Навигация
Интерконверсия норкарадиен - циклогептатриен
78535
знаков
0
таблиц
66
изображений
1. Интерконверсия норкарадиен - циклогептатриен
Одно из интереснейших скелетных превращений карановых структур — перегруппировки, связывающие терпеноиды ряда карана и ряда 1,1,4-триметилциклогептана, — привлекло внимание исследователей и привело к открытию такого замечательного явления в органической химии, как "быстрое" равновесие норкарадиен - циклогептатриен. Этой теме посвящено большое количество работ последней трети двадцатого века.47-55 Быстрое равновесие валентных таутомеров норкара-2,4-диена (59) и циклогепта-1,3,5-триена (60) обусловлено типично согласованной реакцией — дисротаторным раскрытием и замыканием трехчленного карбоцикла, причем этот процесс подчиняется правилам сохранения орбитальной симметрии, сформулированным Вудвордом и Гофманом.56
Для незамещенного углеводорода (R1 = R2 = H) это равновесие настолько сдвинуто в сторону моноциклического таутомера 60, что норкарадиен не удавалось обнаружить никакими физическими методами. Его существование постулировали на основании поведения замещенных аналогов (R1 = CN, R2 = CF3; R1 = CO2Me, R2 == Ph; R1 = CO2Me, R2 = C6H4OMe-4), которые в виде равновесных смесей с соответствующими циклогептатриенами обнаружены при исследовании последних методом низкотемпературного ЯМР.55 Только в 1981 г., четверть века спустя после появления гипотезы о валентной таутомерии циклогептатриена, удалось зафиксировать незамещенный норкарадиен при низкотемпературном (77 К.) фотолизе трицикло[3.2.2.02,4]нон-6-енди-8,9-она.57
Экспериментально установлено, что бициклическую структуру способны стабилизировать π-акцепторные заместители в положении 7.55 Природу такой стабилизации изящно объяснил Р.Гофман в рамках метода граничных МО.53 Очевидно, что метальные заместители стабилизаторами быть не могут, и поэтому для системы 2,4-карадиен (58) — 3,7,7-триметилциклогепта-1,3,5-триен (61) равновесие всегда сдвинуто в сторону моноциклического партнера. Однако эти валентные таутомеры — все-таки разные, реально существующие соединения; они обладают различной реакционной способностью, что должно проявляться (и проявляется, как будет показано ниже) в химических реакциях.
Перегруппировки, обусловленные описанной выше валентной таутомерией, будут обсуждены более подробно, чем ионные, поскольку в отечественной научной литературе проблема таутомерии норкарадиена практически не рассматривалась. К сожалению, даже исследователи, работающие в области химии терпеноидов, привлекают для объяснения расширения каранового скелета до циклогептанового недостаточно обоснованные гипотезы.12,58
Перегруппировка циклогептатриен — норкарадиен была обнаружена при изучении химических превращений эйкарвона (2,6,6-триметилциклогепта-2,4-диенона (62)) — терпеноида, впервые синтезированного Байером,59 но впоследствии обнаруженного в эфирных маслах различных растений.60
Гипотеза о валентной таутомерии моно- и бициклических енолов 63 и 64, как возможное объяснение скелетной перегруппировки кетона 62 при образовании 3,7,7-триметил-5-гидрокси-3-карен-2-она (65) и 3,7,7-триметил-5-оксиимино-3-карен-2-она (66), была выдвинута в 1956 г.61,62 Впоследствии оказалось, что гораздо более распространенными являются перегруппировки карановых производных в триметилциклогептановые, поскольку равновесие в динамическом взаимопревращении двух таутомеров сильно сдвинуто в сторону моноциклического партнера.63
2,5,5-Триметилциклогепта-2,4-диенон (67), так же как и кетон 62. обнаружен в скипидарах из Pinus silvestris L.64 По-видимому, присутствие этих кетонов в живичном скипидаре объясняется тем, что из 3-карена (одного из основных компонентов скипидара) в процессе развития растения образуются непредельные кетоны ряда карана, которые затем согласованной электроциклической реакцией превращаются в моноциклические диеноны. Подтверждением этого могут служить результаты жидкофазного окисления 3-карена: содержание кетонов 62 и 67 в продуктах реакции достигало 20 и 28%.65
