Расщепление одинарных связей С-С - раздел Образование, ОРГАНИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ
Пожалуй, Наиболее Известный И Очевидный Пример Конструктивной...
Пожалуй, наиболее известный и очевидный пример конструктивной роли «деструктивной» реакции — декарбоксилирование алкилированных производных ацетоуксусного или малонового эфира. По сути дела именно легкость осуществления этой стадии и является предпосылкой для широкого использования всего комплекса синтетических реакций, в которых эти реагенты применяются как синтетические эквиваленты С3- или С2-синтонов.
Разумеется, декарбоксилирование может потребоваться не только в случае синтезов, основанных на применении малонового или ацетоуксусного эфиров. Необходимость в такой операции может возникать достаточно часто, что легко понять, если вспомнить богатые синтетические возможности использования карбоновых кислот и их производных как субстратов в таких реакциях, как диеновый синтез, присоединение по Михаэлю, конденсация Кляйзена, а-алкилирование енолятов и многие другие. Во всех этих случаях непосредственными продуктами реакций являются карбоновые кислоты или их производные. Поэтому универсальность применения подобных методов для синтеза соединений самых различных классов напрямую зависит от возможности достаточно легкого удаления карбоксильной группы из молекулы после того, как ее активирующая роль уже сыграна. Этого удается достичь с помощью многочисленных реакций, химическая сущность которых сводится к разрыву связи R-COOH с отщеплением стабильной молекулы ССЬ или СО. Упомянутое выше декарбоксилирование р-дикарбонильных производных не требует особых ухищрений: оно протекает особенно легко (при умеренном нагревании) благодаря наличию второй карбонильной группы, роль которой ясна из схемы механизма, показанного для модельного примера 436(схема 2.143).
Схема 2.143
|
В отсутствие такой активирующей группы приходится применять более жесткие методы удаления «лишней» карбоксильной функции, основанные главным образом на гемолитических реакциях. К таковым относится прежде всего термолиз mpem-бутиловых эфиров пероксикислот 437[36а], которые получают стандартным методом ацилирования т/>ет-бутилгидропероксида хлорангидридом соответствующей карбоновой кислоты. Декарбоксилирование протекает как гемолитический разрыв связи О-О, сопровождающийся элиминированием СО2 и восстановлением образующегося радикала донором водорода, в роли которого обычно используют углеводороды типа 438(см. схему 2.143). Некоторые примеры синтетического использования этого метода будут даны в конце этой главы.
Другим обычно применяемым методом является декарбоксилирование с помощью тетраацетата свинца [36Ь|. В зависимости от строения субстрата, а также условий проведения реакции ее продуктами могут быть либо алкан, либо алкен, либо соответствующее ацетоксипроизводное (схема 2.144). Образованию алканов более всего способствует проведение реакции в присутствии хорошего донора водорода. Часто такое декарбоксилирование проводится в условиях облучения в хлороформе, как это показано на примере превращения циклобутанкарбоновой кислоты в циклобутан [36с]. Напротив, если проводить декарбоксилирование под действием тетраацетата свинца, но в присутствии соокислителя, такого, как ацетат меди, то преимущественным продуктом может стать алкен [36d].
Применение последнего варианта для декарбоксилирования вицинальных дикарбоновых кислот — хороший и общий метод синтеза соответствующих алкенов [36Ь] (схема 2.144). Этот метод часто используется в синтезе напряженных и каркасных углеводородов, где особенно удобно проводить построение углеродного скелета с помощью диенового синтеза с использованием ди-енофилов типа малеиновой кислоты или ацетилендикарбонового эфира [Збе]. Как было неоднократно показано, множество методов образования связи С-С основано на использовании карбонильной группы в качестве активирующей функции, позволяющей вводить самые различные структурные фрагменты по а-атомам углерода, соседним с карбонилом. Продукты таких реакций также являются карбонильными соединениями. Их можно трансформировать далее как без изменения углеродного скелета (например, путем нуклеофильного присоединения по карбонилу), так и с разрывом связи между а-атомом углерода и карбонильной группой. Разрыв связи С-СО достигается с помощью реакции Байера—Виллигсра, состоящей в окислении кетонов надкислотами (или пероксидом водорода в щелочной среде). Эта реакция протекает как нуклеофильное присоединение по карбонильной группе с образованием пероксиадпукта 439,который далее претерпевает перегруппировку (С→O 1,2-сдвиг алкильной группы), образуя сложный эфир (для ацикли-ческих кетонов) или лактон (для циклическихкетонов) (см. схему 2.145) [37а].
