1.2. Реакции камфена с карбоновыми кислотами

Характерным для всех реакций бицикло[2.2.1]гептановых структур является перегруппировка Вагнера-Меервейна. Формально перегруппировка включает образование карбениевого иона с последующей миграцией углеродной связи, находящейся в α-β-положении кольца, с образованием нового катионного центра в α-положении к предыдущему и новой C-C связи между углеродным атомом, находившемся в β-положении и бывшим катионным центром [15] (схема 1.3.).

Схема 1.3.

Это приводит к перестройки молекулярного скелета. В случае норборнановых структур, к которым относится камфен, интермедиат представлен тремя каноническими формами (29), (30) и (31) или объединенной мостиковой формой (32) (схема 1.4.).

Схема 1.4.

Эти карбкатионы имеют различную устойчивость, и поэтому в разнообразных реакциях наблюдается разное соотношение продуктов.

Камфен при взаимодействии с карбоновыми кислотами и спиртами в относительно мягких условиях дает простые или сложные эфиры изоборнеола (33) [16]. В более жестких условиях и увеличении времени реакции первоначально образующийся экзо-продукт (33) изомеризуется в термодинамически более стабильные борнильные производные (34) схема 1.5.).

19 33 34

R = ацил, алкил, арил

Схема 1.5.

Циклическая структура камфена испытывает частичную рацемизацию в кислых условиях, необходимых для этих реакций. Полная рацемизация происходит в том случае, когда камфен нагрет в присутствии каталитических количеств кислот Льюиса. Исчерпывающие исследования камфена указывали на то, что рацемизация происходит через ряд динамических процессов, включающих экзо-3,2-метильный, эндо-6,2-гидридный сдвиги, образование и раскрытие циклопропанового кольца (схема 1.6.).

Схема 1.6.

При нагревании камфена (19) в присутствии уксусной кислоты и сильного кислотного катализатора, кроме основного продукта - изоборнилацетата (33) был выделен в небольших количествах ацетат (34) [17,18,19] (схема 1.7.). Последний ацетат (34) медленно перегруппировывается в (33) при обработке уксусной кислотой в тех же условиях [11,20]. Ацетат (34) должен образовываться путем добавления уксусной кислоты к катиону (37), который в свою очередь получается из катиона (10) за счет 6,2-гидридной перегруппировки. Ацетат (39), который должен был образоваться из катиона (38), в продуктах реакции не был обнаружен.

Схема 1.7.

Таким образом, в результате реакций камфена с электрофильными реагентами возможно образование двух карбкатионов (схема 1.8.): камфенильного (10) и изо-борнильного (9).

Все возможные направления реакций α-пинена и камфена с карбоновыми кислотами, которые были рассмотрены выше, необходимо учитывать и при изучении взаимодействия α-пинена и камфена с трифторуксусной кислотой.

Схема 1.8.

1.3. Изомеризация α-пинена в присутствии трифторуксусной кислоты

В работах белорусских химиков [21,22] были изучены состав продуктов и кинетика изомеризации α-пинена в присутствии трифторуксусной кислоты. Было установлено, что после смешения α-пинена с трифторуксусной кислотой при последующем нагревании образуется сложная смесь веществ, в кото­рой с помощью ГЖХ обнаружены β-пинен, камфен, дипентен, терпинолен, трициклен, α- и γ-терпинены, α- и β-фелландрены, фенхены, эфиры борнеола, фенхола, изоборнеола и изофенхола. Однако, если приготов­ление реакционной смеси осуществлялось таким образом, чтобы при смешивании компонентов температура не поднималась выше 0°С, то после нагревания в продуктах реакции оказывалось только шесть сое­динений. Сначала появлялись камфен, дипентен, терпинолен, β-пинен, борниловый эфир трифторуксусной кислоты, а спустя некоторое время - изоборниловый эфир, содержание которого в конечном продукте реакции было незна­чительным.

Маркевич Р.Н., Ламоткин А.И. и Резников В.Н. в своей работе [23] предположили, что при гомогенном кислотном катализе промежуточным продуктом в изомеризационных превращениях α-пинена является борниловый эфир. По утверждению авторов ими были синтезированы борнилтрифторацетат (борнилТФА) и изоборнилтрифторацетат. Однако конкретные методики получения этих эфиров в статьях [21,22] не приведены. Борнилтрифторацетат и изоборнилтрифторацетат нагревали в условиях, идентичных условиям изомеризации α-пинена [21]. В результате деструкции изоборнилтрифторацетата был получен только камфен, тогда как борниловый эфир в тех же условиях распадался, образуя дипентен, терпинолен, камфен, α- и β-пинены. Оказалось, что при одинаковой про­должительности реакции относительное содержание терпенов в смеси практически одинаково (таблица 1.1.).

Таблица 1.1.

