Молекулярные перегруппировки некоторых сесквитерпенов в суперкислотах Половинка Марина Павловна

Содержание к диссертации

Введение

Введение 3

Глава I. Генерирование карбокатионов из природныхсесквитерпеиов - производных гексагидро- ,нафталина 14

Глава П. Молекулярные перегруппировки диастереоизогерных карбокатионов из некоторых природных сесквитерпеиов кадалинового ряда 32

Глава Ш. Генерирование и превращения карбодикатионов ,с кадалиновыы остовом 49

Глава ІУ. Молекулярные перегруппировки о-муролена и оС -копаена с образованием трициклических соединений 66

Глава V. Генерирование стабильных ионов из лонгифолена 88

Глава VІ. Экспериментальная часть 112

1. Общие положения 112

2. Получение исходных соединений 115

3. Получение растворов солей ионов ,и продуктов "гашения" 117

Таблицы 127

Выводы 143

Литература 145

• Генерирование карбокатионов из природныхсесквитерпеиов - производных гексагидро- ,нафталина
• Молекулярные перегруппировки диастереоизогерных карбокатионов из некоторых природных сесквитерпеиов кадалинового ряда
• Генерирование и превращения карбодикатионов ,с кадалиновыы остовом
• Молекулярные перегруппировки о-муролена и оС -копаена с образованием трициклических соединений
• Генерирование стабильных ионов из лонгифолена

Введение к работе

Реакции терпенових соединений с давних пор изучаются химиками-органиками. Целью этих исследований было изучение свойств, а главное, установление структуры терпеноидов. С появлением современных спектральных методов, а также рентгеноструктурного анализа, с помощью которых могут быть расшифрованы сложнейшие органические структуры, роль химических реакций для определения строения природных продуктов стала существенно меньшей.

Однако ряд химических превращений терпеноидов, и в том числе кислотно-катализируемые перегруппировки, представляют собой самостоятельный интерес. Многие из этих перегруппировок полезны в синтетическом плане, а также являются весьма удобным объектом теоретических исследований с целью установления общих закономерностей протекания молекулярных перегруппировок катионоидного типа. Следует отметить, что именно при изучении перегруппировки природного монотерпена камфена в изоборнилхлорид Меервейном и ван Эм.стером более 60-ти лет назад было впервые выдвинуто предположение о протекании реакции с промежуточным образованием карбокатионов. Ь настоящее время для всех описанных в литературе кислотно-катализируемых превращений терпенов предложены механизмы с участием карбокатионов. Кроме того, практически все биогенетические схемы терпеноидов представляют собой схемы катионоидных перегруппировок, а стадия циклизации промежуточных карбокатионов, по литературным данным, является, по-видимому, ключевой в биогенетических превращениях этих соединений.

С усовершенствованием методики генерирования стабильных карбокатионов в суперкислотах, с появлением возможности прямого наблюдения этих ионов с помощью ШР становится, на наш взгляд, актуальной задача генерирования стабильных карбокатионов из таких сложных веществ, как терпеноида, изучения их строения, молекуляр- ных перегруппировок, а также взаимодействия с нуклеофилами. Исследования такого рода могут пролить свет на вопросы механизма кислотно-катализируемых превращений терпеноидов, помогут "раскрыть скобки" в схемах катионоидных перегруппировок природных соединений.

По имеющимся литературным данным, количество работ по генерированию стабильных ионов из природных соединений весьма ограничено. Как правило, это работы, направленные на получение новых необычных продуктов перегруппировки терпеноидов, в средах "необычных", отличающихся от природных условий, то есть работы, имеющие синтетическую направленность. В то же время Серенсеном, на примере превращений ряда монотерпенов было показано, что между превращениями в "обычных" кислых средах и суперкислотах существует прямая аналогия. Таким образом, данные, полученные при генерировании стабильных ионов из терпеноидов, могут быть весьма полезны для понимания механизмов катионоидных перегруппировок этих соединений в "нормальных" кислых средах. В итоге работы по генерированию ионов из терпенов можно ожидать следующих результатов.

Выявление и анализ закономерностей катионоидных перегруппировок терпеноидов и как следствие - предсказание наиболее вероятных путей кислотно-катализируемых превращений этих оубстратов.

