Carbeni

I carbeni sono specie neutre contenenti un atomo di carbonio con solo sei elettroni di valenza.

I carbeni hanno sei elettroni: due elettroni in ogni legame e due elettroni di non legame, che sono spesso rappresentati come :CR₂ (pensati come se fossero un doppietto libero). Questo può provocare confusione, :CR₂ è un simbolo usato universalmente per rappresentare un carbene. Questo carbene può essere intrappolato da un alcole per formare un etere. Come i radicali, i carbeni sono specie estremamente reattive. Molto più importante, essi reagiscono con gli alcheni a dare ciclopropani, e possono anche inserirsi in legami C–H.

Il carbene si inserisce in un legame σ o in un legame π.

Queste tre importanti reazioni dimostrano che le reazioni dei carbeni sono dominate dalle reazioni di inserzione (qui, inserzione in legami O–H, C=C, e C–H) guidate dalla loro estrema elettrofilicità. Un atomo di carbonio con solo sei elettroni farà qualsiasi cosa pur di otterne altri due (di elettroni)!

Come noi sappiamo che i carbeni esistono?

La migliore prova dell'esistenza dei carbeni viene da alcuni, davvero pochi esempi che sono composti stabili. Un struttura cristallina a raggi X del secondo esempio mostra che l'angolo di legame all'atomo di carbonio carbenico è di 102°.

Ma questi carbeni stabili sono davvero un'eccezione: la mggior parte dei carbeni sono troppo reattivi per esser osservati direttamente. Effetti elettroni e, più importanti, effetti sterici rendono questi due composti così stabili.

Anche carbeni reattivi possono essere osservati, comunque, se sono formati attraverso precursori trattati con UV (spesso diazo composti come il diazometan) intrappolati in argon liquido a temperatura molto basse (meno di 77 K). Spettroscopia IR ed ESR possono quindi essere usate per determinare la loro struttura.

Come si formano i carbeni?

I carbeni sono di solito formati da precursori attraverso la perdita di molecole piccole e stabili. Diversi i metodi utilizzabili, uno dei quali è stato mostrato sopra: la perdita di azoto da un diazo composto.

Carbenes from diazo compounds

Questa non è una via molto pratica per generare carbeni, soprattutto perché i diazoalcani sono esplosivi. Comunque, i composti diazocarbonilici sono una cosa diversa.

Sono molto più stabili, perché il gruppo carbonilico, elettron-attrattore stabilizza il diazo dipolo, e sono fonti molti utili di carbeni recanti un sostituente carbonilico.

Ci sono due metodi principali per produrre composti diazocarbonilici:

1 facendo reagire un cloruro acilico con diazometano

2 facendo reagire il composto carbonilico parente con tosil azide, TsN₃, in presenza di una base.

La reazione del diazometano con i cloruri acilici inizia come una semplice acilazione a dare un diazonio. Se c'è un eccesso di diazometano, una seconda molecula agisce da base e rimuore un altro protone acido tra il carbonile e il gruppo diazonio a dare il composto diazocarbonilico.

Cosa succede alla seconda molecola di diazometano? Prendendosi un protone si trasforma in un sale di diazonio molto reattivo, che raccoglie uno ione cloruri, e MeCl se ne va come gas. Il secondo metodo usa la tosil azide, che è un noto agente di diazo transfer—attacca semplicemente un N₂ ad un buon leaving group.

I composti diazocarbonilici possono essere decomposti da calore o da luce. La formazione di azoto gassoso molto stabile compensa la formazione del carbene instabile.

Ma è molto più comune nella moderna chimica usare un metallo di transizione come rame o rodio, per promuovere la formazione del carbene.

RhL_n significa che il rodio possiede un numero non specificato di ligandi non specificati. Questa notazione è comune in chimica organometallica dove la natura del legame carbonio–metallo è importante, ma la precisa struttura del metallo complesso non lo è.

I carbeni formati in questo modo sono, infatti, non dei veri carbeni perché è ovvio che essi rimangono complessati con il metallo usato per sintetizzarli. Essi sono noti come carbenoidi.

A proposito di carbenoidi, esiste il reattivo di Simmons-Smith, I-CH₂-ZnI, che reagisce con i doppi legami a formare ciclopropani, ma non dà reazioni di inserzione indesiderate come i carbeni.

Con calma ci sarei arrivato... è stato uno dei primi articoli che lessi per la tesi del 3° anno. interessante ma niente di che. Grazie del contributo. Saluti. Domani proseguo, forse.