Состав продуктов изомеризации α-пинена и распада борнилтрифторацетата, %

Компоненты реакционной смеси	Изомеризация α-пинена	Распад борнилтрифторацетата
Терпинолен Дипентен Камфен β-пинен Борнилтрифторацетат	9.6 38.4 20.0 5.6 26.4	8.7 37.0 24.0 Следы 29.6

Предполагалось [23], что образование борнилТФА при взаимодействии α-пинена с трифторуксусной кислотой представляет собой синхронный процесс, на возможность которого указывалось в работах [24-26]. Синхронная реакция тем более вероятна, что она осуществлялась в неполярной среде, имеет первый порядок по обоим компонентам и, как видно из схемы 1.9., пространственная конфигурация α-пинена обеспечивает благоприятные стерические условия для реали­зации S_N2-механизма превращения. Вместе с тем эта реакция отли­чается от классического S_N2-замещения тем, что при нуклеофильной атаке нет уходящей группы, а вытесняется электронная пара соответст­вующей связи, которая мигрирует с образованием новой связи. В результате внедрению атакующей группы в молекулу сопутствуют изменения углеродного скелета последней.

Превращение начинается с атаки протоном π-связи α-пинена (1) и образования протоний-иона (41). В протоний-ионе поляризуются связи 2-3 и 1-6, так что появляются электронодефицитные центры на атомах С₃ и С₆. Атом С₆ входит в напряженный четырехчлен­ный цикл, поэтому именно здесь нуклеофильная атака оказывается эффективной и приводит к возникновению переходного состояния (42), в котором имеются необходимые условия для атаки с тыла электронодефицитного центра С₆ трифторацетат-ионом, вытеснению связи 6-7 и миграции ее к атому С₁; одновременно протон присоединяется к атому С₂. Таким образом, именно стерические условия нуклеофильной атаки на атом С₆ обеспечивают анхимерное ускорение перемещения изопропилиденового мостика 6-7-4 в положении 1-4, т.е. изомеризацию пинановой структуры молекулы в камфановую с образованием борнилового эфира (43). Та же атака нуклеофилом атома С₆ может привести к миграции связи 5-6 в положение 5-1 с образованием фенхилового эфира (44). Необходимо отметить, что фенхиловый эфир, полученный из оптически активного α-пинена, тоже обладает оптической активностью. Обе эти реакции энергетически выгодны, так как приводят к устойчивым ваннообразным конформациям, «стянутым» мостичной связью - изопропилиденовой 1-7-4 и метиленовой 1-5-4 соответственно.

Схема 1.9.

В отличие от конформации α-пинена конформация камфена (19) благоприятствует S_N2-реакции с образованием экзо-эфира - нзоборнилТФА, что хорошо видно из схемы 1.10. Аналогично предыдущей реак­ции превращение камфена начинается с атаки протоном π-связи и об­разования протоний-иона (45), обладающего конформацией ванны, стянутой метиленовой мостичной связью 2-3-4. Реакционным центром у камфена является атом С₂, так как здесь при экзо-атаке создаются необходимые стерические условия для образования переходного состоя­ния (56), обеспечивающего вступление в молекулу заместителя в эк­ваториальном положении, а также анхимерное ускорение перемещения связи 2-6 в положение С₁. Одновременно с миграцией связи 2-6 про­исходит трансформация углеродного скелета молекулы и возникает новая ваннообразная конформацня с изопропилиденовым мостиком 1-7-4, характерная для эфира - изоборнилТФА (47).

Схема 1.10.

Таким образом, на основании литературных данных можно сделать вывод, что реакции терпенов с карбоновыми кислотами характеризуются многообразием направлений и в результате приводят к получению важных в практическом отношении веществ. Среди этих реакций особый интерес представляет взаимодействие пинена и камфена с трифторуксусной кислотой, в результате чего возможно образование изоборнилтрифторацетата, который представляет интерес как потенциальное физиологически активное соединение. К сожалению, в литературе отсутствуют конкретные данные о методах получения и важнейших физико-химических свойствах изоборнилтрифторацетата. Так, в работах [2,3] приводятся данные о синтезе изоборнилтрифторацетата взаимодействием изоборнеола и трифторуксусного ангидрида. Однако полученный продукт не выделялся из реакционной смеси и был охарактеризован лишь химическим сдвигом фтора (δ_F). О получении изоборнилтрифторацетата, как указывалось выше, сообщали Маркевич Р.Н., Ламоткин А.И. и Резников В.Н. [21-23], однако ими не были приведены ни способ синтеза, ни условия его осуществления, ни какие-либо физико-химические характеристики этих эфиров. Поэтому представлялось целесообразным разработать оптимальные условия получения изоборнилового эфира трифторуксусной кислоты. Этому посвящена данная дипломная работа.