stringtranslate.com

Расширение и сжатие кольца

Реакции расширения и сжатия колец расширяют или сжимают кольца , обычно в органической химии . Термин обычно относится к реакциям, включающим создание и разрыв связей CC , [1] Различные механизмы приводят к этим типам реакций.

Шаг миграции связи пинакольного типа перегруппировки

Сокращение и расширение кольца Демьянова

Эти реакции влекут за собой диазотирование аминоциклобутанов и аминоциклопропанов. Потеря N 2 из диазокатионов приводит к образованию вторичных карбокатионов, которые имеют тенденцию к перегруппировке и затем подвергаются гидролизу. Реакция превращает аминоциклобутан в смесь гидроксициклобутана и гидроксиметилциклопропана. Эти реакции производят равновесную смесь двух карбокатионов : [2]

С 4 Н+7 ⇌ С3Н5СН​​​+2

Сокращение карбеноидного кольца

Механизм перегруппировки Вольфа, используемый для получения продукта с сокращенным кольцом

В реакции Арндта-Эйстерта α-диазокетон индуцируется для высвобождения N 2 , что приводит к образованию высокореакционного секстетного углеродного центра, соседствующего с карбонилом. Такие виды преобразуются путем перегруппировки Вольфа в сложный эфир в присутствии спиртов. При применении к циклическим α-диазокетонам происходит сокращение кольца. [3] [4] В случае стероидов эта реакция использовалась для преобразования циклопентаноновых групп в производные циклобутанила. [5]

Реакции расширения кольца

Схема, показывающая расширение кольца путем миграции экзоциклической связи (A) и раскрытие кольца бициклической молекулы (B).

Расширения колец могут обеспечить доступ к более крупным системам, которые в противном случае было бы трудно синтезировать. [6] Кольца могут быть расширены путем атаки кольца на внешнюю группу, уже присоединенную к кольцу ( миграция /вставка), открытия бицикла в одно большее кольцо или соединения закрытия кольца с расширением. [1] Эти расширения могут быть далее разбиты по типу атома, который они включают (углерод или гетероатом) в расширенное кольцо.

Вставка углерода путем миграции в экзоциклическую группу

Общими особенностями этих реакций являются наличие экзоциклической уходящей группы на углероде, соседнем с кольцом, и электронодонорной группы на кольце, способной инициировать миграцию эндоциклической связи.

Распространенным миграционным введением углерода является пинакольная перегруппировка . [1] Хотя эта реакция относится конкретно к вицинальной дигидроксидной перегруппировке, существуют и другие перегруппировки пинакольного типа, которые протекают по тому же общему механизму, например, перегруппировка Тиффно-Демьянова . Эти «полупинакольные перегруппировки» происходят в более мягких условиях и, таким образом, предпочтительны в сложных синтезах. [7] Эти реакции полезны не только для простого расширения кольца, поскольку атакованная экзоциклическая группа может также иметь другую присоединенную к ней функциональность помимо уходящей группы. Группа, к которой мигрирует эндоциклическая связь, также может быть селективно добавлена ​​к кольцу на основе уже присутствующей функциональности, например, 1,2-присоединение в циклический кетон.

Вставка углеродного волокна через отверстие велосипеда

Обобщенный механизм расширения кольца Бюхнера

Обычный метод расширения кольца включает открытие циклопропан -содержащего бициклического промежуточного соединения. Стратегия может начинаться с циклопропанирования циклического алкена, подобного циклопропанированию Симмонса-Смита . [8]

Связанное расширение кольца на основе циклопропана — это расширение кольца Бюхнера . Расширение кольца Бюхнера используется для преобразования аренов в циклогептатриены . Расширение кольца Бюхнера поощряется к раскрытию до желаемого продукта путем размещения электроноакцепторных групп на добавленном углероде. Для того чтобы выполнить раскрытие кольца на насыщенных бициклических молекулах, циклопропан должен быть введен таким образом, чтобы соседняя группа могла облегчить расширение, или кольцо должно быть раскрыто путем атаки расширения [9] или кольцо должно быть раскрыто путем атаки внешней группы. [10]

Раскрытие кольца как средство расширения кольца также может быть применено к более крупным системам, чтобы дать доступ к еще большей сисциклизации кольца. Фрагментация Гроба может быть применена в качестве примера такого расширения. Как и миграция пинакольного типа, фрагментация Гроба опирается на группу-донор электронов, чтобы способствовать миграции связи и побуждать уходящую группу быть вытесненной. В этом случае группа-донор электронов может быть псевдогруппой-донором электронов, которая способна элиминировать и отдавать электронную пару углероду с разрывающейся связью. Работа с двумя меньшими кольцами может позволить разработать две части молекулы по отдельности перед работой с расширенным кольцом. Реакция расширения кольца Дауда-Беквита также способна добавлять несколько атомов углерода к кольцу за раз и является полезным инструментом для создания больших колец. [11] Пока она протекает через промежуточный цикл, окончательная циклизация и раскрытие кольца происходят в рамках той же радикальной реакции . [12] Это расширение полезно, поскольку оно позволяет расширить бета-кетоэфир до большого циклического кетона, который можно легко получить с использованием либо циклического кетона, либо экзоциклического эфира.

