取代反应

苯炔(Benzyne)

  • 概要

苯炔是从苯环去除两个H原子得到的电中性的活性中间体。

苯炔主要含有以下三种位置异构体。在合成化学中,最重要也是最常见的是邻位的两个H被消除后得到的o-苯炔。它具有特别强的亲电子性,常被用于Diels-Alder反应中。而p-苯炔由于是环烯二炔环化(正宗-Bergman环化)的中间体而被大家所熟知。

benzyne_7

 

  • 基本文献

<revirw of aryne>
・Heaney, H. Chem. Rev. 1962, 62, 81. doi:10.1021/cr60216a001
・Pellissier, H.; Santelli, M. Tetrahedron 200359, 701. doi:10.1016/S0040-4020(02)01563-6
・ Wenk, H. H.; Winkler, M.; Sander, W. Angew. Chem. Int. Ed. 2003, 42, 502. DOI:10.1002/anie.200390151
・ Sanz, R. Org. Prep. Proced. Int. 2008, 40, 215. DOI:10.1080/00304940809458089
・ Kitamura, T. Aust. J. Chem. 2010, 63, 987. doi:10.1071/CH10072
・Tadross, P. M.; Stoltz, B. M. Chem. Rev. 2012112, 3550. DOI: 10.1021/cr200478h
・ Gampe, C. M.; Carreira, E. M. Angew. Chem. Int. Ed. 201251, 3766. DOI: 10.1002/anie.201107485

<reivew of heteroaryne>
・ Goetz, A. E.; Garg, N. K. J. Org. Chem. 201479, 846. doi:10.1021/jo402723e

・ Goetz, A. E.; Shah, T. K.; Garg, N. K. Chem. Commun. 2015, DOI: 10.1039/c4cc06445c

<aryne distortion model>
・ Bronner, S. M.; Im, G.-Y. J.; Garg, N. K.; Houk, K. N. J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 1267. DOI:10.1021/ja9098643
・ Im, G-Y. J.; Bronner, S. M.; Goetz, A. E.; Paton, E. S.; Cheong, P. H.-Y.; Houk, K. N.; Garg, N. K. J. Am. Chem. Soc. 2010132, 17933. DOI: 10.1021/ja1086485
・Goetz, A. E.; Bronner, S. M.; Cisneros, J. D.; Melamed, J. M.; Paton, E. S.; Houk, K. N.; Garg, N. K.Angew. Chem. Int. Ed. 201251, 2758. DOI: 10.1002/anie.201108863
・Goetz, A. E.; Garg, N. K. Nat. Chem. 20135, 54. doi:10.1038/nchem.1504
・Medina, J. M.; Mackey, J. L.; Garg, N, K.; Houk, K. N. J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 15798. DOI:10.1021/ja5099935

 

  • 开发历史

1940年代Wittig (1940), Gilman (1945), Bergstrom (1946)等人用强碱作用于卤代苯环得到了意料之外的反应,但是那时候并不知道是生成了苯炔,所以一直也没有苯炔结构的鉴定报道。在1953年Roberts等人详细探索了这个反应,提出了苯炔反应中间体。

These facts as well as the orientation data for various substituents can be accomodated by an elimination-addition mechanism involving at least transitory existence of an electrically neutral benzyne intermediate.

J. D. Roberts, 1953.

2014-09-04_23-15-05

  • 反应机理

o-苯炔的三键其实并不是稳定的直线型的,而是变形的比较斜的结构,正因为这种不稳定结构,经常被用于反应中间体进行各种化学反应。

苯炔的三键长度(1.24Å)介于双键(乙烯1.34Å)与典型三键(乙炔1.20Å)之间。

苯炔在反应溶液中显亲电子性,在芳香族的亲核置换反应中,如下图所示,反应机理一般是亲核试剂进攻苯炔完成取代反应。而这个反应机理也通过同位素碳标记(红色单键)得到证实。

苯炔的亲核反应的位置选择性受到苯炔环上的取代基影响,最近研究也发现这种拥有扭曲环结构的位置选择性与取代基之间关系是可以预测的。

benzyne_8

  • 反应实例

苯炔(=变形的环炔)的环化三聚物

alkyene_trimer_6

 

分子内亲核反应[1]

benzyne_2

 

三联苯衍生物的合成

benzyne_4

 

Gilvocarcin类的合成[2]

benzyne_5

 

经由吲哚炔中间体进行的全合成[3]

benzyne_6

 

 

  • 实验步骤

经由苯炔中间体的酰基烷基化反应[4]

benzyne_1

 

在装备有冷凝管・温度计・搅拌子,并且充分干燥过得500mL三颈圆底烧瓶中,氮气保护下加入CsF(19.7 g, 130 mmol, 2.5 equiv).然后用注射器加入无水乙腈(260mL),一边搅拌一边用注射器加入乙酰乙酸甲酯(5.60 mL, 6.01 g, 51.8 mmol, 1.00 equiv)和2-(trimethylsilyl)phenyl trifluoromethanesulfonate (15.7 mL, 19.3 g, 64.7mmol, 1.25 equiv)。接着得到的混合液在油浴上加热回流40分。溶液随着加热的进行从浑浊也逐渐变成黄色、橙色,再变回黄色。这个时候移去油浴,冷却到室温,并且用饱和食盐水(200mL)稀释。水层用乙醚(3×200mL)分三次萃取,合并有机相后用无水硫酸钠干燥。过滤后,旋蒸(35℃, 45 mmHg)浓缩得到橙色油状物质。过柱粗分(SiO2, 170g, 乙醚/hexane)后,减压蒸馏(124-130℃, 0.75 mmHg)得到白色结晶固体(6.63 g, 67%)。

 

  • 实验技巧

 

  • 参考文献
[1] Agami, C.; Couty, F.; Poursolis, M.; Vaissermann, J. Tetrahedron 1992, 48, 431. doi:10.1016/S0040-4020(01)89005-0
[2] Hosoya, T.; Takashiro, E.; Matsumoto, T.; Suzuki, K. J. Am. Chem. Soc. 1994, 116, 1004. doi:10.1021/ja00082a023
[3] Huters, A. D.; Quasdorf, K. W.; Styduhar, E. D.; Garg, N. K. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 15797. doi:10.1021/ja206538k
[4] Ebner, D. C.; Tambar, U. K.; Stoltz. B. M. Org. Synth. 2009, 86, 161. [website]

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京都大学药学博士,现某化学企业小职员,化学空间员工副代表,网页小编&翻译。
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