Reactivity-and-control.pdf

  • Uploaded by: Soji Adimula
  • 0
  • 0
  • April 2020
  • PDF

This document was uploaded by user and they confirmed that they have the permission to share it. If you are author or own the copyright of this book, please report to us by using this DMCA report form. Report DMCA


Overview

Download & View Reactivity-and-control.pdf as PDF for free.

More details

  • Words: 21,279
  • Pages: 170
1

Reactivity and Control for Organic Synthesis

Reac%vity  and  Control  for   Organic  Synthesis  

 

O O Me

Which  group  reacts?   Where  does  it  react?   How  does  it  react?    

                 

O

O O

MgBr

CuBr•SMe2

Me O

chemoselective - enone reacts in preference to lactone (ester) regioselective - 1,4- not 1,2-addition to enone (dia)stereoselective - one major diastereomer formed

︎  Advanced  Organic  Chemistry:  Parts  A  and  B,  Francis  A.  Carey,  Richard  J.  Sundberg      Organic  Chemistry,    Jonathan  Clayden,  Nick  Greeves,  Stuart  Warren    Molecular  Orbitals  and  Organic  Chemical  Reac
2

Reactivity and Control for Organic Synthesis

 

︎  there  are  many  different  types  of  selec%vity  in  organic  synthesis:    Chemoselec%vity  – func%onal  group  discrimina%on  

 

 Regioselec%vity  –  product  structural  isomer  discrimina%on  

     

 Stereoselec%vity  –  product  stereoisomer  discrimina%on   ︎  we  will  be  primarily  concerned  with:    Chemoselec%vity  –  i.e.  selec%vity  between  two  func%onal  groups  

 

   

   

O

O

OH

NaBH4

O

OMe

OMe

ketone  reduced  in  preference  to  ester  

 Regioselec%vity  –  i.e.  selec%vity  between  different  parts  of  the  same  func%onal  group  

   

Cl O

   

Me

Me

Me OH Me

MeMgBr

Me

Me

Cl HNO3, H2SO4

Cl +

Me

NO2

NO2

direct  addi%on  in  preference  to  conjugate  addi%on   O

O

O Me O

O

MgBr CuBr•SMe2

Me O

 ortho  and  para  products  in  preference  to  meta  product  

chemoselec%ve  -­‐  enone  reacts  in  preference  to  lactone  (ester)   regioselec%ve  -­‐  1,4-­‐  not  1,2-­‐addi%on  to  enone   (dia)stereoselec%ve  -­‐  one  major  diastereomer  formed  

Reactivity and Control for Organic Synthesis

                   

︎ acidity  and  basicity   ︎ nucleophilic  alipha%c  subs%tu%on   nucleophilic  aTack  on  carbonyl  groups   electrophilic  aroma%c  subs%tu%on   nucleophilic  aroma%c  subs%tu%on   forma%on  of  rings   Hard  and  SoU   direct  and  conjugate  addi%on   lithium  halogen  exchange,  and  directed  lithia%on   reduc%ve  amina%on  

3

4

Reactivity and Control for Organic Synthesis

Brønsted  (1879-­‐1947)  defini%on:    an  acid  is  a  proton  donor        a  base  is  a  proton  acceptor   acid  HA  is  the  source  of  a  proton  H+   HA  

H+          +          A-­‐  

remember  that  the  solvent  (not  usually  drawn)  acts  as  the  base  and  deprotonates  the  acid  HA   conjugate  acid   HA          +            solvent   HA          +            H2O   equilibrium  constant  

K  =  [________   H3O+][A-­‐]   [HA][H2O]  

solvent•H+          +          A-­‐  

conjugate  base  

H3O+          +          A-­‐   Ka  =________    [H3O+][A-­‐]   [HA]  

i.e.  Ka  =K[H2O]   water  is  in  such  large  excess  (as  solvent)   that  its  concentra%on  effec%vely  does   not  change  

Ka  >  1,  equilibrium  lies  more  to  the  right  ∴  stronger  acid  i.e.  HA  is  a  stronger  acid  than  H3O+  and  A-­‐  is  a  weaker  base   than  H2O     Ka  <  1,  equilibrium  lies  more  to  the  leU  ∴  weaker  acid  i.e.  A-­‐  is  a  stronger  base  than  H2O  and  HA  is  a  weaker  acid   than  H3O+   Ka  values  span  a  huge  range  ca.  1012  to  10-­‐50  therefore  much  more  convenient  to  use  a  logarithmic  scale   What  is  the  concentra
5

Reactivity and Control for Organic Synthesis

Logarithms  –  a  reminder   the  logarithm  of  a  number  is  the  exponent  to  which  another  fixed  value  (the  base,  b)  must  be  raised  to   produce  that  number   x  =  by          logbx  =  y    we  will  use  log10  

log10xa  =  alog10x         log10xy  =  log10x  +  log10y  

pKa  =  -­‐log10Ka    ∴    Ka  =  10-­‐pKa    

higher  pKa,  smaller  Ka,  equilibrium  lies  more  to  the  leU  ∴  weaker  acid   lower  pKa,    larger  Ka,  equilibrium  lies  more  to  the  right  ∴  stronger  acid  

pKa  =    -­‐log10Ka  =  -­‐log10  

[A-­‐]   [H+][A-­‐]   ________   ____   + =   -­‐log10[H ]      -­‐      log10   [HA]   [HA]   [A-­‐]  

pH  

∴ pKa  =    pH    -­‐    log10   ____   [HA]   rewri%ng  the  above  gives  the  Henderson-­‐Hasselbalch  equa%on:  

  [A-­‐]   ____   ∴  pH  =    pKa    +    log10   [HA]    

if  [HA]  =  [A-­‐]  then  pH  =  pKa  (remember  log10  1  =  0)  

log10x/y  =  log10x  -­‐  log10y  

6

Reactivity and Control for Organic Synthesis

pH  =  -­‐log10[H+]      at  neutral  pH,  7  =  -­‐log10[H+]  ∴  [H+]  =  10-­‐7  M     at  higher  pH,  [H+]  <  10-­‐7  and  solu%on  is  basic  (i.e.  less  acidic)     at  lower  pH,  [H+]  >  10-­‐7  and  solu%on  is  acidic.     lower  pH  –  more  acidic      higher  pH  –  less  acidic      

for  water  pH  =  7      this  refers  to  the  following  equilibrium     H2O  +  H2O  

H3O+          +          OH-­‐  

Ka  =  [________   H3O+][HO-­‐]       [H2O]  

[H3O+][HO-­‐]  =  Kw    -­‐  ionisa%on  constant  of  water  and  is  a  constant  in  aqueous  solu%on  –  its  value  is  easy  to  find       water  has  pH  =  7    ∴  -­‐log10[H+]  =  7      ∴  [H+]  =  10-­‐7  M    [H+]  =  [HO-­‐]  =  10  -­‐7  M         ∴  [H+][HO-­‐]  =  10-­‐7•10-­‐7  =  10-­‐14  =  Kw          ∴  pKw  =  -­‐log10Kw    =  14  

7

Reactivity and Control for Organic Synthesis

Calculate  the  pH  of  a  0.1  M  solu
HA  

H+          +          A-­‐  

strong  acids  have  Ka  >  1  and  ∴  pKa  <  0          weak  acids  have  Ka  <  1  and  ∴  pKa  >  0           moderately  strong  acids  Ka  ≈  1  and  pKa  ≈  0     (generally  view  acids  with  pKa  -­‐2→+2  as  moderately  strong  acids)   strong  acids  include: CF3SO3H   HCl   H2SO4   + H3O  

 pKa    -­‐14    ≈-­‐7    ≈-­‐3    -­‐1.74  

weak  acids  include: ace%c  acid   NH4+   water     HC≡CH   NH3     the  vast  majority  of  organic  compounds  are  weak  acids  

Calculate  the  pKa  of  H3O+  

Note:  the  strongest  base  in  aqueous  solu
any  base  stronger  then  HO-­‐    deprotonates  H2O  to  give  HO-­‐    

 pKa    4.76    9.2    15.74    25    38  

8

Reactivity and Control for Organic Synthesis

in  a  mixture  of  two  acids  or  two  bases:    the  difference  in  the  pKa’s  gives  us  the  log  of  the  equilibrium  constant,   and  the  ra%o  of  the  Ka’s  gives  us  the  equilibrium  constant   Worked  example:  how  much  acetylene  would  be  deprotonated  on  treatment  with  hydroxide  in  aqueous  solu9on?       HC≡CH          +            HO-­‐    

HC≡C-­‐            +              H2O  

     [HC≡C-­‐][H2O]   Keq  =     _____________   [HC≡CH][HO-­‐]   Ka  HC≡CH   ∴  Keq  =   ______   Ka  H2O    

and  

[HC≡C-­‐][H3O+]   Ka  HC≡CH  =     ___________   [HC≡CH]  

[H3O+][HO-­‐]   Ka  H2O  =     ________   [H2O]  

=   10-­‐25/10-­‐15.74  =    1015.74/1025  =  10-­‐9.3  

i.e.  only  1  in  1  billion  molecules  of  acetylene  would  be  deprotonated  at  equilibrium  –  to  deprotonate  acetylene     use  a  solvent  which  does  not  have  a  pKa  <  25  and  use  a  stronger  base  –  e.g.  NaNH2  in  liquid  NH3       HC≡CH          +            H2N-­‐    

HC≡C-­‐            +              NH3  

pKa      NH3  =  38   pKa      HC≡CH  =  25   ∴  Keq  =  10-­‐25/10-­‐38  =  1013  

9

Reactivity and Control for Organic Synthesis

some  pKa  values  in  water  and  DMSO   CF3CH2OH

MeOH

H2O

15 (28)

15.74 (31.2)

12.5 (23.5)

Me

Me

NH3 10.6 O

HO

Me

3.6, 10.3

OH

H2 43

9.95 (18.0)

17 (29.4)

Me

Me

~36

F3C

Me Me

N H2 11.05

O

4.76 (12.3)

CH4 48

Me

O OH

tBuOH

Me

H N

10.75

OH

O OH

-0.25

Ph

Ph Ph 23

OH O2N

2.45

Ph

OH 4.2 (11)

HC CH 25

CO2H

O

15

Remember:  lower  pKa  =  stronger  acid;  higher  pKa  =    weaker  acid  

HO2C

CO2H

3.02, 4.38

HO2C

1.92, 6.23

Reactivity and Control for Organic Synthesis

   

we  are  going  to  generally  look  at  pKa  values  in  water   the  majority  of  organic  reac%ons  are  not  conducted  in  water  

generally  pKa  values  when  measured  in  organic  solvent  –  typically  DMSO  –  are  higher  then  those  measured  in   water     this  is  a  consequence  of  the  organic  solvent  being  less  good  then  water  at  solva%ng  the  conjugate  base      it  is  generally  the  case  that  the  trend  in  pKa  values  in  water  and  DMSO  is  very  similar     pKa  H2O  in  H2O  =  15.74      pKa  H2O  in  DMSO  =  32;  pKa  AcOH  in  H2O  =  4.76      pKa  AcOH  in  DMSO  =  12.3    

when  predic%ng  or  ra%onalising  pKa  values  (i.e.  the  strengths  of  organic  acids  and  bases)  we  need  to  consider   three  things:       i)  strength  of  the  H-­‐A  bond;     ii) 

 effect  of  hybridisa%on;    

iii) 

 effect  of  conjuga%on/delocalisa%on  

Most  important  factor  in  acid  strength  is  the  stability  of  the  conjugate  base  A-­‐  

10

11

Reactivity and Control for Organic Synthesis

most  important  is  to  draw  the  equilibrium:  then  look  at  the  stability  of  the  conjugate  base     Worked  example:  explain  why  phenol  is  more  acidic  than  methanol           Step  1:  draw  equilibria  for  both  species     Step  2:  evaluate  stability  of  the  conjugate  base     equilibrium  A   + H+ CH O CH OH 3

3

OH

O H+

+

equilibrium  B  

Two  factors  work  to  stabilise  the  phenoxide  anion   O

i)  delocalisa%on   one  of  the  oxygen  lone  pairs  is  in  a  ‘p’-­‐orbital  which  can  overlap  with  the   π-­‐system  of  the  aroma%c  ring    

O

O

O

O

Remember:  these  structures  are   just  different  ways  of  drawing  the   same  species  –  the  charge  is  not   actually  moving  around  the  ring    

Reactivity and Control for Organic Synthesis

ii)  induc%ve  effect   The  aroma%c  subs%tuent  is  sp2  hybridized  (vs  sp3  hybridized  in  methanol)  and  hence  has  more  ‘s’  character.  The   higher  propor%on  of  ‘s’  character  means  that  the  electrons  see  more  effec%ve  nuclear  charge.     i.e.  sp2  hybridised  carbons  are  more  electron-­‐withdrawing  (electronega%ve)  than  sp3  hybridised  carbons   both  of  the  above  factors  stabilise  the  phenoxide  anion  with  respect  to  methoxide       ∴  equilibrium  B  lies  further  to  the  right  than  equilibrium  A  and  hence  phenol  is  the  stronger  acid   most  important  is  to  draw  the  equilibrium:  then  look  at  the  stability  of  the  conjugate  base   Predict  which  of  the  following  two  phenols  is  the  stronger  acid.           OH OH O2N NO2

12

13

Reactivity and Control for Organic Synthesis

Worked  example:  explain  the  following  order  of  acid  strengths     methane  (pKa  =  48);  benzene  (pKa  =  43);  HC≡CH  (pKa  =  25)         Step  1:  draw  equilibria  for  the    three  species     Step  2:  evaluate  stability  of  the  conjugate  base       CH4 CH3 eq.  A  anion  in  sp3  orbital  –  25%  s-­‐character   H + H+

H+

+

H+

+

HC C

HC CH

H

H

eq.  B  anion  in  sp2  orbital  –  33%  s-­‐character  

eq.  C  anion  in  sp  orbital  –  50%  s-­‐character   HC C

acetylide  anion  more  stable  than  C6H5-­‐  which  is  more  stable  then  CH3-­‐     ∴  equilibrium  C  lies  further  to  the  right  than  equilibrium  B  which  lies  further  to  the  right  than  equilibrium  A     and  hence  acidity  order  is  as  shown.       Explain  the  acidity  of  the  following  compounds     CN     H3C

pKa (DMSO)

H3C

43

30.8

CH3 44

18

14

Reactivity and Control for Organic Synthesis

how  about  bases?  Brønsted    -­‐  base  is  a  proton  acceptor.    There  are  two  ways  to  deal  with  bases.   Let’s  start  with  a  base  A-­‐   HA        +    HO-­‐  

A-­‐          +            H2O   Kb  =  ________   [HA][HO-­‐]   [A-­‐]  

pKb  =  -­‐log10Kb  

Kw  =  [H3O+][HO-­‐]        ∴  Kb  =    ________        [HA]Kw   [A-­‐][H3O+]  

Ka  =________    [H3O+][A-­‐]  

∴    Kb  =Kw/Ka    

[HA]  

∴    pKb  =14  -­‐  pKa    

stronger  base  –  lower  pKb   weaker  base  –  higher  pKb    

it  is  inconvenient  to  have  two  scales  and  chemists  just  use  pKa  to  talk  about  the  strengths  of  acids  and  bases   i.e.  look  at  the  ability  of  the  conjugate  base  to  act  as  a  base.  

acid  

HA          +            H2O   base  

H3O+          +          A-­‐   conjugate     acid  

conjugate     base  

15

Reactivity and Control for Organic Synthesis

How  do  you  find  out  which  is  the  stronger  base  –  t-­‐butoxide,  or  acetate?   look  at  the  pKa’s  –  here  tBuOH  holds  onto  the  proton  to  a  much  greater  extent  than  ace%c  acid,  or  to  put  it  another   way  tBuO-­‐  much  more  readily  accepts  a  proton  than  acetate  and  hence  tBuO-­‐  is  a  stronger  base.       Higher  pKa  =  weaker  acid  and       tBuOH pKa  =  17     + tBuO H+ hence  stronger  conjugate  base.         O O + Lower  pKa  =  stronger  acid  and     H+   pKa  =  4.76     Me Me OH O hence  weaker  conjugate  base.     Example       butane  is  a  very  weak  acid  (pKa  ~  43)  but  butyllithium  is  a  very  strong  base   H2SO4  is  a  strong  acid  (pKa  -­‐3.0)  but  HSO4-­‐  is  a  very  weak  base.       The  problem  of  amines   what  do  we  mean  by  the  ques%on  “what  is  the  pKa  of  ammonia?”     strictly  speaking  this  refers  to  the  following  equilibrium:   NH3

NH2

+

H+

pKa  ~  38  i.e.  ammonia  is  a  very  weak  acid  and  H2N-­‐  is  a  very  strong  base  

but  we  might  be  asking,  how  good  a  base  is  NH3  –  which  means  we  need  the  pKa  of  ammonium  NH4+   NH4

NH3

+

H+

pKa  ~  9.2  i.e.  NH3  is  a  weaker  base  than  HO-­‐  (pKa  H2O  =  15.74)   to  get  around  this  possible  ambiguity  we  should  be  specific  in  asking  for  the     pKa    of  the  conjugate  acid  of  ammonia  (some%mes  given  the  symbol  pKaH)   i.e.  of  ammonium  

16

Reactivity and Control for Organic Synthesis

Important  to  know  some  pKa’s     compound  

pKa  (water)  

CH4

48  

NH3

38  

HC CH

25  

O Me

OtBu

compound   O Me O

NH2 O

MeO

OMe O

O Me

EtO

25  

OH

pKa  (water)   15  

compound   HN

13   11   10  

NH

6.95  

NH

5.21    

O Me

pKa  (water)  

OH

4.76   3.6,  10.3  

H2CO3

O Et

Et

tBuOH MeOH

20   17   15  

10  

CH3NO2

9.24  

NH4 O Me

O Me

9  

NH3 O F3C

OH

CF3SO3H

4.6   -­‐0.25   -­‐14  

comparing  any  2  acids:  conjugate  base  of  acid  with  higher  pKa  will  deprotonate  acid  with  lower  pKa   e.g.  BuLi  will  deprotonate  HC≡CH;  NaOMe  will  deprotonate  dimethyl  malonate  etc.   for  excellent  tabulated  pKa  values  for  a  large  number  of  organic  compounds  see:  hVp://evans.harvard.edu/pdf/ evans_pka_table.pdf  and  hVp://www.chem.wisc.edu/areas/reich/pkatable/index.htm  

17

Reactivity and Control for Organic Synthesis

1)  Explain  the  following  pKa  orders:   OH

OH

OH

< NO2 most acidic lowest pKa

O Me

<

O

O

Me

OMe

O

<

NO2

O

MeO

most acidic lowest pKa

Me

OMe

least acidic higest pKa

least acidic higest pKa

O Me

<

O Me

Me

<

Me

(d)    

Me O least acidic higest pKa

most acidic lowest pKa

Me

Me N H

Me Me

>

Me

O

Me

< Me

(b)     O

(c)    

>

(a)    

N H

Me Me most acidic lowest pKa

Me

N H

Me

least acidic higest pKa

2)  Which  of  the  following  is  more  basic?   (a)    

(b)     NH

N H

(c)    

Me

3)  Explain  the  pKa’s  of  maleic  and  fumaric  acid:   HO2C

CO2H

3.02, 4.38

O-Na+

CO2H HO2C 1.92, 6.23

Me

S-Na+

N Me

N

Me Me

N

Me

18

Reactivity and Control for Organic Synthesis

4)  How  might  you  carryout  the  following  transforma
H

O

Me O

O H

TBDPSO

(b)  

O

O

O

Me

H

TBDPSO O

O

Me

OMe

O

O

Me

OMe

OMe Me

O

(c)  

O OMe

OH

HO

MeO H N

HO

(e)  

OH

HO NH2

(d)  

O

O

HO

OH OH

OAc OAc NH2

HO OH OH

Me

NH2

AcO OAc OAc

19

Reactivity and Control for Organic Synthesis

5)  Explain  the  following  transforma
(a)  

O EtO,

OEt

EtOH

O OEt

OEt O O

(b)  

Me O

O EtO,

EtOH

Me

OEt

O OEt

6)  In  water,  the  basicity  of  the  amines  below  is  as  follows,  explain.     Me

NH2

<

Me

N

Me

<

Me

7)  Predict  the  product  of  the  following  reac
LDA, OMe

Me enantiopure

Br

Me

N H

Me

20

Reactivity and Control for Organic Synthesis

“When  two  molecules  collide,  three  major  forces  operate.     (i)    The  occupied  orbitals  of  one  repel  the  occupied  orbitals  of  the  other.     (ii)    Any  posi%ve  charge  on  one  aTracts  any  nega%ve  charge  on  the  other  (and  repels  any   posi%ve).     (iii)    The  occupied  orbitals  (especially  the  HOMOs)  of  each  interact  with  the  unoccupied   orbitals  (especially  the  LUMOs)  of  the  other,  causing  an  aTrac%on  between  the  molecules.”     Molecular  Orbitals  and  Organic  Chemical  Reac9ons  I.  Fleming      this  means  that  reac%ons  generally  have  both  a  charge  and  an  orbital  component.    Reac%ons  can  be  predominantly   charge  controlled,  predominantly  orbital  controlled,  or  a  mixture  of  the  two.             nucleophiles  and  electrophiles  were  classified  by  Pearson  as  HARD    or  SOFT  –  R.  G.  Pearson,  Chemical  Hardness,  John   Wiley  &  Sons,  1997.      Hard  nucleophiles  (and  electrophiles)  are  small  and  highly  charged  and  have  high  electronega%vity  (i.e.  have  a  large   charge:radius  ra%o)  –  they  have  a  low  energy  HOMO.     Sob  nucleophiles  (and  electrophiles)  are  larger  and  have  lower  electronega%vity  and  are  more  polarizable  –  they  have  a   high  energy  HOMO.   Bases  (Nucleophiles)  