Carbeni da tosilidrazoni Molti altri carbeni possono esser sintetizzati in sicurezza da diazolacani se il diazoalcano è solo un intermedio nella reazione e non lo starting material. Buoni starting materials per queste reazioni sono i tosilidrazoni, che producono diazo composti transienti attraverso eliminazione base-catalizzata di toluenesulfinati. Il diazo composto non di norma isolato, e decompone a carbene per riscaldamento. Notate che il leaving group dall'azoto non il solito tosilato (toluene-p-solfonato TsO^–) ma il meno famigliare toluene-p-sulfinato (Ts^–). I carbeni sono preparati tramite diverse altre reazioni simili — per esempio, perdita di monossido di carbonio dai cheteni o eliminazione di azoto da azirine — ma queste sono usate raramente come via di preparazione routinaria di carbeni. Formazioni di carbeni tramite α eliminazione Le α eliminazioni (eliminazioni in cui sia il protone che il leaving group sono siti sullo stesso atomo) sono anch'esse possibili — infatti, la reazione di cui abbiamo parlato sopra (eliminazione di toluenesulfinato da tosilidrazonei) è un'eliminazione. Le α eliminazioni seguono un meccanismo simile ad un'eliminazione E1cB (β eliminazione) — una base forte rimuove un protone acido adiacente ad un gruppo elettron-attrattore a dare un carbanione. La perdita di un leaving group dal carbanione crea un carbene. Una delle più note reazioni di α eliminazione avviene quando il cloroformio è trattato con una base. Questa è la più importante via di sintesi del diclorocarbene, :CCl₂, e anche altri dialogenocarbeni, sebbene debba essere detto che l'uso diffuso del diclorocarbene in chimica sia soprattuttuo dovuto alla facilità con cui venga preparato tramite questo metodo! Gli anioni idrossido e alcossido sono basi forti abbastanza a promuovere l'α eliminazione dal cloroformio, e da altri trialogenometani. I carbeni possono essere formati da dialogenoalcani attraverso deprotonazione con basi più forti come LDA, ed anche da cloruri alchilici primari usando le estramente più forti basi fenil sodio o t-BuLi/t-BuOK (basi più deboli darebbero β eliminazione). Quando dibromoalcani geminali sono trattati con BuLi, una reazione di scambio alogeno-metallo produce un litio carbenoide, con un atomo di metallo e un alogeno attaccati allo stesso atomo di carbonio. I litio carbenoidi sono stabili a temperature bassissime — possono essere osservati tramite NMR, ma decompongono a carbeni a circa –100 °C. Mentre i litio carbenoidi hanno una limitata applicabilità in chimica, un analogo zinco carbenoide, che può essere preparato per inserzione di zinco nel diiodometano, è un reagene in una delle più diffusamente usate reazioni di carbenoidi in chimica — la reazione di Simmons–Smith. [Sfortunatamente il termine carbenoide è usato per due distinte classi di molecole — di solito è riferito al carbene legato ad un metallo della transizione formato tramite decomposizione metallo-catalizzata di diazo composti — e per questa ragione i carbenoidi discussi qui sono meglio riferiti come ‘litio carbenoidi’, con il metallo specificato.] L'essenza di questo tipo di carbenoidi è che essi dovrebbero avere un leaving group, con un alogeno, che possa rimuovere una coppia di elettroni e un altro, di solito un metallo, che possa donare una coppia di elettroni. Se il metallo esce per primo, si crea un carbanione che può perdere un alogeno per dare un carbene. Essi possono anche uscire assieme. Entrambe sono α eliminazioni. Il problema con molte di queste reazioni è che esser richiedono basi forti — o il composto organometallico lui stesso è basico o una base deve essere usata per creare il carbanione. I carbeni sono così instabili che devono essere formati in presenza del composto con cui abbiamo intenzione di farlo reagire, e questo può essere un problema se quel composto è sensibile alle basi. Per il diclorocarbene, una via per aggirare il problema è produrre un carbanione tramite perdira di CO₂ invece di un metallo o un protone. La decarbossilazione del sodio tricloroacetato è ideale perché avviene a circa 80 °C in soluzione. Questa è una buona occasione per ricordare di altre ‘doppie perdite’ di molecole. Così come una α eliminazione conduce ad un carbene mentre una β eliminazione porta ad un alchene, la perdita di azoto da un diazo composto produce un carbene, la perdita di azoto da un azo composto come AIBN (azobisisobutirronitrile) porta a due radicali.

I carbeni possono essere divisi in due tipi

Due sono le importanti osservazioni riguardo la struttura dei carbeni cui è d'obbligo dare una spiegazione: in primis, ho detto prima che la struttura ai raggi X dei cristalli di quel carbene (di cui mostro di nuovo la struttura) mostra che l'angolo di legame all'atomo di carbonio carbenico è di 102° e, poi, avevo detto che molti carbeni possono essere osservati tramite spettroscopia ESR — in altre parole, essi possiedono elettroni disaccoppiati.

Indagini spettroscopiche di un numero di carbeni di differenti strutture hanno mostrato che essi ricadono in generale in due gruppi: (1) quelli (carbeni ‘tripletti’) che la spettroscopia ESR ha dimostrato possedere elettroni non accoppiati e con angoli di legami di 130–150°; e (2) quelli (carbeni ‘singoletto’) che hanno angoli di legame di 100–110° ma non possono essere osservati tramite ESR. Molti carbeni,

come lo stesso CH₂, possono essere trovati in entrambi gli stati, sebbene uno possa essere più comune dell'altro.

