TKJ4111: Kap. 10 del 4: Reaksjoner med frie-radikaler som mellomprodukt

Transkript

1 TKJ4111: Kap. 10 del 4: eaksjoner med frie-radikaler som mellomprodukt C&SB kap. 10 del 4: Versjon: Forelesning: Bård elge off C&SB,Kap 10, del 4 1

2 O O O adikal kjemi: Kjemisk nytte: Polymerisering av alkener til funksjonelle polymerer Polyetylen, polystyren, Teflon etc alogenerings reaksjoner (skal ikke behandles) Addisjon til alkener Sykliseringsreaksjoner I dagliglivet: Frie radikaler kan føre til kreft Mat tilsettes radikal hemmere for å hindre nedbrytning av mat (askorbinsyre, Vitamin E) Aldringsprosessen antas å skyldes radikal-skader Forbrenning er radikalprosess (Bly ble tilsatt bensin for å hindre at drivstoffet forbrenner på tanken) I naturen: Atmosfære kjemi (Nedbrytning av ozon, etc, etc) Mange biokjemiske prosesser er av radikal type O O Vitamin C O Moses Gomberg adikalkjemiens far C&SB,Kap 10, del 4 2

3 Innhold adikaler adikal kilder Tinnhydrider Addisjon av radikaler til alkener Katalytiske reaksjoner med tinnhydrider Silan hydrider Sykliseringer vha radikaler alid-alkener alid-alkyner Alkyn-alkener alid: C=N adikale fragmenteringer C&SB,Kap 10, del 4 3

4 adikaler: Nøytrale molekyler med 7 elektroner i sitt ytre skall ar et uparret elektron adikaler er kortlivet og reaktiv Kan være vanskelig å styre reaksjonen Pilsetting: bruker enkelthodete piler C&SB,Kap 10, del 4 4

5 Stabilitet av organiske radikaler: Elektrontiltrekkende grupper og konjugasjon med dobbelt bindinger øker stabiliteten på radikaler Økt grad av forgreining øker stabilitet av radikalet Mest stabile radikaler = CN, CO Allyl og benzyl radikaler CN C 3 Allylisk radikal Medium stabile radikaler Alkyl Lite stabile radikaler Vinyl Alkyn Fenyl C&SB,Kap 10, del 4 5

6 Suksessfulle radikal reaksjoner Levetid av radikaler er kort, derfor må reaksjonene være raske for å unngå bireaksjoner eaksjon må være exotermisk eller kreve minimalt med energi for å være del av en radikal kjede prosess ( <0) Eksoterm reaksjon F.eks addisjon av radikal kan skje til alkener men ikke karbonyl C&SB,Kap 10, del 4 6

7 adikal kilder (startere/initsiatorer Peroksider Benzoyl peroksid (: PhCO) Diazoforbindelser Mye brukt: AIBN AIBN Azo-bis isobutyronitril N N eller 2 +N 2 hv Gir radikaler ved oppvarming (67 o C) eller bestråling Me Me C CN Me N N C CN Me Varme hv Me Me C CN +N 2 (2 mol eq) C&SB,Kap 10, del 4 7

8 Fase i en radikal kjede rx. Initsiering: må ha noe som starter reaksjonen Propagering: må ha reaksjoner som får radikal prosessen til å gå videre Stopping: To radikaler reagerer og stopper prosessen C&SB,Kap 10, del 4 8

9 Trinn i en radikal reaksjon mot definerte produkt Trialkyl tinn hydrid ( 3 Sn) er gode radikal overfører i kjede reaksjoner Forlengelse( Propagation) 3 Sn -I C&SB,Kap 10, del 4 9

10 Trinn i en radikal reaksjon mot definerte produkt 3 Sn C&SB,Kap 10, del 4 10

11 Notat til foregående side Starting: Initiator reagerer med tinn hydridet og gir tinn radikal Propagation (videreføring) Tinn radikalet reagerer med alkyl halidet (eaktivitet: I>Br>Cl) Alkyl radikalet adderer til alkenet Det nye produkt-radikalet reagerer med tinnhydridet og gir produkt samt gjendanning av tinn radikalet Ny syklus kan starte 1 ekvivalent av tinn hydrid kreves her C&SB,Kap 10, del 4 11