Acids  (Electrophiles)  

Hard  

Hard  

H2O,  HO-­‐,  F-­‐,  RCO2-­‐,  Cl-­‐,  ROH,     RO-­‐,  NH3,  RNH2  

H+,  Li+,  Na+,  K+,  Mg2+,  BF3  

Intermediate  

Intermediate  

PhNH2,  N3-­‐,  NC-­‐,  Br-­‐  

carboca%ons  

SoN  

SoN  

I-­‐,  RS-­‐,  RSe-­‐,  S2-­‐,  RSH,  RSR,  R3P,   alkenes,  aroma%cs,  R-­‐  

Ag+,  Pd2+,  I2,  Br2,  radicals  

21

Reactivity and Control for Organic Synthesis

Hard  nucleophiles  have  low  energy  HOMO’s  and  a  high   charge:radius  ra%o   Hard  electrophiles  have  high  energy  LUMO’s  and  a  high   charge:radius  ra%o   charge  dominates  their  reac%vity  

SoU  nucleophiles  have  high  energy  HOMO’s  and  they  are   polarizable   SoU  electrophiles  have  low  energy    LUMO’s  and  they  are   polarizable   orbital  interac%ons  dominates  their  reac%vity  

hard electrophile

soft electrophile

hard:hard   charge  control  

soL:soL   orbital  control   hard nucleophile

Generally  the  case  that:   Hard  nucleophiles  tend  to  react  well  with  hard  electrophiles   i.e.  the  reac
soft nucleophile

22

Reactivity and Control for Organic Synthesis

Generally  the  case  that:   Hard  nucleophiles  tend  to  react  well  with  hard  electrophiles   i.e.  the  reac
Bases  (Nucleophiles)  

Acids  (Electrophiles)  

Hard  

Hard  

H2O,  HO-­‐,  F-­‐,  RCO2-­‐,  Cl-­‐,  ROH,     RO-­‐,  NH3,  RNH2  

H+,  Li+,  Na+,  K+,  Mg2+,  BF3  

Intermediate  

Intermediate  

PhNH2,  N3-­‐,  NC-­‐,  Br-­‐  

carboca%ons  

SoN  

SoN  

I-­‐,  RS-­‐,  RSe-­‐,  S2-­‐,  RSH,  RSR,  R3P,   alkenes,  aroma%cs,  R-­‐  

Ag+,  Pd2+,  I2,  Br2,  radicals  

the  principle  of  hard/soU  acid  bases  has  been  applied  to  a  large  number  of  chemical  reac%ons  

HO

H H O H

2H2O

faster  than  

Br Br Br

faster  than  

HO

Br Br

H H O H

Recently  the  HSAB  theory  has  been  disputed  see:     H.  Mayr,  M.  Breugst,  A.  R.  Ofial,  Angew.  Chem.  Int.  Ed.,  2011,  50,  6470  

HO Br +

H

Br

23

Reactivity and Control for Organic Synthesis

Ambident  nucleophiles     alkyla%on  of  enolates  

O H

:Base

O M

RX

O

R +

O-­‐alkyla%on        

O R

C-­‐alkyla%on  

with  enolates  the  majority  of  the  charge  is,  as  expected,  on  the  oxygen  atom   charged  electrophiles  aTack  oxygen  e.g.  protons,  carboca%ons   soU  electrophiles  will  generally  aTack  carbon  –  largest  HOMO  coefficient  

in  general,  in  enolate  reac%ons  the  oxygen  atom  is  associated  with  a  metal  ion  and  solvent  and  hence   both  of  these  variables  affect  the  ra%o  of  C:O  alkyla%on     to  maximise  C-­‐alkyla%on  use  a  lithium  base  (strong  O-­‐Li  bond)  and  an  alkyl  halide  in  THF  (soU-­‐soU   interac%ons)     to  maximise  O-­‐alkyla%on  use  a  highly  coordina%ng  solvent  (e.g.  HMPA),  a  potassium  base,  and  an  alkyl   sulfonate   Ph

O

O +

Ph

Ph

OH

Br

DMF  97%   CF3CH2OH  7%  

0%   85%  

24

Reactivity and Control for Organic Synthesis

Ambident  nucleophiles     Me K

O

O

Me OEt

O

X

O

HMPA

O

+

O OEt

OEt A

B

Me

X  =    

A  

B  

OTs  

88%  

11%  

Cl  

60%  

32%  

Br  

39%  

38%  

I  

13%  

71%  

A.  L.  Kurts,  A.  Masias,  N.  K.  Genkina,  I.  P.  Beletskaya,  O.  A.  Reutov,  Tetrahedron,  27,  4777  

 

in  a  similar  manner,  deprotonated  secondary  amides  alkylate  on  nitrogen  with  alkyl  halides   neutral  secondary  amines  alkylate  on  oxygen  with  hard  alkyla%ng  agents   MeO H N

O

CO2tBu O O

R

R

CO2tBu

O

DMF

R'

K2CO3, Et3O BF4 CH2Cl2

N

O

Cl

R

H H N

O

NaH, MeO

CO2tBu O

N

EtO R

H

CO2tBu R'

A.  Endo,  S.  J.  Danishefsky,  J.  Am.  Chem.  Soc.,  2005,  127,  8298.  

Explain  these  two  transforma
25

Reactivity and Control for Organic Synthesis

Nucleophilic  SubsTtuTon  at  a  saturated  carbon    SN2  –  subs
 two  limi%ng  mechanis%c  cases  –  SN2  and  SN1  –  mechanis%c   con%nuum  between  these  extremes     SN1  –  subs
 example:    MeI        +        NaOH            →              MeOH          +      I-­‐            

Me

 example:  

Me Me

 rate  =  k[substrate][nucleophile]         i.e.  rate  dependent  on  both  substrate  and  nucleophile       ‡ (-) Nu

Cl

Me

H2O

OH

Me Me

 rate  =  k[substrate]         i.e.  rate  is  independent  of  nucleophile  

R

(-) LG R' R''

Me Me

Me

Me R Nu

R'' R'

Nu LG

R Nu

X

Me Me Me

Nu

R'' R'

 concerted  reac%on,  single  transi%on  state      no  intermediate  is  formed      

Me Me

 favoured  by  1°  substrates  and  some  2°  substrates    requires  good  nucleophile  and  leaving  group  

 stepwise  reac%on,  via  an  intermediate    -­‐  the  1st  step   is  rate  determining  (forma%on  of  C+),  2nd  step  is  fast    

 favoured  by  3°  substrates  and  some  2°  substrates  

 requires  good  leaving  group  and  solvent  that  stabilises   carboca%ons  

26

Reactivity and Control for Organic Synthesis

SN1  reac%on  

enanTomers   ‡

X R

R''

X (-)

step 1 R'

R

(+) R

R'

R' Nu

Nu

step 2

R''

R''

R

R''

R R'

R''

R'

Nu

 SN1  reac%ons  proceeds  via  a  discrete  carbenium  ion  and  forma%on  of  the  carbenium  ion  (step  1)  is  usually  the   rate  determining  step        the  lowest  energy  conforma%on  of  carbenium  ions  is  planar     trapping  of  the  carbenium  ion  by  a  nucleophile  (step  2)  is  generally  fast   the  nucleophile  can  trap  the  carbenium  ion  from  either  side,  hence  enan%oenriched  substrates  should   be  expected  to  give  racemic    products  under  SN1  condi%ons  –    c.f.  SN2  reac%ons  go  with  strict  inversion  of   configura%on      hence  the  rate  of  the  reac%on  is  not  affected  by  the  added  nucleophile      the  stability  of  carbenium  ions  is  in  the  order  ter%ary  >  secondary  >  primary  due  to  hyperconjuga%on     H CH3

H H

hyperconjuga%on  is  the  overlap  of  filled  C-­‐H  (or  C-­‐C)  σ-­‐bonding  orbital  with  the   empty  p-­‐orbital  resul%ng  in  a  lowering  in  energy  of  the  system  i.e.  stabilisa%on  

CH3

Nomenclature  of  carboca%ons  proposed  by  Olah  J.  Am.  Chem.  Soc.,  1972,  94,  808.  

27

Reactivity and Control for Organic Synthesis

HyperconjugaTon   dona%on  of  C-­‐H  σ-­‐bond   electrons  in  empty  p  orbital   empty p-orbital H CH3

H H

filled σ C-H orbital

CH3

energy  of  the  bonding  electrons  reduced   system  stabilised    

greater  number  of  C-­‐H  (or  C-­‐C)  σ-­‐bonds  the  greater  the  extent  of  hyperconjuga%on  and  the  greater  stabilisa%on   carbenium  ion  stability  therefore  goes  in  the  order:  

tertiary R

R >

secondary primary R R > R

R

 

 carbenium  ions  have  been  observed  by  NMR  and  X-­‐ray  crystal  structure  analysis    

a  recent  X-­‐ray  structure  of    the  t-­‐butyl  ca%on  (anion  is  CHB11Cl11)  shows  the  planar   nature  of  the  carbenium  ion.  E.  S.  Stoyanov,  I.  V.  Stoyanova,  F.  S.  Tham,  C.  A.  Read;   Angew.Chem.,  Int.Ed.  2012,  51,  9149        conjuga%on  with  alkenes,  arenes  and  lone  pairs,  also  stabilises  carbenium  ions  

28

Reactivity and Control for Organic Synthesis

 conjuga%on  with  alkenes,  arenes  and  lone  pairs,  also  stabilises  carbenium  ions  

X

benzyl  ca%on  stabilised  by  delocalisa%on  

ψ3 X

energy  of     isolated  p-­‐orbital  

allyl  ca%on  stabilised  by  delocalisa%on  

ψ2

ψ1 RO

X

RO

RO

α-­‐heteroatom  subs%tuted  ca%ons    stabilised  by  delocalisa%on  

Which  orbitals  are  overlapping  in  the  stabilisa
allyl  ca%on  more  stable   than  energy  of  p-­‐orbital  –     conjuga%on  is  stabilising  

29

Reactivity and Control for Organic Synthesis

 the  more  stable  the  carbenium  ion  the  faster  SN1  reac%on   rates  of  hydrolysis  of  alkyl  chlorides  in  50%  aqueous  ethanol  (adapted  from  Organic  Chemistry,  Clayden,  Greeves   and  Warren,  2nd  Edi%on,  OUP  2012)     2°  chloride,  not  that   stable  C+  not  good  at  SN1  

butyl

1°  chloride   ∴  SN2  

iso-propyl

Cl 0.07

91

benzyl Cl

Cl

Cl 1.0

tert-butyl

Cl

1°  but  benzylic  

allyl

0.12

methallyl

allylic   ca%on  is  2°   at  one  end  

1°  but  allylic  

4.0

cinamyl

dimethallyl Cl

Cl 2100

3°  chloride   very  good  at  SN1  

Cl 7700

1°  but  allylic   and  benzylic  

130000

allylic   ca%on  is  3°   at  one  end  

30

Reactivity and Control for Organic Synthesis

 

 as  a  carbenium  ion  is  formed  during  an  SN1  reac%on    a  polar  solvent  is  required  for  reac%on  

the  best  solvents  for  promo%ng  SN1    reac%ons  are  polar  pro%c  solvents  such  as  water  and  alcohols  (they  can   readily  solvate  the  carbenium  ion  as  well  as  the  leaving  group  (by  hydrogen  bonding  –  see  later))   solvent  

water  

ethanol  

ace%c  acid  

DMSO  

DMF  

dielectric   constant    ε  

80  

25  

6.2  

46  

38  

solvent  

acetone  

EtOAc  

THF  

ether  

hexane  

dielectric   constant    ε  

21  

6  

7.5  

4.3  

1.9  

 rela%ve  rate  of  solvolysis  (i.e.  reac%on  with  solvent  as  the  nucleophile)  of  tert-­‐butyl  bromide  is  3  x  104  %mes   faster  in  50%  aqueous  ethanol  than  in  neat  ethanol   Explain  the  rela
Br Br 1

10-6

Br 10-14

δH In  polar  solvent  the   δ+ OH δO carbenium  ion  is  solvated  by   δH H δ+ polar  solvent.    It  is  easier  to   HO δ+ H LG H cluster  water  molecules   OH H O around  the  carbenium  ion   δ- H H δ+ δHO and  the  leaving  group  than   δethanol  molecules  

H OδH + H OδH

31

Reactivity and Control for Organic Synthesis

Nucleophilic  SubsTtuTon  at  a  saturated  carbon    SN2  –  subs
example:    MeI        +        Na+OH-­‐            →              MeOH          +    Na+  I-­‐            

rate  =  k[substrate][nucleophile]      



H HO

H H

(-) HO

I

H

H

(-) I

HO

H H

H I

H H

H H

I

HOMO  of  nucleophile  (nucleophile  lone  pair)  aVacks   the  back  side  of  the  carbon  atom  as  it  is  pulng   electrons  into  the  C-­‐I  σ*  orbital    

at  the  transi%on  state  the  central  carbon  atom  is  bonded  to  5  other  atoms  –  hence  fundamentally  SN2   reac%ons  are  difficult  reac%ons     the  trajectory  of  approach  is  along  the  path  of  the  bond  to  the  leaving  group  –  evidence  from  Eschenmoser’s   experiments   O O S O CH3 NaH

O O S O CH3

S O O H3C

S O O H3C

X H3C

O O S OH

CH3 S O O

reac
32

Reactivity and Control for Organic Synthesis

trajectory  results  in  inversion  of  configura%on  between  star%ng  material  and  product   ‡ Me Nu

H Et

LG

Me

(-) Nu Et

H

(-) LG

Me Nu

H Et

LG

the  rate  of  an  SN2  rec%on  is  influenced  by  the  nature  of  the  substrate,  the  nucleophile,  the  leaving  group  and,   with  anionic  nucleophiles,  the  associated  counterion,  and  the  solvent     What  makes  a  good  nucleophile?  –  i.e.  what  gives  a  fast  reac%on  with  an  electrophile      nucleophilicity  is  related  to  basicity  but  is  significantly  more  complex     if  the  atom  we  are  comparing  is  the  same  then  nucleophilicity  does  parallel  basicity.     O   HO PhO > > > H2O > ClO4 Me O    basicity  is  a  measure  of  electron  pair  dona%on  to  a  proton  (generally  under  equilibra%ng  condi%ons)      nucleophilicity  is  electron  pair  dona%on  to  another  atom,  frequently  carbon,  generally  under  kine%c  condi%ons     factors  which  influence  nucleophilicity  include:  charge,  electronega%vity,  solvent,  size,  bond  strength  

  Note:  the  order  of  nucleophilici<es  is  also  dependent  on  the  nature  of  the  leaving  group  

33

Reactivity and Control for Organic Synthesis

Charge   charged  species  are  more  nucleophilic  than  their  neutral  counterparts   this  is  expected  as  nucleophiles  are  electron  pair  donors  so  the  more  electron  rich  the  nucleophile  the  beTer  donor  it  is         O

O

Me

O

Me

S

more nucleophilic than

Me

more nucleophilic than

NH OH

Me

SH

NH2 more nucleophilic than

BuLi is obviously more nucleophilic than butane

ElectronegaTvity    nucleophilicity  is  related  to  basicity,  but  significantly  more  complex  as  it  involves  dona%on  of  an  electron  pair  to  any   atom,  whereas  basicity  is  dona%on  of  an  electron  pair  to  H+      in  the  same  row  of  the  periodic  table  more  basic  means  more  nucleophilic      ∴  going  from  leU  to  right  across  the  periodic  table  nucleophilicity  decreases  the  more  electronega%ve  atom  is  the   weaker  nucleophile  as  it  holds  on  to  its  lone  pairs  of  electrons  more  %ghtly  and  is  less  able  to  donate  an  electron  pair  to   form  a  bond.   CH3

>

NH2

most  basic   most  nucleophilic  

>

HO

>

F

least  basic   least  nucleophilic  

NH3

>

most  basic   most  nucleophilic  

H2O

>

HF

least  basic   least  nucleophilic  

this  does  not  necessarily  mean  we  will  get  good  yields  in  SN2  reac%ons  with  these  anions  as  they  are  also   very  basic  and  hence  other  reac%on  pathways  can  dominate  

Reactivity and Control for Organic Synthesis

34

 

Solvent    in  polar  pro%c  solvents  (e.g.  water,  MeOH,  AcOH)  nucleophilicity  increases  going  down  the  group  –  again  the  less   electronega%ve  atom  is  the  more  nucleophilic   F

<

Cl

<

least  nucleophilic  

Br

<

I

most  nucleophilic  

δ-

in  polar  pro
 in  polar  apro%c  solvents  (e.g.  DMSO  and  DMF)  the  order  of  nucleophilicity  can  invert  when  compared  with  polar   pro%c  solvents  as  the  solvent  has  weaker  interac%ons  with  the  nucleophile.  Frequently  reac%ons  are  much  faster  in   these  solvents  compared  with  in  water     MeI + Cl MeCl + I       for  the  halides  under  some  condi%ons,  nucleophilicity  now  decreases  going  down  the  group  and  again  parallels   basicity  (here  the  most  electronega%ve  atom  is  the  best  nucleophile).  Here  charge  control  appears  to  be  domina%ng   the  reac%on     F > Cl > Br > I most  basic   most  nucleophilic  

least  basic   least  nucleophilic  

Reactivity and Control for Organic Synthesis

35

 

 with  uncharged  nucleophiles,  nucleophilicity  increases  going  down  the  group  –  here  orbital  control  appears  to  be   domina%ng  –  the  nucleophile  with  the  highest  energy  HOMO  reacts  the  fastest   PR3

NR3

>

H2S

increasing  nucleophilicity   lower  energy  HOMO   H2O least  nucleophilic  

>

Note:  nucleophilicity  is  complicated  and  the  above  should  be  viewed  as  guidelines   A  rule  of  thumb  is  that  nucleophilicity  increases  going  down  a  group   and  increases  in  moving  from  right  to  leU  in  the  periodic  table        

C  

N  

O  

F  

Si  

P  

S  

Cl  

Ge   As   Se   Br   Sn   Sb   Te   I   Pb   Bi  

Po   At  

the  shape  of  the  nucleophile  also  influences  its  nucleophilicity   in  moving  from  the  star%ng  materials  to  the  transi%on  state  the  central  carbon  goes  from  4-­‐coordinate  to  5-­‐ coordinate  hence  sterically  hindered  nucleophiles  react  more  slowly   MeO fastest  

>

O

>

O slowest  

conversely,  small  linear  anions  such  as  N3-­‐,  NC-­‐  and  RC≡C-­‐  are  good  nucleophiles  

increasing  nucleophilicity  

higher  energy  HOMO   H2Se most  nucleophilic  

>

36

Reactivity and Control for Organic Synthesis

the  following  is  the  order  of  reac%vity  of  various  nucleophiles  with  methyl  iodide  in  methanol  –  all  of  these   anions  would  be  considered  good  nucleophiles  (from  Chem.  Rev.  1969,  69,  1-­‐32)  –  PR3  are  also  excellent   nucleophiles     PhS-­‐  >  I-­‐  >  SCN-­‐  ≈  CN-­‐  >  N3-­‐  ≈  Br-­‐  >  Cl-­‐  >  OAc-­‐  in  polar  pro%c  solvents       PhS-­‐    >  CN-­‐  >  -­‐OAc  >  Cl-­‐  ≈  Br-­‐  ≈  N3-­‐  >  I-­‐  >  SCN-­‐  in  dipolar  apro%c  solvents     Leaving  Group  

‡ Me

Nu

H Et

LG

Me

(-) Nu Et

H

(-) LG

Me Nu

H Et

LG

during  the  SN2  reac%on  the  bond  to  the  leaving  group  is  broken  and  the  LG  departs  with  a  lone  pair  of  electrons   i.e.  becomes  more  nega%vely  charged  in  the  transi%on  state     ∴  two  factors  generally  influence  the  leaving  group  ability:     i)  the  strength  of  the  bond  to  carbon     ii)  the  stability  of  the  leaving  group  

