Organické sloučeniny zinku

Vazba uhlík-zinek

Organické sloučeniny zinku jsou sloučeniny obsahující vazby mezi atomy uhlíku a zinku, jejich přípravou a vlastnostmi se zabývá organozinková chemie.

Organozinkové sloučeniny byly jedněmi z prvních připravených organokovových sloučenin. Jsou méně reaktivní než mnohé jiné organokovy, jako například Grignardova a organolithná činidla.

První organozinkovou sloučeninu získal v roce 1848 Edward Frankland, zahříváním jodethanu s kovovým zinkem vytvořil diethylzinek. Touto reakcí se vytvořila těkavá bezbarvá kapalina samozápalná při styku se vzduchem.

Vzhledem ke své samozápalnosti se organické sloučeniny zinku obvykle připravují za nepřítomnosti vzduchu. Nestálé jsou i za přítomnosti protických rozpouštědel. Mnohdy se připravují těsně před upotřebením a neizolují, řada těchto sloučenin však byla izolována a podrobně prozkoumána.

Organozinkové sloučeniny lze rozdělit do skupin podle počtu uhlíkatých substituentů navázaných na kov.

1. Diorganozinečnaté sloučeniny (R₂Zn): Na zinek jsou navázány dvě alkylové skupiny. Lze je dále dělit podle dalších navázaných skupin.
2. Heteroleptické (RZnX): Sloučeniny obsahující elektronegativní nebo monoaniontové ligandy (X), například halogenidy, navázané na zinek a obsahující také alkylové nebo arylové substituenty (R)
3. Iontové organozinkové sloučeniny: Dělí se na organozinečnatany (R_nZn⁻) a organozinkové kationty (RZnL_n⁺).

Vazby

Ve svých komplexech mohou mít zinečnaté ionty několik koordinačních geometrií, nejčastější jsou oktaedrická a tetraedrická. Tuto různorodost lze zdůvodnit elektronovou konfigurací [Ar]3d¹⁰4s². Orbital 3d je zcela zaplněn, takže se neprojevují vlivy síly ligandového pole. Koordinační geometrii tak převážně určují elektrostatické a sterické interakce. Organozinkové sloučeniny jsou většinou 2- nebo 3-koordinované, což odpovídá silně donačním vlastnostem karboanionových ligandů.

Obvyklé diorganozinkové komplexy mají vzorec R₂Zn. Dialkylzinkové sloučeniny jsou monomerní a alkyly jsou na atom zinku koordinovány lineárně.

Vazby C-Zn jsou polární, polarizované směrem od zinku (elektronegativita 1,65) k uhlíku (elektronegativita 2,5). Dipólový moment je u symetrických lineárních dialkylzinkových sloučenin nulový, což jim dodává rozpustnost v nepolárních rozpouštědlech, jako je cyklohexan. Na rozdíl od jiných binárních alkylů kovů mají diorganozinkové sloučeniny v etherových rozpouštědlech nízkou náchylnost ke tvorbě komplexů. U R₂Zn má zinek sp-hybridizované orbitaly.

Tyto struktury způsobují, že má zinek dva vazebné d orbitaly a tři nízko položené nevazebné d orbitaly, které mohou vytvořit další vazby. Pokud na zinek nejsou napojeny ligandy dodávající elektrony, tak nelze dosáhnout koordinační nasycenosti, protože má velký atomový poloměr a jen malý nedostatek elektronů. Můstkové alkylové a arylové skupiny se tak v komplexech zinku objevují vzácně, jsou však známy sloučeniny, které je obsahují, jako Ph₂Zn. Při navázání halogenu na zinek se zlepšují akceptorové i donorové vlastnosti zinku.

