2.8.2.1. Методы генерации карбенов и карбеноидов

Для генерации карбенов необходимо разорвать две связи у углерода, например в предшественниках (52) — (54). Разрыв связей может происходить синхронно при нагревании или облучении или ступенчато через образование метастабильного интермедиата типа металлированного карбаниона (55) [уравнение ], который может функционировать так же, как карбеноидный реагент. В этом обзоре описаны только основные «синтетические» пути с использованием главным образом карбенов, а не карбеноидов.

(54)

(1) Карбены из диазосоединений

Термическое или фотолитическое элиминирование азота из диазосоединений (56) [49] является одним из основных путей генерации карбенов. Процесс можно осуществить также каталитически через карбеноиды.

Фотолитическое разложение [схема (39)] может дать как синплетные, так и триплетные частицы [50]. Прямой фотолиз обычно приводит к синглетному карбену через первоначально образующееся возбужденное синглетное диазосоединение (57). Однако в некоторых случаях синглетное диазосоединение может превращаться в триплет (58) со скоростью, близкой к скорости потери азота, что приводит к образованию триплетного карбена. В присутствии триплетных сенсибилизаторов, например бензофенона, свет поглощается сенсибилизатором, а затем энергия переносится с возбужденного триплетного сенсибилизатора на диазосоединение с образованием (58), а следовательно, триплетного карбена. Поскольку энергия (58) меньше, чем энергия (57), переход в синплет обычно не конкурирует с потерей азота, и поэтому сенсибилизированное разложение приводит только к триплетному карбену при условии, что все излучение поглощается сенсибилизатором. Прямой газофазный фотолиз диазометана осложняется тем, что генерированный метилен обладает избытком энергии и, присоединяясь к алкенам, образует «горячие» или колебательно возбужденные циклопропаны, которые еще до дезактивации при соударении претерпевают мономолекулярную перегруппировку. Однако в растворе этот избыток энергии быстро теряется и по высокой стереоспецифичности циклопропанирования очевидно, что образуется только синглетный метилен.

Неопределенность этого метода генерации карбенов состоит в том, что некоторые продукты могут образоваться при непосредственных реакциях возбужденного диазосоединения, а не через карбен. Такую возможность трудно исключить, но в некоторых случаях можно это контролировать тщательным изучением квантового выхода реакции или сравнением свойств того же карбена, полученного иным путем. Например, карбен (59), генерированный из соединений (60) и (61), обладает одинаковой селективностью в конкурентных реакциях с двумя алкенами [51]. Это небольшое осложнение не возникает при получении карбенов термолизом диазосоединений, однако при этом наблюдаются три общие побочные реакции диазосоединения в основном состоянии, которые мешают генерации карбена. Диазосоединения могут взаимодействовать с генерированным карбеном с образованием азинов (62), кроме того, они также легко протонируются с образованием карбениевого иона [схема (40)].

Наконец, диазосоединения могут присоединяться как -диполи к любым присутствующим в смеси алкенам или алкинам с образованием пиразолинов или пиразолов, которые затем могут превращаться с выделением азота в продукты, являющиеся формально продуктами реакции карбена. Эти реакции, вероятнее всего, имеют большее значение при более высоких температурах, характерных для термических разложений, а не в фотолитических реакциях, которые обычно проходят при комнатной или более низкой температуре. Чтобы обеспечить в реакции образование в качестве реакционноспособного интермедиата именно карбена, а не карбениевого иона [см. схему ], необходимо проводить термолиз диазосоединения в строго апротонных условиях.

Диазосоединения можно получить разнообразными методами, но часто более удобно генерировать их situ. Имеется несколько способов генерации [47], но наиболее широко используется реакция Бамфорда — Стивенса [52, 53].

Каталитическое разложение диазосоединений проходит через карбеноиды [см., например, схему ], что обнаруживается по различному составу продуктов, получаемых из карбеноидов меди и свободных карбенов. Следует отметить, что карбены также дают продукт внедрения по связи . Катализаторами служат медь и ее соли, разнообразные галогениды металлов и другие кислоты Льюиса, а также тетрафенилэтан. Включение катализатора в переходное состояние циклопропанирования подтверждено асимметрической индукцией, наблюдавшейся при использовании в качестве катализаторов хиральных медных комплексов [54].

Для генерации метилена часто используется фотолиз кетена , изоэлектронного диазометану, однако высшие кетены в качестве источников карбенов используются мало.