37

Reactivity and Control for Organic Synthesis

leaving  group  ability  relates  to  pKa  i.e.  good  LG’s  are  weak  bases   tosylate  TsO-­‐  

triflate  TfO-­‐   N2 pKa

>

O F3C

S

-14

O O

>

I

O O S O

>



Br

>

Cl

Me -10

-3

-9

-8

rough  order  of  LG  ability  –  the  LG  ability  depends  on  the  nucleophile  and  the  solvent  and  the  above  order  can   vary;  however,  very  weak  bases  are  good  leaving  groups         iodide   is  a  good  leaving  group  as  it  forms  a  weak  bond  to  carbon  as  well  as  being  a  stable  anion     F-­‐  is  a  very  poor  leaving  group  in  SN2  reac%ons  as  it  forms  a  very  strong  bond  to  carbon     HO-­‐  is  a  very  poor  leaving  group  in  SN2  reac%ons  as  it  is  a  strong  base  (pKa  H2O  =  15.74)  but  can  be  made  into  a   good  leaving  group  by  protona%on  (pKa  H3O+  =  -­‐1.74)  or  conversion  into  a  tosylate  or  triflate  

Common  leaving  groups  in  SN2  reac%ons  tend  to  have  a  pKa  <  2  

38

Reactivity and Control for Organic Synthesis

Nature  of  the  substrate        

SN2  reac%ons  –  back  to  the  transi%on  state   ‡ R Nu

 

R''

R

(-) Nu

LG R'

R

(-) LG

Nu

LG

R'' R'

R' R''

the  nucleophile  has  to  aTack  carbon,  hence  with  larger  the  R  groups  the  rate  of  reac%on  decreases  

in  moving  from  substrate  to  transi%on  state  carbon  moves  from  being  4-­‐coordinate  to  being  5-­‐coordinate  hence   as  the  R  groups  become  larger  the  rate  of  the  reac%on  decreases      

SN2  reac%ons  ∴  only  occur  with  primary  and  some  secondary  substrates  –  not  with  ter%ary  substrates   rela%ve  rates  of  the  reac%on  of  the  bromides  below  with  chloride  are  (Chem.  Rev.  1956,  56,  571):   methyl Me Br relative rate

ethyl Me

Br

10

60

propyl

iso-propyl Me

Br

Me

neo-pentyl

Me 6.5

Me Me

Br 0.13

Me

tert-butyl Me

Br

0.0003

Me

negligible

neopentyl  bromide  is  par%cularly  unreac%ve  as  the  nucleophile  is  severely  hindered  from  aTacking  the     necessary  carbon  atom  (Note:  neopentyl  systems  are  also  unreac
Me Nu

Me Me H H

LG

Me

Me Me

(-) Nu

(-) LG H H

‡ Me Nu

Me Me R'' R'

Me Br

LG

39

Reactivity and Control for Organic Synthesis

Nature  of  the  substrate   rate  of  SN2  reac%ons  is  increased  with  substrates  which  carry  an  adjacent  sp2     (or  sp)  hybridized  atom     at  the  SN2  transi%on  state  the  central  carbon  is  partly  bonded  to  both  the  nucleophile  and  the  leaving  group         3  atoms  are  sharing  4  electrons  i.e.  there  is  a  3-­‐centre,4-­‐electron  bond     the  central  carbon  has  a  partly  filled  p-­‐orbital  and  the  electrons  in  this  orbital  can  be  delocalised  into  the  adjacent  π-­‐ system  which  lowers  the  energy  of  the  transi%on  state  and  the  reac%on  is  faster    

H Nu

H

H LG

(-) Nu

delocalisa%on     into  π-­‐system  



H (-) LG

H Nu

H LG

40

Reactivity and Control for Organic Synthesis

Nature  of  the  substrate   the  π-­‐system  has  to  be  in  the  correct  orienta%on  for  efficient  overlap  and  consequent    transi%on  state  stabiliza%on  

α-­‐halo  carbonyl  compounds  are  par%cularly  reac%ve  under  SN2  condi%ons  as  they  contain  an  α  sp2  hybridised   atom  aTached  to  oxygen  and  the  C=O  π*  is  lower  in  energy  than  for  an  alkene   rela%ve  rates  for  reac%on  alkyl  halides  with  KI  in  acetone  at  50  °C  are  given  below   (from  Mechansim  in  Organic  Chemistry,  R.  W.  Alder,  R.  Baker,  J.  M.  Brown,  Wiley,  1971)   H

H

H (-) Nu

LG

Nu



H

H

(-) LG

Nu

H LG

delocalisa%on     into  π-­‐system  

Me relative rate

Cl 1

Me 200

Cl

Cl

Cl 79

200

MeO

Cl 920

O

N

Cl

Ph 3000

Cl

100,000

41

Reactivity and Control for Organic Synthesis

Summary  of  structural  varia%ons  and  nucleophilic  subs%tu%on  taken  from  Organic  Chemistry,  Clayden,   Greeves  and  Warren,  2nd  Edi%on,  OUP  2012.     Electrophile  

Me X

R

R

X

X

R R

R

X R

R R

X R

methyl  

primary  

secondary  

ter%ary  

‘neopentyl’  

SN1  mechanism?  

✗  

✗  

✗✓  

✓✓  

✗  

SN2  mechanism?  

✓✓  

✓  

✗✓  

✗  

✗  

X

X

Electrophile  

RO

O

O

X R

X

R

X

allyl  

benzyl  

α-­‐alkoxy  

α-­‐carbonyl  

α-­‐carbonyl  and   ter%ary  

SN1  mechanism?    

✓  

✓  

✓  

✗  

✗  

SN2  mechanism?    

✓  

✓  

✓    

✓✓  

possible  

✗  =  bad  ✓  =  good,  ✓✓  =  excellent,  ✗✓  =  poor    

42

Reactivity and Control for Organic Synthesis

1)  Explain  why  the  reac
O2N

O KI

O A

O I

O2N

acetone

O2N

KI

OH

NO2

O

B

OH

Ph

NO2

NO2

O

2)  For  the  reac
+

CH3OCH3

NaOMe

+

NaCl

3)  Suggest  reagents  for  the  following  reac
(a)  

Me

N

(b)  

Me I

HO OH

(c)  

N Br

Cl

H

(d)  

O

H OH

Br H

Ph

I

acetone

O

NO2

O2N

SMe H

O

43

Reactivity and Control for Organic Synthesis

4)  Explain  the  outcome  of  the  following  reac
Cl Et2N

HO

Me NBn2

Cl

(b)  

NEt2

NaOH

OH

Me OH

H2O

Bn2N

Et

H

OH

NaOH, H2O

Cl

OH

Et

(c)   Br

HBr

OH

(d)  

OH Ph

Br

Br

MeO, MeOH

OMe

Br

O

HBr

OH

Ph

Ph

5)  Predict  the  outcome  of  the  following  reac
Cl

Br

OMe

MeOH, H

OH

O

MeOH, Et3N

Cl O

H

AlCl3

Br

44

Reactivity and Control for Organic Synthesis

EliminaTon  reacTons  

 mechanis%c  con%nuum  from  E1→E2→E1cB    

 E2  –  elimina
 E1  –  elimina
 example:  

 example:  

R Br

H

+

EtO

+

R

 rate  =  k[substrate][base]         i.e.  rate  dependent  on  both  substrate  and  base   ‡     (-)

EtOH Br

Me Br

Me Me

EtOH Me

Me

+ HBr

rate  =  k[substrate]         i.e.  rate  is  independent  of  base  (which  is  EtOH  in  the   above  case)  

X (-) H B

Me Me X H

B

B

X BH

H B

C-H σ to C-X σ* H

HH

X

 concerted  reac%on,  single  transi%on  state     no  intermediate  is  formed,  an%periplanar   arrangement  of  proton  and  leaving  group  is  most   favourable  for  elimina%on    requires  good  base  and  leaving  group   3°  substrates  give  more  elimina%on  than  2°  substrates   which  give  more  elimina%on  than  1°  substrates      

Me Me Me

X

Me Me

 stepwise  reac%on,  via  an  intermediate    -­‐  the  1st  step   is  rate  determining  (forma%on  of  C+),  2nd  step  is  fast    

 favoured  by  3°  substrates  and  some  2°  substrates  

 requires  good  leaving  group  and  solvent  that  stabilises   carboca%ons  

45

Reactivity and Control for Organic Synthesis

EliminaTon  reacTons   RO

 E1cB  –  elimina%on  from  the  conjugate  base      

 example:  

 variable  kine%cs  depending  on  substrate   requires  a  carbanion  stabilising  group  

acid

O Me

RO

+ HO base

conjugate base

RO

+

O Me

O Me

as  the  carbanion  (an  enolate  in  the  above  example)  helps  to  expel  the  leaving  group,  conjuga%on   is  developed  in  the  transi%on  state  leading  to  the  product,    HO-­‐,  and  RO-­‐  can  ∴  be  leaving  groups     requires  a  base  and  leaving  group   SubsTtuTon  versus  EliminaTon     SN1  reac%ons  are  frequently  accompanied  by  E1  reac%ons  if  there  is  an  appropriately  posi%oned  proton  –  this  is   unsurprising  as  both  reac%ons  proceed  through  the  same  intermediate     SN2  reac%ons  can  also  be  accompanied  by  E2  reac%ons       we  need  to  look  at  factors  affec%ng:   i)  SN1/E1  product  ra%os      

 ii)              SN2/E2  product  ra%os    iii)            change  of  mechanism  i.e.  SN1/E1  →  SN2/E2  

46

Reactivity and Control for Organic Synthesis

primary  substrates  do  SN2  or  E2  –  SN2  is  generally  favoured  but  bulky  bases  (t-­‐BuOK)  allow  E2  to  occur   Br

EtO

OEt 91

9

to  maximise  SN2  –  use  good  nucleophile  e.g.  RS-­‐,  X-­‐,  N3-­‐  in  dipolar  apro%c  solvent  

   

ter%ary  substrates  do  SN1  /  E1  or  E2     with  good  ionising  solvents  and  no  added  anionic  base  then  SN1  /  E1  will  be  favoured   with  added  base  E2  will  be  favoured  

Br

EtO

OEt <0.1

     

>97

secondary  substrates  can  do  SN1  /  E1  or  SN2  /  E2   with  good  ionising  solvents  and  no  added  anionic  base  or  nucleophile  then  SN1  /  E1  will  be  favoured   with  added  base  E2  will  be  favoured   with  good  nucleophiles,  dipolar  apro%c  solvents  SN2  will  be  favoured  

Br

EtO

OEt 20

80

Reactivity and Control for Organic Synthesis

 

for  all  substrates  moving  from  primary  to  secondary  to  ter%ary  favours  elimina%on  

polar  pro%c  solvents  and  base  favour  E2  over  SN2  [base/nucleophile  is  solvated  so  easier  to  aTack  outside  of   the  molecule  (i,e.  remove  a  proton)  than  aTack  carbon  in  an  SN2  reac%on]     heat  favours  elimina%on  over  subs%tu%on.   EtO   Br OEt increased  branching  at  the  β-­‐posi%on  favours  elimina%on   40 60   A  good  overview  can  be  found  at:   hTp://www.masterorganicchemistry.com/2013/01/18/wrapup-­‐the-­‐quick-­‐n-­‐dirty-­‐guide-­‐to-­‐sn1sn2e1e2/  

47

48

Reactivity and Control for Organic Synthesis

1)  Predict  the  major  product  (if  any)  from  the  following  reac
Br

EtOH

(b)    

Br

EtONa EtOH

(c)    

Br

EtSNa EtSH

(d)    

EtONa Br

EtOH

2)  The  rate  of  hydrolysis  of  tBuCl  in  water  is  greatly  accelerated  by  the  addi
49

Reactivity and Control for Organic Synthesis

as  we  have  seen,  allylic  systems  are  reac%ve  under  SN2  (stabilisa%on  of  the  transi%on  state  for  subs%tu%on)  and   under  SN1  condi%ons       the  allylic  system  has  two  posi%ons  which  can  be  aTacked  leading  to  isomeric  products  –  i.e.  there  are  issues  of     regioselec%vity   Nu

Nu X

Nu

Nu

X

SN2  

Nu

Nu

Nu Nu

X

SN2’  

SN1  

SN1’  

 sterics  and  electronics  play  a  role  in  determining  SN/SN’  reac%ons   O

O

O

EtO

EtO

OEt

EtO

O OEt

O

+

O

Br

Cl

EtO Cl

PhS

EtO Cl

PhS

50

Reactivity and Control for Organic Synthesis

   

 SN2’  reac%ons  are  not  very  common    they  can  also  be  solvent  dependent,  I.  Fleming,  E.  J.  Thomas,  Tetrahedron,  1971,  28,  4989  

MeO

SPh Cl

PhS

Cl

DME

Cl MeO

SN2’   Cl MeO

Cl

Cl MeO

Cl

MeO

SPh

SN2   Cl

DME

MeOH

SPh

PhS

Cl

PhS

Cl

MeO

MeO

Cl

Cl

PhS MeOH

MeO

SPh

excellent  control  of  SN2/SN2’  can  achieved  with  organometallic  reagents  –  most  notably  with  copper,  palladium   and  iridium   10 mol% CuCN n-BuMgBr

Bu

OAc

Bu THF 0 °C

94

6

Et2O, 20°C

3

97

J.  E.  Bäckvall,  M.  Sellén,  B.  Grant,  J.  Am.  Chem.  Soc.,  1990,  112,  6615.   For  a  review  on  copper-­‐catalysed    enan%oselec%ve  conjugate  addi%on  and  allylic  subs%tu%on  see:  A.  Alexakis,   J.  E.  Bäckvall,  N.  Krause,  O.  Pàmies,  M.  Diéguez    Chem.  Rev.  2008,  108,2  796.  

51

Reactivity and Control for Organic Synthesis

O P N O

O Nu +

R

O

Me Me

and related phosphoramidites

Nu

cat. [Ir(COD)Cl]2 OMe

R *

additive

Nu = RNH2, ArO-, malonates, enamines, silylenol ethers, indoles, PhMgBr, NH3, alkenes, vinyltrifluoroborates etc.

high yields high regioselectivity high enantiomeric excess

main  names  in  the  field:  Helmchen,  Alexakis,  Hartwig,  Carreira,  You  

  1)  Explain  the  outcome  of  the  following  reac
O

Br

heat

K2CO3, DMF

2)  Suggest  reagents  and  reac
OH

OH

Reactivity and Control for Organic Synthesis

AromaTcity  –  Electrophilic  AromaTc  SubsTtuTon  and  Nucleophilic  AromaTc  SubsTtuTon  

August Kekulé  

“I  was  silng  wri
52

53

Reactivity and Control for Organic Synthesis

 typical  reac%ons  of  alkenes   + Br2

Me

Br

fast

Br

Me

Me

not substitution

Br addition

 typical  reac%ons  of  benzene   +

Br2

Br

FeBr3 catalyst

Br +

not addition

HBr Br

substitution

retains  aroma%c  sextet  of  electrons  in  subs%tu%on  reac%ons    does  not  behave  like  a  “normal”  polyene  or  alkene    benzene  is  both  kine
H2/Pt catalyst

H2/Pt catalyst

H2/Pt catalyst

ΔHohydrog=  3  x  -­‐120  =  -­‐360  kJmol-­‐1     (hypothe%cal,  1,3,5-­‐cyclohexatriene)  

 benzene  ≈150  kJmol-­‐1  more  stable  than  expected  –  (represents  stability  over  hypothe%cal  1,3,5-­‐ cyclohextriene)  –  termed  the  empirical  resonance  energy  (values  vary  enormously)  

54

Reactivity and Control for Organic Synthesis

AromaTcity      Hückel’s  rule  holds  for  anions,  ca%ons  and  neutrals          (4n  +2)  π-­‐electrons  for  aroma%c  compounds;  4n  π-­‐electrons  for  an%-­‐aroma%c   cyclopropenium  ca%on  -­‐  (4n  +2),  n  =  0,  2π  electrons  

Cl

SbCl5 (Lewis acid)

H H

SbCl6

H

 

 insoluble  in  non-­‐polar  solvents;  1  signal  in  1H  NMR  δH  =  11.1  ppm  -­‐  aroma%c  and  a  ca%on   compare  with  cyclopropyl  ca%on  which  is  subject  to  rearrangement  to  the  allyl  ca%on   Nu

Cl

Ph Ph

Ph

Ph

Ph

Ph

reduced barrier to rotation

Ph Ph

Ph

Ph

Nu

Ph

Ph

Ph

Ph

Ph

Ph

6.3 D

6π-­‐aroma%c  

2π-­‐aroma%c  

Ph

Ph

55

Reactivity and Control for Organic Synthesis

Benzene    (4n  +2),  n  =  1,  6π  electrons      δH  =  7.26  ppm,  planar  molecule;  bond  length  =  1.39  Å     1.40 Å H δ = 7.46 H δ = 7.01

H

isoelectronic  with  pyridine  

1.39 Å N

H δ = 8.50

1.34 Å

Cyclopentadienyl  Anion      (4n  +2),  n  =  1,  6π  electrons  

H

base

B:  

H

H

F3C F3C

pKa  =  16  

pKa  =  43  

CF3 H CF3 CF3

pKa  <  -­‐2    

2.2 D

C-­‐C  

sp3-­‐sp3  

1.54  Å  

C-­‐C  

sp3-­‐sp2  

1.50  Å  

C-­‐C  

sp3-­‐sp  

1.47  Å  

C-­‐C  

sp2-­‐sp2  

1.46  Å  

C-­‐C  

benzene  

1.39  Å  

C=C    

1.34  Å  

C≡C  

1.21  Å  

56

Reactivity and Control for Organic Synthesis

 cyclopentadienide  anion  is  isoelectronic  with  furan  pyrrole  and  thiophene  

 

 in  each  case  the  (one  of  the)  lone  pair(s)  is  parallel  to  the  p-­‐orbitals  and  part  of  the  π-­‐system  

S thiophene

furan

pyrrole

0.55 D

0.66 D

1.74 D

X

X

NH

O

X

NH pyrrolidine

X

Electrophilic  AromaTc  SubsTtuTon      

E H

E

E

step  1  is  usually  rate  determining  because   aroma%city  is  lost   step  2  is  fast  as  aroma%city  is  regained  

σ-­‐complex   Wheland  intermediate     arenium  ion   E

E H

H

57

Reactivity and Control for Organic Synthesis

Electrophilic  AromaTc  SubsTtuTon      

(+) ‡ (+) H E

‡ (+)

step  1  

step  2   E H

E

H (+) E

E

H

σ-­‐complex   Wheland  intermediate     arenium  ion  

E

activation energy E

E H

H + E E

Hammond’s  postulate:  The  transi%on  state  resembles  the  structure  (intermediate  or  substrate  or  product)   to  which  it  is  closest  in  energy     (i.e.  transi%on  state  resembles  intermediate  arenium  ion,  therefore  what  stabilises  the  arenium  ion   stabilises  the  transi%on  state.)    

