Карбодиимид - Carbodiimide

Общая структура карбодиимидов: основная функциональная группа показана синим цветом с прикрепленными R группы

В органическая химия, а карбодиимид (систематическое название ИЮПАК: метандиимин[1]) это функциональная группа с формулой RN = C = NR. Они исключительно синтетические. Хорошо известным карбодиимидом является дициклогексилкарбодиимид, который используется в пептидный синтез.[2] Диалкилкарбодиимиды стабильны. Некоторые производные диарила имеют тенденцию превращаться в димеры и полимеры при стоянии при комнатной температуре, хотя это в основном происходит с карбодиимидами с низкой температурой плавления, которые являются жидкими при комнатной температуре.[3] Твердые диарилкарбодиимиды более стабильны, но могут медленно подвергаться гидролиз в присутствии воды с течением времени.

Структура и склеивание

Вид сбоку на C (NC3)2 ядро C (НЧФ2)2 как определено Рентгеновская кристаллография (цветовая схема: серый = C, синий = N)[4]
Вид сбоку на C (NC3)2 ядро C (НЧФ2)2 как определено рентгеновской кристаллографией.[4]

С точки зрения связывания карбодиимиды являются изоэлектронный с углекислый газ. Карбодиимиды описывают три основные резонансные структуры:

RN = C = NR ↔ RN+≡C-N−R ↔ RN−-C≡N+р

Сердечник N = C = N относительно линейный, а углы C-N = C приближаются к 120 °. В случае C (NCHPh2)2центральный угол N = C = N составляет 170 °, а углы C-N = C находятся в пределах 1 ° от 126 °.[4] Расстояния C = N короткие, около 120 пм, что характерно для двойных связей. Карбодиимиды хиральный, обладающий C2-симметрия и, следовательно, осевая хиральность.[5] Однако из-за низкого энергетический барьер Поскольку молекула вращается и тем самым быстро превращается между ее изомерами, фактическое выделение одного оптического изомера карбодиимида чрезвычайно сложно. Это было продемонстрировано по крайней мере один раз в случае конформационно ограниченного циклический карбодиимиды; Хотя есть и другие сообщения об одноручных аксиально-хиральных карбодиимидах, их достоверность с тех пор ставится под сомнение на экспериментальных и расчетных основаниях.[6][7]

Исходное соединение, метандиимин (HN = C = NH), представляет собой таутомер из цианамид.

Синтез

Из тиомочевины и мочевины

Классический путь получения карбодиимидов включает дегидросульфуризацию тиомочевин. Типичный реагент для этого процесса: оксид ртути:[8]

(R (H) N)2CS + HgO → (RN)2С + HgS + H2О

Эту реакцию часто можно проводить, как указано, даже если карбодиимиды реагируют с водой. В некоторых случаях к реакционной смеси добавляют дегидратирующий агент.

Дегидратация N, N'-диалкилмочевины дает карбодиимиды:

(R (H) N)2CO → (RN)2C + H2О

Пятиокись фосфора[9] и р-Толуолсульфонилхлорид были использованы в качестве обезвоживающих агентов.[10][11]

Из изоцианатов

Изоцианаты могут быть преобразованы в карбодиимиды с потерей диоксида углерода:[12][3]

2 RN = C = O → (RN)2C + CO2

Реакция катализируется оксиды фосфина. Эта реакция обратима.[8]

Реакции

По сравнению с другими гетероалленами карбодиимиды являются очень слабыми электрофилами и реагируют с нуклеофилами только в присутствии катализаторов, таких как кислоты.[13] В этом случае, гуанидины можно приготовить.[2] Как слабые основания карбодиимиды связываются с кислотами Льюиса с образованием аддукты.[8]

Окисление Моффатта

Карбодиимиды являются реагентами для Окисление Моффатта, протокол преобразования спирта в карбонил (кетон или альдегид) с использованием диметилсульфоксид в качестве окислителя:[14]

(CH3)2SO + (CyN)2C + R2CHOH → (CH3)2S + (CyNH)2CO + R2C = O

Обычно сульфоксид и диимид используются в избытке.[15] Реакция порождает диметилсульфид и мочевина как побочные продукты.

Связующие агенты

В органический синтез, соединения, содержащие карбодиимидную функциональную группу, используются в качестве агентов дегидратации. В частности, они часто используются для преобразования карбоновые кислоты к амиды или сложные эфиры. Добавки, такие как N-гидроксибензотриазол или N-гидроксисукцинимид, часто добавляются для увеличения выхода и уменьшения побочных реакций.

