Реакционная способность терпеноидов и их аналогов в «организованной среде»

Содержание

• Актуальность исследования

Одним из бурно развивающихся в последнее время методов воздействия на реакционную способность химических соединений является использование «организованной среды» при проведении реакций. «Организованная среда» может быть создана либо путем адсорбции субстрата на поверхности или порах твердого катализатора (в этом случае реакция имеет гетерогенный характер), либо путем комплексообразования субстрата с образованием растворимых комплексов типа «гость-хозяин» (в этомслучае реакция является гомогенной), л Этот подход позволяет путем создания пространственных затруднений в

1 определенных частях молекулы или придания молекуле конформационной жесткости резко изменить селективность процесса и в случае молекул с многовариантной реакционной способностью направить реакцию по ранее) неизвестному пути. .—- - —

Если работы, но реакциям ароматических соединений в «организованной среде» достаточно давно и интенсивно развиваются то изучение реакционной способности терпеноидов в этих условиях находится в начальной стадии. Однако можно смело прогнозировать резкое увеличение количества работ в этом направлении, учитывая, с одной стороны, стремление исследователей расширять круг Вовлекаемых в эти реакции субстратов и, с другой стороны, многообещающие перспективы использования терпеноидов (возобновляемого растительного сырья), которые благодаря их полифункциональиости и конформационной гибкости могут подвергаться новым, необычным превращениям. цель работы

Целью работы является систематическое изучение новых внутри- н межмолекулярных реакций терпенов и их аналогов в «организованной среде установление закономерностей и рассмотрение возможных механизмов протекающих при это*, процессов, изучение влияния функциональных групп, изомерии и гомологии на ход катализируемых кристаллическими алюмосиликатами реакций. Изучение реакционной способности терпеноидов в этих условиях позволяет расширить синтетические возможности этих соединений, разработать простые методы получения сложных полигетероциклических систем из доступного сырья, провести сравнительный анализ поведения этих конформационно-гибких соединений в «свободном» и «закрепленном» состояниях.

Целью исследования является также накопление экспериментальных данных, которые позволяют начать работу по обобщению и классификации полученного материала, что, в свою очередь, дает возможность обнаружить корреляции типа «структура-свойство» в этой новой области органической химии.

Научная новизна

В результате изучения изомеризации некоторых диенонов и нитрилов на цеолитах различных типов было выяснено, что в этих условиях они могут подвергаться внутримолекулярным скелетным перегруппировкам, сходными с превращениями этих же веществ в суперкислых средах (условия «прямого наблюдения» катионов), что свидетельствует в пользу карбокатионного механизма превращений изучаемых соединений на цеолитах. На ход реакции влияют: 1) строение исходного субстрата- 2) тип цеолита- 3) способ нанесения субстрата на цеолит.

Изучение фотохимической изомеризации терпеноидов и их комплексов с циклодекстринами показало, что облучение растворов терпеноидов приводит лишь к транс,^{ыоизомеризациям} по двойным связям. Облучение комплексов этих же терпеноидов приводит к протеканию реакций по совершенно иным, Holderich W., Hesse М., Nauman F. Angew. Chem. Im. Ed. Engl. 1988. Vol. 27. P. неизвестным ранее путям: образованию, в зависимости от строения субстрата, трех-, четырех- или пятичленных карбоциклов.

Изучение взаимодействия терпеноидов с различными альдегидами привело к обнаружению целого каскада новых реакций, в результате которых из / достаточно простых исходных соединений образуются сложные / полигетероциклические продукты, многие из которых обладают неизвестными ранее остовами и потенциальной биологической активностью.

Обнаружены новые реакции олефинов с а,($-ненасыщенными / карбонильными соединениями на цсолитных катализаторах, приводящие к I продуктам либо редко встречающихся процессов [ЗС+2С]- или [2С+2С]- I карбоциклизаций, либо «псевдоенового» синтеза, а в реакции с формальдегидом ! — к продуктам скелетных перегруппировок — трициклическим простым эфирам. |

Показано, что реакции цис- и транс-эпоктцов 3-карена и дипентена с альдегидами в присутствии глины асканит-бентонит приводят к образованию ацеталей, при гидролизе которых можно селективно получать соответствующие цис-дуюпы. При взаимодействии эпоксидов с альдегидами стерические факторы > играют определяющую роль в соотношении внутри- и межмолекулярных / процессов. I

Ряд необычных превращений был зафиксирован при взаимодействии камфена с ароматическими углеводородами, спиртами и фенолами на цеолите. П ЗОНИСИМОСТИ ОГ струюуры репгеитоп ВОЗМОЖНЫ получение иродукюи О-, С-алкилирования или карбоциклизации.

Практическая ценность

Предлагаемый подход позволяет во многих случаях отказаться от применения высоких температур, автоклавирования, традиционных кислых катализаторов в реакциях терпеноидов, что резко улучшает экологичность процессов, повышает выходы целевых продуктов.

