Химические и электрохимические превращениямоно- и диоксабициклоалкенов и родственныхбициклоалканов тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.03 ВАК РФ

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

11а правах рукописи

РГ5 ОД

ТЕРЕПТЬЕВ АЛЕКСАНДР ОЛЕГОВИЧ

i 7 ЯН9 2300

Химические и электрохимические превращения моно- и диоксабициклоалкенов и родственных бпциклоалканов

02.00.03 - органическая химия Автореферат

t

диссертации на соискание учёной степени кандидата химических наук

Москва - 2000

Работа выполнена в Лаборатории исследования гемолитических реакций (заведующий: член-корр. РАН Г. И. Никишин) Института органической химии им. Н. Д. Зелинского и поддержана Российским фондом фундаментальных исследований (грант 97-03-33159).

Научный руководитель:

доктор химических наук, профессор Ю. Н. Огибин Официальные оппоненты:

доктор химических наук, профессор Р. Г. Костяновский доктор химических наук, профессор Л. И. Беленький

Ведущая организация:

ИНЭОС им. А. Н. Несмеянова РАН

Защита диссертации состоится 4 февраля 2000 г. в 10 часов на заседании Диссертационного совета К002.62.02 по присуждению учёной степени кандидата химических наук в Институте органической химии имени Н. Д. Зелинского РАН по адресу: 117913, Москва, Ленинский проспект, д. 47.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке ИОХ РАН.

Автореферат разослан 30 д&КО&рЯ i999 года.

Учёный секретарь Диссертационного п л Родиновская

совета, доктор химических наук

г БЧб.Ч^О

Г 2 5A.A2-Z4i.5-0

Общая характеристика работы.

Актуальность проблемы. Настоящая работа относится к области химии органических бициклических соединений с одним и двумя кислородными атомами в одном из циклов и мосликовой двойной или одинарной углерод-углеродной связью. Эта область органической химии тесно связана с изысканиями и разработкой подходов к макроциклическим соединениям. Создание эффективных методов синтеза последних стало возможным во многом благодаря использованию реакции гемолитического расщепления мостиковых углерод-углеродных связей оксабициклоалкенов и оксабициклоалканов. Вместе с тем потенциал методов синтеза макроциклических соединений, основанных на этой реакции, далеко не исчерпан и его развитие составляет актуальную проблему химии как оксабициклических, так и макроциклических соединений. В частности, неиспользованные резервы включает в себя стадия инициирования реакции, поскольку существующие методы инициирования требуют применения избыточного (от полуторного до трехкратного) количества инициирующих реагентов. В связи с этим актуальное значение приобретает задача придания стадии инициирования каталитического характера. Перспективным в этом отношении представляется применение анодного окисления для инициирования электрохимического расщепления мостиковых связей оксабициклоалкенов и оксабициклоалканов, которое равнее никем не применялось для этой цели.

Цель работы:

И исследовать расщепление мостиковых С=С связей моно- и диоксабициклоалкенов через их гидролероксидирование и катализированное ацетатом меди гемолитическое разложение продуктов гидропероксидирования; изучить влияние на этот процесс строения исходных бициклических соединений, концентраций субстратов, Н2О2 и катализатора, а также реакционных условий (растворитель, температура, продолжительность реакции и т.п.);

В исследовать бездиафрагменное прямое анодное окисление -в метаноле моно- и диоксабициклоалкенов и родственных бициклоалканов для установления основных направлений и особенностей их электроиндуцируемых превращений в используемых условиях, а также влияния на этот процесс строения исходных субстратов и условий электролиза.

Научная новизна и практическая ценность работы. Установлена способность ацетата меди эффективно катализировать реакцию расширения цикла продуктов гидропероксидирования 2-оксабициклоалкенов, приводящую к селективному образованию алкенолидов. На её основе разработан новый подход к алкенолидам и к

получаемым их каталитическим гидрированием алканолидам со средним и большим числом атомов б цикле. Его разработка позволяет сделать более экономичным и технологически более простым способ получения пентадекан-15-олида из 2-оксабицикло[4.10.0]гексадец-1(6)-ена, который применяется фирмой «Р^тешсИ» (Женева) для производства пентадеканолида, широко используемого в качестве ключевого инградиенга парфюмерных и косметических изделий. Расщепление под действием ацетата меди О-О связи делает процесс более селективным, придаёт ему цепной характер, позволяет получать целевой продукт более высокого потребительского качества и уменьшает количество побочных продуктов и отходов.

Обнаружена ранее неизвестная окислительная перегруппировка оксабициклоалкенов в п-(й>ацилоксиалкил)алкан-л-олиды, происходящая под действием 50%-ной Н2О2 в присутствии каталитического количества серной кислоты в растворах карбоновых кислот и протекающая через промежуточное образование 1-ацилперокси-2-оксабициклоалканов. Последние в результате спонтанной трансформации, подобной перегруппировке Криге, превращаются в алканолиды.

