Химия каренов (стр. 5 из 9)

При электрофильной атаке терминальной двойной связи в соединении 79 протонированной молекулой формальдегида образуется гомодиенильный ион 87, который стабилизируется двумя путями: выбросом протона от атома С(5) с образованием спирта 88 или от атома С(10) с образованием аллильного спирта 86. Спирт 86 под действием кислоты изомеризуется в карадиеновый спирт 88, который затем перегруппировывается в спирт 85.

Моноциклический спирт 85 может образоваться и по другому механизму. Если к исходному углеводороду присоединяется молекула формальдегида, первая стадия реакции протекает как согласованная через шестичленное поляризованное ПС (89)⁸⁵ и приводит к бициклическому спирту 88. Последующая перегруппировка дает продукт реакции 85. Таким образом, превращение диена 79 в триеновый спирт 85 может протекать как последовательность двух согласованных реакций.

Следует отметить, что атака электрофильного агента (и заряженной молекулы, и диполя) направлена на атом С(10) соединения 79, т.е. на один из концов сопряженной гомотриенильной системы, более доступный с пространственной точки зрения. Однако в реакции с 2-кареном (31) протонированная молекула формальдегида присоединяется к наименее замещенному концу двойной связи, давая гомоаллильный спирт 90,⁸⁶ что является дополнительным подтверждением отсутствия сопряжения в молекуле 2-карена.

Следует отметить, что основным продуктом дегидратации 2-гидроксиметил-3-карена (90) гидроксидом калия является не карадиен с экзоциклической двойной связью (91), а 2,3,7,7-тетраметилциклогепта-1,3,5-триен (92), который, очевидно, образовался через интермедиаты 93, 94.⁸⁶

При дегидратации спирта 36 среди продуктов реакции кроме триеиа 80 обнаружен диен 79.⁸⁴ В пентадиенильном анионе 93 заряд делокализован в большей степени, чем в аллильном анионе 95, поэтому превращение диена 91 в конечный продукт 92 происходит легче, чем превращение диена 79 в диен 96 и далее в циклогептатриен 80.

Вообще говоря, согласованная перегруппировка трансоидных карадиенов происходит чрезвычайно легко, поэтому, чтобы ее избежать и получить весьма лабильный неперегруппированный диен, применяют специальные приемы. Так, углеводород 91 удалось синтезировать из спирта 90 только путем термического разложения N-оксида 97.⁸⁶

Возвращаясь к реакции Принса, можно отметить, что в тех случаях, когда молекула углеводорода, имеющая бицикло[4.1.0]гепт-2-еновую систему, содержит дополнительную изолированную двойную связь (как в соединении 30), первоначальная атака формальдегида направляется на эту связь. Однако в условиях кислотного катализа первоначально образующийся бициклический спирт легко изомеризуется, давая бицикло[4.1.0]гепт-2,4-диеновую систему (например, 98), в которой происходит согласованная перегруппировка.⁸⁶

2. Сигматропные перегруппировки

Термическая перегруппировка 2-карена (31) и его производных была первым примером превращений, которые впоследствии стали называть 1,5-гомодиенильным сдвигом.⁸⁷

Хорошо известно, что при температурах выше 330°С винилциклопропан превращается в циклопентен; реакция протекает путем гомолитического разрыва связи, изомеризации образовавшегося дирадикала и последующей рекомбинации.⁸⁸ Энергия активации этой перегруппировки довольно высока и составляет 208 кДж•моль^-1 (см.⁸⁹).

Однако 2-карен и его производные, молекулы которых содержат винилциклопропановый фрагмент, претерпевают перегруппировку уже при 180°С, образуя при этом соответствующие производные транс-изолимонена 99а-с.^90-91 Подобным же образом реагирует 4-карен (100).⁹²

Это превращение обусловлено особенностями строения производных 2- и 4-карена: подобно тому, как в цис-1,3-диеновых системах возможен 1,5-диенильный сдвиг водорода, в соединениях ряда карана, имеющих винилциклопропановый фрагмент, возможен 1,5-гомодиенильный сдвиг. Реакция протекает через шестиэлектронное переходное состояние и подчиняется правилам отбора для термических водородных сдвигов.⁵⁶ Гомолитического разрыва углерод-углеродной связи не происходит, так как энергия активации 1,5-гомодиенильного сдвига значительно ниже, чем энергия винилциклопропановой перегруппировки; в случае 2-карена она составляет 118 кДж•моль^-1 (см.⁹¹). Необходимое условие осуществления 1,5-сдвига — эндо-ориентация участвующих в образовании ПС связи С—Н и винильной группы.⁹³ Это — единственное стереохимическое требование для термической перегруппировки цис-1-метил-2-винилциклопропана, расположение заместителей в молекуле которого не вносит дополнительного напряжения. Это требование выполняется и для молекулы 2-карена (31), но из-за того, что двойная связь входит в шестичленный цикл, она отклоняется от направления, оптимального для сопряжения с ЦПК и образования ПС. Расстояние между С(3) и атомом водорода при С(8) в конформации "плоского кресла" составляет ~3.1 Å.³⁸ Это означает, что молекула 2-карена (31) при нагревании должна сначала изменить конформацию (при этом расстояние С(3)—Н(8) уменьшается до 2.З Å), и только затем может произойти 1,5-гомодиенильный сдвиг.

