Ostatnio w laboratorium (90.)

 Po tym jak kilka lat temu miałem wątpliwą przyjemność pracować z tiofosgenem liczyłem na to, że już nie będę potrzebował go używać. Ale los jest złośliwy i właśnie pomagam przy jego produkcji. 

Tiofosgen to jeden ze związków w kategorii: bardzo szkodliwy ale jednak potrzebny i ktoś go musi produkować. Można go opisywać jako chlorowaną pochodną monosiarczku węgla. Między węglem a siarką wiązanie podwójne a do węgla doczepione jeszcze dwa chloru. Jest cięższym analogiem fosgenu zawierającego tlen zamiast siarki, który był używany jako gaz bojowy. Ma od fosgenu mniejszą lotność i niższą toksyczność więc w pewnych zastosowaniach może go zastępować. Widoczny tu produkt końcowego etapu ma czystość 99% i jest oleistą, ciemnowiśniową cieczą o ostrym,duszącym zapachu. Nic przyjemnego.

Ps. To 350 wpis na blogu i cieszę się, że nie ostatni choć z motywacją było ostatnio ciężko.

Kiedyś w laboratorium (89.)

 

Roztwór chromianu srebra przypomina wyglądam sok pomidorowy z paroma kroplami mleka. 

Jest to przykład wyglądu roztworu po przekroczeniu punktu końcowego w metodzie argentometrycznego miareczkowania jonów chlorkowych lub bromkowych. Metoda wykorzystuje tu fakt silniejszego wiązania się jonów srebra z anionami chlorkowymi niż z chromianowymi. Badany roztwór miareczkuje się azotanem srebra po dodaniu niewielkiej ilości chromianu potasu. Początkowo wygrywa silniejsza reakcja wytrącania chlorku lub bromku srebra. Gdy w roztworze skończą się oznaczane aniony, od kolejnej kropli powstaje czerwony chromian srebra, co oznacza koniec miareczkowania.  Miareczkowanie prowadzi się w warunkach obojętnych lub tylko lekko zasadowych, ze względu na przeszkadzające przy innym odczynie reakcje uboczne. 

Kiedyś w laboratorum (88.)

 Gdy chemik chce wykonać szybkie sprawdzenie przebiegu reakcji na płytce TLC, to najlepiej jest to zrobić, gdy substrat i/lub produkt są barwne, bo wtedy łatwiej się zorientować, czy pojawiła się lub zniknęła oczekiwana plamka. Jeśli nie ma tak dobrze, może skorzystać z tego, że wiele sprzedawanych płytek świeci w ultrafiolecie, a z kolei wiele związków chemicznych ten ultrafiolet pochłania dając ciemniejszą plamę. 

Ale czasem składnik mieszaniny którego się spodziewany, nie jest widoczny ani tak ani tak. I wtedy trzeba zamoczyć całą płytkę w odczynniku, który uwidoczni czy coś jest na niej obecne. Do niektórych typów substancji mogą być użyte odczynniki specyficzne, jak ninhydryna do ujawniania aminokwasów. Często jednak używa się odczynników pokazujących, że w ogóle coś jest w danym miejscu, bez rozróżniania. Takim odczynnikiem może być stężony kas siarkowy, który zwęgla wszelką organikę dając ciemne plamy. A na powyższej płytce użyłem nadmanganianu potasu.  

Nadmanganian to silny utleniacz, który reaguje z wieloma substancjami tracąc kolor. Może ujawniać cukry redukujące, różnego typu wrażliwe alkohole i aldehydy oraz związki nienasycone. Co takiego było akurat na tej płytce - nie pamiętam.

Nieoczekiwana cyklizacja

Ten przypadek pokazuje, że wiele jest jeszcze mechanizmów chemicznych, które nie przyszły nam wcześniej do głowy. Oraz, że nawet Noblista się myli, ale w tym przypadku wynikło z tego coś dobrego.

Credit: Angewandte Chemie Int Ed. 

  Duża część przydatnych związków organicznych daje się opisać jako po prostu podstawione pochodne benzenu. Nieraz podstawniki są bardzo skomplikowane, ale pomiędzy nimi jest tylko zwykły sześciowęglowy pierścień. Z tego też powodu nowe reakcje cyklizacji, pozwalające otrzymać pochodne z określonymi grupami w kontrolowanej pozycji, są zawsze w cenie. 

  Laureat Nagrody Nobla w chemii za rok 2021, Benjamin List, próbował opracować taką właśnie nową reakcję. Pomysł był interesujący. Prosty aldehyd zawierający interesującą nas grupę boczną reaguje z 1,3-cyklopentadienem, reaktywnym związkiem w formie pięciowęglowego pierścienia z dwoma wiązaniami podwójnymi. Zachodi między nimi addycja podobna do reakcji Knoevenagla. Produktem  jest fulwen, to jest związek w którym do opisanego już pierścienia dołącza się kolejne wiązanie podwójne, odchodzące zwornikowo. Powstaje więc zwarta struktura trzech blisko położonych wiązań podwójnych, która może ulegać różnym reakcjom. 