Обнаружение новых молекулярных перегруппировок терпеноидов, которые не удается реализовать в обычных условиях кислотного катализа, и, таким образом, осуществление новых взаимных переходов между природными соединениями.

Образование одних и тех же наиболее стабильных карбокатионов из многих изомерных терпеноидов, а также возможность "управления" молекулярными перегруппировками карбокатионов постепенным "размораживанием" кислотных растворов и варьированием кислотности среды - все эти обстоятельства могут быть весьма полезными в синтетическом плане. В результате следует ожидать получения новых терпеноидов, которые могут найти применение в качестве стандартов при анализе растительного сырья.

4. Получение данных для сравнительного анализа поведения одних и тех же природных субстратов в условиях "сверхкислых" сред, кислотного катализа и в природных условиях.

Целью данного исследования являлось генерирование стабильных карбокатионов из терпенов муроланового, ка-динанового и лонгифо-ланового рядов, генетически связанных с большим числом других сесквитерпеноидов. В главе I данного исследования описано генерирование стабильных ионов из оС-и Г-муроленов, ^и ^Г-кадине-нов в средах различной кислотности в диапазоне температур от -120 до 0 С. Взаимодействием растворов солей стабильных катионов с нуклеофалами осуществлен переход от исходных несопряженных диенов, выделенных из живицы Фігш UtireittLi. оС. , к ряду сопряженных диенов, обнаруженных ранее в других растительных источниках. Анализируя полученные результаты, следует отметить, что все описанные превращения ионов происходят путем 1,2- гидридных сдвигов и депротонирования - протонирования, сдвиги С - С связей при указанных выше температурах не происходят. Данные экспериментов показывают, что общая схема превращений диенов в суперкислотах достаточно проста, что связано, по-видимому, с действием определенных "правил отбора", которые были сформулированы в процессе анализа полученных данных; в результате система скатывается несколькими сравнительно короткими путями в ограниченное число устойчивых ионов. Следует отметить также, что в главе I нами впервые генерированы стабильные карбокатионы, являющиеся оптическими изомерами - как энантио-, так и диастереоизомерами. При этом оказалось возможным, варьируя условия реакции, осуществлять направленное превращение, например, одного и того же (-) - Л - муроле-на в энантиомерные оптически активные соединения.

В главе П изучены молекулярные перегруппировки диастереомер-ных аллильных катионов, описанных в главе І, в диапазоне температур от +20 до +70 С. Предложен механизм этих ранее неизвест-ных превращений, включающий "переворот" на 180 насыщенного шестичленного кольца относительно конденсированного с ним цикла ал-лильного катиона. На примере превращений сесквитерпенового углеводорода со спиро[ 4,5 ]декановым остовом - (-) - fi -аласкена -показана возможность промежуточного образования спироциклическо-го карбокатиона в обнаруженной молекулярной перегруппировке. В результате такой перегруппировки осуществлен переход от диенов с кадалиновым остовом к диенам с изокадалиновым остовом. В главе П показано, как данные о пространственном строении серии диа-стереоизомерных ионов кадалинового типа, описанных в главе I, применены для установления конфигурации асимметрических центров в нейтральных терпенах, в частности, ^Д-аласкене.

При генерирований ионов из od-муролена и <Г"-кадинена нами впервые наблюдались алициклические карбодикатионы немоетикового типа. Изучение характеристик этих частиц было затруднено тем, что они образуются в смеси с другими ионами. Стремясь получить карбодикатионы в индивидуальном виде, мы решили попытаться генерировать их из соответствующих дигидрохлоридов муролена и кади-нена. В результате проведенных исследований, изложенных в главе Ш, впервые из дигидрохлоридов и диенов с одинаковым остовом, одним и тем же расположением развивающихся катионных центров и в одинаковых условиях генерированы изомерные стабильные карбодикатионы. В главе Ш проведен сравнительный анализ механизмов образования дикатионов из диенов и дигидрохлоридов.