58

Reactivity and Control for Organic Synthesis

Mechanis%c  Evidence    isola%on  of  intermediates     Me EtF, BF3 - 80 °C

Me

Me

Me

Me

Me heat

H BF 4 Me Me stable solid mp -15 °C

Me

SbF5 / FSO3H

SbF6

-120 °C in SO2FCl

Me

δH = 5.6 H H

H H

Me

H

δH = 9.7

H

δH = 8.6

H H

H H

H δH = 9.3

Subs%tuent  Effects    subs%tuent  Y  affects  both  the  rate  and  regiochemistry  of  the  reac%on     Y

Y E

Y

Y

E E E

ortho   (1,2-­‐disubs%tuted)  

meta   (1,3-­‐disubs%tuted)  

para   (1,4-­‐disubs%tuted)  

59

Reactivity and Control for Organic Synthesis

Y

Y

Y

Y

E

E

E E

 electron  dona%ng  groups  ac%vate  the  aroma%c  ring  (i.e.  substrate  reacts  faster  than  benzene)  and  are  ortho  and   para  direc%ng   ACTIVATING  group  means  that  the  reac%on  of  the  subs%tuted  benzene  is  faster  than  that  of  benzene  itself   O O   Typical  ac%va%ng  groups  include:  OH,  O-­‐,  O                  R      ,  HN                        R      ,OR,  NH2,  NR2,  alkyl,  Ph   OMe

OMe

OMe Br

Br2, AcOH Br 98

kanisole  /  kbenzene    =  109  

2

 electron  withdrawing  groups  deac%vate  the  aroma%c  ring  (i.e.  substrate  reacts  slowed  than  benzene)  and  are   meta  direc%ng   DEACTIVATING  group  means  that  the  reac%on  of  the  subs%tuted  benzene  is  slower  than  that  of  benzene  itself   O O O   Typical  deac%va%ng  groups  include:  R3N+,  CF3,  NO2,  SO3H,  CN,    O-­‐,            R              ,            OR                    ,   NR2    halogens  are  mildly  deac%va%ng  and  direct  ortho  and  para  

60

Reactivity and Control for Organic Synthesis

orienta%on  of    aTack  when  ring  carries  an  electron  dona%ng  group,  X:,  which  carries  a  lone  pair  (e.g.  OMe)  ortho   and  para  aTack   ortho  aTack   X:

X:

X:

X E

E

X: E

E

H

X: E

E

ortho

✓✓

para  aTack   X:

X:

X:

X

X:

X:

E

✓✓

para

meta  aTack   X:

E

E

X:

X:

HE

E X:

E

X:

E meta

 

E

E

H

E

E

in  the  intermediates  from  ortho  and  para  aTack  the  carboca%ons  are  stabliised  by  overlap  with  the  lone  pair  of  X   in  the  intermediate  from  meta  aTack  in  the  carboca%on  is  not  stabilised  by  overlap  with  the  lone  pair  from  X  

61

Reactivity and Control for Organic Synthesis

reac%on  coordinate  diagram  for  aTack  on  X-­‐subs%tuted  benzene  (X  =  EDG)   TS1  

TS2  

meta   Energy  

intermdiate  

ortho  and  para   similar  energies  

more  stable  intermediate(s)  formed   faster  ∴  ortho  and  para  products  predominate     benzene  reacts  slower  than  these  substrates  as   substrates  are  more  electron  rich    

X: + E

products  

reac%on  coordinate   Therefore  the  intermediates  (and  hence  the  transi
62

Reactivity and Control for Organic Synthesis

orienta%on  of  aTack  when  ring  carries  an  electron  withdrawing  group,  Z,  (e.g.  NO2)  meta  aTack   ortho  aTack   Z

Z

Z

Z E

E

E

H

Z E

E

ortho

✗✗

para  aTack   Z

Z

Z

Z

Z

E

✗✗

para E

HE

E

E

meta  aTack   Z

Z

Z

Z

Z

E meta

 

E

E

H

E

E

in  the  intermediates  from  ortho  and  para  aTack  the  carboca%ons  are  destabilised  as  next  to  EWG  Z   in  the  intermediate  from  meta  aTack  in  the  carboca%on  is  never  adjacent  to  EWG  

63

Reactivity and Control for Organic Synthesis

reac%on  coordinate  diagram  for  aTack  on  Z-­‐subs%tuted  benzene  (Z  =  EWG)  

ortho  and  para   similar  energies  

TS1   TS2  

Energy  

intermediate  

less  stable  intermediate(s)  formed   slower  ∴  meta  products  predominate     benzene  reacts  faster  than  these   substrates  as  it  is  more  electron  rich  

meta  

Z + E

products   reac%on  coordinate  

The  intermediates  (and  hence  the  transi
64

Reactivity and Control for Organic Synthesis

Halogens    mildly  deac%va%ng  as  they  are  electronega%ve  and  withdraw  electron  density  from  the  ring  through  the  σ-­‐framework   (falls  off  with  distance)    halogens  direct  ortho  and  para  as  they  have  lone  pairs  in  high  energy  orbitals  which  stabilise  the  intermediates  for   ortho/para  aTack   :OMe

:Cl

OMe

1.2 D

Cl

1.6 D

O

2p  –lone  pair  

good  2p  -­‐2p  overlap   MeO  –  overall  electron  dona%ng  on  benzene  ring  

3p  –lone  pair  

Cl

Me

poor  2p  -­‐3p  overlap   Cl  –  overall  electron  withdrawing  on  benzene  ring  

 with  anisole  the  σ-­‐electon  withdrawing  of  the  oxygen  is  less  than  the  π-­‐ dona%on  of  the  oxygen  2p  lone  pair  and  anisole  is  ac%vated  with  respect  to   benzene  

N  

O  

F  

P  

S  

Cl  

  with  chlorobenzene  the  σ-­‐electon  withdrawing  of  the  chlorine  is  greater  than  the  π-­‐   dona%on  of  the  chlorine  3p  lone  pair  and  chlorobenzene  is  deac%vated  with  respect  to   benzene  

Se   Br   Te   I   Po   At  

increasing  size  of  p-­‐orbitals  

 

 both  oxygen  and  chlorine  are  electronega%ve    

increasing  electronega
increasing  electronega
65

Reactivity and Control for Organic Synthesis

Ques
why  does  fluorine  react  faster  than  than  the  other  halobenzenes?   why  does  fluorine  give  the  largest  amount  of  the  para  isomer?     product  distribu%on  %  

X

conc. HNO3, conc. H2SO4

X NO2

ortho  

meta  

para  

kbenzene  

PhF  

12  

-­‐  

87  

0.18  

PhCl  

30  

0.9  

69  

0.064  

PhBr  

37  

1.2  

62  

0.060  

PhI  

38  

1.8  

60  

0.12  

Examples  

+

H

CH3

CH3

CH3

CH3

NO2 59%

<4%

H

H 37%

+

Wheland  intermediate  for  ortho  /  para  aTack  is  stabilised  by  hyperconjuga%on  –  σCH  →  π  

H H

NO2

Me  is  an  electron  dona%ng  group  and  hence  an  ac%va%ng  group  

H H

O2N

NO2

HNO3 / H2SO4

 

kArX/

NO2

H

66

Reactivity and Control for Organic Synthesis

 

what  happens  if  there  are  two  subs%tuents  on  the  benzene  ring?   subs%tuents  can  be  broadly  categorised  into  three  classes  

i) 

STRONGLY  ac%va%ng  and  ortho  and  para  direc%ng  (OH,  OR,  NH2,  NR2)  

ii) 

mildly  ac%va%ng  groups  such  as  alkyl  groups  (ortho  and  para  direc%ng)  and  halogens  (mildly  deac%va%ng)  

iii)  deac%va%ng  meta-­‐direc%ng  groups      subs%tuents  in  group  i)  will  dominate  classes  ii)  and  iii)      subs%tuents  in  group  ii)  will  dominate  class  iii)   Examine  the  electronic  effects  of  subs%tuents  then  consider  sterics  

H N

OMe F

MeO:  o,  p   F:  o,  p   MeO  dominates   ∴  para  

Me

O

F3C

Me N Me

Me

AcNH:  o,  p   Me:  o,  p   AcNH  dominates   ∴  ortho  

H MeO

O

MeO

Me2N:  o,  p   CF3:  m   Me2N  dominates   ∴  para  (sterics)  

MeO:  o,  p   CHO:  m   MeO  dominates   ∴  para  (sterics)  

67

Reactivity and Control for Organic Synthesis

 opposing    -­‐  if  similar  reac%vity  will  get  mixtures  of  compounds    all  other  things  being  equal  a  3rd  group  is  least  likely  to  enter  between  two  groups  meta  to  one  another   Cl

HNO3, CO2H H SO 2 4

Cl

OMe

OMe

CO2H

Br2 / AcOH OMe

NO2

Cl:  o,  p   CO2H:  m   Cl  dominates   ∴  para   OH

Br

MeO:  o,  p   MeO:  o,  p   ∴  ortho  /  para  

Me

OH Me

OMe

Me

Br2, AcOH

Me Cl

Me Cl

HNO3, Ac2O

Cl O2N

25 NO2

Br

   

HO:  o,  p   Me:  o,  p   HO  dominates   ∴  para  

75

Me:  o,  p   Cl:  o,  p   ∴  mixture  

Note:  these  are  guidelines  and  exact  ra
68

Reactivity and Control for Organic Synthesis

subs%tuent  effects  are  important  for  selec%vity  and  efficiency  when  designing  a  synthe%c  route   CO2H NO2

CO2H

Me

NO2 or

or

NO2

target     material  

synthe%cally  we  want  to  prepare  the  target  material  in  a  clean,  selec%ve  and  efficient  fashion   CO2H

Me

NO2

Look  at  the  star%ng  materials   CO2H,  deac%va%ng   meta  direc%ng  

NO2,  deac%va%ng   meta  direc%ng  

Me,  ac%va%ng   ortho  /  para  direc%ng  

if  possible  best  to  introduce  the  most  deac%va%ng  group(s)  last  in  the  synthe%c  sequence   rela%onship  of  NO2  groups  is  ortho/para  with  respect  to  CO2H  ∴  best  to  use  toluene  as  star%ng  material   CH3

CH3 HNO3 / H2SO4

CH3 NO2

Me NO2 KMnO 4

HNO3, H2SO4

NO2

nitro  group  is  deac%va%ng  ∴  can  isolate   and  separate  isomers  if  required  

NO2

CO2H NO2

NO2

69

Reactivity and Control for Organic Synthesis

1)  Explain  the  outcome  of  the  following  reac
O

Br N

O

Cl

(b)  

Br OH

OMe

AlCl3, heat

OMe

OMe

OMe

(c)  

(d)   2 equivalents ClSO2OH

Me

SO2Cl

H

(e)  

SO3H SO3H

H2SO4, 160 °C

H2SO4, 80 °C

2)  AVempted  Friedel-­‐Crabs  acyla
O +

Cl

AlCl3

+

+ A

B

C

O

70

Reactivity and Control for Organic Synthesis

Ipso  a\ack  and  reversible  reac%ons      electrophilic  aroma%c  subs%tu%on  is  generally  an  irreversible  process  all  of  the  above  arguments  with  regard  to   ortho,  meta  and  para  ra%os  have  been  based  on  the  irreversibility  of  the  process        i.e.  the  reac%ons  are  under  kine%c  control  -­‐  but  there  are  some  excep%ons    not  all  electrophilic  aroma%c  subs%tu%on  reac%ons  are  under  kine%c  control  

sulfonyl  group  is     electron  withdrawing  so  we   only  have  mono-­‐subs%tu%on  

sulfona%on  -­‐  usual  reac%on  condi%ons:  conc.  H2SO4  with  SO3  

O

 

S O

O

H

O

S O

OH HO3S

at  high  temperatures  with  dilute  H2SO4  –  sulfona%on  is  reversible   aTack  by  an  electrophile  at  a  posi%on  which  already  carries  a  non-­‐hydrogen  subs%tuent  is  termed  ipso-­‐subs
Br

OH SO3H

we  can  use  an  SO3H  group  as  a  blocking  group  

OH Br

ipso  aTack  

Br

H2SO4

SO3H

   

HO3S

H

OH SO3H H

SO3H

Br

OH SO3H

H S O O OH

Br

OH SO3H

H

Br

H

H

71

Reactivity and Control for Organic Synthesis

Friedel  CraUs  alkyla%on  can  be  under  kine%c  or  thermodynamic  control   Me

Me tBuCl / AlCl3

thermodynamic     Me control   Me

Me Me Me

Me

Me tBuCl / AlCl3

high temperature

Me Me

Me

Me Cl: Me

Me AlCl3

Me

Me Cl AlCl3

Me

Me

Me

Me Me

Me

Me

+

Me

Me

H Me

Me Me

Me

H Me

H

kine%c  control  

low temperature

Me Me

Me

Me Me Me

Me H Me Me

Me Me Me

Me

thermodynamic  product  all  groups     Me as  far  apart  as  they  can  be   Me

Me

Me Me Me

Me

Me Me

H

72

Reactivity and Control for Organic Synthesis

IntroducTon  of  FuncTonal  Groups  –Synthesis    Friedel  CraUs  Alkyla%on    polyalkyla%on  and  rearrangement  predominate   excess MeCl, cat. AlCl3

H

H

Me Me

Me

Me

Me

H H

Cl AlCl3

Me Me

Me

Me

Me

Me

Me Me

Me

Me Me Me Me

 with  one  equivalent  of  alkyla%ng  agent  mixtures  of  products  result  as  the  ini%ally  formed  monoalkyl  arene  is  more   reac%ve  than  the  unalkylated  arene  –  alkyl  groups  are  electron  dona%ng     Me   cat. AlCl3, Me Me Me   MeCl +

Me

more  reac%ve   than  benzene  

more  reac%ve   than  toluene  

more  reac%ve   than  toluene  

73

Reactivity and Control for Organic Synthesis

IntroducTon  of  FuncTonal  Groups  –Synthesis    Friedel  CraUs  Alkyla%on    polyalkyla%on  and  rearrangement  predominate    with  primary  alkyl  halides  rearrangement  occurs     Me   Me Me Br   Me cat. AlBr3

+

major  

primary  carboca%ons  are  very  unstable   rearrangement  to  the  secondary  carboca%on  occurs   minor  

of  monoalkylated  products  

Br: Me

AlBr3

Br AlBr3

H Me

Me

Me

Me H Me

1,2-­‐hydride  shiU  

Me Me

74

Reactivity and Control for Organic Synthesis

IntroducTon  of  FuncTonal  Groups  –Synthesis    Friedel  CraUs  Acyla%on    requires  a  full  equivalent  of  the  Lewis  acid    mono-­‐subs%tu%on  predominates  as  introduced  group  is  electron-­‐withdrawing  and  deac%vates  aroma%c  ring     O

Me

O

Me

Cl

monosubs%tu%on  

1 equivalent AlCl3

O

O Me

Cl AlCl3

Me

O

Me

O

O Me

AlCl3

AlCl3

H

 carbonyl  group  can  then  be  removed  if  required  (Clemensen  reduc%on,  Zn/HCl;  Wolf-­‐Kishner  reduc%on,  NH2NH2   then  KOH,  heat;    dithiane  than  Raney  Ni)  giving  products  of  a  selec%ve  Friedel-­‐CraUs  alkyla%on    para-­‐isomer  generally  favoured  by  steric  hindrance   O O + MeO

Me

O O

Me

AlCl3, toluene Me

MeO

93%  yield  

Me

75

Reactivity and Control for Organic Synthesis

IntroducTon  of  FuncTonal  Groups  –Synthesis    Friedel  CraUs  Acyla%on    Fries  rearrangement  can  give  access  to  either  the  ortho-­‐  or  para-­‐isomer   O + HO

Me

O O

Me

O

pyridine Me

O

AlCl3 Me

O

O AlCl3

polar solvent O Me

workup

HO

Me O AlCl3 Me

workup

HO

O Cl3Al

major product in non polar solvents

 AlkylaTon  cataly
Me solvent-separated ion pair

O Me

O

O

AlCl3

AlCl3 inside solvent cage - tight ion pair

 Friedel  CraUs  summary  

      AlCl3   Rearrangement subs%tu%on  order  

Me H O

O

non-polar solvent

O

O

major product in polar solvents e.g. PhNO2 Me O

O

H

       

 AcylaTon    stoichiometric    no,  but  loss  of  CO  from  R-­‐C≡O+  if  R+  stable,  e.g.  Ph3C+    mono  

76

Reactivity and Control for Organic Synthesis

IntroducTon  of  funcTonal  groups   Blanc  chloromethyla%on  –  related  to  Fiedel-­‐CraUs  reac%ons   OMe Me O

OMe

(CH2O)n, conc. HCl

Cl Me

Cl Me

O

Me

halogena%on  –  with  ac%vated  aroma%cs  Lewis  acid  ac%va%on  of  the  electrophile  is  not  require,  with  benzene  and   with  deac%vated  aroma%cs  Lewis  acid  ac%va%on  of  the  electrophile  is  required   NO2

NO2 Br2, FeBr3 Br

Me

Me

halogena%on  can  frequently  be  best  achieved  using  Sandmeyer  reac%ons  (par%cularly  good  for  introducing  I  and  F   as  well  as  Cl,  Br  and  CN)   conc. HNO3 conc. H2SO4

NO2

Sn, HCl or H2Pd/C

NH2

HX, NaNO2, 0 °C

X N N

77

Reactivity and Control for Organic Synthesis

IntroducTon  of  FuncTonal  Groups  –Synthesis    diazonium  salts  -­‐  reac%ons   Ar N N X

heat

H2O, 100 °C

Ar N N BF4

Ar OH

SN1  reac%on  via  carbenium  ion    

NH2

NaNO2, HX 0 °C

N

Ar F

SN1  reac%on  via  carbernium  ion  –  Balz  Schiemann  reac%on    

N -N 2

v.  high  energy  intermediate,  offset  by  the   forma%on  of  N2  carbenium  not  stabilised   by  π-­‐system  as  is  orthogonal  to  π-­‐system  

slow

empty  sp2  orbital  

Ar N N X

cat. CuX, KX X = Br, Cl, CN

radical  reac%on  

Ar N N X

Ar N N X

radical  reac%on  

Ar N N X

Ar H

radical  reac%on  

Me

Ar X

N Ar

HO

H3PO2

O

KI

Ar N N X

Ar X

N

electrophilic  aroma%c  subs%tu%on  

O

O OR

HO

O

Me

OR N

NHAr

via  enol  

78

Reactivity and Control for Organic Synthesis

Nucleophilic  AromaTc  SubsTtuTon   SN2:  alipha%c  vs  aroma%c   AliphaTc    nucleophile  aTacks  C-­‐I  σ*  resul%ng  in  inversion  of  configura%on   ‡ Me Nu + H Et

I

(-) Nu

Me (-) I H Et

remember  SN2  reac%ons  at  sp2   hybridised  centres  (i.e.  alkenes  and   arenes  are  incredibly  rare)      

Me Nu

H Et

+

I

AromaTc    no  possibility  of  nucleophile  aTacking  backside  of  C-­‐LG  σ*  (transi%on  geometry  impossible)      Lowest  Unoccupied  Molecular  Orbital  (LUMO)  is  π*  not  σ*      aTacking  electron  rich  arene  with  electron  rich  nucleophile     SN1:  alipha%c  vs  aroma%c     Me Me Nu AliphaTc   Me Me X Nu Me Me Me  carbenium  stabilised  by  hyperconjuga%on   Me

LG

Me

AromaTc     possible  but  very  high  energy  intermediate  (see  Sandmeyer  reaca%ons)  

   

X

Nu

Nu

empty  sp2  orbital  

v.  high  energy  intermediate,  offset  by  the  forma%on  of  N2   carbenium  not  stabilised  by  π-­‐system  as  is  orthogonal  to   π-­‐system  

79

Reactivity and Control for Organic Synthesis

Nucleophilic  AromaTc  SubsTtuTon   SNAr  –  Addi%on  –  Elimina%on  Mechanism     LG LG Nu LG Nu     Nu     rate  determining     step  

Nu

LG Nu -LG

Meisenheimer  intermediate  

 nucleophile  aTacks  LUMO,  electron  withdrawing  groups  lower  energy  of  LUMO  and  stabilise  the  nega%ve  charge  in  the   intermediate    best  to  have  electron  withdrawing  group(s),  ortho  and  /  or  para  to  the  leaving  group     Evidence    isola%on  of  intermediates   Cl O2N

OMe NO2

MeO

K

O2N

NO2

   

the  nega%ve  charge  is  delocalised   ortho  and  para  to  leaving  group  

NO2

O

N

MeO

K

O

MeO OMe O N O2N

O

MeO OMe O N O2N

O

N

N

O

O

H.  Ueda,  M.  Sakabe,  J.  Tanaka,  Bull.  Chem.  Soc.  Jpn.,  1968,  41,  2866-­‐2871.  

O

O

80

Reactivity and Control for Organic Synthesis

Nucleophilic  AromaTc  SubsTtuTon   SNAr  –  Addi%on  –  Elimina%on  Mechanism    for  halogens  as  leaving  groups,  rate  of  reac%on  usually  follows    kF  >  kCl  >  kBr  (c.f.  rate  of  SN2  reac%ons  kI  >  kBr  >  kCl  >  kF)   NO2

NO2 X

MeO

50 °C

OMe

X  =    

F  

Cl  

Br  

I  

krel  

2810  

3.1  

2.1  

1  

 rate  determining  step  is  generally  aTack  of  nucleophile  on  aroma%c  ring  therefore  bond  strength  to  leaving  group   is  not  so  important  in  influencing  the  rate      fluorine  is  the  most  electronega%ve  element  and  enhances  the  electrophilicity  of  the  carbon  being  aTacked   increasing  the  rate  of  aTack  by  the  nucleophile   O

N

O

O F

Nu

N

O

O F Nu

N

O Nu

rate  =  k[substrate][nucleophile]  

1st  step  usually  rate   determining    leaving  group  ability  does  depend  on  the  nucleophile,  nevertheless  leaving  groups  can  broadly  be  divided  into  three    classes:  taken  from  Physical  and  Mechanis
81

Reactivity and Control for Organic Synthesis

reac%vity  is  complementary    to  Pd-­‐catalysed  cross-­‐coupling  reac%ons  of  halobenzenes  where  regioselec%vity  is   generally  governed  by  the  rate  of  oxida%ve  addi%on  into  the  Ar-­‐X  bond  which  depends  on  bond  strength   General    Trends  in  Oxida  OTf  >  Br  >>  Cl.      with  bidentate  phosphines  rate  of  oxida%ve  addi%on  increases  with  decreasing  bite  angle.      low  oxida%on  state  metals  are  electron  rich  (nucleophilic)  therefore  good  donor  ligands  i.e.  H-­‐,  R-­‐,  R3P.   promote  oxida%ve  addi%on      oxida%ve  addi%on  to  alkyl  halides  is  slow  as  precomplexa%on  is  less  favourable.      bulky  ligands  can  be  good  as  they  lead  to  dissocia%on  and  more  reac%ve  metal  complex.      metal  is  oxidised  and  hence  substrate  is  reduced  therefore  electron  deficient  substrates  react  faster  than  electron   rich  substrates.          reac%on  proceeds  with  reten%on  of  olefin  geometry  for  sp2  electrophiles.     ‡   I

I

+

PdL2

PdL2

PdI

MeO

MeO2C Cl

Cl

82

Reactivity and Control for Organic Synthesis

Nucleophilic  AromaTc  SubsTtuTon    the  ac%va%ng  group    

OMe

Cl

NO2  

Me3N+  

SO2Ph  

O=CPh  

CF3  

H  

krel  

114000  

2130  

18400  

2700  

800  

1  

O2N

O2N

MeO

Y  

Y

Y

Explain  the  outcome  of  the  following  reac
NO2 Me

Me

Me

NH3, MeOH

NO2

Me

NO2

the  nucleophile  –  typically  good  nucleophiles  in  SNAr  reac%ons  include:  RS-­‐,  HO-­‐,  RO-­‐,  PO-­‐,  RNH2   Synthesis  of  fluoxe
NHMe

