книги из ГПНТБ / Моррисон Д. Асимметрические органические реакции

реакций присоединения к разным классам циклических кетонов. В результате рассмотрение этого сложного вопроса обычно про­ водится на примере ограниченных групп кетонов, а именно: а) цпклопентанонов, б) конформационио лабильных циклогексанонов, в) конформационио жестких цпклогексанонов, г) бпциклических кетонов и д) стероидов и терпенов. В пределах этих групп наблюдаемые стереохнмнческне закономерности сформулированы в виде некоторых обобщений: правило Бартона [61] «стернчсского контроля подхода» и правило Даубена н сотр. [62] «контроля обра­ зования продукта реакции» (это определение эквивалентно поня­ тиям «стерического контроля направленности реакции» и «контро­ ля стабильности продукта», предложенным Брауном и Диком [63]), правило Унлера [64, 65] и анализ переходного состояния, данный Фелкином и сотр. [14, 66] и Плиелом [67]. Многие исследовапия, проведенные с целью выяснения механизма реакции, были выпол­ нены на рацемических соединениях и, следовательно, по существу не являются асимметрическим синтезом. В ряде других случаев, таких, как реакции присоединения к 4-7п./?е/?г-бутилн,иклогекса- нону, и субстрат, и продукт являются ахиральными. Однако сте­ реохимию циклических систем невозможно обсуждать без рас­ смотрения этих данных.

В зависимости от выбранного класса соединений приходится изменять и подход к трактовке результатов.

3-4.1. Цшшопентаноны

Изучено стереохимическое направление реакции присоедине­ ния 16 различных металлоорганических реагентов к 2-метил- циклопентанону (ср. табл. 3-9) [90]. Отношение долей продуктов в результате атаки реагента на карбонильную группу с uitc-сторо- ны к метальной группе и с т/?акс-стороны метпльной группы изме­ няется от 99 : 1 (действие фенилмагнийбромида в тетрагидрофуране) до 0,1 : 1 (действие ацетиленида натрия в смеси бензол — толуол). Объяснение полученных результатов дано в этом разделе

ив разделе 3-4.7.

Вциклических системах в зависимости от размера цикла может наблюдаться некоторая конформационная подвижность, но не свободное вращение вокруг связи, соединяющей карбонильный углерод и хиральный центр, как это наблюдается в открытоцепных системах. Если представить молекулу 2-метнлциклопен- танона в «замороженной» пленарной конформации (57), то ее можно рассматривать с точки зрения открыто-цепной модели Крама. Поэтому с достаточными основаниями можно ожидать, что реакции присоединения к 2-метилциклопентанону должны следо­ вать этой модели и приводить к образованию преимущественно спирта 38А в результате атаки на карбонильную группу со сторо-

иы, удаленной от метильной группы. Характерные результаты, полученные при действии различных восстанавливающих агентов (R" = Н), представлены в табл. 3-9.

При проведении более широкого исследования наблюдалось,

Только при взаимодействии объемистого изопропилата алюми­ ния, ди(3-метил-2-бутил)борана и «ди-3-пинанилборана» в избытке образуется менее устойчивый спирт (38А) (где R" = Н), образо­ вания которого можно было ожидать на основании правила Кра­ ма. При восстановлении под действием литийалюминийгидрида (№ 1) отношение более устойчивого 7?г/?акс-2-метилциклопентано- ла к tyuc-изомеру составляет приблизительно 77 : 23. Это же соот­

и 14), составило приблизительно 90% транс- и 10% г^ггс-изомера.

к этой циклической системе, и Крам и не применяет его к цикли­ ческим системам. Возникает вопрос: почему это правило неприме­ нимо к таким системам, которые с первого взгляда кажутся пре­ красными примерами для проверки модели? Для объяснения этого было предложено использовать двоякий прием, основанный на «стерическом контроле подхода» и «контроле образования продук­ та реакции» [62].

Однако следует иметь в виду, что представление о «контроле образования продукта реакции» в последнее время особенно под­ вергается критике [14, 56—60, 65—72]; одновременно разрабаты­ ваются другие более удачные объяснения. Трудно допустить, чтобы реакции восстановления и реакции присоединения открыто-цеп­ ных, пространственно не затрудненных циклических и простран­ ственно затрудненных циклических кетонов протекали по различ­ ным механизмам; причину различия следует искать в конформационных различиях соответствующих переходных состояний. Воз­ можно, что конформация 2-метилциклопентанона, показанная на формуле 37, неправильна и что правило Крама основано на не очень надежных данных о механизме реакций, а может быть, следует учитывать и то и другое.

