Химия каренов (стр. 3 из 9)

Не совсем обычно ведут себя при облучении цис- (44) и транс-4-караноны (45). Хотя строение молекул позволяет осуществить расщепление II типа по Норришу связей С(3)—С(4) и С(4)—С(5), среди продуктов фотопревращений цис-каранона (44) обнаружены только соединения, образовавшиеся в результате расщепления связи С(4)—С(5).⁴⁴

Вопреки ожиданиям, не наблюдалось образования альдегида 46 и эпимеризации кетона 45. Однако при облучении последнего в присутствии трет-бутиламина в продуктах реакции было найдено небольшое (>1%) количество амида 47. Это свидетельствует о том, что гомолитический разрыв связи С(3)—С(4) все-таки происходит, но в крайне незначительной степени.

Формально фотохимическое поведение кетонов 44 и 45 очень похоже на аллильные перегруппировки β,γ-ненасыщенных кетонов.⁴⁵ Кропп с соавторами считал фотохимическую перегруппировку каранонов 44 и 45 первым примером циклопропильного аналога фотохимической аллильной перегруппировки.⁴⁴ Однако в случае β,γ -ненасыщенных кетонов реакция обратима, а в случае кетонов 44 и 45 — нет.

По аналогии с β,γ -ненасыщенными кетонами можно полагать, что направление α-расщепления углеродных связей обусловлено "аллильным" влиянием ЦПК, ослабляющим связь С(4)—С(5) за счет эффекта сопряжения или индуктивного. В образовавшихся радикалах 48 и 49 должны раскрыться связи С(1)—С(6) или С(1)—С(7). Соотношение присутствующих в продуктах реакций циклопентанонов и циклобутанонов (3:1) отражает преимущественное раскрытие более замещенной связи С(6)—С(7) и относительную стабильность третичного (50, 51) и вторичного (52, 53) радикалов.

Есть и еще одно отличие аллильных фотохимических перегруппировок β,γ-ненасыщенных кетонов от аналогичных циклопропильных. Аллильная перегруппировка считается согласованным процессом.⁴⁵ Но превращение каранонов 44 и 45, по мнению авторов,⁴⁴ не может быть согласованной реакцией, по крайней мере об этом свидетельствует образование эпимерных циклобутанонов.

Направление скелетной фотохимической перегруппировки терпеноидов ряда карана зависит от ориентации заместителей: прямое облучение транс-3-метокси-4-каранона (54) в этаноле протекает с раскрытием шестичленного цикла по связи С(3)—С(4) (что для β,γ-циклопропилкетонов бывает крайне редко) и присоединением этанола.³⁹

В случае цис-3-метокси-4-каранона (55) с экваториальной метоксигруппой наблюдается исключительно элиминирование II типа по Норришу и образование каранона 44; требуемое плоское шестичленное переходное состояние (ПС) А легко достижимо, и образование кетона 44 успешно конкурирует с расщеплением связи С(3)—С(4).³⁹

Кетон 44 под действием света подвергается гомолитическому разрыву связи С(4)—С(5) и гомоаллильной перегруппировке, характерной для β,γ -циклопропилкетопов.^44,46 При этом образуются циклопентанон 56 и циклобутанон 57.

Таким образом, перегруппировки карановых монотерпеноидов под действием света можно разделить на две группы: перегруппировки, в которых в качестве хромофора выступают элементы углеродного скелета — циклопропан и двойная связь, — и перегруппировки, в которых хромофором является функциональный заместитель. Применение сенсибилизаторов приводит к перегруппировкам первого типа с образованием производных бицикло[3.2.0]гептана. Воздействие облучения в отсутствие сенсибилизатора, как правило, приводит к перегруппировкам второго типа, при этом возможны разрыв большого или малого циклов, сужение большого цикла или образование трициклической структуры. Направление реакции в каждом конкретном случае определяется природой и положением заместителя, являющегося хромофором.

IV. Согласованные реакции

Если ионным реакциям соединений каранового ряда посвящено множество работ, которые неоднократно систематизировались, то согласованные превращения значительно менее исследованы, и обобщение этого материала до сих пор не делалось. Справедливости ради следует отметить, что далеко не все реакции, которые формально относятся к согласованным, оказываются таковыми в действительности. Например, в случае 2,4-карадиена (58) 1,5-термический сдвиг формально является согласованной сигматропнои реакцией. Однако, во-первых, она протекает не через циклическое ПС (с одновременным разрывом и образованием связей С—С), а через дирадикальный интермедиат, а во-вторых, по сути, она не является сигматропным процессом. Иногда согласованный механизм осуществляется через сильно поляризованное ПС или сопряжен с ионным механизмом. Обзор подобных реакций карановых монотерпеноидов особенно интересен потому, что именно в них иногда осуществляются уникальные превращения, характерные только для этих соединений (например, перегруппировка Берсона-Вилькотта ⁴⁷). Исследование согласованных реакций существенно расширяет наши представления о механизмах химических реакций вообще.

