6.7. Строение и свойства монотерпенов

Монотерпены привлекали к себе внимание исследователей еще на заре возникновения органической химии, что, очевидно, было связано с их относительно простым строением и доступностью. Эти вещества могли быть выделены из природных источников (в частности, из скипидара хвойных) классическими методами органической химии (например, фракционной перегонкой, кристаллизацией) без специальной обработки сырья. Исследования монотерпенов, выполненные во второй половине XIX и первой половине XX веков, способствовали развитию экспериментальных методов органической химии и внесли интересный вклад в ее теоретический арсенал.

Данные о пространственном строении бициклических монотерпенов можно считать фундаментальными в стереохимии циклических соединений. Ментановые соединения представляют собой группу полизамещенных циклогексанов, демонстрирующих конформационную и конфигурационную изомерию шестичленных циклов с заместителями различной конформационной энергии. Так, ментол существует в виде четырех изомеров (схема 6.7.1), каждый из которых также может существовать в виде пары оптических антиподов. Свойства этих веществ существенно зависят от их пространственного строения: например, (-)-ментол обладает чистым мятным запахом, холодящим вкусом и антисептической активностью.

Относительно конфигурации монотерпенов следует отметить, что в природе они чаще всего существуют в виде (+)- и (-)-изомеров. Но в каждом отдельном источнике они обычно представлены одним энантиомером. Так, из мяты перечной добывается (-)-ментол; (+)-камфору выделяют из камфорного лавра, тогда как (-)-камфору получают при окислении борнеола пихты сибирской; во всех растительных источниках найден 3-карен только - конфигурации, тогда как в защитной секреторной жидкости термитов (Nasufitermes) обнаружен (-)-3-карен.

(-)-Лимонен входит в состав живицы всех хвойных, тогда как (-лимонен составляет основу эфирного масла лимона, запах которого и обусловлен его присутствием. Похоже, что в виде рацематов в природных источниках монотерпены (а возможно, и вообще терпены) не образуются, или это случается чрезвычайно редко.

Бициклические углеводородные монотерпены — 3-карен, а-пинен, камфен, а также их изомеры и функциональные производные демонстрируют принципиальные структуры соответствующих бициклических систем - (4.1.0)-, (3.1.1)- и -бициклогептанов (схема 6.7.2).

Карены и замещенные карана имеют структуру “сломанной плоскости”, т.е. плоскости циклопропанового и циклогексанового (циклогексенового) циклов образуют диэдральный угол, существенно отличающийся от 180°: он даже ближе к прямому углу и равен обычно Молекулы пиненов демонстрируют, в какой степени может быть нарушена планарность циклобутанового фрагмента Камфан-борнановые соединения имеют пространственную структуру трех более или менее симметрично сочлененных плоскостей

Введение каких-либо функциональных групп в молекулы бициклических монотерпенов приводит к конфигурационной изомерии этих производных. В случае терпенов с циклопропановым фрагментом (караны, туйаны) положение заместителей в большом цикле обозначают индексами а- и . Заместители большого цикла пинана располагаются в и транс- положениях относительно гемдиметильного мостика. В бицикло[2.2.2]гептановой системе камфанов и фенханов функциональные группы могут иметь эндо- и экзо-конфигурацию (схема 6.7.3).

Схема 6.7.1

Схема 6.7.2

Схема 6.7.3

Химические свойства монотерпенов и их производных определяются (в первом приближении) набором присутствующих в них функциональных групп. Почему в первом приближении? Да потому, что реакции, характерные для определенной функции, часто сопровождаются различными другими превращениями — перегруппировками, как правило. Эти вторичные реакции обязаны структурным особенностям каждого типа монотерпенов, которые

Схема 6.7.4

способствуют либо стабилизации переходного состояния, либо взаимодействию реакционных центров через пространство, либо гиперконъюгационным эффектам и т.д. Просмотрим некоторые такие реакции, можно сказать, реакции со вторичным эффектом. Сразу же отметим, что наиболее характерны такие реакции для бициклических монотерпенов, хотя определенная специфика имеется как для моноциклических, так и ациклических представителей этого класса. Важно также отметить, что часто эти реакции ведут к взаимопревращению различных типов монотерпенов, т.е. другими словами, углеродные скелеты их весьма лабильны.

