Исследование свойств продуктов циклизации алициклического 1,5,9-трикетона (стр. 1 из 5)

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ДАЛЬНЕВОСТОЧНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Институт химии и прикладной экологии

Химический факультет

Кафедра органической химии

Исследование свойств продуктов циклизации алициклического 1,5,9-трикетона

Дипломная работа

студентки 051 группы

Кравченко Н.С.

Научный руководитель:

д.х.н., профессор Акимова Т.И.

Владивосток 2004

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

Литературный обзор

Обсуждение результатов

Экспериментальная часть

Выводы

Литература

ВВЕДЕНИЕ

Алициклические 1,5,9-трикетоны – малоизученный класс соединений, хотя первые сведения о них появились еще в 50-х годах прошлого века. Наличие нескольких реакционных центров делают трикетоны ценными субстратами в синтезе разнообразных сложнопостроенных карбо- и гетероциклических соединений.

К настоящему времени известно, что некоторые из них, содержащие шестичленные циклы, под действием щелочи способны превращаться путем домино реакции в сложные каркасные структуры, труднодоступные иными методами синтеза. Для трикетонов, состоящих из 5-7-членных циклов в различных сочетаниях в структуре была изучена реакция циклизации и установлены структуры продуктов циклизации [8-14]. Химические свойства этих соединений еще не изучались.

Целью нашего исследования явилось изучение реакции дециклизации, дегидратации и получение шестичленных азот - и кислородсодержащих гетероциклов на основе циклических производных 1,5,9-трикетонов.

По теме дипломной работы опубликовано 5 тезисов докладов на конференциях и симпозиуме:

1. 7-я Региональная молодежная научная школа-конференция по актуальным проблемам химии и биологии, 2003, Владивосток

2. 3-й международный симпозиум «Химия и химическое образование», 2003, Владивосток

3. Международная научно-техническая конференция «Перспективы развития и практического применения алициклических соединений», 2004, Самара

4. Открытая молодежная научная конференция Института химии и прикладной экологии, 2004, Владивосток.

5. X Всероссийская научная конференция «Карбонильные соединения в синтезе гетероциклов», 2004, Саратов

ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1. Конденсация циклогексанона с формальдегидом

Изначально реакцию циклогексанона с формальдегидом в щелочной среде (при избытке циклогексанона) рассматривали как способ получения 1,5-дикетона. Первыми ее осуществили Тиличенко [1] и Колонж [2]. Тиличенко проводил реакцию в щелочном водно-спиртовом растворе при добавлении формальдегида к 6-ти кратному избытку циклогексанона. По методу Колонжа концентрированный раствор метилата натрия добавлялся к смеси циклогексанона с параформом (2:1), при этом наблюдалась экзотермическая реакция.

Реакция дикетонной конденсации осложняется рядом побочных процессов. Тиличенко и Зыкова [3, 4] показали, что циклогексанон как кетон с двумя α-метиленовыми группами, в реакции с формальдегидом в водно–спиртовом растворе в зависимости от молярного соотношения исходных веществ может давать либо поликонденсат (n=2-3), либо 1,5-дикетон (n=0).

При соотношении циклогексанона и формальдегида, равном 1:1, получается продукт с n=2-3; при соотношении 2-3:1 – продукт с n=1, 0; при соотношении 5-6 : 1 – продукт с n=0. Как показал опыт [5], даже при 5-6 кратном избытке циклогексанона избежать продуктов поликонденсации не удается, их доля, судя по остатку после отгонки дикетона, составляет 10-15 %. Значительные количества поликонденсата образуются и в реакции по методу Колонжа.

Кроме целевого продукта – дикетона 1, Тиличенко получил также продукт внутримолекулярной циклизации дикетона – бициклический кетол 3, выход которого составлял 8-9 % [6].

Он легко отделяется от 1,5-дикетона, поскольку плохо растворим, и выпадает в осадок. Кроме соединений 1 и 3, Тиличенко [1] также упоминал об образовании еще одного вещества кристаллического вида с Т.пл.=193 °С, представляющего собой продукт конденсации трех молекул циклогексанона с двумя молекулами формальдегида (С20Н30О3). Это же соединение описали Плешек и Мунк [7], но ошибочно ему была придана формула С19Н28О3.

Позже, в 1966 году, Тиличенко попытался установить структуру этого продукта [8]. Изучив его ИК спектр, Тиличенко показал, что вещество не является трикетоном 2, поскольку в спектре отсутствует поглощение карбонильных групп, но имеется поглощение группы – ОН. На этом основании для соединения была предложена структура 2 c и показано, что при нагревании выше температуры плавления оно дециклизуется в трикетон 2, а последний при действии спиртового раствора щелочи количественно превращается в исходное соединение.