Nasycené diorganozinkové sloučeniny obsahující můstkové arylové skupiny

Příprava

Organozinkové sloučeniny lze vytvořit několika způsoby. Ke komerčně dostupné diorganozinkovým sloučeninám patří dimethylzinek, diethylzinek a difenylzinek. Tyto reaktanty jsou drahé a obtížně se skladují. V jedné studii byla aktivní organozinková sloučenina získána z mnohem levnějších organobromidových prekurzorů:

Adice difenylzinku na aldehyd

Z kovového zinku

Franklandova syntéza diethylzinku spočívala v reakci jodethanu s kovovým zinkem. Zinek musí být k provedení této reakce aktivován, zde k němu byla přidána měď.

2 EtI + 2 Zn⁰ → Et₂Zn + ZnI₂

Dalším druhem aktivovaného zinku je Riekeův zinek, získaný redukcí ZnCl₂ draslíkem. Tato forma je vhodná pro reakce jako jsou Negišiovo a Fukujamovo párování. Organozinkové sloučeniny se zde připravují z alkyl- či arylhalogenidů obsahujících skupiny odtahující elektrony, například nitrily a estery.

${\ce {{ZnCl2}+2K->[{\ce {THF}}][{\ce {-2KCl}}]}}\overbrace {\ce {Zn^{0}}} ^{\ce {Riecke\ zinc}}+{\ce {R-X->[{\ce {THF}}][20-60^{\circ }{\ce {C}}]R-Zn-I}}\qquad {\begin{cases}\mathbf {R} :&{\text{allyl, aryl, alkyl, benzyl}}\\\mathbf {X} :&{\text{bromid, jodid}}\end{cases}}$

Použití oxidační adice k přípravě reaktantů pro Negišiovo párování

Výměna funkčních skupin

Nejčastějšími reakcemi vedoucími k výměně funkčních skupin navázaných na zinek jsou reakce s halogenidy a borem, katalyzované jodidem měďným (CuI) nebo zásadou. Organoborité reaktanty se zde získávají hydroboracemi a následnými reakcemi jejich produktů s diethylzinkem. Tato příprava poukazuje na vysokou selektivitu většiny reaktivních míst v molekule.

Výměna funkčních skupin v organozinkových sloučeninám reakcemi s kovy nebo sloučeninami boru

Tento přenos skupin lze využít při allylacích, i při reakcích, jako je Negišiovo párování.

Hiroši Naka využil tento přesun skupin k získání meziproduktu.

β-Silyldiorganozinkové sloučeniny

Jednou z nevýhod alkylací diorganozinkových sloučenin je, že se přesouvá pouze jeden alkyl; řešením může být použití Me₃SiCH₂-(TMSM),což je nepřenositelná skupina.

${\begin{array}{l}{}\\{\ce {{R2Zn}+(TMSM)2Zn}}\ {\overset {\ce {THF}}{\ce {<=>>}}}\ {\ce {2R(TMSM)Zn}}\\{}\\{\ce {{RZnI}+(TMSM)Li->[{\ce {THF}}][-80^{\circ }\!{\ce {C}}]{R(TMSM)Zn}+LiI}}\\{}\end{array}}$

Transmetalace

Transmetalace jspou podobné výše uvedeným přeměnám, zinek se zde vyměňuje s jinými kovy, jako jsou například rtuť, lithium a měď. Jako příklad lze uvést reakci difenylrtuti se zinkem za vzniku difenylzinku a rtuti:

HgPh₂ + Zn → ZnPh₂ + Hg

Výhoda transmetalace tkví v tom, že je možné použít sloučeniny s mnoha různými funkčními skupinami, které snižují reaktivitu a zvyšují selektivitu.

• Při syntéze Maoecrystalu V vzniká řízenou ortho-metalací aryllithná sloučenina, která je následně transmetalována na arylzinkovou. Arylzinková sloučenina je výrazně méně reaktivní než aryllithná a tak lépe strpí přítomnost substituentu u následující reakce s chloroxalacetátem. Estery jsou vůči organozinkovým sloučeninám stabilní.

