книги из ГПНТБ / Прилежаева Е.Н. Реакция Прилежаева. Электрофильное окисление

через посредство водородной связи между ОН-группой субстрата и кислородом НК в переходном комплексе (см. главу I ) . Низкая энтальпия (8,35 ккал) и большая отрицательная энтропия актива­ ции (—41 з. е.), найденные для этой реакции [45], хорошо согла­ суются с таким хелативным механизмом.

Этот взгляд оказался очень плодотворным и позволил четко объяснить стереохимию и скорость эпоксидирования самых раз­ нообразных непредельных спиртов. Так, в циклогексеновом ряду гомоаллильные ОН-группы в 4-оксициклогексене [61] или 3-окси- метиленциклогексене [61] благодаря большему пространственному удалению по сравнению с аллильными спиртами уже не могут оказывать содействия реакции эпоксидирования и характеризу­ ются обычным для других заместителей комбинированным стерическим и индуктивным экранированием.

С другой стороны, примерами групп, удобно расположенных для участия в переходном состоянии комплекса цис-строения, являются гидроксил в циклопентен-3-оле, дающем до 90% цис- эпоксида [44, 83а], а также гидроксилы в алифатических аллиловых спиртах, начиная с самого аллилового спирта. Этим можно объяснить обнаруженное Огата и Табуши [1] ускорение реакции эпоксидирования аллилового спирта по сравнению с ожидаемой скоростью, исходя из величины константы а* для ОН-группы, а также (см. главу I) закономерности, найденные в соотношениях трео- и эритр о-эпимерпых окисей, получаемых из различных алкилированных гомологов аллиловых спиртов [65, 66].

Однако эффект влияния ОН-группы оказывается, по-видимому, недостаточным [84] для создания преимущественного направления атаки окислителя в случае конформационно лабильных систем типа изопропенилинданола. Последний, при окислении дает эквимолярную смесь эритро- и mpeo-эпоксиалкоголей, подвергающих­ ся на поверхности А 1 2 0 3 интересным изомеризациям, как полагают, через стадию конформационно фиксированного переходного со­ стояния:

С другой стороны, рассматривая оптимальные конформации непредельных спиртов, содержащих конденсированные системы из 6-членных или 5- и 6-членных алициклических колец, можно

168

понять, почему в этих молекулах некоторое содействие со стороны гидроксила часто проявляется и тогда, когда он стоит в более удаленном положении, чем то, в котором он оказывает это действие в изолированном циклогексеновом кольце. В этом смысле особенно подробно изучались Муссероном, Муссерон-Кане и Филипп [85, 86] некоторые декалиновые системы. Содействие в этих молекулах могут оказывать только гидроксильные группы, расположенные в аксиальном положении [86], что ясно из последующих схем.

Вместе с тем, наличие в окталиновой системе алкильного заместителя с несогласованным стерическим влиянием может ча­ стично нарушать направляющее действие даже аллильного гидро­ ксила [87]:

С6 Н5 СОзН

Замечено также, что в молекулах 8,9-г^ис-гидринденолов-2 и -5 стереохимия эпоксидирования полностью определяется содей­ ствием со стороны ОН-группы [88]:

169

Hi

Очень интересные закономерности, хорошо укладывающиеся в представления о конформации соответствующих колец, получены по стереохимии эпоксидирования 2-енолов с 7- и 8-членными циклами. В отличие от 2-циклогексенола, который дает почти ис ­ ключительно ^цс-эпоксид, 2-циклогептенол при окислении МНФК или НУК образует смесь цис- и /пракс-эпоксидов (2 : 1) [89], а 2-циклооктенол — только транс-эпокащ [80, 90].

В жесткой системе бицикло(2,2,1)гептена-5 ОН-группа (поло­ жение 2) оказывается пространственно слишком удаленной и поэ­ тому не имеет никакого влияния на ход реакции этого спирта с

НБК [61]:

В соответствии с принципом Куртена — Гаммета особенно важ­ но, чтобы существовала возможность создания конформации, удоб­ ной для содействия ОН-группы, на стадии переходного состояния. Однако с точки зрения стабильности образующихся эпоксидов важна также возможность образования водородной связи между ОН-группой и эпоксидным кислородом в конечном продукте — tyuc-эпоксиде. Существование такой связи было многократно под­ тверждено методом ИК-спектроскопии (см., например, работы

[85, 86, 88, 91]).

Особенно ярким примером являются эпоксиды I и I I эпимерных диолов тетраметилциклобутена, которые из-за наличия силь­ ных водородных связей даже не способны к гидратации по эпок­ сидному кольцу в обычных условиях [91]:

и

Эпоксид I совершенно не имеет в ИК-спектре частот свободных ОН-групп [91].

По-видимому, стабилизированную водородной связью струк-

170

туру имеет и эпоксид, полученный из природного «кондурита» [92]:

и другие эпоксиды полигликолеи циклогексенового и циклопентенового рядов [92а1. Наконец, интересные результаты получены при непосредственном гидроксилировании изомерных циклогек- сендиолов-3,4 в циклогексантетролы 1,2,3,4-действием НБК в водной среде 3 [93].