Установлены основные направления и характерные особенности электрохимических превращений моно- и диоксабициклоалкенов и родственных бициклоалканов, индуцированных прямым анодным окислением. Все полученные результаты являются принципиально новыми, поскольку ранее такие реакции никем не исследовались. Наиболее важный из результатов - обнаружение ранее неизвестных электроокислительиых перегруппировок этих соединений в эфиры со-(2-метокситетрагидрофур-2-ил)-, со-(1,3-диоксалан-2-ил)- и м-(метоксикарбонил)алкановых кислот. Особенность перегруппировок заключается в том, что все они индуцированы электрохимическим расщеплением мостиковых С-С связей исследованных субстратов и включают раскрытие цикла первичных интермедиатов, образующихся в этих процессах. Предложен и обоснован их механизм. Показано, что электроиндуцированное расщепление мостиковых С=С связей моно- и диоксабицикло[п.4.0]алк-1(6)-енов протекает в две стадии. На начальной стадии происходит расщепление мостиковой углерод-углеродной л-связи этих соединений и их превращение в 1,6-диметоксизамещенные моно- и диоксабицикло[п.4.0]алканы, а на последующей стадии -расщепление мостиковой углерод-углеродной а-связи этих продуктов и их превращение в эфиры са-функционально замещенных алкановых кислот.

На основе исследованных химических и электроиндуцируемых реакций моно- и диоксабициклоалкенов и родственных бициклоалканов разработаны новые подходы к н-(й>ацилоксиалкил)алкан-л-олидам и эфирам ш-(диметоксиметил)-, ш-(2-

метокситетрагидрофур-2-ил)-, са-0,3-диоксалан-2-ил)- и ш-гидрокси-(ш-З)-оксоалкановых кислот.

Публикации и апробации работы. По материалам работы опубликовано 5 статей и тезисы 2 докладов. Отдельные части работы представлены на XIV совещании по электрохимии органических соединений (Новочеркасск, 1998 г.) и на Конференции молодых ученых РХТУ им. Д.И. Менделеева (Москва, 1999 г.).

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, выводов и списка цитированной литературы. В первой главе обобщены литературные данные по синтезу и превращениям окса- и диоксабициклоалканов и родственных бициклоалкеиов. Вторая, третья и четвертая главы посвящены обсуждению полученных результатов проведенных исследований. В пятой главе описаны методики проведения эксперимента. Работа изложена на 110 страницах машинописного текста, содержит 9 таблиц, 72 схемы и список из 152 наименований использованных литературных источников.

Основное содержание работы.

1. Расщепление мостшеовых С=С связей_оксабициклоалкенов через их

гиаропероксидирование и катализированное ацетатом меди гомолитическое разложение продуктов гидропероксидироваиия.

Объекты исследования. Исследование этого процесса проведено на примере 2-оксабициклоалкенов 1а-Г, большинство из которых получено по известным двух-трехстадийным методикам из циклопентанона, циклогексанона и циклододеканона.

1 т п Я

а 0 2 Н

Ь 0 8 Н

с 0 8 Ме

с1 1 1 Н

е 1 2 Н

1 1 8 Н

Гидропепоксиднроваиие оксабициклоалкенов (схема 1) проводили с использованием водных 30 и 50%-ных растворов Н202 и каталитического количества сериой или соляной кислот в метаноле, диэтиловом эфире или уксусной кислоте при температуре 0-10°С, при этом Н202 и катализатор постепенно прибавляли к раствору оксабкциклоалкена в использованном растворителе. Продукты гидропероксидирования - 1-гидропсрокси-2-оксабициклоалканы 2а-( - с наиболее высокими выходами (88-95%) и большой степени чистоты (содержание активного кислорода 90.3-97.5% от теоретического) образуются при использовании водного 50%-ного Н2О2 и при концентрации серной кислоты 0.1-0.2 моль/л. (табл. 1)

Схема 1.

О

о

(Г

1а-Г

т Я

Н202

О'

О,

т

X

ООН 2а-Г

Таблица 1. Гидропероксидирование оксабициклоалкенов 1а-1 в оптимальных условияха

Субстрат Р-ритель. Т(°С) Время Продукт Выход (%) О ь

1а Е^О 0-5 0.5 ч. 2а 88 90.3е

1Ь МеОН 0-10 1.5 ч. 2Ь 92.5 95.9

1с МеОН 0-10 1.5 ч. 2с 94.5 96.9

1ё Е^О 0-5 0.5 ч. 2(1 95 96.6

1е ЕьО 0-5 0.5 ч. 2с 93 97.5

1Г МеОН 0-10 1.5 ч. 2Г 88 96

а Субстрат -9-14 ммоля; 50% - 1.5-2 экв.; растворитель -15 мл; Н2Й04 - 0.1-0.2 моль/л. п Содержание активного кислорода в % от теоретического (данные иодометрического титрования).

с Значение занижено вследствие низкой устойчивости гидропероксида.

Гидропероксидирование оксабициклоалкенов в метанольных и уксуснокислых растворах протекает быстрее, чем диэтиловом эфире, но при этом для низших гомологов (1а,(1,е) оно сопровождается конкурентным метокешшрованием (в МеОН) и окислительной перегруппировкой в алканолиды (см. раздел 2).

Свойства_1-гидроперокси-2ч»ссабиииклоал1санов. 1 - гидроперокси-2-

оксабициклоалканы 2Ь, 2с, 2( представляют собой кристаллические вещества белого цвета,

которые могут длительно храниться без разложения при температурах ниже 0°С. Без заметного разложения они выдерживают непродолжительное («30 мин.) нагревание до 50°С. Гидропероксиды 2а, 2(1, 2е - прозрачные вязкие жидкости. 2(1, 2е хранятся без заметного разложения при -10 - 0°С в течение недели, при нагревании свьипе 40°С разлагаются. Гидропероксид 2а - нестабилен при комнатной температуре, интенсивно разлагается даже в растворах (напр. в СОС!3 в ампуле для ЯМР), при - 10°С хранится в течение нескольких дней.