Схема 2.144
Схема 2.145
|
Для этой реакции характерна высокая регио- и стереоселективность. В случае несимметричных кетонов направленность реакции контролируется миграционной способностью алкильной группы, которая в общем коррелирует со стабильностью соответствующих карбокатионов (третичная > вторичная » первичная). Таким образом, с помощью этой реакции любые метилкетоны общей формулы 440могут быть превращены в соответствующие ацетоксипроиз-водные, независимо от характера группы R. Также избирательно проходит окисление а-алкилзамещенных циклогексанонов 441в лактоны 442,производные вторичных спиртов [37Ь]. Возможность проведения окисления в мягких условиях особенно важна, когда речь идет об окислении кислотолабилъ-ных веществ, как, например, в случае реакции 443→ 444[37с]. Интересно, что реакция Байера—Виллигера может протекать селективно даже в тех случаях, когда в молекуле субстрата имеется такая функции, как двойная связь, также способная окисляться надкислотами. В этих случаях требуемая селективность может быть обеспечена просто подбором предельно мягких условий проведения реакции (см. превращение 445→ 446[37d], схема 2.145).
Полное сохранение конфигурации углерода мигрирующей группы также является чрезвычайно важной особенностью окисления по Байеру— Виллиге-ру. Наглядный пример эффективности синтетического применения реакции Байера—Виллигера можно найти в исследованиях Грико [37с] по полному синтезу антибиотика калыдамицина. Одним из ключевых промежуточных продуктов в этом синтезе является лактон 447,в котором содержится три хиралъных центра у соседних атомах углерода (схема 2.146). Исходным соединением для получения этого продукта служил бициклический кетон 448,полученный по схеме диенового синтеза. Благодаря наличию емн-метильной группы в мостике метилирование 448протекало с исключительным образованием энйй-изомера 449.Окисление последнего по Байеру—Виллигеру с последующим омылением лактонного цикла гладко приводило к моноциклической ок-сикислоте 450,в которой уже имеются требуемые хиральные центры. Лакто-низация этой кислоты проходила с аллилъной перегруппировкой и дала бициклический продукт 451,из которого с помощью серии трансформаций был получен циклопентанон 452.Окисление последнего по Байеру—Виллигеру с сохранением конфигурации дало с высоким выходом целевой лактон 447.Последний содержал требуемую комбинацию хиральных центров, причем геометрия этого продукта однозначно определяла стереохимию следующей стадии — метилирования енолята, что позволило превратить 447в стереохимиче-ски чистый лактон 453,из которого далее в несколько стадий был получен один из строительных блоков в синтезе кальцимицина — триол 454.
Схема 2.146
|
В этой цепочке превращений достаточно сложная задача построения ациклического фрагмента с четырьмя асимметрическими центрами заданной конфигурации бьша решена прежде всего благодаря использованию исходных и промежуточных веществ циклического строения, жесткая геометрия которых обеспечивала надежный контроль стереохимии образования новых центров. Но не менее важным было применение реакции Байера— Виллигера как метода, позволявшего с уверенностью использовать эти преимущества работы с циклическими соединениями, поскольку заранее было известно, что окислительное раскрытие циклов в этих соединениях будет проходить с сохранением конфигурации.
Что касается расщепления неактивированных связей С—С, то здесь препаративное значение имеют лишь методы, основанные на селективном расщеплении 1,2-гликолей под действием периодата (реакция Малачраде, или периодатное окисление) в водной среде или тетраацетата свинца в органических растворителях [38а,B]. Результатом этого превращения является образование двух карбонилсодержаших продуктов. Окисление проходит через образование циклических продуктов, таких, как показанный на схеме 2.147 эфир 455.