Этапы миграции связей при окислении Байера-Виллигера (A) и перегруппировке Бекмана (B)

Реакции внедрения гетероатомов

Добавление гетероатомов к кольцам может происходить через расширение колец, если они не сделаны через синтез колец de-novo. [13] Эти введения в первую очередь являются расширениями колец, поскольку они часто происходят через пути миграции/вставки, аналогичные упомянутым выше для углерода. Примерами являются высокоэффективные применения перегруппировки Бекмана (для введения азота в кодеин) [14] и окисления Байера-Виллигера (введение кислорода в эфиры, аннелированные клеткой) [15] в синтезе. Оба происходят с вытеснением уходящей группы, когда алкильная группа мигрирует на экзоциклический гетероатом, что поразительно похоже на перегруппировку пинакольного типа.

Реакции сокращения кольца

Сокращение кольца через анионные (A), катионные (B) и карбеноидные (C) реактивные промежуточные соединения.

Кольцевые сокращения полезны для создания меньших, более напряженных колец из больших колец. Стимулом к ​​созданию таких колец является сложность, связанная с созданием полностью разработанного малого кольца, когда такое кольцо можно было бы легче сделать из разработанного большего кольца, из которого можно вырезать атом, или то, что исходный больший каркас более доступен. [16]

Кольцевые сокращения легко характеризуются просто реактивным промежуточным продуктом, который выполняет сокращение. Стандартные промежуточные продукты — анионные, катионные и карбеноидные. [17]

Перегруппировка Фаворского

Перегруппировка Фаворского — это классическое анионное кольцевое сокращение. [18] Она протекает через карбанион, который атакует эндоциклический углерод и вытесняет уходящую группу (галогенид), образуя бициклическую молекулу с кольцами меньше исходного. Затем бицикл раскрывается нуклеофильной атакой на кетон, давая сокращенный продукт. [19] Эта реакция была использована для превращения циклогексанона в метиловый эфир циклопропанкарбоновой кислоты.

Обобщенный механизм перегруппировки Фаворского для получения продукта с сокращенным кольцом. Обратите внимание, что образование аниона было опущено.

Альтернативой стандартной перегруппировке Фаворского является выполнение того, что можно рассматривать как отрицательную пинакольную перегруппировку, где анионная группа побуждает связь, выровненную с уходящей группой, мигрировать и вытеснять уходящую группу, что использовалось в нескольких синтезах. [17] Следует также отметить, что так называемая «квази-перегруппировка Фаворского» протекает без дополнительного нуклеофила для образования конечного сокращенного продукта.

Общая перегруппировка пинакольного типа в неравную 5,7-кольцевую систему

Катионные сокращения

Катионная перегруппировка сокращение происходит через потерю уходящей группы и миграцию эндоциклической связи к карбокатиону. Перегруппировки пинакольного типа часто используются для этого типа сокращения. [20] Как и реакция расширения, это происходит с электронодонорной группой, способствующей миграции.

Реакции сжатия одного кольца могут быть сопряжены с расширением другого, чтобы дать неравный бицикл из одинакового по размеру слитого кольца. Эти катионные перегруппировки нашли применение для синтеза ядер сложных молекул. [21]