Анализ результатов генерирования стабильных ионов из терпенов муроланового и кадинанового рядов позволил нам выделить несколько "рычагов управления" исследуемых процессов, манипулируя которыми мы можем из определенных "предшественников" выходить на заданные стабильные карбокатионы и получать соответствующие продукты "гашения": I) тип реакции генерирования - протонирование диена или сольволиз дигидрохлорида, 2) кислотность системы, 3) температуры генерирования и "размораживания" растворов солей ионов.

Эти выводы нашли подтверждение в дальнейших исследованиях по генерированию стабильных ионов из углеводородов, полученных при "гашении" растворов солей дикатионов. Так, в главе Ш показано, что варьируя температуру генерирования раствора соли иона в диапазоне всего 20 С, можно из одного и того же диена генериро-.в основном, вать^различные аллильные ионы, что можно объяснить, по-видимому, изменением соотношения путей реакции с первоначальным образованием двух разных монокатионов, дальнейшие превращения которых приводят соответственно к ионам с различным положением аллильной системы.

Повышение температуры генерирования ионов из оС-муролена до -30 С привело к образованию карбокатионов с различным типом остова - бициклическим и трициклическим. В главе 17 описано получение из оС-муролена и оС-копаена трициклических ионов, а при их "гашении" - трициклических олефинов; такого рода превращения этих веществ ранее постулированы в биогенетических схемах, но не были реализованы в условиях кислотного катализа. В главе ІУ также проведен анализ всех теоретически возможных маршрутов протекания внутримолекулярных перегруппировок ионов из

В конечном итоге, исходя из одного только ot-муролена и варьируя I) тип реакции генерирования, 2) температуры генерирования и "размораживания" растворов солей ионов, а также 3) кислот- ность среды, нам удалось получить 19 различных стабильных карбо-катионов - главы І-ІУ. Взаимодействие этих ионов с нуклеофилами приводит к образованию углеводородов - как природных терпенов, так и их ранее неизвестных изомеров.

В работе, описанной в главе ІУ, нами наблюдались мостиковые трициклические "частично б'-делокализованные" ионы из изосати-вена. Изучение строения и перегруппировок этих ионов было затруднено тем, что в смеси находилось сразу три катиона. В главе У были изучены перегруппировки трициклических ионов, генерированных из родственного изосативену углеводорода - лонгифолена. На примере генерирования стабильных ионов из лонгифолена нами впервые отмечен факт качественного изменения соотношения скоростей внутримолекулярных перегруппировок в первоначально образующемся при протонировании лонгифолена катионе в зависимости от природа среды.

Приведенный краткий анализ результатов работы показывает реальность достижения тех целей, которые были поставлены в начале введения.

В диссертации нет отдельного литературного обзора, но главам I и У предпосланы краткие обзоры по превращениям терпенов в сильно кислых средах и кислотно-катализируемым перегруппировкам лонгифолена соответственно. В некоторых случаях анализ литературных данных проводится непосредственно при обсуждении результатов диссертации.

Автор выражает искреннюю благодарность к.х.н. Д.В.Корчагиной за съемку спектров ЯМР генерированных в работе растворов солей ионов, продуктов "гашения" и исходных терпенов и большую помощь в их интерпретации; к.х.н. Осадчему С.А., принимавшему участие в выполнении работы по главам І-П; Панкрушиной Н.А. и к.х.н. Хану В.А., участвовавших в выделении нейтральных соедине- ни^к главам I и П; к.х.н. Гатилову Ю.В. и Рыбаловой Т.В., выполнившим расчеты по методу молекулярной механики к главе ІУ.

Структуры и шифры XVIII XX//J XXVJ/ XXV/// _хх/х - II - XXXIII

Ч^ XXXVI XXXV/! XXXVIII XXXIX а. XXXIX

H і _-CD

XLV XLlll a. XLVtl R

ХА/Л

77 LJ LXI Ш LMI

ЬШ Ш Ш1 Шй ШИЇ

2.Х/Л Ш ZXXj /.ХХП LXXIII _{& Й ^}⁷ _{-ф^ щ шк ьш/ ш? лхш} z/x/л ш// ZXXX L XXXI IXXXII

IXXXIII LXXXIV LXXXV LXXXVI LXXXVIl - ІЗ - LXXXVUI L XXXIX ~хс ХСІ Ш\ хсщ хеш xcv Jem xcvii /^рф оа са оа хсущ Тих Т Ш. ' К с/// СIV cv evi сні _{% QCv QCV 0. (} ^{Ш/ /Х сл CAT* с л//}

