Redaktor:Darktin/pieskovisko
Umpolung alebo prepólovanie je chemická modifikácia funkčnej skupiny s cieľom obrátenia polarity tejto skupiny. Táto úprava umožňuje sekundárne reakcie na funkčnej skupine, ktoré by inak neboli možné. Koncept bol predstavený D. Seebachom (od neho pochádza nemecké slovo umpolung pre obrátenie polarity) a EJ Coreyom. Analýza polarity v priebehu retrosyntetickej analýzy prezradí chemikovi kedy sú umpolung taktiky potrebné k syntéze cieľovej molekuly.
Úvod[upraviť | upraviť zdroj]
Prevažná väčšina dôležitých organických molekúl obsahuje heteroatómy, ktoré polarizujú atómy uhlíku vzhľadom na ich elektronegativitu. Preto sa v bežných organických reakcií väčšina nových väzieb tvorí medzi atómami opačnej polarity. Môže to byť považované za "normálny" režim reaktivity.
Jedným z dôsledkov tejto prirodzenej polarizácie molekúl je, že 1,3 - a 1,5 - heteroatómom substituované organické zlúčeniny sa veľmi ľahko syntetizujú (Aldolová reakcia, Claisenova kondenzácia, Michaelova reakcia, Claisenove preskupenie, Diels-Alderova reakcia), zatiaľ čo 1, 2 -, 1,4 - a 1,6 - heteroatómom substituované zlúčeniny sa ťažšie syntetizujú cestou "normálnej" reaktivity. Preto je dôležité pochopiť a rozvíjať metódy umpolung v organických reakciách.
Príklady Umpolung[upraviť | upraviť zdroj]
Je potrebné poznamenať, že najjednoduchšia metóda získanie 1,2 -, 1,4 - a 1,6 - heteroatómom substituované látky, je začať syntézu s nimi. Biochemické a priemyselné procesy môžu poskytnúť lacné zdroje chemikálií, ktoré majú za normálnych okolností neprístupnú štruktúru pre substitúciu Napríklad, aminokyseliny, kyselina šťaveľová, kyselina jantárová, kyseliny adipovej, kyselina vínna a glukózy sú hojne sa vyskytujúce a poskytujú základ pre neobvyklé substitúcie.
Umpolung kyanidov[upraviť | upraviť zdroj]
Všeobecné umpolung činidlo je kyanidový ión. Je neobvyklý v tom, že by uhlík viazaný trojitou väzbou na dusík by mal, mať (+) polaritu vzhľadom k vyššej elektronegativite atómu dusíka. Napriek tomu je záporný náboj iónu kyanidu lokalizovaný na uhlíku, poskytujúc (-) formálny náboj. Tento chemický rozpor má za následok prepólovanie v mnohých reakciách, keď reaguje kyanid.
Napríklad, kyanid ako hlavný katalyzátor v benzoínovej kondenzácii, je klasickým príkladom prepólovania.
Čistým výsledkom benzoínovej reakcie je, že sa vytvorí väzba medzi dvoma uhlíkmi, ktoré sú bežne elektrofily.
N-heterocyklické carbény[upraviť | upraviť zdroj]
N-heterocyklické karbény sú podobné kyanidu reaktivitou. Rovnako ako kyanidy, majú neobvyklú chemickú polaritu, ktorá im umožňuje prepólovanie umpolung v reakciách . Karbén má šesť elektrónov - dva na každú väzbu uhlík-dusík , dva v sp2 -hybridizovanom orbitály a prázdny p-orbitál. Sp2 elektrónový pár vystupuje ako donor elektrónov, kým prázdny p-orbitál je schopný pôsobiť ako akceptor elektrónov.
V tomto príklade sa β-uhlík enónu chová ako nukleofil, zatiaľ čo za normálnych okolností by sa očakávalo, že bude príjemca v Michaelovej adícii.
Karbén reaguje s α,β-nenasýteným esterom 1 na β-pozícii tvoriac intermediát enolát 2. Tautomerizáciou 2b je možné displace the terminal bromine atom to 3. An elimination reaction regenerates the carbene and releases the product 4.
For comparison: in the Baylis-Hillman reaction the same electrophilic β-carbon atom is attacked by a reagent but resulting in the activation of the α-position of the enone as the nucleophile.