Катализироваиное ионами меди гомолитическое разложение 1-гидпопероксн-2-аксабиииклоалкапов (2а-Г). Гомолитическое разложение гидроперокевдов (схема 2) проводили путем постепенного прибавления их раствора или суспензии в органическом эастворителе (предпочтительно в пентан-2-оне) к тому же кипящему растворителю, содержащему 0.05 эквивалента ацетата меди, и последующего кипячения реакционной смеси № полного разложения гидропероксида. В результате этой реакции происходит расщепление иостиковой углерод-углеродной связи гидроперокевдов 2а-Г и их селективное превращение в шкенолиды со средним и большим числом атомов в цикле 3-6, которые при использовании триведенных в табл. 2 оптимальных условий получены с выходом 87-95 %.

Схема 2.

ООН 2а-1

гп = 1

О Я

За-с

■ УЧ

о я

4а-с

О К

'еагенты и условия: 2а-Г 5-10 ммоль, Си(ОАс)2 - 0.05 экв., пентан-2-он 10-15 мл., 100°С.

Таблица 2. Катализированная Си(ОАс)2 трансформация 1-гидроперокси-2-оксабицикло-алканов 2 в алкенолиды 3-6а

Гидропе- Время Продукты Отношение Выход 3+4

роксид <ч.)с 3/4 или 5/6 или 5+6 (%)"

2а 1-1.5 За + 4а 20 90

2Ь 3 ЗЬ + 4Ь 6 91

2с 3 Зс + 4с >30 87

2(1 1-1.5 5(1 + 6(1 ~ 1 93

2е 1-1.5 5е + 6е 2.7 94

2! 3-4 5Г+61 ~1 95

На выделенный продукт;

Бициклические гидропероксиды с тетрагидрофурановым оксациклом в результате катализированного ацетатом меди гемолитического разложения почти исключительно превращаются в региоизомеры алкенолидов с более удаленной от оксаатома двойной связью, доля таких региоизомеров алкенолидов в продуктах разложения гидропероксидов с тетрагидропирановым оксациклом уменьшается до 50-76%.

Установление строения и состава продуктов разложения. Строение алкенолидов 3-6 установлено по 'Н и 13С-ЯМР- и масс-спектрам: соотношение региоизомеров - на основании анализа спектров ПМР выделенных продуктов. Соотношение региоизомеров 3 и 4 определено интегрированием сигналов СН20 фрагмента, химический сдвиг и мультиплетностъ которого различны. Сигнал СН20 группы в спектрах 'Н региоизомеров 3 представляет собой мультиплет, смещённый в более сильное поле по сравнению соответствующим дублетом для региоизомеров 4. Региоизомерный состав продуктов, полученных из гидропероксидов 2а-с, подтверждается также "удвоенным" количеством сигналов в их спектрах 13С-ЯМР.

Для отнесения сигналов региоизомеров 5 и 6 потребовалось проведение ЯМР экспериментов с использованием методик ^СОБУ, 1Н-13С §5Н8С>С и 1Н-13С. Эксперимент Ш-13CgsHSQC позволил отнести химические сигналы 13С и 1Н фрагмента СН20 решоизомерам 5 и 6 и установить на основании относительной интенсивности сигналов соотношение региоизомеров. Положение двойной связи было установлено из анализа спин-спинового взаимодействия между протонами (спектр gsCOSY). Отнесение линий оставшихся сигналов выполнено при совместном анализе спектров (^СОЙУ и 1Н-13С gsHSQC.

Механизм катализированной СиСОАсЬ трансформапни гизропероксидов 2а-Г в алкенолилы 3-6. Превращение гпдропероксндов 2 в алкенолиды 3-6 происходит в результате термического и катализированного ионами Си(1) распада гидропероксидов с генерацией третичных бициклоалканоксильных радикалов (А), их [5-распада с региоселективным расщеплением мостиковой связи и образованием макроциклоалкильных радикалов (В) и окисления последних ионами Си(И) до алкенолидов 3-6 с регенерацией ионов Си(1), чем обеспечивается цепной характер редокс процесса (схема 3).

Схема 3.

)т

ООН 2

Н20

О ^ о- А

СиОАс + АсОН

Си(0Ас)2

р - распад

Оптимизация условий разложения. Оптимизация условий катализированного щетатом меди разложения продуктов гидропероксидирования оксабициклоалкенов проведена на примере 1-гидроперокси-2-оксабицикло[4.10.0]гексадекана 2Г Изучено влияние растворителя и количества используемого катализатора на выход 11- и 12-1ентадецен-15-олилок, образующихся при разложении гидропероксида 2Г Из результатов, тредставленных в таблицах 3 и 4 следует, что наиболее подходящим растворителем для сатадизированного ацетатом меди разложения гидропероксида 2{ являются пентан-2-он и 2-иетилпентан-2-он, а оптимальным количеством катализатора - 0.05 эквивалента.

Таблица 3. Катализированное ацетатом меди разложите 1-гидроперокси-2-оксабицикло[4.10.0]гексадекана (2Г) в различных растворителях.