Следует отметить, что перегруппировки 64 → 63 и 68 → 69 — единственное на сегодняшний день объяснение присутствия в эфирных маслах кетонов с семичленным циклом. Общая схема биогенезиса терпенов 66,67 вообще не предусматривает образования подобных соединений. Однако широкое распространение в природе 3-карена и его производных и тот факт, что триметилциклогептановые соединения присутствуют только в тех эфирных маслах, где есть терпепоиды ряда карана, можно считать косвенным доказательством предположения о путях образования терпеноидов с семичленным циклом. Гораздо менее правдоподобным, по нашему мнению, является предположение о возможности образования эйкарвона (62) в процессе биосинтеза 12 тем же путем, каким его получал Байер: гидробромированием карвона и последующим дегидробромированием образовавшегося 8-бром-1-ментен-6-она.59
Наконец, серьезным аргументом в пользу перегруппировки 58 → 61 как причины образования циклогептановых терпеноидов не только in vitro, но и in vivo, служит обнаружение триена 61 в сосновом живичном скипидаре и в живицах отдельных деревьев Pinus silvestris.68 Поскольку этот триен существует только в паре с кара-2,4-диеном, который присутствует в скипидаре и живице, можно сделать вывод о возможности каталитического (ферментативного) дегидрирования 2-карена, также присутствующего в скипидарах.
Двойственная природа триена 61 чрезвычайно наглядно проявляется в реакции гидрирования (H2, Pt, 20°С); при неполном гидрировании в продуктах реакции наряду с триметилциклогептадиенами и триметилциклогептенами обнаруживаются также 3-карен (1) и 2-карен (31). Продукт исчерпывающего гидрирования представляет собой смесь 1,1,4-триметилциклогептана 70 (96%) и карана 71 (4%).69
Разумеется, соотношение конечных продуктов гидрирования (70:71 = 96:4) не отражает содержания таутомеров в исходной равновесной смеси. Сравнительно большое количество карана 71 может быть обусловлено тем, что плоская диеновая система карадиена 58 успешно конкурирует с неплоскими диеновыми фрагментами триена 61 в реакции 1,4-присоединения водорода.
Необычным является гидрирование 3-карена. В 1966 г. Кокером с соавт.70 было установлено, что продукт гидрирования 3-карена на платине представляет собой смесь соединений 71 (98%) и 70 (2%), а при гидрировании на палладии преобладающим продуктом является углеводород 70 (74%).70 Позже оказалось, что гидрирование 3-карена на медно-никелевом катализаторе протекает с образованием исключительно 1,1,4-триметилциклогептана (70).58 Авторы обеих работ считали, что такое течение реакции обусловлено изомеризацией 3-карена (1) в 2-карен (31) и 1,4-присоединением водорода к винилциклопропановой системе последнего с образованием углеводорода с семичленным циклом.
При этом подразумевалось, что возможность или невозможность 1,4-присоединения, которое является ключевой стадией перегруппировки, зависит от природы катализатора. Но 1,4-присоединение возможно только в том случае, если имеется сопряжение в диеновом (или, для углеводорода 31, в гомодиеновом) фрагменте. Однако молекула терпена 31 находится в конформации "плоское кресло",38 что ставит под сомнение возможность такого сопряжения. Фотоэлектронный спектр показывает, что π-орбиталь и ВЗМО диметилциклопропанового кольца в молекуле соединения 31 практически не взаимодействуют.17 То что 1,4-присоединение для молекулы 2-карена (31) неосуществимо, подтверждено экспериментально: взаимодействие синглетного кислорода — исключительно активного диенофила — с этим терпеном приводит лишь к аллильным гидропероксидам,27 в то время как его реакции, например, с α-фелландреном и α-терпиненом,71 дают продукты 1,4-присоединения — эндопероксиды.
