7.4. Раскрытие цикла

Значение процессов раскрытия циклов как метода синтеза не так очевидно, как в случае циклообразования. Действительно, до сих пор мы рассматривали методы синтеза, в которых происходило образование связей, а примеры разрыва связей (например, декарбоксилирование производных малоновой и -кетокислот либо высвобождение карбонильных групп 1,3-дитианов или дигидро-1,3-оксазинов) были единичными. В гл. 10 мы рассмотрим разрыв связей при удалении защитных групп. Данный раздел посвятим специфическому случаю разрыва связей цикла как методу синтеза.

Имеются два важных синтетических применения процесса раскрытия цикла:

1. В продукте раскрытия цикла атомы на концах разрывающейся связи будут связаны с функциональными группами; раскрытие цикла, таким образом, обеспечивает путь получения дифункциональных молекул, в которых функциональные группы разделены несколькими другими атомами.

2. В би- и полициклической молекуле разрыв общей для двух циклов связи может привести к получению соединения со средним или большим циклом, которое трудно получить другим способом.

Мы будем классифицировать реакции раскрытия цикла в соответствии с типом происходящей при этом реакции.

7.4.1. Гидролиз, сольволиз и другие электрофильно-нуклеофильные взаимодействия

Это большая и разнообразная группа реакций. Приводимые примеры только иллюстрируют это разнообразие:

(см. скан)

7.4.2. Окислительное и восстановительное раскрытие цикла

Окислительное раскрытие цикла является синтетически важным способом для циклоалкенов или циклоалканонов. Эти реакции подробнее рассмотрены в разд. 9.2.6 и 9.5.3. Примеры, приведенные ниже, лишь показывают возможности этого метода:

Восстановительное раскрытие цикла имеет меньшее практическое значение, хотя гидрогенолиз некоторых серусодержащих соединений (см. также разд. 8.4.3.3) составляет примечательное исключение, например:

7.4.3. Перициклическое раскрытие цикла

Как уже отмечалось, реакция Дильса — Альдера и аналогичные реакции циклоприсоединения в принципе обратимы. Некоторое применение в синтезе нашла ретрореакция Дильса — Альдера. Многие из таких реакций включают и разложение бициклического аддукта Дильса — Альдера, который получают из циклического диена или диенофила. Реакция разложения практически необратима, если один из продуктов разложения летуч, например:

(см. скан)

Другой важный случай — электроциклическое раскрытие цикла, которое представляет собой процесс, противоположный электроциклическому циклообразованию, описанному в разд. 7.3 [реакции (7.13) и (7.14)]. Термическое раскрытие цикла циклогексадиена, таким образом, является дисротаторным [реакция (7.16)], а для циклобутена — конротаторным [реакция (7.17)]:

Есть одно очень важное для синтеза следствие такой стереоспецифичности. Если две группы являются частью цикла, дисротаторный разрыв связи проходит без осложнений, однако конротаторный разрыв приводит к образованию транс-алкена, который нельзя совместить с нормальным размером цикла [реакции (7.16а) и (7.17а)]:

С другой стороны, если циклобутен является транс-сочлененным, то получается цис,цис-диен:

В качестве примеров приведем следующие реакции:

Последний тип перициклических процессов, который рассмотрим в этой главе, — перегруппировка Коупа (см. Здесь переходным состоянием является шестичленный цикл [реакция (7.19)], и в ходе этой реакцию -диен перегруппировывается в другой -диен за счет образования простой связи разрыва одинарной связи и миграции обеих двойных связей:

Следовательно, если исходная -связь является частью циклической системы, реакция может использоваться как метод, раскрытия цикла [реакция (7.19а)]:

Перегруппировка, как правило, стереоспецифична, хотя конфигурация продукта и не всегда может быть предсказана, потому что она зависит от конформации переходного состояния. Конформация кресла (38) предпочтительнее, чем конформация ванны (39 или 40), однако обе могут рассматриваться. Таким

образом, диен 41 образует 42 предпочтительнее, чем 43 или 44; аналогично диен 45 дает 44, а не 43 или 42:

(см. скан)

Предпочтительность переходного состояния типа кресла можно объяснить, используя подход на основе граничных орбиталей. Если образование новой простой связи рассматривается как ВЗМО—НСМО-взаимодействие, образование в переходном состоянии конформации типа ванны (48) требует невыгодного

орбитального взаимодействия между Такого взаимодействия нет в переходном состоянии типа кресла (49):

Приведем следующие примеры перегруппировки Коупа:

(см. скан)

Однако перегруппировка Коупа, так же как и другие перициклические процессы, является обратимой, причем положение равновесия зависит от относительной стабильности изомеров, например:

В таких случаях прямую реакцию можно сделать преобладающей за счет дальнейшего превращения продукта, как это происходит, например, при «окси-коуповской» перегруппировке: