Разработка синтетических подходов к циклозамещенным триангуланам и циклическим дициклопропилиденам на основе циклооктаполиенов тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.03 ВАК РФ

и

А-

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ИНСТИТУТ ОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ им. Н. Д. ЗЕЛИНСКОГО

На правах рукописи

УДК 547.512 + 547.597

ЗЕФИРОВ Алексей Николаевич

РАЗРАБОТКА СИНТЕТИЧЕСКИХ ПОДХОДОВ К ЦИКЛОЗАМЕЩЕННЫМ ТРИАНГУЛАНАМ И ЦИКЛИЧЕСКИМ ДИЦИКЛОПРОПИЛИДЕНАМ НА ОСНОВЕ ЦИКЛООКТАПОЛИЕНОВ

02.00.03 - Органическая химия

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата химических наук

Научные руководители: дхн, вне Т. С. Кузнецова кхн, вне Е. А. Смоленский

Москва -1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение 3

Глава 1. Литературный обзор. Методы синтеза триангуланов 6

1.1. Цепные триангуланы 6

1.2. Разветвленные триангуланы 7

1.2.1. "Алленовый"метод синтеза 8

1.2.2. Присоединение хлорэтилкарбенов как ключевая

стадия в синтезе разветвленных триангуланов 11

1.2.3. "Блок"-метод 13

1.2.4. Реакция Кулинковича как основополагающая стадия в синтезе спироциклопропанированных

дициклопропилиденов и разветвленных триангуланов 14

1.3. Циклозамещенные и циклические триангуланы 17 Глава 2. Обсуждение полученных экспериментальных результатов 23

2.1. Общая постановка задачи 23

2.2. Реакция дегидрогалогенирования в ряду аддукгов дихлоркарбена с циклоокгеном и его периферически

циклопропанированными аналогами 25

2.2.1. Синтезы исходных дихлорциклопропанов 1-3 26

2.2.2. Реакции дегидрогалогенирования трициклических дихлорциклопропанов 1-3 27

2.3. Разработка синтетических подходов к

циклическим дициклопропилиденам 33

2.3.1. Синтез циклозамещенных дициклопропилиденов

на основе реакции Кулинковича 34

2.3.2. Реакция 2,2-дибромтрицикло[7.1.01,9.01,3]декана с

метиллитием. Синтез бицикло[7.1.0]декадиена-1,2 39

2.4. Разработка подходов к синтезу циклических

дициклопропилиденов на основе циклооктатетраена 47

2.4.1. Циклопропанирование циклооктатетраена

(обсуждение литературных данных) 47

2.4.2. Присоединение дигалокарбенов к циклооктатетраену 52

2.4.3. Циклопропанирование циклооктатетраена 54

2.4.4. Синтез циклического дициклопропилидена -

пентацикло[9.1.0.02'4.05,7. Ф10]додека-1-ена 56

2.4.5. Синтез полициклического дибромида 39 и

реакция его дегидробромирования 58

Глава 3. Квантовохимическое исследование напряженности триангуланов методом гомодесмотических реакций

(обсуждение расчетных данных) 64

Глава 4. Экспериментальная часть 77

4.1. Реакции дегидрогалогенировании в ряду аддукгов дихлоркарбена с циклооктеном и его периферически

циклопропанированными аналогами 78

4.2. Синтез циклозамещенных производных дициклопропилидена

по реакции Кулинковича 80

4.3. Реакция 2,2-дибромтрицикло[7.1.01,9.01,3]декана с метиллитием:

синтез бицикло[7.1.0]декадиена-1,2 и дибромтриангулановая перегруппировка 83

4.4.Разработка подходов к синтезу циклических дициклопропилиденов

на основе циклооктатетраена 86

4.4.1. Циклопропанирование циклооктатетраена 86

4.4.2. Циклоприсоединение дигалокарбенов к циклооктатетраену 87

4.4.3. Синтез пентацикло[9.1.0.02,4.05'7.08,10]додека-1-ена, напряженного

олефина с бициклопропилиденовым фрагментом в восъмичленном цикле 89

4.4.4. Синтез полициклического дибромида и реакция его дегидрогалогенирования 90 Выводы 92 Список литературы 94

ВВЕДЕНИЕ

Полициклические напряженные углеводороды, в состав которых входят малые циклы, обладают необычными свойствами, повышенными энтальпиями образования и давно привлекают внимание химиков [1-4]. Особый интерес представляют спиросо-члененные структуры, содержащие трехчленные циклы [5-7]. Возникновение в молекуле одного или более спироцентров приводит к значительному увеличению внутреннего напряжения молекулы, что делает их исключительно привлекательными объектами для экспериментального изучения.

