородом
Напряжённый цикл раскрывается, как двойная связь. Протон присоединяется к одному из атомов группы \(\ce{CH2}\), связь этого атома с атомом, несущим две метильные группы, разрывается, и на последнем возникает положительный заряд: катион третичный. Бромид-ион присоединяется к нему, и получается 2-бром-2-метилбутан. Цикл раскрывается так же, как присоединяется HBr по правилу Марковникова: через самый устойчивый катион.
boltКак распознать циклопропан по брутто-формуле
Циклоалканы изомерны алкенам (\(\ce{C_nH_{2n}}\)). Если вещество не обесцвечивает раствор перманганата калия на холоду, но при нагревании с водородом на никеле присоединяет его, это, скорее всего, циклопропан или его производное.
auto_awesomeЦиклопропил в лекарствах
Циклопропильная группа входит в молекулы многих лекарств, например антибиотика ципрофлоксацина. Она небольшая и жёсткая, почти не меняет размер молекулы, но делает её устойчивее к окислению ферментами печени.
push_pinГлавное
Карбен — нейтральная частица с двухвалентным атомом углерода и шестью электронами на внешней оболочке. Дихлоркарбен образуется из хлороформа под действием сильного основания: отщепление протона даёт трихлорметил-анион, который теряет хлорид-ион. Карбены и цинкорганический карбеноид Симмонса — Смита присоединяются к двойной связи в одну стадию и сохраняют её геометрию: из цис-алкена получается цис-циклопропан.
Закрепите теорию: 9 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.