Tutte queste osservazioni possono essere giustificate considerando la struttura elettronica di un carbene.

I carbeni hanno atomi di carbonio doppiamente coordinati: ci si dovrebbe quindi aspettare che essi abbiano una struttura lineare (diagonale) — come quella di un alchino — con un atomo di carbonio ibridizzato sp.

Quindi un carbene lineare dovrebbe avere sei elettroni da distribuire tra i due orbitali σ e i due orbitali p (a più alta energia). I due elettroni in orbitali p degeneri rimarrebbero non accoppiati a causa della repulsione elettronica nello stesso modo come avviene per l'ossigeno molecolare •O–O•.

Tuttavia pochi carbeni sono lineari: la maggior parte sono piegati, con angoli di legame compresi tra 100° e 150°, il che suggerisce uno stato di ibridazione trigonale (sp²). Un carbene ibridizzato sp² dovrebbe avere tre orbitali (a più bassa energia) sp² e un orbitale p (a più alta energia) in cui distribuire i suoi sei elettroni. Ci sono due modi di fare questo. O tutti gli elettroni possono essere accoppiati, con ogni coppia che occupa uno degli orbitali sp², o due degli elettroni rimangono non accoppiati, con un elettrone in ognuno degli orbitali p e uno degli orbitali sp².

Queste due possibilità spiegano le classi di carbeni osservate, e i due possibili arrangiamenti di elettroni (stati di spin) sono denominati tripletto e singoletto. Gli orbitali sono gli stessi in entrambi i casi ma nei carbeni tripletto abbiamo un elettrone in ognuno dei due orbitali molecolari e nei carbeni singoletto entrambi gli elettroni vanno in un orbitale sp².

L'esistenza di due stati di spin spiega il differente comportamento dei carbeni tripletto e singoletto nei confronti della spettroscopia ESR; l'occupazione degli orbitali spiega anche il più piccolo angolo di legame nei carbeni singoletto, che hanno una coppia libera in un orbitale sp² che repelle gli elettroni.

La maggior parte dei carbeni sono più stabili come tripletto perché l'energia da acquisire per portare un elettrone da un orbitale p ad un orbitale sp² non è sufficiente a superare la repulsione che esiste tra due elettroni in un singolo orbitale.

Tutti i carbeni hanno il potenziale di esistere in entrambi gli stati di singoletto o tripletto, così che quando si dice che un carbene come :CH₂ è un carbene tripletto sia intenda che lo stato di tripletto per questo carbene è a minore energia dello stato di singoletto, e viceversa per :CCl₂. Per la maggior parte dei carbeni tripletto lo stato di spin singoletto che dovrebbe derivare dall'accoppiamento di due elettroni giace solo circa 40 kJ mol^–1 al di sopra dello stato fondamentale (tripletto): in altre parole, 40 kJ mol^–1 sono richieste per accoppiare i due elettroni. Quando un carbene è formato di fatto in una reazione chimica, esso non può essere formato nel suo stato più stabile, come potremo vedere.

I carbeni che hanno stati fondamentali di singoletto (come ad esempio :CCl₂) hanno tutti sostituenti elettron-ricchi che portano coppie libere adiacenti al centro carbenico. Queste coppie libere possono interagire con l'orbitale p del carbene per produrre un nuovo orbitale, a più bassa energia che i due elettroni occuperanno. Questa stabilizzazione della coppia libera fornisce l'incentivo che serve all'elettrone nell'orbitale p per accoppiarsi nell'orbitale sp².

Questa formazione dell'orbitale molecolare muove elettroni localizzati sull'ossigeno in orbitali condivisi tra carbonio ed ossigeno. Possiamo rappresentare questo tramite frecce ricurve come una delocalizzazione di elettroni di coppie libere.

Come suggeriscono queste frecce, i carbeni che hanno sostituenti fortemente elettron-donatori sono meno elettrofilici di altri carbeni: anzi, i diamino carbeni possono essere quasi nucleofilici. La divisione dei carbeni in due tipi spiega la loro struttura. Aiuta anche a spiegare alcune delle loro reazioni, specialmente quelle che hanno un'implicazione stereochimica.

La struttura dei carbeni dipende da come essi vengono preparati.

Prima abbiamo considerato solo la struttura più stabile possibile, singoletto o tripletto, di un dato carbene.

Nella realtà, un carbene verrà formato in una reazione chimica e può benissimo essere formato come la meno stabile delle alternative. Se una reazione avviene attraverso un meccanismo ionico su una molecola con tutti gli elettroni accopiati (come la maggior parte delle molecole) allora deve formarsi come singoletto. Seguendo un meccanismo di α eliminazione, per esempio.

