Реакционная способность терпеноидов и их аналогов в "организованной среде" тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.03 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ НОВОСИБИРСКИЙ ИНСТИТУТ ОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ им. Н.Н.ВОРОЖЦОВА

На правах рукописи

САЛАХУТДИНОВ Нариман Фаридович

РЕАКЦИОННАЯ СПОСОБНОСТЬ ТЕРПЕНОМ, "ОРГАНИЗОВАННОЙ СР1

ИХ АНАЛОГОВ В

I)

п

М-

, 02.00.0^- Ц^аническая

V

1 '

V

/ДЙСОКРТАЦИЯ •'в^в'ияе научного доклада >'^а соискание ученой степени доктора химических наук

Новосибирск 1998

Официальные оппоненты: доктор химических наук, профессор

Смит В.А.

С/, 4*2-00

доктор химических наук, профессор Одинокое В.Н.

доктор химических наук, профессор Ралдугин В.А.

/1

Ведущая организация:

Иркутский институт химии Сибирского Отделения Российской Академии Наук

Защита состоится «23» июня 1998 г. в 915 часов на заседании диссертационного совета Д 002.42.01 в Новосибирском институте органической химии СО РАН им. Н. Н. Ворожцова по адресу 630090, г. Новосибирск, проспект акад. Лаврентьева, 9.

С диссертацией в виде научного доклада можно ознакомится в библиотеке Новосибирского института органической химии СО РАН им. Н. гящ.

Диссертация в виде научного доклада разосг • чая 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор химических наук ^ Петрова Т. Д

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования

Одним из бурно развивающихся в последнее время методов воздействия на реакционную способность химических соединений является использование "организованной среды" при проведении реакций. "Организованная среда" может быть создана либо путем адсорбции субстрата на поверхности или порах твердого катализатора (в этом случае реакция имеет гетерогенный характер), либо путем комплексообразования субстрата с образованием растворимых комплексов типа "гость-хозяин" (в этом_случае реакция является гомогенной),

л Этот подход позволяет путем создания пространственных затруднений в

1 определенных частях молекулы или придания молекуле конформационной жесткости резко изменить селективность процесса и в случае молекул с многовариантной реакционной способностью направить реакцию по ранее )

неизвестному пути. ..........................—- - —--------------

Если работы но реакциям ароматических соединений в "организованной среде" достаточно давно и интенсивно развиваются то изучение реакционной способности терпеноидов в этих условиях находится в начальной стадии. Однако можно смело прогнозировать резкое увеличение количества работ в этом направлении, учитывая, с одной стороны, стремление исследователей расширять круг Вовлекаемых в эти реакции субстратов и, с другой стороны, многообещающие перспективы использования терпеноидов (возобновляемого растительного сырья), которые благодаря их полифункциональиости и конформационной гибкости могут подвергаться новым, необычным

превращениям.

■ ■

цель работы

Целью работы является систематическое изучение новых внутри- н

* „

межмолекулярных реакций терпенов и их аналогов в "организованной среде .

установление закономерностей и рассмотрение возможных механизмов протекающих при это*, процессов, изучение влияния функциональных групп, изомерии и гомологии на ход катализируемых кристаллическими алюмосиликатами реакций. Изучение реакционной способности терпеноидов в этих условиях позволяет расширить синтетические возможности этих соединений, разработать простые методы получения сложных полигетероциклических систем из доступного сырья, провести сравнительный анализ поведения этих конформационно-гибких соединений в "свободном" и "закрепленном" состояниях.

Целью исследования является также накопление экспериментальных данных, которые позволяют начать работу по обобщению и классификации полученного материала, что, в свою очередь, дает возможность обнаружить корреляции типа "структура-свойство" в этой новой области органической химии.

Научная новизна

В результате изучения изомеризации некоторых диенонов и нитрилов на цеолитах различных типов было выяснено, что в этих условиях они могут подвергаться внутримолекулярным скелетным перегруппировкам, сходными с превращениями этих же веществ в суперкислых средах (условия "прямого наблюдения" катионов), что свидетельствует в пользу карбокатионного механизма превращений изучаемых соединений на цеолитах. На ход реакции влияют: 1) строение исходного субстрата; 2) тип цеолита; 3) способ нанесения субстрата на цеолит.

Изучение фотохимической изомеризации терпеноидов и их комплексов с циклодекстринами показало, что облучение растворов терпеноидов приводит лишь к транс, ^ыоизомеризациям по двойным связям. Облучение комплексов этих же терпеноидов приводит к протеканию реакций по совершенно иным,

' Holderich W., Hesse М., Nauman F. Angew. Chem.. Im. Ed. Engl. 1988. Vol. 27. P. 226

неизвестным ранее путям: образованию, в зависимости от строения субстрата, трех-, четырех- или пятичленных карбоциклов.

