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

При этом общая скорость эпоксидирования снижается при введе­ нии 7,7-метильных групп примерно в 100 раз и таким образом окисление с зкзо-стороны замедляется больше, чем на 3 порядка.

Огромная информация получена в области стереохимии эпок­ сидирования политерпеноидных и стероидных систем, где в за­ висимости от характера экранирования образуются чаще а-, но иногда смеси а- и (3-эпоксидов (см. главу I V ) .

Можно, таким образом, утверждать, что стерические эффекты удаленных групп всегда ведут к замедлению реакции окисления С=С-связи и к ориентации атаки окислителя в направлении, наи­ более удаленном от заместителя. Положение кардинально меняет­ ся, если заместитель оказывает содействие ходу реакции. Харак­ терный пример — влияние пространственно близкой гидроксильной группы, которое вызывает не только ускорение реакции (как полагают, благодаря образованию водородной связи на стадии переходного комплекса, см. стр. 46), но также ориентирует подход окислителя с ^цс-стороны. Большое число подобных примеров для

переходного комплекса, для случаев, когда в качестве окислите­ ля применяется оптически активная кислота и (или) в окисляе­ мом соединении имеются асимметрические атомы углерода. В ра­ ботах Хенбеста [10, 130] и Монтанари с сотр. [1431 было показано,

Асимметрическая индукция при окислении з а м е щ е н н ы х с т и р о л о в оптически а к т и в н ы м и Н К (СНСЬ) [143]

* В растворе этанола.

68

логексилнадпропионовая, (6')-(+)-2-метиляадмасляная [143]]} для

направление асимметрической индукции согласуется со следую­ щей схемой, характеризующей топологию переходного комплекса и связывающей абсолютную стереохимию преимущественно об­ разующегося эпоксида с хиральностью взятой кислоты, т. е. с расположением в ее молекуле больших (L), средних (М) и малых

(S) по объему заместителей (табл. 8) и .

При этом, как полагают, стерический контроль частично осущест­ вляется путем передачи через промежуточные молекулы раство­ рителя [130, 143]. Влияние растворителя показано также в табл.10 (из работы [10]); процент асимметрической индукции возрастает одновременно с возрастанием скорости реакции (для эпоксидиро­ вания стирола надкамфорной кислотой). Высказываются пред­ положения, что подобной асимметрической индукцией может быть объяснено образование активных соединений на основе неактив­ ных предшественников и в условиях биогенеза. Этому имеются экспериментальные подтверждения на примере асимметрического

образом на примере замещенных аллиловых спиртов. При этом рядом авторов [146—148]1 2 получены сравнительно хорошо сов­ падающие данные, указывающие на предпочтительность образо­ вания пгрео-эпоксигликоля по сравнению с эршпро-формой. В случае отсутствия направляющего стерического эффекта со сто­

69

Асимметрическая индукция при окислении олефинов

* Разница в процентах Н- и S- впоксидов.

индукцию и скорость при реакции

(+)-надкамфорной кислоты со стиролом [10]

сидировании 3,4-диметилпентена-1 [146], содержащего метильную

Результаты, сведенные в табл. 11, тем более любопытны, что кон­ фигурацию этих эпоксидов, трудно поддающуюся прямому опре­ делению с помощью, например, ПМР-спектров, устанавливали в разных работах различными косвенными путями: в работах [146, 148] — по результатам стереоспецифического гидрирования алю-

7«

Т а б л и ц а 11

Выходы стереоизомерных эпоксидов и соотношение стереоизомеров при окислении замещенных аллиловых спиртов

могидридом лития в гликоли I по методике [149], в работе [147] — по результатам щелочной изомеризации по Пайну [150] в эпоксиспирты I I . В работах [14G, 147] в нарушение известного принципа Куртена — Гаммета [151] обсуждению подверглись конформации реагирующих веществ в основном, а не в переходном состоянии; это было исправлено в [148]. Однако авторы работ [146—148] пришли в конечном счете к тому же выводу: в этих реакциях более выгоден подход окислителя со стороны, более близкой к гидроксильной группе аллилового алкоголя. Согласно выводам [148], оптимальная конформация молекулы последнего в переходном состоянии может быть представлена следующей схемой:

Введение в молекулу аллилового алкоголя метилЬнмх групп сильно отражается на стереохимии эпоксидирования (см. табл. 11), что также находит объяснение с позиций конформационного ана­ лиза [147].