HO Ph

NaH, O Me

N Me

Me

83

Reactivity and Control for Organic Synthesis

total  synthesis  of  vancomycin  –  glycopep%de  an%bio%c  currently  the  ‘last  line  of  defence’  to  treat  methicillin-­‐ resistant  staphylococcus  aureus  [MRSA].   Me HO H2N Me O

OH HO O

O

O

O HO O

H N H H

HO

OH OH

HO

Cl

O O

NH HO2C

O

Cl O H N

NO2

OH

N H O

O

OH O

H N O

N H

H N H H

FOH

MeHNOC

Na2CO3

HO O

NHBoc

OH

O

Oallyl

O

Cl O H H N N H H

OMs

OH

NH MeHNOC

OMe OMe

MeO

NH2

NO2

OMs

Cl O H N

NH

NHMe

Oallyl

NHBoc

O

OMe OMe

MeO

Na2CO3 OR O Cl F O

N O

D.  A.  Evans  et  al.  Angew.  Chem.  Int.  Ed.  Engl.  1998,  37,  2700-­‐2704  

OR O N O F O Cl

OR OR

84

Reactivity and Control for Organic Synthesis

total  synthesis  of  vancomycin  –  glycopep%de  an%bio%c  currently  the  ‘last  line  of  defence’  to  treat  methicillin-­‐ resistant  staphylococcus  aureus  [MRSA].   Me HO H2N Me O

OH HO O

O

O HO O

Cl O H H N N H H

NH

HO

HO2C

OH OH

HO

O

Cl

O O

O

OH

O

F

allylO

N H O

O

OH O

H N O

N H

OH

Cl O H H N N H H

O

O

NH

NHMe

MeHNOC BnO

OH O

H N

N H O

O

N H

Boc NMe

NHDdm

OBn OBn

CsF, DMSO

NH2

allylO

O HO O

Cl O H H N N H H

NH MeHNOC BnO

Ddm  =     MeO

NO2

OMe

D.  A.  Evans  et  al.  Angew.  Chem.  Int.  Ed.  Engl.  1998,  37,  2700-­‐2704  

OBn OBn

O O O

N H O

Cl OH O

H N O

NHDdm

N H

Boc

NMe

85

Reactivity and Control for Organic Synthesis

HeteroaromaTcs  and  Nucleophilic  subsTtuTon   4  

pyridine  is  electron  deficient  at  C-­‐2  and  C-­‐4  and  it  is  prone  to   aTack  by  nucleophiles      

3  

N 1  

2  

N

N

HOMO  of  pyridine  is  nitrogen  lone  pair   pyridine  undergoes  electrophilic  aroma%c  subs%tu%on  only  very  slowly  as  reac%on  with  electrophiles  occurs  on   nitrogen  lone  pair     E N

E

E N E

v. slow

N E

NO2

c. HNO3, c. H2SO4, 300 °C, 24 h N

high  energy  intermediate   -­‐  electrophile  reac%ng  with     posi%vely  charged  nucleophile  

N

6%

N H

86

Reactivity and Control for Organic Synthesis

HeteroaromaTcs  and  Nucleophilic  subsTtuTon  

N

N

pyridine  is  electron  deficient  at  C-­‐2  and  C-­‐4  and  is  prone  to   aTack  by  nucleophiles      

N

HOMO  of  pyridine  is  nitrogen  lone  pair   MeO Na

POCl3 N H

N

O

OMe

Cl

N

N

Cl

OMe

nucleophilic  aroma%c  subs%tu%on  

O R

 

compare  with     MeO R

Cl

O OMe

the  leaving  group  needs  to  be  posi%oned  ortho  or  para  to  the  pyridine  nitrogen  atom   below  are  the  rela%ve  rates  of  reac%on  with  MeO-­‐  in  MeOH  at  50  °C       Cl Cl N

10-­‐5  

CF3

Cl

1  

NO2 N

Cl

5  

3,000  

Cl

N

82,000  

Cl

700,000  

reac%on  of  the  corresponding  N-­‐oxides  and  N-­‐methyl  pyridinium  salts  is  significantly  faster  than  for  the  parent   chloropyridines  

87

Reactivity and Control for Organic Synthesis

below  are  the  rela%ve  rates  of  reac%on  with  MeO-­‐  in  MeOH  at  50  °C      

N

N O

Cl

3,000  

N Me

Cl

6  x  107  

Cl

1.3  x  1012  

Cl

Cl

Cl

N

N O

N Me

82,000  

9  x  107  

M.  Liveris,  J.  Miller,  J.  Chem.  Soc.,  1963,  3486-­‐3492  

 as  with  benzenoid  aroma%cs  fluoride  is  a  beTer  ac%vator  (leaving  group)  than  chloride   rela%ve  rate  of  reac%on  with  EtO-­‐  in  EtOH   F3C N

1  

Cl

Cl

N

65  

Cl

N

320  

F

N

Cl

2800  

M.  Schlosser,  T.  Rausis,  Helv.  Chimica  Acta,  2005,  88,  1240-­‐1249      

4.2  x  1010  

88

Reactivity and Control for Organic Synthesis

 pyrimidines  and  related  heterocycles  are  more  reac%ve  than  2-­‐halopyridines  towards  nucleophilic  aroma%c   subs%tu%on   increasing  reac%vity  toward  nucleophilic  aroma%c  subs%tu%on  

X

X N

N

>  

N

N

>   X

N

X X

>  

N

N

>  

N

N N

>  

>

X

N

N

X

taken  from  “Heterocyclic  Chemistry”  5th  Edi%on,  J.  A.  Joule  and  K.  Mills,  Wiley  2010.   O N N

Cl

Me

Ph

N

LiHMDS, toluene

Cl

N

Cl

N

BuNH2

O Ph

Bu N Ph

pTSA

N

Et

Et

D.  S.  Chekmarev,  S.  V.  Shorshnev,  A.  E.  Stepanov,  A.  N.  Kasatkin,  Tetrahedron  2006,  62,    9919-­‐9930   there  are  not  always  ‘back  of  the  envelope’  explana%ons  of  selec%vity   Cl

OMe MeO

N R

N

Cl

Cl

N R

N

N

+ Cl

R

N

OMe

A   B   Y.  Goto  and  co-­‐workers,  Bull.  Chem.  Soc.  Jpn.,  1989,  37,  2892  

R  

CO2Me  

Cl  

A:B  

96:4  

92:8  

H  

Ph  

Me  

OMe  

85:15   84:16   76:24   8:92  

89

Reactivity and Control for Organic Synthesis

HeteroaromaTcs    pyridine  N-­‐oxides  –  much  more  suscep%ble  to  electrophilic  aTack  at  2  and  4  posi%ons  (and  to  nucleophilic   addi%on  at  2  and  4  posi%ons)   4 3

N

 

H2O2, CH3CO2H

2

N

N

N

N

O

O

O

O

promotes  electrophilic     subs%tu%on  at  2  and  4  posi%ons  

 nitra%on  of  pyridine  N-­‐oxide   NO2

NO2 Me

Me

HNO3, H2SO4,100 °C

N

N

O

O

H

NO2 Me

NO2

NO2

Me

PCl3 N

POCl3

66%  yield,  c.f.  nitra%on  of  pyridine  in  acid  (6%  yield)    

NO2 Me

+

NO2 Me

PCl3

N

N

N

O

O

O

Me N

Cl P Cl Cl

90

Reactivity and Control for Organic Synthesis

HeteroaromaTcs    pyridine  N-­‐oxides  –  N-­‐deoxygena%on  with  rearrangement   O Me

Me

O O

Me

Me, 100 °C

H

N

O

O

Me H

N O

Me

O

N

Me

O O

2

1

3

N

Me

1O

O

O3 2

Me

Me

 pyridine  N-­‐oxides  –  conversion  to  chloro  compounds   R

O P Cl Cl Cl

R

R

R H

N

N

O

O

O P Cl Cl

Cl

N O

Cl O

P Cl Cl

N

Cl

91

Reactivity and Control for Organic Synthesis

HeteroaromaTcs    pyridones  

N H

N

O

OH

O

OH

N H

N

 nitra%on   NO2

O

O NO2

HNO3, H2SO4 N H

O

N H

Cl

N H

H

O NO2 POCl3

NO2 N H

NO2

POCl3 N

O Cl P Cl O Cl NO2

NO2

NaBH4 N

O P Cl O Cl Cl NO2

N

N

H

H

NaBH4 Cl NO2 N

92

Reactivity and Control for Organic Synthesis

HeteroaromaTcs     pyrrole,  thiophene  and  furan      all  three  have  aroma%c  proper%es      in  each  case  the  (one  of  the)  lone  pair(s)  is  parallel  to  the  p-­‐orbitals  and  part  of  the  π-­‐system        the  aroma%c  heterocycles  are  electron  rich   β 3

α 2

X S1

O

NH

thiophene

furan

pyrrole

0.55 D

0.66 D

1.74 D

 

X

X

X

NH pyrrolidine

pyridine  is  electron  poor   Nu

N

 order  of  aroma%city  is:  thiophene  >  pyrrole  >  furan  (enol  ether  like)  

 sulfur  is  the  largest  atom  and  hence  is  beTer  matched  for  bonding  to  sp2-­‐hybridised  carbon  atoms  in  a  5-­‐membered   ring  leading  to  thiophene  being  the  most  aroma%c  

93

Reactivity and Control for Organic Synthesis

HeteroaromaTcs   ReacTons    electrophilic  subs%tu%on  –  kine%c  reac%on  at  the  2-­‐posi%on  is  favoured  over  reac%on  at  the  3-­‐posi%on      more  reac%ve  than  benzene  –  e.g.  pyrrole  similar  reac%vity  to  aniline       E

H

X

H

X

E X

H

X

E X

E

H

E

E

X

E

X

E

X H

E

X

more  delocalised     intermediate  ∴  more   stable  ∴  2-­‐subs%tu%on   favoured  

less  delocalised    intermediate  ∴  less   stable  ∴  3-­‐subs%u%on  disfavoured  

 subs%tuents  already  present  on  the  aroma%c  heterocycle  exert  less  direc%ng  effect  than  the  corresponding   subs%tuents  in  benzene   E

EWG

X

H

EDG

X

X E

H

EDG

E

EWG E

X

E

EWG H

X

X

EDG

E

X

EDG

with  EWG  at  α-­‐posi%on   β’-­‐subs%tu%on  favoured   E

with  EDG  at  α-­‐posi%on   α’-­‐subs%tu%on  favoured  

94

Reactivity and Control for Organic Synthesis

HeteroaromaTcs   ReacTons    nitra%on   O S

Me

O

O N

S

O

O

Me

O

O

O N

Me

O

O

NO2

AcOH, -10 °C

H

AcO

NO2

O

H

H N + 13% NO2

51%

O O

H N

O

trace NO2

60% O N

Me

+

AcOH, 0 °C

O

H N

S

NO2

O

N O

NO2

NO2

AcOH,-25 °C

addi%on  product    acyla%on  and  formyla%on   O H N

Cl3C

Cl

H N

O CCl3 90% HNO3, -50 °C

α' O2N

O Ph S

N Me

H N

O CCl3

β’  >  α’  or  β  for  α-­‐EWG  

β' O

H, POCl3, 35 °C

S

O

H N H

then hydrolysis 78%

Me

N H, POCl3, RT Me then hydrolysis

H N

O H

83%

95

Reactivity and Control for Organic Synthesis

HeteroaromaTcs    indole   3β 2α

N1 H

 

N H

O benzofuran  

S

benzothiophene  

 more  enamine-­‐like  than  pyrrole        aTack  of  electrophiles  at  the  β  posi%on  is  the  lowest  energy  pathway  

E N H

E N H H H E

E N H E

E N H

N H

minor  

N H

major  

aTack  at  β  posi%on  retains   aroma%c  sextet  of  benzenoid  ring  

96

Reactivity and Control for Organic Synthesis

HeteroaromaTcs    indole   3β 2α

N1 H

 

N H

O benzofuran  

S

benzothiophene  

 if  the  β-­‐posi%on  is  blocked  α-­‐aTack  occurs    α-­‐aTack  can  occur  via  β-­‐aTack  followed  by  rearrangement  (●  =  CT2  i.e.  a  tri%ated  methylene  group)  

BF3•OEt2 N H

OH

direct  aTack  at  α-­‐posi%on   would  give  solely  

N H

O H F3B

N H

N H

N H H

N H

N H

N H H

N H

1:1  mixture  

97

Reactivity and Control for Organic Synthesis

Explain  the  outcome  of  the  following  reac
Cl

Me

H N

N

OH

Me N

O

OH

NaH,

F

N

Me N

O

H

120 °C, 15 hours

OH

H

(b)    

MsCl, Et3N

NMe CO2tBu N H single enantiomer

Me

Me

(d)     N iPr3Si

N H racemate O2N

(c)    

i) F

O

Br N

Me

NO2

ii) aq. NaOH

Me

N

Me

Br

O N iPr3Si

O

Me N

OH

CO2tBu

H

98

Reactivity and Control for Organic Synthesis

 Vicarious  Nucleophilic  Subs%tu%on  -­‐  (nucleophilic  subs%tu%on  of  hydrogen)   Reviews:  M.  Mąkosza,  J.  Winiarski,  Acc.  Chem.  Res.  1987,  20,  282;  M.  Mąkosza  Pure  &  Appl.  Chem.  1997,  69,  559   H O2N

Cl

H

SO2Ph

O2N

O2N SO2Ph

KOH, DMSO

H

PhO2S

O

O N

mechanism  

O

O N

O

SO2Ph

O N Cl

H SO2Ph Cl

O

H HO

O N

O

SO2Ph

O N

SO2Ph

rate  determining     step  

SO2Ph

LG

rate  determining  step  is  elimina%on  of  H-­‐X  (HCl)  from  σ-­‐adduct  

EWG

For  VNS  require  a   nucleophile  which   carries  a  leaving  group  

 LG  =  Cl,  Br,  PhO,  PhS,  RO-­‐  etc;    EWG  =  SO2Ph,  SO2NR2,  SO2OPh,  POPh2,  CN,  CO2Et   How  can  we  explain  the  following  results?      

NO2 MeO

NO2

MeO DMSO

Cl

Cl

NO2

SO2Ph

KOH, DMSO

Cl

69% SO2Ph

99

Reactivity and Control for Organic Synthesis

 

Vicarious  Nucleophilic  Subs%tu%on   orienta%on  of  addi%on  depends  on:  structure  of  the  carbanion;  structure  of  the  arene;  reac%on  condi%ons   NO2

Cl

NO2

SO2Ph

KOH, DMSO

F

SO2Ph

F

18%

for  aTack  on  nitrobenzene,  as  the  bulk  of  the  nucleophile  increases  the  amount  of  para  isomer  increases    

X NO2

SO2Ph R

NO2

NO2

SO2Ph

KOH, DMSO

PhO2S

X  

R  

yield  /  %  

ortho  

para  

F  

H  

63  

74  

26  

Cl  

H  

75  

53  

47  

Cl  

Et  

68  

100  

Cl  

Ph  

93  

100  

M.  Makosza,  J.  Goliński,  J.  Baran,  J.  Org.  Chem.,  1984,  49  1488  

100

Reactivity and Control for Organic Synthesis

AromaTc  organometallics   Ortho-­‐directed  electrophilic  aroma%c  subs%tu%on      

 ortho-­‐lithia%on  by  lithium  halogen  exchange  –  faster  then  deprotona%on  generally  requires  an  organolithium   base  an  aryl  /  alkenyl  bromide  or  iodide.   OMe

OMe

OMe Br

Bu Li

anion  in  an  sp3  orbital  

Li

Br + BuBr

Bu

via  “ate”  complex  

anion  in  an  sp2  orbital  

mechanism  involves  aTack  of  alkyl  lithium  at  the  halogen  via  an  intermediate  “ate”  complex   reac%on  is  an  equilibrium  process  which  favours  the  more  stable  anion  (remember,  anion  order  is  sp3>sp2>sp   –  the  stability  of  the  anion  is  in  the  order  of  the  pKa  of  the  corresponding  hydrocarbon)     in  the  above  example  an  sp3  anion  (butyl  lithium)  gives  an  sp2  anion   D.  E.  Applequist,  D.  F.  O’Brien,  J.  Am.  Chem.  Soc.,  1963,  85,  743.      

   

101

Reactivity and Control for Organic Synthesis

AromaTc  organometallics   Ortho-­‐directed  electrophilic  aroma%c  subs%tu%on      

LDA  and  other  amide  bases  are  good  for  deprotona%on  but  NOT  for  halogen  lithium  exchange    

OMe Br

lithium  halogen  exchange  with  LDA  would  lead   to  the  forma%on  of  a  very  weak  halogen-­‐ nitrogen  bond  –  reac%on  is  thermodynamically   in  the  wrong  direc%on  

OMe

N Li

X

Li

I

N Br

+

I I

LDA, I2

Me tBuLi, MeI

N SO2Ph

N SO2Ph

N SO2Ph

Mark  G.  Saulnier  and  Gordon  W.  Gribble  J.  Org.  Chem.  1982,  47,  757    

O

   

Br

Bu Li

O

Li

R X

O

R

102

Reactivity and Control for Organic Synthesis

AromaTc  organometallics   Ortho-­‐directed  electrophilic  aroma%c  subs%tu%on      

 in  general  rate  of  exchange  I  >  Br  >>  Cl        

to  make  aryllithiums  by  lithium  halogen  exchange  –  generally  use  n-­‐butyllithium;  tert-­‐butyllithium  may  also  be  used   to  make  vinyllithiums  and  alkyllithiums  one  frequently  uses  tert-­‐butyllithium   with  primary  alkyl  halides  it  is  necessary  to  use  two  equivalents  of  tert-­‐butyllithium     Me

Me

Me I

O

O

Me

2 equiv. tert-BuLi

OTBS

H

Me Li

O

PMP

Me

O

Me + I

Me Me Li Me

Me

Me

H Me

OTBS

PMP

Me

Me

Me H

with  one  equivalent  of  tert-­‐butyllithium  protodeiodina%on  is  likely  to  occur    

O

O

OTBS

PMP

lithium  halogen  exchange  is  a  very  fast  reac%on  which  can  outcompete  deprotona%on  of  OH  groups  and   addi%on  to  C=O  groups   Br

   

O O

O

NR O

O O

nBuLi, THF, -78 °C RHN

O

L.  Ollero,  L.  Castedo,  D.  Dominguez,  Tetrahedron,  1999,  55,  4445-­‐4456      

Me Me Me

103

Reactivity and Control for Organic Synthesis

AromaTc  organometallics   Ortho-­‐directed  electrophilic  aroma%c  subs%tu%on      

   synthesis  of  morphine  –  J.  E.  Toh,  P.  L.  Fuchs,  J.  Org.  Chem.  1987,  52,  473–475   Provide  a  mechanism  for  the  reac
OMe Br

OMe O

2.2 equiv. BuLi, -78 °C

OH

O OH

O

OH

Me N H

SO2Ph

PhO2S

morphine   OH

H

H

   annula%on  forming  benzocyclobutanes  –  I.  A.  Aidhen,  J.  R.  Ahuja,  Tetrahedron  LeV.  1992,  33,  5431-­‐5432.   I

MeO

O

t-BuLi OMe N Me

MeO

O

MeO MeO

selec%ve  halogen  metal  exchange  is  possible   Ar Br

Br N

OMe

n-BuLi, Et2O, -100 °C

Br

Li N

OMe

H O

OH Br N

OMe

Cl

73%  

104

Reactivity and Control for Organic Synthesis

AromaTc  organometallics   Ortho-­‐directed  electrophilic  aroma%c  subs%tu%on   it  is  also  possible  to  make  Grignard  reagents  by  lithium  halogen  exchange  generally  using  iPrMgBr  or  iPrMgCl  

  For  reviews  see:  P.  Knochel  et  al.  Angew.  Chem.  Int.  Ed.  2003,  42,  4302;    Chem.  Commun.  2006,  583;  Heterocycles   2014,  88,  827.     CO2Me

CO2Me iPrMgCl, THF, -10 °C

PhCHO

I

Br

MgCl

Br iPrMgCl•LiCl, THF -50 °C

Br

Ph

Br

OH Br

O MgCl

tBu

N

Br

OH tBu

H

Br

Br Br

CO2Me

Br O O MgCl S Ph CN

iPrMgCl•LiCl, THF -50 °C Br

N

Br

CN Br

N

Br

iPrMgCl•LiCl, THF -50 °C

CN Br

N

MgCl

105

Reactivity and Control for Organic Synthesis

AromaTc  organometallics   for  aroma%c  heterocycles  metal  halogen  exchange  shows  the  following  selec%vity:       with  5-­‐ring  heterocycles  the  2-­‐posi%ons  undergoes  exchange  faster  than  the  3  posi%on       with  6-­‐ring  heterocycles,  the  3  posi%on  undergoes  exchange  faster  than  the  2-­‐posi%on     iodine  metal  exchange  is  faster  than  bromine  metal  exchange     summary  5-­‐ring  2>3;  6-­‐ring  3>2;  I>Br  