Схема 2.147
|
Превращение показанного типа особенно важно в химии полигидрок-сильных соединений, гаких, как углеводы. Многочисленные синтезы хиральных соединений из доступных углеводов основаны на возможности в необходимый момент осуществлять такое расщепление. Рассмотрим, например, как с помощью такой реакции решается задача получения оптически чистого D-глицеринового альдегида (456,схема 2.148).
Схема 2.148
|
Доступный природный D-маннит (457)сначала переводят в бис-ацето-нид 458,после чего остающуюся 1,2-гликольную группу окисляют тетра-ацетатом свинца. Образующиеся в результате такого разрезания молекулы «половинки» идентичны и представляют собой не что иное, как энантиомерно чистое изопропилиденовое производное D-глицеринового альдегида (459),получаемое таким методом с выходом 70-80% [38с].
Все темы данного раздела:
ОРГАНИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ
НАУКА И ИСКУССТВО
Перевод с английского
профессора, д-ра хим. наук В. А. Смита
и профессора, д-ра хим. наук А. Ф. Бочкова
Редакция литературы по химии
ISBN5-03-003380-7 (русск.)
ISBN 0-85404544-9 (англ.)
© The Royal Society of Chemistty 1998
© Перевод на русский язык, оформление «Мир», 2001
© OCR сканированной кн
Цель однозначна и бесспорна
С древних времен человеку были известны чарующие цвета, которые придавали тканям природные красители, добываемые из различных растений и животных. Уже в XIII в. до н. э. финикийцы владели искусств
Цель однозначна, но не бесспорна
Однако важность того или иного направления в науке чаще всего не может быть оценена столь прямолинейно только по критерию немедленной полезности конкретных научных исследований. На протяжении всей
Синтез как поиск (цель бесспорна, но не однозначна).
Синтез природных веществ, в том числе обладающих полезными свойствами, — это лишь одна, наиболее очевидная, но далеко не единственная задача органического синтеза. Как показывает в
Синтез как инструмент исследования
Во всех обсуждавшихся выше примерах синтез выполняет чисто препаративную функцию, т.е. поставляет нужные вещества. В принципе для решения таких задач не имеет значения, каким именно путем было по
Строение соединений с их свойствами
Пожалуй, главная, наиболее фундаментальная задача не только органической химии, но и всей химической науки — это установление зависимости свойств вещества (физических, химических, биологических) ка
Создание новых структур, проблемных для органической химии
На протяжении всей истории органической химии в ней возникали и продолжают возникать проблемы теоретического характера, для решения которых необходимо было изучить те или иные соединения с экзоти
Расширение круга известных органических соединений
Это — одна из традиционных и наиболее скромных сторон деятельности химиков-синтетиков. Скромных потому, что большинство таких синтезов носит весьма заурядный характер, и уже давно никого не удивля
Вводные замечания
Название этой главы может создать впечатление, что мы собираемся рассмотреть в ней все или хотя бы большинство методов, используемых в современной синтетической практике. Надо сра
Возможность протекания органической реакции. Общие соображения
Во введении мы упоминали привлекательный, но абсолютно нереальный путь синтез уксусной кислоты из метана и углекислого газа (диоксида углерода):
СН4 + СО2 → СН
Термодинамическая допустимость реакции
Ископаемое сырье, служащее в конечном счете основным исходным материалом для органического синтеза, образовалось в результате чрезвычайно длительных биогеохимических процессов. За это время оно ус
Термодинамический и кинетический контроль
Для того чтобы термодинамически допустимое превращение X → Y могло осуществиться, реагирующая система X (это может быть одно вещество или несколько компонент, словом, все участники процесса),
Органическая реакция и синтетический метод
Термину «синтетический метод» трудно дать строгое определение, но не трудно описать смысл этого понятия. Идеальный синтетический метод может быть уподоблен оператору в математике,
Принципы сборки связи С-С. Гетеролитические реакции
Основу типичной органической молекулы, ее углеродный скелет, составляет система непосредственно связанных друг с другом атомов углерода. Поэтому методы создания углерод-углеродных с
Органические ионы и факторы, определяющие их стабильность
Высокая химическая активность карбокатионов и карбанионов связана прежде всего с силами кулоновского взаимодействия. Точечный заряд, сосредоточенный на атоме углерода, создает элек
Электрофилы и нуклеофилы в реакциях образования связей С-С
Существование обширных классов органических реакций, которые могутбыть формально описаны в терминах ионных схем, но в которых реально участвуют ковалентные соединения, позволяет говорить об экви
Реакция Вюрца. Аллильное сочетание и родственные случаи
Выше мы уже обсуждали реакцию Вюрца как один из простейших случаев образования связи С—С. В этой реакции одна молекула алкилгалогенида выступает в роли элекгрофила (эквивалента карбокатиона), в то
Карбонильные соединения как нуклеофилы и электрофилы
В определенном смысле карбонилсодержащий фрагмент С-С=О может рассматриваться как аналог аллилъной системы С—С=С. Однако в отличие от последней в карбонильных соединениях эффективная стабилизация
Карбометаллирование алкинов
Изложенные выше принципы проведения нуклеофильного присоединения по кратным связям как последовательности независимых стадий атаки нуклеофила и взаимодействия образующегося карбанионного интермеди
Ретросинтетический анализ ациклических целевых структур. Общие рекомендации.
