Kapittel 4 Electrophilic Additions to Carbon-Carbon Multiple Bonds

Presentasjon om: "Kapittel 4 Electrophilic Additions to Carbon-Carbon Multiple Bonds"— Utskrift av presentasjonen:

1 Kapittel 4 Electrophilic Additions to Carbon-Carbon Multiple Bonds
4.1. Electrophilic Addition to Alkenes Addition of Hydrogen Halides Hydration and Other Acid-Catalyzed Additions of Oxygen Nucleophiles Oxymercuration-Reduction Addition of Halogens to Alkenes Addition of Other Electrophilic Reagents Addition Reactions with Electrophilic Sulfur and Selenium Reagents 4.2. Electrophilic Cyclization Halocyclization 4.3. Electrophilic Substitution a to Carbonyl Groups Halogenation a to Carbonyl Groups 4.4. Additions to Allenes and Alkynes 4.5. Addition at Double Bonds via Organoborane Intermediates Hydroboration Reactions of Organoboranes Enantioselective Hydroboration Hydroboration of Alkynes and Related Reactions

2 4.1 Elektrofil addisjon til alkener
Kapittel 4. Elektrofil addisjon til bindinger introduksjon av nye funksjoner på dbl/trippel-bindinger via polare intermediater/TS; viktige, nyttige reaksjoner som supplerer andre alken rx-typer: nukl addisjons- / sykloadd- / fri radikal-reaksjoner her; syntetiske anvendelser (mek i Fys. Org kjemi) 4.1 Elektrofil addisjon til alkener Addisjon av H+X- (HBr, HCl …) Hydratisering og syrekat. addisjon av O-nukleofiler Oxymerkurering – reduksjon; Hg2+ - hydrid / Nu- Addisjon av X2 til C=C (halogen til alkener) Addisjon av andre elektrofile reagenser Addisjonsreaksjoner med elektrofile S og Se reagenser

3 4.1 Elektrofil addisjon til alkener
Addisjon av HX (og RCOOH) via mest substituerte karbokation; ”Markovnikov’s lov”; karbokation stabilitet: +CH2CH2R < CH3+CH-R < CH3CH+Ar < CH3C+R2 < CH3C+Ar2 (NB omleiringer) prim sek sek/benzyl tert tert/benzyl HCl (fra SOCl2) på SiO2 forenkler protonering pga aktivering av silanolgrupper: TMS-Cl (TMSCl-hydrolyse gir HCl), Ex: også nucl løsn.m kan addere; her karboksylsyrer; dannelse av syklohexyl acetat, Ex: tegn ut! Mekanismer: termolekylær mekanisme (vanligst) gir anti: ionepar mek (ikke stereospesifikk); alkener som gir stabile karbokationer: ionepar med kort levetid, rask kollaps, gir syn lang levetid, fleksibelt, gir syn/anti

4 4.1 Elektrofil addisjon til alkener
Syrekatalysert hydratisering (+ H2O) og addisjon av andre O-nukleofiler følger Markovnikov’s lov; omleiringer (til mer stabile karbokation) kan skje, Sterk syre / kraftige betingelser; ikke for syre-ustabile forbindelser (se alt. mildere oxymerkurerings-red-rx) O-nukleofiler: H2O (med eks. H2SO4), Ex: tegn ut! MeOH (med sterk sur katalyse), Ex: tegn ut! RCOOH, Ex: tegn ut! TFA (sterk nok syre i seg selv), Ex: tegn ut!

5 4.1 Elektrofil addisjon til alkener
Oxymerkurering - reduksjon tilsvarende rx, mildere metode, i) H+ er skiftet ut med (annen elektrofil) Hg2+, Hg(OAc)2oftest brukt; gir kvikksølv/mercurium ion; (mer reaktive; Hg(OTFA)2, Hg(OTf)2, Hg(NO3)2) ii) nukleofilt angrep gir Nu/Hg-addukt nukleofiler: iii) hydrid reduksjon; NaBH4 gir slutt-produkt total-rx; add av Nu- + H- til C=C: gir Markovnikov produkt: NaBH4-red; radikal mekanisme; red av Hg2+ (til Hg0) v/ hydrid reduksjon: O2 fanger radikal før produkt dannelse; gir ROH produkt:

6 4.1 Elektrofil addisjon til alkener
Oxymerkurering – reduksjon; anvendelser: alkohol, Ex: tegn ut! eter Nu = i-PrOH (løsningsmiddel) + Hg(OTFA)2, Ex: tegn ut! amid Nu = acetonitril (løsningsm.) og Hg nitrat, Ex: tegn ut! peroksyd Nu = t-BuOOH og Hg(OAc)2, Ex: tegn ut! amin Nu = Bn-NH2 + Hg perklorat, Ex: tegn ut!