Изучение взаимодействия терпеноидов с различными альдегидами привело к обнаружению целого каскада новых реакций, в результате которых из / достаточно простых исходных соединений образуются сложные / полигетероциклические продукты, многие из которых обладают неизвестными ранее остовами и потенциальной биологической активностью.

Обнаружены новые реакции олефинов с а,($-ненасыщенными / карбонильными соединениями на цсолитных катализаторах, приводящие к I продуктам либо редко встречающихся процессов [ЗС+2С]- или [2С+2С]- I карбоциклизаций, либо "псевдоенового" синтеза, а в реакции с формальдегидом ! - к продуктам скелетных перегруппировок - трициклическим простым эфирам. |

Показано, что реакции цис- и транс-эпоктцов 3-карена и дипентена с \

\

альдегидами в присутствии глины асканит-бентонит приводят к образованию \ ацеталей, при гидролизе которых можно селективно получать соответствующие \ цис-дуюпы. При взаимодействии эпоксидов с альдегидами стерические факторы >

играют определяющую роль в соотношении внутри- и межмолекулярных /

/

процессов. I

1.

Ряд необычных превращений был зафиксирован при взаимодействии камфена \

\

с ароматическими углеводородами, спиртами и фенолами на цеолите. П \ ЗОНИСИМОСТИ ОГ струюуры репгеитоп ВОЗМОЖНЫ получение иродукюи О-, С-алкилирования или карбоциклизации.

Практическая ценность

Предлагаемый подход позволяет во многих случаях отказаться от применения высоких температур, автоклавирования, традиционных кислых катализаторов в реакциях терпеноидов, что резко улучшает экологичность процессов, повышает выходы целевых продуктов.

Обнаруженные новые превращения существенно расширяют синтетические возможности терпеноидов, позволяя предложить простые пути получения сложных соединений в мягких условиях.

Накопленные экспериментальные данные создают основу для нахождения корреляций типа "структура-свойство" для достаточно сложных органических соединений в "закрепленном состоянии" и выработки понятий и закономерностей в случае протекания реакций на поверхности гетерогенных катализаторов.

Апробация работы

Отдельные части работы докладывались на конференции "ЕВРОПА-КАТ-1" (Франция, Монпелье, 1993), 16 конференции по изопреноидам (Чехия, Прага, 1995), 11 международной конференции по цеолитам (Ю.Корея, Сеул, 1996), 4 международном симпозиуме по гетерогенному катализу и тонкому органическому синтезу (Швейцария, Базель, 1996).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 33 работ, включая один патент и три обзора.

Автор выражает искреннюю признательность заведующему лабораторией изучения катионоидных реакций НИОХ д.х.н. Владимиру Александровичу Бархату, благодаря постоянной поддержке и усилиям которого стала возможной эта работа. Автор благодарит сотрудников ЛИКР (настоящих и бывших) -Т.Ф.Титову, Е.А.Кобзарь, Л.Е.Татарову, О.А.Лузину, О.И.Яровую, К.П.Волчо, В.В.Фоменко, И.В.Ильину за большую экспериментальную работу, выполненную под руководством автора.

Автор благодарен сотрудникам ЛФМИ НИОХ Д.В.Корчагиной за огромную помощь в расшифровке структур полученных соединений, Ю.В.Гаттову и И.Ю.Багрянской за проведенные ими рентгено-структурные

исследования и расчеты, сотрудникам лаборатории лесохимии НИОХ Э.Н.Шмидт и Г.Ф. Черненко за плодотворное сотрудничество.

Автор приносит благодарность заведующему лабораторией катализа на цеолитах ИК д.х.н. К.Г.Ионе и сотрудникам этой лаборатории Н.В.Тестовой и Т.Г. Кузнецовой за постоянное внимание и помощь в исследованиях.

1. ВНУТРИМОЛЕКУЛЯРНЫЕ РЕАКЦИИ 1.1. Изомеризация терпеноидов на твердых катализаторах [1-4]

Кислотно-катализируемые перегруппировки терпеноидов в различных гомогенных средах (от слабокислых до суперкислых) довольно хорошо изучены 2. Мы рассмотрели поведение терпеноидов на различных пеолитных катализаторах с целью выявить влияние на ход превращений особенностей структуры исходного терпеноида, типа цеолита и условий реакции и сопоставили с превращениями тех же веществ в суперкислотах, где удается фиксировать промежуточные стабильные карбокатионы.

