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 α,ω-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.
BrCH2CH2CH2Br+2Na→(CH2)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 α,ω-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 α,ω-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 α,ω-бромохлоралкана (М. Кижнер).
1,3-диполярное циклоприсоединение
Другим методом получения циклопропана и циклобутана является метод, открытый в 1885 году Э. Бюхнером. α,β-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.
γ-(1,3)-элиминирование
Особым случаем образования трехчленных циклов являются реакции γ-(1,3)-элиминирования. Такой вид элиминирования реализуется только в тех случаях, если в γ-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 (бицикло2.2.1гепта-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 α,β-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.