МЕ Т О Д Ы СИНТЕЗА Н А Д К И С Л О Т

ИВ Ы Б О Р У С Л О В И Й Р Е А К Ц И И

Итак, окисление по Прилежаеву, несомненно, имеет ряд суще­ ственных преимуществ по сравнению с другими методами окисле­ ния по двойной связи. Реакцию можно проводить с очень высо­ кими выходами в мягких температурных условиях, в среде самых разнообразных растворителей, и легко контролировать по расхо­ ду НК (методы количественного определения см. в главе I V ) . В за­ висимости от условий, строения ненасыщенного соединения и окис­ лителя реакция приводит к получению разнообразных оксиранов (собственно реакция эпоксидирования), либо продуктов их прев­ ращения: эфиров 1,2-гликолей (реакция гидроксилирования), карбонильных соединений или других веществ. Основные недо­ статки этих реакций связаны со взрывоопасностью и неустойчиво­ стью многих НК в концентрированном виде. Поэтому от экспери­ ментатора требуется безусловное знание мер предосторожности при работе с НК и концентрированной Н 2 0 2 , часто применяющей­ ся для их получения [2, 3, 64, 152—154], с тем чтобы избежать ус­ ловий, при которых эти соединения могут находиться в зоне де­ тонации. Определенное неудобство представляет и то, что из-за их неустойчивости многие НК нельзя хранить в течение скольконибудь продолжительного срока и их приходится каждый раз при­ готовлять i n situ . В определенной степени устойчивость при хра­ нении и взрывоопасность НК изменяются параллельно; наиболее неустойчивыми являются низшие алифатические НК . Так, изве­ стно ([64, стр. 336]), что НМК быстро разлагается даже при отри­ цательных температурах, Н У К может даже в концентрированных

суток даже при +25° С ([64, стр. 393]). Особенно устойчивы выс­ шие алифатические НК и высокоактивные замещенные аромати­ ческие НК (табл. 12, [171]); эти соединения абсолютно безопасны в работе. Разбавленные растворы любых НК в органических рас­ творителях также практически безопасны.

В литературе имеются написанные Сверном достаточно полные обзоры, включающие описание методов синтеза органических НК [2, 3, 64, 152]. Особенно ценную информацию содержит последняя монография (1970 г.), в которой подробно проанализированы все реакции, лежащие в основе этих методов [64], а также приведены надежные прописи, в большинстве своем многократно проверен­ ные в лаборатории автора [152]. В связи с этим не было смысла включать подробное описание этих методик в эту книгу. Ниже мы

72

*Процент НК в твердом веществе после хранения в течение указанного периода.

*2 Недели.

приводим лишь некоторые данные о наиболее важных методах

.синтеза НК. Они основаны на следующих пяти типах реакций 1 3 :

Из нескольких сотен известных сейчас НК [64] наиболее широко применяют около десятка этих соединений, для которых приведем несколько более подробные сведения.

Н а д м у р а в ь и п а я к и с л о т а (НМК). Надмуравьиную кислоту ввиду ее крайней взрывчатости практически не выде­ ляют, а обычно используют в виде растворов в муравьиной кис­ лоте, приготовленных по реакции! с использованием98%-ной [155] или лучше 90%-ной [156] Н 2 0 2 . Эта надкислота была предложена Сверном в качестве прекрасного гидроксилирующего агента [2, 3| и находит в этом направлении очень широкое применение. В слу­ чае очень большой устойчивости образующихся эпоксидов может служить и эпоксидирующим агентом,

73

Н а д у к с у с н а я к и с л о т а ( Н У К ) — один из наи­ более доступных и употребительных эпоксидирующих агентов, может также использоваться и для гидроксилирования. Чаще все­ го ее приготавливают по реакции I [155, 156], которая лежит также в основе промышленного метода производства ее 40—50%-ных растворов в уксусной кислоте. Так как реакция I является равно­ весной и ускоряется под действием кислых катализаторов, то полу­