7 4.1 Elektrofil addisjon til alkener
Oxymerkurering - reduksjon (forts) stereokjemi; produkt fra anti add. indikerer mercurium (Hg+) ion mekanisme: reaktivitet: (som for elektrofil add; sterisk / elektr) regioselektivitet: Ex. selektiv add (ellers Markovnikov): dirigerende effekt: Oksygen substituent gir Hg–O interaksjon; diastereoselektivt Nu angrep / mest anti-2,3-diol; steriske årsaker: acetat; acetoxy dirigerer, gir syn-2,3-diol elektrontiltrekkende grupper (EWG) gir merkurering på nærmeste C:

8 4.1 Elektrofil addisjon til alkener
Addisjon av X2 (og X+ / H2O) til C=C; halogen til alkener Br2 / Cl2: rask reaksjon, øker når R = e-don subst og motsatt: mekanisme; via syklisk bromonium ion; gir anti produkt: mix syn/anti produkter kan dannes fra Ph-substituerte substrater pga bensylisk stabil karbokation kan svekke ”Br-bro”: Cl mindre str; mindre polariserbar, danner svakere bro; mer kation karakter av TS; derfor: - syn (i tillegg) i enda større grad for tilsv Cl-rx (over) - eliminasjon vanligere for Cl enn Br: Ex: (total rx; utskifting av H+ med Cl+) - omleiring (+ elim) for egnede intermediater, Ex: omleiring og elim: nukleofile løsningsmidler kan addere (til benzylisk kation), Ex: MeOH: Ex: AcOH:

9 4.1 Elektrofil addisjon til alkener
Halohydriner (nukl løsn.m = H2O); anti, Markovnikov X+-addukt addisjon av X+ / H2O; krever lav kons av Br2 for å tillate nukl angrep av vann; kan oppnås med NBS (+ vann) som genererer (ved radikal mek) en lav kons Br2: (succinimid anion er en dårlig nukl; tillater derfor angrep av H2O): DMSO / NBS / H2O gir (anti i) høye utbytter via hydrolyse av alkoksy sulfonium ion: chirale sulfoksy grupper i substratet kan gi stereoselektiv rx (inv på S): Ex: ”Br+” eller ”I+” kan også genereres ved bisulfit reduksjon av NaBrO3 eller NaIO4 (periodat) in situ dannelse av hypohalo syre; HO-X, Ex; HO(-)Br(+), HOI

10 4.1 Elektrofil addisjon til alkener
addisjon av F2: F: e-negativt, liten str, svært lite polariserbart atom; svært reaktivt forventer svak bro; mer kation karakter (se Cl foran) stor grad av syn produkter indikerer kation intermediat; Ex: F2 / MeOH; løsningsmiddel-addisjon; Ex, tegn ut! (som for Cl2 / MeOH og Bn substrater foran) CF2O(-)F(+) / CF3COOF; gir F+ addisjon; Ex: andre F+-kilder N-fluorpyridinium salter (pyridin er elektrontiltr): gir - add-produkt i nukl løsningsmidler, Ex, via Bn’isk kation: - elim-prod i non-nukl løsningsmidler: Ex: addisjon av I2; fotokjemisk: men di-iod forbindelser er ustabile, lite brukt

11 4.1 Elektrofil addisjon til alkener
Addisjon av andre elektrofile reagenser via halonium bro-intermediat - gir anti add; - Markovnikov produkt

12 4.1 Elektrofil addisjon til alkener
Addisjonsreaksjoner med elektrofile RS- og RSe- reagenser mekanisme via bro (tilsvarende for Se) C-S binding er sterkere (kortere) enn C-Br (tidl); - derfor er steriske effekter mer dirigerende ved nukleofilt angrep; - kan gi anti-Markovnikov produkt: Ex: reagenser: RS-X RSe-X X = mer elektroneg gruppe; ex - Svovel reagenser; (RS+ X-) - Selen reagenser: Spesielt; Pummerer omleiring med R-SO-tBu + (TFA)2O: i) red av sulfoxyd til sulfonium ion, ii) fragmentering gir RS+

13 4.2 Elektrofil syklisering
Halosyklisering Tilsv rx som foran, men intern Nu; exo, endo cyclisering: E+ : iod / I i form av I2 brom / Br+ i form av NBS (også RS+, RSe+, Hg2+) Nu (O, N, S) kan være: foretrukket ring-størrelse: 5 > 6 > 3 > 4 foretrukket syklisering: n = 2: 5-endo >> 4-exo n = 3: 5-exo > 6-endo n = 4: 6-exo >> 7-endo tetragonal (sp3), trigonal (sp2), digonal (sp) angir hybridisering ved sykliserings-atom hvorfor intra- og ikke intermolekylær rx? - intramol TS mest stabil; spesielt for 5- og 6-ringer (vist ved beregninger) iodosyklisering mer vanlig enn bromo-: Ex: cycl med sulfat /OSO3- som Nu; her, 6-endo bromosyklisering av pga mest stabilt Bn-carbocation: tegn ut 5-exo!

