Циклоприсоединение [2+2] и 1,3-диполярное

8 заданий

[2+2]-Циклоприсоединение

linkОпора

Урок 389. Перициклические реакции: классы и правила Вудворда — Хоффмана — классифицировать перициклические реакции

Четырёхчленные циклы трудно собрать обычными реакциями, но свет делает [2+2]-циклоприсоединение разрешённым (урок 389). Обычно возбуждается енон или карбонильное соединение, а партнёр — алкен — реагирует в основном состоянии. Так получают циклобутаны и оксетаны, которые другими путями почти недоступны.

Как предсказать [2+2]-циклоприсоединение

Два алкена соединяются только при облучении: получается циклобутан, а новые связи соединяют концы двух связей C=C.
Циклический енон с алкеном даёт бициклический кетон — циклобутан, сочленённый с исходным кольцом.
Реакция Патерно — Бюхи: альдегид или кетон, возбуждённый светом, присоединяет алкен и образует оксетан — четырёхчленный цикл с атомом кислорода.
Кетены \(\ce{R2C=C=O}\) реагируют и при нагревании (урок 268): с алкеном они дают циклобутанон, с имином — β-лактам, а с альдегидом в присутствии кислоты Льюиса — β-лактон.
Ультрафиолет сшивает соседние пиримидиновые основания ДНК через их связи C5=C6 в циклобутановый димер — это один из источников мутаций.

1,3-Диполярное и фотохимическое [2+2]-циклоприсоединение

Примеры

1. Коричная кислота в кристалле. В кристалле транс-коричной кислоты \(\ce{C6H5CH=CHCOOH}\) соседние молекулы лежат параллельно, «голова к хвосту». При облучении их двойные связи соединяются в циклобутан, и получается α-труксилловая кислота — 2,4-дифенилциклобутан-1,3-дикарбоновая кислота (нижний ряд рисунка).

2. Дихлоркетен и циклопентадиен. Дихлоркетен \(\ce{Cl2C=C=O}\), полученный из трихлорацетилхлорида и цинка, присоединяется к циклопентадиену уже при комнатной температуре. Кетен выбирает не [4+2], а [2+2]-циклоприсоединение, и получается 7,7-дихлорбицикло[3.2.0]гепт-2-ен-6-он.

errorСвет поглощает енон

Облучают обычно светом с длиной волны больше 300 нм: его поглощает енон (переход n → π*), а простой алкен остаётся невозбуждённым. Поэтому алкен берут в избытке — тогда енон присоединяет его, а не димеризуется сам с собой.

edit_noteПопробуйте сами

Какой четырёхчленный цикл образуется в реакции Патерно — Бюхи?

expand_moreПоказать решение

Оксетан — четырёхчленный цикл с одним атомом кислорода.

1,3-Диполярное циклоприсоединение

1,3-Диполь — трёхатомная частица с четырьмя π-электронами, у которой на одном конце есть нуклеофильный центр, а на другом — электрофильный. С алкеном или алкином она за одну стадию даёт пятичленный гетероцикл. Такие реакции — самый короткий путь к изоксазолинам, триазолам и пиразолинам.

Как предсказать 1,3-диполярное циклоприсоединение

Найдите диполь: нитрилоксид \(\ce{R-C#N+-O-}\), нитрон \(\ce{R2C=N+(R)-O-}\), азид \(\ce{R-N3}\), диазоалкан \(\ce{R2C=N2}\) или озон.
Найдите диполярофил — алкен или алкин: концы диполя (атомы 1 и 3) присоединяются к двум атомам кратной связи, и получается пятичленный цикл.
Учтите стереоспецифичность: цис-заместители диполярофила остаются в кольце в цис-положении, а транс-заместители — в транс-положении.
Определите региохимию: с монозамещённым алкеном атом кислорода нитрилоксида или нитрона связывается с замещённым атомом углерода.
Назовите продукт: нитрилоксид с алкеном даёт изоксазолин (4,5-дигидроизоксазол), с алкином — изоксазол; нитрон — изоксазолидин; азид с алкином — триазол (тема 27); диазоалкан — пиразолин; озон — первичный озонид, с которого начинается озонолиз. Пиразолины при нагревании или облучении теряют \(\ce{N2}\).
Восстановительное расщепление связи N–O изоксазолина (\(\ce{H2}\), никель Ренея, затем вода) даёт β-гидроксикетон, поэтому нитрилоксидный путь заменяет альдольную реакцию.

\[\ce{CH3CNO + CH2=CHC6H5 -> C10H11NO}\]

Примеры

1. Ацетонитрилоксид и стирол. Ацетонитрилоксид \(\ce{CH3CNO}\) присоединяется к стиролу так, что атом кислорода связывается с атомом углерода, несущим фенил. Получается 3-метил-5-фенил-4,5-дигидроизоксазол (уравнение выше и верхний ряд рисунка).

2. Нитрон и метилакрилат. N-Метил-C-фенилнитрон \(\ce{C6H5CH=N(CH3)O}\) с метилакрилатом даёт изоксазолидин — метил-2-метил-3-фенилизоксазолидин-5-карбоксилат: атом кислорода нитрона снова оказывается у замещённого атома углерода алкена.

errorАзид с алкином без катализатора

Термическое присоединение азида к терминальному алкину идёт медленно и даёт смесь 1,4- и 1,5-дизамещённых триазолов. Соль меди(I) ускоряет реакцию во много раз и делает её региоселективной: образуется только 1,4-изомер (тема 27).

edit_noteПопробуйте сами

Какой продукт даёт фенилазид с фенилацетиленом в присутствии соли меди(I)?

expand_moreПоказать решение

1,4-Дифенил-1,2,3-триазол.

push_pinГлавное

[2+2]-Циклоприсоединение двух алкенов (4 электрона) термически запрещено и идёт при облучении: еноны с алкенами дают циклобутаны (бицикло[3.2.0]гептан-2-он из циклопентенона и этилена), соседние тимины ДНК под УФ-светом — циклобутановые димеры; возбуждённый карбонил с алкеном даёт оксетан (Патерно — Бюхи). Кетены реагируют термически (тема 21): с алкеном — циклобутанон, с имином — β-лактам, с альдегидом (кислота Льюиса) — β-лактон. 1,3-Диполярное циклоприсоединение (4 + 2 = 6 электронов) разрешено термически и стереоспецифично: нитрилоксиды с алкенами дают изоксазолины, с алкинами — изоксазолы; нитроны — изоксазолидины; азиды — триазолы; диазоалканы — пиразолины, которые при нагревании теряют азот и дают циклопропаны; озон — первичный озонид. С монозамещёнными алкенами кислород нитрилоксида или нитрона присоединяется к замещённому атому. Изоксазолин — скрытый β-гидроксикетон: восстановительное расщепление N–O его освобождает.

Закрепите теорию: 8 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.