Карбодиимид
Класс органических соединений с общей структурой RN=C=NR'
Общая структура транс -карбодиимидов: основная функциональная группа показана синим цветом с присоединенными группами R.

В органической химии карбодиимид (систематическое название ИЮПАК: метандиимин [1] ) — это функциональная группа с формулой RN=C=NR. На Земле они исключительно синтетические, но в межзвездном пространстве исходное соединение HN=C=NH было обнаружено по его мазерному излучению. [2]

Хорошо известным карбодиимидом является дициклогексилкарбодиимид , который используется в синтезе пептидов . [3] Диалкилкарбодиимиды стабильны. Некоторые производные диарила имеют тенденцию превращаться в димеры и полимеры при стоянии при комнатной температуре, хотя это в основном происходит с карбодиимидами с низкой температурой плавления, которые являются жидкостями при комнатной температуре. [4] Твердые диарилкарбодиимиды более стабильны, но могут медленно подвергаться гидролизу в присутствии воды с течением времени.

Структура и связь

Структура C(NCHPh 2 ) 2 , определенная методом рентгеновской кристаллографии (цветовая схема: серый = C, синий = N) [5]

С точки зрения связи карбодиимиды изоэлектронны с диоксидом углерода . Три основные резонансные структуры описывают карбодиимиды:

РН=С=НР ↔ РН + ≡CN − Р ↔ РН − -С≡Н + Р

Ядро N=C=N относительно линейно, а углы CN=C приближаются к 120°. В случае C(NCHPh 2 ) 2 центральный угол N=C=N составляет 170°, а углы CN=C находятся в пределах 1° от 126°. [5] Расстояния C=N короткие, около 120 пм, что характерно для двойных связей. Карбодиимиды являются хиральными , обладающими симметрией C 2 и, следовательно, аксиальной хиральностью . [6] Однако из-за низкого энергетического барьера для вращения молекулы и, следовательно, быстрого преобразования между ее изомерами, фактическое выделение одного оптического изомера карбодиимида чрезвычайно сложно. Это было продемонстрировано по крайней мере один раз в случае конформационно ограниченных циклических карбодиимидов; хотя есть и другие сообщения об одноручных аксиально хиральных карбодиимидах, их обоснованность с тех пор была поставлена ​​под сомнение на экспериментальных и вычислительных основаниях. [7] [8]

Исходное соединение, метандиимин (HN=C=NH), является таутомером цианамида .

Синтез

Из тиомочевин и мочевин

Классический путь к карбодиимидам включает дегидросульфуризацию тиомочевин . Типичным реагентом для этого процесса является оксид ртути : [9]

(R(H)N) 2CS + HgO → (RN) 2C + HgS + H2O

Эту реакцию часто можно провести так, как указано, хотя карбодиимиды реагируют с водой. В некоторых случаях в реакционную смесь добавляют дегидратирующий агент.

Дегидратация N,N'-диалкилмочевин дает карбодиимиды:

(R(H)N) 2 CO → (RN) 2 C + H 2 O

Пентаоксид фосфора [10] и п- толуолсульфонилхлорид использовались в качестве дегидратирующих агентов. [11] [12]

Из изоцианатов

Изоцианаты могут быть преобразованы в карбодиимиды с потерей диоксида углерода: [13] [4]

2RN=C=O → (RN) 2C + CO2

Реакция катализируется фосфиноксидами . Эта реакция обратима. [9]

Реакции

По сравнению с другими гетероалленами карбодиимиды являются очень слабыми электрофилами и реагируют с нуклеофилами только в присутствии катализаторов, таких как кислоты. [14] Таким образом можно получить гуанидины . [3] Будучи слабыми основаниями, карбодиимиды связываются с кислотами Льюиса, образуя аддукты . [9]

окисление Моффата

Карбодиимиды являются реагентами для окисления Моффата , протокола превращения спирта в карбонил (кетон или альдегид) с использованием диметилсульфоксида в качестве окислителя: [15]

(CH 3 ) 2 SO + (CyN) 2 C + R 2 CHOH → (CH 3 ) 2 S + (CyNH) 2 CO + R 2 C=O

Обычно сульфоксид и диимид используются в избытке. [16] В результате реакции в качестве побочных продуктов образуются диметилсульфид и мочевина .

Связующие агенты

В органическом синтезе соединения, содержащие карбодиимидную функциональность, используются в качестве дегидратирующих агентов. В частности, они часто используются для преобразования карбоновых кислот в амиды или эфиры . Добавки, такие как N-гидроксибензотриазол или N-гидроксисукцинимид , часто добавляются для увеличения выходов и уменьшения побочных реакций.

