2.1.8. СИНТЕЗ МОНО- И ПОЛИЦИКЛОАЛКАНОВ

Методы синтеза циклических и полициклических алканов удобно разделить на два типа: 1) методы с использованием исходных соединений, уже включающих в модифицированной форме желаемую циклическую систему; и 2) методы, в которых ключевой стадией является создание желаемой циклической системы. Обычно после получения циклической системы методом второго типа далее используют один из методов первого типа.

В предыдущем разделе, посвященном методам синтеза ациклических алканов, были перечислены стандартные пути удаления функциональных групп в алкилгалогенидах, олефинах, карбонильных соединениях и т. п. и замена их на водород или алкильную группу. В подавляющем большинстве случаев эти методы применимы независимо от того, является ли алкильная группа циклической или ациклической. Так, восстановление по Кижнеру — Вольфу проходит обычно равно хорошо с ациклическими и циклическими кетонами, а гидрирование угле род-угле род ной двойной связи протекает удовлетворительно независимо от того, является или нет двойная связь частью циклической системы. Эта реакция восстановления может быть успешно применена и для двойных связей, являющихся частью ароматической циклической системы [81]. Многие производные циклогексана были успешно получены каталитическим гидрированием соответствующих бензоидных систем в присутствии гетерогенных катализаторов (см. разд. 2.1.7.1). В общем случае, для восстановления бензольного кольца требуются более жесткие условия реакции, чем для восстановления изолированной двойной связи. Однако бензол и многие алкилбензолы гладко гидрируются над никелем Ренея под давлением при температурах . Полиядерные ароматические соединения также можно прогидрировать: таким путем можно получать декалин, пергидроантрацен, пергидрофенантрен и аналогичные конденсированные полициклоалканы [81].

В этом разделе основное внимание будет сконцентрировано на методах построения карбоциклических колец, имея в виду, что коль скоро желаемая циклическая система будет получена, далее может понадобиться удалить лишнюю функциональную группу тем или иным способом, обсужденным уже для ациклических алканов.

Многие циклоалканы можно получить непосредственно, используя разнообразные методы конденсации; одним из наиболее ранних методов является внутримолекулярный вариант реакции Вюрца [118].

При этой реакции -дигалогенид превращают в металллорганическое соединение, которое циклизуется с образованием ординарной углерод-углеродной связи. Обработка -дибромпропана металлическим натрием дает циклопропан, но с низким выходом; лучшие результаты получают при использовании цинковой пыли. Этот тип -элиминирования нашел широкое применение в синтезе некоторых высоко напряженных циклопропанов:

Циклобутан и некоторые его производные также были получены таким путем, однако для циклов большего размера этот метод неудобен. Уайтсайдс разработал чрезвычайно полезный вариант внутримолекулярной реакции Вюрца [119]. Он состоит в превращении -дигалогенида в димагнийорганическое соединение с последующей обработкой солью серебра(I). При этом образуется промежуточное алкилсеребряное производное, которое разлагается с разрывом связи углерод-серебро и одновременным образованием связи углерод-углерод. Реакция протекает в мягких условиях, выходы циклоалканов зависят от размеров цикла. Циклобутан и циклопентан получают с отличными выходами; для циклогексана и циклогептана выходы удовлетворительны; средние циклы не образуются совсем или образуются в следовых количествах, а циклододекан получают с выходом 10—15%.

Реакция была использована также для построения некоторых бициклических алканов:

Конденсация алкилгалогенидов и бромидов также может быть осуществлена внутримолекулярно [120]. -Дибромиды типа, показанного ниже, циклизуются при действии карбонила никеля, образуя циклические олефины (уравнение 21), которые являются хорошими исходными соединениями для получения соответствующих циклоалканов. Этим путем были получены с великолепным выходом 12-, 14-, 16- и 18-членные циклы, однако

реакция оказалась не пригодной для синтеза 8- и 10-членных циклов. Изменяя структуру исходных -дибромидов, можно получить также некоторые экзоциклические олефины (см. уравнение 22); эти олефийы представляют собой заманчивые исходные соединения для синтеза -диметилциклоалканов.

