COMPOSTI ORGANICI DEL RAME

COMPOSTI ORGANICI DEL RAME
La chimica dei composti organici del rame inizia verso la metà degli anni ’50, ma le
prime informazioni sul meccanismo arrivano solo trenta anni dopo.
Oggi sono molto utilizzati nella sintesi organica, ma si sa ben poco sulla loro
struttura.
E’ necessario escludere completamente aria ed umidità
PREPARAZIONE
1.
Metalloorganico + alogenuro rameoso (scambio metallo-alogeno)
RLi + Cu(I)
2 RLi + Cu(I)
3 RLi + Cu(I)
RCu + Li+
[R2CuLi] + Li+
[R3CuLi2] + Li+
cuprati
Prima di eseguire una reazione, bisogna prendere decisioni su alcuni aspetti sperimentali:
y Quale precursore di Cu(I) scegliere e con che livello di purezza
y Quale solvente è più adatto (di solito un etere)
y Quale composto organico del rame è più adatto per la reazione da fare
y In quali casi dobbiamo usare additivi
y Quando e come può essere minimizzato il numero di equivalenti di litioorganico
senza sacrificare l’efficienza
y Se c’è un processo catalitico in rame, che faccia risparmiare reagente e ridurre i
costi di smaltimento
cuprati misti
Reattività e proprietà
[ R C C Cu R'] Li
Addizione coniugata a chetoni α,β-insaturi e ad alcuni
esteri α,β-insaturi
[ ArS C C Cu R'] Li
Sostituzione nucleofila ed addizione coniugata a chetoni α,β-insaturi. Chetoni da cloruri alchilici
CH3
H3C C O Cu R' Li
CH3
N Cu R Li
Normale reattività come nucleofilo.
Migliorata stabilità termica
P Cu R Li
Normale reattività come nucleofilo.
Migliorata stabilità termica
O
CH3 S CH2 Cu R Li
N
Sostituzione nucleofila ed addizione coniugata
a chetoni α,β-insaturi
C Cu R Li
R Cu BF3 Li
Normale reattività come nucleofilo.
Facilità di preparazione, stabilità termica
Efficiente apertura di ossaciclopropani
Addizione coniugata anche ad esteri e nitrili α,β-insaturi.
Sostituzione di alogenuri allilici
1
con due gruppi R diversi si parla di cuprati misti
Sono particolarmente vantaggiosi nei casi in cui uno dei sostituenti provenga da
intermedi sinteticamente preziosi
A. Cuprati di Gilman
2 R Li + Cu X
[(RCu)n + RLi + LiX]
R2CuLi
+ Li X
La formazione di un omocuprato è un processo relativamente semplice, se si
usano sali si rame (commerciali) di buona qualità
CuI, CuBr
ATTENZIONE! Quando si usa CuI, bisogna proteggere dalla luce eccessiva.
CuI puro è un solido bianco fioccoso. Sfumature giallastre indicano la
formazione di I2 e segnalano, di conseguenza, la presenza di Cu(II), che dà
problemi. L’estrazione in Soxhlet rimuove lo iodio, ma solo la cristallizzazione
libera (CuI)n dal materiale contenente Cu(II).
CuBr.SMe2
L’uso di CuBr può dare problemi. E meglio usare il complesso con Me2S, che però
deve essere fresco (la perdita di Me2S può portare a calcoli stechiometrici errati)
CF3SO3Cu.0.5 PhH
funziona bene, ma è costoso
Con sali di Cu(I) di buona qualità e un accurato controllo della molarità del reagente
RLi, la preparazione di un cuprato di Gilman è abbastanza semplice.
Prima di preparare un composto organico del rame vanno considerati alcuni punti.
¾
Tutte le reazioni vanno eseguite in atmosfera inerte. L’argon è
preferibile all’azoto, perché più pesante dell’aria (sposta tutti i gas
più leggeri e si possono aggiungere successivamente altri reagenti).
¾
Tutti i reagenti che si aggiungono al cuprato devono essere anidri.
E’ buona norma seccarli per distillazione azeotropica di toluene.