С XIII cxiv ~cxv cxvi

Генерирование карбокатионов из природныхсесквитерпеиов - производных гексагидро- ,нафталина

Для объяснения результатов синтетических и биогенетических превращений терпенов в многочисленных статьях и обзорах приводятся гипотетические схемы молекулярных перегруппировок с участием промежуточных карбокатионов /1-4/. В то же время в литературе имеется весьма ограниченное число работ, посвященных генерированию и изучению свойств стабильных карбокатионов из моно- /5-7/, сескви- /8 - 10/ и дитерпеноидов /II - 13/, как правило, без ис-пользования спектроскопии ЯМР х С для установления строения этих частиц.

Особый интерес представляет собой обзор Серенсена /5/, в котором рассмотрены результаты генерирования стабильных карбокатионов из монотерпеноидов ряда фенхана, камфана, сантана и др. и представлены количественные данные по оценке активационных барьеров {A G ) всех возможных типов катионоидных перегруппировок в системах с норборнановым остовом. Поскольку только путем прямого наблюдения стабильных ионов может быть проведено измерение абсолютных скоростей (или активационных барьеров д (т ) отдельных стадий катионоидных перегруппировок, важно знать, насколько эти данные будут полезны для анализа превращений терпенов в кислотно-катализируемых средах. Сравнивая результаты поведения монотерпеноидов в суперкислотах и в условиях кислотного катализа, Серенсен показал, что между этими превращениями существует прямая аналогия. В суперкислотах реализуются те же перегруппировки, что и в условиях "обычных" кислых сред, причем порядок увеличения активацион-ного барьера д G ион-ионных перегруппировок одинаков для двух сред, а стабильность наблюдаемых ионов симбатна термодинамической устойчивости соответствующих алкенов. Таким образом, существует тесная взаимосвязь между результатами, полученными при генерировании стабильных ионов из терпенов в суперкислотах, и результатами по кислотно-катализируемым превращениям этих соединений, а соответственно данные о строении и перегруппировках стабильных кар-бокатионов из природных соединений могут быть использованы для объяснения механизмов их синтетических и биогенетических превращений. Отметим, что величины барьеров л& катионоидных перегруппировок, приведенные в обзоре /5/, в дальнейшем могут с известным приближением использоваться для анализа путей превращения, по-видимому, любых карбокатионов, в частности с помощью метода молекулярной механики (см. ниже, стр.71 ).

Особенностью суперкислот является то, как отмечает Сервисен /5/, что реакции в них протекают аномально быстро, поскольку барьер разрыва связи -С - X с образованием /С - не является лимитирующим. Так, барьер перегруппировки ot-фенхола в -фен-хен в кислотно-катализируемых условиях составляет 35 - 40 ккал/ моль, в то время как барьер перегруппировки иона в ион составляет всего 13.I ккал/моль. Поскольку можно нагревать растворы суперкислот до +100 С, то становится реальным наблюдать катион — ка-тионные перегрушшровки с барьером до 30 ккал/моль; в то же время для реакций в "нормальных" средах, как показано на примере превращений фенхановых и сантановых монотерпевхш, "непреодолимым" является барьер 17 - 18 ккал/моль; Таким образом, в суперкислотах могут происходить такие перегруппировки карбокатионов, которые не имеют аналогий в условиях кислотного катализа.

Молекулярные перегруппировки диастереоизогерных карбокатионов из некоторых природных сесквитерпеиов кадалинового ряда

Как уже отмечалось в первой главе, одной из особенностей химии стабильных карбокатионов является то обстоятельство, что в "суперкислых", "ненуклеофильных" средах могут происходить такие глубокие молекулярные перегруппировки, которые не удается реализовать в "нормальных" средах даже при самых жестких условиях. Поскольку растворы солей стабильных катионов можно нагревать до температуры +100 С и выше, то, следовательно, имеются условия для прямого наблюдения перегруппировок "катион — - катион" с активационным барьером порядка 30 ккал/моль и выше. В то же время в условиях кислотного катализа обычно не удается осуществить молекулярные перегруппировки катионоидного типа, протекающие в суперкислых средах с активационным барьером порядка 20 ккал/моль (см., например, /5/). Эта особенность химии стабильных катионов может быть весьма полезна как в синтетическом плане, так и для выявления закономерностей молекулярных перегруппировок катионоидного типа.