Амидная связь с использованием карбодиимида

Поликарбодиимиды также можно использовать в качестве сшивающих агентов для водных смол, таких как полиуретановые дисперсии или акриловая дисперсия. Здесь поликарбодиимид реагирует с карбоновыми кислотами, функциональные группы которых часто присутствуют в таких водных смолах, с образованием N-ацилмочевины. В результате между полимерными цепями образуются ковалентные связи, что делает их сшитыми.[16][17]

Механизм образования амида

Образование амида с использованием карбодиимида - обычная реакция, но связана с риском возникновения нескольких побочных реакций. Кислота 1 будет реагировать с карбодиимидом с образованием ключевого промежуточного продукта: O-ацилизомочевины 2, который можно рассматривать как эфир карбоновой кислоты с активированной уходящей группой. O-ацилизомочевина будет реагировать с аминами с образованием желаемого амида. 3 и мочевина 4.

Возможные реакции O-ацилизомочевины 2 производить как желаемые, так и нежелательные продукты. О-ацилизомочевина 2 может реагировать с дополнительной карбоновой кислотой 1 дать ангидрид кислоты 5, который может далее реагировать с образованием амида 3. Основной путь нежелательной реакции включает перегруппировку O-ацилизомочевины. 2 в конюшню N-ацилмочевина 6. Использование растворителей с низкой диэлектрической проницаемостью, таких как дихлорметан или хлороформ может свести к минимуму эту побочную реакцию.[18]

Механизм реакции образования амида с использованием карбодиимида

Примеры

DCC

Структура дициклогексилкарбодиимида
Основная статья: Дициклогексилкарбодиимид

DCC (аббревиатура от N, N'-дициклогексилкарбодиимид ) был одним из первых карбодиимидов, разработанных как реагент. Он широко используется для образования амидов и эфиров, особенно для твердофазный пептид синтез. DCC приобрел популярность в основном благодаря своим реакциям сочетания амидов с высоким выходом и тому факту, что он довольно недорогой.

Однако у DCC есть серьезные недостатки, и его часто избегают по нескольким причинам:

  1. Побочный продукт N, N'-дициклогексилмочевина в основном удаляется фильтрацией, но следы примесей бывает трудно удалить. Он несовместим с традиционным твердофазным пептидным синтезом.
  2. DCC - мощный аллерген, и повторный контакт с кожей увеличивает вероятность сенсибилизации к соединению. Сообщалось о клинических отчетах о людях, которые не могут входить в комнаты, где используются пептидные связывающие агенты.

DIC

Структура N, N'-диизопропилкарбодиимид
Основная статья: N, N'-диизопропилкарбодиимид

В отличие от DCC, DIC (N, N'-диизопропилкарбодиимид) представляет собой жидкость. Продукт его гидролиза, N, N'-диизопропилмочевина, растворим в органических растворителях.

EDC

Основная статья: 1-этил-3- (3-диметиламинопропил) карбодиимид

EDC - водорастворимый карбодиимидный реагент, используемый для широкого круга целей. Помимо использования, аналогичного использованию DCC и DIC, он также используется для различных биохимических целей в качестве сшивающий агент или химический зонд.