12 N-hydroxypyridin 2-thion Kilde for alkyl radikaler Initator reagerer med stoffet og frigir alkyl radikalet Alkyl radikalet kan reagere (f. eks med et alken) X CO 2 X X + S N S N S N Alkyl radikal O O O O C&SB,Kap 10, del 4 12

13 Ulike radikaler med N-hydroxypyridin 2- thion C&SB,Kap 10, del 4 13

14 Selen stoffer Selenyl grupper kan abstraheres av tinn radikaler og gi nye radikaler adikalene kan gjennomgå addisjonsreaksjoner etc. C&SB,Kap 10, del 4 14

15 Trialkyl boraner som radikal kilde Trialkylboraner reagerer med oksygen og gir alkyl radikaler 3 B + O 2 O OB O 2 O 2 O B O 2 B 2 + C&SB,Kap 10, del 4 15

16 Stoffer som reagerer med tinn radikaler Preferanse for: alider: I > Br > Cl > vinyl halider Vinylisk Benzylisk Men radikaler kan også snappe et hvilket som helst hydrogen dersom ikke annet er tilgjengelig Tinn radikaler adderer til alkyner og gir et alken-tinn addukt C&SB,Kap 10, del 4 16

17 Addisjons reaksjoner av radikaler til substituerte alkener (s 959) Metode for å lage nye C-C bindinger Gode alkener i radikal reaksjoner har elektrontiltrekkende grupper (cyano, estere og andre karbonyl stoffer) Alkyl radikaler er nukleofile, økt hastighet når alkenet er elektronfattig En får regioselektivitet siden det er forskjell i elektrontetthet på de to posisjonene på alkenet, samt forskjell i hvor sterisk skjermet molekylet er C&SB,Kap 10, del 4 17

18 Katalytisk syklus og kriterier for suksess CN Elektrofil k 1 Bu 3 SnI C CN Bu 3 Sn -I "nukleofilkilde" k3 Bu 3 Sn k 2 Produkt CN Bu 3 Sn + In C&SB,Kap 10, del 4 18

19 Uønskede reaksjoner her C CN CN k6 Oligomerer/polymerer C&SB,Kap 10, del 4 19

20 Tekst til katalytisk syklus astigheten av hvert seg må være større enn terminerings-steg K2 raskere enn k4 og k5 K2 må være raskere k6 Utbytte øker ved å ha lav konsentrasjon av SnBu 3 (mindre dehalogenering ved reduksjon av alkyl radikalet) Sakte tilsats Overskudd av øvrige reaktanter Tilsats av andre reduksjonsmidler som gjendanner SnBu 3 NaB 4 eller NaB 3 C C&SB,Kap 10, del 4 20

21 Katalytisk bruk av tinnhydridet NaB 3 CN er et reduksjonsmiddel som gjendanner tinn hydridet Fordel: eduserer forbruk og utslipp av tinn Økt utbytte fordi det er mindre tinnhydrid tilstede C&SB,Kap 10, del 4 21

22 Eksempel addisjon av radikaler til alkener O O + CO 2 Me AIBN Bu 3 Sn I Iodider er det lett å lage radikaler av AIBN er radikal starter og reagerer med tinn-hydridet Det elektronfattige alkenet er en god elektrofil C&SB,Kap 10, del 4 22

23 Mekanisme O O + CO 2 Me + Bu 3 SnI C&SB,Kap 10, del 4 23

24 Katalytisk bruk av tinnhydridet PhO 2 S O OBn BnO 80% OBn adikalkilde ved start: AIBN C&SB,Kap 10, del 4 24

25 Bruk av silanhydrid istedenfor tinnhydrid reagenser (961) Lavere reaksjonshastighet Men miljømessig bedre: unngår bruk av tinn C&SB,Kap 10, del 4 25

26 Syklisering vha radikaler In Bu 3 Sn Bu 3 Sn In- Bu 3 Sn C 3 X C C Bu 3 SnX C C C 3 C C C C Bu 3 Sn Bu 3 Sn C 2 Produkt aloalkener kan sykliseres vha radikalkjemi C&SB,Kap 10, del 4 26