14 4.2 Elektrofil syklisering
Iodlaktoniserings-reaksjoner: (rx med karboksylsyre substrat med C=C og I2) anti addisjons produkt dannes, 5-ring favoris. intern CO2- er Nu, pga baksideangrep åpning av iodonium ion intermediat; Ex: reaktant konformasjon kan bestemme stereokjemi i produktet: (NB. her terminal C=CH2, gir ikke mulighet for synlig anti produkt) ved termodynamiske betingelser (rev prosess, likevekt innstilles) mest stabilt produkt, her trans; Ex: NB. Alle rx via iodonium ion kinetisk kontrollerte betingelser, (raskest rx, lav-energi TS; minst stabilt prod. kan dannes) produkt via mest foretrukket konformasjon av substrat; her cis; Ex: høyere subst C=C, mest e-rik, har størst reaktivitet: andre nukleofile grupper: alkohol, Ex; 5-endo: amid, via iminolacton, hydrolyserer til lacton, Ex: amid via O,N-diTMS imidat, Ex: Nu = N:

15 4.3 Elektrofil substitusjon a til karbonyl
a-halogenering (gir substitusjon og ikke addisjon) Reaksjonen (1. trinn) er analog til elektrofil addisjon av halogen til alken (se foran); her elektrofil add til enol / enolat enol-dannelse kan være syre- eller base-katalysert: enol / enolat er nukleofil gjendannelse av karbonyl gir a-halogenert produkt: (dvs ingen nukleofil i siste trinn som for alkener) total rx; utskifting av H+ med Br+ reaksjon med X2 er selvkatalytisk, dannelse av HX usymmetriske ketoner kan gi blanding av produkter (to mulige a-pos) Monohalogenering ved syrekatalyse; halogensubst deakt. for C=O protonering, enolisering, polysubst. Polyhalogenering mulig ved basekatalyse; polar halogensubst aktiverer enolisering (svekker C-aH-bind); Ex, haloform rx av methylketoner; spalting til carb.syre: tegn ut! vanligste rx-betingelser er Br2/ HOAc (surt) eller NBS (skånsomt), Ex: tegn ut prod! andre substrater: - silyl enol etere (enol derivat), Ex: - enamin (enolat N-ekvivalent) Ex: gir samme prod, via imin: - syre; via syreklorid (SOCl2), Ex: evt kvant enolat dannelse vha ex LDA a-F-ketoner kan dannes vha en rekke reagenser, Ex: ”F-OH”

16 4.4 Addisjon til allener og alkyner
Allener; C=C=C addisjon av HX, via mulig i) allyl kation eller ii) vinyl kation; ikke-substituerte allen; protonering skjer på terminalt C, gir vinyl kation: (ikke res-stab allyl kation; forventet mest stabil) gir 2-halo-produkt, : Ex: donor effekt av halogen kan gir 2,2-dihalo produkt, Ex: tegn ut! (rx med begge dbl-bind): substituerte allener, protonering skjer på sentralt C, gir allyl kation, Ex: Alkyner (acetylener); add av HX; (terminal alkyn; Markovnikov add), tegn ut! egnet reagens = kvart amm bromid salter + TFA; Ex: Hydratisering av alkyner gir ketoner: Markovnikov prod: - syrekatalysert hydratisering, Ex: - oftest vha kvikksølv (Hg2+) katalyse (via merkurium ion; Nu åpning på mest pos C), Ex: tegn ut! - terminale alkyner gir methyl ketoner: - subst. alkyner kan gi blandinger Gull(I) katalysert addisjon til alkyn; tilsvarende produkt add av X2; Ex: produkt-blanding:

