Η αντίδραση υποκατάστασης στον αρωματικό δακτύλιο είναι μια από τις πιο ευρέως χρησιμοποιούμενες αντιδράσεις στην οργανική χημεία. Ωστόσο, λόγω του περιορισμού του μηχανισμού αντίδρασης, αυτές οι αντιδράσεις αντικατάστασης μπορούν συχνά να προχωρούν μόνο σε συγκεκριμένες θέσεις στον δακτύλιο βενζολίου. Για παράδειγμα, δακτύλιοι βενζολίου που περιέχουν ομάδες πλούσιες σε ηλεκτρόνια υφίστανται συχνά αντιδράσεις ηλεκτροφιλικής υποκατάστασης στις ορθο ή παρα θέσεις των υποκαταστατών. ενώ οι ετεροαρωματικές ενώσεις με έλλειψη ηλεκτρονίων συχνά υφίστανται αντιδράσεις νουκλεόφιλης υποκατάστασης στις ορθο ή παρα θέσεις των ετεροάτομων. Προκειμένου να ξεπεραστούν αυτοί οι περιορισμοί, οι οργανικοί χημικοί χρησιμοποιούν συχνά αντιδράσεις αναδιάταξης για να λάβουν προϊόντα που δεν μπορούν να ληφθούν με αντιδράσεις υποκατάστασης. Αν και οι κλασικές αντιδράσεις αναδιάταξης (όπως η αναδιάταξη χαμόγελων, η αναδιάταξη Claisen, η αναδιάταξη Bamberger) έχουν χρησιμοποιηθεί ευρέως, αυτές οι αντιδράσεις μπορούν να αναδιατάξουν μόνο μέρος των αρχικών υποκαταστατών, επομένως το καθαρό αποτέλεσμα αυτών των αντιδράσεων αναδιάταξης είναι η αλλαγή του αρχικού ενός υποκαταστάτη σε δύο υποκαταστάτες . Η αντίδραση αναδιάταξης που μεταφέρει πλήρως τον υποκαταστάτη από τη μία θέση του δακτυλίου βενζολίου σε άλλη δεν είναι κοινή στην οργανική χημεία. Το πιο κλασικό είναι η αντίδραση διααλκυλίωσης, δηλαδή, υπό τις συνθήκες της αντίδρασης αλκυλίωσης Friedel-Crafts, αναδιάταξη της αλκυλομάδας στο αλκυλοβενζόλιο από τη μία θέση στην άλλη. Αν και αυτή η αντίδραση έχει αποκτήσει ορισμένες εφαρμογές στον πετροχημικό τομέα, απαιτεί ένα ισχυρό οξύ Lewis και το προϊόν είναι συνήθως ένα μείγμα. Το προϊόν της αντίδρασης έχει χαμηλή προβλεψιμότητα, επομένως η εφαρμογή της στον τομέα της οργανικής σύνθεσης είναι πολύ περιορισμένη. Ένα άλλο διάσημο παράδειγμα είναι το&«αλογόνο μετανάστευσης ατόμων GG» αντίδραση που περιλαμβάνει αλογονωμένους αρωματικούς υδρογονάνθρακες. Δηλαδή, υπό ισχυρές αλκαλικές συνθήκες, τα άτομα αλογόνου μπορούν να μεταναστεύσουν από το ένα άτομο άνθρακα στο άλλο μέσω μιας σειράς αντιδράσεων ανταλλαγής μετάλλων-αλογόνου στον αρωματικό δακτύλιο. Λόγω της πρακτικότητας και της προβλεψιμότητας αυτής της αντίδρασης, χρησιμοποιείται ευρέως στην οργανική σύνθεση και ακόμη και στη συνολική σύνθεση φυσικών προϊόντων.