В 1990 году полиспироциклопропаны - соединения, состоящие только из спиросо-члененных трехчленных циклов - были выделены в новый класс циклопропановых соединений и названы триангуланами [8].

V

И

п

(СН2)т

4а

"(СН2)Г

4 Ь

к

V

п

т

4с

Н. С. Зефировым с сотрудниками [8,9], а позднее и А. де Майере с С. И. Кожушковым [10,11] были разработаны общие подходы к синтезу ациклических триангуланов: цепных (1, ЦТ) и разветвленных (2, РТ), изучены их стереохимия [8] и свойства.

На сегодняшний день актуальным является разработка подходов к синтезу циклических триангуланов (ЦкТ) типа 3, однако решение этой задачи экспериментально сложно и пока проблематично. Согласно расчетам, циклические триангуланы обладают экстремально высокими значениями энергии напряжения (более 200 ккал/моль) и только [8]-циклический триангулан (3, п=3) может рассматриваться как довольно реальная структура для синтеза.

Один из возможных синтетических подходов к циклическим триангуланам состоит в получении различных типов (4а-с) так называемых циклозамещенных триангуланов (ЦзТ), поскольку введение метиленовых мостиков в молекулы ЦкТ снижает их внутреннее напряжение, а образующиеся при этом соединения синтетически более доступны.

Н. С. Зефировым с сотрудниками [12] был разработан метод синтеза восьми-членных ЦзТ типа 4а и 4Ь на основе циклооктена и циклооктадиена-1,5, заключающийся в их последовательном периферическом циклопропанировании. Стадия роста спироцепи по периметру циклической молекулы основана на повторении реакций присоединения бромкарбена к циклоолефину и дегидробромирования аддукта. Соответствующие циклические метиленполиспироциклопропаны образуются с хорошими выходами на первых стадиях, однако, понижаются по мере накопления малых циклов в спироцепи. Так, этим методом была получена серия ЦзТ с числом спироточек от 2 до 4 в своем составе [12], а максимальное число трехчленных циклов, которое удалось ввести по периметру восьмичленной молекулы равно 5 [13].

Другие подходы к синтезу триангуланов циклического строения (4а-с) могут быть основаны на реакциях [ 1+2]-циклоприсоединения к циклическим полиенам с одновременным введением нескольких трехчленных циклов и с последующим генерированием кратной(ых) связи(ей) в полициклической молекуле для заключительного циклопропани-рования. И здесь возникает еще одна важная синтетическая проблема, связанная с получением уникальных олефинов - циклических дициклопропилиденов, в которых кратная связь генерируется между двумя трехчленными циклами в основной циклической молекуле. Речь идет об олефинах типа 5а-с1 и родственных олефинах, которые не были известны даже в модельных вариантах.

5а 5Ь 5с 5(1

В целом, получение полициклических циклопропансодержащих олефинов рассматривается нами как важная теоретическая и синтетическая задача, так как именно такие структуры являются непосредственными синтетическими предшественниками циклических триангуланов.

Данная работа является продолжением исследований в области синтеза и химии алициклических триангуланов и посвящена разработке способов получения полициклических напряженных олефинов на основе циклооктаполиенов. Предварительно предполагалось выполнить квантово-химическое исследование триангулановых структур с целью предсказания их энергетических параметров.

Литературный обзор посвящен химии триангуланов.

Глава 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР. МЕТОДЫ СИНТЕЗА ТРИАНГУЛАНОВ

1.1. Цепные триангуланы (1)

Хотя любые общие методы синтеза циклопропанов, в принципе, должны были бы быть применимы и к синтезу триагуланов, однако на практике это далеко не так.

Простейший [2]-триангулан - спиропентан, был синтезирован Густавсоном еще в 1896 году восстановительным дебромированием /яе»г/7£ш/с-(бромметил)-метана цинком и щелочью [14]:

Вг-V >—Вг

Вг^^Вг ^

Однако образование метиленциклобутана и других побочных продуктов снижает синтетический потенциал этой реакции. Именно в силу образования перегруппированных соединений методология восстановительного дегалогенирования гвж-(дигалометил)-циклопропанов не может использоваться как общий метод синтеза полиспироцикло-пропанов [15].

Развитие химии [ 1+2]-циклоприсоединения карбенов к олефинам позволило осуществить синтез простейших полиспироциклопропанов [6,16-20]. Используются различные методы генерации карбеноидного интермедиата в этих процессах и, в частности, реакция Симмонса-Смита (применение системы и 2п/А§ + СН212 для циклопропа-

нирования), а также разложение диазосоединений в присутствии различных катализаторов. Однако, эти методы трудно осуществимы для высших полиспироциклопропанов, что и вызвало к жизни необходимость поиска общей стратегии синтеза этих соединений.