(2) Карбены при циклоэлиминировании

Термическое и фотохимическое циклоэлиминирование представляет собой удобный путь к карбенам [55—57]. Относительно легко распадаются трехчленные циклы, например (63) — (65). Превращение простых циклопропанов в карбены обычно проходит с невысокой конверсией, однако в случае норкарадиенов, например (61) и (66), выходы повышаются; (66) называют «стойким реактивом» для генерации метилена . Значительно более полезен в синтетическом отношении фотораспад оксиранов, например (64). Среди циклов больших размеров норборнадиены (67) элиминируют диалкокси- или дифторкарбены в относительно мягких условиях, а -диоксоланы и циклические карбонаты, например (68) и (69), подвергаются циклоэлиминированию.

(3) Карбены при -элиминировании, индуцированном основаниями

Эти реакции галогенидов или гем-дигалогенидов [схема (43)] представляют собой важнейший путь синтеза свободных карбенов, однако они могут идти также через недостаточно охарактеризованные карбеноиды, в зависимости от природы субстрата и условий реакции.

В классических работах Хайна показано, что гидролиз гало-формов в большинстве случаев проходит по схеме (44) с генерацией свободных галокарбенов [41]. Эта работа и последующие работы Деринга и Гофмана, показавших, что в апротонных условиях карбен может существовать достаточно долго, чтобы прореагировать с алкенами, стоят у истоков современной химии карбенов. Недавно на примере этой реакции было ярко продемонстрировано преимущество межфазного катализа [58, 59], и в настоящее время генерацию карбена из галоформов проводят предпочтительно по этой методике, используя водный раствор гидроксида иатрия в присутствии четвертичных аммониевых солей (обычно бензилтриэтиламмонийхлорида) или триалкиламина в качестве катализаторов. Таким образом можно получить целый ряд галокарбенов и галоциклопропанов с высокими выходами даже в случае малореакционноспособных алкенов. Обработка реакционной смеси значительно упрощается — катализатор можно удалить простым фильтрованием — если использовать трехфазную методику, при которой катализатор связан с полистиролом, сформированным в виде бусии [60].

Тригалогенометильные анионы, полученные другими методами [47], также дают свободные карбены. Отщеплением галогеново-дородов можно получить также винилиденкарбены, однако многие органические галогениды реагируют с основаниями, в особенности с литийалкилами, с образованием карбеноидов [61], которые устойчивы при низких температурах и могут непосредственно реагировать с алкенами, давая циклопропаны.

Ситуация, таким образом, является достаточно сложной; большинство подобных реакций, например , проходят полностью или, по крайней мере, частично через присоединение карбеноидов, однако в других случаях, например при использовании (выше ), наблюдается селективность, характерная для реакций свободных кзрбенов, поэтому реакция, по-видимому, включает равновесную стадию, показанную на схеме (45), с последующей лимитирующей стадией — присоединением карбена к алкену. Одним из последних новых достижений в этой области является наблюдение, что реакции, идущие обычно через карбеноиды, например алкен, можно модифицировать реагентами, образующими комплекс с катионом, например , и получить свободные карбены [62]. Таким образом, появляется возможность генерировать свободные карбены по реакции -элиминирования в тех случаях, когда соответствующие диазосоединения недоступны.

(4) Карбены из металлоорганических реагентов

Зейферт с сотрудниками приготовили ряд ртутьорганических реагентов , которые при подходящих температурах действуют как высоко эффективные переносчики метилена. Примерами могут служить [схема ], который с циклогексеном за 2 x при с высоким выходом дает норкаран, и , который за 24 ч при комнатной температуре реагирует с циклогексеном [63]. Аналогичные реагенты можно использовать для переноса метиленов типа , СНХ, CRX, ROCOCX и др. в реакциях присоединения и внедрения. Циклопропанирование алкенов действием и, вероятно, большинством других реагентов включает [по схеме (46)] свободные карбены, однако реакции с субстратами, содержащими атомы со свободными парами электронов, могут осуществляться прямым взаимодействием с ртутьорганическими реагентами.

В реакции Симмонса-Смита между метилениодидом и цинк-медной парой образуются цинкорганические карбеноиды типа (50), которые представляют собой мощные и широко используемые реагенты циклопропанирования [64]. Альтернативой, способной к более широкому применению, является система диэтилцинк — метилениодид ; так, метилциклопропаны можно синтезировать на основе -дииодэтана [65].

Источниками карбенов или карбеноидов могут быть другие разнообразные металллорганические реагенты, например (70) — (72), но в синтетических целях они используются меньше, чем описанные выше реагенты.