Lo starting material, una normale molecole di cloroformio CHCl₃, ha tutti gli elettroni accoppiati. Il legame σ C–H si rompe e due elettroni accoppiati da esso formano il lone pair del carbanione. Il carbanione ha anche tutti gli elettroni accoppiati. I due elettroni accoppiati di uno dei legami C–Cl lascia il carbanione e si forma il carbene. Esso ha due elettroni accoppiati per ognuno dei due rimanenti legami C–Cl ed il lone pair, anch'esso accoppiato. Si è formato come singoletto. Come avviene, la versione singoletto del CCl₂ è anche la più stabile. Se il carbene fosse invece CH₂ e se avesse reagito rapidamente, esso non potrebbe avere una chance di cambiare nel più stabile stato di tripletto. E i carbeni sono molto reattivi. Nello spiegare la loro reazioni avremo bisogno di considerare:

• come il carbene è stato preparato

• come reagisce rapidamente

• se esso può cambiare in uno altro stato (singoletto o tripletto)

Come reagiscono i carbeni?

I carbeni hanno la necessità disperata di trovare un'altra coppia di elettroni con cui completare il loro guscio di valenza di elettroni.

In questa accezione essi sono come i carbocationi. Come i carbocationi, essi sono elettrofilici ma, diversamente dai carbocationi, essi sono senza carica. Questo ha conseguenze per il tipo di carbeni nucleofilici scelti per farli reagire. I carbocationi attaccano i nucleofili con grande densità di carica — quelli recanti una carica negativa o parzialmente negativa (quelli tipici delle reazioni S_N1 o

Friedel–Crafts). I carbenei, dall'altra parte, attaccano composti che normalmente non avremmo mai considerato nucleofili — anche alcheni semplici — prendendo elettroni dai loro HOMO. Naturalmente, un

carbocatione di solito reagirà con l'HOMO di una molecola, ma sarà molto più selettivo su quale degli HOMO reagirà — di solito questi devono essere lone pairs o alcheni elettron-ricchi. Per i carbeni,

ogni HOMO andrà bene — un lone pair, un doppio legame C=C (elettron-ricco o -povero), o anche un legame C–H.

Come detto in precedenza, molte di queste reazioni possono essere considerate reazioni di inserzione — in generale il carbene sembra che trovi un legame e si inserisca nel mezzo di esso. È importante ricordare che il termine ‘reazione di inserzione’ descrive l'esito della reazione, sebbene esso non sempre sia un'accurata descrizione del meccanismo della reazione.

I carbeni reagiscono con gli alcheni a dare ciclopropani

Questa reazione è il più importante metodo per sintetizzare ciclopropani, ed è probabilmente la più importante reazione dei carbeni.

Il meccanismo di questo tipo di reazione dipende da se il carbene sia singoletto o tripletto, e l'esito della reazione può fornire un primo test chimico delle conclusioni estrapolate in precedenza. I carbeni singoletto, come questo qui (i sostituenti elettron-ricchi stabilizzano lo stato di spin singoletto), può addizionare ad alcheni in un modo totalmente concertato: le frecce curve per il processo possono essere scritte per quest mostrare ciò.

Poiché il processo è concertato, dobbiamo aspettarci che la geometria dell'alchene dovrebbe esser mantenuta nel prodotto — la reazione dovrebbe essere stereospecifica. I due esempi sotto mostrano che questo è invece il caso. È molto più impressionante che l'alchene Z dia il ciclopropano cis poiché questo è meno stabile rispetto al ciclopropano trans e che vorrebbe cambiare se potesse.

La reazione di inserzione nell'alchene è stereospecifica solo per carbeni singoletto. Per carbeni tripletto, la reazione è non stereospecifica. I carbeni resistenti formati termicamente da diazoalcani devono essere inizialmente singoletti, e la fotochimica è un modo per fornire l'energia necessaria per la loro trasformazione nei più stabili tripletti.

Il meccanismo di quest reazione non specifica deve essere differente. Infatti, una reazione concertata è impossibile per carbeni tripletto a causa degli spin degli elettroni coinvolti. Dopo che il carbene si addiziona all'alchene in una reazione radicalica, l'intermedio diradicalico (tripletto) deve aspettare fino a quanto uno degli spin inverta così che il secondo legame C–C bond possa essere formato con elettroni accoppiati. Questo intermedio vive anche abbastanza per la rotazione del legame C–C e perdita di stereochimica.

Un ciclopropano ha tre legami σ — in altre parole, sei elettroni, tutti con spin accoppiati (tre up, tre down). Uno di questi era il legame σ nello starting material; gli altri due coppie di elettroni vengono dal legame π e dal carbene. Gli elettroni nel legame π devono esser accoppiati, e quindi essi possono formano uno dei nuovi legami σ. Un carbene singoletto (i cui elettrono sono anche accoppiati) può quindi fornire la seconda coppia elettronica.

Ma un carbene tripletto non può, perché i suoi elettroni non sono accoppiati. Il secondo legame si può solo formare una volta che uno dei due elettroni abbia flippato il suo spin. Lo spin-flipping, che può solo avvenire tramite collisione con un'altra molecola (di solvente, dicono), è relativamente lento sulla scala di tempo delle rotazioni molecolari e, per il tempo in cui gli elettroni sono in uno stato adatto per accoppiare, la stereochimica dello starting material è stata sconvolta dalla rotazione libera dell'intermedio.