27 egioselektivitet: syklisering av radikaler Steriske og elektroniske forhold vil påvirke angrepspunkt: Angrep på minst hindrede sted er favorisert av steriske årsaker og stabiliserende effekter på radikalet som dannes Finnes det grupper som stabiliserer produktradikalet? Alt likt regioselektivity: 5 ring> 6 ring >7 ring Krav for å lykkes: ring dannelse må være rask relativ til hydrogen abstraksjon fra Bu 3 Sn 3 C C 3 Bu 3 Sn Uønsket reduksjon 2 C C 3 C 3 Mest stabile radikal Bu 3 Sn C 3 C 2 C 3 Mindre stabilt radikal C&SB,Kap 10, del 4 27

28 Syklisering vha radikaler Tinn radikalet reagerer med halidet og danner et radikal av substratet Syklisering til nytt radikal: angrep på minst substituerte karbon >mest stabiliserte radikal produkt Produkt radikalet reduseres av tribuyl tinn hydrid som gir Bu 3 Sn-radikalet Bu 3 Sn-radikalet er klar for ny runde. C 3 O C 2 EtO C&SB,Kap 10, del 4 28

29 Syklisering av alkyner med alkylhalid haler I C 3 3 C 3 I C 3 C 3 I nærvær av 0.1 ekvivalent Bu 3 Sn sykliseres alkyn iodidet til et syklisk vinyl iodid Iodidet sitter der hydrogenet normalt skal sitte Fortsettelse følger. C&SB,Kap 10, del 4 29

30 Mekanisme Propagation C* C* C 3 C 3 C 3 C 3 C* C 3 C 3 C 3 I C 3 C&SB,Kap 10, del 4 30

31 Mekanisme 1. Tinn radikalet tar iodidet og gir radikal 2. adikalet reagerer intramol. med alkynet og gir vinyl radikal 3. Siden det er lav kons. av Bu3Sn abstraherer radikalet heller et jod fra et annet substrat enn å bli redusert (Propagering skjer ved abstraksjon av iod istedenfor hydrogen fra Bu 3 Sn 4. Dette gir også et nytt radikal som kan sykliseres på samme måte NB: Vinyl iodider er mye mindre reaktive enn alkyl iodider slik at produktet er relativt stabilt C&SB,Kap 10, del 4 31

32 Addisjon av vinyl radikaler til alkener C Bu 3 Sn C + Bu 3 Sn 2 C 1 2 C 1 Bu 3 Sn-radikalet reagerer med vinylisk-bromid og gir et vinyl-radikal Vinyl radikalet adderer til dobbeltbindingen Slike reaksjoner er vanligvis termodynamisk favorisert pga mer stabilisert radikal i produktet enn i substratet C&SB,Kap 10, del 4 32

33 x mellom tinn radikaler og alkyner Tinn radikaler reagerer med alkyner ved innsetting av tinn og dannelsen av et vinyl radikal Vinyl radikalet kan reagerer med andre alkener> særlig nyttig for intramolekylære reaksjoner (er: 5 ring er favorisert pga stabilitet av radikalet som dannes) Produkt radikalet reduseres av tinn hydridet> dannelse av tinn radikalet> ny syklus C 3 C 3 C 3 Bu 3 Sn C 3 MeO 2 C CO 2 Me MeO 2 C CO 2 Me SnBu 3 C&SB,Kap 10, del 4 33

34 adikal addisjon til C=N bånd Oksim etere, iminer og hydrazoner kan gjennomgå radikal reaksjoner Oksim etere og hydrazoner er mer reaktive enn iminer (bedre evne til å stabilisere radikal Br N OC 2 Ph Bu 3 Sn AIBN N OC 2 Ph En oksim eter Ph 2 CO N C&SB,Kap 10, del 4 34

35 adikal addisjon til C=N bånd adikal reaksjon med et imin N 70 % Ph C&SB,Kap 10, del 4 35

36 To radikal-reaksjoner i rekke Produktet av en syklisering gir et nytt radikal som kan addere til et annet alken Utfordring: De første radikal reaksjonene må være raskere enn reduksjon av Bu 3 Sn Addisjon av 1. radikal til 1 elektrofil må være raskere enn addisjon av 1. radikal til 2 elektrofil Løsning her: Bruk av Bu 3 Sn i lav konsentrasjon 1 reaksjon er intramolekylær dvs raskere. OEt OEt adikal 1 OEt OEt O I O C 2 O Bu 3 Sn O Elektrofil 1 CN CN Betingelser: Bu 3 SnCl ( 0.2 eq, NaB 3 CN, hv som initiator, utbytte: 60-70% C&SB,Kap 10, del 4 36