В предыдущей главе из ряда природных сесквитерпенов кадалино-вого типа были генерированы стабильные карбокатионы и описаны их перегруппировки при температурах от -120 до +20 С, протекающие путем 1,2-гидридных сдвигов или "депротонирования - протонирова-ния"; 1,2-сдвиги С-С - связей не наблюдались. Глава П посвящена превращениям этих же ионов при более высоких температурах.

Генерирование и превращения карбодикатионов ,с кадалиновыы остовом

Как хорошо известно, многие природные терпены являются диенами с изолированными двойными связями и поэтому в кислой среде могут образовывать, наряду с монокатионами, также карбодикатио-ны. В химии стабильных катионов изучение карбодикатионов, в отличие от карбомонокатионов, началось сравнительно недавно, при этом интерес к этой области быстро растет /27/. В то же время среди описанных карбодикатионов очень мало алициклических, которые, как правило, имеют мостиковую структуру. Примером таких соединений являются бициклооктил- и бициклоун-децил-дикатионы, приведенные ниже /27/:

По данным Ола, ряд попыток генерирования алициклических, I,4-циклогександиил-дикатионов немостикового типа не привел к положительным результатам, что можно объяснить неблагоприятным дестабилизирующим влиянием двух положительных зарядов, находящихся в одном цикле /27/:

Как отмечалось в главе I, нами были генерированы первые представители.алициклических карбодикатионов (УШ, ХХІУ) немос-тикового типа соответственно из оС-муролена (У) и Г -кадинена (УІ):

Изучение характеристик этих дакатионов затрудняло то обстоятельство, что они были получены в смеси с другими ионами. Стремясь получить дикатионы (УШ, ХХІУ) в индивидуальном виде, мы решили попытаться генерировать последние из дигидрохлоридов муролена (XII) и кадинена (XL П). Оба соединения легко получаются при взаимодействии диена (У) с хлористым водородом /46/; структуры дигидрохлоридов были установлены рентгеноструктурным анализом /47-49/. Данные спектров ЯМР 13С соединений (XLI) и (XLII) приведены в табл. 4.

Оказалось, что из дагидрохлорида (XL І) в системе Р5 -HSO3P (1:4 по молям)-SOgPCI при -100 С образуется дикамюн (ХЛШ), отличный, судя по спектрам ЯМР, от дикатиона (УШ), ранее генерированного из диена (У) в тех же условиях. Тот же да-катион (ХІШ) получен из соединения (XZ.I) в системе 5 Р5 -SOgFCI (-100 С).

Аналогичным образом из дагидрохлорида (XLїї) в различных системах [ В 8 Р5- S02FCI, S F5-H S 03Р (1:1 по молям) - 5 OgPCl] генерирован дакатион (Х/ЛУ), отличающийся по спектральным характеристикам от дикатиона (ХХІУ), ранее полученного протониро-ванием диена (УІ), но очень сходный с дакатионом (XLI1I).

Строение дикатионов (ХІШ) и (Х/ЛУ) установлено по данным спектров ЯМР ХН и ± С (табл. I и 2), а также результатам "гашения" кислотных растворов.

В спектре ПМР раствора дигидрохлорида (X/. І) в 547 -SO GI (-70 С) наблюдаются два уширенных сигнала при 3.71 и 1.03 м.д. с соотношением интенсивностей 3:1, которые были отнесены соответственно к протонам трех групп CHgC и группы СН3СН С дикатиона (Х Ш)Х . Остальные сигналы проявляются в виде широких налагающихся мультишгетов в области 1.5-4.4 м.д. При повышении температуры выше -70 С в спектре наблюдаются необратимые изменения.

