Химия и химические технологии

Циклопропанирование транс-1-фенилбутена-2

Этилдиазоацетатом

Ахмедов Э.Н. ¹, Рамазанов Г.А. ¹, Гулиев А.М. ²

¹Сумгаитский Государственный Университет

²Институт Полимерных Материалов НАНА, г.Сумгайыт

Реакция этилдиазоацетата (ЭДА) с такими разветвленными алкенами, как 1-метил-1-трет-бутилэтилен, 4-н-пропилгептен-3 и 2,4-диметил-3-изопропилпентен-2 проводилась в работе [1]. Установлено, что реакция с первыми двумя олефинами, проведенные при t=100-110°С и 8-кратном избытке олефина в присутствии Cu⁺² –катализаторов приводит к получению соответствующих эфиров циклопропанкарбоновых кислот с выходами 63 и 56 %. В случае же реакции с 2,4-диметил-3-изопропилпентен-2, несмотря на большую нуклеофильность двойной связи, выход целевого продукта соответствует только 14%, что авторы объясняют пространственной недоступностью реакционного центра.

В реакцию присоединения ЭДА были вовлечены и другие олефины [2], диены [3] и даже ацетиленовые углеводороды [4]. Как правило, во всех случаях эта реакция протекала по электрофильному присоединению и сопровождалась образованием циклопропановых соединений. Обычно реакция присоединения ЭДА осуществляется либо нагреванием реагентов до температуры 100°С (термический способ), либо при более низких температурах в присутствии каталитических количеств солей меди. Естественно, механизм этих реакций определяется условиями их осуществления.

В присутствии катализаторов имеет место карбенный механизм реакции, заключающийся в одностадийном присоединении алкоксикарбонилкарбена, генерируемого каталитическим разложением ЭДА:

Характерными особенностями этой реакции являются:

– образование в качестве побочных продуктов эфиров фумаровой и малеиновой кислот [5].

– цис-стереоспецифичность реакции присоединения карбена к двойной связи олефина, обусловленное синглетным состоянием углеродного атома в этоксикарбонилкарбене (сохраняется исходная конфигурация алкена).

– карбен проявляет электрофильный характер и присоединяется к более нуклефильным центрам, где электронная плотность больше, [6].

При термическом разложении ЭДА реакция протекает по механизму 1,3-биполярного циклоприсоединения и приводит вначале к образованию пиразолина, распадающегося далее с образованием производных циклопропана.

В отличие от реакции, протекающей через образование карбена, при термическом разложении ЭДА не образуются эфиры малеиновой и фумаровой кислот.

В данной работе мы осуществили реакцию ЭДА с 1-фенилбутен-2 (ФБ), полученным в результате реакции гидрирования 4-фенилбутадиена-1,3:

Реакция ФБ с ЭДА проводили в каталитических условиях в присутствии безводного CuSO₄. Реакцию проводили в мольном соотношении ЭДА: ФБ=1:7.

Известно, что во всех реакциях присоединения алкоксикарбонилкарбенов по двойной связи алкена образуются продукты, состоящие из смеси двух цис- и транс- стереоизомеров [7]. Поскольку используемый ФБ является смесью двух геометрических цис- и транс- изомеров, то в результате реакции следовало ожидать образования всех четырех стереоизомеров:

Хроматографический анализ продуктов реакции показал, что действительно в результате реакции присоединения ЭДА к ФБ образуются всевозможные продукты, разделение которых на индивидуальные компоненты нам не удалось. Поэтому в дальнейшем реакцию присоединения ЭДА к ФБ мы осуществили только с одним из изомеров – ФБ. Эта реакция протекает по нижеприведенной и общепринятой схеме:

Хроматографический анализ продуктов реакции присоединения ЭДА к транс-ФБ показал образование только двух соединений, ректификацией которых были получены фракции, содержащие различные количество этих продуктов. Элементный анализ показал, что выделенные фракции имеют одинаковый элементный состав, что свидетельствует о том, что они являются изомерными продуктами (табл.1).

Таблица 1.