Однако этот прямой метод не пригоден для построения средних циклов.

Имеется несколько методов для построения карбоциклических соединений, содержащих кислородные функции, из алифатических дикислот, диэфиров и динитрилов:

Эти методы представляют собой подходящие, хотя и более длинные, пути к циклоалканам, поскольку кислородную функцию можно обычно заменить на водород, используя рассмотренные ранее реакции. Некоторые из этих методов пригодны и для синтеза средних циклов, которые не удается получать прямыми методами конденсации. Сухая перегонка солей карбоновых кислот и щелочноземельных металлов обычно используется для получения диалкилкетонов. Внутримолекулярный вариант этой реакции можно применить для синтеза циклических кетонов из солей дикарбоновых кислот. Так, легко и с хорошими выходами образуются циклопентаноны и циклогексаноны. Циклопентанон можно получить с выходом 80% сухой перегонкой адипиновой кислоты в присутствии каталитических количеств гидроксида бария.

Циклогептанон может быть приготовлен пиролизом кальциевой соли пробковой кислоты. Ружичка с сотр. изучили получение циклических кетонов перегонкой ряда различных металлических солей дикарбоновых кислот [121, 122]. Кальциевые и бариевые соли дали хорошие результаты только для получения пяти- и шестичленных циклов. Для получения больших циклов особенно пригодны соли тория.

Выходы различных циклоалканов, полученных пиролизом кальциевых и ториевых солей дикарбоновых кислот приведены ниже:

В процессе пиролиза в качестве побочных продуктов образуются небольшие количества циклоалкандионов. Так, при синтезе циклогептадеканона в качестве побочного продукта был получен 34-членный циклоалкандион. Синтез Ружички по существу неблагоприятен для образования циклов, поскольку реакция проходит в конденсированной фазе, что способствует протеканию межмолекулярной, а не внутримолекулярной реакции (т. е. полимеризации, а не циклизации). Как видно из приведенных выше данных, выходы резко уменьшаются при переходе от обычных циклов к средним циклам и очень незначительно увеличиваются далее (до 5%) для 15— -членных циклов.

В идеальных условиях циклизацию следует проводить при высоком разбавлении, чтобы внутримолекулярная реакция (независимая от концентрации) преобладала над межмолекулярной реакцией, т. е. реакцию следует проводить в растворе. Циглер модифицировал реакцию Торпа, применив сильное разбавление [123]. Первоначальный вариант процесса Торпа включал межмолекуляр-ную катализуемую основаниями конденсацию нитрилов; позднее Торп разработал внутримолекулярный процесс, используя -динитрилы. Эта реакция пригодна для получения циклоалканов, поскольку первоначальный продукт — енаминонитрил — гидролизуется и декарбоксилируется в кислой среде. Циглер показал, что после модификации реакция Торпа может быть использована для синтеза циклических кетонов, содержащих от 5 до 33 атомов углерода. Модификация заключалась в использовании сильного разбавления, применении в качестве растворителя диэтилового эфира и -метиланилина в качестве основания. Хотя реакция Торпа — Циглера хорошо проходит для обычных циклов и больших циклов, содержащих более 13 атомов углерода (циклооктадеканон, например, может быть получен с выходом 80% несмотря на сильное разбавление) 9-, -членные циклы получаются с очень низкими выходами.

Циклизация по Дикману представляет собой распространение сложноэфирной конденсации на образование циклической системы [123]. По своему характеру она очень близка к реакции Торпа — Циглера, поскольку проводится в присутствии основания и начальный продукт — кетоэфир — легко превращается в циклический кетон после гидролиза и декарбоксилирования. Однако по размеру синтезируемых циклов циклизация по Дикману более ограничена, чем циклизация по Торпу — Циглеру. Лучше всего эта реакция подходит для построения -членных циклов. Несмотря на ограничения, присущие этим обоим методам циклизации, они имеют большое значение для синтеза полициклических систем, содержащих обычные кольца.

