Реакция Арбузова

Реакция Арбузова (реакция Михаэлиса — Арбузова, перегруппировка Арбузова) — в классическом варианте — алкилирование триалкилфосфитов алкилгалогенидами с образованием диалкилфосфонатов:

В случае, если алкильные заместители триалкилфосфита и алкилгалогенида R₁ и R₂ одинаковы, то говорят о перегруппировке Арбузова. Реакция открыта в 1898 году Августом Михаэлисом[1] и детально исследована Александром Арбузовым[2][3].

В настоящее время реакция Арбузова используется не только для синтеза фосфонатов из фосфитов, но и для получения фосфорильных соединений со связью C-P алкилированием или арилированием полных эфиров кислот трехвалентного фосфора:

${\displaystyle {\mathsf {RR^{1}POR^{2}+R^{3}X\rightarrow RR^{1}R^{3}P{\text{=}}O+R^{2}X}}}$

Механизм реакции

Реакция Арбузова идет через промежуточное образование фосфониевых солей с их дальнейшей перегруппировкой. На первой стадии происходит алкилирование по механизму S_N2 алкилгалогенидом 2 триалкилфосфита 1 с образованием триалкоксифосфониевой соли 3.

На следующей стадии происходит нуклеофильная атака галогенид-иона на электрофильный атом углерода алкоксигруппы с отщеплением алкилгалогенида 5 и образованием диалкилфосфоната 4, эта стадия получила название перегруппировки Арбузова.

По аналогичному механизму протекает и алкилирование фосфинитов (A, B = R) и фосфонитов (A = R, B = OR):

В реакцию Арбузова вступают и тиоаналоги эфиров кислот трехвалентного фосфора:

${\displaystyle {\mathsf {RR^{1}PSR+R^{3}X\rightarrow RR^{1}R^{3}P{\text{=}}S+R^{2}X}}}$

однако в этом случае реакция осложняется конкурирующим алкилированием серы с дальнейшим отщеплением сульфида:

${\displaystyle {\mathsf {R_{2}^{1}PSR+RX\rightarrow R_{2}^{1}PS^{+}R_{2}X^{-}}}}$

${\displaystyle {\mathsf {R_{2}^{1}PS^{+}R_{2}X^{-}\rightarrow R_{2}^{1}PX+R_{2}S}}}$

В случае алкилирования фосфитов α-галогенальдегидами и α-галогенкетонами параллельно с реакцией Арбузова, ведущей к фосфонатам, может протекать образование винилфосфатов (реакция Перкова):

Применимость и модификации

В классическом синтезе триалкилфосфонатов из триалкилфосфитов используемый в реакции алкилгалогенид идентичен образующемуся, поэтому его берут в каталитических количествах:

${\displaystyle {\mathsf {P(OR)_{3}+RHal\rightarrow RP(O)(OR)_{2}+RHal}}}$

Триметилфосфит и другие метилфосфиты в аналогичных условиях под действием кислот Льюиса претерпевают перегруппировку Арбузова в отсутствии метилгалогенидов:

${\displaystyle {\mathsf {P(OR)_{2}CH_{3}\rightarrow CH_{3}P(O)(OR)_{2}}}}$

В случае алкилирования другими алкилгалогенидами их берут в избыточном количестве, реакцию проводят при 100—160 °C, в случае низших алкилфосфитов (триметил-, триэтил- и т. п.) образующиеся в реакции низкокипящие галогениды отгоняют из реакционной смеси для предотвращения образования нецелевого фосфоната[4].

Использование кислот Льюиса позволяет снизить температуру реакции, так, например, в присутствии бромида цинка бензилгалогениды и их гетероциклические аналоги вступают в реакцию с триэтилфосфитом при комнатной температуре, образуя соответствующие фосфонаты с выходами 80—90 %, катализ ZnBr₂ также позволяет использовать в качестве алкилирующих вместо бензилгалогенидов соответствующие бензиловые спирты с выходами фосфонатов в 75—85 %[5],[6]:

${\displaystyle {\mathsf {ArCH_{2}X+P(OEt)_{3}\rightarrow ArCH_{2}P(O)(OEt)_{2},\ X=Br,Cl,OH}}}$

Синтетическое применение

Фосфонаты с подвижными атомами водорода у метиленовой группы используются как субстрат при синтезе алкенов («олефинировании карбонильной группы») по Хорнеру-Уодсворту-Эммонсу