Обнаруженные новые превращения существенно расширяют синтетические возможности терпеноидов, позволяя предложить простые пути получения сложных соединений в мягких условиях.

Накопленные экспериментальные данные создают основу для нахождения корреляций типа «структура-свойство» для достаточно сложных органических соединений в «закрепленном состоянии» и выработки понятий и закономерностей в случае протекания реакций на поверхности гетерогенных катализаторов.

Апробация работы

Отдельные части работы докладывались на конференции «ЕВРОПА-КАТ-1» (Франция, Монпелье, 1993), 16 конференции по изопреноидам (Чехия, Прага, 1995), 11 международной конференции по цеолитам (Ю.Корея, Сеул, 1996), 4 международном симпозиуме по гетерогенному катализу и тонкому органическому синтезу (Швейцария, Базель, 1996).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 33 работ, включая один патент и три обзора.

Автор выражает искреннюю признательность заведующему лабораторией изучения катионоидных реакций НИОХ д.х.н. Владимиру Александровичу Бархату, благодаря постоянной поддержке и усилиям которого стала возможной эта работа. Автор благодарит сотрудников ЛИКР (настоящих и бывших) -Т.Ф.Титову, Е. А. Кобзарь, Л. Е. Татарову, О. А. Лузину, О. И. Яровую, К. П. Волчо, В. В. Фоменко, И. В. Ильину за большую экспериментальную работу, выполненную под руководством автора.

Автор благодарен сотрудникам

ЛФМИ НИОХ Д. В. Корчагиной за огромную помощь в расшифровке структур полученных соединений, Ю. В. Гаттову и И. Ю. Багрянской за проведенные ими рентгено-структурные исследования и расчеты, сотрудникам лаборатории лесохимии НИОХ Э. Н. Шмидт и Г. Ф. Черненко за плодотворное сотрудничество.

Автор приносит благодарность заведующему лабораторией катализа на цеолитах ИК д.х.н. К. Г. Ионе и сотрудникам этой лаборатории Н. В. Тестовой и Т. Г. Кузнецовой за постоянное внимание и помощь в исследованиях.

1. ВНУТРИМОЛЕКУЛЯРНЫЕ РЕАКЦИИ

1.1. Изомеризация терпеноидов на твердых катализаторах [1−4]

Кислотно-катализируемые перегруппировки терпеноидов в различных гомогенных средах (от слабокислых до суперкислых) довольно хорошо изучены 2. Мы рассмотрели поведение терпеноидов на различных пеолитных катализаторах с целью выявить влияние на ход превращений особенностей структуры исходного терпеноида, типа цеолита и условий реакции и сопоставили с превращениями тех же веществ в суперкислотах, где удается фиксировать промежуточные стабильные карбокатионы.

При взаимодействии диенона 1 с цеолитом ЫН4У (нанесение субстратов на цеолит осуществлялось пропусканием раствора веществ в диэтиловом эфире через колонку с цеолитом и отдувание растворителя) получена смесь циклических продуктов 2 и 3 (суммарный выход 33%).

Карбоксониевый ион 4, который можно рассматривать как гипотетический промежуточный продукт в этом превращении, был ранее генерирован из кетона в смеси Н803Р-802С1Р 3. «Гашение» иона 4 смесью СПз0Н-(С2Н5)20 привело, в отличие

I ОСНэ

802РС1 I от реакции на цеолите, к образованию продукта 5 с сохранением гетерокольца. сн3он

2 Осу 8. Риг*. Арр! СНет. 1979. Уо1. 51. Р. 'Гитарою Jl.fi., Корчагина Д. В., Черкае" Г. В., Крон А. А., Аульченко И. С., Ьархаш |}.А. Журнал Оргии. Химии. 1992. Т. 28. № 6. С. 1183.

Изомеризация триенона 6 на цеолите МН4У приводит к аналогам кетонов 2 и 3 — соединениям 7 и 8, а также диенону 9 (суммарный выход 20%).

Г^ о, + о О

И в этом случае наблюдается корреляция с поведением кетона 6 в гомогенных суперкислых средах — в различных условиях были генерированы ионы 10 и 11 Чтобы понять, какие факторы — электронные или пространственные — предопределяют различное поведение кетонов I и б, имеющих разные заместители у карбонильного атома углерода, мы изучили поведение на цеолите МН4У кетона 12, имеющего одинаковый углеродный скелет с кетоном 6. Изомеризация кетона 12 приводит к образованию замеще- иных циклогексенов 13 и 14 (суммарный выход 80%). Кетон с пятичленным циклом не получен. Причина различного поведения кетонов 6 и 12 на цеолите [МЬЦУ состоит, очевидно, в следующем. С одной стороны, в ионе 15 карбонильная группа 9 I сопряжена не только с двойной связью

С6=С7, но и со связью С9=С10, что приводит к уменьшению положительного заряда у С6 по сравнению с ионом 16. С другой стороны, нуклеофильность двойной связи С6=С7 в первом ионе выше, чем во-втором — меньше «запрос» на л-сопряжение со стороны катионного центра у С8. В результате в ионе 15 облегчена атака катионного центра у С2 на двойную связь С6=С7 по сравнению с ионом 16, а в последнем имеются более благоприятные условия для взаимодействия катионного центра С6 и образующейся двойной связи С,=С2.