N.B.. Gli stessi impedimenti derivanti dalla necessità di conservazione dello spin elettroni sono applicabili sia alla formazione che alle reazioni dei carbeni. Quando un carbene si forma tramite una eliminazione, come detto, da una molecola con tutti gli elettroni accoppiati, deve esser ottenuta come singoletto, sia che lo stato di tripletto sia o non sia più basso in energia. Solo dopo il carbene può subire spin-flipping allo stato di tripletto. Poiché la maggior parte della reazioni dei carbeni sono molto rapide, questo vuol dire che il carbeni che sono noti esistere in uno stato fondamentale di tripletto possono, infatti, reagire nel loro stato di singoletto formato all'inizio perché non hanno tempo di cambiare lo spin in tripletto. Questo è vero per :CH₂ prodotto da CH₂N₂, che si addiziona stereospecificamente ai doppi legami perché è formato come singoletto e perché lo stato di singoletto è più reattivo del tripletto.

Se la reazione è diluita con un grande quantitativo di un solvente inerte come C₃F₈ (perfluoropropano) allora :CH₂ subisce più collisioni prima di reagire e così le possibilità di spin-flipping del :CH₂ singoletto a :CH₂ tripletto sono aumentate. L'addizione ad alcheni è quindi meno stereospecifica.

La stereospecificità (o la mancanza di questa) nell'addizione di un carbene ad un alchene può essere un buon test per vedere se il carbene reagisce come singoletto o tripletto: la mancanza di stereospecificità in un'addizione di un carbene quasi certamente indica che è coinvolto un carbene tripletto, ma il fatto che un'addizione sia stereospecifica non vuol dire che un carbene deve essere un singoletto. In alcuni casi, la rotazione del legame può essere abbastanza lenta, e lo spin-flipping rapido, portando ad un'addizione stereospecifica. Da notare che in questo esempio il meno stabile cis (Z-) alchene è stato usato: la reazione darà il trans-ciclopropano se possibile.