Общий и универсальный метод синтеза цепных триангуланов был разработан в 1990 году Н. С. Зефировым с сотрудниками [8,21] на основе реакции циклоприсоедине-ния галогенкарбенов к метиленциклопропанам и с использованием повторяющихся стадий продолжения цепи и окончания цепи, как это показано на следующей схеме:

(а) Продолжение цепи

/

>

сК сн3

С1

V—сн3

1X1

/

(Ь) Окончание цепи

> /

^ \1 1-'с1(иАс)2

Стадия продолжения цепи, в свою очередь, включает две химические реакции, а именно: 1) присоединение хлорметилкарбена к метиленциклопропану и 2) последующее элиминирование с образованием циклогомологичного метиленциклопропанового фрагмента. Было найдено, что реакция 1,1-дихлорэтана с бутиллитием является удобным источником хлорметилкарбена для [1+2]-циклоприсоединения к метиленциклопропановуму фрагменту. Дегидрогалогенирование осуществляли действием трет-бутилата калия в ДМСО.

Наилучшие результаты на стадии окончания цепи, т. е. на стадии циклопропаниро-вания метиленциклопропанового фрагмента дает применение системы диазометан - ацетат палладия [21]. Таким путем авторы синтезировали с высокими выходами последовательно [4]-, [5]- и [6]-триангуланы в виде смеси стереоизомеров [8]:

V

д

\

СНзСНС^ п-ВиЬ1

п+1

С1

-сн3 г-виок дмсо

А

СН2^

УЛ^Г V

п+1

п= 1 -3

Предложенная схема синтеза триангуланов линейного строения является общей и может быть использована для синтеза полиспиранов с практически любым числом малых циклов в цепи спиросочленения.

1.2. Разветвленные триангуланы (2)

Проблема синтеза разветвленных триангуланов (2) является более сложной по сравнению с получением их аналогов линейного строения. Это связано с тем, что триангуланы (2) содержат полностью замещенные трехчленные циклы, т.е. у одного цикла возникают сразу три спироточки и, следовательно, подход к их синтезу наряду с ростом и

терминированием спироцепи должен включать в себя и надежный способ ее разветвления, причем независимо в двух направлениях.

Простейший разветвленный триангулан 6 ([3]-ротан ) был синтезирован первоначально циклопропанированием олефина 7, который в свою очередь был получен восстановительным дебромированием дибромида 8 по схеме [6,16,22]:

Вг

¿Г ъ

Вг

/ РЫ 1

А

7

6

Однако более общие и универсальные методы синтеза семейства разветвленных триангуланов были созданы в работах групп под руководством Н. С. Зефирова [23-26] и А. де Мейере [27-32].

8

1.2.1. "Алленовый" метод синтеза

Один из общих подходов к синтезу триангуланов типа 2 основан на трансформации метиленциклопропанового фрагмента в алленовый. В полученном аллене в определенных условиях две триангулановые цепи могут развиваться независимо в двух направлениях и происходит разветвление спироцепи. Таким образом, стадия образования вини-лиденциклопропанового фрагмента является базовой для создания триангуланового разветвления.

Принципиальная схема этого так называемого "алленового" метода выглядит следующим образом: исходный метилентриангулан вводят в реакцию с дибромкарбеном и полученное дибромпроизводное переводят в соответствующий аллен реакцией с метил-литием. Затем обе двойные связи аллена подвергают последовательному наращиванию триангулановых цепей, так как это было сделано в случае цепных триангуланов:

т>=

[:СВг2]

=сн,

Как пример реализации этой стратегии синтеза можно привести получение серии триангуланов по следующей схеме [23-26]: исходный метиленциклопропан был превращен в винилиденциклопропан (9), реакция которого с этилдиазоацетатом привела к эфиру 10. Функциональные трансформации в эфире 10 с последующим присоединением хлорметилкарбена позволили получить диены 11 и 12:

>

Вг \

-Вг

0=—сн2

X

СО(Ж

10

Циклопропанированием этих диенов и была синтезирована серия разветвленных триангуланов 13 и 14 а-с.

13

14 а

14 Ь

14 с

Другим примером использования "алленовой" методологии в синтезе разветвленных триангуланов являются данные работы [28], в которой на основе аллена 15 был осуществлен синтез триангуланов 14 а и 16 по следующей схеме:

14 а

17

1 - Ме1л; и - [^>=N2 ; Ш - СН2Н2 / Рё(0Ас)2

Очень полезным для синтеза разветвленных триангуланов оказался аллен 18, получаемый по схеме [16,26]:

Вг Вг

X

О—<]

18

В частности, серией превращений аллен 18 был превращен в диен 19 и затем в триангулан 20, имеющий интересную пропеллерную структуру с 02ъ симметрией (данные рентгеноструктурного анализа триангулана 20 [31,32]):

18

19

20

Рассмотренный способ синтеза разветвленных триангуланов носит общий характер, но препаративная значимость его недостаточно велика. В частности, по ходу синтеза необходимо выполнять одновременное генерирование двух кратных связей в спиране, что приводит к нестабильным субстратам и усложняет эксперимент.