Дальнейшее чтение

Ссылки

  1. ^ abc Kantorowski, EJ; Kurth, MJ (2000). "Расширение до семичленных колец" (PDF) . Tetrahedron . 56 (26): 4317–4353. doi :10.1016/S0040-4020(00)00218-0. S2CID  34628258. Архивировано из оригинала (PDF) 18 августа 2019 г.
  2. ^ Смит, Майкл Б.; Марч, Джерри (2006). Продвинутая органическая химия Марча: реакции, механизмы и структура . стр. 1588–1592. doi :10.1002/0470084960. ISBN 9780470084960.{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  3. ^ Смит, Майкл Б.; Марч, Джерри (2006). Продвинутая органическая химия Марча: реакции, механизмы и структура . стр. 1599. doi :10.1002/0470084960. ISBN 9780470084960.{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  4. ^ Kirmse, W. (июль 2002 г.). «100 лет перегруппировке Вольфа». Европейский журнал органической химии . 2002 (14): 2193. doi :10.1002/1099-0690(200207)2002:14<2193::AID-EJOC2193>3.0.CO;2-D.
  5. ^ Томас Н. Уилер и Дж. Мейнвальд (1972). «Формирование и фотохимическая перегруппировка Вольфа циклических α-диазокетонов: d-норандрост-5-ен-3β-ол-16-карбоновых кислот». Органические синтезы . 52 : 53. doi :10.15227/orgsyn.052.0053.
  6. ^ Casadei, MA; Calli, C.; Mandolini, L. (1 февраля 1984 г.). «Реакции замыкания кольца. 22. Кинетика циклизации диэтил(. омега.-бромалкил)малонатов в диапазоне от 4- до 21-членных колец. Роль напряжения кольца». Журнал Американского химического общества . 106 (4): 1051–1056. doi :10.1021/ja00316a039.
  7. ^ Курти, Л.; Чако, Б. (2005). Стратегическое применение именованных реакций . Elsevier. стр. 350. ISBN 978-0-12-429785-2. OCLC  1107566236.
  8. ^ "Одноуглеродное расширение кольца циклоалканонов до сопряженных циклоалкенонов: 2-циклогептен-1-он". Органические синтезы . 59 : 113. 1979. doi :10.15227/orgsyn.059.0113.
  9. ^ Bieräugel, H.; Akkerman, JM; Armande, JCL; Pandit, UK (1974). «Специфическая вставка карбенов в углерод-углеродные связи». Tetrahedron Letters . 15 (33): 2817–2820. doi :10.1016/S0040-4039(01)91751-4.
  10. ^ Hoberg, JO; Bozell, JJ (сентябрь 1995 г.). «Циклопропанирование и расширение кольца ненасыщенных сахаров». Tetrahedron Letters . 36 (38): 6831–6834. doi :10.1016/0040-4039(95)01387-W.
  11. ^ Hierold, J.; Lupton, DW (июль 2012). «Синтез спироциклических γ-лактонов с помощью каскадного расширения/циклизации кольца Беквита–Дауда». Organic Letters . 14 (13): 3412–3415. doi :10.1021/ol301387t. PMID  22691029.
  12. ^ Дауд, П.; Чой; SCJ Am. Chem. Soc. 1987, 3493–3494
  13. ^ Макмарри, Джон (2008). Органическая химия 7-е изд . С. 945–946. ISBN 978-0-495-11258-7.
  14. ^ Уайт, Дж. Д.; Хрнчиар, П.; Стаппенбек, Ф. (1999). «Асимметричный полный синтез (+)-кодеина с помощью внутримолекулярной карбеноидной вставки». Журнал органической химии . 63 (21): 7871–7884. doi :10.1021/jo990905z.
  15. ^ Маршанд, AP; Кумар, VS; Харипракаша, HK (2001). «Синтез новых клеточных оксагетероциклов». Журнал органической химии . 66 (6): 2072–2077. doi :10.1021/jo001611c. PMID  11300903.
  16. ^ Сильва, Л. Ф. Тетраэдр 2002, 9137–9161 [ необходима полная цитата ]
  17. ^ ab Myers, Andrew. "Methods for Ring Contraction" (PDF) . Получено 30 ноября 2014 г. – через Harvard University Department of Chemistry and Chemical Biology.
  18. ^ Шенье, Филип Дж. (1978). «Перегруппировка Фаворского в мостиковых полициклических соединениях». Журнал химического образования . 55 (5): 286–291. Bibcode : 1978JChEd..55..286C. doi : 10.1021/ed055p286.
  19. ^ Смит, Майкл Б.; Марч, Джерри (2006). Продвинутая органическая химия Марча: реакции, механизмы и структура . стр. 1595–1596. doi :10.1002/0470084960. ISBN 9780470084960.{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  20. ^ Сонг, Чжэнь-Лэй; Фань, Чунь-Ань; Ту, Юн-Цян (2011). «Перегруппировка полупинакола в синтезе природных продуктов». Chemical Reviews . 111 (11): 7523–7556. doi :10.1021/cr200055g. PMID  21851053.
  21. ^ Бюхи, Г.; Хофхайнц, В.; Паукстелис, Дж. В. (ноябрь 1969 г.). «Синтез (-)-аромадендрина и родственных сесквитерпенов». Журнал Американского химического общества . 91 (23): 6473–6478. doi :10.1021/ja01051a051.