При взаимодействии диенона 1 с цеолитом ЫН4У (нанесение субстратов на цеолит осуществлялось пропусканием раствора веществ в диэтиловом эфире через колонку с цеолитом и отдувание растворителя) получена смесь циклических продуктов 2 и 3 (суммарный выход 33%).

+Н1

-Н

+Н~

Карбоксониевый ион 4, который можно рассматривать как гипотетический промежуточный продукт в этом превращении, был ранее генерирован из кетона 1

в смеси Н803Р-802С1Р 3. "Гашение" иона 4 смесью СПз0Н-(С2Н5)20 привело, в отличие

I ОСНэ

802РС1 I от реакции на цеолите, к образованию

продукта 5 с сохранением гетерокольца.

сн3он

2 Осу 8. Риг*. Арр!. СНет. 1979. Уо1. 51. Р. 837

* 'Гитарою Jl.fi., Корчагина Д.В., Черкае» Г.В., Крон А.А., Аульченко И.С., Ьархаш |}.А. Журнал Оргии. Химии. 1992. Т. 28. № 6. С. 1183.

2

4

Изомеризация триенона 6 на цеолите МН4У приводит к аналогам кетонов 2 и 3 - соединениям 7 и 8, а также диенону 9 (суммарный выход 20%).

11

Г^ о , + о О

10

И в этом случае наблюдается корреляция с поведением кетона 6 в гомогенных суперкислых средах - в различных условиях были генерированы ионы 10 и 11 Чтобы понять, какие факторы - электронные или пространственные - предопределяют различное поведение кетонов I и б, имеющих разные заместители у карбонильного атома углерода, мы изучили

поведение на

цеолите МН4У кетона 12, имеющего

одинаковый углеродный скелет с кетоном 6. Изомеризация кетона 12 приводит к образованию замеще- иных циклогексенов 13 и 14 (суммарный выход 80%). Кетон с пятичленным циклом не получен. Причина различного поведения кетонов 6 и 12 на цеолите [МЬЦУ

состоит, очевидно, в следующем. С одной стороны, в ионе 15 карбонильная группа 9 I сопряжена не только с двойной связью

С6=С7, но и со связью С9=С10, что приводит

к уменьшению положительного заряда у С6 по сравнению с ионом 16. С другой стороны, нуклеофильность двойной связи С6=С7 в первом ионе выше, чем во-втором - меньше "запрос" на л-сопряжение со стороны катионного центра у С8. В результате в ионе 15 облегчена атака катионного центра у С2 на двойную связь С6=С7 по сравнению с ионом 16, а в последнем имеются более благоприятные условия для взаимодействия катионного центра С6 и образующейся двойной связи С,=С2.

Состав продуктов изомеризации кетонов на цеолитах зависит от природы последних и от способа проведения процесса. У Так, используя широкопористый р-цеолит и я иной способ нанесения субстрата (адсорбция вещества на цеолит в растворе гексана) при изомеризации соединений 1 и 6 в качестве основных продуктов образуются циклические

эфиры 17 (5%) и 18 (5%).

Варьируя тип цеолита и параметры процесса можно подобрать оптимальные

условия получения целевого

О г,

продукта. Так, нами предложен и запатентован способ получения м сс-ионона 19 (94%) из <р-ионона 20

со 100%-ной селективностью на цеолите СаУ. В настоящее время этот процесс проводят в присутствии минеральных кислот, в результате чего образуются кислые сточные воды и трудно разделяемая смесь а-, (}- и у-иононов4.

Если ненасыщенные кетоны на (5-цеолите образуют гетероциклические

соединения, то нитрил 21 при

¿г ^ХГ^см ^Х^ нанесении на Р-цеолит практически

' ч^^Д^ + мгновенно при комнатной температуре

21 22 23

4 Харшан М.А., Крон A.A., Аульченко И.С. Мааш-жировая промышленность. 1978. № I. С. 32.

превращается в карбоциклические нитрилы 22 и 23 (суммарный выход 50%).

Длительное выдерживание в тех же условиях нитрила 24 не приводит к

он циклическим продуктам, а возникающий карбокатион

"сы реагирует с нуклеофилом среды, образуя спирт 25

(37%). Ненасыщенные кетоны типа 1 и на твердых

и катализаторах, и в суперкислых средах ведут себя

сходным образом. Более сложное терпеновое соединение - оптически активный

лонгифолен 26 {[а]22580 +41.9 (с. 6.0, СНС13)} - на Р-цеолите изомеризуется в

оптически активный изолонгифолен 27 {[сх],в58о -43.4 (с. 9.7, СНС13)} (выход

74%), а в суперкислых средах подобная изомеризация сопровождается и 5

рацемизациеи .