¾
Tutta la vetreria deve essere asciugata in stufa a temperatura >120°C
o fiammeggiate prima dell’uso.
Nelle reazioni come “additivi” si possono usare:
BF3.OEt2
cambia la natura del cuprato
[R2CuLi]2
Me3SiCl
+ 2 BF3
R3Cu2Li + RLi.BF3 + BF3
non si sa come funzioni; è utile con substrati stericamente
ingombrati
2
Rt = gruppo trasferibile, Rr = gruppo residuo
B. Cuprati misti, RtRrCuLi
Rt Li
CuI
+ Rr Li
Rt Rr CuLi
LiI
Rr = alchinil, 2-tienil, dialchilfosfido
Per Rr = CN
RtLi + CuCN
RtCu(CN)Li
Un gruppo importante di cuprati misti si preparano da alchillitio e CuCN in
rapporto 2:1
cianocuprati di ordine superiore
2 RLi + CuCN
R2CuCNLi2
in THF si pensa che esistano per lo più come dimeri. Studi NMR dimostrano che i singoli
gruppi alchilici vengono scambiati tra gli atomi di rame
2 RLi + CuCN
[R2CuCN]2- 2 Li+
[(R2CuCN)2]4- 4 Li+
i cianocuprati di ordine superiore hanno reattività simile a quella degli altri
cuprati, ma sono molto più stabili dei dialchilcuprati
Uno solo dei due gruppi R viene trasferito ed è perciò utile avere un gruppo
che normalmente non venga trasferito.
di solito si usa il gruppo 2-tienile
S
Esempio:
O
2-
S
Cu CH2 CH2 CH2 CH3
C N
O
+
CH2 CH2 CH2 CH3
C. Reagenti di organorame RCu
La preparazione di composti di organorame generalmente scritti “RCu” di solito
segue quello detto per i cuprati, a parte la stechiometria
“RCu” costituiscono aggregati polimerici, che possono essere stabilizzati
dall’aggiunta di basi di Lewis, come Me2S e Bu3P
RCu
L
ATTENZIONE! RCu, isolati, se secchi sono ESPLOSIVI, soprattutto
se R è un alchile. Meglio prepararli ed usarli in situ.
3
2.
Da metallo + alogenuro organico (sintesi diretta)
Serve soprattutto per preparare composti rameorganici 1:1; è necessario
usare rame attivato
.-
Li+
CuCl +
R-X
Cu°
R-Cu
utile per quei gruppi R contenenti sotituenti non compatibili con i litioorganici(-NO2,
-CN, estere)
REAZIONI DEI COMPOSTI RAMEORGANICI
Le principali reazioni degli organocuprati sono:
Sostituzione nucleofila di alogenuri o solfonati
Apertura di ossaciclopropani
Addizione coniugata a composti carbonilici α,β-insaturi
Addizione agli alchini
Sostituzione nucleofila di alogenuri o solfonati
R-X + (CH3)2CuLi
R-CH3
(R = alchile, alchenile, arile; X = I, Br)
Reazione più generale e con rese più elevate che con i reattivi di Grignard
esempi:
CH3
I
+ (CH3)2CuLi
90%
CH CH CH3
CH CH Br+ (CH3)2CuLi
81%
CH3
Br
+ (CH3)2CuLi
Br
Br
CH3
Br
65%
+ 2 (CH3)2CuLi
H3C
95%
Et2CuLi
Ι
OH
CH3
OH
65%
4
Con alogenuri allilici, accanto al meccanismo SN2, si ha meccanimo SN2',
cioè sostituzione con spostamento di legame
R2Cu
..
...
