GL_25_2_Перициклические реакции (О.А. Реутов, А.Л. Курц, К.П. Бутин - Органическая химия в 4-х томах (Word))

144

Для получения источника диимида HN=NН - ценного восстанавливающего реагента (cм. гл. ) используют следующий путь:

Аналогично, с использованием ацетилендикарбонового эфира получают бензоциклопропен (синтез Фогеля) и 3,4-дихлорциклобутен.

В последнем случае получается только цис-дихлорциклобутен, т.к. транс-дихлорциклобутен легко раскрывается путем электроциклической реакции, образуя 1,4-дихлобутадиен. цис-Изомер не раскрывается вследствие стерических препятствий конротаторной реакции (см. раздел 25.2.2.a).

Часто в синтетической практике ретро-распад сочетают с пер­воначальным 1,3-диполярным циклоприсоединением. Ниже приведены два примера синтеза пятичленных гетероциклов.

По принципу микроскопической обратимости ретро-диеновая реакция должна включать точно такое же переходное состояние, как и прямая реакция Дильса-Альдера. Следовательно, ретро-процесс можно классифицировать как (2s+2s+2s)-реакцию.

Такая реакция должна протекать стереоспецифично, что подтверж­дается экспериментальными наблюдениями. Так, цис-изомер VIII дает только транс,транс-диен, через конформацию IX, поскольку конформация X, приводящая к цис,-цис-диену пространственно менее выгодна.

транс-Изомер XI в этих условиях дает цис,транс-диен:

Еще одним доказательством того, что ретродиеновыe процессы относятся к перициклическим реакциям, служит тот факт, что сое­динение ХII отщепляет азот при -10^oС, а соединение ХIII - лишь при 200°С. Это означает, что двойная связь действительно нужна для реакции, как это видно из приведенной выше схемы переходного состояния (2s+2s+2s)-процесса.

Вместо двойной связи в молекуле может содержаться циклопропанoвый фрагмент. В этом случае циклораспад идет также легко, поскольку циклопропановая группа по химическому поведению похожа на двойную связь (см. гл. 24).

25.3.2. 1,3-Диполярное циклоприсоединение

4s-Компонентом простейшей реакции Дильса-Альдера явля­ется бутадиен. Если вместо бутадиена в реакцию с алкеном ввести аллильный анион СН₂=СН-СН₂^-, то такая реакция, приводящая к образованию аниона циклопентана, также будет относиться к (4+2)-электронному циклоприсоединению, в котором оба реагента должны взаимодействовать супраповерхностно.

Корреляционная диаграмма для реакции (4s+2s)-типa между аллильным анионом и алкеном (схема 25.20) очень похожа на соответствующую диаграмму для реакции Дильса-Альдера (схема 25.8). Отличие состоит лишь в том, что в реакции бутадиена образуется двойная связь циклогексена, a в реакции аллильного аниона несвя­зывающая р-орбиталь, несущая отрицательный заряд аниона циклопентана.

Схема 25.20

Примером присоединения аллильного аниона к алкену является следующая реакция:

Подобные реакции встречаются очень редко, по-видимому, из-за того, что превращение делокализованной аллильной -системы в анион циклопентана с локализованным на одном атоме зарядом термо­динамически крайне невыгодно.

Однако известно большое число примеров присоединения к алкенам нейтральных 4-электронных трехатомных реагентов, изоэлектронных аллильному аниону. Нейтральные реагенты, изоэлектронные аллильному аниону, называются 1,3-диполями, а присоединение их к алкенам получило название 1,3-диполярного циклоприсоединения (Р.Хьюсген, 1958 г.). 1,3-Диполярное циклоприсоединение представляет собой наиболее общий метод синтеза разнообразных пятичленных гетероциклов, содержащих один или несколько кольцевых гетероатомов.

25.3.2.а. 1.3-Диполи

1,3-Диполи - это стабильные или нестабильные (получаемые in situ) частицы, представляющие собой систему из трех атомов, между которыми распределены 4-электрона, наподобие аллильного аниона, например:

Термин 1,3-диполь возник вследствие того, что при многострук­турном описании молекул в рамках теории валентных связей (гл. 1, раздел 1.11.1) одна из возможных предельных структур представляет собой 1,3-диполь. Для диазометана это формулы ХIII и ХIV.

Нельзя, однако, понимать термин "1,3-диполь" буквально, 1,3-диполь это не цвиттерион (ХIII, ХIV или ХV). Например, если бы дифенилдиазометан был истинным цвиттерионом, то по расчету его дипольный момент был бы равен ~6 D) . На самом же деле эксперимент дает значение всего лишь 1,42 D. Это означает, что электронная плотность в высокой степени делокализована между ато­мом углерода и двумя атомами азота. Но делокализация -элект­ронов в 1,3-диполе не такая полная, как в простейшем аллильном анионе. Определенная асимметрия -электронов, обусловленная различием в электроотрицательности атомов 1,3-диполя (обычно в 1,3-диполь входят атомы С, N и O в разных сочетаниях), все же имеется (см. раздел 25.3.2.).

1,3-Диполей в настоящее время известно более трех десятков. Некоторые из них можно выделить в свободном состоянии.

1,3-Диполи, которые можно выделить в свободном виде.

Продукты реакций с алкенами

1. Азиды

2. Диазосоединения

3. Закись азота

4. Нитроны

5. Азимины

6. Азоксисоединения

7. Озон

8. Тиокарбонилимины

9. Сульфодиимиды

10. Сульфиниламиды

11. Окиси нитрилов

В других случаях 1,3-диполярные реагенты получают из стабильных предшественников.