Zakarjanova syntéza maoecrystalu V s využitím transmetalace zinku

Organozinkové sloučeniny lze získat přímo z kovového zinku:

Zinek se zde aktivuje pomocí 1,2-dibromethanu a trimethylsilylchloridu. Přidává se také chlorid lithný , který s organozinečnatou sloučeninou rychle vytváří rozpustný adukt a odstraňuje ji tak z povrchu kovu.

Reakce

Organické sloučeniny zinku jsou meziprodukty některých organických reakcí.

• Ve Franklandově–Duppaově reakci (objevené roku 1863) reaguje ester kyseliny šťavelové (ROCOCOOR) s halogenalkanem R'X, zinkem a kyselinou chlorovodíkovou za tvorby α-hydroxykarboxylátového esteru, RR'COHCOOR.

Reformatského reakce

Podrobnější informace naleznete v článku Reformatského reakce.

Při Reformatského reakcích se α-halogenestery mění reakcemi s ketony nebo aldehydy na β-hydroxyestery. K protonaci průběžně vytvořeného alkoxidu je potřeba kyselina. Úvodním krokem je oxidační adice zinku na vazbu uhlík-halogen, čímž vznikne uhlíko-zinkový enolát. Tento enolát se následně přesmykne na kyslíko-zinkový. Jakmile se takto vytvoří další karbonyl, tak se další výchozí materiál naváže níže uvedeným způsobem a po protonaci vznikne konečný produkt.

Reformatského reakce mají oproti běžným aldolovým reakcím tyto výhody:

1. Umožňují použití i vysoce substituovaných ketonových substrátů.
2. Esterenolátový mezprodukt lze získat za přítomnosti enolizovatelných skupin.
3. Jsou proveditelné i ve vnitromolekulárně.

Níže je zobrazen šestičlenný cyklický meziprodukt Zimmermanova–Traxleova modelu, kde je skupina R³ menší než R⁴.

Základní znázornění mechanismu Reformatského reakce

Reformatského reakce byly začleněny do několika totálních syntéz, například u C(16),C(18)-bis-epi-cytochalasinu D:

Totální syntéza C(16),C(18)-bis-epi-cytochalasinu D use zapojením Reformatského reakce

Do Reformatského reakcí lze také zapojit zinečnaté homoenoláty; jako například při Blaiseových reakcích.

Znázornění Blaiseovy reakce, využívající alfahalogenester a funkcionalizpvané kyanoskupiny

Simmonsovy–Smithovy reakce

Při Simmonsových–Smithových reakcích se připravují cyklopropany z alkenů s využitím dijodmethanu, jako zdroje methylenových skupin, a zinku. Vzniká přitom karbenoidový meziprodukt (jodmethyl)jodid zinečnatý, který reaguje s použitým alkenem za vzniku cyklopropanovaného produktu. Tvorbu aktivní formy zinku lze urychlit pomocí ultrazvuku, protože úvodní reakce probíhá na povrchu kovu.

$2\,{\color {Red}{\ce {CH2I2}}}+2\,{\color {Blue}{\ce {Zn}}}\ {\ce {-> 2}}\,{\color {Red}{\ce {ICH2}}}{\color {Blue}{\ce {ZnI}}}\ {\ce {<=>}}\ {\color {Red}{\ce {(ICH2)2}}}{\color {Blue}{\ce {Zn}}}+{\color {Blue}{\ce {Zn}}}{\color {Red}{\ce {I2}}}$

I když není mechanismus zcela prozkoumán, tak se předpokládá, že organozinečnatý meziprodukt patří mezi karbenoidy. Má být tricentrický a „motýlkovitý“. Jeho tvorbu lze řídit pomocí substituentů, například alkoholových skupin, tak, aby se cyklopropyl navázal na stejnou stranu molekuly. Zinek se obvykle používá ve směsi s mědí.

