见鬼,铃木和烯烃复分解反应(和为什么他们不属于在大多数介绍有机化学课程)

见鬼,铃木,烯烃交换反应是很酷的。(但他们不属于(大多数)介绍性课程)

近年来有一种趋势对包括过渡金属催化反应介绍有机化学课程。最常见的反应是覆盖钯催化偶联反应(特别是铃木和赫克反应)烯烃交换。

一般来说,我认为这是一个坏主意对于大多数课程。在我看来,包括过渡金属催化了过多的“开放的循环”——新的反应,试剂、机制和概念不能被关闭在任何令人满意的方式由于时间有限。更多的底部。

然而,事实是,材料通常覆盖,和学生必须处理它。而不是完全忽视这个话题,我选择提供一个简明的概述三个重要反应涉及“有机金属化合物”——铃木反应,到底反应,烯烃置换作用。

首先,让我们从50000英尺的角度看问题。

表的内容

1. 过渡金属催化为什么重要
2. 铃木反应
3. 见鬼的反应
4. 烯烃复分解
5. 这些反应应该覆盖在入门课程吗?优点和缺点
6. 结论
7. (高级)引用和进一步阅读

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1。过渡金属催化对现代药物发现和精细化工合成至关重要

看看这个优秀的图表我们200强医药产品的体积。这里有三个例子。

这些药物是非常昂贵的多年项目的最终结果主要制药公司和生成的数不清的数十亿美元的收入。这些都是“针”搜索后发现极大的干草堆(10000个分子或更多)在一个过程我们称之为药物发现。

这不是覆盖药物发现的地方详细(尽管如果你好奇,德里克。劳的在管道这工作令人钦佩)。我只是想让奋进号点有机化学家参与这个:

1. 需要访问大量的分子(有时称为“库”),他们可以筛选生物活性(如杀死一个特定癌症细胞系,抑制特定的酶,等等)。
2. 经常需要做一些小调整,“调整”或修改一个分子的药理特性(如fat-solubility、生物利用度、代谢概要文件,和其他几个因素)。

如果你看看上面的分子中,你会注意到它们含有芳香环和其他sp²杂化碳原子。这是一个非常常见的药物和药物类分子结构特征。

所有这之前只是说确定过渡金属催化反应迅速是非常有用的,可以预见的是,廉价的sp之间形成新的债券²-杂化碳原子(如芳环),因此已经成为不可或缺的现代有机化学家的工具包的一部分。他们可以用来迅速生成类似物的分子为了提高他们的药理特性。

(以防你需要一些视角小的结构差异的重要性,我应该注意到,仅仅是否存在一个简单的甲基(CH₃)已经知道有时100倍地影响着药物的效力!]

让我们走过第一个和最重要的过渡金属催化反应我们将讨论:铃木反应。

2。铃木反应

铃木反应是形成新的碳碳键的钯催化反应两个耦合之间的合作伙伴:

•一个烯基或芳基卤(Br, Cl,或者我)_{(或有时triflate(传递)]}

•一个烯基或芳基boronic酸R-B(哦)_{2(或有时boronic酯R-B(或)2]}

催化的反应钯化合物,有许多品种(见下文),但为了简单起见,我们将使用Pd(产后大出血₃)4。基地(如氢氧化钠或KOH)也是必不可少的反应。

包含一个产品的反应新的碳碳键碳与卤素和碳之间的附着在boronic酸。卤素和boronic酸中。

你可以认为钯作为“媒人”这个反应——它将这两个合作伙伴联系在了一起,但本身是不纳入产品的反应。

我们可以控制债券的形式采用适当的前兆。例如,在上面的第二个例子中,注意我们的芳基溴化[1-bromo-4-methylbenzene]溴”帕拉”CH(相反)₃集团在芳环上。我们使用了“元“异构体1-bromo-3-methylbenzene新碳碳键将同样形成了”元”甲基。