Αν και έχουν αναφερθεί αντιδράσεις αναδιάταξης με βάση αλκυλομάδες και αλογόνα μέχρι στιγμής, δεν έχουν αναφερθεί αντιδράσεις αναδιάταξης με βάση καρβονυλ λειτουργικές ομάδες. Σε αυτό το πλαίσιο, η ερευνητική ομάδα του καθηγητή Junichiro Yamaguchi από το Πανεπιστήμιο Waseda στην Ιαπωνία ανέφερε μια νέα αντίδραση αναδιάταξης που καταλύεται από παλλάδιο των λειτουργικών ομάδων εστέρα σε αρωματικούς δακτυλίους, οι οποίες κάλυψαν το κενό. Οι ερευνητές ονόμασαν αυτή την αντίδραση&«Ester Dance GG».&"(GG" Ester dance&"αντίδραση). Συγκεκριμένα, η εστερική ομάδα μπορεί να μεταφερθεί από ένα άτομο άνθρακα στον (ετερο) αρωματικό δακτύλιο στο γειτονικό άτομο άνθρακα υπό την κατάλυση του παλλαδίου, λαμβάνοντας έτσι θερμοδυναμικά σταθερά προϊόντα ισομερούς και ο ρυθμός μετατροπής της αντίδρασης είναι μέτριος έως καλός. Αυτή η εργασία δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο Science Advances.
Μια σημαντική ερευνητική κατεύθυνση της ομάδας του καθηγητή Yamaguchi&# 39 είναι η ανάπτυξη μη συμβατικών αντιδράσεων σύζευξης που καταλύονται από μέταλλο. Όταν ο Yamaguchi ήταν αναπληρωτής καθηγητής στην ομάδα Itami του Πανεπιστημίου Nagoya στην Ιαπωνία, ανέφερε μια σειρά από μη συμβατικές αντιδράσεις σύζευξης που βασίζονται στην ενεργοποίηση υδρογονανθράκων και στα ηλεκτρόφιλα καρβονυλίου. Κατά τη διάρκεια της έρευνας για την αποκαρβονυλίωση των αρυλεστέρων, διαπίστωσαν ότι κάτω από την κατάλυση του μεταλλικού παλλαδίου, μια μικρή ποσότητα εστερικών ομάδων στο 1-ναφθοϊκό φαινύλιο (1α) θα αναδιατάχθηκε από τη θέση C1 στη θέση C2 για να δώσει 2-ναφθοϊκό βενζόλιο . Εστέρες, αν και η απόδοση είναι χαμηλή (18%). Με βάση αυτήν την απροσδόκητη ανακάλυψη, εικάζουν ότι η αντίδραση αναδιάταξης μπορεί να πραγματοποιηθεί μέσω της ακόλουθης παράλληλης αντίδρασης:
1) Η οξειδωτική προσθήκη παλλαδίου στον δεσμό εστέρα C (O) ─O,
2) Τα σύμπλοκα αρνίου-παλλαδίου παράγονται μετά από αποπρωτονίωση και αποκαρβονυλίωση,
3) Επαν-εισαγωγή καρβονυλομάδας μετά την πρωτονίωση.
4) Μείωση και εξάλειψη.
Υπό την καθοδήγηση αυτού του υποθετικού μηχανισμού, βελτιστοποίησαν τις συνθήκες αντίδρασης. Τέλος, διαπίστωσαν ότι υπό τις συνθήκες 10 mol% του καταλύτη PdCl2, 20 mol% του συνδέτη dcypt, 0,5 ισοδ. Του πρόσθετου ανθρακικού καλίου και διαλύτη μετα-ξυλόλιο στους 150 ℃ για 24 ώρες, η απόδοση του προϊόντος αναδιάταξης Το 2a ήταν τόσο υψηλό όσο το 85%. Η αντίδραση ελέγχου έδειξε ότι απουσία PdCl2, dcypt ή ανθρακικού καλίου, η αντίδραση δεν μπορούσε να λάβει χώρα καθόλου. Αν και άλλοι καταλύτες παλλαδίου (όπως PdBr2) μπορούν επίσης να καταλύσουν την αντίδραση, η δραστικότητά τους είναι κακή. Άλλοι μεταλλικοί καταλύτες (όπως το NiCl2) είναι εντελώς αδρανείς. Ο συγγραφέας μελέτησε επίσης άλλους πλούσιους σε ηλεκτρόνια συνδέτες bidentate (όπως dcype, dcypbz) και τα αποτελέσματα έδειξαν ότι αν και μπορούν να οδηγήσουν την αντίδραση, το αποτέλεσμα δεν είναι τόσο καλό όσο το dcypt. Επιπλέον, όταν χρησιμοποιήθηκαν άλλες βάσεις αντί για ανθρακικό κάλιο, η αντίδραση αναστέλλεται πλήρως, πράγμα που υποδηλώνει ότι η αντίδραση μπορεί να έχει υποστεί μια διαδικασία αποπρωτονισμού υποβοηθούμενη από τη βάση. Περαιτέρω έρευνα σχετικά με τις επιδράσεις του διαλύτη έδειξε ότι άλλοι διαλύτες υψηλού σημείου βρασμού (όπως τολουόλιο, 1,4-διξοάνιο, DMF) δεν είναι τόσο αποτελεσματικοί όσο το μετα-ξυλόλιο.