Состав продуктов изомеризации кетонов на цеолитах зависит от природы последних и от способа проведения процесса. У Так, используя широкопористый р-цеолит и я иной способ нанесения субстрата (адсорбция вещества на цеолит в растворе гексана) при изомеризации соединений 1 и 6 в качестве основных продуктов образуются циклические эфиры 17 (5%) и 18 (5%).

Варьируя тип цеолита и параметры процесса можно подобрать оптимальные условия получения целевого продукта. Так, нами предложен и запатентован способ получения м сс-ионона 19 (94%) из <�р-ионона со 100%-ной селективностью на цеолите СаУ. В настоящее время этот процесс проводят в присутствии минеральных кислот, в результате чего образуются кислые сточные воды и трудно разделяемая смесь а-, (}- и у-иононов4.

Если ненасыщенные кетоны на (5-цеолите образуют гетероциклические соединения, то нитрил 21 при г ^ХГ^см ^Х^ нанесении на Р-цеолит практически ч^^Д^ + мгновенно при комнатной температуре

4 Харшан М. А., Крон A.A., Аульченко И. С. Мааш-жировая промышленность. 1978. № I. С. 32. превращается в карбоциклические нитрилы 22 и 23 (суммарный выход 50%).

Длительное выдерживание в тех же условиях нитрила 24 не приводит к он циклическим продуктам, а возникающий карбокатион сы реагирует с нуклеофилом среды, образуя спирт

37%). Ненасыщенные кетоны типа 1 и на твердых и катализаторах, и в суперкислых средах ведут себя сходным образом. Более сложное терпеновое соединение — оптически активный лонгифолен 26 {[а]22 580 +41.9 (с. 6.0, СНС13)} - на Р-цеолите изомеризуется в оптически активный изолонгифолен 27 {[сх], в58о -43.4 (с. 9.7, СНС13)} (выход

74%), а в суперкислых средах подобная изомеризация сопровождается и рацемизациеи

Л,| -II

Сравнивая эти два процесса можно полагать, что в суперкислой среде быстрее происходит вырожденная перегруппировка с 1,2-сдвигом моста С8-С", нежели невырожденный 6,1-гидридный сдвиг, что приводит к рацемическому продукту 27. На цеолите, очевидно, наблюдается обратное соотношение скоростей процессов, что и обуславливает сохранение оптической активности.

Далее нами рассмотрены превращения лабдановых спиртов на цеолите НУ. Показано, что при выдерживании эпиманоола 28 на цеолите из реакционной массы были выделены Д8 |4-пимпрпдиен 29 и Л8,4-иэопимарадиен 30 (суммарный выход 60%). Половинка М. П., Осадчий С. А., Корчагина Д. В., Дубовенко Ж. В., Бархаш В. А. Журнал Орган. Химии. 1983. Т. 17. С. 1629.

В результате превращения 6-оксолариксола 31 на цеолите, наряду с трициклическими соединениями 33 — 36, были обнаружены бициклические продукты 37 и 38 (суммарный выход 67%), образование которых можно объяснить миграцией 8,17-двойной связи в сопряженное с кетогруппой положение, в результате чего циклизация становится невозможной.

Соединение 32 — Д7,8-изомер кетоспирта 31 — после выдерживания на цеолите превращается в смесь продуктов, содержащую изомерные бициклические кетоны 39 и 40, а также трициклический кетон 41 в сотношении 2:1:2 с общим выходом 73%.

Анализ экспериментальных данных позволил сделать вывод, что превращения спиртов 28, 31 и 32 на цеолите НУ протекают по-разному в зависимости от положения двойной связи в цикле В. В случае соединений 28 и 31 с эоо-метиленовой двойной связью преимущественно идет кислотно-катализируемая циклизация с образованием изомерных трициклических дитерпеноидов, а в случае соединения 32, ког да наиболее реакционноспособная экзоциклическая связь отсутствует, преимущественно протекают процессы дегидратации и полимеризации.

1.2. Фотохимическая изомеризация терпеноидов и их комплексов с циклодекстринами (5−8).

Наряду с изомеризацией терпеноидов на твердых катализаторах, большой интерес вызывают фотохимические превращения этих соединений, учитывая природное происхождение последних и роль солнечного света для биогенетических процессов. Вследствие полифункциональности и конформационной гибкости терпеноидов, а также большой энергии ультрафиолетового излучения, облучение растворов терпеноидов обычно приводит к неселективному образованию множества продуктов. Применение комплексообразования терпеноидов с циклодекстринами (ЦД) придает субстратам конформационную жесткость, располагая определенным образом в пространстве реакционноспособные части молекулы, что-либо «вырезает» какой-либо путь превращения из спектра известных, либо направляет процесс по новому пути.