To nie było nic nowego, taką reakcję już znano.

Prototypowy fulwen

  I tu wchodził genialny pomysł noblisty. Pod wpływem światła ultrafioletowego  miało nastąpic stworzenie nowego wiązania w pięciowęglowym pierścieniu. Powstałby układ podobny trochę do domka z dziecięcego obrazka - kwadrat i trójkąt. A ze szczytu trójkąta podwójne wiązanie. Ten układ miał ulegać reakcji z katalizatorem platynowym do wytworzenia struktury z dwoma kwadratowymi pierścieniami z wiązaniami podwójnymi. A ta struktura jest już znana w chemii jako "benzen Dewara". W połowie XIX wieku trwała debata na temat struktury benzenu, w którym sześć atomów węgla łączyło się z sześcioma wodorami i nie dało się tego opisać znanymi wtedy modelami zakładającymi tylko wiązania pojedyncze między atomami. Kilku badaczy zaproponowało wtedy różne rozwiązania i Dewar zgłosił aż siedem różnych wersji, z czego jedna zawierała dwa kwadraty. Strukturę tę zsyntezowano w latach 70. kończąc dyskusje czy związek może istnieć. Jest ona nie płaska i przypomina prosty daszek:

  Dla nas i dla Lista najciekawsze jest w niej to, że ze względu na znaczne odkształcenie przekształca się ona spontanicznie w benzen, i atomy przestawiają się w taki sposób, że da się przewiedzieć w jakiej pozycji znajdą się podstawniki. Skoro więc odpowiednim przegrupowaniem zamienimy fulwen w pochodną benzenu Dewara, ta zamieni się samorzutnie w benzen "normalny" i tak mamy oczekiwaną pochodną z pierścieniem sześciokątnym. I koniec syntezy.

  Tak że patrząc na to z boku - świetny pomysł, byłoby świetnie, gdyby go zrealizować. Tak więc rozpoczęto prostą, modelową reakcję, otrzymany fulwen poddano naświetlaniu UV aby wyizolować związek pośredni do reakcji z platyną... Po czym okazało się, że większość fulwenu zamieniła się w coś zupełnie innego. 

Głównym produktem reakcji był podstawiony spiro-[2,4]-heptadien, z więc związek w którym opisywany już pierścień pięciokątny ma jeden róg wspólny z trójkątnym. 

  Sama w sobie taka struktura jest interesująca, była już znana wcześniej, ale metody jej syntezy były ograniczone do szczególnych przypadków. Tutaj musiało zajść coś intrygującego. Poprzez dalsze symulacje komputerowe a następnie drogą badania pochodnej deuterowanej rozwikłano interesujący mechanizm. 

  Po naświetleniu związku ultrafioletem, jedno z wiązań wiązania podwójnego pękało, tworząc parę wolnych rodników. Dalsze zachowanie się tych niesparowanych elektronów wynikało już z różnej trwałości rodników. Jak to wiele razy tłumaczy się studentom podczas omawiania rezonansu, rodniki alkilowe mają trwałość zależną od rzędowości. W przypadku pośredniej cząsteczki dirodnika fulwenu, jeden niesparowany elektron siedzi w wygodnym dla niego miejscu, na zworniku pierścienia pięciowęglowego, od którego odchodzi nie pęknięte jedno wiązanie. Trwałość rodnika na węglu trzeciorzędowym jest zdecydowanie większa niż dla innych przypadków.  

  Drugi niesparowany elektron siedzi w mniej wygodnym miejscu, na węglu teraz już drugorzędowym. Ale zaraz obok mamy węgiel trzeciorzędowy, w miejscu rozgałęzienia podstawnika. Następuje więc przesunięcie rodnika tam, a na jego miejsce wskakuje atom wodoru z rozgałęzienia. Taka roszada.

Powstaje więc cząsteczka z dwoma rodnikami na dwóch trzeciorzędowych miejscach, które dzięki temu mają większą trwałość. A skoro tak już się umiejscowiły, to mogą ze sobą zareagować, odtwarzając wiązanie, ale teraz już między innymi atomami. Rekombinacja niszczy stan rodnikowy i tworzy trójkątny pierścień. Wszystkie te przesunięcia są na tyle korzystne energetycznie, że końcowy spiro-heptadien powstaje z zadowalającą wydajnością dochodzącą do 70-98% w niektórych przypadkach. 

  Reakcja po ustaleniu przebiegu została przetestowana na szeregu innych związków, w tym takich, w których trójkątny pierścień cyklopentanowy ma na drugim końcu rozbudowane podstawniki lub kolejny pierścień. Otrzymywanie takich rozbudowanych pochodnych z trzema pierścieniami spiro innymi metodami nie jest takie łatwe i mało było na ten temat publikacji, więc spodziewać się teraz możemy fali kolejnych badań na temat tego typu związków, skoro pojawiła się zupełnie nowa metoda otrzymywania.

-------

* Benjamin List et.al. Toward a Formyl-to-Phenyl Conversion: An Unexpected Photochemical Fulvene Rearrangement, Angew. Chem.Int. Ed.2023, e202303119 

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202303119