GL_19_Металлоорганика (О.А. Реутов, А.Л. Курц, К.П. Бутин - Органическая химия в 4-х томах (Word)), страница 2

Причины появления таких необычных молекулярных структур рассматри­ваются в гл. 2 (раздел 2.5.1.в).

19.1.2. Состояние литийорганических соединений в растворе

Формула RLi обычно не соответствует истинной, значительно более сложной структуре этих соединений в кристаллической форме и в растворах. Действительно, литийалкилы в растворах углеводо­родов существуют в виде гексамерных агрегатов. Степень ассоциации понижается, если молекулы растворителя являются донорами электро­нов, способными координироваться с атомом лития. Понижение сте­пени ассоциации может быть связано и с пространственными препят­ствиями, а также со способностью органической группы к делокализации отрицательного заряда. Например, в циклогексане н-C₄H₉Li -гексамер, а в диэтиловом эфире - тетрамер. тогда как трет-С₄Н₉Li тетрамерен и в углеводородных растворителях, a бензиллитий является димером в бензоле и мономером в тетрагидрофуране.

В димерах (RLi₂), к которым относится, например, кристал­лический C₆H₅Li^.ТМЭДА, углерод пентакоординирован и, аналогично иону СН₅⁺ (глава 4), связь между двумя атомами лития и углеродом является двухэлектронной трех­центровой, т.е. неклассической (1V).

В тетрамерах, примерами которых являются кристаллические CH₃Li, C₂H₅Li, н-C₄H₉Li, трет- C₄H₉Li, а также CH₃Li и н-C₄H₉Li в растворах в диэтиловом эфире и С₂Н₅Li в газо­вой фазе, образуются четырехцентровые связи (V), т.е. углерод гексакоординирован. В результате получаются структуры типа VII, в которых алкильные группы находятся над центрами граней тетраэдра, образованного четырьмя атомами металла. Прямых связей углерод-металл здесь нет. Исследование тетрамерного метиллития методом ЯМР на ядрах ⁷Li и ¹³С показало, что связи между ядрами лития имеют практически нулевой порядок и каждая метильная группа взаимодействует с тремя из четырех атомов лития. Образование такой структуры можно представить как искажение кубической решет­ки с прямыми связями С-Li (VI) путем сближения несоседствующих углов куба.

В гексамерах по данным рентгеноструктурного анализа атомы лития образуют октаэдр (VIII).

Метилкалий, метилрубидий и метилцезий имеют полимерную структу­ру (IX), в которой между слоями катионов металла лежат слои sp³-гибридизованных метильных анионов. В этом случае, вероятно, обра­зуются четырехцентровые двухэлектронные связи (V).

Обычно реакционная способность литийорганических соединений тем выше, чем меньше степень ассоциации. Поэтому при проведении реакций важную роль играет выбор растворителя. Донорные (основ­ные) растворители увеличивают реакционную способность литийорганических соединений за счет понижения степени ассоциации и увеличения карбанионного характера соединения вследствие коор­динации по атому металла:

Особенно сильно на реакционную способность литийорганических соединений влияют бидентатные лиганды, например, N,N,N’,N’-тетраметилэтилендиамин (ТМЭДА), 1,4-диазабицикло[2.2.2]октан (ДАБЦО) и т.п.

Оптически активные алкиллитиевые соединения R₁R₂R₃CLi в раст­ворах конфигурационно нестабильны, т.е. быстро рацемизуются. Одна­ко, циклопропильные производные гораздо стабильнее. Причины обсуждались в гл.5 (раздел 5.5.3).

19.1.3. Методы получения литийорганических соединений

Для получения литийорганических соединений наиболее чaстo используются первые из указанных выше методов (реакции 19.1, 19.2 и 19.3), поэтому они будут рассмотрены в первую очередь.

19.1.3.а. Взаимодействие органических галогенидов с металличес­ким литием

Большинство простейших алкил- или ариллитиевых соединений получают путем взаимодействия соответствующих галогенидов с металлом:

Эта реакция менее исследована, чем аналогичная реакция Гриньяра (раздел 19.2), но, вероятно, имеет аналогичный механизм, включающий в качестве первой стадии перенос электрона от металла к RX, т.е. восстановление органического галогенида. В качестве растворителей можно использовать алканы или простые эфиры. Обычно для реакции с литием берут хлориды или бромиды, т.к. иодиды проявляют тенденцию к образованию продуктов реакции сочетания:

Эта реакция аналогична реакции Вюрца, которая проводится с натрием.

Для образования литийорганического соединения в реакции 19.7 необходимо, чтобы металлический литий содержал примеси натрия. При получении бутиллития поверхность металла рекоменду­ется покрыть порошкообразной медью.