ЦД — природные циклические олигосахариды, состоящие из 6 (а-ЦД), 7 ((5-ЦД) или 8(у-ЦД) 0(+)-глюкопиранозных звеньев, связанных между собой а-1,4-гликозидной связью, способны выступать в роли «хозяина» в комплексах типа «гость-хозяин». ЦД связывают молекулу «гостя» путем гидрофобных взаимодействий, комплексуя таким образом малополярные молекулы или части молекул. Подобное комплексообразование весьма похоже на ферментативное связывание субстратов, что особенно ценно для природных терпеновых соединений.

Применение комплексообразоваиия с ЦД для изменения фотохимической реакционной способности органических молекул использовали в своих работах ряд авторов 6'7. Однако эти исследования касались только ароматических субстратов. Мы в своей работе использовали этот подход для терпеноидов.

При исследовании фотохимических реакций соединений 1, 6, 12 и 42 (

-гомолог диенона 1) было найдено, что соединения 1, 6 и 42 подвергаются цис, с ß--ЦД. Во всех случаях наблюдается 1,4-сдвиг аллильного водорода к а-атому углерода (по отношению к карбонилу) и замыкание связи в образовавшемся 1,3-бирадикале с образованием замещенных циклопропанов 44 а-с (выходы 10, 12 и 12% соответственно). Следует. отметить, что обнаруженный путь Ramamurty V. Tetrahedron. 1986. Vol. 42. P. 5753. Bortolus P., Grabner G., Kohler G., Monti S. Coord. Chem. Rev. 1993. Vol. 125. P.261. транс-изомеризации по 6,7-двойной связи, а кетон 6 превращается в производное циклопентана 43.

Иная ситуация наблюдается при облучении комплексов кетонов 1, 12 и фотохимической циклизации нами не найден в литературе. Образование циклопропанового кольца для кетона 1 могло происходить по тину так называемой «лумикетонной» перегруппировки, характерной для фотохимических реакций циклогексенонов. В этом случае был бы получен кетон 44(1, в котором наблюдалось бы взаимодействие протона Н1 с двумя прогонами Н4, однако спектры ЯМДР 'Н-'Н выявляют взаимодействие протона Я3 с одним протоном циклопропанового кольца (J 8 Гц), что подтверждает структуру 44а.

I. 12,42

К Мс (а), ?- Ни (1>). |-«с)

44 а-с

Сравнение результатов фотолиза кстопон 1, 12 и 42 показмноет. что объем алкилмшго радикала у карбонильного атома углерода не влияет па направление процесса, однако, с увеличением объема алкильной группы падает выход продуктов с циклопропановым кольцом, что связано, видимо, с затруднением комплексообразования субстратов с (3−1ДД.

12 44 Ь

Кроме того, сопоставление фотохимических реакций комплексов (5-ЦД с кетонами 6 и 12, обладающих одинаковыми углеродными скелетами, показывает, что циклизации с 1,4-едвигом водорода и образованию циклопропанов препятствует и наличие жесткой сопряженной диеноновой системы- частичное разрушение последней путем аллильной перегруппировки (соединение 6а) облегчает переход в конформацию 6Ь, благоприятную для циклизации с образованием циклопропанового кольца.

Анализ полученных результатов фотохимических превращений кетона 6 как такового и в виде комплекса с Р-ЦД позволил нам предположить, что в полость р-ЦД попадает изолированная изопропилиденовая группа. Это предположение согласуется с тем фактом, что в первом случае аплильная перегруппировка затрагивает изолированную связь (образуется соединение 43), а во втором — происходит существенно менее энергетически выгодный процесс нарушения сопряженной системы тс-связей, (превращение 6 → 6а). Предположение об экранировании 2,3-двойиой связи согласуется и с тем обстоятельством, что фотохимические реакции кетонов 1, 6, 12, 42 в комплексе с Р-ЦД во всех случаях сопровождаются транс, г^с-изомеризацией 6,7-двойной связи.

Далее мы исследовали в этих же условиях ряд соединений 45 с иным, но сходным структурным блоком — 2,6-диметил-2,6-гептадиепилы1ым радикалом. Подобное строение присуще многим терпеноидам.

Незначительная, на первый взгляд, модификация строения структурного блока приводит к серьезным изменениям в фотохимической реакционной способности. Так, при облучении 2,6-диметил-2,6-нонадиен-8-она 46 наблюдается стандартная транс,^мс-изомеризация по 6,7-двойной связи. Облучение комплекса 46 с Р-ЦД приводит к образованию в реакционной смеси енона 47 и диенона 48 (суммарный выход 15%).

