Payne'i ümberasendus

Payne’i ümberasendus on reaktsioon orgaanilises keemias, kus aluselises keskkonnas 2,3-epoksüalkoholis toimub OH- ja epoksürühma inversioon C-2 ümber. Tuntakse ka asa- ja tia-Payne’i ümberasendusi, vastavalt asidriinides ja tiraaniumites.

Sissejuhatus
Aluselistes tingimustes 2-3-epoksüalkoholides toimub ümberasendus, kus alkoholi rühma hapnik avab epoksiidi, millega kaasneb asendite inversioon, moodustades 1,2-epoksüalkoholi. Üldiselt esindab Payne’i ümberasendus epoksiidi migratsiooni. Kuigi migratsioon on täielikult pöörduv, on võimalik saavutada häid saagiseid, nukleofiilse avamisega Curt-Hammeti tingimustes, funktsionaliseeritud dioolide näol, mis on saadud üksiku epoksiidiga alkoholi isomeeridest. Ümberasendusel tekkiva alkoksiidi lõksu püüdmisel elektrofiiliga on samuti võimalik reaktsioon lõpuni viia. Mõnel juhul on termodünaamiline erinevus kahe isomeeri vahel piisavalt suur, et saada üht isomeeri sünteetiliselt kasuliku saagisega, ilma et peaks tuginema kineetilistele erinevustele, mis on seotud lõksupüüdmisega.
(1)
Tugevalt aluselised tingimused on vajalikud, et tekitada tasakaaluolek, mis limiteerib sünteesi sellisteks substraatideks, mis ei ole alustes stabiilsed. Paljud epoksüalkoholi tasakaalud on väga hästi tasakaalus, kuid kasutades eespool kirjeldatud strateegiaid, on võimalik saada kõrgete saagistega kindlaid isomeere.

Mehhanism ja stereokeemia

Põhimehhanism
Payne’i ümberasenduse põhimehhanism hõlmab vaba hüdroksüülrühma deprotoneerimist, seejärel allesjäänud hapniku nukleofiilset rünnakut lähedal olevale epoksiidi süsinikule ja siis uue vabanenud alkoksiidi reprotoneerimist. Iga protsessi samm on pöörduv.
(2)
Mitmed vaatlused vihjavad sellele, et antud mehhanismi pilt on ülelihtsustatud. Epoksiidi migratsioon kas ei toimu, või on väga aeglane aprotoonsetes tingimustes. Arvatakse, et nukleofiilne rünnak aeglustub, kuna metalli ioonid koordineeruvad nukleofiilse hapniku ümber aprotoonsetes tingimustes. Lisaks sellele, kui lisatakse väline nukleofiil tasakaalulistele epoksiidide isomeeridele, siis produktide suhe ei peegelda epoksiidi isomeeride suhtele lahuses ega nende termodünaamilisele stabiilsusele. In situ tasakaalus olevate epoksiidide avamine on üks näide Curtin-Hammetti tingimustest, sest epoksiidid on tasakaalustumas kiiresti vastavalt epoksiidi avamise suhtele, vaadeldava produkti suhet dikteerivad epoksiidi rõnga avamise kineetilised barjäärid. Allolevas näites on terminaalse epoksiidi avamine põhiprodukt, kuigi terminaalne epoksiid ise on vähem termodünaamiliselt stabiilne kui tema isomeer.
(3)

Stereokeemia
Payne’i ümberasendus toimub stereokeemia inversiooniga C-2 juures. Substraatides, mis sisaldavad kõrval asuvaid hüdroksüül rühmasid, võib toimuda ahelreaktsioonina epoksiidi migratsioon, milles toimub inversioon igas nukeofiili rünnaku asukohas. Ühes näites toimub kolme järjestikuse stereotsentri inversioon, pärast epoksiidi kahekordset migratsiooni, epoksiidi avamine karboksülaadi abil ja tuleneva laktooni hüdrolüüs.
(5)

Ulatus ja piirangud

Payne'i ümberasendus
Tasakaalu positsiooni tsüklilistes ja atsüklilistes süsteemides on võimalik ennustada kahe tasakaalus oleva epoksiidi struktuuride põhjal. Atsüklilistes süsteemides on järgmised reeglid:
Suurem asendus epoksiidi rõngal on eelistatud
Kahekordselt asendatud epoksiidides, transisomeerid on eelistatud cis-isomeeridele.
Isomeerid primaarsete hüdroksüülrühmadega on eelistatud.
Elektrondoonorid asendusrühmana on stabiliseerivad, samas elektrone eemaldavad asendusrühmad on destabiliseerivad.
Püranosiidid on kõige enam uuritud tsüklilised ühendid. Uuringud epoksiidide migratsioonist püranosiidides ja teistes tsüklilistes epoksüalkoholides on paljastanud kolm üldistust:
Nagu ka atsüklilistes ühendites on eelistatud suurem asendus epoksiidi rõngal
Eelistatud isomeer on see, millel on rohkem pseudoekvatoriaalseid asendusrühmasid (see tähendab asendusrühmasid, mis asuvad rõngaga enam-vähem tasapinnaliselt)
Molekulisisesed vesiniksidemed ja teised ruumi läbivad interaktsioonid ei mängi rolli tasakaalu suhetel.