Гидроксил в положении 4 и 5 по отношению к С=С-связи еще более существенно влияет на ход реакции эпоксидирования, однако уже на последующих стадиях, после образования оксирана. За счет внутримолекулярного алкоголиза последнего соеди­ нения в результате реакции образуются соединения с тетрагидрофурановыми или (реже) тетригидропирановыми кольцами. Посколь­ ку аналогичные соотношения имеют место в ходе реакций гидра­ тации некоторых диэпоксидов, то напомним, что подобные цикли­ ческие системы получали при гидролизе диэпоксида из диаллила [94], а также диэпоксидов линолевой кислоты или при гидро­ ксилировании линолевой, линоленовой и аналогичных ненасы­ щенных кислот (см. главу I I ) . Наиболее простой пример эпокси­ дирования алкен-4-ола упоминается в работе [95]: окисление

Затем было установлено, что окиси, образующиеся из о-аллил- фенолов, очень нестойки и претерпевают циклизацию в метилолкумарины в процессе вакуумной разгонки [96] и поэтому резуль­ таты работы, в которой авторы полагали, что ими получены эти окиси [30], подлежат исправлению.

'Авторы [93] предложили оригинальный метод — встряхивание водного

171

Аналогичные превращения описаны и для более сложной системы 7-деметилированного природного кумарина суберозина [97]:

Окиси о-пропенилфенолов несколько более устойчивы, однако и они изомеризуются при разгонке в соответствующие кетоны, которые дегидратируются с циклизацией уже при стоянии в ва­ кууме над серной кислотой [31]:

Наличие добавочной метоксильной группы способствует такой изомеризации: так, эпоксид изоэвгенола изомеризуется уже при небольшом нагревании [31]:

он—сн—сн,

с удаленным гидроксилом является метод синтеза трифенилена и его замещенных [98] из 2-циклогексен-1'-ил-1-арилциклогекса- нолов:

(Аг = c6a,R. R = H , C H 3 )

Однако особенно сильное содействие со стороны гидроксила обнаружено в случае бицикло(2,2,1)гептена-2 [61] и его 7-окса- аналога [99], где в результате реакции эпоксидирования 5-метилол- производных образуется трициклический спирт:

172

( х = с Н з [ 6 i ] , о [ээ]).

При этом 5-метилолбициклогептен-2 реагирует с НБК в 30 раз быстрее, чем его метиловый эфир, и в 40 раз быстрее, чем соответ­ ствующий ацетат [61]; авторы отмечают, что нуклеофильность ОН-группы, проявляющаяся в этой внутримолекулярной реак­ ции, оказывается даже выше, чем у соответствующей карбоксигруппы.

В заключение приведем еще один интересный пример удален­ ного взаимодействия между эпокси- и гидроксильными группами: эпокиси, полученные из замещенного бензнорборнена, совершенно различно реагируют со щелочами. Метоксипроизводное устойчиво в щелочных условиях, соответствующее же ацетоксипроизводное гидролизуется щелочами с образованием 2,7-диола, что, как по­ лагают, связано с содействием со стороны освобождающегося гидрохинонового гидроксила [100]:

Окисление галогенпроизводных

Атомы галогена всегда оказывают замедляющее влияние на реакции эпоксидирования соседних С=С-связей, вероятно, благо­ даря не только своему значительному —/-эффекту, но также бла­ годаря стерическим препятствиям: из-за большой величины этих атомов. Хотя непосредственных кинетических измерений не было сделано, однако все исследователи отмечают очень медленную реакцию окисления а-галогеналкенов. Напомним, что впервые на сравнительную стабильность алифатических а-хлорокисей указал Прилежаев на примере 1-хлоргептена и 2-хлороктена-2 [101]. Затем Муссерон и сотр. [54, 102, 103] подтвердили эти вы-

173

воды применительно к окислению а-галогенциклоалкенов, ИЗ которых они получили окиси при действии НБК:

Для этих циклических окисей, однако, была замечена склонность к термической изомеризации в соответствующие а-хлоркетоны [11].

изомеризации а-хлорокисей послужили отправной точкой для ис­ следования Мак Дональдом и сотр. механизма этой реакции «эпоксид-карбонильной изомеризации» [104—109]. Особенно ха­ рактерной является изомеризация, протекающая при окислении НК (НБК, НУК, ТФНУК) а-хлорстильбена и его п-метильных аналогов [104]:

• н о

О С1

(I:R=R'=H; II: fl=CH3, R'=H. Ш R=H, R'=CHJ .