17 4.5 Addisjon til C=C dobbeltbinding via organoboran intermediater
A. Hydroborering = addisjon av boran (eller deriv) til alken; gir alkylboran intermediater egnet for B) videre reaksjoner boran = BH3; e-fattig elektrofilt reagens, foreligger som H-bundet B2H6 dimer; danner Lewis-syre komplekser med e-par donorer (O, N, S; mest vanlig dimetylsulfid, THF) Mekanisme; NB; B mer elektrofilt enn H; ”Bd+–Hd-” concerted via fire-ring TS; gir syn produkt, samme side: BH3 + 3 alken = trialkylboran; tegn ut! - regioselektivt; B adderer til minst subst C (Markovnikov) av steriske og elektroniske årsaker; - øket regioselektivitet med - bulky reagenser hhv mono-/dialkyl boraner: - haloboraner (BHnXm): spesielle boraner, mindre reaktive (e-don O), men godt egnet for metal kat. hydroborering

18 4.5 Addisjon til C=C dobbeltbinding via organoboran intermediater
A. Hydroborering (forts) (dia)stereoselektiv hydroborering av funksjonaliserte alkener, Ex: ether, -OR; i) med, ii) uten metall-kat - bruk av kirale ligander, Ex Rh-BINAP: kan gi (enantio)stereoselektiv hydroborering omleiring (migration); hydroborering er reversibel (elim (a,b) / add (c) ved varming); vil derfor kunne gi omleiret produkt; B-gruppen vandrer langs kjeden (gjerne til terminal pos) intramolekylær mek via p-komplex: migrering til minst sterisk hindret / minst subst / terminal posisjon særlig ved: - oppvarming av sterisk hindrede trialkyl boraner, Ex: tegn ut! - evt med metall-kat (gir mildere betingelser)

19 4.5 Addisjon til C=C dobbeltbinding via organoboran intermediater
Organoboran reaksjoner erstatter R3B, Bor-gruppe med I) OH (gir alkohol, carbonyl), II) NH, III) X; (C i kap 9) I) Alkohol / karbonyl dannelse; oksydasjon med basisk H2O2, Mekanisme; trinn i), ii) (x3), iii): bibehold av alkyl stereokjemi (trinn ii) alkylvandring) kombinasjon av Ex, tegn ut! gir godt definert produkt, gir anti-Markovnikov sluttprodukt, Ex: Ex, oxymerkurering-red; tegn ut! prod dannet via kationisk intermediat? motsatt! Alt: andre ox-midler; O2/perfluorerte løsn.midler, Ex: kraftigere ox-midler gir ox til karbonyl; Ex prod? II) Amin dannelse; organoboran + amin-X (X = utg gruppe; -Cl, -OSO3), Ex: tilsv mek; i) ii), iii), som rx m/ H2O2 over (men oftest bare 2x): - gir prim amin - sek amin vha alkyl azid, Ex: III) Alkylhalid v/ subst av B med I/Br, I-Cl, evt I2 / Br2 + base/OH- Ex, tegn ut! Regioselektivitet, terminal alken gir prim halid; prod dannet via kationisk intermediat (ex HBr)?

20 4.5 Addisjon til C=C dobbeltbinding via organoboran intermediater
Enantioselektiv hydroborering chirale boraner kan fremstilles fra chirale terpener; ex: bis(isopinocampheyl)boran, (Ipc)2BH, begge enantiomere er tilgjengelige: (Ipc)2BH og Z-alkener inntar favorisert TS, muliggjør A.diastereosel alkylboran-dannelse og B. enantiosel prod dannelse (Z- bedre enn E-alkener): både Z- og E-vinyl etere gir høy selektivitet, Ex: Metode for regenerering av terpen: Metode A gir gjendannet pinen ved dannelse av dietoksyboran intermediat ved rx med acetaldehyd: H2O2 ox gir produkt alkohol + HB(OEt)2: Metode B gir dannelse av produkt alkohol, ROH, og Ipc-OH (går tapt): andre reagenser: monoisocampheylboran, IpcBH2; haloboranes; chloroborane bromoborane, Ex : Stereoselektiv dannelse av aminer og alkylhalider; tilsvarende som for alkoholer

21 4.5 Addisjon til C=C dobbeltbinding via organoboran intermediater
Alkyn hydroborering alkyn rx med disubst boran gir vinylboran, syn add; protonolyse gir cis/Z alken; ox (H2O2) gir enol prod -- keton term alkyn gir aldehyd; Ex; tegn ut!: NB, syrekat. hydratisering gir Markovnikov prod: merkurium ion eller H+; Nu åpning på mest pos C dvs. terminale alkyner gir methyl ketoner, tegn ut! rx med Br2 gir vinyl bromid; anti add (av Br-Br), rotasjon og anti elim (av B / Br) gir anti produkt v) hydrolyse med vann gir vinylborsyre rx med I2 gir E vinyl iodid OPPSUMMERING