К четырехэлектронным электроциклическим реакциям циклоприсоединения и циклораспада относятся такие электроциклические реакции, в которых в образовании новых $\sigma$-связей принимают участие четыре электрона, находящиеся на двух реагентах, или в которых такие два реагента образуются. Четырехэлектронные электроциклические реакции разделяются на два основных типа:
- Трехцентровые четырехэлектронные реакции
- Четырехцентровые четырехэлектронные реакции
Данные типы реакций будут отдельно рассмотрены в соответствующих главах.
Четырехэлектронное циклопропанирование
Циклопропанированием называется любой химический процесс в котором генерируются циклопропановые кольца. Это важный процесс в современной химии, так как эту группу содержат многие полезные соединения: например, пиретроиды и ряд хинолонов на основе антибиотиков (ципрофлоксацин, спарфлоксацин и т.д.). Однако высокая устойчивость такого трехчленного кольца делает его образование крайне сложным и, как правило, требует использования высокоактивных форм, таких как карбены, илиды и карбанионы. Многие реакции образования циклопропанового кольца протекают хелотропным образом.
Циклопропанирование алкенов с использованием карбеноидных реагентов
Существует несколько способов преобразования алкенов в систему циклопропана с использованием реагентов типа карбенов.
Так как карбены сами по себе обладают высокой реакционной способностью, то возможно их прямое взаимодействие с алкенами. Данная реакция будет рассмотрена в отдельной главе.
Реакция Симмонса-Смита.
Рисунок 1. Реакция Симмонса-Смита. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
В реакции Симмонса-Смита в качестве продуцентов реактивных карбеноидов используются цодоалкилцинковые соединения, которые обычно получают путем реакции между дииодметаном и цинк-медной парой. Такой подход позволяет избежать ограничений и проблем безопасности, связанных с диазосоединениями, которые обычно используются в других карбеноидных процессах. Тем не менее, основным недостатком этого метода является высокая стоимость дийодометана. Потому были разработаны модификации этого метода с участием более дешевых альтернатив, например, дибромметана или диазометана и иодида цинка. Реакционная способность системы может быть также увеличена путем замены цинк-медной пары для диэтилцинка. Однако, поскольку данный реактив пирофорен он должен быть тщательно обработан.
Из алкенов с использованием илидов.
Циклопропаны могут быть получены с использованием илида серы в реакции Джонсон-Кори-Чайковского, однако этот процесс в значительной степени ограничивается использованием электрон-бедных олефинов, в частности, альфа, бета-ненасыщенных карбонильных соединений.
Рисунок 2. Схема реакции. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Циклопропанирование с использованием диазосоединений
Некоторые диазосоединения, такие как диазометан, могут вступать в реакцию с олефинами с получением циклопропанов в две стадии.
Первая стадия включает в себя 1,3-диполярное циклоприсоединение с образованием пиразолина, который затем подвергают денитрогенированию, либо фотохимически или путем термического разложения с образованием циклопропана. Тепловой маршрут, в котором часто используют KOH и платину в качестве катализаторов, также известен как синтез циклопропана по Кишнеру, названый в честь русского химика Н. Кишнера. Данный синтез также может быть выполнен с использованием гидразина и $\alpha, \beta$-ненасыщенных карбонильных соединений.
Механизм разложения был предметом нескольких исследований и остается до некоторой степени спорным, хотя общем случае, как полагают, он протекает через бирадикальные промежуточные соединения. С точки зрения экологии этот метод превосходит другие реакции, основанные на применении карбенов, поскольку он не включает металлы или галогенированные реагенты, и производит только $N_2$ в качестве побочного продукта. Однако реакция может быть опасна, так как даже следовые количества не вступивших в реакцию диазосоединений могут взорваться во время термической перегруппировки пиразолинового продукта.
Рисунок 3. Схема реакции. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Использование металлического катализа
Диазосоединения могут быть использованы более безопасно путем их взаимодействия с соединениями переходных металлов (как правило, содержащих $Cu$, $Pd$, $Ni$, $Co$ или $Rh$) с образованием карбеноидных комплексов металлов. Они легко подвергаются межмолекулярным металл-катализируемым карбеноидным циклоприсоединениям к олефинам, что гораздо безопаснее, чем взаимодействия исходных диазосоединений, поскольку в данном случае реагенты не являются взрывоопасными. Этот процесс также позволяет проводит синтез энантиоселективно посредством присутствия хиральных лигандов или путем добавления хиральных вспомогательных веществ к диазосоединениям.
Рисунок 4. Схема реакции. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Другим примером реакции образования трехчленного цикла с использованием металлического катализа является реакция Кулинковича — метод синтеза циклопропанолов по реакции сложных эфиров с реагентами на основе низковалентного титана.
Рисунок 5. Схема реакции. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Энантиоселективность и стереоселективность синтезов
В то время как сам циклопропан является ахиральным, замещенные циклопропаны очень часто демонстрируют хиральные свойства. Наличие циклопропановой группы в ряде молекул лекарственных средств сделало развитие их энантиоселективного синтеза крайне важным. В общем случае хиральность металлически катализируемых межмолекулярных процессов можно контролировать с использованием хиральных лигандов или хиральных вспомогательных веществ. Другие процессы могут оказывать влияние асимметричной индукции.
Циклопропанирование также является стереоспецифичным, так как присоединение карбенов и карбеноидов к алкенам является формой хелетропных реакций присоединения, происходящих син-образом. Как показано в данных реакциях:
Рисунок 6. Схема реакции. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
при реакции с дибромокарбеном из цис-2-бутена образуется цис-2,3-диметил-1,1-дибромоциклопропан, тогда как трансизомер дает исключительно транс-циклопропан.