Υπό βέλτιστες συνθήκες, ο συγγραφέας αξιολόγησε το εύρος του υποστρώματος της αντίδρασης. Κατ 'αρχάς, ο συγγραφέας μελέτησε τη λειτουργική συμβατότητα της ομάδας του εστέρα φαινόλης. Τα αποτελέσματα έδειξαν ομάδες ortho / meta / para tolyl (1b-1d), ομάδες anisole para / met (1e και 1f), ομάδες para / meta fluorophenyl (1g και 1h), και τις ομάδες διφαινυλίου para / met (1i και 1j) ) είναι συμβατά με αυτήν την αντίδραση και το προϊόν αναδιάταξης στόχου (2b-2j) λαμβάνεται με μέτρια απόδοση (42-71%). Για βενζοετεροκυκλικές ενώσεις, μπορούν επίσης να ληφθούν σχετικά προϊόντα αναδιάταξης (2k-2m). Γενικά, λόγω της αναστρεψιμότητας της αντίδρασης, ο ρυθμός μετατροπής της αντίδρασης είναι γενικά μικρότερος από 90%. Εκτός από το προϊόν-στόχο, η αντίδραση θα συνοδεύεται από την ανάκτηση πρώτων υλών και τον σχηματισμό υποπροϊόντος καρβοξυλικού οξέος (υδρόλυση εστέρα). Δεύτερον, ο συγγραφέας εξέτασε επίσης τη συμβατότητα των λειτουργικών ομάδων του τμήματος καρβοξυλικού οξέος. Εκτός από τον δακτύλιο ναφθαλενίου, πυριδίνη (1n-1s), κινολίνη (1t), βενζοθειοφαίνιο (1u), συνηθισμένο βενζόλιο με διαφορετικούς υποκαταστάτες (άτομα τριφθορομεθυλίου, σουλφοναμίδης, εστέρα, μεθυλίου και φθορίου) Και ο δακτύλιος (1v-1aa) και ο δακτύλιος ανθρακενίου (1ab) μπορεί να συμμετέχει στην αντίδραση και τα αντίστοιχα προϊόντα αναδιάταξης μπορούν να ληφθούν με μέτρια απόδοση (27-74%).
Αξίζει να σημειωθεί ότι χρησιμοποιώντας αυτήν την αντίδραση αναδιάταξης, φθηνό 2-καρβοξυλικό βενζοθειοφαίνιο (1u, που παράγεται από το αντίστοιχο καρβοξυλικό οξύ ($ 20 / g)) μπορεί να μετατραπεί σε παράγωγο καρβοξυλικού οξέος υψηλής προστιθέμενης αξίας (Παράγεται από υδρόλυση 2u, 13300 $ / σολ); Το φθηνό καρβοξυλικό φαινύλιο 1-πυρενίου (1ac) ($ 55 / g) μπορεί να μετατραπεί σε καρβοξυλικό φαινύλιο 2-πυρενίου (2ac, 454 $ / g), το οποίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την επισήμανση πυρενίου Φθορισμού βιοαισθητήρας. φθηνό 4-μεθυλ-1-ναφθοϊκό (1ad, 1ae, που παράγεται από το αντίστοιχο καρβοξυλικό οξύ ($ 8 / g)) μπορεί να μετατραπεί σε 1-μεθυλ-3-ναφθοϊκό (2ad, 2ae), το υδρόλυμα είναι υψηλής προστιθέμενης αξίας προϊόν (2998 $ / g). Η καλή λειτουργική συμβατότητα ομάδας και η ταχεία μετατροπή φθηνών πρώτων υλών σε προϊόντα υψηλής προστιθέμενης αξίας απεικονίζουν πλήρως την πρακτική αξία εφαρμογής αυτής της αντίδρασης.