Растворитель Т(°С) Время Выход 11-и 12- Выход пентадекан-

реакции (ч) пентадеценолидов (%)" 15-олида(%)

Ацетон 56-57 40 58 8

Пеитан-2-он 98-101 4 95 0

2-Метил- 102-106 4 96.5 0

пентан-4-он

Бензол 79-80 4 81 1

Толуол 104-109 3 92 2

т-Ксилод 134-138 3 82 1

Хлорбензол 131-132 2 51 0

Циклогексан 80-81 6 65 3

п-Бутанол 115-116 2 69 10

Хлороформ 60-61 2 29 0

СС14 76-77 2.5 5 0

" Содержание пентадеценолидов в выделенном продукте определено по данным ГЖХ.

Таблица 4. Катализированное ацетатом меди разложение

1-гидроисрокси-2-оксабицикло[4.10.0]гексадекана (2Г) в 2-м.етилиентан-2-оне в присутствии, различных количеств катализатора (102-106°С, 2-4 ч).а

Си(ОАс)2 (мол.%) 0.15 0.75 1.50 3.00 5.00 7.00

Выход пентадеценолидов (%) ь 75 87 90 92 96.5 97

Выход пентадеканолида (%) 8 0 0 0 0 0

* Содержание пентадеценолидов в выделенном продукте определено по данным ГЖХ.

Таким образом, установлена способность ацетата меди эффективно катализировать расщепление мостиковой углерод-углеродной связи продуктов гидропероксидирования оксабициклоалкенов, что приводит к селективному образованию алкенолидов. На основе этой реакции разработан новый подход к алкенолидам и к получаемым путём их каталитического гидрирования алканолидам со средним и большим числом атомов в цикле. Представленное здесь решение химической задачи позволяет модернизировать способ получения 15-пентадеканолида из 2-оксабицикло[4.10.0]гексадец-1(6)-ена, который

применяется фирмой «дагтет'сЪ» (Женева) для производства пентадеканолида, широко используемого в качестве ключевого инградиекта парфюмерных и косметических изделий. 2. Окислительная перегруппировка оксабнциклоалкенов в (са-ацилоксиалкил)замешеяные алканолиды.

Продукты перегруппировки; влияние на их состав и выход условий проведения реакции. Эта ранее неизвестная перегруппировка происходит при обработке оксабнциклоалкенов водным раствором 50%-ного Н202 в растворах карболовых кислот в присутствии каталитического количества серной кислоты. Установлено, что она протекает в две стадии: на начальной происходит адалпероксидирование оксабнциклоалкенов 1 с образованием 1-ацилперокси-2-оксабициююалканов 7 и на последующей - перегруппировка пероксидов 7 в (со-ацилоксиалкил)замещенные алканолиды 8 и 9, при этом в случае ацетилпероксиэфиров (7, К Ме) конкурентно образуются в небольшом количестве оксоалканолиды 10<1,е и не наблюдается образование продуктов гидропероксидирования оксабнциклоалкенов, как это имело место при их обработке 50%-ным раствором Н202 в метаноле и диэтиловом эфире (см. раздел 1) (схема 4).

ХТ^О

"О—н

26,е

>п и 1(1,6 11 = 1(11). 2(е)

о

Схема 4.

/

1(М,е

сг

я

7<3,е

Iй

о

1Г*п 0^0

8с1,е (я=н) эа,е (1*=Ме)

V

о

°еагенты и условия: ¡) 50% Н202 (2 экв), АсОН, Н2304 (0.1-0.2 экв), 0-5°С, 5-20 мин. и) 35-15°С, 30 мин.

Были опробованы различные методики проведения перегруппировки, отличающиеся торядком введения в реакцию оксабициклоалкена и реагентов, а также температурными условиями. Лучшей оказалась методика, когда к охлажденному до 0-5°С раствору

ш

оксабициклоалкена в карболовой кислоте за 5 минут прибавляли 50%-ный Н202, содержащий 0.1 экв. катализатора (1Ь504) н после полной конверсии оксабициклоалкена (ТСХ контроль) реакционную смесь нагревали до 35-45°С.

Таблица 5. Окислительная перегруппировка оксабициклоалкенов (1(1,е) в (со-ацилоксихткшфамещенные алканолиды (8(1,е и 9(1,с).

Оксабициклоалкен Растворитель Продукт Выход (%)

и НСООН 8(1 70

1е НСООН 8е 64

1(1 АсОН 9(1 58

Ш 5

1е АсОН 9е 55

10е 7

Факт промежуточного образования в реакции пероксиэфиров 7 и их превращения в использованных условиях в алканолиды 8 и 9 подтвержден синтезом модельного пероксиэфира 7е, который в уксусной кислоте в присутствии Н2В04 селективно превратился в алканолид 9е (выход 77%).

Установление строение продуктов перегруппировки. Строение продуктов перегруппировки подтверждено ЯМР 'Н и ПС и масс-спектрами. Важно отметить, что в масс-спектрах ((й-ацилоксиалкил)замещенных алканолидов наблюдаются интенсивные пики при т/7 = 113 и 99, характеристичные для распада замещённых семи- и шестичлеиных лактонов соответственно.

Механизм перегруппировки. Образование алканолидов 8й,е и 9(1,е при обработке оксабициклоалкенов 1й,е водным 50%-ным Н202 в растворах муравьиной и уксусной кислот в присутствии каталитического количества Н2304 является результатом перегруппировки промежуточно образующихся пероксиэфиров 7(1,е в бициоические ортоэфиры 11 и последних в алканолиды 8 и 9 (схема 5).

Схема 5.

1

о.

R

О.

м:

11 о

7

О

О

о.

