Асимметрический циклопропен на основе (-)камфена. Получение, структура, реакционная способность

Размещено на http://allbest.ru

2

Казанский государственный медицинский университет

им. С.В. Курашова

Кафедра общей и органической химии

Асимметрический циклопропен на основе (-)камфена. Получение, структура, реакционная способность

Племенков Виталий Владимирович

Никитина Лилия Евгеньевна

Лодочникова Ольга Александровна

Результаты и дискуссия

Циклопропены представляют определенный интерес для синтетической и теоретической химии вследствие их высокой реакционной способности и доступности как синтонов при синтезе практически полезных соединений [1]. В связи с этим разработка эффективных методов синтеза хиральных молекул этого класса является достаточно актуальной проблемой, особенно важной при создании новых биологически активных соединений.

Ранее, М. Бердом (Mark S. Baird) с сотрудниками был получен первый асимметрический представитель этого класса соединений - (R)-1,3-диметилциклопропен, который к тому же является и самым маленьким хиральным углеводородом вообще [2].

Синтез осуществлен в пять стадий, ключевой из которых является разделение промежуточной рацемической кислоты на энантиомеры с использованием оптически активных оснований.

В настоящей работе мы представляем синтез хирального циклопропена, замещенного только по тетрагональному углеродному атому. Такие циклопропены выгодно отличаются тем, что, сохраняя характерную высокую реакционную способность >С=С< связи трехуглеродного цикла, обладают высокой термической стабильностью.

Синтез циклопропена осуществлен в три стадии с использованием в качестве исходного олефина (-)камфена (I), к которому сначала был присоединен дибромкарбен, далее полученное дибромциклопропановое производное (II) было электрохимически восстановлено до соответствующего монобромпроизводного (III) (схема 1).

Схема 1.

Смесь стереоизомеров соединения (III) была подвергнута дегидрогалогенированию до циклопропена (IV) действием трет-бутилата калия в абсолютном ДМСО.

Принципиальная схема синтеза 3,3-дизамещенных циклопропенов, включая и рацемическое соединение (IV) была описана нами ранее [3]. 3,3-Диметилбицикло[2.2.1]гептан-2-спиро-циклопропен (IV) имеет удельное вращение [a]_D²⁵ - 65.9° (1.42 г/100 мл, EtOН), в спектре ЯМР ¹Н присутствуют характерные сигналы олефиновых протонов в области 7.00 м.д.

Учитывая известную способность циклопропенов к реакциям циклоприсоединения, в частности, к реакции Дильса-Альдера [4], мы провели реакцию соединения (IV) с 1,3-дифенилизобензофураном. В результате был получен кристаллический аддукт (V), структура которого установлена методом рентгеноструктурного анализа (РСА) (рис. 1).

Было найдено, что в кристалле соединения (IV) находятся две независимые молекулы, геометрия которых существенно различается.

Рис. 1. Молекулярная структура соединения (V), полученная методом рентгеноструктурного анализа. При описании данных РСА в тексте используется нумерация атомов углерода в соответствии с приведенной на рисунке.

Полициклический остов молекулы представляет собой конденсированные бициклический кислородсодержащий фрагмент с двумя фенильными заместителями “в голове моста”, бензольное и циклопропановое кольца, где в спиросочленении с последним находится норборнановый бицикл.

Норборнановую систему принято рассматривать как трициклическую: циклогексановое кольцо и два пятичленных цикла, цис-сочленение которых диктует им конформацию конверт, а циклогексановому кольцу - конформацию ванна. Однако введение заместителей существенно искажает геометрию норборнанового остова, который, приспосабливаясь к напряжениям, индуцируемым заместителями, приобретает либо синхро-твист, либо контра-твист конформацию, при этом степень искажения циклопентановых колец может быть неодинаковой [1].

Схема 2.

В молекуле А наблюдается некоторое искажение пятичленного кольца С¹⁵С¹⁴С¹⁹С¹⁸С²⁰ [торсионные углы j С¹⁶С¹⁵С¹⁴С¹⁹ и С¹⁴С¹⁹С¹⁸С²⁰ равны соответственно 68.7(2)^о и -66.6(2)^о], пятичленный цикл С¹⁵С¹⁶С¹⁷С¹⁸С²⁰ практически неискажен [j С¹⁴С¹⁵С¹⁶С¹⁷ и С¹⁶С¹⁷С¹⁸С¹⁹ 69.4(1)^о]. В молекуле Б наблюдается значительное искажение пятичленного цикла С¹⁵С¹⁶С¹⁷С¹⁸С²⁰ [j С¹⁴С¹⁵С¹⁶С¹⁷ и С¹⁶С¹⁷С¹⁸С¹⁹ -76.3(2)^о и 67.3(2)^о], менее деформирован пятичленный цикл С¹⁵С¹⁴С¹⁹С¹⁸С²⁰ [j С¹⁶С¹⁵С¹⁴С¹⁹ и С¹⁴С¹⁹С¹⁸С20 70.4(2)^о и -73.3(2)^о].