Влияние функциональной группы на фотохимию изучаемых процессов было проверено на примере спирта 49, альдегида 50 и нитрилов 21, 24 и 51.

С’пирт 49 пс проявляет фотохимической активности пи как таковой, ни в комплексе с р-ЦД. что свидетельствует о «мучительной роли сопряжения карбонильной труппы с 6,7-двойной связью. При облучении цитраля 50 в метаноле без ¡-3-ЦД образуется ацеталь 52 (17%). а в комплексе с Р-ЦД -альдегид 53 (46%).

При облучении нитрилов 21, 24 и 51 Р-ЦД играет роль сенсибилизатора. Результатом реакции являются нитрилы 54 — 56 с выходами 4, 8 и 54% соответственно.

Рассмотрим возможный механизм образования последних на примере нитрила 21.

После 1,3-гидридного сдвига образуется бирадикал 57, замыкание связи в котором приводит к нитрилу 58 с циклобутановым кольцом. Дальнейшее разрыв о-связи в нитриле 58, гидридный сдвиг от С к С и образование 5,6двойной свя л! приводят к соединению 54,

При сравнении механизмов образования соединений 47. 53 и 54 можно отметить следующее. Во всех случаях наблюдается образование радикального центра у атома С7, сопряженного с ненасыщенной группой. В первых двух случаях предварительно происходит аплильная перегруппировка с образованием терминальной двойной связи, затем 1,4-гидридный сдвиг, который с последующей циклизацией бирадикала приводит к конечному производному циклопентана. В последнем случае аллильной перегруппировки не наблюдается, происходит, очевидно, 1,3-гидридный сдвиг, приводящий к промежуточному образованию циклобутанового кольца, разрыв которого приводит к соединению 54.

Сравнивая обсуждаемые механизмы превращений с механизмом образования циклонропановых производных 44а-с и 44е можно предположить, что наблюдающийся при этом 1,4-сдвиг аллильного водорода с образованием радикального центра у атома С6, не стабилизированного сопряжением с карбонильной группой, вызван тем, что 1,3-сдвиг водорода от С1 к С6 с образованием резонансно-стабилизированного центра у С7 не происходи! но причине существенных пространственных затруднений при «пирамидализации» у атома С6 вследствие близкого расположения гем.-диметильной группы у атома С5. Действительно, при отсутствии этой группы у атома С5 в соединениях 46, 50,

21 наблюдается образование радикальною центра у атома С6. Одновременное присутствие гем.-диметильной группы и одной цианогруппы в нитриле 24 и двух цианогрупн в соединении 51 приводит к тому, что реакция в этих случаях идет по нуги образования радикального центра у атома С7, что, по-видимому, свидетельствует о том, что энергетический выигрыш от сопряжения радикального центра с цианогруппами выше, чем с карбонильной группой в соединениях типа 1.

Облучение мстанольимх растворов ф-иопона 59, ср-ирона 60 и <�р-н-мстилиопона 61 — кетоиов, близких по строению к соединению 46, в которых карбонильная группа отделена от 6.7-дпойной связи еще одной 8,9-двойной связью — приводит к транс, г/ис-изомеризациям по 6,7- и 8,9-двойным связям. Облучение растворов комплексов кстонов 59 и 61 с (ИДД приводит к образованию практически единственных продуктов — бицикличееких кетонов 62 (25%) и 64 (60%) соответственно. Иначе проходит фотолиз раствора комплекса соединения 60 с Р-ЦД — в качестве основных соединений образуются бициклический кетон 63 (7%) и вещество 65 (-1:1, по ГЖХ),

59 -Кг^-Н 6″ -И,=СН3-Я2=Н 61 — ЯрН- Я2"СНз

62 — к,=1<2=н

63 — ягСНз- я2=н

64 -К,=Н-Я2=СН

Проведены исследования по фотолизу циклического кетона — а-ионона 19. гХ^Л, а Р

19, СОСНз

68,69 «

Облучение метанольного раствора кетона 19 приводит к транс, цис-изомеризации по 7,8-двойной связи. Комплексообразование кетона 19 с (i-I Щ приводит к появлению в реакционной смеси продуктов 1,3- и 1,5-ацильных сдвигов 66 и 67 (—2:1, ГЖХ, выход 32%). При использовании в качестве молекулы «хозяина» при комплексообразовании а-циклодекстрина вместо (5-ЦД, мы обнаружили, что реакционная смесь не содержит продуктов ацильных сдвигов, а в качестве основных в этом случае образуются ретро-а-ионопы 68, 69 (43%). Этот результат может быть объяснен меньшим размером полости ос-ЦД по сравнению с (5-ЦД, что, видимо, затрудняет перемещение ацильной группы. Таким образом, на примере кетона 66 нами показано, что путь фотохимического превращения можно менять, варьируя различные типы циклодскстриноп.

