Циклоприсоединение в синтезе производных циклобутана

[2 + 2)-Циклоприсоединенис относится к категории важнейших синтети­ческих методов, поскольку эта реакция позволяет получать различные производные циклобутана по схеме сборки из двух алкеновых фрагментов. Этот процесс может протекать как по согласованому механизму через об­разование циклического переходного состояния (а), так и по стадиям, включающим промежуточное образование бирадикального (B) или бипо­лярного (с) интермедиата (схема 2.126). Реализация того или иного из этих механизмов зависит как от строения реагентов, так и от условий проведе­ния реакции.

Схема 2.126

 

В случае термически индуцированного процесса согласованный меха­низм реализуется лишь для ограниченной категории реакций, таких, как вза­имодействие кетенов с алкенами или алкинами. Результатом реакции всегда является образование продуктов чис-присоединения [32а]. Сам кетен в силу своей неустойчивости относительно редко используется в этой реакции, и чаще всего для синтеза циклобутанонов применяют более стабильные а-хлоркетены, которые генерируются in situ (действием триэтиламина на хло-рангидриды а-хлорзамещенных кислот) в присутствии второго компонента циклоприсоединения. На схеме 2.127 приведены типичные примгры этой реакции — образование циклоаддуктов 378[32Ь] и 379[32с]. Отметим, что, хотя в последнем случае реакция протекала с довольно скромным выходом (около 20%), однако она оказалась самым удобным методом синтеза аддукта 379,из которого в одну стадию был получен микотоксин монилиформин (380),природное соединение уникальной структуры, которую довольно за­труднительно получить другим способом.

Схема 2.127

 

а-Хлорциклобутаноны, образующиеся в рассматриваемой реакции, до­статочно просто могут быть превращены в соответствующие циклобутаноны (восстановительным дехлорированием) или их можно непосредственно ис­пользовать в дальнейших превращениях в качестве субстратов, содержащих хорошую уходящую группу (а-хлорзаместитель) (см. далее).

Важным для синтеза является внутримолекулярное [2 + 21-циклопри-соединение кетенов к алкенам. Для этой реакции оптимальное расстояние между двумя кратными связями соответствует мостику из трех звеньев [32d]. Поэтому этот путь особенно удобен для получения различных струк­тур, содержащих 4,5-сочлененный бициклический фрагмент. Типичными примерами являются показанные на схеме 2.128 превращения 381-> 382[32е] и 383-> 384[32f]. В этих превращениях генерация кетеновой функ­ции также проводится in situ, но в этом случае, благодаря легкости проте­кания внутримолекулярной циклизации, уже не требуется наличия а-хлорзаместителя в кетеновом фрагменте (см. структуры интермедиатов 381аи 383а).Очевидным достоинством метода является легкость получе­ния требуемых предшественников, как это показано на примере синтеза эфира 383.

Схема 2.128

 

Фотохимически индуцированное [2 + 21-циклоприсоединение относится к категории важнейших реакций, особенно б синтезе стерически затруднен­ных соединений самых экзотических структурных типов [32g|. Эта реакция может протекать в соответствии с правилами сохранения орбитальной сим­метрии по согласованному механизму, но чаще реализуется бирадикальный механизм (пугьЬ, схема 2.126). В препаративной практике чаще всего приме­няется фотохимически индуцированное [2 + 2]-циклоприсоединение оле-фина к енону. Для этой реакции характерны высокая региоселективность, но подчас довольно низкая стереоселективность, что вполне согласуется с упо­мянутым бирадикальным механизмом.

Один из первых примеров, показавших полезность этой реакции для по­лучения полициклических соединений, был описанный Кори [32h] синтез природного сесквитерпсна, а-кариофиллена (385)(схема 2.129). В качестве исходного вещества здесь был использован бициклический аддукт 386,полу­ченный с высоким выходом по схеме фотоциклоприсоединения изобутиле-на к циклогексенону.