X

Br Br

S

Br

R M

X

Br

M N

Br

EtMgCl. THF, RT

S

Br

MgCl

M

R M

Br

N

tBuN C O

Br O

S

NHtBu

Br

76%  

Br

49%  

O S

Br I

EtMgCl. THF, RT

S

Br

Me2N

H

S

Br O

MgCl H

l.  Christophersen,  M.  Begtrup,  S.  Ebdrup,  H.  Petersen,  P.  Vedsø  J.  Org.  Chem.,  2003,  68,  9513        

106

Reactivity and Control for Organic Synthesis

AromaTc  organometallics   directed  ortho-­‐metalla%on  reviews:  V.  Snieckus,  Chem.  Rev.  1990,  90,  879-­‐933;   J.  Clayden  in  “Organolithiums:  Selec
OMe H

O

Li

BuLi

Me

Bu H

O

O Li

H

NMe2

MeO H

OLi NMe2

DMF

H, H2O

use  amides  as  electrophiles:  reac
OMe

BuLi,

Me2N

BuLi

NMe2

MeO H

NMe2 H

MeO

OMe Li

     

NMe2

NMe2

various  direc%ng  groups  can  be  used   Me Me COCl HO

Me NH2

then dehydrate

O

Me

Me

N

O BuLi

Me

Me

N

O Li

Br

R

O H

Li NMe2

O H

Me

N R

107

Reactivity and Control for Organic Synthesis

increasing  ability  to  direct  ortho-­‐lithia%on  

condi%on  dependent  order   Me NR2 O

O

O-­‐carbamates  

R2N

O

3°  amides  

R

O S O

sulfones  

R2N

O S O

sulfonamides  

O

Me N

oxazloines  

O

O

MOM  ethers  

OR

ethers  

X

halogens  

O

benzylic  alkoxides  

O RN

O

2°  amides  

O

S

tBu

RN

sulfoxides  

imines  

most  powerful  directors  

N

OtBu

N-­‐carbamates   O

NR2

anilines  

NR2

-­‐78  °C  

-­‐78  °C  

-­‐78  °C  

-­‐50  °C  

-­‐20  °C    

trifluoromethyl   NR ( )n 2

aminomethyl  

-­‐78  °C  

CF3

remote  amines  

0  °C  

>0  °C  

temperature  (°C)  of  ortho-­‐lithia%on  with  RLi  in  THF  or  ether  

Adapted  from:  J.  Clayden  in  “Organolithiums:  Selec
>20  °C  

108

Reactivity and Control for Organic Synthesis

with  ortho-­‐directors  which  are  also  electrophiles,  the  precise  reac%on  condi%ons  including:  the  nature  of  the   base,  addi%ve  and  order  of  addi%on  can  influence  the  outcome  of  the  reac%on  see:  P.  Beak,  R.  A.  Brown,  J.  Org   Chem.,  1982,  47,  34-­‐46   O

O

Me

NEt2

n-BuLi

O

NEt2

s-BuLi, TMEDA

O

O NEt2

s-BuLi, TMEDA

NEt2 Li

F

F Me3SiCl

Me

O

O NEt2 s-BuLi, TMEDA

SiMe3 F

NEt2

then MeI

SiMe3 F

R.  J.  Mills,  N.  J.  Taylor,  V.  Snieckus,  J.  Org.  Chem.,  1989,  54,  4372  

Li

O

NEt2 E

E

Electrophile  

Yield  (%)  

D2O  

88  

MeI  

77  

EtI  

70  

B(OMe)3;  H2O2  (adds  an  OH)  

56  

acetone  

54  

PhCHO  

79  

CH2=CHCH2Br  

60  

109

Reactivity and Control for Organic Synthesis

AromaTc  organometallics   Ortho-­‐directed  electrophilic  aroma%c  subs%tu%on      synthesis  of  Fredericamycin  –  T.  R.  Kelly,  S.  H.  Bell,  N.  Ohashi,  R.  J.  Armstrong-­‐Chong,  J.  Am.  Chem.  Soc.  1988,  110,   6471-­‐6480   MeO

O

TBDMSO s-BuLi MeO Li

O

O Cl

NEt2 O NEt2

TBDMSO

NEt2 O

OMe t-BuLi

O

MeI

O Li

TBDMSO

NEt2 O

OMe

Me

OMe

O

O

Me

fredericamycin  

O

OMe

HN

O O HO HN

O

O

TBDMSO Me Me

N Li

EtO N EtO

OMe

TBDMSO Me Me

NEt2 O

OMe

O

EtO O

OEt

TBDMSO

TBDMSO

110

Reactivity and Control for Organic Synthesis

 

lithia%on  of  5-­‐membered  heterocycles  

lithia%on  occurs  preferen%ally  α  to  the  heteroatom  due  to  induc%ve  effect  of  heteroatom  with,  in  some   instances  a  DOM  effect   furan  and  thiophene  can  be  readily  metalled  α  to  the  metal   S

S

n-BuLi

O

Li

O

n-BuLi

Li

ether, reflux

-10 °C, ether

with  pyrrole  itself,  the  N-­‐deprotona%on  occurs  first  –  the  more  ionic  the  N-­‐metal  bond  the  greater   the  percentage  aTack  at  nitrogen     with  a  more  covalent  N-­‐M  bond  C-­‐aTack  occurs.       H N

H N

NaNH2

N

Na

Me

EtMgBr

OEt

N

BuLi

Me N

Et

Me N

I

O

MgBr N

I

Me N

H

H O

workup H

H N

O H

Et

111

Reactivity and Control for Organic Synthesis

with  pyrroles  bearing  an  N-­‐EWG  on  nitrogen  α-­‐metalla%on  occurs  

O

OtBu N

O

Me N Me Me Li Me

OtBu N

SnMe3

then Me3SnCl

SO2Ph N

LDA, then B(OMe)3

SO2Ph N B(OH)

2

then HCl, water

selec%vity  can  be  achieved  using  LDA  or  butyllithium  

no  lithium  halogen  exchange  as     would  make  weak  N-­‐Br  bond   most  acidic  proton  removed  by   directed  metalla%on  

iPr S

Li Br

N Li

iPr S

H Bu Li Br

S

E Li

S E

112

Reactivity and Control for Organic Synthesis

 

pyridines  

pyridines  are  electron  deficient  aroma%cs  and  pyridines  which  carry  a  direc%ng  group  (halogen,  CN,  CO2H   etc.)  undergo  ready  metalla%on     2,  and  4-­‐subsistuted  pyridines  metallate  in  the  3  posi%on     3-­‐subsituted  pyridines  generally  metallate  in  the  4  posi%on   1 eq. BuLi, 3 eq.

Me N Me Me Li Me

N

CO2H

then CO2

CO2H

CO2H N

CO2H

1 eq. BuLi, 3 eq.

CO2H

then PhCHO, then H2SO4

Me N Me Me Li Me

then CO2

N

O

O

Me N Me Me Li Me

N

1 eq. BuLi, 3 eq.

Ph N

F.  Mongin,  F.  Trécourt,  G.  Quéguiner,  Tetrahedron  LeV.,  1999,  40,  5438  

CO2H CO2H N

113

Reactivity and Control for Organic Synthesis

“Halogen  dance”  term  introduced  by  BunneT  for  isomerisa%on  reac%ons  which  can  accompany   deprotona%on  of  halogenated  aroma%cs  J.  F.  BunneT,  Acc.  Chem.  Res.  1972,  5,  139.   Br

Br PhNHK, NH3 Br

40-­‐60%   Br

Br

Br

for  halogen  dance  to  be  synthe%cally  useful  the  isomerisa%on  must  be  thermodynamically  favourable   S

NaNH2, NH3

Br

S

Br Br

S S

H

Br

S

S

+

Br

+ S

S Br

Br

Br

l.  Brandsma,  R.  L.  P.  de  Jong,  Synth.  Commun.  1990,  20,  1697-­‐1700  

Li I N

Cl

I

LDA, THF - 70 °C N

O

I

Cl

Li N

Cl

H

I

O

OEt

H N

H

70%  

Cl

F.  Guillier,  F.  Nivoliers,  A.  Conchennee,  A.  Godard,  F.  Marsais,  G.  Queguiner      Synth.  Commun.  1996,  23,   4412-­‐4436    

66-­‐72%  

114

Reactivity and Control for Organic Synthesis

 

reac%ons  of  alkenes  -­‐  depending  on  subs%tuents  alkenes  can  be:   electron  rich  and  hence  nucleophilic   increasing  nucleophilicity  

NR2

OR

O E E

E

E

alkene  

enol  ether  

E

E

enamine  

HOMO  =  π  bond  of  alkene   LUMO  =  σ*  or  π*  on  electrophile  

enolate  

electron  poor  and  hence  electrophilic   increasing  electrophilicity  

Nu

O N

Nu O

O

Nu

Nu

O OR

HOMO  =  lone  pair  on  nucleophile   LUMO  =  π*  on  alkene  

Nu

O

N NR2

115

Reactivity and Control for Organic Synthesis

Overview  of  reacTons  of  (electron  rich)  alkenes   Br Br

Br2

:Br Br

Br

Br

Br

build  up  of  par%al   posi%ve  charge   H

Me

Br2, H2O

bromina%on   stereospecific   an%  

Br

SN2

Me OH

Me Br

2O: (+)

SN2 / SN1 borderline

Me Br

Br

halohydrin     forma%on   stereospecific   an%  

Me OH Br

long,  weak  bond  

Me

Me OH

OsO4 O

N

O Me

Me

O

Me O

O Os

OH

O

O

O

Os(VIII)   O

O Os

O

O

Os

Me OH

O H O 2 O

O

OH N

O Me

+ HO HO

Os

O O

Os(VI)  

dihydroxyla%on   stereospecific   syn  

116

Reactivity and Control for Organic Synthesis

Overview  of  reacTons  of  alkenes  

Me

m-CPBA

Me O , then PPh 3 3

ozonolysis  

Me O

Me

O O

Ar

H O

O O

Me O

+

Me O

O

O O Me

O O PPh3

Me

Me O

Me O

O

epoxida%on   stereospecific   syn  

Me O

O

O O

O Me

PPh3

O

O O

O

PPh3

117

Reactivity and Control for Organic Synthesis

Overview  of  reacTons  of  alkenes  

Me

BH3 then H2O2, NaOH

Me

Me H

OH

B

H

Me H

Me H H

B R

R O O

Me

H2O2, NaOH

OH

Me HBr, water

Br

Me

Me

Me Me

H H2, Pd/C H

Me Me

Me H

stereospecific   migra%on  with   reten%on  of     configura%on  

O BR2 Br

Me H

H

R B R O OH

hydrobora%on  /     oxdia%on  

Br

Me

ionic  reac%on   with  HBr  

hydrogena%on   stereospecific   syn  

118

Reactivity and Control for Organic Synthesis

1)  How  would  you  carry  out  the  following  transforma
2)  Explain  the  following  transforma
O HS

(b)  

O

O +

OEt

OEt

O

EtO S

O

O H2O2, NaOH, MeOH

O

3)  Explain  the  following:    Treatment  of  the  enolate  A  with  B  at  -­‐78  °C  followed  by  quenching  the  reac
OLi MeO

OPh

Me CO Me 2 HO OPh

O

Me A

B

C

D

PhO

Me CO2Me

119

Reactivity and Control for Organic Synthesis

Conjugate  AddiTon  vs  Direct  AddiTon   H O 1   2  

4  

1  O 3  2  

O Nu

Nu

Nu

Nu

HO Nu

Nu

O

O

direct  addi%on   1,2-­‐addi%on  

conjugate  addi%on   Michael  addi%on   1,4-­‐addi%on  

H

conjugate  addi%on  requires  the  presence  of  an  electron-­‐withdrawing  group  which  results  in  the  lowering     of  the  energy  of  all  of  the  π-­‐orbitals  of  the  system  and  hence  the  alkene  is  less  nucleophilic  and  more  electrophilic   O

O

i.e.  alkene  is  electron  poor  

Evidence  of  delocalisa%on   O

1678  cm-­‐1   1628  cm-­‐1  

143  ppm  

O

1712  cm-­‐1  

118  ppm   O

1653  cm-­‐1  

133  ppm  

infra  red  –  remember  ν  ∝  √k/μ    i.e.  higher  stretching  frequency  =  stronger  bond  

13C  NMR  

133  ppm  

120

Reactivity and Control for Organic Synthesis

examples  of  conjugate  addi%on   O

NC

O

KCN (cat)., HCN OMe

NC

regenerates  cyanide  anion  –  cataly%c   HCN  too  weak  an  acid  to  protonate  carbonyl  group   ∴  need  a  good  nucleophile,  cyanide  anion,  to  aTack   neutral  substrate  

OMe H

O NC

OMe

H O:

H CN

O

HCl Cl

HCl  protonates  carbonyl  oxygen  making  the  whole   system  more  electrophilic  

O

Cl

H

O Cl

H

O

H

Cl H

O

OH

O

NaOH cat.

O

O

H

H

NaOH

H

H OH

O

O H H

O

enolate  generated  by  conjugate  addi%on  reacts  with   the  alcohol  to  regenerate  alkoxide  for  conjugate   addi%on  

121

Reactivity and Control for Organic Synthesis

conjugate  addi%on   O

Nu

Nu

faster  conjugate     addi%on  

Nu

EWG

pKa  

H

O N

Nu

O

O

the  beTer  the  ability  to  stabilise  the  nega%ve   charge  the  beTer  the  conjugate  acceptor  is   and  hence  the  faster  the  reac%on.    This  can  be   related  to  pKa   slower  conjugate     addi%on  

increasing  electrophilicity  

Nu

O

Nu

O

10  

20  

O NC

R2N

24  

N NR2

O RO

R

Nu

O

OR

O O2N

Nu

O

25  

25  

for  some  nucleophiles  conjugate  addi%on  is  the  major  pathway,  for  other  nucleophiles  direct  addi%on  is   the  major  pathway  whereas  for  others  slight  varia%on  in  condi%ons  can  alter  the  course  of  the  reac%on  

122

Reactivity and Control for Organic Synthesis

examples  of  conjugate  addi%on   O Ph

heat  

+ OEt

O

O Ph

N H

Ph

N

OEt

Bu OH

BuMgBr

O

O

BuMgBr

irreversible  reac%on   1,2-­‐addi%on  

NaCN, HCN

Bu

irreversible  reac%on   1,4-­‐addi%on  

NC OH

O

NaCN, HCN 80 °C

5-10 °C

formed  faster   kine%c  product   lower  ac%va%on  energy  

O

Ph

N H

1 % CuCl

O

N

but  if  given  the  choice  amines  do   conjugate  addi%on  

irreversible  reac%on  

O

heat  

+

O NC

more  stable   thermodynamic  product  

OEt

123

Reactivity and Control for Organic Synthesis

conjugate  addi%on  product  is  generally  the  thermodynamically  more  stable  product  with  respect  to  the  direct   addi%on  product.     a  rough  comparison  of  bond  energies  supports  the  above  conjecture   gained  O-­‐H  

lost  C=O   O

NaCN, HCN

NC O

H

5-10 °C

lost  

kJmol-­‐1  

gained  

kJmol-­‐1  

C=Oπ  

370  

C-­‐C  

350  

overall  gain   kJmol-­‐1  

90  

gained  C-­‐C   lost  C=C   O

NaCN, HCN 80 °C

O

C=Cπ  

270  

O-­‐H  

460  

C-­‐C  

350   130  

NC H

gained  C-­‐C  

gained  C-­‐H  

C-­‐H  

400  

conjugate  addi%on  product  is  generally  the  thermodynamically  more  stable  product  with  respect  to  the  direct   addi%on  product  because  it  retains  the  strong  carbonyl  double  bond  –  this  is  general  for  most  α,β-­‐unsaturated   systems   in  the  above  example:  the  direct  addi%on  product  is  the  kine%c  product  i.e.  the  fastest  formed  product  and   hence  the  product  formed  by  the  pathway  with  the  lowest  ac%va%on  energy  

124

Reactivity and Control for Organic Synthesis

why  is  the  direct  addi%on  product  formed  fastest?   O

O

delocalisa%on  indicates  that  the  carbonyl   carbon  (and  one  of  the  alkenyl  carbons)  bear     par%al  posi%ve  charge  

O

β   α  

more  electron  deficient  carbon   charged  nucleophiles  will  aTack  the  carbonyl  carbon  faster  than  the  β-­‐carbon  (Hard-­‐Hard  interac%on)   carbonyl  carbon  carries  the  larger  posi%ve  charge  as  it  is  closer  to  the  electronega%ve  oxygen  atom     charged  nucleophiles  will  aTack  the  β-­‐carbon  but  more  slowly  

energy  

thermodynamic   control  

ac%va%on     energy   NC O

O NC

able  to  reverse  at  80  °C  

difficult  to  reverse   even  at  80  °C  

O NaCN + HCN

O NC

kine%c  control   lower  ac%va%on   energy  

thermodynamic  product   lower  in  energy   more  stable   extent  of  reac%on  

at  80  °C  cyanohydrin  is  reversible   at  0  °C  cyanohydrin  is  irreversible   at  80  °C  kine%c  product  is  s%ll  formed   first  but  reverts  to  star%ng  materials   and  slower  conjugate  addi%on  occurs  

NC OH kine%c  product   formed  faster  

if  direct  addi%on  is  reversible   conjugate  addi%on  will  result  

125

Reactivity and Control for Organic Synthesis

what  is  actually  happening  in  the  addi%on  of  HCl  to  methyl  vinyl  ketone   H O:

thermodynamically  controlled  reac%on   most  stable  product  is  formed   charged  nucleophiles  usually  do  direct  addi%on    

O

HCl Cl

O O

Cl

H

O

H

O

Cl

H

HO Cl

H

Cl

Cl

H H

   

not  all  products  arising  from  conjugate  addi%on  are  the  result  of  ini%al  reversible  direct  addi%on   for  certain  nucleophiles  conjugate  addi%on  is  the  kine%cally  most  favoured  pathway   in  these  instances  the  kine%c  product  also  happens  to  be  the  thermodynamic  product  

O Ph

OEt

O

O

+ N H

irreversible  reac%on  

Ph

N

Ph

N

+ OEt

N H

Ph

irreversible  reac%on  

O OEt

126

Reactivity and Control for Organic Synthesis

Orbital  Controlled  Reac%ons  (SoU-­‐SoU  interac%ons)   if  the  nucleophile  has  a  high  energy  HOMO  this  will  be  close  in  energy  to  the  LUMO  of  the  α,β-­‐unsaturated   system       therefore  conjugate  aTack  will  occur  at  the  β-­‐carbon  –  the  reac%on  is  under  orbital  control       for  fast  reac%on  we  require  a  small  HOMO  /  LUMO  gap       HOMO  =  Nu  lone  pair   Nu Nu:

O

O

LUMO  =  π*  

O Ph

   

N

+ OEt

N H

Ph

O OEt

for  amines:  uncharged,  direct  addi%on  not  favoured  (lone  pair  of  intermediate  energy)   conjugate  addi%on  is  the  major  pathway  in  the  above  example   the  reac%on  is  under  orbital  control    

    1.  Generally  2nd  row  elements  (e.g.  P,  S)  favour  conjugate  addi%on  as  they  have  high  -­‐  energy  3s/3p  lone  pairs   that  are  a  good  energy  match  for  the  LUMO  of  the  substrate.     2.  If  the  nucleophile  is  uncharged  then  conjugate  addi%on  oUen  results.      