L'addizione di un carbene tripletto ad un alchene può essere considerata essere quasi un'addizione radicalica ad un doppio legame. L'addizione concertata di un carbene singoletto, dall'altra parte, è una reazione periciclica, classificata come cicloaddizione [1 + 2]. Come cicloaddizione, l'addizione di un carbene singoletto ad un alchene deve obbedire alla regole di simmetria degli orbitali (Woodward–Hoffmann). Potremmo considere l'orbitale π vuoto del carbene (LUMO) che interagisce con il legame π (HOMO) dell'alchene o il lone pair del carbene nel suo orbitale sp² pieno (HOMO) che interagisce con l'orbitale π* antilegante dell'alchene (LUMO). Si può immediatamente vedere che c'è un problema quando cerchiamo di far interagire questi orbitali costruttivamente per formare due nuovi legami — l'approccio diretto del carbene all'alchene è impossibile perché c'è sempre un'interazione antilegame. Possono essere formati due nuovi legami, comunque, se il carbene si avvicina all'alchene ‘di profilo’. Il prodotto (ciclopropano) deve, ovviamente, avere un arrangiamento più o meno tetraedrico all'atomo di carbonio che era il carbene così che, anche il carbene si avvicina di profilo, deve quindi ruotare di 90° come il legame si forma. Preparare ciclopropani Molti prodotti naturali e composti biologicamente attivi contengono anelli ciclopropanici: per esempio, uno dei più importanti insetticidi naturali, una piretrina ricavata dalla pianta Tanacetum cinerariifolium (Est Africa), e il suo analogo sintetico decametrina, ora il più importante insetticida in agricoltura. Sono necessarie dosi molto basse di quest insetticida estremamente attivo e non persistente. Avete mai sentito l'odore di ‘ozono’ o ‘iodio’ del mare? Beh, l'odore del mare è caratteristico ma non ha niente a che fare con O₃ o I₂. È più probabilmente causato da dictioptereni, una famiglia di ciclopropani volatili usati dalle alghe brune femmina per attrarre i gameti maschili. Vorrei citare ora due aminoacidi naturali ma estremamente inusuali. L'ipoglicina è un agente che abbassa il livello di zucchero nel sangue e deriva dal frutto acerbo della Blighia sapida; l'agente responsabile della malattia del vomito Jamaicana. Non mangiate tali frutti acerbi! La Natura non produce solo ciclopropani tensionati ma anche metilene cicloproprani più tensionati cone un atomo ibridizzato sp² nell'anello. Il secondo e più semplice aminoacido è trovato in mele, pere, e pompelmo e favorisce la maturazione dei frutti attraverso la degradazione ad etilene. L'ultimo ma davvero straordinario esempio è un antibiotico antifungino sintetizzato per la prima volta nel 1996 e contenente non meno di cinque ciclopropani. Ha il prosaico nome FR-900848 ma è comunemente noto con il nome chimico di ‘jawsamycin’. Poiché questi ed altre utili molecole contengono anelli a tre membri, i metodi per sintetizzarli sono importanti così come interessanti. La maggior parte delle sintesi chimiche di composti contenenti gruppi ciclopropile fanno uso dell'addizione di un carbene, o un equivalente di un carbene, ad un alchene. Cosa vogliamo intendere con il termine carbene equivalente? Di solito, questa è una molecola che ha il potenziale di formare un carbene, sebbene possa non reagire nella realtà attraverso un intermedio carbenico. Un esempio di questi tipo è lo zinco carbenoide formato quando il diiodometano è fatto reagire con zinco metallico: esso reagisce con alcheni come un carbene farebbe — subisce addizione al legame π e produce un ciclopropano. La reazione è nota come reazione di Simmons–Smith, dopo che i due chimici all'industria chimica DuPont la scoprirono nel 1958. Anche dopo diversi decenni, è la più importante metodica di preparazioni di composti contenenti ciclopropani, sebbene oggi sia spesso usata una variante che usa starting materials più facili da maneggiare. Il dietil zinco sostituisce la coppia Zn/Cu della tradizionale reazione di Simmons–Smith. In questo esempio, una doppia ciclopropanazione sul diene a simmetria C₂ derivato dall'acido tartarico porta ad una stereoselettività davvero buona. La reazione non coinvolge un carbene libero: lo zinco è ancora legato all'atomo di carbonio all'inizio della reazione, e la specie reagente è probabilmente un complesso di zinco che possiamo rappresentare come un equilibrio tra due zinco carbenoidi. Il meccanismo della reazione di Simmons–Smith sembra essere trasferimento di carbene dal metallo all'alchene senza che nessun carbene libero venga rilasciato. Può assomigliare a qualcosa tipo questo. Alcune delle evidenze provengono da una reazione che non solo getta luce sul meccanismo delle ciclopropanazioni di Simmons–Smith, ma le rende anche di maggiore valore in sintesi. Quando un alcole allilico è ciclopropanato, il nuovo gruppo metilenico addiziona stereoselettivamente alla stessa faccia del doppio legame del gruppo alcolico. * Il carbenoide di zinco della Simmons–Smith si comporta come un carbene singoletto — le sue addizioni agli alcheni sono stereospecifiche (il prodotto ciclopropanato ritiene la geometria dell'alchene) così come stereoselettive (il carbenoide addiziona sulla stessa faccia del gruppo idrossile). Gli alcoli allilici ciclopropanano anche più di 100 volte velocemente rispetto agli equivalenti alcheni non funzionalizzati. La coordinazione tra l'atomo di zinco e il gruppo idrossile nello stato di transizione spiega sia la stereoselettività che l'aumento di velocità. Sfortunatamente, mentre la reazione di Simmons–Smith lavora bene quando un gruppo metilene (CH₂) sta per esser trasferito, funziona meno bene con metileni sostituiti, tipo RCH: o RCH₂C:. Quando Ireland volle introdurre un ciclopropano stereoselettivamente in un sistema pentaciclico contentente un enone, prima ridusse il chetone ad alcole (il DIBAL dava solo l'alcole equatoriale) che controllava la stereochimica della reazione di Simmons–Smith. L'ossidazione con Cr(VI) restituì il chetone. Il carbene derivato dalla decomposizione metallo-catalizzata dell'etil diazoacetato attacca gli alcheni per introdurre un frammento a due-carboni in un ciclopropano — una sintesi industriale dell'etile crisantemato, un precursore degli insetticidi piretroidi, usa questa reazione. Il diene nello starting material è più nucleofilico (HOMO a maggiore energia) del singolo alchene nel prodotto, così la reazione può essere fermata dopo una sola addizione del carbene. La versione intramolecolare di questa reazione è più affidabile, e spesso è stata usata per produrre composti contenenti ciclopropani plurisostituiti. Corey fa uso di essa nella sintesi della sirenina, sostanza che attrae i capodogli maschi secreta dall'apparato riproduttore della femmina. Come protreste immaginare, i carbeni come questo, sostiuiti con gruppo elettron-attrattori come i carbonili, siano anche elettrofili più potenti dei carbeni come :CCl₂, e quindi addizioneranno ai doppi legami del benzene. Il prodotto non è stabile, ma immediatamente subisce apertura d'anello elettrociclica. Il diclorocarbene :CCl₂ non si addizionerà al benzene, ma attacca l'anello elettron-ricco del fenolo: il prodotto non è un ciclopropano, ma un'aldeide. La reazione di Reimer–Tiemann è usata perché è un importante metodo di preparazione di fenoli orto-sostituiti, ma le rese sono spesso basse, e l'industria moderna è cauta, diffidente nell'usare grosse quantità di solventi clorurati. Su piccola scala, quella di un laboratorio è stata ampiamente soppiantata dalla orto-litiazione e da metodi moderni di cui non parlerò. Il meccanismo probabilmente è qualcosa di questo tipo.