1,3-Диполи, получаемые in situ

Продукты реакций с алкенами

1. Илиды нитрилов

(из >CCl=N-CH< или фотолизом азиридинов)

2.Нитрилимины

(из >CCl=N-NH- + NEt₃ или фотолизом 2-H-тетразолов

3. Нитрилсульфиды

4. Илиды азометинов

(из >CH-N⁺=C-X и NEt₃)

5. Азометинимины

(из >CH-N⁺=N-X и NEt₃)

6. Карбонилилиды

7. Карбонилоксиды

(при расщеплении озонидов или при реакции карбенов с кислородом)

8. Тиокарбонилилиды

Если центральным атомом 1,3-диполя является углерод, то октетная стабилизация обоих концевых атомов невозможна, т.к. у атома углерода нет неподеленных пар электронов. В таких случаях 1,3-диполь является карбеном или нитреном, т.е. исключительно высоко реакционноспособной частицей, и получается только in situ.

1,3-Диполи карбенового или нитренового типа

Продукты присоединения к алкенам

1. Винилкарбены

2. Иминокарбены

3. Кетокарбены

4. Винилнитрены

5. Иминонитрены

6. Кетонитрены

1,3-Диполь может быть также частью гетероциклической систе­мы. Например, сидноны (ХVI) и оксазолоны (ХVII) являются замаскиро­ванными азометиниминами и илидами азометина, соответственно.

Азины (ХVIII) при описании классической структурной формулой выглядят как диены, но на самом деле они являются 1,3-диполями из-за того, что отталкивание неподеленных пар электронов двух атомов азота выводит связи С=N из сопряжения друг с другом, делая -орбитали этих связей ортогональными. Молекулярно-орбитальная картина -связей в азинах ясно показывает, что азин содержит два ортого­нальных 1,3-диполярных фрагмента (XIX).

RCH=N-N=CHR

XVIII

В соответствии с формулой XIX молекула азина может присоединить две молекулы алкена:

Соединения, реагирующие с 1,3-диполями, называют диполярофилами (по аналогии с диенофилами). В качестве диполярофила может выступать практически любая двойная или тройная связь: С=С, СºС, С=N, N=N, С=O, С=S, N=O и т.д. -Связь может быть изолированной, сопряженной или кумулированной. Ниже приведен пример реакции с участием двойной связи енольной формы малонового эфира.

Использование вместо алкенов диполярофилов, содержащих гетероатомную -связь, позволяет получить пятичленные гетероциклы, содержащие несколько одинаковых или разных гетероатомов. Например, легко получаются следующие трехатомные гетероциклы:

25.3.2.б. Механизм реакции

Механизм 1,3-диполярного циклоприсоединения близок к меха­низму реакции Дильса-Альдера. В большинстве случаев реакция 1,3-диполя с диполярофилом является согласованным процессом. Анало­гично реакции Дильса-Альдера, 1,3-диполярное циклоприсоединение мало чувствительно к изменению полярности растворителя, имеет отрицательную энтропию активации и проявляет высокую стереосeлективность при сравнении пары цис- и транс-изомерных диполярофилов. 1,3-Диполь и диполярофил сближаются друг с другом в параллельных плоскостях, как того требует теория (4s+2s)-циклоприсоеди­нения. В принципе, в некоторых случаях 1,3-диполярное циклоприсое­динение (как и реакция Дильса-Альдера; см.раздел 25.3.1.в) может протекать по цвиттерионному или бирадикальному пути, но четких доказательств в пользу этих путей до сих пор не получено. В разделах 25.3.1.б-г было рассмотрено применение приближения граничных орбиталей к реакции Дильса-Альдера. В следующих трех разделах мы это приближение используем для интерпретации влияния структуры 1,3-диполя и диполярофила на скорость реакции и взаимную ориентацию реагентов в переходном состоянии.

25.3.2.в. Реакционная способность 1,3-диполей и диполярофилов

Чтобы оценить реакционную способность 1,3-диполей, необхо­димо знать энергии ВЗМО и НСМО этих частиц. Поскольку большинство диполей представляет собой короткоживущие частицы, эксперимен­тально измерить эти энергии (например, фотохимический потенциал ионизации, который характеризует энергию ВЗМО) не представляется возможным, и поэтому используются квантово-химические расчеты модельных не слишком сложных молекул. Рассчитанные энергии ВЗМО и НСМО некоторых 1,3-диполей приведены в табл. 26.4.

Таблица 25.4

Энергии граничных орбиталей 1,3-диполей

Следует заметить, что энергии, приведенные в табл. 25.4 как энергии НСМО, не всегда соответствуют точно нижней свободной МО. Если в 1,3-диполе имеются ортогональные -связи (первые шесть соединений из табл. 25.4), то низшая свободная МО может быть не аллильной, а иного типа. Так, в нитрилилиде нижняя свободная орбиталь (XX) лежит в плоскости молекулы и представляет собой связывающую комбинацию -орбитали С=N и делокализованной -орбитали СН₃-группы. Однако в циклоприсоединении участвует не эта орбиталь, а близкая ей по энергии орбиталь аллильного типа (XXI). Поэтому в табл. 25.4 во всех случаях обозначение "НСМО" относится к свободной орбитали аллильного типа.