При обсуждении механизма реакции Кокер с соавт.70 не учитывал полученные им же результаты: при использовании палладиевого катализатора содержание углеводорода 70 увеличивалось с повышением температуры гидрирования и составляло 100% при температурах выше 70°С, т.е. на соотношение продуктов реакции прежде всего влияет температура. Аналогичная температурная зависимость позже была установлена и для гидрирования на платине: если при 20°С содержание углеводорода 70 составляет 2-3%, то при 70 и 90°С — 37 и 46% соответственно.72
Скелетная перегруппировка 3-карена при гидрировании становится объяснимой, если учесть, что и платина, и палладий катализируют как прямую, так и обратную реакции и способны осуществлять дегидрирование в присутствии свободного водорода.73 Гидрирование 3-карена в результате присоединения водорода к двойной связи приводит к карану; дегидрирование 2-карена, всегда имеющегося в реакционной среде (вследствие изомеризации 3-карена, которая происходит на катализаторе в присутствии водорода), обусловливает появление диена 58, триена 61 и других соединений с измененным скелетом.74 Повышение температуры благоприятствует эндотермической реакции дегидрирования и, соответственно, увеличению содержания перегруппированных продуктов. Следует отметить, что гидрирование на медно-никелевом катализаторе, когда углеводород 71 был единственным продуктом, также проводили при высокой температуре (180°С).58
Прямым доказательством реализации именно этого механизма служит диспропорционирование 2- и 3-каренов на палладии и платине в отсутствие свободного водорода. В этом случае среди продуктов был идентифицирован триен 71, что подтверждает предположение о дегидрировании 2-карена (31) как о стадии, отвечающей за образование перегруппированных продуктов.75 В реакционной смеси присутствовали также триметилциклогептадиены 72 и 73. Однако ни один из известных путей изомеризации терпенов 1 и 31 (в том числе и каталитический) не приводит к подобному расширению цикла.
На основании сказанного выше можно сделать вывод, что перегруппировка карановых структур в триметилциклогептановые происходит в том случае, когда в ходе реакции возможно образование диена 58 (или его производных). Проще всего получить карадиен 58 из производных 2- и 4-карена, имеющих функциональную группу в аллильном положении. Так, при дегидрохлорировании 4-хлор-2-карена (74) образуется триен 61.76 В продуктах превращения эпоксида (75) в присутствии рениевых катализаторов обнаружили 4-карен-3-ол (76), который при дегидратации также дает углеводород 61.77
Теоретически дегидратация спирта 76 может идти и по другому направлению: с образованием терминальной метиленовой группы. Соответствующий углеводород — 3(10),4-карадиен (77) — действительно был обнаружен в продуктах реакции эпоксида 75.77 Углеводород 77, полученный впервые дегидрохлорированием 4-хлор-3(10)-карена (78),78 является первым устойчивым диеном с карановым скелетом.
Дегидратацией спирта 36 в присутствии гидроксида калия был синтезирован второй представитель этого ряда — 4-метил-3(10),4-карадиен (79).79
Диены 78 и 79 устойчивы (т.е. не склонны к таутомерным превращениям), так как в отличие от соединения 58 они имеют трансоидную диеновую систему, для которой невозможно электроциклическое замыкание и, следовательно, согласованная перегруппировка. Однако эти соединения весьма реакционноспособны: даже слабые кислоты, такие как салициловая и бензойная, изомеризуют трансоидную диеновую систему в цисоидную; затем происходит согласованная перегруппировка в циклогептатриены.80 При дегидратации спирта 36 над Al2O3 (кислотой Льюиса) в продукте реакции не обнаруживается даже следов диена 79 (в отличие от дегидратации над щелочью79), но присутствует 3,4,7,7-тетраметилциклогепта-1,3,5-триен (80).81
Гидрирование диена 79 на платиновой черни при 20°С также протекает с перегруппировкой, что, очевидно, обусловлено его изомеризацией на катализаторе.80 В данном случае примечательно сравнительно высокое содержание в продукте исчерпывающего гидрирования соединений с бицикло[4.1.0]гептановым скелетом 81, 82. Это означает, что скорость присоединения водорода к диену 79 выше, чем скорость его изомеризации, которая является побочным процессом (по крайней мере, при комнатной температуре).
Сочетание трех реакций — дегидратации, изомеризации и гидрирования — приводит к тому, что продуктом каталитического гидрирования спирта 36 в жестких условиях является 1,1,4,5-тетраметилциклогептан (83).82 На платине при 20°С реакция протекает без изомеризации как простое присоединение водорода к двойной связи и дает 4-гидроксиметилкаран (84).83
Перегруппировка, обусловленная валентной таутомерией, позволяет получать функциональные производные циклогептатриена. Так, диен 79 в реакции Принса дает два продукта гидроксиметилирования — моно- (85) и бициклический (86).84
При электрофильной атаке терминальной двойной связи в соединении 79 протонированной молекулой формальдегида образуется гомодиенильный ион 87, который стабилизируется двумя путями: выбросом протона от атома С(5) с образованием спирта 88 или от атома С(10) с образованием аллильного спирта 86. Спирт 86 под действием кислоты изомеризуется в карадиеновый спирт 88, который затем перегруппировывается в спирт 85.