1. Интерконверсия норкарадиен - циклогептатриен

Одно из интереснейших скелетных превращений карановых структур — перегруппировки, связывающие терпеноиды ряда карана и ряда 1,1,4-триметилциклогептана, — привлекло внимание исследователей и привело к открытию такого замечательного явления в органической химии, как "быстрое" равновесие норкарадиен - циклогептатриен. Этой теме посвящено большое количество работ последней трети двадцатого века.^47-55 Быстрое равновесие валентных таутомеров норкара-2,4-диена (59) и циклогепта-1,3,5-триена (60) обусловлено типично согласованной реакцией — дисротаторным раскрытием и замыканием трехчленного карбоцикла, причем этот процесс подчиняется правилам сохранения орбитальной симметрии, сформулированным Вудвордом и Гофманом.⁵⁶

Для незамещенного углеводорода (R¹ = R² = H) это равновесие настолько сдвинуто в сторону моноциклического таутомера 60, что норкарадиен не удавалось обнаружить никакими физическими методами. Его существование постулировали на основании поведения замещенных аналогов (R¹ = CN, R² = CF₃; R¹ = CO₂Me, R² == Ph; R¹ = CO₂Me, R² = C₆H₄OMe-4), которые в виде равновесных смесей с соответствующими циклогептатриенами обнаружены при исследовании последних методом низкотемпературного ЯМР.⁵⁵ Только в 1981 г., четверть века спустя после появления гипотезы о валентной таутомерии циклогептатриена, удалось зафиксировать незамещенный норкарадиен при низкотемпературном (77 К.) фотолизе трицикло[3.2.2.0^2,4]нон-6-енди-8,9-она.⁵⁷

Экспериментально установлено, что бициклическую структуру способны стабилизировать π-акцепторные заместители в положении 7.⁵⁵ Природу такой стабилизации изящно объяснил Р.Гофман в рамках метода граничных МО.⁵³ Очевидно, что метальные заместители стабилизаторами быть не могут, и поэтому для системы 2,4-карадиен (58) — 3,7,7-триметилциклогепта-1,3,5-триен (61) равновесие всегда сдвинуто в сторону моноциклического партнера. Однако эти валентные таутомеры — все-таки разные, реально существующие соединения; они обладают различной реакционной способностью, что должно проявляться (и проявляется, как будет показано ниже) в химических реакциях.

Перегруппировки, обусловленные описанной выше валентной таутомерией, будут обсуждены более подробно, чем ионные, поскольку в отечественной научной литературе проблема таутомерии норкарадиена практически не рассматривалась. К сожалению, даже исследователи, работающие в области химии терпеноидов, привлекают для объяснения расширения каранового скелета до циклогептанового недостаточно обоснованные гипотезы.^12,58

Перегруппировка циклогептатриен — норкарадиен была обнаружена при изучении химических превращений эйкарвона (2,6,6-триметилциклогепта-2,4-диенона (62)) — терпеноида, впервые синтезированного Байером,⁵⁹ но впоследствии обнаруженного в эфирных маслах различных растений.⁶⁰

Гипотеза о валентной таутомерии моно- и бициклических енолов 63 и 64, как возможное объяснение скелетной перегруппировки кетона 62 при образовании 3,7,7-триметил-5-гидрокси-3-карен-2-она (65) и 3,7,7-триметил-5-оксиимино-3-карен-2-она (66), была выдвинута в 1956 г.^61,62 Впоследствии оказалось, что гораздо более распространенными являются перегруппировки карановых производных в триметилциклогептановые, поскольку равновесие в динамическом взаимопревращении двух таутомеров сильно сдвинуто в сторону моноциклического партнера.⁶³

2,5,5-Триметилциклогепта-2,4-диенон (67), так же как и кетон 62. обнаружен в скипидарах из Pinus silvestris L.⁶⁴ По-видимому, присутствие этих кетонов в живичном скипидаре объясняется тем, что из 3-карена (одного из основных компонентов скипидара) в процессе развития растения образуются непредельные кетоны ряда карана, которые затем согласованной электроциклической реакцией превращаются в моноциклические диеноны. Подтверждением этого могут служить результаты жидкофазного окисления 3-карена: содержание кетонов 62 и 67 в продуктах реакции достигало 20 и 28%.⁶⁵