Значение реакции

По существу, Арбузов не только нашёл важнейший путь для лабораторного и промышленного получения ФОС фосфорорганических соединений, но и разрешил серьёзную теоретическую проблему. На момент начала его исследования среди учёных не существовало единой версии о структуре фосфористой кислоты. Причём, все свои выводы о её строении они делали на основе изучения свойств её солей и органических производных. Однако ни одна из этих работ не давала чёткого ответа на поставленный вопрос. О причинах этого сам А. Е. Арбузов вспоминал впоследствии: «Не вдаваясь в подробности, могу коротко сказать, что ни один из моих предшественников по получению и изучению полных эфиров фосфористой кислоты… не сумел их приготовить. Под видом этих соединений, как я позднее выяснил, описывались смеси неопределённого состава».[7]

В результате ряда неудач возник фундаментальный кризис в методологии: некоторые учёные стали даже утверждать, что теория строения органических соединений А. М. Бутлерова неприменима к органическим производным элементов с переменной валентностью ― например, к фосфору.[8] А. Е. Арбузов в серии точных лабораторных экспериментов показал, что противоречивые результаты возникали лишь по причине недостаточного знакомства со свойствами полных эфиров фосфористой кислоты, отсутствия хорошо разработанных методов их синтеза, выделения и очистки. И в первую очередь диссертанту удалось получить действительно чистые полные эфиры фосфористой кислоты.[8]

Как следствие, реакция Арбузова дала точный ключ сначала к пониманию валентной структуры связей внутри формулы фосфористой кислоты, а затем и органических соединений фосфора. Тем самым подтвердила незыблемость положений теории А. М. Бутлерова. Кроме решения фундаментальной теоретической проблемы, арбузовское исследование дало ключ сначала к экспериментальному, а затем и промышленному синтезу органических производных фосфора. Эта реакция ― легла в основание всего современного производства целого класса соединений — фосфорорганических.[8]

См. также

• Реакция Абрамова
• Реакция Перкова

Примечания

1. Michaelis, A.; R. Kaehne. Ueber das Verhalten der Jodalkyle gegen die sogen. Phosphorigsäureester oder O-Phosphine (нем.) // Berichte der deutschen chemischen Gesellschaft^[англ.] : magazin. — 1898. — Bd. 31, Nr. 1. — S. 1048—1055. — ISSN 1099-0682. — doi:10.1002/cber.189803101190. Архивировано 18 августа 2011 года.
2. Arbuzov, A. E. {{{заглавие}}} (неопр.) // J. Russ. Phys. Chem. Soc.. — 1906. — Т. 38. — С. 687.
3. Arbuzov, A. E. {{{заглавие}}} (неопр.) // Chem. Zentr.. — 1906. — Т. II. — С. 1639.
4. Nagata, W.; Wakabayashi, T.; Hayase, Y. Diethyl 2-(cyclohexylamino)vinylphosphonate (англ.) // Organic Syntheses. — 1973. — Vol. 53. — P. 44. — ISSN 2333-3553. Архивировано 11 октября 2012 года.
5. Rajeshwaran, Ganesan Gobi; Meganathan Nandakumar, Radhakrishnan Sureshbabu, Arasambattu K Mohanakrishnan. Lewis Acid-Mediated Michaelis−Arbuzov Reaction at Room Temperature: A Facile Preparation of Arylmethyl/Heteroarylmethyl Phosphonates (англ.) // Organic Letters^[англ.] : journal. — 2011. — 18 March (vol. 13, no. 6). — P. 1270—1273. — ISSN 1523-7060. — doi:10.1021/ol1029436. Архивировано 6 августа 2018 года.
6. "Direct Conversion of Benzylic and Allylic Alcohols to Diethyl Phosphonates". Organic Syntheses (англ.). 90: 145. 2013. doi:10.15227/orgsyn.090.0145. ISSN 2333-3553. Архивировано 7 августа 2023. Дата обращения: 7 августа 2023.
7. А. Е. Арбузов, Краткий очерк развития органической химии в России (монография). — М.-Л: 1948 г.
8. Борис Горзев. «Реакция Арбузова» (редакционная колонка). — М.: «Химия и жизнь», № 8, 1967 год