Для школ с углубленным изучением химии

Реакции циклизации

Продолжение. Начало см. в № 31/2002

1. Алициклические соединения

1.5. Внутримолекулярная альдольная конденсация. Термином «конденсация» обычно обозначают реакции, в которых присоединение реагентов сопровождается отщеплением молекулы воды или спирта. Однако это определение недостаточно четкое, т. к. некоторые реакции можно остановить на первой стадии присоединения. Будем считать, что конденсация – это присоединение нуклеофилов с углеродным центром к карбонильным соединениям, приводящее к образованию углерод-углеродных связей.
В реакциях альдольной конденсации участвуют альдегиды и кетоны. У них есть подвижный атом водорода в a-положении к функциональной группе, т. е. они обладают С–Н-кислотностью. Вещества с С–Н-кислотностью могут в присутствии сильных оснований равновесно переходить в реакционноспособную форму и присоединяться к карбонильному соединению. В таких реакциях анион с отрицательным зарядом на углероде (карбанион), полученный при действии основания ОН– на -Н-атом одной молекулы карбонильного соединения (стадия 1), присоединяется к карбонильному углероду другой молекулы с образованием -гидроксикарбонильного соединения (стадия 2). Например, в случае ацетальдегида СН₃СHO продуктом реакции является 3-гидроксибутаналь – альдоль (соединение, содержащее альдегидную и спиртовую группы):

(1)

(2)

К реакциям, протекающим по схеме альдольной конденсации, часто примыкают реакции с отщеплением молекулы воды с образованием , -ненасыщенных соединений (кротоновая конденсация). Отщепление воды в подобных случаях протекает очень легко, т. к. при этом образуется система сопряженных двойных связей:

Если карбонильной компонентой, реагирующей с С–Н-кислотным соединением, является сложный эфир, то стадия кротоновой конденсации протекает обязательно, причем отщепляется спирт. В результате получают устойчивые ионы (енолят-анионы) b-дикарбонильных соединений:

Подобные реакции носят название конденсации Кляйзена, или сложноэфирной конденсации. В.Дикман применил сложноэфирную конденсацию для синтеза циклических систем. Реакция Дикмана происходит внутримолекулярно и возможна, если в состав одной и той же молекулы входят две группы –СООС₂Н₅, разделенные 4–6 метиленовыми звеньями СН₂, т. е. это соединение С₂Н₅ООС(СН₂)_nCOOС₂Н₅, где n = 4–6. В реакции участвует -метиленовый углерод по отношению к эфирной группе –СООС₂Н₅:

Другой пример циклизации по Дикману – превращение диэтилового эфира адипиновой кислоты в этиловый эфир циклопентанон-2-карбоновой кислоты:

Циклизация сопровождается побочной реакцией – межмолекулярной конденсацией. Нежелательный процесс можно свести к минимуму, проводя реакцию в разбавленных растворах. В этих условиях внутримолекулярная реакция успевает завершиться до того, как произойдет взаимодействие двух молекул сложного эфира.
Примером межмолекулярной конденсации, приводящей к дикетонам циклического строения, может быть взаимодействие диэтилоксалата с диэтиловым эфиром глутаровой кислоты:

При наличии подходящих карбонильных соединений внутримолекулярной альдольной конденсацией можно получать разнообразные циклические продукты. Например, из октандиона-2,7 – производные циклопентана:

Реакции С–Н-кислотных веществ с карбонильными соединениями можно инициировать не только основными, но и кислотными катализаторами. Кислотный катализатор повышает карбонильную активность:

а кроме того, ускоряет енолизацию С–Н-кислотной компоненты:

(Мезомерные ионы – такие, в которых положительный или отрицательный заряд распределен между несколькими атомами, и в результате имеются связи нецелочисленной кратности.)
Енол как нуклеофильный агент присоединяется к карбонильной группе:

В кислой среде альдоль немедленно дегидратируется, если в -положении есть атом водорода:

Внутримолекулярная альдольная конденсация этилового эфира 6-альдегидо-3-кетокапроновой кислоты протекает в ацетоне в присутствии n-толуолсульфокислоты n-СН₃С₆H₄SO₂OH и приводит к этиловому эфиру циклогексен-6-он-2-карбоновой кислоты:

1.6. Реакция Михаэля. Многие , -непредельные кетоны, сложные эфиры, нитрилы и особенно -дикарбонильные соединения (активированные алкены) способны присоединять С–Н-кислотные соединения в присутствии основных катализаторов (пиперидин , С₂H₅ONa). Такие реакции, в которых нуклеофил, атакующий активированный алкен, является карбанионом С–Н-кислоты, называют присоединением по Михаэлю:

Если в С–Н-кислотном компоненте имеется несколько реакционноспособных водородных атомов, то могут получаться циклические аддукты (устойчивы пяти- и шестичленные циклы). Например, присоединение по Михаэлю ацетоуксусного эфира к коричному альдегиду (катализатор – КОН в спирте) дает этиловый эфир 2-ацетил-3-фенил-4-формилмасляной кислоты, последующая кротоновая конденсация которого с отщеплением воды приводит к циклогексеновому производному:

1.7. Циклопропанирование непредельных соединений. При фотолизе диазометана или кетена СН₂=С=О образуется высокореакционноспособная метилен-частица СН₂:

Фотолиз диазометана в газовой фазе этилена дает циклопропан:

Так же происходит присоединение метилена к 2-бутену на свету:

Галогенкарбены, образующиеся при основном гидролизе хлороформа или бромоформа (например, из бромоформа CHBr₃ в присутствии трет-бутилата калия (СН₃)₃СОК образуется дибромкарбен Вr₂C:), присоединяясь к алкенам, дают галогеналкилциклопропаны. Последние при восстановлении превращаются в алкилциклопропаны:

Другим примером присоединения метиленовой группы по двойной связи является взаимодействие 2-бутена с йодистым метиленом в присутствии медно-цинкового катализатора:

1.8. Получение метиленциклобутанов. Циклодимеризация непредельных соединений, содержащих активную двойную связь, является общим методом синтеза циклобутановых производных. Димеризация аллена, впервые осуществленная С.В.Лебедевым в 1911 г., приводит к 1,2- и 1,3-диметиленциклобутанам:

1,2-Диметиленциклобутан по химическим свойствам подобен сопряженным диенам. Он легко полимеризуется и образует преимущественно продукт 1,4-присоединения цисстроения, являющийся полным структурным аналогом натурального каучука.
Реакция аллена с соединениями, содержащими активированные двойные связи (например, с акрилонитрилом), приводит к замещенным метиленциклобутанам:

Материла подготовил
А.Д.ВЯЗЕМСКИЙ