По схеме Тиличенко [8], циклизация начинается с взаимодействия карбонильной группы первого циклогексанонового кольца со свободной a-метиленовой группой третьего цикла 2 а и сопровождается образованием двух следующих друг за другом полуацетальных форм 2 b и 2 c :

Схема 1

Схема обосновывалась данными ИК спектра (конечный продукт содержит только полосу поглощения ОН-группы и не имеет полосы поглощения С=О группы) и предположением о том, что циклокетолизация не может протекать по a-СН-замещенной группе, так как a-замещенные 1,5-дикетоны цикло-кетолов не образуют.

Однако, в результате получения промежуточных продуктов циклизации трикетона 4 [10], а также на основании данных спектров ИК, ЯМР 1Н и 13С для соединения 6 была установлена указанная структура [9-11].

Позже по установленному строению соединения 6 была установлена структура для соединения 5, которая также подтверждалась данными рентгеноструктурного анализа [9, 12, 13].

Такие же продукты циклизации были получены с другими алициклическими 1,5,9-трикетонами, содержащими два шестичленных цикла и один семичленный цикл в структуре [14].

В настоящее время в литературе уже описаны синтезы трикетонов, включающих в свою структуру не только пяти-шестичленные циклы [15, 16], но и семичленные циклы [14]:

Их синтез можно осуществить двумя путями (схема 2):

Схема 2

Нессиметричные трикетоны получаются в качестве побочных продуктов в результате реакции переаминометилирования по пути а.

2. Реакция восстановительного аминирования по Лейкарту

Реакция Лейкарта известна как способ превращения карбонильных соединений в амины [17]. Спектр карбонильных соединений, вводимых в реакцию, разнообразен. Это могут быть различные альдегиды, кетоны, дикетоны и т.д. Реагентами в этой реакции выступают формиат аммония, формамид или их замещенные производные. Реакция может проводиться как без растворителей, так и с применением их; чаще всего в качестве растворителя применяют муравьиную кислоту, уксусную кислоту, этиленгликоль и другие [17].

Для объяснения механизма взаимодействия карбонильных соединений с формамидом была предложена следующая схема (3) [17, 18]:

Схема 3

На первой стадии происходит нуклеофильное присоединение формамида к карбонильной группе с образованием соединения (а). Последующее отщепление воды приводит к образованию имина (b), а при гидридном восстановлении он переходит в N-формилпроизводное (c). При щелочном или кислотном гидролизе последнего образуется амин (d).

Известны примеры введения в реакцию Лейкарта кетонов каркасной структуры [19-21]. Так, трициклен 7 в результате реакции Лейкарта [19] образует стереоизомерные по мостиковому углеродному атому формиламины 9 а, b с преимущественным содержанием изомера 9 а с аксиальным расположением формиламинного заместителя, который легко переходит в соответствующий амин 11 путем щелочного гидролиза [22]. Гидроаминирование по Лейкарту близкого аналога соединения 7 – трициклена 8, также приводит к смеси стереоизомерных продуктов 10 a, b, однако в этом случае преобладает изомер 10 b с экваториально расположенной формиламинной группой, т.е. стереохимия гидроаминирования карбонильных групп кетонов 7 и 8 противоположна.

Причина этого кроется в том, что в пятичленном цикле соединения 7 не проявляются 1,3-диаксиальные взаимодействия, характерные для шестичленных циклов, и подход гидрид-иона со стороны пятичленного цикла менее затруднен. На приведенной ниже схеме показано, что подход восстановителя в молекуле интермедиата А возможен с обеих сторон двойной связи С=N, тогда как в молекуле интермедиата B он с одной стороны блокирован:

Соответствующий трициклену 8 кетол 3 в условиях реакции Лейкарта дециклизуется и в реакции с формамидом дает пергидро- и октагидроакридины 12 и 13 [20-22]:

Если в реакцию Лейкарта вводится дикетон или соединение, содержащее наряду с карбонильной группой гидроксил, карбоксил, то реакция обычно не останавливается на стадии образования аминов, а сопровождается циклизацией [24, 25]. Таким примером может служить введение в реакцию гидроаминирования арилалифатического 1,5,9-трикетона 14 [25]. При микроволновом облучении в течение 1 минуты диастереомерной смеси трикетона 14 с формиатом аммония в этиленгликоле образуется диастереомерная смесь третичных аминов 15 а и 15 b с выходом 87 % в соотношении 2:1, разделение которой проводилось колоночной хроматографией.