Таким образом, в молекуле А конформация норборнанового остова соответствует практически неискаженной ванне: фрагменты С¹⁵С¹⁶С¹⁷С¹⁸ и С¹⁵С¹⁴С¹⁹С¹⁸ плоские в пределах соответственно 0.0009 нм и 0.001 нм, угол между этими плоскостями равен 116.6(1)^о. В молекуле Б конформация норборнанового остова может быть определена как синхро-твист, угол между плоскостями С¹⁵С¹⁶С¹⁷С¹⁸ и С¹⁵С¹⁴С¹⁹С¹⁸ 113.21(9)^о. В обеих молекулах связи С¹⁴-С¹⁹ существенно длиннее остальных связей бицикла в силу стерических причин [0.1587(2) нм для молекулы А и 0.1562(3) нм для молекулы Б]. Для шестичленных колец бициклических кислородсодержащих фрагментов молекул А и Б реализуется конформация ванна, углы между плоскими фрагментами С¹С²С³С⁴ и С⁴C⁵C⁶C¹ равны и составляют 109.2(7)^о. В обеих молекулах наблюдаются заслоненные конформации вдоль связей С⁴-С²³ и С¹-С⁸, однако в молекуле А заслоненными являются связи О⁷-С⁴[j О⁷С⁴С²³С²⁸ -7.6(2)^о] и С¹-С²[j--С²С¹С⁸С¹³ 3.5(3)^о], а в молекуле Б заслонены связи С³-С⁴[j С³С⁴С²³С²⁸ -1.2(3)^о] и О⁷-С¹[j О⁷С¹С⁸С¹³ - 3.9(3)^о].

Плоскость циклопропанового кольца практически ортогональна плоскости C¹⁵C¹⁴C¹⁹C¹⁸ спиросочлененного норборнанового фрагмента [соответствующий диэдральный угол для молекулы А 86.5(1)^о, а для молекулы Б 89.9(1)^о], а с плоскостью прилежащих связей кислородсодержащего бицикла образует двугранный угол, равный для обеих молекул 118.4(2)^о. Данные РСА, во-первых, подтверждают образование циклопропенового производного (IV) на основе камфена (I); во-вторых, указывают на его 1R,4S-конфигурацию [а соответственно, 1R,4S-конфигурацию исходного (-)камфена (I)]; и наконец, свидетельствуют о характерном для фурановых диенов экзо-присоединении диенофилов. При этом хиральный 3,3-дизамещенный циклопропен (IV) ориентируется по отношению к диену наименее стерически загруженной стороной плоскости трехчленного цикла.

Циклопропен (IV) был далее изучен в реакциях с метансульфенил-, 1-фенилтетразол-5-сульфенил- и м-фенокси-бензилсульфенилхлоридами. Реакции проводились в хлористом метилене при -20? С. В каждом случае было зафиксировано образование единственного продукта в виде двух изомеров с 1.5-кратным преобладанием одного из них. Анализ ПМР спектров полученных соединений (VI-VIII) свидетельствует о протекании реакций с сохранением циклопропанового кольца, при этом образуются аддукты с транс-расположением соответствующей сульфидной частицы и атома хлора. Вместе с тем данные спектров не позволили сделать выводы ни о регио-, ни о стереонаправленности присоединения. Поскольку циклопропеновый фрагмент в исходном соединении (IV) сильно экранирован стерически со стороны гем-диметильного фрагмента, можно сделать предположение, что эписульфониевый ион, на образование которого на промежуточной стадии указывает наличие транс-аддуктов, ориентируется со стороны, противоположной гем-диметильному фрагменту (путь а), что приводит из четырех возможных региоизомеров к изомерам А и B (схема 2).

Экспериментальная часть

Спектры ЯМР ¹Н получены на приборе Varian UNITY-300 (300 МГц) в CDCl₃, внутренний стандарт - ТМС. Рентгеноструктурный анализ кристаллов выполнен на автоматическом четырехкружном дифрактометре с K-геометрией Enraf nonius CAD4. Параметры ячейки и интенсивности 9851 отражений, 7776 из которых с F² > 3s, измерены при 20° C (l CuK--a 1.5418 Е , графитовый монохроматор, w/2 Q-сканирование, Q--< 74.3°).

Кристаллы (V) моноклинные, при 20 °C: a 12.198(4), b 12.448(5), c 15.323 (3) Е--, b 98.23(3)^o, V 2303(2) Е³, Z 4., d_выч. 1.207 г/см³, пространственная группа P2₁. Учет поглощения не проводился из-за его малости (m Cu 5.073 см^-1). Структура расшифрована прямым методом по программе SIR [2] и уточнена сначала в изотропном, затем в анизотропном приближении. Из разностных рядов электронной плотности выявлены все атомы водорода и уточнены изотропно на заключительной стадии.