Ацилоиновая конденсация эфиров -дикарбоновых кислот является наиболее употребительным методом синтеза циклических кетонов со средними и большими кольцами [124]. В то время как реакции Дикмана и Торпа — Циглера в сущности не пригодны для синтеза циклов , внутримолекулярная ацилоиновая конденсация с последующей стадией восстановления дает циклические кетоны со средними и большими кольцами с великолепными выходами. Конденсация включает восстановительную циклизацию эфиров -дикарбоновых кислот с использованием щелочного металла (чаще всего натрия); первоначальный продукт представляет собой ендиолат, который после подкисления превращается в -гидроксикетон (ацилоин). Если реакцию проводят в присутствии триме-тилхлорсилана, то ендиолат можно выделить в виде бис . Последняя методика значительно расширила область применения и возможности ацилоиновой конденсации; использование триметилхлорснлана, как наилучшего варианта ацилоиновой конденсации, стало почти рутинным. При этом повышаются выходы продуктов, снижается количество побочных реакций, облегчается выделение образующих сопродуктов; триме-тилсилилоксигруппы легко удалить гидролизом. Кроме того, эта модификация позволяет получать более разнообразные по размеру циклы; в настоящее время имеется несколько примеров построения таким путем малых (трех- и четырехчленных), средних и больших (-членных) циклов.

Как и следовало ожидать, для образования средних и больших циклов путем ацилоиновой конденсации также желательно использовать условия сильного разбавления. Хотя детальный механизм реакции все еще не ясен, гетерогенные условия реакции, по-видимому, благоприятствуют образованию цикла. При высоком разбавлении оба электрофильных конца цепи диэфира сближаются друг с другом на поверхности металла до тех пор, пока не образуется связь. Ацилоины можно восстановить до кетонов с помощью различных модификаций метода Клемменсена. При мягких условиях реакции будет преобладать кетон, а при более жестких условиях пройдет полное восстановление до циклоалкана.

Примеры использования ацилоиновой конденсации для синтеза моно- и полициклических соединений приведены ниже:

Другие реакции циклизации, приводящие к циклоалканонам с большими кольцами, включают метод Бломквиста с использованием димера дикетена [125] и пиролиз трипероксидов, описанный Стори [126].

Циклоалканы можно получить гидрированием циклоалкинов. Окислительная конденсация некоторых терминальных диацетиленов в водном этаноле под действием кислорода в присутствии хлорида меди и хлористого аммония (см. разд. 2.6.2.1) дает циклические димеры, тримеры, тетрамеры, пентамеры и высшие циклические полиацетилены. Полное гидрирование этих циклических полиацетиленов приводит к соответствующим насыщенным углеводородам. Используя этот метод Зондхеймер и сотр. получили циклоалканы, содержащие 16, 18, 20, 21, 24, 27, 28, 30, 32, 36, 40, 45, 54 атомов углерода; до этой работы самым большим известным циклоалканом был циклоалкан [127].

Важные пути к моно- и полициклоалканам обеспечивают реакции фотохимического и термического циклоприсоединения и электроциклические реакции. Реакция Дильса — Альдера, которая представляет собой термическое -циклоприсоединение, является очень хорошим, хотя и непрямым методом образования моно- и полициклов, содержащих шестичленные кольца (уравнения 23—28).

Реакция включает -присоединение алкена (диенофила) к сопряженному диену; простейшим примером является при соединение этилена к , приводящее к циклогексену (уравнение 23).

Этот частный пример не является показательным, поскольку выходы при этой реакции низки, однако он иллюстрирует общие возможности метода, заключающиеся в построении шестичленного кольца таким путем, причем дальнейшее превращение продукта в циклоалкан можно легко осуществить гидрированием.