2. РЕАКЦИИ ПРИСОЕДИНЕНИЯ

2.1. Реакции циклоприсоединения [9−16,18−25]

Среди реакций циклоприсоединения с участием терпеноидов особое место занимает реакция Дильса-Альдера, т.к. получающиеся при этом аддукты используются в промышленности как душистые вещества или полупродукты для их производства. Без использования твердых катализаторов проведение реакций подобного типа требует применения жесткого температурного режима и автоклавирования, в результате чего реакционная смесь содержит значительное количество смол 8. Использование цеолитных катализаторов в этой реакции приводит к получению аддуктов диенового синтеза с хорошими выходами и в мягких жСНО т, г условиях. Так, нами показана возможность стереоселективного проведения диеновой конденсации г/ис-ашюоцимеиа 70 и а-метилакролеина 71 на широкопористом ß--цеолите: из четырех возможных диастсреомерон преимущественно образуется один — альдегид 72 (37%), причем установлено, что в условиях реакции не происходит изомеризации других диасгереомеров в соединение 72.

Результаты взаимодействия триена 70 с акролеином 73, метилвинилкетоном 74, а также аддукты диеновой конденсации мирцена 75 с диснофилами 71, 73, 74 и кротоновым альдегидом 76 на ß--цеолите приведены в таблице (все реакции проводились при комнатной температуре и атмосферном давлении). Скворцова H.H. Мелешкина-Костюк Г. В., Гуревич A.B. Труды ВНИИСНДВ. 1965. Т. 7. С.

ТАБЛИЦА Аддукты диенового синтеза на цеолите типа (

Диен Диенофил Аддукты Ц 70 | акролеин Общий выход 67%

70 метилвинил кетон. V ч Общий выход 38% 75 акролеин ОСУ 22% 75 сс-метил-акролеин № 72%

К 75 метилвинил кетон 40%

X 75 кротоновый альдегид Общий выход 26%

При взаимодействии мирцена 75 с альдегидом 76 в присутствии глины асканит-бентонит в реакционной смеси в качестве основного продукта (56%) неожиданно образуется бицикличсский эфир 77. Как видно из схемы, образование эфира 77 сопровождав гея превращением трех п-связсй в три а-евязи и появлением двух новых циклов, то есть процесс подходит под определение «гомореакции Дильса-Альдера"9. Необычность описываемого процесса заключается, во-первых, в том, что триен 75 вступает в гомореакцию Дильса-Альдера путем взаимодействия двух несопряженных между собой двойных связей при наличии в молекуле сопряженных двойных связей- во-вторых, а,|3-ненасыщенный альдегид реагирует не по олефиновой двойной связи, как обычно, а по карбонильной группе. Рассмотрим два возможных механизма образования бициклических эфиров -гомолитический и гетеролитический.

Гемолитическая схема образования эфира 77 может включать, на наш взгляд, разрыв двойных связей у атомов С2 и С7 мирцена с образованием связи между Химия алкенов./Подред. С. Патая. Л.: Химия. 1969. С. 451. атомами С3 и С8 и последующим взаимодействием с карбонильной фуппой альдегида, при этом происходит замыкание связей между атомом углерода карбонильной группы и атомом С7 и между атомом кислорода карбонильной группы и атомом С2, а также аллильная перегруппировка экзоциклической 6,9-двойной связи.

Ионный механизм, основанный на катализе бренстедовскими или льюисовскими кислотными центрами катализатора, предполагает первоначальное протонирование мириемо с дальнейшим взаимодействием образующегося катиона с кротоновым альдегидом.

Видно, что в обоих вариантах механизма реакция протекает через образование промежуточных частиц с п-ментановым остовом, и мы предположили, что в эту реакцию могли бы вступать соединения, содержащие такой остов. Действительно, дипентен 78 и терпинолен 79 также взаимодействуют с кротоновым альдегидом при комнатной температуре в присутствии глины асканит-бентонит, давая тот же бициклический эфир 77, что и в случае мирцена, при этом нами показано, что мирцен, дипентен и терпинолен не переходят друг в друга в условиях реакции. Следует отметить, что эфир 77 образуется также в реакции дипентена с кротоновым альдег идом на цеолите р, но с существенно меньшим выходом.

Заметим, что в случае диенов 78 и 79 обнаруженную реакцию нельзя классифицировать ни как диеновый синтез — из-за отсутствия в диенах сопряженных двойных связей, ни как гомореакцию Дильса-Альдера, так как в результате реакции исчезают только две двойные связи. В связи с этим обсуждаемая реакция представляет самостоятельный интерес и в дальнейшем механизм образования бициклических эфиров был изучен на примере взаимодействия диена 78 с альдегидами. При реализации гемолитического механизма и реакции соединения 78 с альдегидом 76 необходимо предположить разрыв двойной связи у атома С8 с последующими гидридными сдвигами, приводящими к образованию промежуточной частицы 80.