Моноциклический спирт 85 может образоваться и по другому механизму. Если к исходному углеводороду присоединяется молекула формальдегида, первая стадия реакции протекает как согласованная через шестичленное поляризованное ПС (89)85 и приводит к бициклическому спирту 88. Последующая перегруппировка дает продукт реакции 85. Таким образом, превращение диена 79 в триеновый спирт 85 может протекать как последовательность двух согласованных реакций.
Следует отметить, что атака электрофильного агента (и заряженной молекулы, и диполя) направлена на атом С(10) соединения 79, т.е. на один из концов сопряженной гомотриенильной системы, более доступный с пространственной точки зрения. Однако в реакции с 2-кареном (31) протонированная молекула формальдегида присоединяется к наименее замещенному концу двойной связи, давая гомоаллильный спирт 90,86 что является дополнительным подтверждением отсутствия сопряжения в молекуле 2-карена.
Следует отметить, что основным продуктом дегидратации 2-гидроксиметил-3-карена (90) гидроксидом калия является не карадиен с экзоциклической двойной связью (91), а 2,3,7,7-тетраметилциклогепта-1,3,5-триен (92), который, очевидно, образовался через интермедиаты 93, 94.86
При дегидратации спирта 36 среди продуктов реакции кроме триеиа 80 обнаружен диен 79.84 В пентадиенильном анионе 93 заряд делокализован в большей степени, чем в аллильном анионе 95, поэтому превращение диена 91 в конечный продукт 92 происходит легче, чем превращение диена 79 в диен 96 и далее в циклогептатриен 80.
Вообще говоря, согласованная перегруппировка трансоидных карадиенов происходит чрезвычайно легко, поэтому, чтобы ее избежать и получить весьма лабильный неперегруппированный диен, применяют специальные приемы. Так, углеводород 91 удалось синтезировать из спирта 90 только путем термического разложения N-оксида 97.86
Возвращаясь к реакции Принса, можно отметить, что в тех случаях, когда молекула углеводорода, имеющая бицикло[4.1.0]гепт-2-еновую систему, содержит дополнительную изолированную двойную связь (как в соединении 30), первоначальная атака формальдегида направляется на эту связь. Однако в условиях кислотного катализа первоначально образующийся бициклический спирт легко изомеризуется, давая бицикло[4.1.0]гепт-2,4-диеновую систему (например, 98), в которой происходит согласованная перегруппировка.86
Похожие работы
... в обрабатывающей промышленности и сфере услуг, а также внедрение международных стандартов качества на производимую продукцию. Пути решения: эффективная реализация Стратегии индустриально-инновационного развития Казахстана на 2003-2015 годы, Государственной программы освоения казахстанского сектора Каспийского моря на 2003-2015 годы. Действия государства должны быть ориентированы на создание ...
... людей гипноз, внушение и самовнушение будет пожалуй наиболее целесообразным средством для создания положительного эмоционального фона во время обучения или работы. Способ двадцатый: Нет более лучшего стимулятора для творческого мышления, чем небольшое расхождение во мнениях. В своё время книги Дейла Карнеги стали бестселлером. Некоторое время спустя выдающийся американский психолог Эверетт ...
... направление – понимает человека как безвольный и послушный результат влияния окружающей среды. Главным понятием таких теорий является научение. Третье и самое новое направление психологии личности – гуманистическая психология – понимает человека как изначально позитивную сущность, изначально стремящуюся к самосовершенствованию. Человек в гуманизме – это активный творец собственной жизни, имеющий ...
... причин разного рода расстройств и нарушений в некоторых случаях составляет 50%” (Hartley, Robach&Abramowitz.1976). Массовая поп-психологическая литература как материальный носитель имморализма Среди психологов и философов сегодня популярна теория деятельностного подхода к человеку. Ее представители полагают, что знание о человеке не остается чем-то внешним для человека, изучающего его. Оно ...
0 комментариев