Thiamine pyrophosphate[upraviť | upraviť zdroj]
The human body can employ cyanide-like umpolung reactivity without having to rely on the toxic cyanide ion. Thiamine pyrophosphate (TPP) serves a functionally identical role. The thiazolium ring in TPP is deprotonated within the hydrophobic core of the enzyme (10.1021/bi00414a015), resulting in a carbene which is capable of umpolung.
Enzymes which use TPP as a cofactor can catalyze umpolung reactivity, such as the decarboxylation of pyruvate.
In the absence of TPP, the decarboxylation of pyruvate would result in the placement of a negative charge on the carbonyl carbon, which would run counter to the normal polarization of the carbon-oxygen double bond.
3-membered rings[upraviť | upraviť zdroj]
3-membered rings are strained moieties in organic chemistry. When a 3-membered ring contains a heteroatom, such as in an epoxide or in a bromonium intermediate, the three atoms in the ring become polarized. It is impossible to assign (+) and (-) polarities to a 3-membered ring without having two adjacent atoms with the same polarity. Therefore, whenever a polarized 3-membered ring is opened by a nucleophile, umpolung inevitably results [chýba zdroj]. For example, the opening of ethylene oxide with hydroxide leads to ethylene glycol.
Carbonyl umpolung[upraviť | upraviť zdroj]
Dithiane chemistry is a classic example of polarity inversion.
Ordinarily the oxygen atom in the carbonyl group is more electronegative than the carbon atom and therefore the carbonyl group reacts as an electrophile at carbon. This polarity can be reversed when the carbonyl group is converted into a dithiane or a thioacetal. In synthon terminology the ordinary carbonyl group is an acyl cation and the dithiane is a masked acyl anion.
When the dithiane is derived from an aldehyde such as acetaldehyde the acyl proton can be abstracted by n-butyllithium in THF at low temperatures. The thus generated 2-lithio-1,3-dithiane reacts as a nucleophile in nucleophilic displacement with alkyl halides such as benzyl bromide, with other carbonyl compounds such as cyclohexanone or oxiranes such as phenyl-epoxyethane, shown below. After hydrolysis of the dithiane group the final reaction products are α-alkyl-ketones or α-hydroxy-ketones. A common reagent for dithiane hydrolysis is (bis(trifluoroacetoxy)iodo)benzene.
Dithiane chemistry opens the way to many new chemical transformations. One example is found in so-called anion relay chemistry in which an anionic functional group resulting from one organic reaction is transferred to a different location within the same carbon framework and available for secondary reactions. In this example of a multi-component reaction both formaldehyde (1) and isopropylaldehyde (8) are converted into dithianes 3 and 9 with 1,3-propanedithiol. Sulfide 3 is first silylated by reaction with tert-butyllithium and then trimethylsilyl chloride 4 and then the second acyl proton is removed and reacted with optically active (-)-epichlorohydrin 6 replacing chlorine. This compound serves as the substrate for reaction with the other dithiane 9 to the oxirane ring opening product 10. Under influence of the string base HMPA, 10 rearranges in a 1,4-Brook rearrangement to the silyl ether 11 reactivating the formaldehyde dithiane group as an anion (hence the anion relay concept). This dithiane group reacts with oxirane 12 to the alcohol 13 and in the final step the sulfide groups are removed with (bis(trifluoroacetoxy)iodo)benzene.
Vytvorenie oxidačnej väzby[upraviť | upraviť zdroj]
Je možné vytvoriť väzbu medzi dvoma uhlíkmi z (-) polaritou pomocou oxidačného činidla ako napríklad jód. V celkovej syntéze enterolaktónu je 1,4 - vzťah substituentov kyslíka vytvorený oxidačným homopárovaním enolátu karboxylátu použitím jódu ako oxidačného činidla.
Umpolung amínov[upraviť | upraviť zdroj]
Obvykle atóm dusíka v aminoskupine reaguje ako nukleofil prostredníctvom voľného eletrónového páru. Polarita môže byť obrátená, keď je primárny alebo sekundárny amín nahradený dobre odstupujúcou skupinou (ako atóm halogénu alebo skupina alkoxy). Výsledná N-substituovaná zlúčenina sa potom môže správať ako elektrofil prostredníctvom atómu dusíka a môže reagovať s nukleofilom ako napríklad v elektrofilnej aminácii karbaniónov.