Амидное сочетание с использованием карбодиимида
Амидное сочетание с использованием карбодиимида

Поликарбодиимиды также могут использоваться в качестве сшивающих агентов для водных смол, таких как полиуретановые дисперсии или акриловые дисперсии. Здесь поликарбодиимид реагирует с карбоновыми кислотами, функциональные группы которых часто присутствуют в таких водных смолах, образуя N-ацилмочевину. Результатом является образование ковалентных связей между полимерными цепями, что делает их сшитыми. [17] [18]

Путь образования амида

Образование амида с использованием карбодиимида является распространенной реакцией, но несет риск нескольких побочных реакций. Кислота 1 будет реагировать с карбодиимидом, образуя ключевой промежуточный продукт: O-ацилизомочевину 2 , которую можно рассматривать как карбоксильный эфир с активированной уходящей группой. O-ацилизомочевина будет реагировать с аминами, давая желаемый амид 3 и мочевину 4 .

Возможные реакции O-ацилизомочевины 2 производят как желаемые, так и нежелательные продукты. O-ацилизомочевина 2 может реагировать с дополнительной карбоновой кислотой 1 , давая ангидрид кислоты 5 , который может реагировать далее, давая амид 3. Основной нежелательный путь реакции включает перегруппировку O-ацилизомочевины 2 в стабильную N - ацилизомочевину 6. Использование растворителей с низкой диэлектрической проницаемостью, таких как дихлорметан или хлороформ, может минимизировать эту побочную реакцию. [19]

Механизм реакции образования амида с использованием карбодиимида
Механизм реакции образования амида с использованием карбодиимида

Примеры

ДКК

Структура N , N' - дициклогексилкарбодиимида

DCC (сокращение от N , N' - дициклогексилкарбодиимид ) был одним из первых карбодиимидов, разработанных в качестве реагента. Он широко используется для образования амидов и эфиров, особенно для твердофазного синтеза пептидов . DCC приобрел популярность в основном из-за своих высокопродуктивных реакций амидного сочетания и того факта, что он довольно недорогой.

Однако DCC имеет ряд серьезных недостатков, и его использования часто избегают по нескольким причинам:

  1. Побочный продукт N , N ' - дициклогексилмочевина в основном удаляется фильтрацией, но следовые примеси могут быть трудноудаляемы. Это несовместимо с традиционным твердофазным синтезом пептидов.
  2. DCC является сильным аллергеном , и повторный контакт с кожей увеличивает вероятность сенсибилизации к соединению. Сообщалось о клинических отчетах о людях, которые не могут входить в помещения, где используются пептидные связующие агенты.

ДИК

Структура N , N' - диизопропилкарбодиимида

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

EDC

EDC — водорастворимый карбодиимидный реагент, используемый для широкого спектра целей. Помимо применений, аналогичных DCC и DIC, он также используется для различных биохимических целей в качестве сшивающего агента или химического зонда .

