Aktivace vazby uhlík-vodík

Aktivace vazby uhlík-vodík (C–H funkcionalizace) je druh chemické reakce, při níž se štěpí vazba mezi atomem uhlíku a vodíku a je nahrazena vazbou uhlík–X (kde X je obvykle uhlík, kyslík nebo dusík). Do štěpení vazby C-H bývá často zapojen atom přechodného kovu. Při tomto druhu reakce typicky reaguje uhlovodík s kovovým katalyzátorem za tvorby organokovového komplexu, ve kterém je uhlovodík koordinován na vnější sféru kovu. Meziprodukt vzniklý touto reakcí následně vstupuje do dalších reakcí, jež vytvářejí funkcionalizovaný produkt. Je podstatné, aby v průběhu funkcionalizace zůstává hydrokarbylový meziprodukt napojen na vnější sféru a je ovlivňován kovem.^[1]

Někteří autoři označují pojmem C–H funkcionalizace všechny organické reakce, jejichž výsledky jsou přímé přeměny málo reaktivních vazeb C–H na vazby C–X, bez ohledu na mechanismus. Taková definice nevyžaduje koordinaci přechodného kovu na uhlovodík. Součástí této širší definice je i výše uvedená; ovšem také pod ni patří železem katalyzované funkcionalizace alkanů probíhající mechanismem s odrazem kyslíku (například u enzymů cytochromu P450 a jejich syntetických analogů), u kterých se do reakce pravděpodobně nezapojují vazby kov–uhlík. Patří sem ale na ligandech založené reakce mnoha karbenů kovů s uhlovodíky, i když některé mohou probíhat více mechanismy. Aktivace vazby C–H se někdy také definuje jako štěpení vazeb C–H jakýmkoliv mechanismem vedoucím k funkcionalizaci uhlovodíkové skupiny. Též se objevuje používání pojmu C–H aktivace u užší definice, zatímco se v širší definici používá název C–H funkcionalizace.

Mechanismy C-H aktivací lze rozdělit na tři základní druhy:

• (i) Oxidační adice, kde se kovové centrum s nízkým oxidačním číslem váže na vazbu mezi uhlíkem a vodíkem, čímž ji odštěpí a kov se zoxiduje.

L_nM + RH → L_nMR(H)

• (ii) Elektrofilní aktivace, během nichž elektrofilní kov atakuje uhlovodík a odštěpuje proton:

L_nM⁺ + RH → L_nMR + H⁺

substituent se na substrát naváže elektrofilní aromatickou substitucí.

• (iii) Metateze vazby sigma, probíhající přes „čtyřcentrovaný“ meziprodukt, jehož vazby se rozštěpí a vytvoří konečný produkt:

L_nMR + R'H → L_nMR' + RH

První aktivace vazby C-H se často připisuje Ottu Dimrothovi, který v roce 1902 oznámil, že benzen reaguje s octanem rtuťnatým. Této reakce, podobné Friedelovým–Craftsovým reakcím, se může účastnit mnoho různých elektrofilních kovů. Joseph Chatt provedl adici vazeb C-H u naftalenu na komplexy ruthenia.^[2]

Aktivace vazeb uhlík-vodík mohou být provedeny s využitím chelatace; příkladem je kobaltem katalyzovaná chelatací asistovaná C-H funkcionalizace 2-fenylisoindolin-1-onu (E)-N,1-difenylmethaniminem.^[3]

V roce 1969 byla popsána reakce methanu a těžké vody za přítomnosti tetrachloroplatnatanu draselného. Navržený mechanismus zahrnuje navázání methanu na platnatou sloučeninu. Roku 1972 popsala stejná skupina přípravu methanolu a chlormethanu obdobnou reakcí methanu a vody s použitím stechiometrického množství tetrachloroplatnatanu draselného a katalytického množství hexachloroplatiničitanu draselného. Tento postup je jedním z mála známých plně katalytických způsobů funkcionalizace alkanů.^[1][4]

V roce 1969 oznámil Yuzo Fudžiwara přípravu (E)-1,2-difenylethenu z benzenu a styrenu pomocí Pd(OAc)₂ a Cu(OAc)₂.^[5]

M. L. H. Green roku 1970 objevil fotochemickou reakci spočívající v navázání wolframu (ve formě komplexu Cp₂WH₂) na vazby C–H u benzenu^[6] a George M. Whitesides v roce 1979 provedl jako první vnitromolekulární alifatickou C–H aktivaci.^[7]

Dalšího pokroku dosáhly nezávisle na sobě dvě skupiny v roce 1982. Robert G. Bergman popsal přechodným kovem řízenou mezimolekulární aktivaci vazby uhlík-vodík u neaktivovaných a zcela nenasycených uhlovodíků pomocí oxidační adice. Fotolýzou Cp*Ir(PMe₃)H₂ (Cp* = pentamethylcyklopentadienyl) připravil koordinačně nenasycenou sloučeninou Cp*Ir(PMe₃), která reagovala v oxidační adici s cyklohexanem a neopentanem za tvorby příslušných hydridoalkylových komplexů, Cp*Ir(PMe₃)HR, (R = cyklohexyl či neopentyl).^[8]

W. A. G. Graham zjistil, že stejné uhlovodíky reagují s Cp*Ir(CO)₂ po vystavení světlu za vzniku alkylhydridokomplexů Cp*Ir(CO)HR, kde R je cyklohexyl či neopentyl.^[9]

U této reakce se předpokládá, že probíhá přes oxidační adici alkanu na šestnáctielektronový iridný meziprodukt Cp*Ir(CO), jenž se fotochemicky vytváří z Cp*Ir(CO)₂.