В случае гетеролитического варианта необходимость гидридных сдвигов отпадает. Для проверки возможности реализации того или иного варианта механизма в реакцию с альдегидом 76 было введено модельное соединение -1,2,4-триметил-4-изопропенилциклогекс-1-ен 81, в котором из-за наличия метальной группы в положении 4 отсутствует возможность 1,2-гидридных сдвигов, приводящих к промежуточной структуре типа 80. При взаимодействии диена 81 с альдегидом 76 на глине асканит-бентонит образуется эфир 82 (66%), расположение метальных групп в котором отличается от такового в соединении 83, которое должно было образовываться по гемолитическому варианту реакции. Эти обстоятельства свидетельствуют, на наш взгляд, в пользу гетеролитического варианта механизма, который, в свою очередь, может реализоваться двумя способами (А и В).

По варианту, А атакующей частицей является протонированный диен, а альдегид является нуклеофилом, в варианте В — электрофильной частицей является протонированный альдегид, а диен выступает в роли нуклеофила. В пользу первого варианта механизма свидетельствует, на наш взгляд, отсутствие взаимодействия 1-метилциклогекс-1-ена с альдегидом 76, моделирующее первую стадию по варианту В.

Обнаруженная реакция имеет общий характер — во взаимодействие с диеном 78 вступают акролеин, а-метилакролеин, масляный альдегид, бензальдегид, перфторбензальдегид, л-оксибензальдегид с образованием бициклических эфиров 84−89 (с выходами 6, 7, 8, 75, 5 и 39% соответственно).

84: Я — СН=СН2 ¦ 85: Я — С=СН

--Ц'0 86: В — СН2СН2СН3- 87: И — С6Н5-

88 :Р*-С6Р5- 89: Я-р-оН-С6Н

В пользу гетеролитического варианта образования бициклических эфиров говорит факт образования с выходом 39% оптически активного эфира 89 ([и]2°580 =+171.4°, с 5.49, СНС1з) при взаимодействии оптически активного диена — лимонена 78а с п-оксибензальдегидом.

78а, 91,93 — К = Н- 81,92,94 -Я = СН

В то же нреми при взаимодействии диепон 78а и 81 с изомером п-оксибензальдегида — салициловым альдегидом 90 на глине асканит-бентонит при комнатной температуре реакция не останавливается, как в предыдущем случае, на стадии образования бициклического эфира, а происходит взаимодействие катионного центра в интермедиатах 91 и 92 с гидроксильной группой с образованием соединений с ксантеновым остовом — 93 и 94 (с выходами 28 и 75% соответственно).

Другие орто-производные бензальдегида — о-карбоксибензальдегид 95 и метиловый эфир о

9 ЧО СНО I карбоксибензальдегида 96 — не

Ч^соон Хсооснз |А «&bdquo-в С 1 ^ 1 1 взаимодействуют с диенами 78а и 81.

Необходимо отметить, что в реакцию с 95 96 97 альдегидами не вступает 3-карен 97.

Все описанные превращения не идут в отсутствии катализатора, а также при использовании в качестве катализатора уксусной или трифторуксусной кислот.

При взаимодействии транс-4-гидроксиметил-2-карена 98 (вальтерола) с салициловым альдегидом в присутствии глины асканит-бентонит при комнатной температуре образуется продукт с ксантеновым остовом, но сочлененным не с тетрагидропирановым кольцом, как в случае соединений 93 и 94, а с тетрагидрофурановым кольцом — соединение 99 (53%).

Возможный механизм включает в себя атаку протонированным салициловым альдегидом по двойной связи вальтерола с образованием относительно стабильного «-циклонроиилкарбшшдьного нона и последующие гетероциклизации, приводящие к соединению 99.

Хорошо согласуется с предложенным механизмом и образование соединений 100 и 101а, Ь в реакции гидроксиолефина 98 с бензальдегидом. Основным соединением в этом случае является продукт атаки протониропанного бензальдегида на двойную связь вальтерола — соединение 100 (34%). Продукты дальнейших превращений интермедиата 102 — замещенные тетрагидрофураны 101а, Ь образуются в гораздо меньших количествах — с общим выходом 14%.

101а 101Ь

Возможное направление атаки электрофила на двойную связь вальтерола мы оценили методами молекулярной механики (программа ММХ) и квантовой химии (полуэмпирический метод РМЗ). Конформационный анализ молекулы соединения 98 показал наличие двух форм цикла — конформации 98а с экваториальной и конформации 98Ь с аксиальной гидроксиметильной группой. Карьер перехода 98а 98Ь невелик и составляет около 4 ккал/моль. 11сожиданно оба метода отдали предпочтение конформации 98Ь.