CMCT или CMC

1-циклогексил-(2-морфолиноэтил)карбодиимид мето- п- толуолсульфонат представляет собой карбодиимид, разработанный для химического исследования структуры РНК в биохимии.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Номенклатура органической химии: Рекомендации ИЮПАК и предпочтительные названия 2013 (Синяя книга) . Кембридж: Королевское химическое общество . 2014. стр. 375. doi :10.1039/9781849733069-00372. ISBN 978-0-85404-182-4. Название карбодиимид, для HN=C=NH, сохраняется, но только для общей номенклатуры; никакие замены не допускаются. Систематическое название, метандиимин, является предпочтительным названием ИЮПАК.
  2. ^ McGuire, Brett A.; Loomis, Ryan A.; Charness, Cameron M.; Corby, Joanna F.; Blake, Geoffrey A.; Hollis, Jan M.; Lovas, Frank J.; Jewell, Philip R.; Remijan, Anthony J. (2012-10-20). "Interstellar Carbodiimide (HNCNH): A New Astronomical Detection from the GBT Primos Survey Via Maser Emission Features". The Astrophysical Journal . 758 (2): L33. arXiv : 1209.1590 . Bibcode :2012ApJ...758L..33M. doi :10.1088/2041-8205/758/2/L33. ISSN  2041-8205. S2CID  26146516.
  3. ^ ab Эндрю Уильямс; Ибрагим Т. Ибрагим (1981). «Химия карбодиимидов: последние достижения». Chem . Rev. 81 (6): 589– 636. doi :10.1021/cr00046a004.
  4. ^ ab TW Campbell; JJ Monagle (1963). "Дифенилкарбодиимид". Org. Synth . 43 : 31. doi :10.15227/orgsyn.043.0031.
  5. ^ аб Ирнгартингер, Х.; Йегер, Х.-У. (1978). «Кристаллы и молекулярная структура zwei Carbodiimid: бис(дифенилметил)карбодиимид и бис(п-метоксифенил)-карбодиимид». Acta Crystallographica Раздел B: Структурная кристаллография и кристаллохимия . 34 (11): 3262–3265 . doi : 10.1107/S0567740878010626.
  6. ^ Винсент , AT; Уитли, PJ (1972). "Кристаллическая структура бис -п -нитрофенилкарбодиимида, O2N · C6H4 · N :C:N·C6H4 · NO2 " . Журнал химического общества, Perkin Transactions 2 (11): 1567– 1571. doi :10.1039/P29720001567.
  7. ^ Танигучи, Тору; Сузуки, Такахиро; Сато, Харука; Шичибу, Юкацу; Кониси, Кацуаки; Монд, Кэндзи (2018). «Подготовка карбодиимидов с односторонней аксиальной хиральностью». Журнал Американского химического общества . 140 (46): 15577−15581. doi :10.1021/jacs.8b08969. PMID  30398863. S2CID  53231838. Получено 18 августа 2020 г.
  8. ^ Дамрауэр, Роберт; Лин, Хай; Дамрауэр, Нильс Х. (2014). «Вычислительные исследования карбодиимидных колец». Журнал органической химии . 79 (9): 3781−3788. doi :10.1021/jo4026435. PMID  24716711. Получено 18 августа 2020 г.
  9. ^ abc Фредерик Курцер; К. Дураги-Заде (1967). «Достижения в химии карбодиимидов». Chem. Rev. 67 ( 2): ee107–152. doi :10.1021/cr60246a001. PMID  4859920.
  10. ^ Анри Ульрих (2008). Химия и технология карбодиимидов . Wiley-VCH. ISBN 978-0-470-06510-5.
  11. ^ Джон К. Шихан; Филип А. Круикшанк (1968). "1-этил-3-(3-диметиламино)пропилкарбодиимид гидрохлорид и метиодид". Org. Synth . 48 : 83. doi :10.15227/orgsyn.048.0083.
  12. ^ Арнаб К. Майти; Скай Фортье; Леонель Гриего; Алехандро Дж. Метта-Маганья (2014). «Синтез «суперобъемного» гуанидината, обладающего расширяемым координационным карманом». Inorg. Chem . 53 (15): 8155– 8164. doi :10.1021/ic501219q. PMID  25029088.
  13. ^ Монагл, Джей-Джей (1962). «Карбодиимиды. III. Превращение изоцианатов в карбодиимиды. Каталитические исследования». Дж. Орг. хим. 27 (11): 3851–3855 . doi :10.1021/jo01058a022.
  14. ^ Ли, Чжэнь; Майер, Роберт Дж.; Офиал, Армин Р.; Майр, Герберт (2020-04-27). «От карбодиимидов до диоксида углерода: количественная оценка электрофильной реактивности гетероалленов». Журнал Американского химического общества . 142 (18): 8383– 8402. doi :10.1021/jacs.0c01960. PMID  32338511. S2CID  216557447.
  15. ^ Тидвелл, ТТ (1990). «Окисление спиртов активированным диметилсульфоксидом и родственные реакции: обновление». Синтез . 1990 (10): 857– 870. doi :10.1055/s-1990-27036.
  16. ^ Джон Г. Моффат (1967). «Холан-24-ал». Орг. Синтез . 47:25 . дои :10.15227/orgsyn.047.0025.
  17. ^ Хессельманс, LCJ; Дерксен, Эй Джей; ван ден Гурберг, JAM (2006). «Поликарбодиимидные сшиватели». Прогресс в области органических покрытий . 55 (2): 142–148 . doi :10.1016/j.porgcoat.2005.08.011. ISSN  0300-9440.
  18. ^ Posthumus, W.; Derksen, AJ; van den Goorbergh, JAM; Hesselmans, LCJ (2007). «Сшивание поликарбодиимидами». Progress in Organic Coatings . 58 ( 2– 3): 231– 236. doi :10.1016/j.porgcoat.2006.09.031. ISSN  0300-9440.
  19. ^ Хотан Моджарради (2010). Связывание веществ, содержащих первичный амин, с гиалуронаном посредством амидирования, опосредованного карбодиимидом (диссертация). Университет Уппсалы. ISSN  1650-8297.
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Карбодиимид&oldid=1235826197"