Выше мы рассмотрели лишь некоторые наиболее типичные и часто употребляемые методы сборки связей С-С и С=С. Эта выборка, несмотря на ее Неизбежную ограниченность, дает возможность сформулировать ря
Карбокатионные или карбанионные реагенты. О некоторых дополнительных возможностях проведения реакций образования связи С-С
Вначале разд. 2.2.3 мы не делали никаких принципиальных различий между карбокатионами и карбанионами, рассматривая и те, и другие в качестве равноправных партнеров в гетеролитичес
Взаимопревращения функциональных групп
До сих пор мы рассматривали лишь те реакции, результатом которых является образование новой связи С—С, и почти ничего не говорили о возможности переходов от одного типа органически
Изогипсические трансформации. Синтетическая эквивалентность функциональных групп одного уровня окисления.
Как мы уже могли убедиться, функциями, наиболее часто возникающими при сборке связи С—С, являются спиртовая (реакции Гриньяра, альдольная конденсация) и олефиновая (реакция Виттига, кротоновая конд
Неизогипсические трансформации как пути переходов между различными уровнями окисления
В этой группе наиболее значимыми для синтеза являются такие превращения кислородсодержащих соединений, как окисление спиртов до карбонильных соединений или карбоновых кислот и обратные им превращ
Взаимопревращение функциональных групп как стратегический метод в полном синтезе.
В начальный период развития органического синтеза было естественно выстраивать синтетическую цепочку, используя в качестве исходного соединения то или иное вещество, выделяемое из
Селективность обеспечивается выбором подходящей реакции
Наиболее простой пример такого подхода мы рассматривали на примере бро-мирования толуола (см. разд. 2.1.3). Действительно, в толуоле имеются две функциональные группы, способные легко реагировать с
Варьирование природы реагентов как способ управления селективностью реакции
Хорошо известно, что даже в пределах одной и той же реакции относительная реакционная способность родственных функций может ощутимо зависеть от конкретных особенностей используемого реагента. Поэто
Альтернативных реакционных центров субстрата
Классический пример такого подхода к решению проблемы — ацетоуксус-ный эфир (168).Его обычной реакционноспособной формой является 1енолят 169,реакции которого с ра
Защита функциональных групп как универсальный способ управления селективностью реакций
Во всех подходах к проблеме селективности, которые мы рассматривали вы-ше, «игра» строилась на вариациях, непосредственно затрагивающих участ-ников основного процесса: изменялись природа субстрата
Идеальный органический синтез: фантастика или достижимая цель?
Пофантазируем немного на тему о том, каким бы хотелось видеть идеальный органический синтез (недалекого будущего?). Мы говорили о том, что синтез состоит в конструировании молекул.