Pd-catalyzed交叉耦合允许提前一起赠送的部分像乐高积木一样。加分,你想象如何使用铃木构建关键sp²- sp²例如,债券在缬沙坦。

为进一步阅读铃木和背景,我推荐的资源迈尔斯和白色的迈克•埃文斯,当然的有机金属的读者提供了一个通用的背景有机金属化学的关键概念。

3所示。见鬼的反应

第二个重要的钯催化的碳碳键形成反应实际上是老老前辈的,称为见鬼的反应。

就像在铃木耦合伙伴之一是一个烯基或芳基卤化物(Br, Cl,我)_{(有时传递)}

与铃木没有boronic酸。(交叉耦合反应的名字会分配基于“有机金属”耦合伙伴的身份)。见鬼,只不过是一个耦合伙伴烯烃。

这是一个例子。密切关注和打破债券形式:

到底反应最终形成新的碳碳键与芳基卤化物烯烃,我们打破C-Br和碳氢键(碳氢键断裂是很难看到!)。

毫无疑问,通过观察这一个例子你可能发现自己提出的问题,如:“这些试剂的箭如Pd (OAc)₂,净₃和P (o-tol)₃?”、“为什么债券形式特别的一部分烯烃当可能有两个其他碳氢键打破吗?”。我理解。可以更低。

4所示。烯烃复分解

第三个重要过渡金属催化反应通常覆盖着介绍有机化学烯烃交换有时ring-closing交换。这里采用的过渡金属催化剂一般包含钌(俄文)作为活性金属而不是钯。

涉及与耦合反应烯基或芳基卤化物以及有机金属耦合伙伴,官能团参与的关键烯烃音位转换非常简单:烯烃。

简单地说,烯烃交换针两烯烃在一起。这是可以做到的两个人之间烯烃(“分子间”或“cross-metathesis”),但更常用的形式从分子含有两个戒指烯烃官能团。

在下面的示例中,一些标签将有助于跟踪债券所形成和破碎。注意,我们打破颈- 1和c - 2之间的双键之间的双键即8,而形成新的双键c - 2之间,即(红色标签)。因为c - 2之间有4个碳,即我们最终会形成一个六元环。(注意:关闭环复分解适用于5、6、7元环(以及更大的),但失败,如果我们试图让紧张3 -和4-membered环]

反应是由一个钌催化的化合物已被称为“Grubbs催化剂”,其发现者之后,烯烃交换先锋(和诺贝尔奖获得者)罗伯特·h·格拉布。[我采取了自由这个Grubbs催化剂的结构,显示时催化剂的形式活跃在这里的催化循环,而不是商用“precatalyst”。)

也有相反的情况下反应(开环)可以使用,但它通常需要一个循环烯烃与一些环应变(norbornene是一个很好的例子)。(好奇,你可以读到开环复分解聚合(ROMP)在这里。

一个应用程序的烯烃交换是利用不饱和烯烃从植物来源(亚麻籽油,例如),并将其转换成终端烯烃通过与乙烯cross-metathesis, CH₂= CH₂。这些终端烯烃是商业上重要的:Elevance最近建立了一个4000万美元通过交叉复分解生产设备加工植物油。使用亚麻籽油等原料的优势在于它是可再生资源;直到现在,石化产品通常是碳氢化合物对这些产品的来源。

如果上面似乎过于简短的报道三个关键过渡金属催化反应,我同意。我不认为这些反应属于大多数课程,这是为什么。

5。过渡金属催化的反应应该在介绍有机的课程?优点和缺点

首先,通过“封面”,我的意思是,“这应该测试”。是一回事告诉类放下笔,就来看看这些革新了有机化学反应。很期待学生的另一项研究,学习,最重要的是,理解这些反应,这样他们可以合理地回答他们在考试中。

我们先盖“职业”的原因,然后解决“欺诈”。

专业:现代有机化学的反光。

如我前面所述,过渡金属催化偶联反应(铃木和见鬼等)和Ru-catalyzed烯烃置换作用强大的反应,得到大量的使用在现代有机合成化学。包括这些反应在入门课程,我们可以向学生传达一些前沿的不可思议的创造力和创造性有机化学家,也让他们更相关的反应,说,Cannizarro反应或桑德迈尔反应,很少得到任何使用这些天。

正方观点:诺贝尔奖被授予工作。

同时,这些反应最近赢得了诺贝尔奖的开发者(铃木见鬼,根岸英一钯催化的2010年;格拉布,施洛克和Chauvin 2005年烯烃交换)是值得注意的,开车回家他们的相关性。

正方观点:如果它取代反应,得到小今天使用,像Canizarro反应,有什么损失呢?

