Хелетропные (2+2)-реакции это такие реакции присоединения, в которых различные ненасыщенные соединения реагируют с карбенами с образованием трехчленных циклов.
Наиболее часто применяемыми хелетропными (2+2)-реакциями являются реакции присоединения карбенов и нитренов к алкенам, приводящие к образованию трехчленных циклов - циклопропанов или азиридинов.
Рисунок 1. Схемы реакций. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Особенности хелетропных (2+2)-реакций
Эти реакции представляют большой синтетический интерес. Например, реагенты, получаемые в ходе термического некаталитического разложения диазокетонов при перегруппировки Вольфа в присутствии катализаторов дают продукты циклоприсоединения:
Рисунок 2. Схемы реакций. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
В данном случае в реакции циклоприсоединения участвуют не свободные карбены, а так называемый карбеноиды.
Триплетные частицы присоединяются к алкенам с промежуточным образованием бирадикала триметилена, и этот процесс нестереоселективен.
Рисунок 3. Схема реакции. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Как видно из данной схемы, триплетные карбены могут давать только триплетные бирадикалы, для превращения которых в циклопропан необходимо изменение спина. Предполагается, что изменение спина происходит медленнее, чем вращение вокруг $\sigma$-связей, и поэтому присоединение нестереоселективно. Это правило носит название гипотезы Скелла и часто используется в органической химии.
Согласованной может быть только реакция синглетных карбенов и нитренов. Действительно, стереоспецифичность наблюдалась для тех карбенов и нитренов, которые в основном состоянии синглетны, а именно, для $:CCl_2$, $:CF_2$,
Рисунок 4. Формула. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Циклоприсоединение карбеноидов всегда стереоспецифично.
Хелетропные реакции (2+2)-типа с участтием синглетных карбенов и нитренов можно рассматривать как реакцию типа ($\pi2+\omega2$), которая разрешена по орбитальной симметрии:
Рисунок 5. Схема реакции. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Синтез Штаудингера
Более сложным примеро хелетропного (2+2)-процесса является т.н. синтез Штаудингера, также называемый кетен-иминовым циклоприсоединением Штаудингера, представляющий собой химический синтез, в котором имин реагирует с кетеном через 2 + 2 циклоприсоединения с получением бета-лактама. Реакция имеет особое значение в синтезе $\beta$-лактамных антибиотиков. Синтез Штаудингера не следует путать с реакцией Штаудингера - фосфиновыми или фосфитными реакциями используемыми для восстановления азидов до аминов.
Рисунок 6. Схема реакции. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Отличием синтеза Штаудингера от описанных выше процессов (2+2) хелетропного присоединения является то, что из первоначально образующейся трехчленной системы затем, за счет наличия второй ненасыщенной связи образуется не трех-, а четырех членный цикл.
Данный метод синтеза был обнаружен в 1907 году немецким химиком Штаудингером. Реакция не привлекала интерес до 1940-х годов, когда была выяснена структура пенициллина. $\beta$-Лактамный фрагмент первого синтетического пенициллина был построена с использованием этого циклоприсоединения, и он до сих пор остается ценным инструментом в синтетической органической химии.
Механизм синтеза Штаудингера
Механизм синтез Штаудингера заключается в циклоприсоединнии кетенов к иминам в жидкой фазе. Для конечного продукта показана неоднозначность стереохимии, так как на нее могут влиять различные заместители.
- Первой стадией процесса является нуклеофильная атака иминового азота на карбонильный углерод для генерации цвиттерионного промежуточного продукта. Электронодонорная группа в имине облегчает эту стадию, в то время как электроноакцепторные группы препятствуют атаке. Второй стадией является либо внутримолекулярное нуклеофильное закрытое кольцо или контраторное электроциклическое также закрытое кольцо.
Рисунок 7. Схема реакции. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
- Вторая стадия отличается от типичных электроциклических реакций циклизации, что предсказано правилами Вудворда-Хоффмана.
Рисунок 8. Схема реакции. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
При фотохимических и микроволновых условиях система 4$\pi$-электронного промежуточного продукта не может вступить в дисроторную циклизацию с образованием бета-лактама, возможно потому, что две двойные связи расположены не в одной плоскости. Некоторые продукты синтеза Штаудингера отличаются от предсказываемых данной моделью. Кроме того, электронная структура переходного состояния отличается от других кольцевых контракторных циклизаций.
Рисунок 9. Схема реакции. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Примеры реакций синтеза Штаудингера
Примеры реакций асимметричного синтеза Штаудингера, включают образование различных четырехчленных систем с использованием органических и металлоорганических катализаторов
Имины могут быть заменены путем добавления олефина с получением циклобутанона, карбонила с получением бета-лактона, или карбодиимида для получения 4-имино -лактамов.
Рисунок 10. Схема реакции. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
В 2014 году Дойл и его коллеги открыли многокомпонентный синтез Штаудингера бета-лактамов из азидов и двух диазосоединений. Синтез происходит с помощью родий ацетат-катализируемой реакции между арилдиазоацетатом (красного цвета) и органическим азидом (синий) с образованием имина. Перегруппировка Вольфа диазоацетатного енона (розовый) образует стабильный кетена, который вступает в реакцию с имином с образованием стабильного $\beta$-лактама.
Рисунок 11. Схема реакции. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