Более универсальным и препаративно удобным являются другие подходы, в которых возможность разветвления спироцепи заложена не в структуру субстрата, а в структуру карбенового или карбеноидного реагента.

1.2.2. Присоединение хлорэтилкарбенов как ключевая стадия в синтезе

разветвленных триангуланов

Присоединение карбенов различных типов к бициклопропилидену и его производным является составной частью почти каждого синтетического подхода к разветвленным триангуланам. Однако, простейшая реакция - присоединение метилена - оказалась малоэффективной при использовании метода Симмонса-Смита в различных его модификациях [21]. Было также показано, что циклопропанирование "внутренней" двойной связи бициклопропилидена диазометаном в присутствии ацетата палладия приводит к образованию многокомпонентной смеси продуктов олигометиленирования за счет постадийного внедрения метилена в первоначального образующийся палладоцикл [20].

Напротив, метилхлоркарбен присоениняется с удовлетворительным выходом, позволяя использовать эту реакцию для синтеза разветвленных триангуланов. Так, присоединение метилхлоркарбена к бициклопропилидену и защищенному (бициклопропилиде-нил)метанолу 20 (ТНР-защита) было использовано в качестве ключевой стадии для получения [3]-ротана 5, п-алкилзамещенных [3]-ротанов, разветвленных триангуланов 13 и 14 а-с.

13

2) и 86%

0=<

2) IV

3)у

ТНРО

ТНРО

14а

-2ТЙГ 13

36%

+

111

75%

+

14 с

14 Ь

1)1

1)1

ш

2) и

2) и

13, 14 а

1 - СН3СНС12, п-Ви1л; и - ^ВиОК, БМБО; т - СН 2Ы2, Рс1(ОАс)2; ¡V - Н 7ЕЮН; V - РЬ3Р-Вг2, Ру.

Для синтеза триангуланов более высокой степени разветвления в качестве ключевой стадии в работе [28] была использована реакция присоединения к метиленциклопро-панам и бициклопропилидену замещенного хлорэтилкарбена - :СС1(СН2)СНзОТНР. Источником такого карбеноида является 1,1-дихлор-З-тетрагидропиранилоксипропан, который под действием бис-(триметилсилил)-амида натрия гладко дает соответствующие ад-дукты. Так, схема синтеза перспироциклопропанированного спиропентана 20 с участием хлорэтилкарбена включает в себя следующий стадии:

С1

2) iii Д 2) i

ХГЛ7 3)Ш <J

20,35%

i - t-BuOK, DMSO; ii - CH3CHC12, n-BuLi; iii - CH2N2, Pd(OAc)2; iv - H /EtOH; v - Ph3P-Br2, Py.

1.2.3. "Блок"-метод

Приведенные выше многостадийные схемы синтеза разветвленных триангуланов, при в общем неплохих выходах на каждой отдельной стадии, в целом оказываются весьма длительными и малоэффективными. Альтернативой может служить так называемый "блок-метод", заключающийся в присоединении генерированных из 1Ч-нитрозомочевин циклопропилидена либо полиспироциклических карбенов к бициклопропилидену и поли-спироциклопропанированным бициклопропилиденам. При невысоком выходе на заключительной стадии, в целом эта стратегия оказывается более эффективной для получения триангулана 20.

—N(NO)CONH2 H3CONa, 23%

MeONa, 25%

N(NO)CONH2

Высоконапряженный перспироциклопропанированный [3]-ротан 21 удалось синтезировать только с использованием этой стратегии [33].

N(NO)CONH2

MeONa

22, 27%

21,14%

Аллен 22, образующийся в качестве основного продукта в этой реакции, был получен нами из олефина 23 также и традиционным путем. При хранении аллен 22 самопроизвольно димеризуется "голова к голове", образуя полиспироциклопропанированный диен 24.

:СВг2 95%

/Вг МеН

Вг

45%

Строение соединений 23, 24 было подтверждено методом РСА.

1.2.4. Реакция Кулинковича как основополагающая стадия в синтезе спироциклопропанированных дициклопропилиденов и разветвленных

триангуланов

В целом ряде подходов к синтезу разветвленных триангуланов используются реакции [1+2]-циклоприсоединения карбенов к дициклопропилидену. Очевидно, что разработка общего и препаративно удобного метода синтеза не только этого уникального олефина, но и его полиспироциклопропанированных аналогов имеет очень большое значение для решения проб