C целью установления абсолютной конфигурации молекулы проведено уточнение “прямой” и “инвертированной” структур с учетом аномального рассеяния всеми неводородными атомами. Значения факторов расходимости для “прямой” структуры: R 0.04275, R_w 0.05430, для инвертированной: R = 0.04280, R_w= 0.05435. Согласно тесту Гамильтона [3], “прямая” структура соответствует абсолютной конфигурации с вероятностью 95%. Окончательные значения факторов расходимости R 0.04275, R_w 0.05430 по 7382 независимым отражениям с F²>3s. Все расчеты проведены по комплексу программ MolEN на ЭВМ DEC Alpha Station 200 .

Синтез соедиения (V). К 0.37 г циклопропена (IV) добавляли 0.68 г 1,3-дифенилизобензофурана и 2 мл абсолютного бензола. Реакционную смесь нагревали до образования гомогенного раствора и выдерживали 48 часов при комнатной температуре. Полученное кристаллическое соединение подвергли многократной перекристаллизации (CCl₄, бензол), выход 73%. Спектр ЯМР ¹Н: 0.97 с, 1.06 с (6Н, Me₂С³), 1.78 м (2Н, НС^1,4), 6.85-7.88 м (14Н, 3Ar-H). серосодержащий терпеноид сульфенилхлорид

Синтез соединений (VI-VIII). К 0.01 моль свежеприготовленного сульфенилхлорида (получен из 0.01 моль соответствующего дисульфида и 0.01 моль хлористого сульфурила) в 50 мл абсолютного этанола, предварительно охлажденного до -20^о С добавили по каплям 0.01 моль циклопропена (IV). Реакционную смесь перемешивали в течение 1 ч постепенно повышая температуру до комнатной; растворитель и легколетучие компоненты удаляли в вакууме. Соединения (VI-VIII) выделены методом колоночной хроматографии на силикагеле (гексан-эфир, 1:1). Спектры ЯМР ¹Н (VI): 1.20 с, 1.42 с (1 изомер) ; 1.23 с, 1.32 с (2 изомер) (6Н, Me₂С³); 2.25 д, 2.35 д (4 Гц) (1Н, Н-SR); 3.17 д, 3.23 д (4 Гц) (1Н, Н-Cl); 2.35с, 2.38 с (3Н, SR). (VII): 1.25 с, 1.30 с (1 изомер) ; 1.16 с, 1.26 с (2 изомер) (6Н, Me₂С³); 2.96 д, 3.10 д (4 Гц) (1Н, Н-SR); 3.14 д, 3.19 д (4 Гц) (1Н, Н-Cl); 2.35 с, 7.50 с (5Н, SR). (VIII): 1.36 с, 1.42 с (1-й изомер) ; 1.33 с, 1.38 с (2-й изомер) (6Н, Me₂С³); 2.23 д, 2.31 д (4 Гц) (1Н, Н-SR); 3.12 д, 3.19 д (4 Гц) (1Н, Н-Cl); 3.95 с, 3.97 с (2Н, SR), 7.2-7.6 м (4Н, SR).

Выводы

Предложен метод синтеза устойчивого циклопропена на основе (-)камфена; по данным рентгеноструктурного анализа установлена его абсолютная конфигурация.

Показано, что полученный циклопропен является удобным синтоном для синтеза новых классов серосодержащих терпеноидов в реакциях с сульфенилхлоридами разнообразной структуры.

Литература

1. Cyclopropenes in the Chemistry of the Cyclopropyl Group. Еd. Z.Rappoport, New York, Wiley. 1987. l.2. 1223.; M.S. Baird. Top.Curr.Chem. 1988. V.144. No.1. 138-142.

2. M.S. Baird, H.L. Fitton, W. Clegg, A. McCamley. J.Chem.Soc.,Perkin Trans.I. 1993. 17. No.2. 321-327.

3. Шкуро О.А., Никитина Л.Е., Племенков В.В., Струнская Е.И. ЖОрХ. 1997. Т.33. Вып.6. С.902-904.

4. Племенков В.В., Латыпова М.М., Калинина В.Н., Болесов И.Г. ЖОрХ. 1984.Т.20. Вып.3. С.542-548.

5. С. Altona, M. Surdaralingam. J.Am.Chem.Soc. 1995. V.92. No.7. 1970-1976.

Резюме

Асимметрический циклопропен на основе (-)камфена. Получение, структура, реакционная способность. Племенков Виталий Владимирович, Никитина Лилия Евгеньевна и Лодочникова Ольга Александровна. Кафедра общей и органической химии. Казанский государственный медицинский университет им. С.В. Курашова. Ул. Бутлерова, 49. г. Казань 420012. Россия. Тел.: (8432) 389-744; Факс: (8432) 360-393; E-mail: nikit@mi.ru

Подтверждено образование устойчивого циклопропена, полученного на основе (-)камфена-3,3-диметилбицикло[2.2.1]гептан-2-спиро-циклопропена с 1R,4S-конфигурацией. Показаны синтетические возможности этого циклопропена в реакциях электрофильного присоединения сульфенилхлоридов.

Ключевые слова: циклопропен терпенового ряда; (-)камфен; реакция Дильса-Альдера; сульфенилхлорирование

Размещено на Allbest.ru