Ациклические монотерпены, содержащие, как правило, две несопряженные олефиновых связи, нормальным образом вступают в различные реакции электрофильного присоединения. Проблемным для некоторых из них является селективность реакций ввиду различного положения двойных связей по отношению к какой-то функциональной группе. В случае эпоксидирования гераниола эта проблема разрешима: в зависимости от условий может реализовываться присоединение либо по либо по связи (схема 6.7.4).

Аллооцимен, достаточно редко встречающийся в природе, но достаточно доступный синтетически (из природного источника при пиролизе а-пинена), представляет собой пример сопряженного триенового углеводорода. Он проявляет свойства сопряженных диенов, вступая в реакции Дильса-Альдера, а при использовании в качестве диенофила 3,3-дизамещенного циклопропена образуется синтетический сесквитерпен, который является природным по структуре, но пока что в природе не найден. Свойства триеновой сопряженной -системы проявляются у него при присоединении некоторых электрофильных реагентов. Так, каталитическое присоединение тиолов к аллооцимену дает продукты 1,2- и 1,6-присоединения в соизмеримых количествах (схема 6.7.5). Настоящие реакции протекают в соответствии с правилом Марковникова и правилом орбитального контроля.

Схема 6.7.5

Схема 6.7.6

Монотерпены ментанового ряда в химическом плане достаточно просты — они, как правило, без существенных отклонений суммируют свойства функциональных групп, их составляющих. Можно лишь отметить легкость совместного дегидрирования и дегидратации ментола, ведущих к образованию либо -цимола, либо тимола в зависимости от используемых катализаторов (схема 6.7.6).

Характерно, что этот процесс легко осуществляется vivo, так как и тимол и -цимол часто сопутствуют ментолу в эфирных маслах растений.

Среди ментеновых терпенов наиболее изученным можно считать лимонен, что, очевидно, связано с его широким распространением в природных источниках. Основное внимание здесь акцентировано на относительной реакционной способности двух его олефиновых фрагментов: экзо-циклического и эндо-циклического. В большинстве случаев реакции электрофильного присоединения реализуются легко по обеим п-связям, поэтому чаще всего выделяются бисадцукты. В тех же случаях, когда удается остановить процесс на стадии образования адцукта состава 1:1, чаще фиксируется продукт присоединения по экзо-циклической связи при этом иногда легко образуются продукты последующих превращений — 1,8-цинеол, например (схема 6.7.7).

В тоже время, в таких реакциях лимонена как эпоксидирование надкислотами и циклопропанирование карбенами, которые также не отличаются высокой степенью селективности, в первую очередь образуется адцукт состава 1:1 по эндоциклической связи С=С2 (схема 6.7.8).

Но все-таки наиболее интересны в плане химической реакционной способности, конечно же, бициклические монотерпены.

Первой их особенностью можно считать легкость окисления кислородом

Схема 6.7.7

Схема 6.7.8

воздуха в присутствии различных катализаторов с образованием стабильных гидроперекисей в случае насыщенных соединений и карбонильных и оксирановых производных в случае непредельных терпенов (схема 6.7.9).

Важным фактором, определяющим химические свойства бициклических терпенов, является существенное байеровское напряжение их углеродного скелета. Это в равной степени относится к каранам, туйанам, пинанам, бицикло-[2.2.1]-гептановым системам (камфаны, борнаны, фенханы).

Схема 6.7.9

В первую очередь, этот фактор сказывается на реакциях термолиза, в результате которых происходит разрыв малых циклов системы, а иногда — разрыв обоих циклов бициклической системы. Разрыв малых циклов этих молекул часто происходит при действии электрофильных реагентов, особенно в случае реакций непредельных терпенов (схема 6.7.10).