CMCT или CMC

1-циклогексил- (2-морфолиноэтил) карбодиимид мето-п-толуолсульфонат - карбодиимид, разработанный для химическое зондирование структуры РНК в биохимии.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Номенклатура органической химии: Рекомендации ИЮПАК и предпочтительные названия 2013 (Синяя книга). Кембридж: Королевское химическое общество. 2014. с. 375. Дои:10.1039/9781849733069-00372. ISBN  978-0-85404-182-4. Название карбодиимид для HN = C = NH сохраняется, но только для общей номенклатуры; никакая замена не допускается. Систематическое название, метандиимин, является предпочтительным названием ИЮПАК.
  2. ^ а б Эндрю Уильямс, Ибрагим Т. Ибрагим (1981). «Химия карбодиимида: последние достижения». Chem. Rev. 81 (6): 589–636. Дои:10.1021 / cr00046a004.CS1 maint: использует параметр авторов (ссылка на сайт)
  3. ^ а б Т. В. Кэмпбелл, Дж. Дж. Монагл (1963). «Дифенилкарбодиимид». Орг. Синтезатор. 43: 31. Дои:10.15227 / orgsyn.043.0031.CS1 maint: использует параметр авторов (ссылка на сайт)
  4. ^ а б c Irngartinger, H .; Jäger, H.-U. (1978). "Кристалл- и молекулярная структура из карбодиимидена: бис (дифенилметил) карбодиимид и бис (п-метоксифенил) карбодиимид". Acta Crystallographica Раздел B Структурная кристаллография и кристаллохимия. 34 (11): 3262–3265. Дои:10.1107 / S0567740878010626.
  5. ^ Винсент, А. Т .; Уитли, П. Дж. (1972). «Кристаллическая структура бис-п-нитрофенилкарбодиимид, O2N · C6ЧАС4· N: C: N · C6ЧАС4·НЕТ2". Журнал химического общества, Perkin Transactions 2: 1567–1571. Дои:10.1039 / P29720001567.
  6. ^ Танигучи, Тору; Сузуки, Такахиро; Сато, Харука; Ситибу, Юкацу; Кониси, Кацуаки; Монд, Кендзи (2018). «Получение карбодиимидов с одноручной аксиальной хиральностью». Журнал Американского химического общества. 140: 15577−15581. Дои:10.1021 / jacs.8b08969. Получено 18 августа 2020.
  7. ^ Дамрауэр, Роберт; Линь, Хай; Дамрауэр, Нильс Х. (2014). «Вычислительные исследования карбодиимидных колец». Журнал органической химии. 79: 3781−3788. Дои:10.1021 / jo4026435. Получено 18 августа 2020.
  8. ^ а б c Фредерик Курзер, К. Дураги-Заде (1967). «Успехи химии карбодиимидов». Chem. Rev. 67 (2): ee107–152. Дои:10.1021 / cr60246a001.CS1 maint: использует параметр авторов (ссылка на сайт)
  9. ^ Анри Ульрих (2008). Химия и технология карбодиимидов. Wiley-VCH. ISBN  978-0-470-06510-5.
  10. ^ Джон С. Шиэн, Филип А. Круикшенк (1968). «Гидрохлорид и метиодид 1-этил-3- (3-диметиламино) пропилкарбодиимида». Орг. Синтезатор. 48: 83. Дои:10.15227 / orgsyn.048.0083.CS1 maint: использует параметр авторов (ссылка на сайт)
  11. ^ Арнаб К. Мэйти, Скай Фортье, Леонель Гриего, Алехандро Дж. Метта-Маганья (2014). «Синтез« сверхмассивного »гуанидината, обладающего расширяемым координационным карманом». Неорг. Chem. 53 (15): 8155–8164. Дои:10.1021 / ic501219q. PMID  25029088.CS1 maint: использует параметр авторов (ссылка на сайт)
  12. ^ Монагл, Дж. Дж. (1962). «Карбодиимиды. III. Превращение изоцианатов в карбодиимиды. Исследования катализаторов». J. Org. Chem. 27 (11): 3851–3855. Дои:10.1021 / jo01058a022.
  13. ^ Ли, Чжэнь; Майер, Роберт Дж .; Офиал, Армин Р .; Майр, Герберт (2020-04-27). «От карбодиимидов до диоксида углерода: количественная оценка электрофильных реактивностей гетероалленов». Журнал Американского химического общества. Дои:10.1021 / jacs.0c01960.
  14. ^ Тидуэлл, Т. Т. (1990). «Окисление спиртов активированным диметилсульфоксидом и связанные реакции: обновление». Синтез. 1990 (10): 857–870. Дои:10.1055 / с-1990-27036.
  15. ^ Джон Г. Моффатт (1967). «Холан-24-ал». Орг. Синтезатор. 47: 25. Дои:10.15227 / orgsyn.047.0025.
  16. ^ Hesselmans, L.C.J .; Дерксен, А. Дж .; ван ден Гурберг, Дж. А. М. (2006). «Поликарбодиимидные сшивающие агенты». Прогресс в органических покрытиях. 55 (2): 142–148. Дои:10.1016 / j.porgcoat.2005.08.011. ISSN  0300-9440.
  17. ^ Posthumus, W .; Дерксен, А. Дж .; van den Goorbergh, J. A. M .; Хессельманс, Л. К. Дж. (2007). «Сшивание поликарбодиимидами». Прогресс в органических покрытиях. 58 (2–3): 231–236. Дои:10.1016 / j.porgcoat.2006.09.031. ISSN  0300-9440.
  18. ^ Хотан Мохарради (2010). Связывание веществ, содержащих первичный амин, с гиалуронаном посредством карбодиимид-опосредованного амидирования (Тезис). Уппсальский университет. ISSN  1650-8297.