В органической химии циклопропанированием называют любой химический процесс, в результате которого образуются циклопропановые ( (CH 2 ) 3 ) кольца . Это важный процесс в современной химии, поскольку многие полезные соединения имеют этот мотив; например пиретроидные инсектициды и ряд хинолоновых антибиотиков ( ципрофлоксацин , спарфлоксацин и др.). Однако высокая кольцевая деформация , присутствующая в циклопропанах, затрудняет их производство и обычно требует использования высокореактивных соединений , таких как карбены , илиды и карбанионы . [1] Многие реакции протекают хелетропно .
Существует несколько методов преобразования алкенов в циклопропановые кольца с использованием реагентов карбенового типа. Поскольку карбены сами по себе очень реакционноспособны, их обычно используют в стабилизированной форме, называемой карбеноидом . [2]
В реакции Симмонса-Смита реакционноспособным карбеноидом является йодид йодметилцинка , который обычно образуется в результате реакции между дийодметаном и парой цинк-медь . Были разработаны модификации, включающие более дешевые альтернативы, такие как дибромметан [3] или диазометан и йодид цинка . [4] Реактивность системы также можно повысить, заменив пару цинк-медь на диэтилцинк . [5] Известны асимметричные варианты. [6]
Некоторые диазосоединения , такие как диазометан , могут реагировать с олефинами с образованием циклопропанов в двухстадийном порядке. Первый этап включает 1,3-диполярное циклоприсоединение с образованием пиразолина , который затем подвергается деазотированию либо фотохимическим , либо термическим разложением с образованием циклопропана. Термический путь, в котором в качестве катализаторов часто используются КОН и платина , также известен как синтез циклопропана Кишнера в честь русского химика Николая Кишнера [7] [8] и может также осуществляться с использованием гидразина и α,β-ненасыщенных карбонильных соединений . [9] Механизм разложения был предметом нескольких исследований и остается несколько спорным, хотя широко считается, что он протекает через дирадикальные виды. [10] [11] С точки зрения зеленой химии этот метод превосходит другие циклопропанации на основе карбена; поскольку в нем не используются металлы или галогенированные реагенты, а в качестве побочного продукта образуется только N 2 . Однако реакция может быть опасной, поскольку следовые количества непрореагировавших диазосоединений могут взорваться во время термической перегруппировки пиразолина.
Метилфенилдиазоацетат и многие родственные диазопроизводные являются предшественниками донорно-акцепторных карбенов , которые можно использовать для циклопропанирования или для внедрения в связи CH органических субстратов. Эти реакции катализируются трифторацетатом родия (II) и родственными хиральными производными. [12] [13] [14]
Свободные карбены можно использовать в реакциях циклопропанирования, однако возможности для этого ограничены, поскольку лишь немногие из них можно получить удобным способом и почти все они нестабильны (см.: Димеризация карбенов ). Исключением являются дигалогенкарбены, такие как дихлоркарбен или дифторкарбен , которые достаточно стабильны и реагируют с образованием геминальных дигалоциклопропанов. [15] Эти соединения затем можно использовать для образования алленов посредством перегруппировки Скаттебеля .
Реакция расширения кольца Бюхнера также включает образование стабилизированного карбена. Циклопропанирование также стереоспецифично, поскольку присоединение карбена и карбеноидов к алкенам представляет собой форму хелетропной реакции , причем присоединение происходит син- способом . Например, дибромкарбен и цис -2-бутен дают цис -2,3-диметил-1,1-дибромциклопропан, тогда как транс- изомер дает исключительно транс -циклопропан. [16]
Циклопопропаны могут быть получены с использованием илида серы в реакции Джонсона-Кори-Чайковского [17] , однако этот процесс в значительной степени ограничивается использованием бедных электронами олефинов, особенно α,β-ненасыщенных карбонильных соединений.
Циклопропаны могут быть получены различными реакциями внутримолекулярной циклизации . Простой метод состоит в использовании первичных галогеналканов, несущих соответствующим образом расположенные электроноакцепторные группы. Обработка сильным основанием приведет к образованию карбаниона , который будет циклизироваться по 3-экзо-триггерной схеме со смещением галогенида. Примеры включают образование циклопропилцианида [18] и циклопропилацетилена [19]. Этот механизм также лежит в основе перегруппировки Фаворского .
Родственным процессом является циклизация 1,3-дибромпропана посредством реакции Вюрца . Он был использован для первого синтеза циклопропана Августом Фрейндом в 1881 году. Первоначально эта реакция проводилась с использованием натрия, [20] однако выход можно улучшить, заменив его на цинк . [21]
Хотя циклопропаны относительно редки в биохимии, в природе идентифицировано множество путей циклопропанирования. Наиболее распространенные пути включают реакции замыкания кольца карбокатионов в терпеноидах . Циклопропановые жирные кислоты образуются в результате воздействия S-аденозилметионина (SAM) на ненасыщенные жирные кислоты. Предшественник гормона этилена , 1-аминоциклопропан-1-карбоновая кислота , получается непосредственно из SMM посредством внутримолекулярного нуклеофильного смещения группы SMe 2 после конденсации с пиридоксальфосфатом . [23] Прямой перенос карбена от диазоэфиров к олефинам также был достигнут посредством биокатализа in vitro с использованием сконструированных вариантов фермента цитохрома P450 из Bacillus megaterium , которые были оптимизированы путем направленной эволюции . [24]