Трёхчленные циклы с одним гетероатомом

27.2.1. Трёхчленные циклы с одним гетероатомом

Среди Δ2-ненасыщенных трёхчленных систем не известно устойчивых молекул, поскольку они обладают 4-электронной π-системой и вследствие этого антиароматичны [12]. 1H-Азирины встречаются в качестве реакционноспособных интермедиатов, и имеются доказательства существования 2-тиирена в низкотемпературных матрицах [13]. Наоборот, азирины [14] — хорошо известные устойчивые соединения. S,S-Диоксиды тиирена — также устойчивые молекулы, вероятно, наиболее близкие по свойствам циклопропенонам [15]. Тем не менее химия насыщенных трёхчленных гетероциклов достаточно обширна; в особенности это касается эпоксидов (оксиранов), которые представляют собой интермедиаты в основных синтезах.

Рисунок 1. Раздел 27.2.1. Трёхчленные циклы с одним гетероатомом

Основное внимание уделяется развитию методов синтеза эпоксидов с высокой степенью оптической чистоты из аллильных спиртов или родственных систем (мягкое эпоксидирование по Шарплессу) (показано ниже); такие эпоксиды широко используют для синтеза сложных природных соединений в гомохиральной форме.

Величина pKa азиридина (7,98) свидетельствует о том, что это более слабое основание, чем его четырёхчленный аналог — азетидин (11,29), для которого эта величина представляет собой «нормальную» величину для ациклических аминов. Низкая основность наблюдается и в ряду кислородсодержащих гетероциклов, что было показано измерением их способности к образованию водородных связей. Вероятно, это объясняется напряжением, возникающим в трёхчленных циклах, главным образом благодаря тому, что орбиталь их свободных пар носит в меньшей степени p-характер, чем «нормальная» sp3-орбиталь атомов азота или кислорода и, следовательно, удерживается более прочно. Скорость пирамидальной инверсии для «насыщенного» атома азота в азиридинах гораздо меньше, чем для простейших аминов. Это обусловлено тем, что происходит дальнейшее повышение углового напряжения при регибридизации (→ sp2) атома азота в переходном состоянии при инверсии.

Химические свойства трёхчленных гетероциклов напрямую связаны с напряжением, присущим таким малым циклам. Учитывая способность гетероатома выступать в качестве уходящей группы, можно сказать, что в большинстве своём реакции идут с раскрытием цикла. Наиболее часто раскрытие эпоксидного цикла наблюдается при SN2-замещении по атому углерода с участием широкого круга карбанионов и гетероатомных нуклеофилов, включающих амины [16], спирты, тионы, гидриды (LiAlH4), малонат-анион [17] и так далее. Использование протонных растворителей или O-координирующихся катионов металлов (кислот Льюиса), которые вызывают дальнейшее ослабление связи C—O, может значительно увеличивать скорость реакции. Также полезно использование катализаторов на основе оксида алюминия [18], алкоксидов титана [19] и перхлората лития [20] в сочетании с таким реагентом, как азид трибутилолова [21], который сочетает в себе свойства кислоты Льюиса (координация с Bu3Sn) и нуклеофильную функцию (N3-).

Рисунок 2. Раздел 27.2.1. Трёхчленные циклы с одним гетероатомом

При использовании более «жёстких» металлоорганических нуклеофилов, таких, как алкиллитиевые производные, часто наблюдаются побочные реакции, но при их комбинации с трифторидом бора (-78 °C) реакции идут очень чисто и эффективно [22].

Рисунок 3. Раздел 27.2.1. Трёхчленные циклы с одним гетероатомом

Региохимия раскрытия цикла определяется главным образом стерическими и в меньшей степени индуктивными и электронными эффектами. При использовании сильных кислот Льюиса или в том случае, когда образуется высокостабилизированный (на начальной стадии) карбониевый ион, например, при наличии α-арильного заместителя, реакция может идти преимущественно по наиболее замещённому положению (предельный случай — сольволиз 2-фурилоксирана в нейтральном метаноле) [23]. Селективное замещение по наиболее замещённому положению даже в простых алкилэпоксидах происходит при участии аллилтиановых реагентов [24].

Рисунок 4. Раздел 27.2.1. Трёхчленные циклы с одним гетероатомом

Перегруппировка Пейна, характерная для эпоксиспиртов, представляет собой особый случай внутримолекулярного нуклеофильного раскрытия эпоксидных циклов и имеет существенное синтетическое значение применительно к эпоксидам Шарплесса [25].