Присоединение проходит значительно легче, если в диенофнле имеются электроноакцепторные группы, такие как карбокси-, циано-, оксо- или группировка циклического ангидрида. Эти группы можно затем удалить или восстановить до алкильных групп. Например, многие циклические дикарбоновые кислоты легко доступны путем присоединения по Дильсу — Альдеру малеинового ангидрида к ациклическим или циклическим диенам. Образующиеся дикарбоновые кислоты можно легко декарбоксилировать в алкены и последующим гидрированием получить циклические и полициклические алканы (уравнения 26, 27). Другой причиной, по которой эта реакция очень интересна в синтетическом отношении, является ее высокая стереоспецифичность. Конфигурации диена и диенофила сохраняются в аддукте. Так, присоединение диметилового эфира малеиновой кислоты к дает цис-замещенный циклогексен (уравнение 24) с сохранением конфигурации диенофила. Сохранение конфигурации в диене, когда он является замещенным, показано на примере продукта, полученного из этилена и (уравнение 25). Таким образом при использовании этих реакций для синтеза 1,2- и -диметилциклогексанов конфигурация продуктов определяется на стадии циклоприсоединения. Еще одной характерной особенностью реакции Дильса — Альдера, которая имеет важное значение для определения стереохимии бициклических и мостиковых карбоциклических соединений, является предпочтительность эндо-присоединения. Так, циклодимеризация циклопентадиена дает эндо-тетрагидродициклопентадиен в качестве основного продукта. Примеры реакций Дильса — Альдера, которые приводят к продуктам, пригодным для превращения в циклоалканы, приведены выше [128].

Среди других реакций циклоприсоединения, которые, как было показано, имеют общее синтетическое значение, следует отметить -циклоприсоединения, которые приводят к циклобутанам. Известны как термический, так и фотохимический пути. К наиболее широко используемым фотохимическим реакциям -циклоприсоединения алкенов относятся внутримолекулярные реакции, которые были использованы для синтеза полициклических углеводородов каркасного типа. Некоторые примеры меж- и внутримолекулярных циклизаций приведены ниже (уравнения 29—32) [129, 130]:

Электроциклические реакции замыкания цикла, которые можно индуцировать термически или фотохимически, обеспечивают путь к ненасыщенным карбоциклам, пригодным для восстановления в циклоалканы и замещенные циклоалканы [131].

Присоединение карбенов и карбеноидов к олефинам является общим путем синтеза разнообразных замещенных циклопропанов (уравнения 33—39). Особенно выгодной комбинацией реагентов является иодистый метилен и цинк-медная пара (реагент Симмонса— Смита) [132].

Свободный метилен не является интермедиатом в этой реакции; вероятно, он переносится на С—С-связь через металлорганический интермедиат. Имеется много путей генерирования карбена и карбеноидных интермедиатов. Наиболее важными из них являются: 1) фотолиз, термолиз или катализуемое ионами металлов разложение диазоалканов; 2) фотолиз или термолиз солей сульфонилгидразонов; интермедиатами являются диазоалканы; 3) фотолиз диазиринов; 4) действие сильных оснований или металлорганических реагентов на алкилгалогениды и 5) термолиз -галогенртутных соединений [133]. При проведении этих реакций в присутствии олефина образуются циклопропаны. Примеры межмолекулярных и внутримолекулярных реакций карбенов и карбеноидных реагентов приведены выше (уравнения 33—39). Другой характерной чертой карбенов является их способность внедряться в связи С-Н. Внутримолекулярный вариант этой реакции внедрения используют для построения некоторых высоконапряженных циклопропильных систем.

Многие другие полициклические мостиковые алканы (см. с. 67) были получены с помощью продуманных многостадийных синтезов Для гомологического ряда алмазоподобных циклоалканов был раз работай специальный, практически одностадийный метод синтеза Шлейер установил, что адамантан можно получить перегруппиров кой эндо-тетрагидродициклопентадиена. Позднее аналогичным путем из подходящих исходных соединений были получены диамантан и триамантан (уравнения 40—42) [134]. Успешное использо

вание этого пути основано: 1) на высокой термодинамической устойчивости членов алмазоподобного ряда в сравнении с устойчивостью изомерных углеводородов; так, например, превращение эндо-тетрагидродициклопентадиена в адамантан проходит экзотермически и изменение энергии составляет ; 2) на доступности напряженных исходных соединений, изомерных продуктам перегруппировки, и 3) на способности некоторых кислот Льюиса генерировать и поддерживать концентрацию катионных интермедиатов, необходимых для осуществления перегруппировки.

Четвертый член ряда — анти-тетрамантан — был получен перегруппировкой в газовой фазе над платиной.