Y

R

8,9

О

Перегруппировка пероксиэфиров 7 в ортоэфиры 11 аналогична термической перегруппировке Крите 1-ацилпероксидекалина в 1,6-эпоксицикло декан-1 -ацетат, происходящей при 50-90 °С в полярных растворителях.

Пероксгофиры 7 образуются либо в результате катализируемых серной кислотой гидропероксидирования оксабициклоалкенов и последующего ацилирования продуктов гидроперо ксидирования, либо присоединения к ним генерируемых in situ пероксикислот, а вероятнее всего, одновременно обоими этими путями (схема 6).

Важно отметать, что без использования кислотного катализатора обработка оксабициклоалканов 1 пероксикислотами приводит к их трансформации в оксоалканолиды

Схема 6.

3. Электрохимические превращения moho- и диоксабициклоалкенов и родственных бициклоалканов, инициированные прямым анодным окислением.

Исследование этих превращений являлось целью второй части настоящей работы. Главная задача на данном этапе заключалась в том, чтобы изучить электрохимическое расщепление мостиковых углерод-углеродных связей моно- и диоксабициклоалкенов и родственных бициклоалканов, инициированное их прямым анодным окислением и оцепить его практическую применимость для препаративной электроокислительной трансформации этих субстратов в моноциклические структуры.

Объекты исследования - моно- и диоксабициклоалкены la-f и 12а,Ь, моно- и диоксабициклоалканы 13a-g

R1

П

а

ог

ОгГ "О"

1a-f

12a,b

R2 13a-g

1 m n n = 2 (а), 8 (b) 13 n X R1 R2

а 0 2 а 2 CH, OMe OMe

b 0 8 b 8 CH, OMe OMe

е 1 2 с 2 0 OMe OMe

f 1 8 d 2 0 H H

e 2 0 H OMe

f 2 0 H OH

g 8 0 H OH

Условия электролиза: бездиафрагменная ячейка с платиновым или графитовым анодом и катодом из нержавеющей стали, гальваностатический режим, анодная плотность тока - 50-150 мА/см\ температура 20-40°С, растворитель - метанол, фоновые электролиты -тетрафторборат тетрабутиламмония (ТФТБ) или гидроксид калия; электричество пропускали в количестве, обеспечивающем 80-100%-ную конверсию исходных субстратов (2-10 F моль"1). Кроме того, для оценки влияния на процесс возможных катодных реакций проведен электролиз в аналогичных условиях оксабициклоалкена 1е и диоксабициклоалкана 13d в диафрагменном электролизере.

Mono- и диоксабидиклоалкеиы (lc.f и 12a,b). Электролиз оксабициклоалкенов le,f и использовании гидроксида калия в качестве электролита и пропускании 2-3 F моль'' ;ктричества вызывает элекгроокислительную трансформацию в 1,6-диметокси- (13а,Ь) и 1-токси-2-оксабицикло[п.4.0]алканъг (14а,Ь) (схема 7). При электролизе этих сабициклоалкенов на фоне ТФТБ образуются только продукты их метоксилироваиия, пример, продукт 14а из оксабишклодецека le. Напротив, в результате электролиза в алогичных условиях диоксабициклодецена 12а происходит его селективное метоксшшрование и превращение в 1,6-диметокси-2,5-диоксабицгасло-[4.4.0]декан (13с). юксабициклогексадецен 12Ь в условиях электрохимического диметоксилирования его «олога 12а превращается не в ожидаемый 1,6-диметокси-2,5-диоксабициклогексадекан, а 1-метокси-2,5-диоксабицикло-[10.4.0]гексадец-6-ен (15) (табл. 6).

Схема 7.

МеО H

OiT ^о'

1 e,f

С

oî

МеО c/s+frans-13a,b

С

On

MeÔ 14a,b

14a,b

МеО

On ЧГ 12а,Ь

п = 2

Г

5

"СООМе

16

МеО cis+trans- 13с

15

ОМе

агенты и условия'. 1) -е, МеОН, КОН, Р^анод, стальной катод, 2 Р моль"1, 20-60°С; и) -е, ЮН, Ви4ШР4, Рг-апод, стальной катод, 2 Р моль"1, 20°С; з£¡> -е, МеОН, Ви4МВР4, С-анод, шьной катод, 2 Р моль"1,20°С.

H

Таблица 6. Электролиз 2-окса- и 2,5-диоксабицикло[п.4.0]алк-1(6)-енов (le,f и 12а, Ь).

Субстрат Элект- Анод Q T Конвер- Про- Выход

ролит (F мол"!) (°С) сия (%) дукт (%)а

le КОН Pt 2 25 95 13ас 68

14а 20

le* КОН Pt 2 25 95 13ас 64

14а 25

le MeONa Pt 5.4 30 95 13ас 44

14а 15

le BU4NBF4 Pt 2 20 85 14а 80

lf КОН Pt 3 20 95 13Ь 65

14Ь 20

12a BU4NBF4 С 2 20 80 13cd 85(70)

16 2

12a BU4NBF4 С 3 20 88 13с" 75

16 10

12a BU4NBF4 С 10 20 : 100 13cd 12

16 70

12b кон С 2 60 70 15 58(44)

* Данные ГЖХ-анализа с внутренним стандартом в расчете на превращенный субстрат и на выделенный флэш-хроматографией (дистилляцией) продукт (в скобках); b Опыт проведен в диафрагменном электролизере; с Отношение цистпрансАЗл в опытах 1-3: 7,8 и 10, соответственно; 4 Отношение цис/транс-\Ъг в опытах 6-8: »1:1; ° Опыт в диафрагменном электролизёре.

