Расщепление одинарных связей С-С

 

Пожалуй, наиболее известный и очевидный пример конструктивной роли «деструктивной» реакции — декарбоксилирование алкилированных произ­водных ацетоуксусного или малонового эфира. По сути дела именно легко­сть осуществления этой стадии и является предпосылкой для широкого использования всего комплекса синтетических реакций, в которых эти реа­генты применяются как синтетические эквиваленты С3- или С2-синтонов.

Разумеется, декарбоксилирование может потребоваться не только в случае синтезов, основанных на применении малонового или ацетоуксусного эфиров. Необходимость в такой операции может возникать достаточно часто, что легко понять, если вспомнить богатые синтетические возможности использования карбоновых кислот и их производных как субстратов в таких ре­акциях, как диеновый синтез, присоединение по Михаэлю, конденсация Кляйзена, а-алкилирование енолятов и многие другие. Во всех этих случаях непосредственными продуктами реакций являются карбоновые кислоты или их производные. Поэтому универсальность применения подобных методов для синтеза соединений самых различных классов напрямую зависит от воз­можности достаточно легкого удаления карбоксильной группы из молекулы после того, как ее активирующая роль уже сыграна. Этого удается достичь с помощью многочисленных реакций, химическая сущность которых сводится к разрыву связи R-COOH с отщеплением стабильной молекулы ССЬ или СО. Упомянутое выше декарбоксилирование р-дикарбонильных производ­ных не требует особых ухищрений: оно протекает особенно легко (при уме­ренном нагревании) благодаря наличию второй карбонильной группы, роль которой ясна из схемы механизма, показанного для модельного примера 436(схема 2.143).

Схема 2.143

 

В отсутствие такой активирующей группы приходится применять более жесткие методы удаления «лишней» карбоксильной функции, основанные главным образом на гемолитических реакциях. К таковым относится прежде всего термолиз mpem-бутиловых эфиров пероксикислот 437[36а], которые получают стандартным методом ацилирования т/>ет-бутилгидропероксида хлорангидридом соответствующей карбоновой кислоты. Декарбоксилирова­ние протекает как гемолитический разрыв связи О-О, сопровождающийся элиминированием СО2 и восстановлением образующегося радикала доно­ром водорода, в роли которого обычно используют углеводороды типа 438(см. схему 2.143). Некоторые примеры синтетического использования этого метода будут даны в конце этой главы.

Другим обычно применяемым методом является декарбоксилирование с помощью тетраацетата свинца [36Ь|. В зависимости от строения субстрата, а также условий проведения реакции ее продуктами могут быть либо алкан, либо алкен, либо соответствующее ацетоксипроизводное (схема 2.144). Образованию алканов более всего способствует проведение реакции в присут­ствии хорошего донора водорода. Часто такое декарбоксилирование прово­дится в условиях облучения в хлороформе, как это показано на примере пре­вращения циклобутанкарбоновой кислоты в циклобутан [36с]. Напротив, если проводить декарбоксилирование под действием тетраацетата свинца, но в присутствии соокислителя, такого, как ацетат меди, то преимуществен­ным продуктом может стать алкен [36d].

Применение последнего варианта для декарбоксилирования вицинальных дикарбоновых кислот — хороший и общий метод синтеза соответствующих алкенов [36Ь] (схема 2.144). Этот метод часто используется в синтезе напряженных и каркасных углеводородов, где особенно удобно проводить построе­ние углеродного скелета с помощью диенового синтеза с использованием ди-енофилов типа малеиновой кислоты или ацетилендикарбонового эфира [Збе]. Как было неоднократно показано, множество методов образования связи С-С основано на использовании карбонильной группы в качестве активиру­ющей функции, позволяющей вводить самые различные структурные фраг­менты по а-атомам углерода, соседним с карбонилом. Продукты таких реакций также являются карбонильными соединениями. Их можно транс­формировать далее как без изменения углеродного скелета (например, путем нуклеофильного присоединения по карбонилу), так и с разрывом связи меж­ду а-атомом углерода и карбонильной группой. Разрыв связи С-СО достига­ется с помощью реакции Байера—Виллигсра, состоящей в окислении кетонов надкислотами (или пероксидом водорода в щелочной среде). Эта реак­ция протекает как нуклеофильное присоединение по карбонильной группе с образованием пероксиадпукта 439,который далее претерпевает перегруппи­ровку (С→O 1,2-сдвиг алкильной группы), образуя сложный эфир (для ацикли-ческих кетонов) или лактон (для циклическихкетонов) (см. схему 2.145) [37а].