Реагенты и синтетическая эквивалентность
Разумеется, аналогию между реагентом в синтезе и деталью какой-либо механической конструкции не следует понимать слишком буквально, хотя бы уже потому, что обычно реагент входитв собираемую структ
Понятие о синтонах
Обобщенное описание эквивалентности чрезвычайно полезно с сугубо прагматических позиций планирования органического синтеза, поскольку с его учетом резко расширяется поле выбора реагентов, применим
Синтонный подход как инструмент в разработке путей синтеза
Введение в обиход синтонов как элементарных блоков-заготовок предоставляет химику систему готовых решений если не всех, то многих тактических задач. Современный синтетик при анализе структуры цел
Изоструктурные синтоны обратной полярности
Как видно, синтонный подход позволяет планировать синтез на основе гете-ролитическях реакций как сборку целевой молекулы из готовых «кубиков», порядок сцепления которых определяется противоположнос
Специфика задач при синтезе циклических соединений
Вообще говоря, построение молекул, в состав которых входит замкнутая цепь углеродных атомов (цикл), требует решения уже знакомых нам задач образовния связей углерод-углерод. Почему
Малые циклы: производные циклопропана и циклобутана
В циклопропане валентные углы атомов, образующих цикл, равны 60', т. е. очень сильно отличаются от валентного угла тетраэдрического атома углерода (109,5°). Поэтому неудивительно, что энтальпия об
Пят- и шестичленные циклы
Благодаря минимальным искажениям валентных углов и минимальному напряжению, обусловленному взаимодействием несвязанных групп, пяти- и шестичленные циклы (как и ведущие к ним переходные состояния)
Циклы большего размера. Принципы макроциклизации. Эффекты многоцентровой координации
Число атомов в цикле (п)
Относительная скорость(при 50˚С)
1,5 10е
1,7
Циклоприсоединение - методы, специально созданные для получения циклических структур
Нетрудно заметить, что все ранее рассмотренные методы циклообразования имеют одну общую особенность: циклизация осуществляется как внутримолекулярная реакция замыкания единственной
Циклоприсоединение
Среди множества реакций, относящихся к этому классу, особое место занимает [4 + 2]-циклоприсоединение. Это — реакция Дильса—Альдера [2а], как правило, не требующая катализа или иницирования облуч
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 фрагм
Синтез циклопропанов путем [2 + 1]-циклоприсоединения
Синтез трехчленных циклов по схеме циклоприсоединения должен, очевидно, включать взаимодействие непредельного субстрата, например алкена, с каким-либо Срреагентом, выступающим в роли синтетическог
Селективность циклообразования в комплексах переходных металлов
Вспомним, каким трудоемким путем (с общим выходом 0,75%) был впервые получен циклооктатетраен (137,схема 2.65). Этот 10-стадийный синтез был впоследствии воспроизведен другими иссл
Радикальные реакции и их роль в синтезе циклических соединений
Как мы уже отмечали, большинство методов образования связей С—С в полном синтезе основано на гетеролитических реакциях или на реакциях циклоприсоединения. Причины того, что гемолитические реакции
Расщепление связей С-С и перестройка углеродного скелета как синтетические методы
Выше мы обсудили основные типы реакций и методов, используемых для образования связей С-С углеродного скелета ацикличгских или циклических молекул. Этот набор должен быть дополнен еще группой мето
Синтетическое использование реакций расщепления двойной углерод-углеродной связи
Созидательный потенциал реакций, приводящей к разрыву углерод-углеродных связей, еще более наглядно может быть продемонстрирован на примере окислительного расщепления олефинов. Сре
Перегруппировки углеродного скелета и некоторые возможности их использования в полном синтезе
Конструктивные и деструктивные реакции, которые мы до сих пор рассматривали, отличаются тем общим свойством, что в них затрагиваются (разрываются или образуются) лишь связи тех атомов, которые не
Перегруппировка Кляйзена-Джонсона—Айрленда и гидрокси-перегруппировка Коупа
Как показано в общем виде на схеме 2.154, синтетический результат перегруппировки Кляйзена сводится к введению аллильного фрагмента по а-ато-му исходного карбонильного соединения через промежуточн
Трансформации малых циклов и их роль в полном синтезе
Как было показано выше, разработано множество методов, позволяющих получать циклы различных размеров, в том числе входящие в состав полициклического скелета. Размер цикла, который может быть обра
Заключительные замечания
В данной главе мы, конечно, не имели возможности сколько-нибудь полно обсудить все те методы, которые составляют основу тактики современного органического синтеза. Однако мы надеемся, что даже на о
Новости и инфо для студентов