Наибольший интерес среди специфических свойств бициклических монотерпенов вызывают камфеновые перегруппировки I и II рода. Камфеновая перегруппировка I рода, называемая перегруппировкой Вагнера-Меервейна, характерная не только для терпенов, но открытая в 1899 г. Е.Е. Вагнером при

Схема 6.7.10

изучении именно этого класса природных соединений, она остается наиболее фундаментальной реакцией этого класса соединений. В общем случае эта перегруппировка была изучена Х. Меервейном. Ее механизм связан с 1,2-миграцией R-группы (как правило, это алкильный радикал, хотя возможны и другие варианты) к карбкатионному центру, возникающему в результате либо присоединения электрофила по двойной связи, либо отщепления аниона при нуклеофильном замещении. Реализуется эта перегруппировка, как правило, в ряду углеводородов и их производных с разветвленным углеродным скелетом.

В отличие от всех предыдущих химических превращений бициклических монотерпенов, реакции Вагнера-Меер-вейна не расщепляют циклические системы бициклов, а лишь меняют характер бициклизации.

Перегруппировка Вагнера-Меервей-на хорошо прослеживается при взаимодействии -пинена с элзктрофильными реагентами (НХ): первсначальное присоединение протона по двойной связи (в соответствии с правилом Марковникова) образует третичный, достаточно стабильный карбкатион, в котором одна из соседних связей, эффективно перекрывающаяся с вакантной -орбиталью карбкатионного центра, переносит свою пару электронов на этот центр, т.е. завязывает новую связь, одновременно обрывая предыдущую. Такой 1,2-сдвиг С-С связи в молекуле -пинена может проходить двумя разными способами (разрыв или связей), что приводит после присоединения аниона либо к Х-замещенному

Схема 6.7.11

борнану, либо к Х-замещенному фенхану (схема 6.7.11).

Перегруппировка Вагнера-Меервей-на часто сопровождается перегруппировкой Наметкина (камфеновая перегруппировка I рода), заключающейся во вторичном 1,2-сдвиге С-С связи в промежуточном карбкатионе (на схеме 6.7.11 путь втор.-1-7 сдвига) с образованием камфена после отщепления протона.

Настоящая перегруппировка интересна еще тем, что, несмотря на свой общеорганический характер, она была открыта в сфере химии природных соединений, подтверждая ее главенствующее положение в органической химии вообще.

Как мы уже отметили выше, абсолютное большинство терпенов являются хиральными молекулами, а проблема асимметрического синтеза — одна из узловых в органической химии вообще, а в химии природных соединений в особенности. Отсюда и возникло одно из плодотворных решений этой задачи — на базе бициклических монотерпенов получены целые серии асимметрических катализаторов и реагентов. Наиболее перспективными оказались борпроизводные пинана (используемые как хиральные кислоты Льюиса в реакциях асимметрического гидроборирования) и производные камфоры

Схема 6.7.12

(см. скан)

Схема 6.7.13

(см. скан)

в качестве хирапьных вспомогательных и стартовых реагентов (схема 6.7.12).

Пинены и — наиболее доступные бициклические монотерпены, и в тоже время они отличаются наибольшей реакционной способностью: два эти фактора, вместе взятые, обеспечили широкое и многостороннее использование его в промышленных синтезах многих других терпеноидов, важных

по своим практическим свойствам, но менее доступным из природных источников.

а- и -Пинены могут быть использованы индивидуально, а часто и в виде смеси, так как могут переходить друг в друга в условиях тех реакций, которые используются для их целевых превращений. В различных вариациях используются термолиз, кислотный катализ, окисление. В результате этих превращений в крупных масштабах синтезируют ментановые соединения, 2,6-диметил октановые производные, бицикло[2.2.1]гептановые системы (схема 6.7.13).