Л,| -II

27

Сравнивая эти два процесса можно полагать, что в суперкислой среде быстрее происходит вырожденная перегруппировка с 1,2-сдвигом моста С8-С", нежели невырожденный 6,1-гидридный сдвиг, что приводит к рацемическому продукту 27. На цеолите, очевидно, наблюдается обратное соотношение скоростей процессов, что и обуславливает сохранение оптической активности.

Далее нами рассмотрены превращения лабдановых спиртов на цеолите НУ. Показано, что при выдерживании эпиманоола 28 на цеолите из реакционной массы были выделены Д8 |4-пимпрпдиен 29 и Л8,4-иэопимарадиен 30 (суммарный выход 60%).

! Половинка М.П., Осадчий С.А., Корчагина Д.В., Дубовенко Ж.В., Бархаш В.А. Журнал Орган. Химии. 1983. Т. 17. С. 1629.

В результате превращения 6-оксолариксола 31 на цеолите, наряду с трициклическими соединениями 33 - 36, были обнаружены бициклические продукты 37 и 38 (суммарный выход 67%), образование которых можно объяснить миграцией 8,17-двойной связи в сопряженное с кетогруппой положение, в результате чего циклизация становится невозможной.

о

34

35

36

Соединение 32 - Д7,8-изомер кетоспирта 31 - после выдерживания на цеолите превращается в смесь продуктов, содержащую изомерные бициклические кетоны 39 и 40, а также трициклический кетон 41 в сотношении 2:1:2 с общим выходом 73%.

32

39

40

Анализ экспериментальных данных позволил сделать вывод, что превращения спиртов 28, 31 и 32 на цеолите НУ протекают по-разному в зависимости от положения двойной связи в цикле В. В случае соединений 28 и 31 с эоо-метиленовой двойной связью преимущественно идет кислотно-катализируемая циклизация с образованием изомерных трициклических дитерпеноидов, а в случае соединения 32, ког да наиболее реакционноспособная экзоциклическая связь отсутствует, преимущественно протекают процессы дегидратации и полимеризации.

1.2. Фотохимическая изомеризация терпеноидов и их комплексов с циклодекстринами (5-8).

Наряду с изомеризацией терпеноидов на твердых катализаторах, большой интерес вызывают фотохимические превращения этих соединений, учитывая природное происхождение последних и роль солнечного света для биогенетических процессов. Вследствие полифункциональности и конформационной гибкости терпеноидов, а также большой энергии ультрафиолетового излучения, облучение растворов терпеноидов обычно приводит к неселективному образованию множества продуктов. Применение комплексообразования терпеноидов с циклодекстринами (ЦД) придает субстратам конформационную жесткость, располагая определенным образом в

пространстве реакционноспособные части молекулы, что либо "вырезает" какой-либо путь превращения из спектра известных, либо направляет процесс по новому пути.

ЦД - природные циклические олигосахариды, состоящие из 6 (а-ЦД), 7 ((5-ЦД) или 8(у-ЦД) 0(+)-глюкопиранозных звеньев, связанных между собой а-1,4-гликозидной связью, способны выступать в роли "хозяина" в комплексах типа "гость-хозяин". ЦД связывают молекулу "гостя" путем гидрофобных взаимодействий, комплексуя таким образом малополярные молекулы или части молекул. Подобное комплексообразование весьма похоже на ферментативное связывание субстратов, что особенно ценно для природных терпеновых соединений.

Применение комплексообразоваиия с ЦД для изменения фотохимической реакционной способности органических молекул использовали в своих работах ряд авторов 6'7. Однако эти исследования касались только ароматических субстратов. Мы в своей работе использовали этот подход для терпеноидов.

При исследовании фотохимических реакций соединений 1, 6, 12 и 42 (42

-гомолог диенона 1) было найдено, что соединения 1, 6 и 42 подвергаются цис,

с ß-ЦД. Во всех случаях наблюдается 1,4-сдвиг аллильного водорода к а-атому углерода (по отношению к карбонилу) и замыкание связи в образовавшемся 1,3-бирадикале с образованием замещенных циклопропанов 44 а-с (выходы 10, 12 и 12% соответственно). Следует. отметить, что обнаруженный путь

' Ramamurty V. Tetrahedron. 1986. Vol. 42. P. 5753.

' Bortolus P., Grabner G., Kohler G., Monti S. Coord. Chem. Rev. 1993. Vol. 125. P.261.

транс-изомеризации по 6,7-двойной связи, а кетон 6 превращается в производное �