Molto bene Nick, il piatto c'è, ora non resta che servirsi con calma e a forchettate opportune... è roba sostanziosa e non leggerissima per lo stomaco

Very OK

in verità avrei ancora un bel po' da scrivere... voi con calma piano piano leggete pure. io appena sono ispirato aggiungo altre chicche grazie

Inserzione in legami C–H Abbiamo detto che la formazione dei ciclopropani tramite addizione di carbeni ad alcheni era rara — infatti, i carbeni sostituiti con gruppi alchilici subiscono davvero poche reazioni intermolecolari in generale perché si decompongono molto rapidamente. Quando alogenuri alchilici primari vengono trattati con una base, si formano gli alcheni tramite eliminazione. Ci si dovrebbe aspettare che il meccanismo di questa eliminazione sia E2 e, se si è partiti con un composto deuterato come quello riportato sotto, il prodotto (alchene) dovrebbe essere marcato con due atomi di deuterio ad una estremità. Questo è invece cosa succede se la base è il sodio metossido (pK_a 16). Se, tuttavia, esso è fenilsodio (pK_a ca 50), solo il 6% del prodotto è marcato in questo modo mentre il 94% del prodotto ha solo un atomo di deuterio. Un atomo di idrogeno è ‘migrato’ dalla posizione 2 alla posizione 1. Il meccanismo completo dell'eliminazione con basi davvero forti come il fenilsodio è reputato essere: (1) formazione di un carbene tramite α eliminazione e poi (2) migrazione 1,2 di un atomo di idrogeno sul centro carbenico. I carbeni con idrogeni β subiscono migrazione 1,2 estremamente rapida di idrogeno al centro carbenico, dando alcheni. Il motivo per la rapida migrazione è che il carbene elettrofilico ha trovato un vicina fonte di elettroni — l'HOMO del legame C–H — ed esso ha preso gli elettroni per esso stesso, ‘inserendo’ nel legame C–H. Questo tipo di reazione è meglio dimostrato tramite due esempio in cui la ‘reazione di inserzione’ è un po' meno ovvia: quando non ci sono idrogeni β, il carbene inserisce nei legami C–H un po' più lontano nella stessa molecola o anche nel solvente (cicloesano nel secondo esempio). Nel primo caso, il carbene è formato tramite α eliminazione e, nel secondo caso, tramite fotolisi di un diazochetone. Poiché queste reazioni di inserzione creano nuovi legami su centri completamente non funzionalizzati, possono essere davvero utili in sintesi. Questo prossimo carbene è creato tra due gruppi carbonilici da un diazocomposto con una catalizzatore di rodio ed inserisce selettivamente in un legame C–H cinque atomi lontano per formare un ciclopentanone sostituito. In queste reazioni di inserzione C–H, la somiglianza con la formazione di ciclopropani tramite cicloaddizioni intramolecolari da alcheni è chiara, ed i meccanismi sono abbastanza speculari l'uno con l'altro. Così come con le reazioni di ciclopropanazione, il cammino della reazione differisce conformemente al fatto se il carbene sia singoletto o tripletto. Carbeni singoletto possono inserire in una maniera concertata, con gli orbitali che si sovrappongono in modo costruttivo a patto che il carbene si avvicini di lato. Questo meccanismo implica che, se il legame C–H è su un centro stereogenico, la stereochimica su quel centro sarà ritenuta durante la reazione, come nella sintesi di Cane del pentalenolattone. Pentalenolattone è il nome dato ad un antibiotico estratto dallo Streptomyces fungi con un interessante struttura triciclica. Due gruppi di chimici, a distanza di un anno l'uno dall'altro, pubblicarono le sintesi di questo composto usando inserzioni di carbene promosse da rodio in legami C–H . La reazione di inserzione di Cane (route 1) procede stereospecificamente con ritenzione di stereochimica. Questa è un'eccellente prova per una reazione concertata di un carbene singoletto. Un esempio carino di questo risultato è l'ingegnosa sintesi dell'α-cuparenone usando una inserzione stereospecifica di un carbene.

Reazioni di riarrangiamento

Abbiamo detto prima che carbeni senza idrogeni β spesso si inseriscono in altri legami C–H nella molecola.

Tuttavia, carbeni senza atomi di idrogeno in β possono anche subire reazioni di riarrangiamento con migrazione di gruppi alchilici o arilici.

Il più comune esempio di questo tipo di migrazione è quello in cui il carbene è adiacente ad un gruppo carbonile. Il prodotto iniziale di quello che è noto essere il riarrangiamento di Wolff è un chetene, che non può essere isolato ma è idrolizzato ad estere durante il work-up. Il riarrangiamento di Wolff è una tipica reazione dei diazochetoni tramite riscaldamento, sebbene queste specie spesso subiscano reazioni di inserzione intramolecolari in legami C–H.