-33.2 (ММХ)

-36.6 (ММХ) ккал/моль)

-39.2 (РМЗ) -41.1 (РМЗ)

ОН Г I- ОН п f -58.6 (ММХ) ккал/моль)

-59.2 (ММХ)

Стерическую затрудненность атаке двойной связи соединения 98 мы оценили по методике работы 10 с учетом 18 возможных конформаций. Согласно1″ стерическую затрудненность электрофильного присоединения к двойной связи можно оценить, рассчитывая фактор затрудненности середины двойной связи или же суммируя факторы обоих атомов двойной связи. В нервом случае расчетное соотношение продуктов присоединения электрофила Е 103а: ЮЗЬ равно 17:83 (ММХ) и 18:82 (РМЗ), во втором случае — 27:73 (ММХ) и 43:57 (РМЗ), то есть предпочтительней оказывается атака с альфа-стороны. В качестве альтернативной оценки мы рассчитали теплоты образования в газе двух эпокисей 104а и 104Ь, эти данные также подтверждают предпочтительность альфа-атаки. Таким образом, пространственное взаимодействие валыерола и бензальдегида можно представить себе следующим образом:

10 White D. N. J., Bovill М. S.J. ('hem. Soc. Perkin Trum. II. 1983. N 3. P. 225.

ОНС6М5СЫОН С6Н6НС/, г н ~? ОН

В качестве альтернативного механизма образования соединения 99 можно рассматривать схему, начинающуюся с прогонирования циклопропанового кольца вальтсрола. В пользу этого варианта механизма говорит взаимодействие б-гидрокеиметилизолимонена 105 с салициловым Альдегидом, также приводящее к соединению 99 (18%), так как в случае гидроксиолефина 105 невозможна атака протонированного альдегида по первому атому углерода без предварительной изомеризации соединения 105. Недостатком же этого варианта является, на наш взгляд, отсутствие в реакционной смеси промежуточного нейтрального соединения 106 при выдерживании вальтерола или 6-гидроксиметилизолимонена на глине без альдегида.

Необходимо отметить, что 6-гидрокеиметилизолимонен вступает в реакцию только с салициловым альдегидом, не реагируя с другими альдегидами, как с ароматическими (бензальдегид, п-оксибензальдегид, п-метоксибензальдегид), так и с алифатическими (акролеин, а-метилакролеин). Кроме того, оказались безуспешными попытки использовать вместо глины гомогенные кислоты — уксусную, трихлоруксусную, трифторуксусиую.

В предыдущих схемах предполагается промежуточное образование относительно стабильного а-циклопропилкарбинильного иона- в согласии с этим |^]лЧЧчОМ находится и то т факт, ч то трапе-2-гидроксиметил-З-карен 107 не Ю7 вступает в реакцию с бензальдегидом или салициловым альдегидом, поскольку в этом случае Промежуточно образуется малосгпбилышй вторичный ион 108. Тринс-4-гидроксиметилкаран также не вступает в реакцию с салициловым альдегидом, что находится в соответствии с вышеизложенным.

Взаимодействие изомера соединения 105 — 6-гидроксиметиллимонена 109 с салициловым альдегидом на глине ведет к совершенно иным результатам. снон

К-11, он хХНСвНв

Если образование соединения 110 в результате внутримолекулярной гетероциклизации соединения 109 не является неожиданным и будет обсуждено ниже, то строение 8,10-диметил-4-(2-гидрок:сифепил)-3океатрицикло[5.3.1.05-|0]ундец-8-ена 111 (34%) весьма необычно. Образование бицикло[2.2.2|октанового остова из соединений, содержащих п-ментановый скелет, не обнаружено нами в литературе.

В работе «отмечается, что лимонен 78а в различных кислых средах не удается ввести в реакцию бициклизации с образованием изоборнильного катиона 112. Лишь в случае наличия метала в положении 4, изопропильная группа в ионе (-^^э +ц + приобретает псевдоаксиаль-ную ~ н + конформааик), что позволяет 7 катионному центру прореагировать с 1,2-двойной связью с образованием бицикло[2.2.1 ] октанового остова11.

Образование бицикло[2.2.2]октанового остова из лимонена предполагает первоначальное генерирование карбокатиона в положении 9 и дальнейшее ею взаимодействие с 1,2-двойной связью. Такого рода взаимодействия, весьма маловероятные, на наш взгляд, предложены в монографии 12 в случае образования интермедиатов кислотно-катализируемых перегруппировок п-ментадиеиов. Однако образующиеся в результате реакции нейтральные продукты имели остов бицикло[3.2.1 |октана.

Мы предположили схему образования соединения 111, включающую генерирование только третичных карбокатионо" и приводящую к замыканию Гтцикло| 2.2.2 |ок1ано1ин о н ici pai идронпраноно! о колец.

11 Sorensen T. S. Асс. L’hem. Res. 1976. Vol. 9. P. 257.

12 l-rman W. I. Clicinislry of the monoterpencs. l’art A. N-Y.: Marcel Deccer, Inc. 1985. P. 637−639.