Byly popsány selektivní aktivace a funkcionalizace alkanových vazeb C–H pomocí komplexů wolframu s pentamethylcyklopentadienylovými, nitrosylovými, allylovými a neopentylovými ligandy, Cp*W(NO)(η³-allyl)(CH₂CMe₃).^[10]

Jedním z příkladů využití tohoto postupu je selektivní přeměna pentanu na halogenovaný uhlovodík 1-jodpentan. Provádí se termolýzou Cp*W(NO)(η³-allyl)(CH₂CMe₃) v pentanu za pokojové teploty, vedoucí k eliminaci neopentanu v reakci reakci pseudoprvního řádu, přes nedetekovatelný elektronově a stericky nenasycený 16elektronový meziprodukt koordinovaný s η²-buta-1,3-dienovým ligandem. Následnou mezimolekulární aktivací pentanu (sloužícího jako rozpouštědlo) vzniká 18elektronový komplex obsahující n-pentylový ligand. V jiném kroku reakcí s jodem při −60 °C se z komplexu uvolní 1-jodpentan.

Pod řízenou C-H aktivaci spadají postupy, které využívají řídicí skupiny ovlivňující regiochemii a stereochemii.^[11]

Tento postup je nejúčinnějším známým postupem aktivace vazeb C-H. N,N-dimethylbenzylamin může být snadno cyklometalován řadou přechodných kovů.^[12]

Bylo zavedeno několik úprav, jako je například použití slabě koordinujících skupin v Muraiově reakci.^[13]

Mechanismus C-H aktivace 2-fenylpyridinu katalyzované palladiem zahrnuje metalocyklický meziprodukt. Tento meziprodukt se oxiduje na palladičitou sloučeninu, u níž poté proběhne redukční eliminace vazby C-O a vytvoří se konečný produkt.^[14]

Přeměna vazeb C-H na vazby C-B skrze borylační reakce byla díky své syntetické využitelnosti prozkoumána podrobně. John F. Hartwig popsal vysoce regioselektivní borylace alkanů a arenů katalyzované komplexy rhodia. U alkanů docházelo výhradně ke koncové funkcionalizaci.^[15]

Později bylo zjištěno, že použitím katalyzátorů založených na rutheniu lze dosáhnout vyšší aktivity a kompatibility funkčních skupin.^[16]

Byly vyvinuty i jiné katalyzátory borylací, například založené na iridiu, dobře využitelné pro aktivace vazeb C-H.^[17][18][19]

Přírodní methan se i přes svou nízkou cenu a snadnou dostupnost příliš nepoužívá v chemickém průmslu. Jeho hlavní využití je při výrobě syntézního plynu, což je směs oxidu uhelnatého a vodíku. Tato směs se následně používá při Fischerově–Tropschově syntéze uhlovodíků s delšími řetězci či methanolu.^[20][21]

U takto získaných uhlovodíků lze provést aktivaci vazeb C-H. Periana zjistil, že komplexy některých přechodných kovů, jako jsou Pt, Pd, Au a Hg, reagují s methanem (CH₄) v kyselině sírové (H₂SO₄) za vzniku methylmonosulfátu.^[22][23]

(c) Drummerboybisch na projektu Wikipedie v jazyce angličtina, CC BY-SA 3.0

Součástí totální syntézy kyseliny lithospermiové je C-H funkcionalizace vedoucí ke vzniku vysoce funkcionalizovaného systému. Řídicí skupinou je zde chirální neracemický imin, který provádí vnitromolekulární alkylaci, jež umožňuje rhodiem katalyzovanou přeměnu iminu na dihydrobenzofuran.^[25]

Totální syntéza kalothrixinu A a B zahrnuje vnitromolekulární palladiem katalyzovanou řízenou C-H aktivaci. Dochází zde k reakci vazeb C-I a C-H za tvorby vazby C-C bond.^[26]

Analog meskalinu se připravuje rhodiem katalyzovanou enantioselektivní reakcí aryliminu zahrnující C-H aktivaci.^[27]

• Obrázky, zvuky či videa k tématu Aktivace vazby uhlík-vodík na Wikimedia Commons

V tomto článku byl použit překlad textu z článku Carbon–hydrogen bond activation na anglické Wikipedii.