Таблица 3-9

С т е р е о с е л е к т н н н ое восстановлени е 2 - метнлцнклопентанон а

^ * ат. as

ветствует равновесному содержанию траке - , «ис-изомеров алкокспсолп алюминия 42 : 58.

Циклопентаноиовое кольцо, конечно, нельзя считать ни планарным, ни жестким. На основании изучения ряда циклопентанонов [73] был сделан вывод о том, что 2-метшщиклопентаноновое кольцо наиболее устойчиво в коиформацип полукресла, пред­ ставленной формулой 39А, в которой крутильные колебания сс-атома углерода приводят метальную группу в положение, ана­ логичное экваториальному, тогда как два (3-атома углерода располагаются в твист-конформации по отношению друг к другу так, что их атомы водорода образуют заторможенную конформацшо. Тогда положение метальной группы приближается к тому положению, которое, как было показано, является наиболее устой­ чивым в таких соединениях с алифатической цепью, как пропионовый альдегид.

ние реакции может быть объяснено тем, что сравнительно малый по объему реагент, напрішер гидрид-ион, будет требовать мень­ ше энергии для подхода сверху к карбонильной группе, чем снизу. Разница в энергиях активации для этих двух способов подхода

возникает в результате того, что псевдоэкваториальная а-метиль- ная группа фактически создает меньше препятствий к подходу малого по объему реагента (подход сверху на схеме 39), чем акси­ альные а-водороды (подход снизу на схеме 39). Несколько отлич­ ное от этого объяснение дали Амленд и Уильяме [1], но оно было отвергнуто, поскольку осталось неясным, почему карбонильная группа при комплексообразовании с реагентом должна стать настолько объемистой, чтобы внести значительный вклад в пере­ ходное состояние в виде конформации 39. Это объяснение трудно опровергнуть, хотя, по-видимому, оно и не подтверждается при изучении моделей.

*) При восстановлении под действием гпдрпдов металлов реагент содер ­ жит пе свободной гидрнд-пон, а ассоциированный с реагентом, который в свою очередь может образовать комплекс с кислородом карбонильной группы. Степень образования ионной пары п комплексообразованпе реагента являются, очевидно, важными факторами прп применении разлігчньїх реа­ гентов п растворителей.

При рассмотрении стереохимических данных в ряду циклогексанона Ричер [71] дал в основном такое же объяснение, подчер­ кивая пространственное влияние оо-аксиалышх атомов водорода. По мере возрастания размера реагента подход сверху па схеме 39 будет встречаться с возрастающим противодействием со стороны сх-метпльной группы, а подход снизу должен происходить с почти

В лия ние а - з а м е с т и т е л я на с т е р е о с е л е к т ц в н о с т ь в о с с т а н о в л е н и я 2-алкилцнклопентанопов [73]

(торсионное напряжение), для того чтобы реагент смог достичь ато­ ма углерода карбонильной группы * ) . На этом основании можно

реагент имеет малый объем, и в пользу транс-ат&кп с образовани­ ем tyi/c-спирта, если реагент имеет большой объем. Хотя трудно оценить относительный размер реагента (разд. 3-5.2), эту тенден­ цию, по-видимому, можно отметить при рассмотрении первых десяти примеров, приведенных в табл. 3-9. Аналогичным образом значительное увеличение размера а-заместителя должно приводить к росту энергии активации подхода реагента сверху на схеме 39. но не должно оказывать значительного пространственного влия­ ния на подход реагента снизу, хотя он должен способствовать, но в меньшей степени, росту торсионного напряжения. Эффективный

объем а-заместителя (и реагента) имеет важное значение. Так, этнльная или изопропильная группы должны вызывать увеличе­ ние препятствий при подходе сверху, а винильная группа мол-сет легко вызвать уменьшение стерических препятствий по сравнению

сметильной группой. Скудные данные, которыми мы располагаем

вэтом отношении (табл. 3-10), подтверждают общую точку зрения, что использование либо более пространственно затрудненного реагента, либо более пространственно затрудненного а-замещен- ного кетона будет способствовать уменьшению доли изомера, обра­

зующегося в результате подхода реагента сверху (схема 39).