Молекулярные перегруппировки о-муролена и оС -копаена с образованием трициклических соединений

Интересной особенностью химии сесквитерпенов является факт образования в природе большого разнообразия структур, известных сейчас для этих соединений. В работах, посвященных биогенезу терпенов, приводятся схемы, в которых все многообразие остовов моно-, би- и трициклических сесквитерпенов выводится из нескольких ациклических предшественников путем различных циклизаций и перегруппировок, протекающих через образование карбока-тионов. Многие из постулированных реакций циклизации не были осуществлены в условиях кислотного катализа, и представления о механизме их протекания имеют сугубо гипотетический характер.

В биогенетических схемах для сесквитерпеновых соединений одно из ключевых мест отводится (-)-об-муролену (У), который рассматривается как предшественник трициклических соединений с кубебановым, копаборнановым и копаановым остовами /60/:

Строение указанных трициклических соединений свидетельствует о возможном механизме циклизации, включающем первоначальное про-тонирование диена (У) с образованием иона (Ш), в котором (иногда после 1,2-гидридного сдвига) происходит трансаннуляр-ное взаимодействие катионного центра с двойной связью С-С

Как уже отмечалось ранее, реакции диена (У) в слабокислых средах не изучены. Все соединения, полученные из диена (У) в результате генерирования стабильных карбокатионов (главы І-Ш), имеют бициклический остов; ни одно трициклическое вещество не было выделено в заметном количестве. Рассмотрение модели типа Дрейдинга для катиона (Ш) показывает, что если монокатион (Ш) принимает более стабильную конформацию (Ша), то трансаннуляр-ное взаимодействие Сд с двойной связью в нем невозможно; для реализации последнего процесса необходим переход иона (Ш) в более стерически напряженную конформацию типа (Шб).

Генерирование стабильных ионов из лонгифолена

Лонгифолен (L ХХХП) - один из основных компонентов сескви-терпеновой фракции живиц некоторых хвойных растений. Из лонги-фолена и продукта его кислотной изомеризации - изолонгифолена (L ХХХШ) получают ряд соединений, используемых в парфюмерной промышленности /75-77/.

Изучению поведения соединения (L ХХХП) в кислых средах посвящено значительное число работ. Основным продуктом кислотно-катализируемой изомеризации олефина (L ХХХП) является соединение (LXXXIII), образование которого из лонгифолена (/.ХХХП) наблюдалось в реакции Бертрама-Вальбаума /78, 79/, в системе %504-АсОН /80/, в присутствии эфирата трехфтористого бора /81/, а также на обработанном кислотой силикагеле /82/, Следует отметить, что при изомеризации лонгифолена (L ХХХП) с [ ]р +33-Г -f43 в различных кислых средах получался олефин (L ХХХШ) разной степени рацемизации {[dL от -3.9 до -90.5); величина yL для оптически чистого соединения (L ХХХШ) расчитана и составляет -125 /83/.

Для объяснения катионоидной перегруппировки (Z, ХХХП) — -(L ХХХШ) в литературе предложено несколько механизмов, имеющих принципиальные отличия /63, 83-85/. Одна из таких схем была предложена Уриссоном /84/ (схема 14). Автор предполагает, что изомеризация олефина (ЛХХХП) включает стадию эндо-3,2-СНд-сдвига, ряд перегруппировок Вагцера-Меервейна и гидридных сдвигов , а также промежуточное образование олефина (L ХХХУП). Частичная рацемизация продукта (L ХХШ) объясняется первоначальной рацемизацией лонгифолена ( L ХХХП) через ионы (L ХХХІУ) з (АХХХІУ ).

По мнению Берсона /85/, в схеме 14 переход иона (/.ХШТ) в ион (L ХХХУШ) может происходить внутримолекулярно путем эндо-3,2-Н-сдвига. Отметим однако, что, по данным Ола /72/, скорость 3,2-экзо-Н-сдвига в стабильном 2-норборнильном катионе низка, а энергия активации такой перегруппировки составляет 10.8 ккал/ моль. Что же касается 3,2-эндо-гидридного сдвига, то барьер такого превращения при переходе от вторичного к третичному иону оценен Серенсеном как 20 ккал/моль /5/. На основании этих данных можно заключить, что эндо-3,2-Н-сдвиг в ионе (АХХХУТ) при переходе в ион {L ХХХУШ) вряд ли может иметь место.