Využití řídicích skupin k vylepšení selektivity Simmonsovy–Smithovy reakce

Methylenace pomocí titanu a zinku

Organozinkové sloučeniny odvozené od dibrommethanu nebo dijodmethanu se mohou elektrofilně adovat na karbonylové sloučeniny za tvorby koncových alkenů.

Mechanismus této reakce je podobný Tebbeově reakci; katalyzovat ji lze mnoha různými Lewisovými kyselinami, jako jsou chlorid titaničitý a trimethylhliník.

Tuto reakci lze použít mimo jiné k zavedení deuteria do molekul za účelem izotopového značkování, případně jako náhradu Wittigovy reakce.

Negišiovo párování

Negišiovým párováním lze vytvořit vazby uhlík-uhlík s využitím organohalogenidu a organozinečnatého halogenidu za přítomnosti katalyzátoru obsahujícího nikl nebo palladium. Organohalogenid může být odvozen od alkenylové, arylové, allylové nebo propargylové skupiny. Byla také popsána párování alkylových sloučenin zinkuas alkylbromidy či alkylchloridy s tvorbou aktivních katalyzátorů z Pd-PEPPSI prekatalyzátorů, které jsou odolné vůči beta-hydridovým eliminacím, jež se u alkylů často vyskytují. Pro transmetalační krok lze použít diorganické i organozinkové halogenidy. I přes nízkou reaktivitu organických sloučenin zinku vůči organickým elektrofilům se jedná o jedny z kovových nukleofilů nejlépe reagujících s palladiem.

Alkylzinkové sloučeniny vyžadují přítomnost alespoň stechiometrického množství halogenidových iontů v roztoku, které umožňují vytváření „zinečnatanů“ typu RZnX 2−
3  před transmetalací na palladiové centrum.

Nejdůležitěší částí katalytického cyklu je transmetalace, kde halogenid zinku vyměňuje organický substituent s atomem halogenu na kovovém centru.

Jako příklad může být uvedena Furstnerova syntéza amfidinolidu T1:

Negisšiovo párování v rámci totální syntéty amfidinolidu T1

Fukujamovo párování

Fukujamovo párování je reakce aryl-, alkyl, allyl-, nebo α,β-nenasyceného thioesteru katalyzované palladiem. S thioestery zde může reagovat široké apektrum organozinkových sloučenin; produkty jsou ketony. Tento postup se vyznačuje citlivostí na funkční skupiny, jako jsou ketony, acetátové estery, arylhalogenidy a [[[aldehydy]]. Pozorovaná chemoselektivita naznačuje, že tvorba ketonu je jednodušší než oxidační adice na palladium.

Znázornění Fukujamova párování thioesterů

Na ukázku zde lze uvést syntézu (+)-biotinu. Zde se do Fukujamova párování zapojuje thiolakton:

Totální syntéza (+)-biotinu s využitím Fukujamova párování

Barbierova reakce

Barbierova reakce spočívá v nukleofilní adici ekvivalentu karboaniontu na karbonyl; podobá se Grignardově reakci. Organozinkové činidlo se vytváří oxidační adicí na alkylhalogenid. Takto lze získat primární, sekiundární i terciární alkoholy pomocí 1,2-adic. Barbierova reakce se provádí v jedné nádobě: organozinková sloučenina se tvoří za přítomnosti karbonylového substrátu. Organozinkové reaktanty použité při této reakci jsou méně citlivé na vodu, takže ji lze provádět ve vodných prostředích. Podobně jako u Grignardovy reakce zde vzniká Schlenková rovnováha, in při níř se tvoří reaktivnější dialkylzinek.

Přehled Barbierovy reakce

Mechanismus se podobá Grignardově reakci, při níž vzniká alkoxid kovu radikálovým postupným mechanismem přes jednoelektronový přenos nebo soustředěným mechanismem přes cyklický meziprodukt. Jako příklad lze uvést Danishefského syntézu cykloproparadikikolu. Za podmínek, při kterých probíhá adice organozinkové sloučeniny, je možná přítomnost různých skupin na dienonu a alkynu:

Danishefského totální syntéza cykloproparadikikiolu s využitím Barbierovy reakce

Acetylidy zinku

Acetylidy zinku se vytváří přes dialkynylzinkové meziprodukty. Využívají se například na výrobu efedrinu. Lze z nich získat propargylalkoholy. Mohou tak být použity při řadě různých reakcí, jako jsou křížová párování, hydrogenace a pericyklické reakce.