Элементный состав фракций смеси стереоизомеров этиловых эфиров 2-бензил-3-метилциклопропанкарбоновых-1 кислот

№	Состав фракций*	С**	Н**
1	75:25	76.83	8.06
2	66:34	76.67	8.12
3	51:49	77.00	8.00
4	43:57	76.92	7.94

* – по данным хроматографического анализа

** – по теории С=77.06 %; Н=8.26 %.

Перегонкой в вакууме на колонке удалось выделить с выходом 78 % фракцию с t_кип.=138-142°C/6 мм.

Данные элементного анализа (С–76.95%, Н–8.21%) соответствуют составу моноаддукта ЭДА с ФБ. Аналогичные результаты были получены при проведении реакции присоединения в термических условиях. Следовательно, независимо от конкретного механизма реакции транс-ФБ с ЭДА, можно было ожидать образование смеси двух цис- и транс- стереоизомеров, а именно – этиловых эфиров циклопропанкарбоновых кислот с метильным и бензильным заместителями в цикле:

Сопоставление ПМР-спектров стереоизомеров, а также использование некоторых литературных данных относительно 3-замещенных циклопропанов позволили произвести отнесение геометрических изомеров. Следует подчеркнуть, что установление цис- и транс- структуры эфиров бензил-метилциклопропанкарбоновых кислот в смеси изомеров методом ПМР-спектроскопии несколько затруднено из-за усложнения спин-спинового взаимодействия протонов цикла. По этой причине оценить в смеси продуктов реакции долю какого-либо стереоизомера становится почти невозможным.

С целью идентификации цис- и транс- изомеров вначале была осуществлена реакция эпимеризации смесей хлорангидридов соответствующих цис- и транс- циклопропанкарбоновых кислот. Известно, что хлорангидриды циклопропанкарбоновых кислот, имеющие цис- форму, при нагревании переходят в более термодинамически устойчивую форму – в транс- изомер. Методом ГЖХ-анализа было показано, что при нагревании в растворе диоксана смеси цис- и транс- форм соответствующих хлорангидридов до 100°С имеет место переход одного изомера (цис- изомера) в другой (транс- изомер). Затем действием этилата натрия были получены исходные эфиры, которые были затем подвергнуты хроматографическому анализу. Из приведенных на рисунке 1 хроматограмм следует, что при попытке проведения реакции эпимеризации со смесью изомеров не удалось заметить существенного изменения относительных площадей пиков хроматограммы (хотя все же какое-то изменение происходит), что, по-видимому, объясняется малым различием свободных энергий изомеров, содержащих заместители у всех углеродных атомов цикла. Однако, это различие достаточно для проявления некоторой избирательности на стадии образования, что отражается в некотором преобладании одного из изомеров, а конкретно – транс-изомера. Поскольку присоединение этоксикарбонилкарбена должно приводит к преимущественному образованию изомера с транс- расположением заместителей в цикле, то веществу 1 из показаний хроматограммы должна отвечать транс-структура, а веществу 2 – цис-структура.

Хроматограммы этилового эфира 2-бензил-3-метилциклопропанкарбоновой-1 кислоты: а - до реакции эпимеризации, б - после реакции эпимеризации (н/ф – 10% ТЦЭП, носитель – хромосорб «F», Т=130°С, V_He=50 мл/мин)

Для устранения ошибок в оценке относительных выходов изомеров (вследствие возможной непропорциональности потерь в процессе выделения индивидуальных изомеров из реакционной смеси) были поставлены специальные опыты взаимодействия ФБ с ЭДА как в присутствии катализатора CuSO₄ при 60°С (каталитический метод), так и в отсутствии катализатора при 100°С (термический метод), причем реакционная смесь непосредственно подвергалась анализу методом ГЖХ без каких либо предварительных операций. Таким образом, удалось показать, что, независимо от условий проведения реакции транс-ФБ с ЭДА, образуются оба изомера, структура которых доказана, в основном, спектроскопическими методами.

Эти изомеры были выделены в индивидуальном виде и охарактеризованы. В ИК-спектрах обоих аддуктов-стереоизомеров имеются полосы поглощения при 1720 см^-1, соответствующие валентным колебаниям карбонильной группы, 1040 см^-1, характерные для скелетных колебаний СН₂-групп в трехуглеродном цикле, 1600 см^-1, относящиеся к фенильной группе. Эти данные полностью согласуются со структурой стереоизомеров, однако не дают возможность сделать выводы о геометрическом расположении заместителей.

