В лабороторной практике и в промышленности разработано множество методик для получения циклопропана и циклобутана. Их получают как общими методами, которыми легко можно получить и большие циклы, так и индивидуальными методиками.
Отщепление галогенов в $\alpha, \omega$-дигалогеналканах
Циклопропан был открыт в 1881 году Августом Фройндом, который также предложил правильную структуру для нового вещества в своей первой работе. Фройнд обрабатывал 1,3-дибромпропан с натрием, вызывая внутримолекулярную реакцию Вюрца, ведущую непосредственно к циклопропану.
$BrCH_2CH_2CH_2Br + 2Na \to (CH_2)_3 + 2NaBr$
Выход реакции была улучшен Густавсоном в 1887 году с использованием цинка вместо натрия.
Данный метод фактически является внутримолекулярной реакцией Вюрца. При воздействии таких металлов, как $K$, $Na$, $Mg$, $Zn$, на $\alpha, \omega$-дигалогенопроизводные образуются циклоалканы. Лучший выход наблюдается для циклопропана и циклобутана в присутствии пылеподобного цинка в спиртовом растворе. Эта реакция и сейчас является одним из лучших лабораторных методов получения циклопропана.
Рисунок 1.Применяя соответствующие $\alpha, \omega$-дигалогеналканы с помощью натриймалонового эфира синтезируют трех-, четырех-, пяти- и шестичленные циклические соединения (В. Перкин, 1886 гг.):
Рисунок 2.
Следует заметить, что реакция происходит сложнее, чем показано в схеме, и становится более эффективной при применении не дибромида, а смешанного $\alpha, \omega$-бромохлоралкана (М. Кижнер).
1,3-диполярное циклоприсоединение
Другим методом получения циклопропана и циклобутана является метод, открытый в 1885 году Э. Бюхнером. $\alpha, \beta$-Непредельные кетоны, а также сложные эфиры способны присоединять диазосоединения и образовывать пиразолины. Эти реакции представляют собой частный случай так называемого 1,3-диполярного циклоприсоединения и отличаются высокой стереоспецифичностью син-присоединения диазосоединений по месту активированных двойных связей.
Рисунок 3.
При последующем разложении под действием нагревания или света пиразосоединения теряют молекулы азота и превращаются в производные циклоалканов. Однако такое разложение протекает не стереоспецифично и приводит к образованию смесей геометрических изомеров:
Рисунок 4.
$\gamma$-(1,3)-элиминирование
Особым случаем образования трехчленных циклов являются реакции $\gamma$-(1,3)-элиминирования. Такой вид элиминирования реализуется только в тех случаях, если в $\gamma$-положениях к уходящим группам имеются сильные электроноакцепторные группы, например $-CN$ или $-C(O)R$:
Рисунок 5.
Циклобутанкарбоновцю кислоту получают с выходом 43-45% из натриймалонового эфира и 1,3-дибромпропана, с последующем омылением и декарбоксилированием циклобутан-1,1-дикарбоновой к-ты. Этот синтез является одним из общих методов получения четырехчленных циклов, поскольку из серебряных соли таких кислот с помощью реакций Бородина-Хунсдиккера или реакций Кочи легко получают циклобутилгалогениды.
[2+2] циклоприсоединение алкенов
Еще одним общим методом получения циклобутанового кольца является [2+2] циклоприсоединение алкенов. Такие реакции при обычных условиях, без катализа протекают ступенчато и дают смеси цис- и транс-продуктов с низкими выходами.
Реакции [2+2] циклоприсоединения при фотохимическом ускорении дают хорошие результаты в случаях внутримолекулярных преобразований четырехчленных циклов при синтезах каркасных полициклов. Примером такого синтеза является превращение норборнадиена (бицикло[2.2.1]гепта-2,5-диена) под действием излучения заданной волны в квадрициклан.
Рисунок 6.
Более сложным примером является фотохимическая димеризация циклопентенонов.
Рисунок 7.
Внутримолекулярными реакциями [2+2] циклоприсоединения также получают ряд более сложных каркасных соединений, и в частности производные кубанa:
Рисунок 8.
Двойные связи в $\alpha, \beta$-ненасыщенных кетонах, сложных эфирах и нитрилах также вступает в реакцию фотохимического циклоприсоединения с алкенами.
Рисунок 9.
Фотохимическое присоединение
Важной в синтетическом отношении и весьма общей реакцией является фотохимическое присоединение альдегидов или кетонов к алкенам с образованием оксетанов - четырехчленных циклических простых эфиров с одним гетероатомом.
Рисунок 10.