127

Reactivity and Control for Organic Synthesis

Predict  the  outcome  of  the  following  reac
PhSH, base

O

BuMgBr

O

LiAlH4

O

BuMgBr 1% CuCl

 

the  conjugate  acceptor   the  more  electrophilic  the  carbonyl  group  the  more  likely  to  undergo  direct  addi%on  –  charge  control  dominates   O

O

R2NH

very  reac%ve  carbonyl  group,  charge  control   therefore  en%rely  1,2-­‐addi%on  

NR2

Cl

mainly     direct  addi%on  

O

nearly  always     conjugate  addi%on   O

Cl

O H

O

O OR

always     conjugate  addi%on  

N NR2

O N

O

128

Reactivity and Control for Organic Synthesis

sterics  can  influence  the  outcome  of  the  reac%ons   O O

MeMgBr

Me

O O

conjugate  addi%on  even  though  hard   Grignard  reagent  

Summary:     more  reac%ve  nucleophiles  (RLi,  RMgBr,  LiAlH4)  prefer  direct  addi%on     more  reac%ve  electrophiles  prefer  direct  addi%on     less  reac%ve  nucleophiles  prefer  conjugate  addi%on     less  reac%ve  electrophiles  prefer  conjugate  addi%on     watch  out  for:  reversible  direct  addi%on  which  leads  to  conjugate  addi%on     i.e.  kine%c  versus  thermodynamic  control  

129

Reactivity and Control for Organic Synthesis

Carbonyl  Groups  –  difference  in  reacTvity  towards  nucleophiles   O R

   

O H

R

O Cl

R

O O

O R

R

O Me

R

O R

OMe

O OH

R

NR2

in  general  there  are  two  types  of  mechanism   with  aldehydes  and  ketones  addi%on  occurs  –  frequently  followed  by  subsequent  reac%on   with  esters,  acids,  amides  etc.  addi%on  and  subsequent  elimina%on  occurs   O Nu:

O

Nu O

Structure  of  the  carbonyl  group   C-­‐O  σ-­‐bond  and  C-­‐O  π-­‐bond  

Nu:

O

O

Nu O X

O

π-­‐bonding     orbital  

X

Nu

O

π*-­‐an%bonding     orbital  

the  π-­‐bonding  orbital  is  polarised  towards  oxygen  the  more  electronega%ve  atom   ∴  the  π*  an%bonding  orbital  is  polarised  towards  carbon  i.e.  the  large  lobe  is  on  carbon   in  the  mechanism  of  aTack  the  HOMO  of  the  nucleophile  overlaps  with  the   LUMO  (π*)  of  the  carbonyl  group      

HOMO    

LUMO  

Nu O

130

Reactivity and Control for Organic Synthesis

typical  addi%ons  reac%ons  of  aldehydes  and  ketones  are  as  follows:   hydra%on  –  aldehydes  are  prone  to  hydra%on  –  ketones  far  less  so   O R

H

+

H2O

HO

OH

R

H

Keq   hexafluoro-­‐ acetone   formaldehyde   chloral  

F3C

O

F3C H O H Cl3C

O

H

Keq  

1.2  x  106  

acetaldehyde  

2280  

acetone  

2000  

How  hydrated  would  you  expect  the  following  compounds  to  be?   O O

O O

Me O

1.06  

O

0.001  

H Me Me

131

Reactivity and Control for Organic Synthesis

 

in  a  similar  manner,  aldehydes  and  ketones  react  with  alcohols  under  acid  catalysis  to  give  acetals   the  mechanism  of  this  reac%on  is  very  frequently  drawn  incorrectly!     loss  of  water  

electrophilic   O

MeOH

OH

H MeO

OH

±H

MeO

electrophilic   OMe

OH2

H MeOH

H

+

MeO

H MeO

OMe

OMe

acid  catalysis  is  required  so  that  the  intermediate  in  the  red  box  can  expel  water  –     if  no  acid  were  present  HO-­‐  would  be  the  leaving  group  –  MeO  is  not  a  good  enough  ‘pusher’  to  kick  out  hydroxide   the  intermediates  in  blue  boxes  are  closely  related  –  they  are  much  more  electrophilic  versions  of  the     original  carbonyl  group  and  so  are  readily  aTacked  by  MeOH  which  is  a  very  weak  nucleophile   the  whole  process  is  in  equilibrium  and  the  most  stable  product  is  therefore  formed    the  reac%on  can  be  readily  reversed  using  acidic  water    

aldehydes  readily  form  acetals  with  simple  alcohols  

with  ketones  the  equilibrium  greatly  favours  the  ketone  –     using  diols  allows  efficient  acetal  forma%on  why  is  this?  

O

OH

HO H

O

O

132

Reactivity and Control for Organic Synthesis

acetal  forma%on  is  mechanis%cally  closely  related  to  numerous  other  reac%ons  of  carbonyl  compounds   aldehydes  and  ketones  readily  react  with  primary  amines  and  related  nitrogen  nucleophiles  to  give  imines  and   related  compounds  –  these  reac%ons  are  generally  catalysed  by  acid  

O

PhNH2

O

H H N O Ph

±H

Ph

H N

H

OH

Ph

H N

OH2

acid  catalysed  

H

N

+

Ph

H

Explain  shape  of  the  pH  rate  profile  for  oxime  forma
O

+

NH2OH

NOH

rate  

2

4

6

pH  

8

N

Ph

133

Reactivity and Control for Organic Synthesis

secondary  amines  also  react  with  aldehydes  and  ketones  to  give  iminium  ions  and  subsequently   enamines       O

Me Me

N H

Me

N

Me

Me

N

Me

H

iminium  ion   enamine   aldehydes  and  ketones  are  more  electrophilic  than  the  corresponding  imines  –  oxygen  is  more  electronega%ve   than  carbon     iminium  ions  are  more  electrophilic  than  than  the  corresponding  aldehyde  or  ketone   N R

R' H

R''

O R

H

N

R

R' H

more  electrophilic  

least  electrophilic   N R

R' R

R''

O R

R

R

N

R' R

Provide  a  mechanism  for  the  following  reac
NH2

+

O

NaBH4, AcOH, NaOAc

HN

134

Reactivity and Control for Organic Synthesis

Carboxylic  acids  and  related  groups     mul%ple  types  of  delocalisa%on  are  possible   O R

R

Me

R

O X

O

X

X

C

OEt

Me

O

X  p-­‐type  lone  pair  →  C-­‐O  π*        

O

1743  cm-­‐1  

Me N Me

1646  cm-­‐1  

most  important  for  esters  (X=  OR)  and  amides  (X  =  NR2)    

O  and  N  have  2p  orbitals  which  are  a  good  size  and  energy  match  for  C=O  π*  orbital  (itself  made  up  of  overlap  of   two  2  p  orbitals)     nitrogen  is  less  electronega%ve  than  oxygen  and  hence  with  amides  there  is  greater  p-­‐type  lone  pair  →  C-­‐O  π*   dona%on  than  with  esters       ∴  amides  are  less  reac%ve  towards  nucleophiles  than  esters   rough  order  of  importance  NR2  >  OR  >  Cl     evidence:  esters  and  amides  are  planar  i.e.  there  is   substan%al  double  bond  character  between  X  and  the  carbonyl   carbon  

O Me

Me N Me

135

Reactivity and Control for Organic Synthesis

Carboxylic  acids  and  related  groups     mul%ple  types  of  delocalisa%on  are  possible   O R

R

O

X

R

C

O Cl

O

O X

O

νmax  =  1715  cm-­‐1  

X

Cl Cl

1766  cm-­‐1  

F

F F

1771  cm-­‐1  

O  sp2  lone  pair  →  C-­‐X  σ*   implica%on  is  carbonyl  group  has  par%al  triple  bond  character  and  is  also  very  electrophilic   oxygen  is  more  electronega%ve  than  nitrogen  and  hence  the  C-­‐O  σ*  is  lower  in  energy  than  the  C-­‐N  σ*  and  a   beTer  energy  match  for  O  sp2  lone  pair       rough  order  of  importance  X  =  F  >  OR  >  Cl  >  NR2   evidence  from  IR  stretching  frequencies  and  X-­‐ray  crystal  structure  analysis  

126.4.4  °   117.4  °  

O O Me

O OEt

1743  cm-­‐1  

Me

Me

CF3

N Me

1646  cm-­‐1   E.  J.  Corey,  J.  O.  Link,  S.  Sarshar,  Y.  Shao,  Tetrahedron  LeV.  1992,  33,  7103     the  balance  of  these  effects  determines  the  reac%vity  of  the  system    

136

Reactivity and Control for Organic Synthesis

Carboxylic  acids  and  related  groups   esters  predominantly  exist  in  the  (Z)-­‐conforma%on     third  type  of  delocalisa%on  affects  the  conforma%on  of  esters   O R

O

O

O

R R

O  sp2  lone  pair  →  C-­‐O  σ*    

C

R

O

Ph

O O

Me

Ph

Z-­‐ester  

O Me

E-­‐ester  

A  .A.  Yakovenko,  J.  H.  Gallegos,  M.  Yu.  An%pin,  A.  Masunov,  T.  V.  Timofeeva,  Cryst.Growth  Des.  2011,  11,  3964   in  terms  of  reac%vity  towards  nucleophiles    -­‐  rough  order  of  reac%vity  is:   increasing  electrophilicity   O R

O R

Cl

O O

O R

R

O Me

R

O OMe

R

O OH

R

NR2

 conversely  in  terms  of  reac%vity  towards  electrophiles  –  amides  are  the  most  reac%ve   E O R

NR2

E R

O NR2

137

Reactivity and Control for Organic Synthesis

chemoselec%vity  in  the  reduc%on  of  carbonyl  compounds.   OH

 

NaBH4

H2, Pd/C

O

for  chemo  and  regioselec%ve  reduc%on  it  is  important  to  choose  the  correct  reagent   OH

HO MnO2 O HO

O

LiAlH4

O EtO O

NaBH4 CeCl3

OH EtO O

138

Reactivity and Control for Organic Synthesis

summary  of  reducing  agents  for  carbonyl  groups  adapted  from  Organic  Chemistry,  Clayden,  Greeves  and   Warren,  2nd  Edi%on,  OUP  2012.     O

R

reduced  

O

aldehyde  

reduced  slowly   not  usually  reduced  

NR

NR

R

H

  H iminium  ion   R

O

O R

H

aldehyde  

R

OH

O R

R

ketone  

R

1°  alcohol  

BH3•NH3,     LDA  

DIBAL   H

R

H

aldehyde  

via  acid    chloride   O

O OR

ester  

H

R

NR2

R

NR2

R

amide  

OH

acid  

NaCNBH3   NaBH4   LiBH4   LiAlH4   BH3   OH R

NHR

amine  

R

OH

1°  alcohol  

R

R

2°  alcohol  

R

OH

1°  alcohol  

amine  

R

OH

1°  alcohol  

139

Reactivity and Control for Organic Synthesis

selec%vity  in  reduc%on   why  are  esters  reduced  with  LiBH4  but  only  slowly  with  NaBH4?   O R

Li

O

BH4 R

OR

Li OR

O R

H

H B H H

   

H

Li

O R

OR

R

H

OH

H

H B H H

Li+  has  a  higher  charge/radius  ra%o  compared  with  Na+  as  it  is  smaller   ∴  Li+  is  a  more  potent  Lewis  acid  than  Na+     Li+  serves  to  ac%vate  the  ester  carbonyl  for  reduc%on   how  can  we  reduce  an  ester  to  an  aldehyde?   DIBAL-­‐H  –  diisobutylaluminium  hydride  

Al H

Al

H H

Al

exists  as  an  H-­‐bridged  dimer  but  reacts  as  a  monomer   Al  has  an  empty  p-­‐orbital,  the  monomer  is  electrophilic  

DIBAL-­‐H  only  becomes  a  good  reducing  agent   once  it  has  been  ac%vated  by  complexa%on  by   a  Lewis  base  

140

Reactivity and Control for Organic Synthesis

   

DIBAL-­‐H  –  diisobutylaluminium  hydride  –  commercially  available  as  solu%ons  in  various  organic  solvents   work-­‐up  of  DIBAL-­‐H  reac%ons  can  be  complicated  by  gela%on  due  to  the  amphoteric  nature  of  AlIII  salts  

par%%oning  the  reac%on  mixture  between  an  organic  solvent  and  aqueous  Rochelle  salt  (Na+K+  tartrate)  coupled   with  vigorous  s%rring  is  a  useful  method  of  solubilising  these  gels  

R Al H R O R

R Al

O

DIBAL-H R

OR

R H

O R

OR

R Al H OR

  R

addi%on  of  acid  destroys  excess   hydride  and  protonates  tetrahedral   intermediate  

MeOH then H

O R

tetrahedral  intermediate   stable  at  low  temperature  (-­‐78  °C)  

H H OR H

O R

H

ester  reduced  to  aldehyde  with     DIBAL-­‐H  at  low  temperature  

at  higher  temperature,  DIBAL-­‐H  reduces  esters  to  alcohols   R Al H R O R

OR

R O

DIBAL-H R

R Al

OR

H

O R

R Al H OR

aldehyde  much  more     reac%ve  than  ester   R

tetrahedral  intermediate   not  stable  at  RT  

O R

DIBAL-H H

R

OH

rapid  reduc%on     to  alcohol  

141

Reactivity and Control for Organic Synthesis

 

DIBAL-­‐H  –  diisobutylaluminium  hydride  –  commercially  available  as  solu%ons  in  various  organic  solvents   O O

O N

DIBAL-H, toluene

O

N

O

O

OH

it  can  be  very  difficult  to   reduce  an  α,β-­‐unsaturated   ester  to  an  aldehyde  with   DIBAL-­‐H  

lactols  are  very  readily  prepared  by  reduc%on  of  lactones  with  DIBAL-­‐H   H

H

O

DIBAL-H, -78 °C

O

OH O

O OH

H

H

H

DIBAL  is  also  very  useful  for  reducing  nitriles  to  aldehydes  what  is  the  mechanism  of  this  reac
H

C

N

DIBAL-H then H2O, H

H

O H

H

142

Reactivity and Control for Organic Synthesis

if  we  add  a  Grignard  reagent  or  organolithium  to  an  aldehyde  or  ketone,  monoaddi%on  occurs  but  with  esters   double  addi%on  is  the  general  outcome   O R

O R''

R'' MgBr OR'

or R''

R

Li

O

R'' MgBr

OR'

R

O R"

R

R"

R

R"

ketone  more      electrophilic  than  ester   in  order  to  obtain  mono-­‐addi%on  use  amides  as  the  electrophile   Me

OMe H

BuLi

O

Li

Me

Bu H

O

O H

Li

NMe2 DMF

MeO H

OH

H2O, H

R"

R"

ter%ary  alcohol  

OLi NMe2

H, H2O

the  most  versa%le  solu%on  is  to  use  Weinreb  amides  

MeO H

O H NMe2 H

MeO

O H

Me

O R

OMe

O N Me H • HCl

iPrMgCl, or AlMe3

O R

OMe N Me

note:  aluminium  and  magnesium   amides  are  par<cularly  nucleophilic   towards  esters  

Weinreb  amide   for  use  of  iPrMgCl  in  the  synthesis  of  Weinreb  amides  see:  J.  M.  Williams,  R.  B.  Jobson,  N.  Yasuda,  G.  Marchesini,  U.-­‐H.   Dolling,E.  J.  J.  Grabowski,  Tetrahedron  LeV.,  1995,  36,  5461-­‐5464    

143

Reactivity and Control for Organic Synthesis

Weinreb  amides  –  a  very  reliable  ketone  synthesis.  For  a  review  see:  M.  Mentzel  and  H.  M.  R.   Hoffmann,  J.  Prakt.  Chem.  1997,  339,  517-­‐524.  

O R

R' MgBr

OMe N Me

or R'

Li

O Mg OMe R N R' Me

OH

H , H2 O R

O

OMe

Me ClMg N Me THF, -20 °C to RT, O then HCl (aq) O

OMe N R' H Me

R

tetrahedral  intermediate   protonated  on  work  up  and     collapses  to  generate  ketone  

stable  chelated   tetrahedral  intermediate  

Boc N

O

Boc N OMe

O O

93%

VITAE  PHARMACEUTICALS,  INC.  Patent:      WO2007/117560  A2,  2007.       O MeO

N Me

OH

O OTBDPS

Me

H

OH

MgBr THF, 77%

OTBDPS H

D.  A.  Evans,  J.  T.  Starr,  Angew.  Chem.  Int.  Ed.,  2002,  41,  1787-­‐1790      

Me

R'

144

Reactivity and Control for Organic Synthesis

DIBAL-­‐H  reduc%on  of  esters  to  aldehydes  can,  at  %mes,  be  difficult  to  control  –  using  a  Weinreb  amide  overcomes   this  problem   O MeO

OTBDMS

O Me

N Me

OTBDMS Me

H

Me

Me

DIBAL-H, THF Br

Br

TBDMSO

TBDMSO

TBDPSO

TBDPSO

OTBDMS Me

OTBDMS Me

D.  A.  Evans,  J.  T.  Starr,  Angew.  Chem.  Int.  Ed.,  2002,  41,  1787-­‐1790       enolates  will  also  add  to  Weinreb  amides   Me

OLi

O Me N OMe

OtBu

O Li MeN O

O CO2tBu

H, H2O

O OtBu

83%

145

Reactivity and Control for Organic Synthesis

 

lithium  aluminium  hydride  –  LiAlH4  -­‐  all  four  hydrides  are  ac%ve  

powerful  and  frequently  non-­‐selec%ve  reducing  agent:  will  reduce  aldehydes,  ketones,  esters  to  primary  alcohols  and   amides  to  amines     LiAlH4  both  in  solu%on  and  as  a  solid  is  highly  flammable  –  requires  anhydrous  solvents     work-­‐up  of  LiAlH4  reduc%ons  can  be  tricky  due  to  the  amphoteric  nature  of  AlIII  salts     a  useful  ‘anhydrous’  work  up  introduced  by  Feiser  involves,  for  n  grams  of  LiAlH4  adding  dropwise  n  mL  of  water,  n  mL   of  15%  NaOH  solu%on,  and  then  3n  mL  of  water.  In  favourable  cases  a  granular  precipitate  is  produced  which  can    be   filtered.    L.  F.    Fieser,  M.    Fieser,  M.  Reagents  for  Organic  Synthesis  1967,  581-­‐595.       another  safe  method  for  neutralising  excess  LiAlH4  involves  quenching  the  reac%on  with  EtOAc       reduc%on  of  esters   tetrahedral  intermediate   collapses  to  give  an  aldehyde   O R

Li

O

AlH4

OR

R H

H Al H H

Li OR

O R

H

Li

O R

OR H

H Al H H

H

R

OH

146

Reactivity and Control for Organic Synthesis

reduc%on  of  esters   O R

Li

tetrahedral  intermediate   collapses  to  give  an  aldehyde   O

AlH4

OR

R

Li OR

O R

H

H Al H H

H

Li

O R

OR

H

R

OH

H

H Al H H

reduc%on  of  amides   AlH3 O R

Li

O

AlH4

NR2

R H

Li NR2

 

R

H

Al H H

 

O H

Li NR2

O R

H

AlH3

NR2 R

NR2

tetrahedral  intermediate   collapses  to  give  an  iminium  ion  

H

H

H Al H H

why  this  difference  in  reac%on  outcome?   RO-­‐  is  a  beTer  leaving  group  then  R2N-­‐   lone  pair  of  amine  is  higher  in  energy  than  O  and  hence  R2N  is  a  beTer  ‘pusher’  than  RO  

R

NR2

147

Reactivity and Control for Organic Synthesis

O

H

H

N Me

Me O

N Me LiAlH4, THF

H

O H

H

O

O

H

O

O

Me HO

LiAlH4, THF

Me

HO

O

Me

OH

Me

amide  reduced  to  amine   1,2-­‐reduc%on  of  α,β-­‐unsaturated  ketone   (hard  nucleophile)  

Me

lactone  (ester)  reduc%on  leads  to  diol  

lithium  borohydride  –  will  reduce  esters  to  primary  alcohols  –  see  above  (can  be  prepared  from  cheap  NaBH4  and     LiCl,  LiBr  or  LiI)      

sodium  borohydride  –  frequently  used  in  alcoholic  solvents  such  as  MeOH  or  EtOH   generally  does  not  reduce  esters,  epoxides,  lactones,  nitriles.    All  four  hydrides  are  ac%ve   NaBH4  reacts  with  pro%c  solvents  to  generate  alkoxy  borohydrides  

Explain  the  stereoselec
O O

H

O

NaBH4, MeOH Cl

H

HO O

O Cl

H 87%

148

Reactivity and Control for Organic Synthesis

Luche  reduc%on  NaBH4  is  not  selec%ve  for  1,2-­‐  versus  1,4-­‐reduc%on  –  addi%on  of  CeCl3•7H2O  increases  the   amount  of  1,2-­‐reduc%on   O

NaBH4 or NaBH4, CeCl3•7H2O

OH

1,2-­‐reduc%on     1,4-­‐reduc%on  

OH +

MeOH

NaBH4,  MeOH  

51%  

49%  

NaBH4,  CeCl3•7H2O,    MeOH  

99%  

trace  

it  appears  that  CeCl3  accelerates  the  reac%on  of  pro%c  solvents  with  NaBH4  to  generate  alkoxy  borohydrides       NaBH(4-­‐n)OMen  which    are  harder  reducing  agents     CeCl3  acidifies  the  MeOH  allowing  it  to  ac%vate  the  carbonyl  oxygen  making  the  carbonyl  carbon  more  posi%ve     Reagent  is  harder,  substrate  is  harder,  therefore  1,2-­‐reduc%on  -­‐  A  L.  Gemal,  J.  –L.  Luche,  J.  Am.  Chem.  Soc.,  1981,  103,   5454-­‐5459     MeO H B MeO OMe

O

H

Me O CeIII

OH

O MeMe

HO Me

Me

NaBH4, CeCl3•7H2O, MeOH

MeMe

Me

Me

Me

Me 58%

Givaudan  Roure  (Interna%onal)  SA  Patent:      US5929291  A1,  1999  

   

149

Reactivity and Control for Organic Synthesis

in  a  related  manner  the  use  of  anhydrous  cerium(III)  chloride  in  the  presence  of  Grignard  reagents  and   organolithium  reagents  allows  the  addi%on  of  organometallics  to  highly  enolisable  aldehydes  and  ketones   T.  Imamoto,  N.  Takiyama,  K.  Nakamura,  T.  Hatajima,  Y.  Kamiya,  J  .  Am.  Chem.  Soc.  1989,  111  ,  4392-­‐4398;     N.  Takeda,  T.  Imamoto  Org.  Synth.  1999,  76,  228   methods  to  dry  CeCl3•7H2O  -­‐  W.  H  Bunnelle,  B.  A.  Narayanan,  Org.  Synth.,  Coll.  Vol.  VIII,    1993,  602.   O