SN2'
R2Cu(I) + CH2 CH CH2 X
CH2 CH
CH2 X
(III)
R CH2 CH CH2 + RCu(I)
R Cu CH2 CH CH2
R
Con acetati allilici si ha meccanimo SN2'
Nei sistemi ciclici la stereochimica è anti
CH3
CH3
O
Me2CuLi
O
H 3C
Cu
sovrapposizione contemporanea
di un orbitale d del rame con gli
orbitali π* e σ* del sistema allilico
σ*
π*
X
esempi:
Me2CuLi
O
Cl
O
Cl
O
O
Me2CuLi
O
O
O
Et2O, -10°C
87%
O
Apertura di ossaciclopropani
Il gruppo alchilico si lega al C meno sostituito
O
Me2CuLi
CH3 CH2 CH CH2 CH3
OH
88%
ossaciclopropani con sostituenti alchenilici vengono attaccati dai cuprati
sul sostituente, con spostamento del doppio legame ed apertura dell'anello
(CH3)2CuLi +
O
CH3
CH3 CH2 C CH CH CH3
OH
5
Addizione coniugata a composti carbonilici α,β-insaturi
Cuprati e cuprati misti reagiscono con gli enoni coniugati. L'efficienza della
reazione migliora per aggiunta di trialchilfosfine, R3P
esempi:
O
O
+ (CH3)2CuLi
CH3
CH3
CH3 98%
CH3
O
O
C
O
H3C
CH3
O
H
O
CuI
CH3 CH2 CH2 CH2 CH2 Li
Ph3P
CH3
O
+ (CH3)2CuLi
C
O
H
CH3
55%
O
CH3 CH2 CH2 CH2 CH2 Cu
82%
O
H3C
Ph2CuLi
O
N
H3C
N
meccanismo:
fatti sperimentali:
y c'è correlazione tra il potenziale di riduzione del composto carbonilico e la
sua reattività
yassenza di radicali liberi
yesteri e nitrili α,β-insaturi sono poco reattivi (sono difficili da ridurre, ma
sono reattivi con i carbanioni: reazione di Michael)
y gli esteri α,β-insaturi sono al limite della reattività dei cuprati standard
y un sostituente in posizione β rallenta la reazione
trasferimento elettronico veloce
O
R2Cu- + R' CH CH C R"
R2Cu + R'
O.
CH CH C R"
OR'
CH CH
R
C R"
+ RCu
RCu-BF3 è il reagente migliore più reattivo con esteri e nitrili coniugati
L'addizione a chetoni α,β-insaturi stericamente ingombrati è accelerata da BF3
6
(CH3)3SiCl accelera l'addizione dei cuprati agli enoni coniugati
lento
R2Cu
.. O
.
H .. C R"
C C
R'
H
O
R2CuLi + R' CH CH C R"
O-
R
C R"
C C
H
R'
H
SiMe3
O
veloce
R
C R"
(CH3)3SiCl
C
C
H
H
R'
Gli enolati possono essere alchilati
tandem addizione coniugata/alchilazione
R2Cu- +
O-
O
R'X
R C C C
C C C
O
R C C C
R'
esempi:
SiMe3
SiMe3
OH
O H CH CH2
CH3
1. [(CH2=CH)2Cu]Li
OH
SiMe3
O
2. CH3I
OH
SiMe3
H
85%
OEt
O H CH2 CH2 CH2O CH
CH3
CH3
OH
O
O
1.[EtOCH(CH3)OCH2CH2CH2CuSPh]Li
2. CH3I
O
O
H
O
80%
O
O
O
CH CH Cu
S CH2 CH2 CH
O CH2 CH2 O CH3
2. CH3I
3. H+
O
O
H3 C O
H
S
CH CH2CH2
OH
7
Addizione agli alchini
Gli esteri acetilenici coniugati reagiscono facilmente con cuprati, con
addizione sin
H 3C
Cu Li
+ H3C C C CO2CH3
C C
CO2CH3
-
E+
H 3C
C C
H+
CO2CH3
H3 C
C C
E
CO2CH3
H
gli addotti intermedi possono essere attaccati in posizione a da una
varietà di elettrofili (cloruri acilici, ossaciclopropani, aldeidi e chetoni)
Reazioni che usano quantità catalitiche di sali di Cu(I)
Procedimenti sinteticamente importanti usano intermedi rameorganici generati
nel mezzo di reazione da una quantità catalitica di rame(I)
- alchilazione di reattivi di Grignard
- addizione coniugata ad esteri α,β-insaturi di reattivi di Grignard
- apertura di anelli ossaciclopropanici
Si pensa che si formi la specie reattiva R2CuMgX
esempi:
Br + CH2
MgCl +
H3C
C
H3C
O
Li2CuCl2
CH C CH2
2% mol
MgCl
CuBr
1% mol
CH2
CH C CH2
CH2(CH2)6CH3
CH3CH2CH2CH2CH2CH2OH
CO2CH3
CuCl H O
2
C
+ CH MgBr
3
2% mol
CO2CH3
80%
88%
H3C CO2CH3
H3C C CH
H3C CO2CH3
84-94%
MgBr + CH2 CH CO2CH2CH3
CuCl
1% mol
CH2 CH2 CO2CH2CH3
68%
8
Reattivi di Normant
struttura sconosciuta
(specie in equilibrio?)