радикального автоокисления ацетальдегида через стадию ацетальдегидмонопероксиацетата (метод Филипса, Фростика и Старчера [159]). Раствор Н У К в этилацетате, полученный этим методом, настолько чист, что может применяться без существенного раз­ ложения НК даже при повышенной температуре (например, для окисления олефинов с сильными электронооттягивающими груп­ пами) [100]. В лабораторных условиях Н У К часто готовят из уксусного ангидрида и 98—99%-ной [155, 5] или 30%-ной Н 2 0 2 [36], обычно в присутствии серной кислоты, хотя имеются данные о том, что кислый катализ для этой реакции необязателен [64]. Перегонка полученного продукта в вакууме приводит к получению высококонцентрированных растворов Н У К (80—95%) [5, 155]. Следует обратить внимание на опасность этой операции для боль­ ших объемов окислителя [64, стр. 340], а также на то, что в этом

устойчивые окислители. Сверн и сотр. предлагают для их получе­ ния с высоким выходом варианты метода типа I с использованием в качестве растворителя концентрированной серной кислоты (для кислот Св — С 1 6 [158], а также длинноцепных а,со-дикислот [172]) или метансульфоновой кислоты [171] для кислот С 1 8 и выше, в том

ребительный эпоксидирующий агент — до последнего времени получали обычно по реакции типа I V щелочным гидролизом пере­ киси бензоила по методу, первоначально предложенному Байе­ ром и Виллигером [163], усовершенствованному Прилежаевым [15], Брауном [164], Кольтгофом с сотр. [93] и многими другими авторами ([64, стр. 398]). Метод имеет определенные тонкости, изза которых иногда не дает воспроизводимых результатов. Кроме того, по самой сути метода в нем полезно используется только половина бензоильных групп. Поэтому в последние годы обычно используют реакцию типа V , исходя из бензоилхлорида, что стало

74

возможным после усовершенствований, предложенных Вилька [74а] и другими авторами [168, 169]. Можно также отметить синтез НБК по реакции типа I из взвеси бензойной кислоты в растворе метансульфоновой кислоты [171], а также метод, основанный на автоокислении бензальдегида по типу П . В последнем случае можно проводить эпоксидирование путем совместного окисления олефина и бензальдегида [161]. Во всех других случаях НБК по­

используют в виде индивидуальных кристаллических соединений, МХНБК является в США промышленным продуктом (с содержа­ нием — 85% НК). Окисление этими НК чаще всего проводят в сре­

готовленного в среде эфира. По этой же реакции приготавливают из трифторуксусного ангидрида высокоактивную трифторнадуксусную кислоту (ТФНУК) [173], окисление которой обычно про­ водят в среде СН2 С12 , а из малеинового ангидрида — мононадмалеиновую кислоту (МНМК) [83]. Работа с этими окислителями иногда сопровождается их приготовлением i n situ .

Следует еще отметить, что в некоторых случаях большое удоб­ ство при эпоксидировании чувствительных к кислотам непредель­ ных молекул дает использование надимидиновых кислот по Пайну [174]. Чаще всего используются надацет- и надбензамидиновые

Окислительные реакции с использованием НК обычно ведут при охлаждении (0 - . — И 0 ° С) и перемешивании, медленно прили­ вая раствор окислителя к раствору окисляемого вещества и конт­ ролируя процесс по исчезновению НК (см. главу I V , стр. 285). Для того чтобы осуществить эпоксидирование с высоким выходом в случае, когда образующаяся в ходе реакции кислота хорошо растворима в реакционной среде, обычно приходится применять