Příprava zonkových propargylalkoholů

Za nepřítomnosti ligandů probíhá tato reakce velmi pomalu. Pokud jsou přítomny chirální ligandy, tak je reakce velmi rychlá. Rjódži Nojori zjistil, že aktivní je zde komplex s ligandem navázaným na jeden atom zinku.

Diastereoseleltivitu adice organozinkových sloučenin na aldehydy lze předvídat pomocí následujícího modelu, který vyvinuli Rjódži Nojori a David A. Evans:

Převažující konformer při adicích organozinků na aldehydy

• Stereochemii vzniklého propargylalkoholu je určena α-stereocentrem.
• Sterické efekty mezi aldehydem a ligandem mají menší vliv, ovšem i tak se podílejí na určování převažující konformace.

Acetylidy zinku byly použity při přípravách efavirenzu, inhibitoru reverzní transkriptázy u HIV-1 i derivátů efedrinu.

Organozinečnatany

První organozinkový átový komplex (organozinečnatan) popsal James Alfred Wanklyn v roce 1858, připravil jej reakcí sodíku s diethylzinkem:

2 Na + 3 ZnEt₂ → 2 NaZnEt₃ + Zn

Organozinkové sloučeniny se silnou Lewisovskou kyselostí jsou náchylné k nukleofilním reakcím s alkalickými kovy, jako je sodík, čímž vytvářejí uvedené átové komplexy. Rozlišují se dva druhy organozinečnatanů: tetraorganozinečnatany ([R₄Zn]M₂), které jsou dianiontové, a monoaniontové triorganozinečnatany ([R₃Zn]M). Jejich struktury, určované ligandy, jsou podrobně popsány.

Příprava

Tetraorganozinečnatany, jako [Me₄Zn]Li₂, mohou být připraveny reakcemi podobnými jako u Me₂Zn s MeLi v molárním poměru 1:2. Níže je zobrazena příprava spirocyklických organozinečnatanů:

Příprava spirocyklických organozinečnatanů

Triorganozinečnatany lze získat reakcemi diorganozinkových sloučenin, například (Me₃SiCH₂)₂Zn, s alkalickými kovy (K), nebo kovy alkalických zemin (Ba, Sr nebo Ca).

Triethylzinečnatany se rozkládají na hydridoethylzinečnatany, protože u nich dochází k betahydridové eliminaci:

2 NaZnEt₃ → Na₂Zn₂H₂Et₄ + 2 C₂H₄

Produkt má bitetraedrickou strukturu se společnými vrcholy a obsahuje hydridové můstkové ligandy.

Reakce

Organozinečnatany nejsou zkoumány příliš často, všem vykazují vyšší reaktivitu než neutrální diorganozinky. Využití nacházejí při stereoselektivních alkylacích karbonylových sloučenin a u reakcí otevírajících kruhy. Aryltrimethylzinečnatany se účastní reakcí vytvářejících vazby C-C řízených vanadem.

Příklad reakce organozinečnatanu

Organozinné sloučeniny

Jsou známy i organické sloučeniny zinku v nižších oxidačních číslech, obsahující vazby Zn–Zn. První takovou sloučeninu, dekamethyldizinkocen, se podařilo připravit v roce 2004.

Odkazy

Reference

V tomto článku byl použit překlad textu z článku Organozinc compound na anglické Wikipedii.

Externí odkazy

• Obrázky, zvuky či videa k tématu Organické sloučeniny zinku na Wikimedia Commons
• Zinek v organické syntéze

Portály: Chemie