Рисунок 5. Раздел 27.2.1. Трёхчленные циклы с одним гетероатомом

Раскрытие эпоксидного цикла в результате β-элиминирования при взаимодействии с сильными основаниями, такими, как амиды лития, или при использовании смеси триметилсилилтрифлата с диазабициклоундеканом [26] — полезный синтетический метод для получения аллильных спиртов, особенно в тех случаях, когда реакция должна быть проведена энантиоселективно [27].

Рисунок 6. Раздел 27.2.1. Трёхчленные циклы с одним гетероатомом

Относительная конфигурация эпоксидов может быть обращена при использовании цианат-анионов, возникающее при этом равновесие показано на приведённой ниже схеме [28]:

Рисунок 7. Раздел 27.2.1. Трёхчленные циклы с одним гетероатомом

Кислотно-катализируемое раскрытие азиридиновых циклов происходит обычно довольно быстро, но простые нуклеофильные реакции в отсутствие кислотного катализа идут очень медленно, что обусловлено значительно более слабой уходящей способностью отрицательно заряженного азота, однако N-ацил- или N-фенилсульфонилазиридины обладают такой же реакционной способностью, как и эпоксиды [29]. При нуклеофильном раскрытии цикла N-нозил-(4-нитрофе-нилсульфонил)азиридинов азот со своим заместителем служит прекрасной уходящей группой, но при этом может наблюдаться потеря региоселективности [30].

Рисунок 8. Раздел 27.2.1. Трёхчленные циклы с одним гетероатомом

Тиираны также могут подвергаться реакциям с раскрытием цикла при взаимодействии с нуклеофилами, такими, как амины [31], однако при использовании литиевых реагентов может наблюдаться атака и по атому серы [32]

Рисунок 9. Раздел 27.2.1. Трёхчленные циклы с одним гетероатомом

Гетероатом в трёхчленных гетероциклах может быть элиминирован в результате разнообразных реакций циклореверсии, например, при нитрозировании азиридинов [33] или при взаимодействии тииранов с соединениями трёхвалентного фосфора

Рисунок 10. Раздел 27.2.1. Трёхчленные циклы с одним гетероатомом

Аналогичное элиминирование диоксида серы наблюдается при получении алкенов по реакции Рамберга-Баклунда [34], в ходе которой в качестве переходного интермедиата генерируется эписульфон, хотя в контролируемых условиях выделение эписульфонов возможно [35].

Рисунок 11. Раздел 27.2.1. Трёхчленные циклы с одним гетероатомом

Замещённые производные всех трёх систем способны подвергаться высоко-стереоспецифичному согласованному термическому раскрытию цикла, при этом образуются илиды, которые могут быть использованы (в момент образования) в реакциях [3 + 2]-циклоприсоединения, позволяющих получать пирролидины [36].

Рисунок 12. Раздел 27.2.1. Трёхчленные циклы с одним гетероатомом

Азирины с эфирной группой при иминном атоме углерода могут принимать участие в реакциях циклоприсоединения, причём иминный фрагмент выступает в роли диенофила, как показано ниже [37]:

Рисунок 13. Раздел 27.2.1. Трёхчленные циклы с одним гетероатомом


27.2.1. Трёхчленные циклы с одним гетероатомом

Список литературы к главе 27


Методы и достижения в физико-органической химии / Сборник содержит фундаментальные обзоры из двух широко известных зарубежных изданий — «Progress in Physical Organic Chemistry» и «Advances in Physical Organic Chemistry» по новым достижениям в области теоретической органической химии. Он служит естественным продолжением выпущенных ранее в русском пеМетоды и достижения в физико-органической химии
Сборник содержит фундаментальные обзоры из двух широко известных зарубежных ...
Молекулы и модели. Молекулярная структура соединений элементов главных групп / Настоящая монография посвящена анализу теоретических моделей, от простых до сложных (от льюисовой валентности и ионной модели до аномерного эффекта и эффекта Яна-Теллера), использующихся в стереохимии, а также систематическому анализу особенностей и установлению закономерностей молекулярного строениМолекулы и модели. Молекулярная структура соединений элементов главных групп
Настоящая монография посвящена анализу теоретических моделей, от простых до ...
Современная квантовая химия (комплект из 2 книг) / Достаточно популярный и в то же время строгий обзор современного состояния квантовой химии; настоятельная потребность в такого рода издании возникла в связи с возросшими потребностями практических приложений и с развитием общей теории многочастичных квантовых систем. Книга написана на основе лекций,Современная квантовая химия (комплект из 2 книг)
Достаточно популярный и в то же время строгий обзор современного состояния ...
Химия. Справочник школьника / Справочник предназначен для учащихся, их родителей, школьных учителей, охватывает все аспекты школьной программы по химии.Химия. Справочник школьника
Справочник предназначен для учащихся, их родителей, школьных учителей, ...