Схема 2.144   Схема 2.145

 

Для этой реакции характерна высокая регио- и стереоселективность. В слу­чае несимметричных кетонов направленность реакции контролируется мигра­ционной способностью алкильной группы, которая в общем коррелирует со стабильностью соответствующих карбокатионов (третичная > вторичная » первичная). Таким образом, с помощью этой реакции любые метилкетоны об­щей формулы 440могут быть превращены в соответствующие ацетоксипроиз-водные, независимо от характера группы R. Также избирательно проходит окисление а-алкилзамещенных циклогексанонов 441в лактоны 442,произ­водные вторичных спиртов [37Ь]. Возможность проведения окисления в мяг­ких условиях особенно важна, когда речь идет об окислении кислотолабилъ-ных веществ, как, например, в случае реакции 443→ 444[37с]. Интересно, что реакция Байера—Виллигера может протекать селективно даже в тех случаях, когда в молекуле субстрата имеется такая функции, как двойная связь, также способная окисляться надкислотами. В этих случаях требуемая селективность может быть обеспечена просто подбором предельно мягких условий проведе­ния реакции (см. превращение 445→ 446[37d], схема 2.145).

Полное сохранение конфигурации углерода мигрирующей группы также является чрезвычайно важной особенностью окисления по Байеру— Виллиге-ру. Наглядный пример эффективности синтетического применения реакции Байера—Виллигера можно найти в исследованиях Грико [37с] по полному синтезу антибиотика калыдамицина. Одним из ключевых промежуточных продуктов в этом синтезе является лактон 447,в котором содержится три хиралъных центра у соседних атомах углерода (схема 2.146). Исходным соеди­нением для получения этого продукта служил бициклический кетон 448,полу­ченный по схеме диенового синтеза. Благодаря наличию емн-метильной груп­пы в мостике метилирование 448протекало с исключительным образованием энйй-изомера 449.Окисление последнего по Байеру—Виллигеру с последую­щим омылением лактонного цикла гладко приводило к моноциклической ок-сикислоте 450,в которой уже имеются требуемые хиральные центры. Лакто-низация этой кислоты проходила с аллилъной перегруппировкой и дала би­циклический продукт 451,из которого с помощью серии трансформаций был получен циклопентанон 452.Окисление последнего по Байеру—Виллигеру с сохранением конфигурации дало с высоким выходом целевой лактон 447.По­следний содержал требуемую комбинацию хиральных центров, причем гео­метрия этого продукта однозначно определяла стереохимию следующей ста­дии — метилирования енолята, что позволило превратить 447в стереохимиче-ски чистый лактон 453,из которого далее в несколько стадий был получен один из строительных блоков в синтезе кальцимицина — триол 454.

Схема 2.146

В этой цепочке превращений достаточно сложная задача построения ациклического фрагмента с четырьмя асимметрическими центрами заданной конфигурации бьша решена прежде всего благодаря использованию ис­ходных и промежуточных веществ циклического строения, жесткая геомет­рия которых обеспечивала надежный контроль стереохимии образования новых центров. Но не менее важным было применение реакции Байера— Виллигера как метода, позволявшего с уверенностью использовать эти пре­имущества работы с циклическими соединениями, поскольку заранее было известно, что окислительное раскрытие циклов в этих соединениях будет проходить с сохранением конфигурации.

Что касается расщепления неактивированных связей С—С, то здесь пре­паративное значение имеют лишь методы, основанные на селективном рас­щеплении 1,2-гликолей под действием периодата (реакция Малачраде, или периодатное окисление) в водной среде или тетраацетата свинца в органических растворителях [38а,B]. Результатом этого превращения является образо­вание двух карбонилсодержаших продуктов. Окисление проходит через об­разование циклических продуктов, таких, как показанный на схеме 2.147 эфир 455.

Схема 2.147

 

Превращение показанного типа особенно важно в химии полигидрок-сильных соединений, гаких, как углеводы. Многочисленные синтезы хиральных соединений из доступных углеводов основаны на возможности в необходимый момент осуществлять такое расщепление. Рассмотрим, напри­мер, как с помощью такой реакции решается задача получения оптически чистого D-глицеринового альдегида (456,схема 2.148).

Схема 2.148

 

Доступный природный D-маннит (457)сначала переводят в бис-ацето-нид 458,после чего остающуюся 1,2-гликольную группу окисляют тетра-ацетатом свинца. Образующиеся в результате такого разрезания молекулы «половинки» идентичны и представляют собой не что иное, как энантиомерно чистое изопропилиденовое производное D-глицеринового альдегида (459),получаемое таким методом с выходом 70-80% [38с].