Продукты ди- (13) и монометоксилирования (14) при электролизе на фоне электролитов-оснований (КОН и MeONa) образуются в соотношении 3:1, причем продукт 13а получается преимущественно в виде г/ис-изомера, продукт 13с - в виде смеси цис- и транс-изомеров («1:1), а продукты 14а,b - исключительно как отрянс-изомеры.

Аналогичные результаты получены при электролизе бициклоалкена le в диафрагменном электролизере, что свидетельствует об отсутствии влияния катодных процессов на электролиз.

Моно- и диоксабкциклоалканы ПЗа-с): перегруппировка в метиловые эфиры ю-(2-метоксите-пшгидрофурнл)алкановых кислот (схема 8). В условиях образования из бициклоалкснов le,f и 12а, b продуктов 13а-с и 14а,b лишь 13с претерпевает последующее

кктроокисление при пропускании электричества в количестве более 2-3 Б моль"1', лектролиз этого бициклоалкана на фоне ТФТБ приводит к расщеплению мостиковой -лерод-углеродной связи с последующей трансформацией в диметиловый эфир адипиновой «лоты (11). Аналогично 13с при электролизе на фоне ТФТБ ведут себя бициклоалканы 5а,Ь, превращающиеся эфиры со-(2-метокситсфагидрофур-2-ил)алкаиовьтх кислот (17а,Ь) абл.7).

Схема 8.

13с

ОМе

13а, Ь

шгеиты и условия: i) -е, Bu4NBF4, МеОН, Pt- или С-анод, стальной катод, 7-10 F моль"1, )°С; ii) 10%-ная HCl, 20°С, 20 мин.

я блица 7. Электролиз моно- и диоксабицикло[п.4.0]алканов 13а-с.

'убстрат Элект- Анод Q Т Конвер- Про- Выход

ролит (F мол1) (•С) сия (%) дукт (%)'

13а 8U4NBF4 Pt 7 25 95 17а (75)

13Ь BU4NBF4 Pt 7 20 90 17Ь (40)

13с BU4NBF4 С 10 20 95 16 80 (75)

Данные ГЖХ-анализа с внутренним стандартом в расчете на превращенный 'бстрат, в скобках - на выделенный флэш-хроматографией (дистилляцией) продукт.

Диоксабиниклоалканы И3с1а>. Перегруппировка 1-гидроксидиоксабицикло->декана в эфир 5-(13-дчоксалаи-2-нл)пеитановой кислоты (схема 9). Незамещенный юксабициклодекан 13(1 превращается в результате электролиза как в бездиафрагменном, к и в диафрагменном электролизере в 1-метокси-2,5-диоксабицикло[4.4.0]декан (13е) и >слсдний затем в метиловый эфир 5-(димстоксиметил)пентановой кислоты (20). етоксизамещенный диоксабищштодекан 13е в аналогичных условиях в бездиафрагменном ¡с!фолизсре сразу превращается в эфир 20, шдроксидиоксабициклодекан 13Г- в метиловый тр 5-(1,3-диоксолан-2-ил)пентановой кислоты (21) и гидроксидиоксабициклогексадекан

!Зй - в метиловый (23) и 2-гидроксиэтиловый (24) эфиры 11-(диметоксиметил)ундекановой кислоты (табл. 8).

Схема 9. о

^ нЛ^4С00Ме

МеО 1

СООМе

22 4

(СН^п

О I '4 21

13д

оме о оме "

МеО'^^То °Ме + МеО^Г^щ^О 23

ОМе О 10

ЛН

24

Реагенты и условия: ¡) -е, МеОН, ВщИВРд, Й- или С-анод, стальной катод, 2-4 Б моль', 20°С; и) -е, МеОН, Ви4КВР4, С-анод, стальной катод, 4-8 Б моль"1, 20°С; ш), 10%-ная НС1, 20°С, 20 мин.

Таблица 8. Электролиз диоксабицикло[п.4.0]алканов 13(1-8.

Субстрат Элект- Анод 0 Т Конвер- Про- Выход

ролит (Б мол"1) (°С) сия (%) дукт (%)'

Ш ВщЫВР., Р1 2 20 85 13е 50

20 28

13(1 ВщКВ^ И 4 20 100 13е 23

20 57

ш Ви4ШР4 ГЧ 4 20 100 13е 28

20 51

13е Ви4ЫВР4 Й 2 20 90 20 82

13! ВщКВР4 С 4 20 100 21 90 (60)

Щ с 8 20-25 90 23 (54)

24 (30)

"Данные ГЖХ-анализа с внутренним стандартом в расчете на превращенный субстрат, в скобках - на выделенный флэш-хроматографией (дистилляцией) продукт. ь Опыт проведен в диафрагменном электролизере;

Оксабииикло|пЛ.01алкены (1аЛ>). В своем электрохимическом поведении в одних и тех же условиях электролиза оксабициклоалксны с дигидрофурановым оксаииклом, в

I ста ости, оксабицикло[п.3.0]алкеиы 1а,Ь (схема 10), резко отличаются от габициклоалкенов с дигидропирановым оксациклом (1е,{). Так, электролиз субстрата 1а на >нс КОН приводит исключительно к продукту его монометоксилирования - 1-метокси-2-:сабицикло[3.4.0]нонану (25) с выходом 75%, тогда как при электролизе субстрата 1Ь «исходит его дегидрирование с образованием шпслододека[3,2-Ь]фурана (26) (выход 85%) 1бл. 9).