37 Fragmenterings og omleirings reaksjoner Drivkraft er dannelsen av et mer stabilt radikal Start radikal ofte oksygen holdig Produktradikal har stabiliserende gruppe: nitriller, karbonyl Fragmenteringer med alkoksid radikaler er favorisert (eksoterm rx) pga stabiliteten av C=O båndet C&SB,Kap 10, del 4 37

38 Omleiringer og fragmenteringer med alkoksi-radikaler Metode for å lage store ringsystemer Drivkraften: dannelse av et mer stabilt radikal Produkt-radikalet er stabilisert med elektrontiltrekkende gruppe og klarer ikke å adderes til karbonyl bånd O O* CO 2 Et (C 2 ) 3 C 2 * CO 2 Et O O * C Bu 3 Sn + Bu 3 Sn* CO 2 Et CO 2 Et C&SB,Kap 10, del 4 38

39 Liknende fragmenterings reaksjoner Z Y Z Y Z Y X X C X C (n) (n) (n) Produkt radikal Produktet radikalet må ha en gruppe som stabiliserer radikalet (Z) Primær <sekundær< tertiær alkyl Konjugerte systemer Elektrontiltrekkende grupper (CN, karbonyl) Første addisjon må være raskere enn andre prosesser (reduksjon) astighet avhengig av X=Y: C=C> CO> Ph, C=C> CN C&SB,Kap 10, del 4 39

40 Omleiring av syklopropyl stoffer Kan skje for syklopropyl konjugert med d.bånd Syklopropyl må ha substituenter som stabiliserer radikal Tinn radikalet addere til d.bindingen C&SB,Kap 10, del 4 40

41 Mekanisme EtO 2 C CO 2 Et Ph 3 Sn Ph 3 Sn CO 2 Et CO 2 Et C&SB,Kap 10, del 4 41

42 Intramolekylær funksjonaliering ved radikal reaksjon Utgår C&SB,Kap 10, del 4 42

43 Pyrrolidin syntese med radikal kjemi (offmann-loeffler-freytag rx (s 654)) Ikke gjennomgått: 2011 Metode for å lage 5 ringer (pyrrolidin) med nitrogen i. N-chloraminer spaltes homolytisk Intramolekylær atom abstraksjon på C-4 er foretrukket entropisk og stereoelektronisk 2 C N + C 3 Cl hv (Flere mek. steg) C N + C 3 Cl NaO Pyrrolidine N C 3 C&SB,Kap 10, del 4 43

44 Ikke gjennomgått: 2011 offmann-loeffler-freytag rx: mekanisme Initsiering 2 C N + C 3 Cl hv 2 C N + C 3 Propagation Cl N + C 3 + N C 3 2 C N + C 3 Klar for en ny runde? Yes!!! + + N C C N + C 3 Cl Cl + N C 3 N C 3 Pyrrolidine C&SB,Kap 10, del 4 44

45 ofmann-loefler beslektede reaksjoner Foreleses ikke C&SB,Kap 10, del 4 45

46 Summary: radikaler som mellomprodukt Må ha en radikal kilde: AIBN/peroksider etc Må ha reagenser som fører kjedene videre: Tinn hydrider, silan hydrider eaksjonene bør være eksoterm eaksjonen må ha form av en kjede reaksjon Tinn radikaler reagerer med organiske halider og gir alkyl/aryl radikaler C&SB,Kap 10, del 4 46

47 Summary Alkyl radikaler reagerer godt med C=C og C=N bånd Addisjon til elektronfattige alkener Intramolekylære sykliseringer Addisjon til C=N bånd Dannelse av stabilt produkt-radikal styrer regiokjemien Viktig å ha kontroll på hastighetene og konsentrasjonen av reduksjonsmiddel slik at en unngår reduksjon av mellomprodukt radikaler Miljøaspektet i disse reaksjonene kan bedres ved å benytte: NaB 3 CN som koreduktant eventuelt, silanhydrider Fragmenteringer 2 C C 3 C 3 Bu 3 Sn C 3 C&SB,Kap 10, del 4 47