从教学的角度来看,这些反应上花费一两个讲座需要放弃一些其他课程材料。如果这意味着跳过Canizarro桑德迈尔(如前所述),或丙二酸酯合成,罗宾逊环状物,飞边退化,霍夫曼消除,等等,那真的是这样巨大的损失吗?

另外:教先进更有趣的东西

交叉耦合和烯烃交换是为数不多的增加核心有机化学课程在过去的20年中。这听起来不公平,因此添加这种材料提供了一个机会来缓解一些老师无聊,以及挑战学生思考新材料的能力。同时,研究性教授经常享受机会教材料更接近现代有机化学的心,而不是花时间覆盖反应高级学生在实验室里不太可能遇到。

看着对方:

共同的机制是完全断开的其他课程

作为教师,我们的价值和教育的重要性理解反应和电子流动,不仅记忆是怎么回事。

关于有机化学教学的一个有趣的事情是向学生展示概念和技能,他们学习前几周的课还是有关最后的课程。

在每一个最简单的酸碱反应的反应在多肽合成课程结束后,学生可以确定弯曲的箭头和指出的亲核试剂,亲电试剂。非常有用的工具,在第四章对酸碱化学仍然是有用的在多肽合成24章。

过渡金属机制融入在哪里的吗?是的,他们当然可以理解,给予足够的时间,当然,他们干的是广义上的化学的核心原则。

然而机制外国新观察员,他们需要大量的工作填写背景是否理解正确。

试着识别亲核试剂和亲电试剂下面的反应。电子流程如何?

实际上是一个亲电试剂和一个亲核试剂在这里,但不是在任何意义上,学生习惯于看到。

这是氧化,更不用说其他关键有机金属机制——还原消除transmetallation, beta-hydride抽象等等。覆盖这些材料是一个巨大的偏离有机化学入门课程的主要目标:理解电子流。

反对:没有足够的时间来覆盖关键概念

说你想给学生理解这些反应是如何工作的。你从哪里开始呢?

铃木的情况是一回事说它开始于氧化的Pd cx债券,紧随其后的是“transmetallation”,然后还原消除紧随其后。这完全是另一回事,试图教它在课程学生有0之前暴露于过渡金属反应机制。

不,放了一个幻灯片,描述了铃木的催化循环不一样的教学。

这里列出了一些其他的概念,将陌生的人努力学习交叉耦合反应在有机化学入门课程的背景下:

• “配体”是什么?
• 是什么使配体“富”或“电子差”?
• 配体的结构如何影响氧化率的加法和还原消除?
• 为什么磷配体在过渡金属化学如此重要?
• 为什么“螯合配体如此普遍?
• 如何做“电子计数”金属复杂——而且18-electron规则是什么?
• 协会和离解如何配体的过渡金属配合物的工作吗?
• 网站是一个“开放”的协调什么?
• 什么因素影响过渡金属几何图形?为什么钯广场平面而不是四面体?
• 为什么有人选择Pd (OAc)₂与Pd (PPh₃)₄或其他Pd前兆?
• beta-hydride抽象是什么见鬼的反应()时,它会发生(或不发生?)
• 如何以及为什么transmetallation铃木(例如)发生的?
• 什么见鬼的起始一步反应——为什么我们经常从Pd (OAc)₂但第一步涉及氧化的Pd(0)物种?怎么Pd (0) ?

理解这些概念对理解这些反应是至关重要的工作——我甚至没有进入不同类型的d轨道等概念在过渡金属或π反向键的关键概念。

即使在一个有机金属化合物等专门的研究生课程至少,这些入门概念得到几节课的时间。但在一个典型的有机化学课程,只有36个小时的课堂复习材料,可能可以覆盖多少细节?