75

буферизование различными основаниями, пользуясь тем, что ис­ ходная НК не будет реагировать с буфером, являясь значительно более слабой (см. табл. 2). Так, при использовании 40%-ного ра­ створа Н У К в уксусной кислоте в зависимости от чувствительности синтезируемого эпоксида к раскрытию цикла в кислых условиях применяют следующие методы окисления: 1) в присутствии не­ больших добавок ацетата натрия, только для нейтрализации имею­ щихся примесей серной кислоты; 2) в присутствии большого из­ бытка ацетатного буфера (метод Кримма и Шнелля [175]); 3) в присутствии избытка бикарбоната натрия (метод Корача) [176]. Последний получил особенно широкое распространение для полу­ чения лабильных эпокисей из быстроокисляющихся олефинов. При эпоксидировании с помощью ТФНУК обязательно исполь­ зуется буферирование, причем для окисления различных субстра­

рядком смешения реагентов — приливая раствор окисляемого ве­ щества к раствору НК в присутствии гетерогенного буфера.

Однако буферирование связано с определенными эксперимен­ тальными неудобствами: необходимостью очень энергичного пере­ мешивания, фильтрования или центрифугирования, а также вы­ мывания вещества из буфера, обычно применяемого в значительном избытке. Поэтому большие удобства представляет использование НК, образующих кислоты, малорастворимые в используемых рас­ творителях: например, эпоксидирование М Х Н Б К , ПННБК и МНФК проводят всегда без буфера. Большой интерес представ­ ляет наблюдение, сделанное еще Арбузовым и Михайловым [5, 27] относительно «защитного» действия на эпоксиды таких раст­ ворителей, как эфир, т. е. растворителей, обладающих основными свойствами. Например, в эфире авторам удалось получить с вы­ соким выходом эпоксид р-пинена окислением небуферированной НУК, тогда как в хлороформе получалось значительное количе­ ство моноацетата 1,2-гликоля.

Ренолен и Угельстад [95], используя кинетические методы, доказали, что эфир значительно больше замедляет раскрытие цикла циклогексеноксида кислотами, нежели реакцию эпокси­ дирования (соотношение скоростей — 1 : 25). Поэтому авторы работы [95] предложили проводить реакции эпоксидирования в смесях растворителей типа эфира и бензола. Это наблюдение не используется пока достаточно широко, между тем его с успехом можно перенести па смеси других основных и инертных раство­ рителей.

В ряде случаев имеет значение также метод, используемый для отмывки кислоты от реакционной смеси, для чего обычно при­ меняют водные растворы карбонатов калия или натрия. Заменив последний Са (ОН)2 , Хенбест и Ничольс [177] повысили выход во­ дорастворимых эпоксидов аллиловых спиртов с ~ 10 до 80 — 90% .

Для проведения реакций в большом масштабе представляет

76

большие удобства метод эпоксидирования i n situ, впервые пред­ ложенный в патенте Нидерхаузером и Короли [178] и сводящийся к комбинации в одном процессе синтеза НК из карбоновой кислоты и Н 2 0 2 (в присутствии кислого катализатора) и реакции окисления непредельного соединения. Естественно, что при этом может при­ меняться минимальное количество карбоновой кислоты, которая вновь и вновь используется для синтеза НК. Этим методом удается получить эпоксиды даже при действии НМК, обычно являющейся гидроксилирующим агентом. Различные варианты метода i n situ будут подробнее рассматриваться в главе I V (раздел «Использо­ вание реакций окисления надкислотами в промышленности»).

Описание условий окисления С=С-связей различными НК вошло в целый ряд практических руководств по органическому синтезу: из них в качестве последнего примера можно привести работу Л. Физер и М. Физер [179].

В главах I I — I V будут систематически рассмотрены важнейшие результаты, полученные при использовании реакции Прилежаева применительно к основным типам ненасыщенных соединений. По­ путно будут затронуты лишь такие превращения образующихся эпоксидов 1 4 , которые либо могут наблюдаться в качестве побоч­ ных реакций в процессе окисления (гидратация в кислой среде, ацидолиз, образование карбонильных соединений, тетрагидрофуранов и так далее), либо постоянно применяются для доказатель­

5.Б.А.Арбузов. Исследования в области изомерных превращений би - циклических терпеновых углеводородов и их окисей. Казань, издание

1 4 Обзоры, посвященные различным сторонам вопроса о реакциях эпоксидов, включая стереохимию их раскрытия, см. в работах [ 1 , 13, 14, 180].

77