Στη διαδικασία μελέτης του εύρους των υποστρωμάτων, ο συγγραφέας διαπίστωσε ότι όταν χρησιμοποιήθηκαν διαφορετικά ισομερή θέσης εστέρων καρβοξυλικού οξέος ως υποστρώματα αντίδρασης, τα ίδια αποτελέσματα ελήφθησαν όταν η αντίδραση πραγματοποιήθηκε υπό βέλτιστες συνθήκες. Για παράδειγμα, όταν βενζοϊκός 3-τριφθορομεθυλεστέρας (2v) και βενζοϊκός 4-τριφθορομεθυλεστέρας (1v) αντέδρασε υπό βέλτιστες συνθήκες, η αναλογία βενζοϊκού τριφθορομεθυλεστέρα 4-φαινυλίου (1v) και βενζοϊκού 3-τριφθορομεθυλοφαινυλεστέρα (2v). Αυτό δείχνει ότι η αντίδραση διέρχεται από το ίδιο ενδιάμεσο, επιβεβαιώνοντας έτσι ότι η αντίδραση είναι αναστρέψιμη.
Τέλος, συνδυάζοντας την αντίδραση μετανάστευσης εστέρα με την αντίδραση αποκαρβονυλίωσης που είχε προηγουμένως αναπτυχθεί από την ερευνητική τους ομάδα, οι συγγραφείς μελέτησαν περαιτέρω την εφαρμογή αυτής της αντίδρασης στη σύνθεση. Για παράδειγμα, υπό τυπικές συνθήκες, μέσω αντίδρασης μετανάστευσης εστέρα και ενεργοποίησης δεσμού άνθρακα-υδρογόνου, ο φαινυλεστέρας 3-θειοφαινοκαρβοξυλικού οξέος (1af) αντιδρά με βενζοθειαζόλη (4Α) για να ληφθεί το προϊόν σύζευξης 2-υποκατεστημένου θειοφαινο-βενζοθειαζολίου (3Α), Σχήμα 5Α , ενώ η παραδοσιακή αντίδραση σύζευξης αποκαρβονυλίωσης αποδίδει ένα υποκατεστημένο προϊόν 3 θέσεων. Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, το 4-πικολινικό φαινύλιο (1n) θα αναδιαταχθεί σε νικοτινικό φαινύλιο (2n) υπό βέλτιστες συνθήκες. Είναι ενδιαφέρον, παρουσία μεγάλης παρεμποδισμένης διφαινυλαμίνης (4Β), αυτός ο εστέρας Η αντίδραση μετανάστευσης προχώρησε με τον αντίθετο τρόπο (δηλ. 2n → 1n), και στη συνέχεια αμινοποίηση αποκαρβονυλίωσης, αποδίδοντας ένα προϊόν 4-υποκατεστημένης αμινο σύζευξης με απόδοση 62%, ενώ η παραδοσιακή αντίδραση σύζευξης αποκαρβονυλίωσης απέδωσε υποκατάσταση 3 θέσεων Το προϊόν. Δεδομένου ότι η ίδια η φαινόλη είναι επίσης ένα νουκλεόφιλο, απουσία εξωτερικού νουκλεόφιλου, το φαινυλ κινολινοκαρβοξυλικό και το φαινυλ πικολινικό μπορούν να μετατραπούν σε αντίστοιχες μεταναστευτικές αιθερικές ενώσεις με συνδυασμό με την αντίδραση αποκαρβονυλίωσης. Αξίζει να σημειωθεί ότι όταν ο χρόνος αντίδρασης του 1n άλλαξε από 24 ώρες σε 48 ώρες, πραγματοποιήθηκε επιτυχώς η μετατροπή των 1n → 2n → 3n (δηλαδή, δύο διαδοχικές αντιδράσεις μετεγκατάστασης εστέρα) και το 2n θερμοδυναμικά περισσότερο από 1n. σταθερός. Ωστόσο, η αιθεροποίηση αποκαρβονυλίωσης προχωρά μόνο στη θέση C2 του καρβοξυλικού πυριδίνης, έτσι η αντίδραση παράγει κυρίως 3D. Εν ολίγοις, μέσω έξυπνης χρήσης αυτής της αντίδρασης, μπορεί να προβλεφθεί ότι οι αρυλεστέρες μπορούν να μετατραπούν σε πολλές ενώσεις που δεν λαμβάνονται εύκολα με παραδοσιακές μεθόδους.
