Baeyerova–Villigerova oxidace

U Baeyerovy–Villigerovy oxidace nejprve peroxykyselina protonuje kyslíkový atom karbonylové skupiny,[1] karbonyl je tak mnohem náchylnější k ataku peroxykyselinou.[1] Následně peroxykyselina atakuje uhlík tohoto karbonylu za vzniku meziproduktu nazývaného Criegeeův meziprodukt.[1] Poté se jeden ze substituentů ketonové skupiny přesune na kyslíkový atom peroxidové skupiny a uvolní se karboxylová kyselina;[1] právě tento krok ovlivňuje rychlost reakce.[2] Nakonec dojde k deprotonaci oxokarbeniového iontu a vzniku konečného esteru.[1]

Mechanismus Baeyerovy-Villigerovy oxidace

Tvorba konkrétních produktů je pravděpodobně řízena primárními i sekundárními stereoelektronovými jevy.[3] Primární souvisejí s nutností, aby byla vazba mezi atomy kyslíku v peroxidu v opačné rovině než skupina, která se přesunuje;[3] takováto orientace umožňuje ideální překryv orbitalů σ přesunující se skupiny s orbitaly σ* peroxidové skupiny.[1] Sekundární stereoelektronové jevy souvisejí s potřebou, aby byl volný elektronový pár kyslíku v hydroxylové skupině v opačné rovině než skupina, která se přesunuje,[3] což umožňuje ideální překryv nevazebných orbitalů kyslíkového atomu hydroxylu s orbitaly σ* této skupiny.[4] Při tomto kroku dvě nebo tři molekuly peroxykyseliny pomáhají hydroxylovému protonu přesunout se do nové pozice.[5]

Stereoelektronové jevy při Baeyerově–Villigerově oxidaci

Schopnost přesunu klesá v této řadě: terciární skupina > sekundární skupina > aryl > primární skupina.[6] Allylové skupiny migrují lépe než primární alkyly, ovšem hůře než sekundární alkyly.[4] Pokud se na substituentu nachází skupina snižující elektronovou hustotu, pak se rychlost migrace snižuje,[7] pro což existují dvě možná vysvětlení.[8] Jedno z nich spočívá v tvorbě kladného náboje u přechodného stavu, což má za následek rozpad Criegeeova meziproduktu (jehož rezonanční struktury jsou zobrazeny na následujícím obrázku).[8] Vzhledem ke struktuře tohoto meziproduktu bude mít nejvyšší migrační schopnost meziprodukt s kladným nábojem.[8] Čím větší je úroveň substituce, tím je vzniklý karbokation obecně stabilnější[9] a proto se terciární skupiny přesunují lépe než sekundární a sekundární lépe než primární.

Rezonanční struktury Criegeeova meziproduktu

Při druhém možném vysvětlení se využívají stereoelektronové a sterické efekty.[10] Jak již bylo vysvětleno dříve, tak se přesouvá ten substituent, který je v přechodném stavu v antiperiplanární poloze vůči peroxidové skupině.[3] U tohoto přechodného stavu se objevují interakce mezi peroxykyselinou a skupinou, která se nepřesunuje, jež souvisejí s konformací přechodného stavu.[10] Pokud se objemnější skupina nachází vzhledem k peroxidové skupině v antiperiplanární poloze, tak dojde k omezení interakcí mezi vznikajícím esterem a karbonylem peroxykyseliny.[10] Objemnější skupina tedy bude „upřednostňovat“ peroxidovou skupinu, čímž se zvýší její náchylnost k přesunu.[10]

Ovlivnění náchylnosti k přesunu skupiny sterickými efekty

V roce 1899 Adolf Baeyer a Victor Villiger poprvé popsali reakci dnes známou pod názvem Baeyerova–Villigerova oxidace.[11][12] K tvorbě odpovídajících laktonů z kafru, menthonu a tetrahydrokarvonu použili kyselinu peroxosírovou.[12][13]

Původní reakce popsaná Baeyerem a Villigerem

Byly navrženy tři mechanismy Baeyerovy–Villigerovy oxidace, které se zdály být v souladu s pozorováními.[14] Tyto mechanismy lze rozdělit na dva různé druhy peroxidového ataku podle toho, jestli k nim dochází na kyslíkovém či vodíkovém atomu karbonylové skupiny.[15] U ataku na kyslíkovém atomu mohou existovat dva různé meziprodukty; Baeyer a Villiger navrhli dioxiranový meziprodukt, zatímco Georg Wittig a Gustav Pieper navrhli tvorbu peroxidu (při které nevzniká dioxiran).[15] Rudolf Criegee předpokládal, že k ataku dochází na uhlíkovém atomu;[15] v tomto případě by peroxokyselina atakovala karbonylový uhlík za vzniku látky dnes nazývané Criegeeův meziprodukt.[15]

Navržené meziprodukty Baeyerovy-Villigerovy oxidace

V roce 1953 William von Eggers Doering a Edwin Dorfman nalezli pomocí značení benzofenonu kyslíkem-18 správný mechanismus.[14] Každý ze tří navržených mechanismů vedl k rozdílnému rozložení značkovaných produktů. Criegeeův meziprodukt by vedl k produktu označkovanému pouze na karbonylovém kyslíku.[14] Produkt vzniklý z Wittigova-Pieperova meziproduktu by byl označen pouze na alkoxy skupině esteru.[14] Meziprodukt, který navrhli Baeyer a Villiger, by vedl k rovnocennému vzniku obou předchozích produktů.[14] Výsledek experimentu byl v souladu s tvorbou Criegeeova meziproduktu,[14] a nyní je přijímán jemu odpovídající mechanismus.[1]

Různé možné výsledky Dorfmanova a Doeringova experimentu se značkováním

Přesun skupiny neovlivňuje stereochemii produktu.[16][17]

Baeyerova–Villigerova oxidace provádí s mnoha různými peroxokyselinami, nejčastější jsou kyselina meta-chlorperoxybenzoová a kyselina trifluorperoctová.[2] Obecně platí, že se vyšší reaktivity dosahuje při nižší hodnotě disociační konstanty (tedy vyšší kyselosti) odpovídající karboxylové kyseliny (nebo alkoholu, pokud je k oxidaci použit peroxid).[4] Z tohoto důvodu reaktivita klesá v řadě kyselina trifluorperoctová > kyselina 4-nitroperoxobenzoová > kyselina meta-chlorperoxybenzoová > kyselina peroxyoctová > peroxid vodíku > terc-butylhydroperoxid.[4] Peroxidy jsou zde mnohem méně reaktivní než peroxokyseliny;[2] při použití peroxidu vodíku je často potřeba katalyzátor.[6][18] Použití organických peroxidů a peroxidu vodíku často způsobuje zvýšený výskyt vedlejších reakcí.[19]

Používání peroxokyselin a peroxidů při Baeyerově–Villigerově oxidaci ketonů může vést k nechtěné oxidaci dalších funkčních skupin,[20] mimo jiné alkenů a aminů. Alkeny mohou být, obzvláště, je-li na nich vysoká elektronová hustota, oxidovány na epoxidy.[20][21] Byly ovšem vyvinuty metody, pomocí kterých se lze vyhnout těmto vedlejším reakcím.[20] Roku 1962 bylo popsáno, že při použití hydroperoxidu za přítomnosti selenového katalyzátoru dochází k tvorbě alkenylketonů, zatímco je-li použita kyselina peroxooctová, tak vzniká ester.[22]