HO

Bu

BuM, THF

product  

recovered  star%ng  material  

BuLi  

26%  

55%  

BuLi,  CeCl3  

92-­‐97%  

BuMgBr  

28%  

BuMgBr,  CeI3  

96%  

23%  

150

Reactivity and Control for Organic Synthesis

other  modified  borohydrides:  NaBH3CN,  NaBH(OAc)3  reagents  of  choice  for  reduc%ve  amina%on  

O N H

Ph

O

CH2O, NaBH3CN

N Me

pH 5

Me

TBDMSO

AcO O

N H H

+

Me O

R

Ph

in  each  case,  reduc%on  of  the  intermediate   iminium  ion  is  more  rapid  than  the  reduc%on  of   the  corresponding  aldehyde  

Me

NaBH(OAc)3, SnCl2

TBDMSO O N H

H

R AcO

Me

this  is  one  method  to  solve  the  problem  of  polyalkyla%on  when  aTemp%ng  to  alkylate  amines  

R

NH2

MeI

R

NHMe

MeI

at  least  as  nucleophilic   as  star%ng  amine  

R

NMe2

MeI

at  least  as  nucleophilic   1°  and  2°  amine  

R

NMe3 I

polyalkyla%on  occurs  

151

Reactivity and Control for Organic Synthesis

borane  complexed  to  a  Lewis  base,    THF•BH3,  Me2S•BH3  is  a  good  reducing  agent  for  carboxylic  acids  and  amides   H O R

O

B H

H

H O

H

R

H B O

O

H H

R

H B

H LB B O H

:LB H

O

R

R

OH

R

O

OBR2 R

Ar'

HO2C

BH3•THF, THF, 0 °C

Ar

EtO2C

R

O

R work-up

O H

O

H R

H HO

Ar'

EtO2C

Ar

LB

O

R

R B

H B

B H

R

H

98%

P.  C.  Lobben,  S.  S.  –W.  Leung,  S.  Tummala,  Org.  Process  Res.  Dev.  2004,  8,  1072–1075.   H O R

B H

NR2

H

H O R

H B

O

H

NHR2

R

H

H B

H

NR2

R

B H

R

NR2 R

H

R

NR2 BR2 work-up

R

NR2

152

Reactivity and Control for Organic Synthesis

ReducTon  examples   MeO

MeO BH3•THF OH

O

OH O

O

O.  Hoshino,Y.  Mizuno,M.  Murakata,  H.  Yamaguchi  Chem.  Pharm.  Bull.,  1999,  47,  1380-­‐1383  

O Me H

HO2C H O

O Me

Me CH2N2

H

H

OH

HO

H

MeO2C

O Me

Me

H

H

MeO2C

pTSA

H

O

O

O Me

H

O LiAlH4 O Me HO

Me HO

H H

O Me H

water, pTSA H

O

D.  N.  Kirk,  M.  S.  Rajagopalan,  M.  J.  Varley,  J.  Chem.  Soc.,  Perkin  1,  1983,  2225-­‐2228  

H

O O

H

O Me

153

Reactivity and Control for Organic Synthesis

ReducTon  examples   OMe

Me

O

(COCl)2, DMF

O

O

O

OMe

Me NaBH4, THF

O

CO2H

O

OMe

Me

Cl

O O

O

O

HO

T.  P.  O'Sullivan,  H.    Zhang,  L.  N.  Mander,  Org.  Biomol.  Chem.,  2007,  5,    2627-­‐2635       Recently  ChareVe  reported  the  chemoselec
O

N

O

Tf2O, then EtO2C Me

H

H

N H

H

Ph

N

CO2Et Me

90%

N

then Et3SiH then basic workup MeO2C

MeO2C

O

F

Tf2O,

N H

N

H

then Et3SiH then acid workup MeO2C

MeO2C

Ph

O

Tf2O,

N H

O

F

O 86%

95%

154

Reactivity and Control for Organic Synthesis

Rings  and  ring  strain   classifica%on  of  rings   classifica%on  

small  

normal  

medium  

large  

number  atoms  in  ring  

3,  4  

5,  6  

7-­‐12  

>12  

types  of  ring  strain  

108°  

H

angle  strain  (Baeyer  strain)  –  distor%on  of  angles  from  the  idealised  values    

Me

H

Me

111°  

H

H

120°   H

Me

larger  to  relief  of  strain  between   geminal  methyl  groups   angle  strain  –  most  important  in  small  rings   OH Na CO , MeOH 2 3

O

O

H O

~60°  

88°  

MeO H

155

Reactivity and Control for Organic Synthesis

torsional  strain  arises  from  devia%on  from  an  ideal  staggered  arrangement   HH HH

H

H

H

H

H

H

H H

major  feature  of  3  and  4-­‐membered  rings   H

H

H

H

H H

H

H

H H

H

H

HH

H H

H

H

H H

H H

H H

H

in  its  chair  form  cyclohexane   has  no  torsional  strain  

H H

H

H

H

HH

H H

H H

HH

the  lowest  energy  conforma%on   of  cyclopentane  is  an  envelope   which  has  some  torsional  strain  

as  a  result  of  torsional  strain  6-­‐membered  rings  are  generally  more  stable  than  5-­‐membered  rings   bond  length  strain  –  arises  from  devia%on  of  bond  lengths  from  their  ideal  values    

H Me

transannular  strain–  arises  from  proximity  on  non-­‐bonded  atoms  frequently  important   in  medium  rings     H H

H

C-­‐H  =  1.09  Å  

Me

C-­‐C  =  1.54  Å  

156

Reactivity and Control for Organic Synthesis

general  features  of  ring  closure  

K or k X:

Y

X

if  ring  closure  is  thermodynamically  controlled  (K)  then  energy  of  product  will  be  important   ΔG  =  ΔH  -­‐  TΔS   ring  strain  considera%ons  mean  K  is  generally  only  favourable  for  5-­‐  and  6-­‐  membered  ring     if  ring  closure  is  kine%cally  controlled  (k)  then  the  energy  of  the  transi%on  state  will  be  important     ΔG‡  =  ΔH‡  -­‐  TΔS‡  

k  =  

kBT   -­‐ΔG‡/RT e   h  

ΔH‡  -­‐  enthalpy  of  ac%va%on  includes  bond  breaking/making  enthalpic  considera%ons  and  the  change  in   strain  energy  in  reaching  the  transi%on  state     ΔS‡  -­‐  reflects  the  difference  in  the  levels  of  organisa%on  between  star%ng  material(s)  and  transi%on  state  

157

Reactivity and Control for Organic Synthesis

rates  of  cyclisa%on  of  ω-­‐bromo  malonates:  M.  A.  Casadei,  C.  Galli,  L.  Mandolini,  J.  Am.  Chem.  Soc.,  1984,  106,   1051-­‐1056     6  

es%mated  value  

k  =  

increasing  ΔS‡  

4  

CO2Et

2  

log  k  

kBT   -­‐ΔG‡/RT e   h  

EtO2C

( )n

Br

NaH, DMSO k

0   -­‐2  

EtO2C

small  

-­‐4  

CO2Et ( )n

-­‐6   2  

3  

4  

5  

6  

7  

8  

9   10   11   12   13   14   15   16   17   18   19   20   21   22  

ring  size  

Small  rings:  3-­‐membered  rings  are  formed  fast;  4-­‐membered  rings  more  slowly   ΔS‡  favourable  as  liTle  preorganisa%on  is  required  –  the  ends  are  already  close  to  one  another   ΔH‡  unfavourable  due  to  developing  strain  

158

Reactivity and Control for Organic Synthesis

◾ rates  of  cyclisa%on  of  ω-­‐bromo  malonates:  M.  A.  Casadei,  C.  Galli,  L.  Mandolini,  J.  Am.  Chem.  Soc.,  1984,  106,   1051-­‐1056     6  

es%mated  value  

k  =  

increasing  ΔS‡  

4  

CO2Et

2  

log  k  

kBT   -­‐ΔG‡/RT e   h  

EtO2C

( )n

Br

NaH, DMSO k

0   -­‐2  

normal  

-­‐4  

medium  

large  

EtO2C

CO2Et ( )n

-­‐6   2  

3  

4  

5  

6  

7  

8  

9   10   11   12   13   14   15   16   17   18   19   20   21   22  

ring  size  

Normal  rings:  5-­‐membered  rings  generally  formed  fastest   ΔS‡  is  becoming  less  favourable  as  more  preorganisa%on  is  required  –  the  ends  are  less  close  to  one  another   ΔH‡  is  fairly  consistent  –  5-­‐7  membered  rings  are  rela%vely  unstrained   Medium  rings:     ΔS‡  is  s%ll  increasing  but  propor%onally  less  as  ring  size  increases  –  the  ends  are  less  close  to  one  another   ΔH‡  becomes  dominant  –  transannular  strain  reflected  in  TS  and  hence  rate  of  cyclisa%on   Large  rings:     ΔS‡  is  unfavourable  as  the  ends  are  unlikely  to  meet  –  similar  to  an  intermolecular  reac%on.    Solu%on  do  reac%ons   under  high  dilu%on   ΔH‡  no  ring  strain  so  not  important    -­‐  large  rings  are  similar  to  acyclic  compounds  

159

Reactivity and Control for Organic Synthesis

correct  alignment  of  orbitals  is  also  key  for  efficient  ring  forma%on   LUMO  C-­‐Br  σ*  

O

Br Br

O

O

HOMO     enolate  

X

O

O

good  overlap  O-­‐alkyla%on  occurs  

poor  overlap  so  no  C-­‐alkyla%on   similarly   O O S O CH3 NaH

O O S O CH3

S O O H3C

S O O H3C

Br

X

O O S OH CH3 S O O

H3C

Sir  Jack  Baldwin  proposed  a  set  of  guidelines  (Baldwin’s  rules)  to  asses  the  likelihood  that  a  given,   kine%cally  controlled  cyclisa%on  would  be  feasible  

160

Reactivity and Control for Organic Synthesis

“Ring-­‐forming  reac
 

Sir  Jack  Baldwin  

Waynflete  Professor  of  Organic   Chemistry,  Oxford  1978-­‐2005      Baldwin’s  Rules     Biosynthesis  of  penicillins    

modes  of  cyclisa%on   X Y Nu:

Y

Y X Nu:

X Nu

exo  –  bond  being  broken   is  outside  the  ring  being  formed  

X Nu

endo  –  bond  being  broken   is  inside  the  ring  being  formed  

X

X Nu:

X

X

Nu:

Nu: X

exo-­‐tet  

sp3  hybridised  

exo-­‐trig  

sp2  hydridised  

X

exo-­‐dig   sp  hybridised  

Nu:

endo-­‐tet  

sp3  hybridised  

Nu:

endo-­‐trig  

sp2  hydridised  

Nu:

endo-­‐dig   sp  hybridised  

161

Reactivity and Control for Organic Synthesis

Baldwin’s  rules  

TET  

TRIG  

DIG  

   

ring  size  

3  

4  

5  

6  

exo  

✓  

✓  

✓  

✓  

endo  

-­‐  

-­‐  

✗  

✗  

exo  

✓  

✓  

✓  

✓  

endo  

✗  

✗  

✗  

✓  

exo  

✗  

✗  

✓  

✓  

endo  

✓  

✓  

✓  

✓  

in  general  all  exo-­‐tet  and  exo-­‐trig  cyclisa%ons  are  favoured  

5-­‐exo-­‐trig  is  faster  than  6-­‐endo  trig   How  would  you  assign  this  reac
O O S O CH3

S O O H3C

S O O H3C

X H3C

Is  this  likely  to  be  an  efficient  transforma
O O S OH

NaH I

CH3 S O O

O O S

S O O H3C

S O O H3C

162

Reactivity and Control for Organic Synthesis

1)  The  following  amine  undergoes  cyclisa
OMe

2)  Explain  the  contras
O

HO H

HO

O

3)  Explain  the  following  reac
O

O NaOH, H2O

Me Me

Me

HO

HO H

Me

Me

H

O

O

163

Reactivity and Control for Organic Synthesis

 

Thorpe-­‐Ingold  effect;  M.  E.  Jung,  G.  Piizzi,  Chem.  Rev.  2005,  105,  1735−1766    

the  increased  rate  of  cyclisa%on  when  puœng  a  geminal  dialkyl  group  in  the  cyclising  chain  is  known  as  the  Thorpe   Ingold  effect.   a  good  explana%on  for  the  Thorpe  Ingold  effect  concerns  reac%ve  rotamers  

O Me

krel  

R R O

R = Me Br

R=H

H

H

O

H

H

Me

1  

O

O Me

Me H

O

O

39  

O

O

O

O

H

O

O

major  conforma%on,  ends   held  far  apart,  cyclisa%on   cannot  occur  

O Me

Me H

H

Br

Br

H

H Me

Me Br

Br

reac%ve  rotamers  

for  gem-­‐dimethyl-­‐subs%tuted  substrate  all  of  the  staggered  conforma%ons  are  of  similar   energy  and  in  two  of  the  conformers  cyclising  groups  are  in  close  proximity  

164

Reactivity and Control for Organic Synthesis

Examples   O

cat. neat 25 °C

oligomers

iPr F3C F3C

O O

cat. neat 25 °C

iPr N Ph

O Mo O F3C

CF3

Explain  the  following  rates  of  cyclisa
Br

krel  

1  

NH2

Br

2.2  

Br

NH2

158  

Br

NH2

0.16  

Br

iPr NH2

9190  

165

Reactivity and Control for Organic Synthesis

From  Corey’s  synthesis  of  longifolene,  J.  Am.  Chem.  Soc.,  1964,  86,  478.   Explain  the  various  aspects  of  selec
O O HO

OH TsOH

O

O O

PPh3

O OsO4 O O

O O LiClO4

O

TsCl. pyridine

TsO HCl (aq) O O

O O

OH

HO

OH

166

Reactivity and Control for Organic Synthesis

Appendix   Hybridisa%on  and  bonding    -­‐  a  brief  recap   Hybridisa%on  is  a  useful  concept  used  by  organic  chemists  to  describe  the  bonding  in  organic  molecules   A  quick  method  to  work  our  the  hybridisa%on  of  an  atom  is  to  count  the  number  of  subs%tuents  on  that  atom   (including  lone  pairs  of  electrons),  remembering  that  in  the  bonded  environment  first  row  elements  generally   have  8  electrons  around  them     4  subs%tuents    =  sp3  hybridised,            3  subs%tuents  =  sp2  hybridised,            2  subs%tuents  =  sp  hybridised   z

z

z y

y

y

x

x

x +

+

py

px

pz

+ s

sp3  hybrid  orbitals  are  made  up  from  one  s  orbital  and  three  p  orbitals  giving     four  hybrid  orbitals  which  point  to  the  corners  of  a  regular  tetrahedron.   This  is  the  bonding  arrangement  found  in  methane  (bond  angle  =  109°)  where  the   sp3  hybrid  orbitals  overlap  with  the  hydrogen  1s  orbitals  (not  shown)   sp3  hybrid  orbitals   H H

C H

H H

H

H H

167

Reactivity and Control for Organic Synthesis

Similarly,  the  nitrogen  atom  in  ammonia  can  be  viewed  as  sp3  hybridised  as  can  the  oxygen  atom  in  water   although  the  H-­‐X-­‐H  bond  angle  is  slightly  less  than  109°  due  to  lone  pair–bond  pair  repulsion     lone  pair  in  sp3  orbital  

N H

H H

N H

H

O

H

H

H

O

H

H

N-­‐atom  is  sp3  hybridised  

O-­‐atom  is  sp3  hybridised  

 For  sp2  hybridisa%on  we  mix  two  p-­‐orbitals  and  one  s-­‐orbital  to  give  three  sp2  hybrid  orbitals  (and  leave  one  p-­‐orbital)   z

z

z

y

y

x pz

y

x py

x +

+ px

s

The  three  sp2  hybrid  orbitals  are  arranged  120°  apart   This  is  the  bonding  arrangement  found  in  ethene  with  the  sp2  hybrids  overlapping     with  the  hydrogen  1s  orbitals  (not  shown)   the  remaining  pz  orbital(s)  overlap  to  form  the  π-­‐bond   H H

H H

H

H

H

H

pz  orbital  

C-­‐atom  is  sp2  hybridised  

sp2  hybrid  orbitals  

168

Reactivity and Control for Organic Synthesis

Similarly,  this  is  the  hybridisa%on  in  carbonyl  compounds  and  imines   H

H

lone  pair  in  sp2  orbital  

O

N

H

H

H

N  and  C-­‐atoms  are  sp2  hybridised  

O  and  C-­‐atoms  are  sp2  hybridised  

 For  sp  hybridisa%on  we  mix  one  p-­‐orbitals  and  one  s-­‐orbital  to  give  two  sp  hybrid  orbitals  (and  leave  two  p-­‐orbital)   z

z

z

y

y

y

x

x

pz

x +

py

px

s

The  two  sp  hybrid  orbitals  are  arranged  180°  apart   This  is  the  bonding  arrangement  found  in  ethyne  with  the  sp  hybrids  overlapping   with  the  hydrogen  1s  orbitals  (not  shown)   the  remaining  p  orbitals  overlapping  to  form  the  two  π-­‐bonds     lone  pair  in  sp  orbital  

p  orbitals   H

H

C-­‐atom  is  sp2  hybridised  

H

H

H

N

in  nitriles  the  N  and  C-­‐atoms     are  sp  hybridised  

sp  hybrid  orbitals  

169

Reactivity and Control for Organic Synthesis

So  to  recap,  in  general,    a  quick  method  to  work  our  the  hybridisa%on  of  an  atom  is  to  count  the  number  of   subs%tuents  on  that  atom  (including  lone  pairs  of  electrons),  remembering  that  in  the  bonded  environment   first  row  elements  generally  have  8  electrons  around  them  -­‐  sp3    =    4            sp2  =  3              sp  =  2     What  is  the  hybridisa%on  of  the  red  atoms  in  the  following  examples?  

NH 4+

H 3O+

CO N

H H C C C H H

O CO 2

O

Let’s  look  at  the  bonding  in  amides.  

  All  other  things  being  equal,  amides  are  planar  molecules  and  we  are  happy  to  draw  the  delocalisa%on  of  the   nitrogen  lone  pair  as  shown  to  indicate  the  par%al  double  bond  character  of  the  C-­‐N  bond   O R A

O N R

R

R

NHR 2 B

Following  the  discussion  above  the  hybridisa%on  of  the  C  and  O  atoms  is  sp2  but  what  is  the  hybridisa%on  of  the   nitrogen  atom?     Again,  following  the  above  discussion,  and  looking  at  the  form  of  the  amide  on  the  leU  hand  side  (A),   the  nitrogen  atom  has  4  subs%tuents,  2  x  R,  C=O  and  a  lone  pair  and  ∴  is  sp3  hybridised   However,  most  organic  chemists  would  say  the  N  atom  is  sp2  hybridised.  Why  is  this?  

170

Reactivity and Control for Organic Synthesis

O R A

N R

R

R

NHR 2 B

R

R

O R

N

C

O

N

R

R

N-­‐sp2  hybridised   N-­‐lone  pair  in  p-­‐orbital  

C

O

R

N-­‐sp3  hybridised   N-­‐lone  pair  in  sp3-­‐orbital  

The  curly  arrows  above  represent  the  overlap  of  the  nitrogen  lone  pair  with  the  C-­‐O  π-­‐orbitals  (the  an%bonding  π*   orbital).    The  best  overlap  therefore  is  if  the  N-­‐atom  is  sp2  hybridised  resul%ng  in  the  N-­‐lone  pair  being  in  a  p-­‐ orbital  with  excellent  overlap  with  the  p-­‐orbitals  of  the  C–O  π-­‐system     If  the  N-­‐atom  were  sp3  hybridised  then  the  N-­‐lone  pair  would  be  in  an  sp3  orbital  which  would  result  in  poorer   overlap  with  the  adjacent  C-­‐O  π-­‐system  –       Generally  beTer  overlap  =    greater  stabilisa%on     In  general  if  a  π-­‐system  has  an  adjacent  atom  which  carries  a  lone  pair  then  most  organic  chemists  would  view  the   hybridisa%on  of  the  adjacent  atom  as  sp2  with  the  lone  pair  in  a  p-­‐orbital  to  maximise  overlap  with  the  adjoining  π-­‐ system.         What  is  the  hybridisa%on  of  each  of  the  heteroatoms  in  the  following  molecules?     O OMe R

O

R

O

NMe 2

OMe

N O

Perhaps  we  should  not  be  too  concerned  about  this  as  some  molecules,  for  example  anilines,  are  frequently  not   perfectly  planar  and  the  hybridisa%on  of  nitrogen  is  somewhere  between  perfectly  sp2  and  perfectly  sp3   Addi%onally  we  should  be  aware  that  other  effects  (e.g.  sterics)  can  override  electronic  effects  and  hence  the   hydridisa%on  may  not  be  as  expected    

More Documents from "Soji Adimula"