Схема 2.129

 

В структуре адцукта 386уже содержался требуемый фрагмент 1,1-диме-тилциклобутана. Наличие в этом адцукте карбонильной функции позволило далее относительно легко достроить третий цикл и получить таким образом аддукт 387,уже содержавший 14 из 15 требуемых атомов углерода молекулы 385.Дальнейшая последовательность превращений, помимо трансформа­ций функциональных групп, включала также стадии разрыва центральной связи гидриндановой системы (по реакции фрагментации) с образованием 9-членного цикла и метиленирования по Виттигу,

Синтез а-кариофиллена наглядно продемонстрировал богатые синтети­ческие возможности фотоциклоприсоединия олефина к енону, и вслед за ним последовало еще множество полных синтезов, в которых эта реакция использовалась на той или иной из ключевых стадий [32i].

Схема 2.130

Фотохимически индуцированное [2 + 2]-циклоприсоединение во внутри­молекулярном варианте проведения реакции оказалось незаменимым мето­дом построения высоконапряженных молекул. Именно с помощью этой ре­акции за последние несколько десятилетий удалось получить «во плоти» множество структур, возникших «на кончике пера» как плод творческого во­ображения химиков-органиков. Одним из первых достижений такого рода был выполенный ван Тамеленом [laj удивительно короткий синтез бензола Дьюара (388),показанный на схеме 2.130.

На начальной стадии этого синтеза легко доступный продукт реакции Дильса—Альдера 389с помощью последовательности бромирование/дегидробромирование превращался в диен 389а.При облучении последнего легко протекало [2 + 2]-циклоприсоединение с образованием трициклического про­дукта 390.Завершающие стадии синтеза 388включали омыление ангидридно­го цикла и окислительное декарбоксилирование полученной дикислоты.

Отметим также, что в уже упоминавшемся синтезе баскетена (357)(схема 2.123) образование последней недостающей связи каркасной системы было также осуществлено с помощью [2 + 2]-фотоциклоприсоединения.

Внутримолекулярное [2 + 2]-фотоциклоприсоединение олефина к енону находит широкое применение в синтезе полициклических соединений как ключевая стадия, обеспечивющая быстрое усложнение скелета собираемой молекулярной конструкции [32j]. Хорошей иллюстрацией эффективности такого подхода могут служить превращения, показанные на схеме 2.131.

Схема 2.131

Действительно, превращения 391->392[32k] и 393->394[321] (равно как и многие другие, им подобные, см., например [32т]) протекают при комнатной температуре достаточно быстро с хорошим выходом, с высокой регио- и стереоселективностью и не требуют никаких реагентов или катализаторов, а только облучения. К этому следует добавить, что синтез требуемых диенонов типа 391или 393также несложен и легко может быть выполнен с помощью последовательности хорошо отработанных реакций, таких, как реакция Михаэля и ачкилирование енолятов. Таким образом, вырисовывается общая схема синтеза полициклических соединений, содержащих разные комбина­ции линейно и ангулярно сочлененных циклов, который включает две ос­новные стадии, а именно: синтез полифункционального субстрата и его [2 + 2]-фотоциклоприсоединение. Дополнительная препаративная ценность такого протокола обусловлена тем, что получаемые напряженные системы могут легко претерпевать реакции с раскрытием циклобутанового фрагмен­та, а также скелетные перегруппировки [32т] (см. ниже, разд. 2.7.3.2.).

В последующих разделах этой, а также других глав, будет приведено еще немало примеров использования [2 + 2]-фотоциклоприсоединення (как в варианте алкен+ачкен, так и в варианте алкен+енон) для решения задач по­строения самых различных структур. Здесь уместно сделать еще одно замеча­ние более общего характера. Структуры типа баскетена (357)или бензола Дьюара (388)относятся к числу богатых энергией жестких структур с систе­мой напряженных связей С—С. По сути дела в ходе образования подобного рода систем происходит преобразование лучистой энергии в энергию хими­ческой связи. Ясно также, что превращения таких соединений, протекаю­щие с разрывом напряженных фрагментов (например, под действием ката­лизаторов), должны сопровождаться выделением энергии, запасенной при их синтезе. Поэтому внутримолекулярное фотоциклоприсоединение рас­сматривается сейчас не только как один из полезнейших инструментов органического синтеза, но и как перспективный путь создания систем, спо­собных аккумулировать лучистую (в том числе солнечную) энергию в форме химической энергии, удобной для практического использования.