7.1.4. Образование ароматических и гетероароматических циклов

7.1.4.1. Карбоциклические системы

В продаже имеется такое разнообразие производных бензола с множеством различных функциональных групп, что для получения других его производных обычно нужно лишь ввести или заменить соответствующие функциональные группы. Методы синтеза бензольных производных из ациклических соединений имеют ограниченное практическое применение, по крайней мере в лабораторной практике, и поэтому они не рассматриваются в данном пособии.

Доступны также разнообразные производные нафталина, но это не относится к другим полициклическим ароматическим системам. Для синтеза последних, как правило, в качестве исходных веществ используются бензольные и нафталиновые производные. При этом чаще всего применяют два пути циклообразования: реакцию Фриделя — Крафтса (разд. 7.1.1) или реакцию арилирования (разд. 2.5). Это показано на приведенных ниже примерах. Следует отметить, что метод Фриделя — Крафтса может не приводить непосредственно к образованию

заданной молекулы, и поэтому иногда требуется следующая стадия — дегидрирование (или несколько стадий, разд. 9.2.4):

(см. скан)

Внутримолекулярное арилирование приведенного выше типа обычно называют реакцией Пшорра.

В определенных случаях для получения полициклических систем можно также использовать реакцию Дильса — Альдера (разд. 7.2.1), в других — электроциклические процессы (разд. 7.3).

7.1.4.2. Гетероциклические системы

Методы синтеза гетероциклических соединений столь многочисленны и разнообразны, что для их подробного описания понадобилась бы отдельная книга. Здесь же мы лишь выделим несколько основных направлений; ограничимся рассмотрением наиболее распространенных по величине и составляющим, их гетероатомам циклов, т. е. рассмотрим пяти- и шестичленные циклические системы, содержащие кислород, серу и азот. Следует отметить следующие основные черты этих реакций:

1. При синтезе моноциклических соединений циклообразование очень часто (хотя и не всегда) происходит за счет создания связи углерод — гетероатом.

2. Циклическую систему, содержащую два смежных гетероатома, обычно не получают за счет образования связи гетероатом — гетероатом, за исключением случаев, когда электрофильными группами являются нитрозо- или нитрогруппы (разд. 6.3.2 и 6.3.3), нитрен (разд. 12.4.2) или диазониевая группа (разд. 6.3.2)].

3. Если заданная молекула является бициклической, причем; гетероциклическое кольцо связано с бензольным, исходным соединением почти всегда служит производное бензола.

А. Моноциклические соединения. При образовании гетероциклов, содержащих кислород или серу, большинство процессов циклообразования включает взаимодействие нуклеофила в виде енола или ентиола и карбонильной группы в качестве электрофила:

Приведем следующие характерные примеры:

(см. скан)

Исключения в этом общем пути циклообразования особенно многочисленны для серусодержащих соединений; здесь циклизация обычно является результатом внутримолекулярной конденсации:

(см. скан)

В примере 8 на стадии циклизации возникает связь углерод — азот. Действительно, взаимодействия карбонильной и аминогрупп (ацилирование и конденсация) лежат в основе большинства процессов циклизации, ведущих к азотсодержащим гетероциклам, например:

В реакциях образования азотсодержащих гетероциклов, аналогичных примерам 1—6, вместо енолов или ентиолов в качестве нуклеофилов используются енамины, например:

(см. скан)

Б. Бензоконденсированные соединения. При циклизации такого типа исходным веществом, служит обычно ортодизамещенный бензол (примеры 15—18), а образование цикла

происходит при применении одного из методов, приведенных в пункте А. В других случаях в бензольном кольце имеется лишь один заместитель (примеры 19—20) и цикл образуют с помощью электрофильного ароматического замещения, чаще всего реакцией типа Фриделя — Крафтса:

(см. скан)

7.1.5. Образование средних и больших циклов

В разд. 7.1.2 уже отмечалось, что одним из факторов, от которого зависит легкость внутримолекулярной циклизации, является так называемый «дистанционный фактор». Чем больше цикл, который должен быть получен, тем меньше возможность того, что ациклический аналог примет конформацию, необходимую для успешного взаимодействия, т. е. электрофильный и нуклеофильный атомы окажутся достаточно близко друг к другу. При таких условиях молекулярная реакция между двумя молекулами ациклического соединения становится гораздо более возможной, чем внутримолекулярная циклизация.

Для образования средних -членных) и больших циклов -членные и более) необходимо применять специальные методы для ускорения циклизации по сравнению с межмолекулярной реакцией. При обычной технике эксперимента, носящей название «способа высокого разведения», ациклическое соединение вводят в реакционную среду очень медленно, так что концентрация всегда очень мала (часто или ниже); при этой концентрации возможность протекания межмолекулярных реакций значительно снижается. При такой высокой степени разведения реакция Дикмана и аналогичные реакции ацилирования приводят к приемлемым выходам циклических соединений со средними и большими циклами, например:

Для проведения этой реакции сложный эфир раствор) добавляют по каплям в течение 9 дней к перемешиваемой

суспензии гидрида натрия 2,5-ный избыток, концентрация :

[Здесь сложный эфир раствор) добавляют к основанию -ный избыток, концентрация также по каплям в течение 24 ч ]

В этом случае (реакция Торпа — Циглера) можно, если требуется, выделить промежуточный продукт — цианоенамин (9) или цианокетон (10).

Методы высокого разведения также могут применяться для получения макроциклических эфиров (лактонов), например:

Для проведения этого синтеза бромпроизводное кислоты ( раствор) добавляют в течение 2 дней к основанию (большой избыток, концентрация

Успешно применяется для получения средних и больших циклов ацилоиновая реакция. В простейшем из своих вариантов эта реакция аналогична бимолекулярному восстановлению кетонов (разд. 8.3.2) и имеет общие черты с восстановлением по Буво — Блану (разд. 8.4.4). Реакция состоит в одноэлектронном восстановлении эфира металлическим натрием с последующей димеризацией получающегося радикал-аниона.

Последний затем отщепляет алкоксид-ионы с образованием дикетона (11), который подвергается дальнейшему восстановлению» в дианион (12) ацилоина (13).

Диэфиры с длинной цепью образуют циклические ацилоины. Так как реакция гетерогенна, идет на поверхности металла, нет необходимости использовать методы высокого разведения, например:

Для проведения реакции эфир (неразбавленный) добавляется в течение 3 ч к суспензии натрия -кратный избыток) в ксилоле. Аналогично

Если длинная цепь атомов содержит одно или несколько жестких звеньев, в которых невозможно свободное вращение вокруг связей, увеличивается шанс циклизации с образованием средних или больших циклов, например:

Последний процесс — окислительное сочетание алкинов - имеет особое значение в синтезе ануленов (примеры см. в гл. 14).

Бициклические соединения (конденсированные или мостиковые) также могут служить исходными веществами для получения моноциклических соединений со средними и большими циклами. Такие реакции формально являются процессами раскрытия циклов, поэтому они будут рассмотрены в разд. 7.4.