Таким образом, соседство с ароматической группировкой способ­ ствовало легкой изомеризации, осуществляющейся за счет пере­ движки атома хлора, а не водорода, как это вытекало из строения продуктов изомеризации несимметричных а-хлорстильбенов. а-Хлорокиси подобного типа оказались неустойчивыми также в ще­ лочной среде, чем авторы объясняют, например, получение в ус­ ловиях конденсации бензальдегида с метилдихлорацетатом по Дарценсу исключительно метилового эфира а-хлорфенилпиро- виноградной кислоты [105]:

ной группой, наиболее вероятно промежуточное образование бипо­ лярной разомкнутой структуры А [105]. В то же время в тех слу­ чаях, когда соседняя с хлором группировка R не обладает электронооттягивающими свойствами, допускается образование карбкатиона В с неразомкнутым оксирановым кольцом [104, 105]:

174

тического рядов, о которой говорилось выше; действительно, в этих молекулах отсутствуют дополнительные факторы стабилизации карбкатиона, которые возникают при сопряжении этого центра с ароматическим кольцом. Однако в более жестких условиях удалось осуществить и изомеризацию эпоксида 1-хлор-4-метил- циклогексена. Мак Дональд и Тейбор [106] получили его с выхо­ дом 65—70% в виде смеси цис- и тпракс-изомеров, разгоняющейся в вакууме без изомеризации, при окислении НБК в хлороформе (продолжительность реакции 12 час) или МХНБК в СН2 С12 (за 2 час). При нагревании оба эпимера изомеризовались с одина­ ковой скоростью и давали исключительно т?гракс-2-хлор-4-метил- циклогексанон. Эти факты также согласуются с представлением об общем а-кетокарбониевом промежуточном состоянии и о ми­ грации хлора в виде аниона.

цис, транс

Эти соображения подтвердились и при исследовании изомериза­ ции экзо-норборнан-2-хлорэпоксида [107, 108], приводящей к слож­ ной смеси продуктов, из которых основными являются экзо-хлор- норкамфора и 7-кето-2-хлорнорборнан 4 :

д-С1С6Н4С03Н

Окисление оптически активного (—)-(/?)-2-хлорнорборнена по­ служило для окончательного доказательства того, что изомериза-

Образование всех продуктов (общим числом более 10) х о р о ш о объясняется на основе первичного образования 3-кетокарбокатиона [107] .

1а

Подтвержден и внутримолекулярный характер этой изомеризации: реакция ускорялась при добавлении НВг, однако при этом бром в продуктах реакции не обнаружили [108].

1,2-экзо-Эпокси-2-хлорбицикло(2,2,2)октан оказался очень ус­ тойчивым. При нагревании в запаянной трубке при температуре не ниже 100° С он давал в качестве практически единственного продукта реакции 3-хлорбицикло(2,2,2)октанон. Таким образом, очевидно, в этом случае не наблюдалась изомеризация Вагнера — Меервейна в промежуточном катионе [109].

Несмотря на высокую склонность к изомеризации некоторых а-хлорэпоксидов, метод окисления а-хлоралкенов, особенно та­ кими активными НК, как МХНБК (и, вероятно, ПННБК), пред­ ставляет удобный путь для получения хлорэпоксидов. Этот метод, по-видимому, не распространяется на а-бромэпоксиды, на что указывал в своей первой работе П. А. Прилежаев [101]. Эти вы­ соконестабильные соединения были л и т ь недавно получены по методу, разработанному Киррманом и Дюгамелем, дегидробромированием 2,2-дибромалкоголей [110].

В то же время метод эпоксидирования недавно был использо­ ван для получения с высоким выходом а-фторэпоксидов алифати­ ческого ряда, которые оказались достаточно устойчивыми и в ходе

СНз

\

+C H - C H F - C - С Н з

/II

176

Если строение а-фторкетона, образующегося при окислении 1-фтор-1-фенилпропена [111 J, установлено правильно, то в этом случае изомеризация сопровождается гидридным сдвигом, а не миграцией фтор-аниона.

По-видимому, присутствие в молекуле галогеиэпоксида не­ скольких атомов галогена — хотя бы двух атомов у того же атома углерода — также усиливает склонность а-галогенэпоксида к изомеризации и приводит к тому, что этот процесс легко идет и для чисто алифатических соединений. К такому же выводу пришли Шахназарян и сотрудники, которые разработали основанный на окислении г&м-дихлорвинильных соединений общий метод полу­ чения а-хлоркислот алифатического ряда, в том числе кислот, со­ держащих самые разнообразные функциональные группы [ 1 1 2 - 1 1 6 ] :

Н. А. Прилежаева и Е. Н. Прилежаевой [117], из которой следует, что полигалоидолефины окисляются концентрированной НУК без растворителя по сложной схеме с образованием главным образом галоидированных кислот, выделением галогена и образованием, продуктов галогенирования. Предполагалось, что эти процессы идут через стадию первоначального вытеснения галоида, а не пу­ тем окисления по двойной связи [117]. Однако Шахназарян [112 — 116] использует совсем другие, чем в работе [117] условия — ре­ акции проводятся в растворах органических растворителей. И хотя в большинстве его работ, за исключением [116, 118], нет прямых подтверждений для выдвигаемого механизма реакции (че­ рез изомеризацию промежуточного образующегося галогеиэпок­ сида), однако появившиеся в последнее время исследования Мак Дональда [104—109] (см. выше) делают такое предположение вполне вероятным.

Мы приводим наиболее типичные реакции окисления гем-ди- галогенэтиленов из многочисленных примеров, изученных

177