Una importante applicazione di questa reazione è l'allungamento di catena di cloruri acilici ai loro esteri omologhi, nota come reazione di Arndt–Eistert. Notate che lo starting material per il riarrangiamento di Wolff è facilmente prodotto da RCO₂H per reazione di un cloruro acilico con diazometano; il prodotto è RCH₂CO₂H — l'acido carbossilico con un atomo di carbonio in più nella catena. Un gruppo CH₂, marcato in nero, proviene dal diazometano ed è inserito nel legame C–C tra R e il gruppo carbonile.

Una sintesi del grandisol usando l'estensione di catena di Arndt–Eistert

L'Anthonomus grandis è un insetto davvero nocivo per i cespugli di cotone, e produce un feromone sessuale noto come grandisolo.

I chimici presto dimostrarono che c'era un modo facile di sintetizzare un estere simile tramite addizione coniugata di un derivato organorame e quindi alchilazione di un enolate dell'estere. L'enolato reagisce con MeI sulla faccia opposta a quella della catena laterale dove c'è il gruppo propenile — un buon esempio di controllo stereochimico con composti ciclici.

Questo estere è un atomo di carbonio più corto rispetto alla catena completa del grandisolo, così una reazione di Arndt–Eistert fu usata per allungare la catena di un atomo. Primo, l'estere venne convertito a diazochetone con diazometano e, quindi, un riarrangiamento di Wolff fu iniziato tramite formazione di un carbene con un composto di argento(II).

Intermezzo.

I nitreni sono gli analoghi all'azoto dei carbeni

Il riarrangiamento di Wolff ha alcuni importanti cugini che dobbiamo ora introdurre — essi meritano di esser menzionati perché essi portano ad una famiglia di composti simili anche essi, infatti, non coinvolgono carbeni.

Sono un gruppo di reazioni che procedono attraverso un intermedio nitrenico — l'analogo all'azoto di un carbene. Il più semplice da capire, perché esso è il diretto analogo all'azoto del riarrangiamento di Wolff, è il riarrangiamento di Curtius. Esso inizia con un'acil azide — che può esser preparata per sostituzione nucleofila di un cloruro acilico con sodio azide. L'acil azide è quella che dovresti ottenere se sostituissi il –CH=N₂ di un diazochetone con –N=N₂. E, se tu la riscaldi, non è sorprendente che essa si decomponga rilasciando azoto (N₂), formando il nitrene. Il nitrene ha due legami in meno (1) di un'amina normale e ha due lone pairs producendo in tutto sei elettroni.

I nitreni, come i carbeni, sono immensamente reattivi ed elettrofilici, e la stessa migrazione tipo-Wolff avviene a dare un isocianato. Il sostituente R migra dal carbonio all'atomo di azoto elettron-deficiente del nitrene. Gli isocianati sono instabili all'idrolisi: l'attacco di acqua al gruppo carbonile porta ad un acido carbamico che decompone ad un'amina.

Complessivamente, quindi, il riaggiamento di Curtius converte un cloruro acido ad amina con perdita di un atomo di carbonio — molto utile. Anch'esso utile è il corrispondente riarrangiamento di Hofmann, che trasforma un'ammide in un'amina con perdita di un atomo di carbonio. Questa volta si inizia con un'ammide primaria e si produce un nitrene per trattamento con base e bromo. Da notare come questa reazione di formazione di un nitrene sia molto simile alle reazioni in cui si formava il carbene. Il nitrene riarrangia solo nella reazione di Curtius, dando un isocianato che può esser idrolizzato ad amina.

Tornando ai carbeni.

Attacco dei carbeni sui lone pairs

I riarrangiamenti di Wolff, che coinvolgoino shifts di gruppi alchilici, sono inserzioni intramolecolari davvero efficaci in legami C–C.

I carbeni inseriranno anche in altri legami, specialmente legami O–H ed N–H, sebbene il meccanismo in questi casi coinvolga l'iniziale attacco di un lone pair dell'eteroatomo.

L'attacco del carbene è seguito da trasferimento di protone a generare una molecola neutra dallo zwitterione formato per primo (o ‘ilide’). Comunque, se l'eteroatomo non reca un idrogeno, l'attacco sul suo lone pair genera un'ilide che non può riarrangiare in questo modo. La reazione di un carbene con un nucleofilo neutro forma un'ilide. Questo tipo di reazione è, infatti, un metodo davvero utile di formare ilidi reattive che sono inaccessibili in altri modi.

Poiché i carbeni sostituiti con carbonili (come i radicali analoghi) sono elettrofilici, la loro inserzione in legami O–H ed N–H può essere un utile metodo per formare legami in un'accezione umpolung.

A causa delle difficoltà nella formazione dei β-lattami (gli anelli a quattro membri che si trova nella classe delle penicilline, famosi antibiotici), la Merck decise di progettare una sintesi di un classe di composti nota come carbapenemi attorno ad una inserzione rodio-catalizzata di un carbene in un legame N–H, costruendo l'anello a cinque membri sul lato dell'anello a quattro membri.

Con questo chiudo. Ci sarebbe da parlare delle reazioni di metatesi di alcheni, alchini e analoghi con eteroatomi ma è troppo complesso.

Grazie dell'attenzione.