Литий- и магнийорганические соединения; реакция Барбье

Зачем изучать металлоорганику

До сих пор связи углерод–углерод мы создавали реакциями нуклеофилов с электрофилами: реактив Гриньяра присоединялся к карбонильной группе, енолят замещал галоген в алкилгалогениде. Но многие нужные связи так получить нельзя. Два ароматических кольца не соединить ни нуклеофильным замещением, ни реакцией Фриделя — Крафтса, а арилгалогениды не вступают в реакцию \(S_N2\). Эту задачу решают переходные металлы — палладий, никель, родий, рутений. Атом металла по очереди связывает оба фрагмента, соединяет их друг с другом и возвращается в исходное состояние, поэтому катализатора нужно совсем немного.

боскалид: сочетание Сузуки

L-ДОФА: асимметрическое гидрирование

ибупрофен: карбонилирование

Каталитические реакции переходных металлов стали главным инструментом современного синтеза: так получают лекарства, средства защиты растений, полимеры и уксусную кислоту. За работы в этой области присуждено несколько Нобелевских премий — от премии Гриньяру (1912) до премии Хеку, Негиши и Сузуки за кросс-сочетание (2010). В этой теме мы научимся считать электроны в комплексах металлов, узнавать стадии каталитических циклов и предсказывать продукты главных реакций.

Как построена эта тема

Уроки 325–327 посвящены металлоорганическим реагентам: литий- и магнийорганическим соединениям, мягким реагентам цинка, меди и самария и превращению сложных эфиров в циклопропанолы по Кулинковичу. В уроках 328–329 мы научимся считать электроны в комплексах переходных металлов и узнавать элементарные стадии каталитических циклов, а в уроке 330 соберём из них цикл гидрирования. Уроки 331–335 посвящены кросс-сочетанию на палладии: реакциям Хека, Сузуки, Негиши, Стилле, Кумады, Соногаширы и Бухвальда — Хартвига. В уроках 336–339 разобраны промышленные процессы: карбонилирование, окисление по Вакеру, метатезис и полимеризация Циглера — Натта, а в уроках 340–341 — комплексы кобальта, железа и хрома. Урок 342 — практикум по всей теме.

Способы получения

Реактив Гриньяра (урок 202) мы получали из магния и алкилгалогенида, а литийорганические соединения (урок 204) — из лития. Однако прямой синтез годится не всегда: металл не терпит в молекуле кислых атомов водорода и многих функциональных групп. Поэтому литийорганические соединения часто получают обменом галогена на литий или отрывом протона сильным основанием. Эти способы дают реагенты, которые прямым путём получить нельзя, и позволяют ввести металл точно в нужное положение кольца.

Как получить литий- и магнийорганическое соединение

1. В прямом синтезе алкил- или арилгалогенид реагирует с магнием в эфире или ТГФ и даёт RMgX, а с двумя эквивалентами лития — RLi и LiX. Растворитель должен быть сухим, а в молекуле не должно быть кислых атомов водорода (групп OH, NH, COOH и концевого фрагмента C≡C–H). В растворе реактив Гриньяра находится в равновесии Шленка: \(\ce{2RMgX <=> R2Mg + MgX2}\).
2. При обмене галоген–литий арилбромид или арилиодид реагирует с бутиллитием при −78 °C, и литий занимает место галогена: \(\ce{ArBr + BuLi -> ArLi + BuBr}\). Иод обменивается быстрее брома, а хлор почти не обменивается.
3. При направленном орто-металлировании бутиллитий отрывает протон в орто-положении к группе, которая координирует литий: к метоксигруппе, амидной группе \(\ce{CONEt2}\), карбаматной группе \(\ce{OCONEt2}\) или группе \(\ce{CH2NMe2}\).
4. «Турбо-Гриньяр» \(\ce{iPrMgCl*LiCl}\) обменивает иод или бром на магний уже при −20…0 °C и не затрагивает сложные эфиры и нитрилы.
5. Полученное металлоорганическое соединение реагирует с электрофилом: с \(\ce{CO2}\) даёт карбоновую кислоту, с ДМФА — альдегид, с \(\ce{B(OMe)3}\) — бороновую кислоту, с иодом — иодид, с \(\ce{Me3SiCl}\) — силан, а с альдегидами и кетонами — спирты.

Примеры

1. Обменивается один атом брома. 1,4-Дибромбензол с одним эквивалентом бутиллития при −78 °C обменивает на литий только один атом брома. Полученный (4-бромфенил)литий с углекислым газом после подкисления даёт 4-бромбензойную кислоту.

2. Литий входит рядом с метоксигруппой. Бутиллитий отрывает протон анизола в орто-положении: атом кислорода координирует литий и направляет основание к соседнему атому водорода. С иодом образуется 2-иоданизол.

Реакция Барбье

Реактив Гриньяра присоединяется к альдегидам и кетонам (урок 203), но обычно его готовят заранее и лишь затем добавляют карбонильное соединение. В реакции Барбье все компоненты смешивают сразу: металлоорганическое соединение образуется на поверхности металла и тут же реагирует с карбонильной группой. Такой способ особенно удобен для аллильных и бензильных реагентов, которые при хранении сдваиваются. А с цинком и индием реакцию можно провести даже в воде.

Как провести реакцию Барбье

1. Галогенид, металл и карбонильное соединение смешивают в одной колбе. Металлоорганическое соединение образуется на поверхности металла и сразу присоединяется к группе C=O.
2. Реакцию проводят с магнием, литием, цинком, индием, оловом или иодидом самария(II). Цинк и индий работают в воде, поэтому так аллилируют альдегиды, не защищая гидроксильные группы.
3. Способ выбирают для нестойких аллильных и бензильных реагентов: при хранении они сдваиваются по Вюрцу, а в реакции Барбье не успевают накопиться.
4. Аллильный металл присоединяется через шестичленное переходное состояние своим γ-атомом. Поэтому кротил- и пренилгалогениды дают продукты с разветвлением рядом с группой C–OH, а двойная связь оказывается на конце цепи.

Примеры

1. Аллилирование кетона. Циклогексанон, аллилбромид и магний, внесённые в одну колбу, дают 1-аллилциклогексан-1-ол.

2. Присоединение γ-атомом. Кротилбромид с ацетоном и индием в воде присоединяется к карбонильной группе своим γ-атомом. У нового спирта рядом с группой C–OH стоит метильная группа, а двойная связь находится на конце цепи: образуется 2,3-диметилпент-4-ен-2-ол.