Asa- ja tia-Payne’i ümberasendused
Asa-Payne’i ümberasendust võib mõjutada kas "edaspidises" (epoksiidist asidriiniks) või "tagurpidises" (asidriinist epoksiidiks) suunas vastavalt sellele, milliseid tingimusi kasutatakse. Elektronivaesed asidriinid asenduvad ümber epoksiidideks hüdriidse aluse juuresolekul, samas vastavad epoksüamiinid asenduvad ümber epoksiidideks boortrifloriideeteraadi juuresolekul. 
(10)
Tia-Payne’i ümberasendust on ainult jälgitud edaspidises suunas (epoksiidist tiraaniumiks) koos tiraaniumi in situ avanemisega. Inversioonilist nukleofiilset avamine C-2 juures on võimalik, kasutades trialküülalumiiniumi reagente.
(11)

Võrdlus teiste meetoditega
Teiste olemasolevate meetodite eeliseks, 2,3-epoksüalkoholide saamisel, on see, et nad ei vaja lähteainetena 2,3-epoksüalkohole. Samas on nendes reaktsioonides rohkem samme kui epoksiidi migratsioonis. Asümmeetrilist dioksüleerimist saab kasutada, et sünteesida epoksüalkohole kõrge stereoselektiivsusega, ja mõned meetodid, mis põhinevad dihüdroksüleerimisel, väldivad tugevalt aluseliste keskkondade kasutamist.
(14)
Alternatiivne meetod C-2 juures oleva konfiguratsiooni säilitamiseks on epoksüalkoholi mesüleerimine, epoksiidi avamine ja seejärel uuesti sulgemine mesülaadi väljatõrjumise teel.
(15)

Eksperimentaalsed tingimused ja protseduur

Tüüpilised tingimused
Otsmise epoksiidi avamine juhusliku hüdroksiidi tõttu võib juhtuda ümberasenduse tingimustes, kui seda ei soovita, siis tuleb kasutada veevabasid solvente, reagente ja klaasnõusid. Värskelt valmistatud naatriummetoksiidi metanoolis kasutatakse tihti, et saavutada ümberasendus, ilma et epoksiid avaneks. Nukleofiilset avanemist on võimalik saavutada kasutades naatrium-asiidi, liigset hüdroksiidi või vase anioonidega reagente liitiumkloriidi juuresolekul. Elektrofiilidega lõksu püüdmist tehakse tavatingimustes mõne elektrofiili (näiteks bensüül bromiidi) juuresolekul. Silüülhaliide on samuti kasutatud elektrofiilse lõksu püüdmise reagentidena.
Et takistada epoksiidi migreerumist, võib kasutada nõrku aluselisi tingimusi. Madalad temperatuurid on samuti kasulikud, kui ei soovita epoksiidi migratsiooni.

Näidisprotseduur
(16)
Valmistati lahus metüül(tsüano)kupraati (edaspidi lahus A) järgmiselt: 0,35 g vask(I) tsüaniidi suspensioonile tetrahüdrofurfuraanile lisati tilkhaaval 5 minuti jooksul 2,76 mL metüülliitiumi lahust etüüleetris (1,4M) argooni keskkonnas 0 °C juures. Saadud värvitut lahust segati 10 minutit 0 °C juures, seejärel soojendati seda 25 °C-ni 30 minuti jooksul, pärast seda jahutati lahus uuesti 0 °C-ni. Eraldi valmistati liitiumisoola (±)-cis-4-bensüüloksü-2,3-epoksü-1-butanooli lahus (edaspidi lahus B) järgmiselt: 0,9 g liitiumkloriidi, 0,5 g epoksüalkoholi ja 10 mL tetrahüdrofurfuraani lahusele, argooni keskkonnas −78 °C juures, lisati tilkhaaval 1,65 mL n-butüülliitiumi ja heksaani lahust (1,56 M). Saadud lahust segati 5 minutit −78 °C juures, seejärel lasti soojeneda 0 °C-ni ja segati seda lahust 10 minutit sellel temperatuuril. Pärast seda lisati lahusele B lahust A läbi kanüüli 0 °C juures. Lahusel lasti soojeneda toatemperatuurini 2 tunni jooksul, seejärel segati lahust veel 12 tundi ja lisati ettevaatlikult 5 mL küllastunud ammoniumkloriidi vesilahust. Lahust segati veel 2 tundi, et vase jääke paremini eemaldada. Lisati 20 mL etüüleetrit ja ekstraheeriti orgaaniline kiht. Vee faasi ekstraheeriti veel kaks korda 20 mL etüüleetriga ja kombineeritud orgaanilised faasid kuivatati magneesium sulfaadiga, seejärel filtreeriti ja kontsentreeriti, et saada 0,51 g produkti, mis oli värvitu õli puhtusega 95%. IR(film) 3400, 3100, 3060, 3030, 2970, 2930, 2870, 1600, 1500, 1465, 1445, 1385, 1370, 1320, 1285, 1210, 1180, 1120, 1100, 1075, 1030, 1020, 980, 905, 830, 750, 730, 710, 695 cm–1; 1H NMR (CDCl3) δ 0,90 (t, J = 6,0 Hz, 3 H), 1,37–1,53 (m, 2 H), 3,20 (br s, 2 H), 3,40–3,65 (m, 4 H), 4,48 (s, 2 H), 7,29 (s, 5 H).

Viited

Keemilised reaktsioonid
Orgaaniline keemia