Схема 10.

ОМе 25

Oí о"' 1а,Ь

п = I

26

|блица 9. Электролиз оксабицикло[п.3.0]алканов 1а,Ь.

»'бстрат Элект- Анод Q Т Конвер-сия Про- Выход

ролит (F мол*1) (°С) (%) дукт (%)а

1а КОН Pt 2 20 95 25 80 (75)

Ib Bu4NBF4 Pt о 20 95 26 89 (85)

[анные ГЖХ-анализа с внутренним стандартом в расчете на превращенный бстрат, в скобках - 1а выделенный флэш-хроматографией (дистилляцией) продукт.

Установление строепия продуктов электролиза моно- и диоксабицмклоалкенов н детвенных биинклоалканов. Строение продуктов электролиза установлено по их ЯМР 'Н 13С и масс-спектрам, а для соединений 17, 20, 21, 23 и 24 также по продуктам их еврагцении. Гидролиз электролизатов оксабициклоалканов 13а,b привёл к смесям /томерных метиловых эфиров со-(2-гидрокситетрагидрофур-2-ил)алкановых (18а,Ь) инорный компонент) и ш-гидрокси-((о-3)-оксоалкановых кислот (19а,Ь) (основной мпонент), а электролизатов диоксабициклоалканов 13d-e - к метиловому эфиру 6-согексановой кислоты (22).

Механизм исследованных электрохимических пропессов. Характерная эбенностъ этих процессов заключается в том, что они протекают в прианодном слое. Это

следует из совпадения результатов электролиза оксабнциклодекана 1е и диоксабициклодекана 13(1 в бездиафрагменной и диафрагменной ячейках. Общими чертами этих процессов является то, что они индуцированы электрохимическим расщеплением мостиковых углерод-углеродных к- и 8-связей исследованных соединений и включают раскрытие цикла образующихся при этом интермедиатов.

Для всех соединений, кроме 13(1, электрохимический процесс начинается с переноса электрона от их электрофорных кислородсодержащих групп, соседних с мостиковой углерод-углеродной связью, расщепления этой связи и образования радикал-катионов с разделенными радикальным и катионным центрами 1+*, 12+* и 13+*. В случае оксабициклоалкенов 1с,Г этот процесс сопровождается конкурентным присоединением к этим субстратам метанола. Для оксабициклоалксна 1а это направление процесса является единственным. Эту реакцию, по-видимому, катализируют протоны, образующиеся при электроокислении метанола и алкоголизе катионных интермедиатов (схема 11).

Схема 11.

Н

()ш МеОН

-Н+

1а, е,1 12а, Ь

т = 1

МеО

14а,Ь (т=1, п=2,8) 25 (т=0, п=2)

МеО

МеОН/-Н+ -^

С

()п

-е, МеОН -Н+

у

С

1е,Г-12а,Ь+'

ОгГ| -о' ОМе

да

о

ОМе

13а,Ь (Х=СН2, п=2,8) 13с (Х=0, п=2)

-Н+

п = 8

X =о

15

Субстраты 1Ь и 13(1 вслед за первичным переносом электрона отщепляют протон, претерпевают быстрое последующее электроокисление и превращение образующихся интермедиатов в циклододека[3,2-Ъ]фуран (26) и 1-метокси-2-оксабикло[4.4.0]декан (13е) (схема 12).

Схема 12. -2о

ПО ^по

ог "О 1Ь

26

МеО

! X В

I——I—, I—

Ци^ Ч*^

МеО 13а-с~

(Г -О'

13а-д

I В1 = н

-е | И2= ОМе, ОН Т х -- О

()п о"

е, МеОН | -Н+ СХ

пО — пз

№ 13е-дг

Оп

ОМе 13е

Трансформация катион-радикалов 13а,Ь^ в продукты 17а,Ь включает их ектроокислительную перегруппировку, которая происходит, по-видимому, в результате гктроокисления и алкоголиза их радикального и катионного центров, а также омеризащш катионных интермедиатов А в С через оксониевые ионы В. Движущей силой одесса изомеризации катионных интермедиатов А в С, вероятно является выигрыш ергии вследствие превращения интермедиата А в более стабильный катион С, а в случае термедиата А (X = С11 и п = 2) также дециклизации напряженной 10-членной клической системы. Генерируемый из катион-радикала 13с+' катионный интермедиат А (X Э и п = 2) превращается в эфир 16 в результате его алкоголиза (схема 13).

Схема 13.

ОМе МеО

ОМе у

к

-е. МеОН

(Ь' ОМе

13а-с *■

С

МеОН

•ТУ

- ОМе А

| х = о, п=

'(К

МеО ОМе А

С

МеО ОМе

п=2

С

I- МеОН I 2. Гидролиз I

МеООС(СН2)лСООМе 16

п = 2(а, с); 3(Ь)

17а,Ь

Электроокислительная перегруппировка, аналогичная той, которая наблюдалась для катион-радикалов 13а,Ь+\ реализуется также для катион- радикалов 13?' (К2 = ОН, п = 2). Они превращаются в метиловый эфир 5-(1,3-дпоксолан-2-ил)пснтановой кислоты (21) (схема 14).

Схема 14.