Сопоставление ПМР-спектров стереоизомеров, выделенных в чистом виде, и с использованием литературных данных относительно ПМР-спектров замещенных циклопропанов позволило нам произвести отнесение геометрических изомеров (табл.2).

Таблица 2.

Данные ПМР-спектров стереоизомеров 2-бензил-3-метилциклопропан карбоновых-1 кислот

Стереоизомер (шифр)	Ph	Ph-CH2-	-OCH2-	-C-CH3	H^α	H^β	H^γ
транс-	7.20м.	2.35д.	4.0 кв.	1.1 тр.	1.10-1.85 м.	0.95-1.10 м.	1.85-2.25 м.	1.0 с.
цис-	7.22м.	2.68д.	4.05кв.	1.1 тр.	0.9-1.85 м.	1.10-2.10 м.	1.90-2.10 м.	1.05 с.

Принимая во внимание то, что карбонильная группа (в кислотах, сложных эфирах, кетонах) дезэкранирует цис-протон цикла, а метильная группа экранирует цис-протон цикла, мы произвели отнесение изомеров [7].

Из ПМР-спектров следует, что протоны Н^γ в транс-изомере и Н^β в цис-изомере находятся в цис-положении относительно карбонильной группы (сложноэфирного фрагмента). Следовательно, они дезэкранируются и поэтому проявляются в относительно слабых полях. Протоны же Н^γ в транс-изомере, Н^α и Н^γ в цис-изомере попадают под экранирующее влияние метильной группы и потому резонируют в относительно сильных полях. Синглетные сигналы протонов метильной групп, связанные с углеродным атомом трехчленного цикла резонируют при δ=1.0 м.д.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Синтез этиловых эфиров 2-бензил-3-метилциклопропанкарбоновых-1 кислот.

Синтез этиловых эфиров 2-бензил-3-метилциклопропанкарбоновых кислот осуществляли взаимодействием транс-ФБ с ЭДА в каталитических условиях в присутствии безводных солей меди (сернокислой или хлористой) по следующей методике:

В трехгорлую колбу емкостью 1 л, снабженную механической мешалкой, обратным холодильником с отводом в газометр и капельной воронкой, помещали около 0.5 г безводного CuSO₄, 3.0÷5.0 г-моль свежеперегнанного ФБ, 100 мл гептана. Колбу вначале продували азотом, а затем нагревали на водяной бане до 60°С и при перемешивании медленно прикапывали 1.0 г-моль этилдиазоацетата в течение 6-8 часов. За ходом реакции следили по выделению свободного азота. По окончании прибавления всего этилдиазоацетата реакционную массу нагревали при той же температуре еще 1 час до полного прекращения выделения азота. Смесь охлаждали до комнатной температуры и отбирали пробу для ГЖХ-анализа. Гептан отгоняли из реакционной смеси при нормальной давлении, а избыток исходного олефина и остаток перегоняли в вакууме. Отдельной фракцией были выделены замещенные этоксикарбонилциклопропаны в виде смеси двух геометрических изомеров. Полученные соединения имели следующие показатели: Т_к=138-142°С/6 мм; n_D²⁰=1.5210; d₄²⁰=1.0390; MR_D=63.81 (выч.63.88).

Синтез 2-бензил-3-метилциклопропанкарбоновых-1 кислот.

Смесь 0.1 г-моль этилового эфира 2-бензил-3-метилциклопропанкарбоновой кислоты в 60 мл абсолютного этилового спирта и 0.4 г-моль едкого кали нагревали при 60°С в течение 5 часов. После реакции избыток спирта отгоняли, остаток разбавляли водой, подкисляли концентрированной соляной кислотой. Органическую часть отделяли, а водный раствор несколько раз экстрагировали серным эфиром. Эфирные вытяжки объединяли, сушили прокаленным Na₂SO₄, затем отгоняли эфир на водяной бане, а остаток перегоняли в вакууме. Полученные соединения имели следующие константы: Т_к=150-153/4 мм; n_D²⁰=1.5340; d₄²⁰=1.0902; MR_D=54.20 (выч.54.15).