"CH3CH2CuMgBr2"
composti misti rame-magnesio
CH3CH2MgBr + CuBr
Reagiscono con alchini terminali, dando addizione sin. L'alchenilrame può
essere protonato o trattato con altri elettrofili
CH3 CH2
CuMgBr2
CH3 CH2
H
C C
CH3CH2CuMgBr2 + H3C C CH
C C
H2O
H
H3 C
H
H3 C
esempi:
CH3 CH2
CuMgBr2
CH3 CH2
C C
C CH2
H+
C4H9 H
C4H9
CH3CH2MgBr + CuBr + C4H9 C CH
CH3 CH2
I
C C
C6H13 H
I2
CH3CH2Cu(SMe2)MgBr2 + C6H13 C CH
CH3 CH2
CuMgBr2
C C
C6H13 H
H2C CH CH2 Br
(CH3)2CHCuMgBr + C4H9 C CH
C3H7Cu(SMe2)MgBr2 + H3C C CH
82%
63%
CH3 CH2
CH2 CH CH2
C C
C6H13 H
85%
CH3
CH3
CH3 CH
C N
CH3 CH
CuMgBr2
C C
C C
Cl C N
C4H9 H
C4H9 H
92%
H3 C
CuMgBr2
C C
C3 H7 H
O
H3C
CH2 CH2 OH
C C
C3 H7 H
95%
Reagenti Sn-Cu
Gli sviluppi recenti della chimica organica dello stagno hanno portato alla preparazione
di composti organici contenenti Sn e Cu come mezzo per introdurre gruppi trialchilstannile in molecole organiche
Me3Sn Sn Me3
MeLi, THF
-20°C, 15 min
Me3SnLi
CuBr . SMe2
THF
-48°C, 10 min
Me3SnCu . SMe2
9
Me3Sn Sn Me3
Me3Sn Sn Me3
Me3Si
Si Me3
MeLi, THF
0°C, 15 min
1.
S
THF, -20°C
2 MeLi, THF
-20°C, 50 min
1. MeLi, THF
HMPA
2. Me3SnCl
[
S
Me3Si
Me3SnLi
PhSCu
THF
-20°C, 15 min
]
+ Me3SnLi
Li
Sn Me3
CuCN
Bu2Cu(CN)Li2
Me3Sn(PhS)CuLi
Me3Sn(2-Th)Cu(CN)Li2
Me3Sn(Bu)Cu(CN)Li2
Sono usati soprattutto per stannilare gli alchini
esempi
O
Me3SnCu . SMe2
O
O
O
SnMe3
THF, -78°C, 10 min
MeOH, -63°C, 12 h
1. Me3Sn(PhS)CuLi
CO2Et
THF, -48°C, 4h
CO2Et
SnMe3
2. MeOH
Formazione di legami C-C (reazione di Ullman)
Alogenuri arilici danno accoppiamento (coupling) con una reazione
catalizzata da Cu° o Cu(I), che si pensa avvenga con formazione di
intermedi rameorganici
Cu-bronzo
NO2
Cl
NO2
NO2
Br
NO2
CuOSO2CF3
NH3
24h, 25°C
NO2
NO2
le rese sono buone solo con alogenuri con sostituenti ad attrazione
elettronica
10