考虑到不可避免的时间限制,必须做出牺牲。通常,试剂参与的具体细节是跳过。

你如何权衡?

在某些情况下,额外的细节完全跳过。这里是考试的一个实际例子问题涉及到底反应。

这里真的被教/学什么?这真的是这么多比教学ol的桑德迈尔?

缺点:它与格言:“不要记住,学习的概念”

通过Org 2的唯一方法是理解的关键概念/模式,而不是试图记住每一个新反应。但是考虑到时间限制,多少“理解”的有机金属反应可能实现吗?

说教的重要性理解概念,一方面,和教学铃木和赫克反应(或淡化版本)在一天之内,完全违背这种哲学。

有更好的方法,包括更先进的材料没有引入的新概念过渡金属化学。

想到的是一些例子引入概念,如超共轭轨道对称性,空间和立体效果。这些可以增加并告知学生对材料的理解他们已经学习不想让他们绝大多数的“开放的循环”过渡金属化学介绍。

6。结论:见鬼,铃木和烯烃复分解反应

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在下一篇文章:反应地图——有机金属化合物的反应

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(高级)引用和进一步阅读

这些反应,基于基本有机金属和无机化学原理,确实是挑战教授在传统本科有机化学介绍性的课程。那就是说,它们通常包括在大多数课程现在也或多或少地存在。

在这些反应的更多信息,下面是一些有关条目的链接在反应中指南:

• 见鬼的反应
• 铃木反应
• Stille反应
• 烯烃复分解

这里有一些更多的教学论文上面的主题:

1. 诺贝尔化学实验室:Ring-Closing钌催化剂的合成烯烃交换
   乔治·e .·格列柯
   《化学教育2007年,84年(12),1995年
   DOI:1021 / ed084p1995
   介绍一个实验适合本科无机或有机金属实验室课程——综合拉布的催化剂使用Schlenk技术,然后申请一个烯烃复分解反应。
2. 所合成对称二苯代乙烯烯烃交换反应使用引导调查比较和对比维蒂希和交换方法
   蒂莫西·j·Bannin帕·达塔伊丽莎白·t·Kiesewetter和马修·k·Kiesewetter
   《化学教育2019年,96年(1),143 - 147
   DOI:1021 / acs.jchemed.8b00313
   本文描述了一种适用于本科生证明实验烯烃复分解反应的维蒂希反应可能是一个更好的选择烯烃合成。与烯烃置换作用,唯一的副产品是乙烯,而维蒂希反应,生成Ph值₃阿宝,分离所需的产品到处都是有机化学家的克星。
3. 铃木交叉耦合反应:在有机合成不对称Biaryls实验室
   克里斯托弗·s . Callam和托德l . Lowary
   《化学教育2001年,78年(7),947年
   DOI:1021 / ed078p947
   这描述了一个简单的铃木biaryl合成反应,实际上这是一种最常见的用途铃木反应在实践中。
4. 尝试一个Suzuki-Miyaura交叉耦合反应,演示了容忍醛组织教本科生Transition-Metal-Catalyzed反应的基本原理
   杰戴,大公国际,道你们Shouyun Yu,徐程
   《化学教育2019年,96年(11),2672 - 2675
   DOI:1021 / acs.jchemed.9b00191
   本文介绍一个实验旨在突出Pd-catalyzed的主要优势,交叉耦合反应chemoselectivity和官能团宽容。这是什么使这些反应实用和广泛使用。
5. 见鬼的反应:微尺度合成使用钯催化剂
   威廉·b·马丁和劳拉·j·Kateley
   《化学教育2000年,77年(6),757年
   DOI:1021 / ed077p757
   见鬼的反应适合本科实验室会话。
6. 见鬼的反应动力学研究:一个跨学科的实验
   Christel Gozzi和Naoual Bouzidi
   《化学教育2008年,85年(8),1126年
   DOI:1021 / ed085p1126
   这篇文章说,“我们认为学生应该有一个全局视图的化学。他们需要意识到字段,如有机化学、催化、动力学、分析化学、化学工程,是相互依存的,不能总是分开研究”。