Природа заместителя в положении 4 может влиять на энергию активации конформационного перехода, но даже объемные заместители не препятствуют 1,5-сдвигу; правда термическая перегруппировка таких соединений требует более высокой температуры.⁹⁴

α-Туйен (101), молекула которого также содержит винилциклопропановый фрагмент, при нагревании выше 300°С остается неизменным. Однако эксперименты с дейтериевой меткой показали, что в действительности происходит вырожденная винилциклопропановая перегруппировка. В данном случае ПС, необходимое для осуществления 1,5-гомодиенильного сдвига, является труднодостижимым: расстояние между D(4) и С(5) или С(3) составляет ~ 2.8 Å.⁹⁵

Следует отметить, что благодаря геометрии молекул именно карановые структуры оказались подходящими моделями для изучения 1,5-гомодиенильного сдвига. В реакциях термической изомеризации терпеноидов с бицикло[4.1.0]-гепт-2-еновым скелетом 1,5-гомодиенильный сдвиг происходит регио- и стереоспецифично, что позволяет, например, синтезировать новые кислородсодержащие терпеноиды из производных 2-карена.⁹⁶

Не всегда наличие эндо-ориентированного винилциклопропанового фрагмента и подходящей связи С—Н в соединениях каранового ряда означает возможность термического 1,5-водородного сдвига. Так, при нагревании карадиена 77 в бензоле в интервале температур 120-190°С основным (при сравнительно низких температурах — единственным) продуктом его превращения был триен 61.⁹⁷ При повышении температуры до 170 - 190°С в небольших количествах (до 3 %) образовывались также п- и м-цимолы.

Казалось бы, наиболее реальным процессом в описываемых условиях должен быть 1,5-гомодиенильный сдвиг: винильная группа и одна из связей С(8)—Н имеют эндо- ориентацию, расстояние С(4)—Н(8) составляет ~2.2Å, т.е. легко достижимо идеальное ПС 1,5-сдвига, рассчитанное теоретически.⁹³ Однако продуктом такого превращения должен быть м-мента-1(7),4,8-триен, который в действительности не образуется. Винилциклопропановая перегруппировка при этих температурах также невозможна, так как для радикальной реакции они недостаточно высоки. Можно предположить, что за скелетную перегруппировку ответственна валентная таутомерия. Тогда термическая изомеризация 77 → 61 фактически сводится к превращению трансоидного диена 77 в цисоидный диен 58. Формально — это 1,3-сигматропный сдвиг.

Принято считать, что некатализируемый 1,3-сдвиг водорода в термических реакциях не происходит, так как переходное состояние разрешенного антараповерхностного сдвига является труднодостижимым из-за больших угловых напряжений в пропиленовом фрагменте.⁹⁸ Супраповерхностный сдвиг, который вполне мог бы реализоваться с пространственной точки зрения, запрещен правилами сохранения орбитальной симметрии. Однако расчет abinitio 1,3-сдвига в пропене показал, что запрещенный супраповерхностный перенос водорода требует меньшей энергии активации, чем разрешенный антараповерхностпый.⁹⁹ Для объяснения этого неожиданного результата была привлечена гипотеза о контроле орбиталью, лежащей ниже граничной.¹⁰⁰ Эта гипотеза лежит в основе предположения об осуществлении 1,3-сдвига в молекуле диена 77.

К исследованию механизма термической изомеризации карадиена 77 были привлечены кинетические исследования.⁹⁷ Превращения углеводорода 77 в триен 61 — последовательность двух согласованных реакций, причем первая (предполагаемый 1,3-сдвиг) по совершенно очевидным соображениям является лимитирующей. Кинетические исследования показали, что эта стадия описывается уравнением первого порядка. Определенная из экспериментальных данных энергия активации составляет 112 кДж•моль^-1, что близко к расчетной величине энергии активации антараповерхностного 1,3-сдвига (115 кДж•моль^-1 ).⁹⁹ На то, что 1,3-сдвиг возможен в этой реакции, указывает высокое отрицательное значение энтропии активации, равное 96 кДж•моль^-1•град^-1 (—23 э.е.). Сравнение этой величины с соответствующим параметром 1,5-сдвига (-8 ÷ -16 э.е.) показывает, что переходное состояние термической перегруппировки карадиена 77 является высокоупорядоченным и участвующие атомы связаны очень жестко. Энергия активации 1,5-сдвига в 2-карене (31) (118 кДж•моль^-1)⁹¹ несколько выше, чем энергия активации термической изомеризации диена 78, и это может быть объяснением, почему в данном случае не осуществляется 1,5-сдвиг.