3-4.2. Цнклогексаноны

Вскоре после опубликования в 1950 г. своей первой осново­ полагающей статьи по конформационному анализу Бартон [61] обобщил имеющиеся многочисленные данные по восстановлению производных циклогексанона в виде следующего правила: «Восста­ новление под действием натрийборгидрида и литийалюминийгидрида большей частью приводит к экваториальному эпимеру, если кетогруппа пространственно не затруднена, и к полярному (акси­ альному) эпимеру, если она экранирована или если подход к ней очень сильно пространственно затруднен. Восстановление по Меервейну — Понндорфу, которое применимо исключительно лишь к пространственно не затрудненным кетонам, приводит к более высокому содержанию изомера с полярной (аксиальной) гидроксильной группой, чем при получении по любому другому методу». Камернпцкий и Ахрем [69] обобщили данные более чем трехсот примеров различных реакций, а Хайос [77] собрал данные по всем реакциям восстановления под действием гидридов металлов и алкоголятов металлов. Это эмпирическое правило в общем справедливо в тех довольно широких пределах, которые опреде­ ляются самим понятием «пространственно затрудненный» и «про­ странственно не затрудненный кетон».

Даубен и др. [62] для объяснения успешного применения этого обобщения в 1956 г. высказали идею о «стерическом контроле подхода» и о «контроле образования продукта реакции». Позднее Уилер и сотр. [64, 65] применили эти представления к корреляции Бартона, причем они предположили, что кова­ лентно связанный комплекс, содержащий гидриды металлов, при­ водит к большим количествам более устойчивого экваториального спирта, а восстанавливающие агенты, обладающие более ионным характером, дают сравнительно устойчивый аксиальный изомер.

Последняя работа ясно указывает на то, что стереохимические результаты, полученные для реакций присоединения к цикличе­ ским системам, могут быть объяснены при более точном учете пространственных взаимодействий и торсионных напряжений

аПри избытке реагента LiAIH.i-АІСІз, по-видимому, образуется равновесная смесь.

При избытке кетона получается почти исключительно транс-продукт [7S, 86] .

в конкурирующих переходных состояниях. Весьма информатив­ ные стереохимические данные, полученные в реакциях присоеди­ нения к 4-т?гре?7г-бутилциклогексанону, приведены в табл. 3-11. Очевидно, что заместитель, находящийся на значительном рас­ стоянии, например /преяг-бутильная группа в 4-положении в цпклогексановом кольце, оказывает более ярко выраженное влияние на стерическое протекание реакции. Это конформационный эффект, а не результат непосредственных пространственных затруднений, оказываемых игрет-бутильной группой подходу

чтобы существенно повлиять на состав образующейся смеси про­ дуктов.

Если в 4-положеяии вместо 77іре7?і-бутильной группы ввести метильную, то разность энергий между переходными состояниями, в которых метальная группа находится в экваториальной или в аксиальной конформации, не будет столь велика, а следователь­ но, и наблюдающиеся стереоселективности не будут высоки, хотя они и обнаруживают ту же тенденцию; например, восстановление 4-метилциклогексанона под действием литийалюминийгидрида приводит к смеси транс- п yac-4-метилциклогексанолов в отноше­ нии 81 : 19, тогда как с 4-??іре7?г-бутильньш ГОМОЛОГОМ соотноше­ ние равно 91 : 9 [78—82]. 4-Хлор- или 4-метоксизаместители ока­ зывают влияние в противоположном направлении, что можно объяснить на основе дипольных взаимодействий в переходном состоянии [81—83]. Природа реагента, так же как и прпрода заместителя, играет важную роль в определении стереоселективно­ сти. При восстановлении 4-трет-бутилциклогексанона процентное содержание транс-спирта в продукте может изменяться от 96% при использовании литийалюминийгидрида в тетрагидрофуране при —40 °С до 59 % при применении литийтриметоксиалюминийгидрида. Вообще реагенты, объем которых считается «большим», такие, как, например, реактивы Гриньяра, изопропплат алюми­ ния, литийтриметоксиалюмпнийгидрид, дают более высокие выходы i^wc-спирта, тогда как реагенты, объем которых считается «малым», такие, как литийалюмииийгидрид, натрийборгидрид и литийацетиленид, приводят к большей доли ттгракс-спирта в про­ дукте. Определение эффективного объема реагента для стереохимических исследований в настоящее время в значительной степе­ ни произвольно и основано на данных, приведенных в табл. 3-9, 3-11 и 3-12. Высказсшо предположение, что «меньшие» по размеру реагенты приводят к большей доли экваториального продукта, а «большие» по размеру реагенты дают в большей степени аксиаль­

наблюдается (при прочих равных условиях) кажущееся увеличе­ ние размера реагента. Последовательность в увеличении объема

CH 3 MgX < R 2 Mg < «ди-3-пинанилборан».