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.

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 pK_a 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 S_N2-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^-).

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].

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].

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

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].

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

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].

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]

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

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].

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].

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]:

Глава 27

• 27. Насыщенные и частично ненасыщенные гетероциклические соединения: реакции и методы синтеза
• 27.1. Пяти- и шестичленные циклы
• 27.1.1. Пирролидины и пиперидины
• 27.1.2. Пираны и восстановленные фураны
• 27.2. Трёхчленные циклы
• 27.2.1. Трёхчленные циклы с одним гетероатомом
• 27.2.2. Трёхчленные гетероциклы с двумя гетероатомами
• 27.3. Четырёхчленные циклы
• 27.4. Металлирование
• 27.5. Синтезы кольца
• 27.5.1. Насыщенные азотсодержащие гетероциклы
• 27.5.2. Насыщенные кислородсодержащие гетероциклы
• 27.5.3. Насыщенные серосодержащие гетероциклы

Дополнительно:

• Предисловие
• Введение
• Используемые сокращения