Синтез хлорангидридов 2-бензил-3-метилциклопропанкарбоновой-1 кислоты.

К растворенному в петролейном эфире 0.1 моль 2-бензил-3-метилциклопропанкарбоновой кислоты приливали 0.24 моль тионилхлорида. Температуру реакционной среды поддерживали на уровне 0-5°С. Смесь выдержали в колбе с хлоркальциевой трубкой в течение 24 часов, после чего удаляли петролейный эфир с помощью вакуума водяного насоса. Остаток перегоняли в вакууме маслонасоса. Полученный хлорангидрид 2-бензил-3-метилциклопропанкарбоновой кислоты имел следующие константы: Т_к=125-127/2 мм; n_D²⁰=1.5430; d₄²⁰=1.1492; MR_D=57.43 (выч.56.82).

Идентификация стереоизомерных форм этиловых эфиров 2-бензил-3-метилциклопропанкарбоновой-1 кислоты методом эпимеризации.

Эпимеризация хлорангидридов. 2 мл хлорангидрида смеси изомеров 2-бензил-3-метилциклопропанкарбоновой кислоты в атмосфере инертного газа (аргон или азот) поместили в ампулу, запаяли и выдерживали в термостате при температуре 130°С в течение 14 часов. Ампулу охлаждали, вскрывали и добавляли 10 мл абсолютного этанола. Полученную смесь для превращения в этиловый эфир кипятили на водяной бане в течение 5 часов. После отгонки избытка спирта продукты хроматографировали.

Эпимеризация эфиров. Исходную смесь изомеров эфиров 2-бензил-3-метилциклопропанкарбоновой-1 кислоты (0.1 г-моль) в абсолютном этаноле (25 мл) добавляли к раствору этилата натрия в абсолютном этаноле (50 мл). Полученный раствор в атмосфере аргона помещали в ампулу, запаивали и нагревали при 80°С в течение 4 суток. Затем ампулу охлаждали и вскрывали. Продукты эпимеризации подвергали хроматографическому анализу. Идентификация стереоизомеров была осуществлена сопоставлением хроматограмм исходной смеси изомеров и продуктов эпимеризации. Полученные данные приведены ниже.

Соединение	Способ проведения эпимеризации	Содержание эфиров в исходном эфире (%)		Содержание изомеров после реакции эпимеризации (%)
		Транс-	Цис-	Транс-	Цис-
Этиловый эфир 2-бензил-3-метилциклопропанкарбоновой-1 кислоты	Эпимеризация хлорангидрида Эпимеризация эфиров	51 51	49 49	56 62	44 38

ЛИТЕРАТУРА

1. Мищеряков А.П., Долгий И.Е., Манаков М.Н., Гайворонская Г.К.. Взаимодействие диазоуксусного эфира с разветвленными алкенами. // Изв.АН СССР. Сер. Хим. 1966, С.1235-1240

2. Maas G. Ruthenium-catalyzed cyclopropanation reactions with diazo compounds. // Chem.Soc.Rev.2004, v.33, p.183-190

3. Гулиев А.М., Лишанский И.С., Померанцев В.И., Туркова А.Д. Синтез и установление структуры аддуктов карбена с цис- и транс-пентадиеном-1.3. // Ж. орг. химии, 1970, № 5, с. 918

4. Шапиро Е.А., Дяткин А.Б., Нефедов О.М. Синтез и карбенное разложение функциональнозамещенных эфиров диазоуксусной кислоты.// Изв.АН СССР, Сер.хим. 1991, № 5, с.1051-1056

5. March J. Advanced Organic Chemistry: Reactions, Mechanisms and Structure. 4^th ed. John Willey & Sons: New York, 1992.

6. Химия карбенов. О.М.Нефедов, А.И.Иоффе, Л.Г.Менчиков./ М.:Химия, 1990, 304 с. С.177-192

7. Lebel H., Marcoux J.F., Molinaro c., Charette A.B. Stereoselective cyclopropanation reactions. // Chem.Rev.- 2003, v.103, N 3, p.977-1050