R2 ЧЗе-д4*

n = 2{e,f);8(g)

-е. МеОН^

R2 = ОМе п = 2

rVS

МеО ОМе D

МеОН -Н+

МеО

МеО ОМе

27

-н+

МеОН,

R2 = ОН

ОМе

С

()Л\з

20

'-н4-

СООМе

Сч«

СООМе

21

iL

ч

OilNr о

С

О

МеОН

«К«

С

DJ

©он'

-н+

оЛК

ОМе

МеОН

п = 8

ОМе

МеОН/Н+

МеО'

COOR ю

23+24

23 R = Ме

24 R = СН2СН2ОН

Продукты 20, 23 и 24 образуются из радикал-катионов 13e,g+* с дециклизацией этах радикал-катионов, происходящей при алкоголизе катионных интермедиатов D и F и сопровождающейся промежуточный образованием циклических ортоэфиров 27 и эфиров 28. О промежуточном образовании ортоэфиров свидетельствует наличие в спектрах свежего продукта электролиза субстрата 13а сигналов, характерных для протонов ортоэфирной метоксильной группы (8ц 3.13) и ядер UC ортоэфирной группы (Sc 115.5). Протоны, катализирующие алкоголю ортоэфиров и сложных эфиров, генерируются в результате электроокисления метанола.

о

о

Новым и наиболее важным результатом проведенного исследования пектрохимических превращений моно- и диоксабициклоалкенов и родственных ициклоалканов является установление характерных особенностей этих процессов и бнаружение ранее неизвестных электроокислительных перегруппировок моно- и иоксабициклоалканов в эфиры а-фукциональнозамешенных кислот. На основе ыявленных особенностей электрохимического поведения моно- и иоксабициклоалкенов и родственных бициклоалканов и обнаруженных ерегруппировок разработаны новые подходы к эфирам со-(метоксикарбонил)- (16), ш-!-метокситетрагидрофур-2-ил)- (17), са-гидрокси-(З-оксо)- (19), ш-(1,3-диоксолан-2-ил)-!1) и а-(диметоксиметил)замещенных алкановых (20, 23, 24) кислот, которые могут айти применение п синтезе простагландинов, феромонов и других ценных рганических соединений. В тоже время эти особенности не позволяют использовать тектролиз исследованных моноокса- и диоксабициклоалкенов и бициклоалканов для х электрохимической трансформации в макроциклические соединения.

В ы в о л i.i

. Проведено систематическое исследование расщепления мостиковых С=С связей оно- и диоксабицикло-алкенов через их гидропероксидирование и катализированное цетатом меди разложение продуктов гидропероксидирования и впервые детально зучено прямое анодное окисление моно- и диоксабициклоалкенов и родственных ициклоалканов. Установлены характер влияния на эти процессы строения исходных ициклических соединений и реакционных условий.

. Установлена способность ацетата меди эффективно катализировать расщепление остиковой С-С связи продуктов гидропероксидирования 2-оксабициклоалкенов, риводящее к селективному образованию алкенолидов. На основе этих реакций азработан новый подход к алкенолидам и к получаемым их каталитическим эдрированием алканолидам со средним и большим числом атомов в цикле, что озволяет кардинально модернизировать способ получения широко используемого в роизводстве парфюмерных и косметических изделий пентадекан-15-олида из 2-ксабицикло[4.10.0"]гексадец-1 (6)-ена.

. Обнаружена ранее неизвестная окислительная перегруппировка оксабициклоалкенов п-(а>-ацилоксиалкил)алкан-л-олиды, происходящая под действием 50%-ной H2O2 в рисутствии каталитического количества серной кислоты в растворах карбоновых

кислот и протекающая через промежуточное образование 1-ацилперокси-2-оксабициклоалканов.

4. Установлены основные направления и характерные особенности электрохимических превращений моно- и диоксабициклоалкенов и родственных бициклоалканов, индуцированных прямым анодным окислением:

■ обнаружены ранее неизвестные электроокислительные перегруппировки этих соединений в эфиры ш-(2-метокситетрагидрофур-2-ил)-, ш-(1,3-диоксалан-2-ил)- и и-(метоксикарбонил)замещенных алкановых кислот; общим для этих перегруппировок является то, что все они индуцированы электрохимическим расщеплением мостиковых С-С связей исследованных субстратов и включают раскрытие цикла первоначально образующихся интермедиатов;

■ предложен и обоснован механизм исследованных электрохимических превращений моно- и диоксабициклоалкенов и родственных бициклоалканов; показано, что электроиндуцированное расщепление мостиковых С=С связей 2-моно- и 2,5-диокса-бициклоалкенов протекает в две стадии: на начальной стадии происходит расщепление мостиковой углерод-углеродной л-связи этих соединений и превращение в 1,6-диметоксизамещенные моно- и диоксабициклоалканы, а на последующей стадии - расщепление мостиковой углерод-углеродной a-связи в этих продуктах и их превращение в эфиры о-функциональнозамещенных алкановых кислот.

5. На основе исследованных химических и электроиндуцированных реакций моно- и диоксабициклоалкенов и родственных бициклоалканов разработаны новые подходы к ?1-(«-ацилоксиалк1щ)алкан-т1-олидам и эфирам ш-(диметоксиметил)-, ш-(2-метокситетрагидрофур-2-ил)-, ю-(1,3-диоксалан-2-ил)- и со-гидрокси-(ш-З)-оксоалкановых кислот.