При попытке получить бензил- или аллил-литий по реакции 19.7 получаются главным образом продукты реакции Вюрца, поэтому бензил- и аллиллитий получают не из галогенидов, а из соответствующих алкиловых, фениловых или мезитиловых эфиров.

Можно использовать также сульфиды, которые восстанавливаются легче, чем эфиры, например:

19.1.3.б. Взаимодействие органических галогенидов с литийорганическими соединениями

Удобным методом получения литийорганических соединений является обмен галогена на металл:

Реакция обратима; наиболее легко она протекает с иодидами и броми­дами, труднее с хлоридами и практически не идет в случае фторидов.

Обычно в качестве исходного литийорганического соединения R’Li берут бутил- или фениллитий, а в качестве растворителя простые эфиры или углеводороды. Ниже приведены некоторые примеры такой реакции.

Реакция обмена галогена на металл идет при низких темпера­турах, и часто ее проводят при - 78° и даже при -100°. При этом достигается подавление побочных реакций, к которым относится алкилирование, металлирование галоидопроизводного, а также реак­ции, протекающие с участием функциональных групп, например:

В этих примерах при низких температурах образуются исключительно винильные или арильные соединения лития, а другие функциональные группы не затрагиваются. При комнатной температуре будут реагиро­вать функциональные группы.

Механизм реакции обмена галогена на металл (уравнение 19.8) не вполне выяснен.

19.1.3.в. Металлирование СН-кислот литийорганическими соединениями

Эта реакция относится к числу бренстедовских кислотно-основных взаимодействий.

Следовательно, равновесие будет сдвинуто вправо, если кислота RH сильнее, чем R’H, т.е. pK_a(RH) < pK_a(R'H). Самыми сла­быми из СH-кислот являются алканы (табл.15.6) и поэтому наиболее универсальными реагентами R’Li в реакции 19.9 должны быть алкиллитиевые соединения; они будут металлировать большинство более кислых СН-кислот, включая арены и олефины. Легкость (экзотермичность) металлирования зависит от разности  рК_а между кислотами R’Н и RH; чем больше эта разность, тем равновесие 19.9 более сдвинуто вправо.

Если замещаемый протон недостаточно кислый ( рК_а мало), то реакцию рекомендуется проводить в присутствии электронодонорных (сольватирующих литий) растворителей (ТГФ, гексаметилфосфортриамид - ГМФТА) или лигандов (ТМЭДА, ДАБЦО), или при добавлении алкоксидов калия, превращающих литийорганические соединения в более реакционноспособные соединения калия. Электронодонорные добавки, сольватируя литий, увеличивают эффективную основность R’Li:

С высокими выходами (> 90%), например, осуществлены следующие реакции (рК_а из табл.5.16):

Заместители в кислоте RН следующим образом влияют на металлирование.

1) В ароматических субстратах электроотрицательные (-I)-заместители ( -NR₂, -OR , -HaI) направляют металлирование в орто-положение:

Это согласуется с ориентацией изотопного обмена водорода в аро­матических СН-кислотах (раздел 5.5.3.в). Однако атака в орто-положение определяется не только одним полярным эффектом (т.е. индук­тивным эффектом в сумме с эффектом поля) такого заместителя, но и способностью заместителя к координации с R’Li. Так, введение метиленовых звеньев между электроотрицательным заместителем и бензольным кольцом все равно направляет реакцию в орто-положение:

На примере диметиламинометилбензола механизм орто-атаки можно представить следующей схемой:

2) Электроотрицательные заместители открытой цепи или в гетероцикле ускоряют металлирование в -положение за счет делокализации заряда по механизму индуктивного эффекта.

Иногда -металлирование сопровождается побочной реакцией карбеноидного -элиминирования:

3) Заместители, обладающие (-М)-эффектом (-СN, -СОR и т.п.), сильно облегчают -металлирование из-за того, что они сильно увеличивают кислотность соседней СН-связи (табл.5.16).

Однако нитрильная, карбонильная и ряд других функциональных групп чувствительны к нуклеофильной атаке и поэтому могут присое­динять RLi по кратной связи. Чтобы уменьшить вероятность такого процесса, нужно сделать так, чтобы металлирующий агент был сильно основным, но мало нуклеофильным, т.е. отщеплял протон быстрее, чем присоединялся к электронодефицитному атому углерода группы -CN или -COR. Обычно это достигается применением про­странственно затрудненных литийорганических соединений (отщепле­ние протона менее чувствительно к пространственным эффектам, чем атака по углероду). Можно брать трифенилметиллитий, но более удобны амиды лития (рК_а некоторых аминов приведены в табл.5.16). Наиболее часто применяются диизопропиламид (X) и 2,2,6,6-тетра-метилпиперидид (XI) лития, а также литиевая соль амидина 3,3,6,9,9-пентаметил-2,10-диазабицикло 4.4.0 децена-1 (ХII).