Реакция циклизации Назарова
Nazarov cyclization | |
---|---|
Назван в честь | Ivan Nikolaevich Nazarov |
Тип реакции | Реакция образования кольца |
Идентификаторы | |
Портал органической химии | nazarov-cyclization |
RSC Идентификатор онтологии | RXNO: 0000209 |
Реакция циклизации Назарова (часто называемая просто циклизацией Назарова ) — химическая реакция, используемая в органической химии для синтеза циклопентенонов . Реакцию обычно делят на классический и современный варианты, в зависимости от используемых реагентов и субстратов . Первоначально он был открыт Иваном Николаевичем Назаровым (1906–1957) в 1941 году при изучении перегруппировок аллилвинилкетонов. [1]
Как первоначально описано, циклизация Назарова включает активацию дивинилкетона с использованием промотора стехиометрической кислоты Льюиса или протонной кислоты . Ключевой этап механизма реакции включает катионное замыкание 4π- электроциклического кольца , в результате которого образуется циклопентенон (см. Механизм ниже). По мере развития реакции варианты, включающие субстраты, отличные от дивинилкетонов, и промоторы, отличные от кислот Льюиса, были объединены под названием циклизация Назарова при условии, что они следуют аналогичному механистическому пути .
Успех циклизации Назарова как инструмента органического синтеза обусловлен полезностью и повсеместностью циклопентенонов как в качестве мотивов в натуральных продуктах (включая жасмон , афлатоксины и подкласс простагландинов ), так и в качестве полезных синтетических промежуточных продуктов для полного синтеза . Реакция использовалась в нескольких полных синтезах, и было опубликовано несколько обзоров. [2] [3] [4] [5] [6] [7]
Механизм
[ редактировать ]Механизм классической реакции циклизации Назарова был впервые экспериментально продемонстрирован Чарльзом Шоппи как внутримолекулярная электроциклизация и изложен ниже. Активация кетона кислотным катализатором приводит к образованию пентадиенильного катиона, который подвергается термически разрешенной 4π- электроциклизации, как это предписано правилами Вудворда-Хоффмана . При этом образуется оксиаллильный катион , который подвергается реакции элиминирования с потерей β-водорода. Последующая таутомеризация енолята приводит к образованию циклопентенона. [8] [9]
Как отмечалось выше, известны варианты, отклоняющиеся от этого шаблона; то, что обозначает циклизацию Назарова, в частности, - это образование пентадиенильного катиона с последующим электроциклическим замыканием кольца до оксиаллильного катиона. Чтобы достичь этого преобразования, молекула должна находиться в конформации s-транс/s-транс , располагая винильные группы в соответствующей ориентации. Склонность системы к вступлению в эту конформацию резко влияет на скорость реакции , при этом α-замещенные субстраты имеют увеличенную популяцию необходимого конформера из-за аллильного штамма . Координация электронодонорного α-заместителя катализатором также может увеличить скорость реакции за счет обеспечения этой конформации. [2]
Точно так же β-замещение, направленное внутрь, настолько сильно ограничивает s-транс-конформацию, что было показано, что EZ- изомеризация происходит до циклизации на широком спектре субстратов, образуя транс-циклопентенон независимо от начальной конфигурации. Таким образом, циклизация Назарова является редким примером перициклической реакции , тогда как большинство электроциклизаций стереоспецифичны стереоселективной . В приведенном ниже примере триэтилсилан используется для улавливания оксиаллильного катиона, чтобы не происходило его отщепления. [2] (См. Прерванные циклизации ниже)
В том же духе алленилвинилкетоны того типа, который подробно изучал Маркус Тиус из Гавайского университета, демонстрируют резкое ускорение скорости из-за удаления β-водородов, что позволяет избежать большого количества стерических напряжений в s-цис-конформере. [6]
Классические циклизации Назарова
[ редактировать ]Хотя циклизации, соответствующие приведенной выше общей схеме, наблюдались и до участия Назарова, именно его исследование перегруппировок аллилвинилкетонов ознаменовало первое серьезное исследование этого процесса. Назаров правильно предположил, что аллиловый олефин изомеризуется in situ с образованием дивинилкетона перед замыканием цикла с образованием циклопентенона. Реакция, показанная ниже, включает алкинов реакцию оксимеркурации с образованием необходимого кетона. [10]
В последующие годы исследования этой реакции были относительно спокойными, пока в середине 1980-х годов не было опубликовано несколько синтезов с использованием циклизации Назарова. Ниже показаны ключевые этапы синтеза триходиена и нор-стереполида, последний из которых, как полагают, протекает посредством необычной алкин - алленовой изомеризации, в результате которой образуется дивинилкетон. [11] [12]
Недостатки
[ редактировать ]Классическая версия циклизации Назарова имеет ряд недостатков, которые современные варианты пытаются обойти. Первые два не очевидны только из механизма, но указывают на препятствия на пути циклизации; последние три связаны с проблемами селективности, связанными с элиминированием и протонированием промежуточного соединения. [2]
- Для реакции обычно требуются сильные кислоты Льюиса или протонные кислоты (например, TiCl 4 , BF 3 , MeSO 3 H ). Эти промоторы несовместимы с чувствительными функциональными группами, что ограничивает область применения субстратов.
- Несмотря на механистическую возможность катализа несколько эквивалентов , для осуществления реакции часто требуется промотора. Это ограничивает атомную экономику реакции.
- Этап исключения не является региоселективным ; если для удаления доступно несколько β-водородов, различные продукты часто наблюдаются в виде смесей. Это крайне нежелательно с точки зрения эффективности, поскольку трудное разделение . обычно требуется
- Элиминация разрушает потенциальный стереоцентр , снижая потенциальную полезность реакции.
- Протонирование енолята иногда не является стереоселективным , а это означает, что продукты могут образовываться в виде смесей эпимеров .
Современные варианты
[ редактировать ]Отмеченные выше недостатки ограничивают полезность реакции циклизации Назарова в ее канонической форме. Однако модификация реакции, направленная на устранение ее проблем, продолжает оставаться активной областью академических исследований . В частности, исследования были сосредоточены на нескольких ключевых областях: придание реакции каталитического характера в промоторе, проведение реакции с более мягкими промоторами для улучшения толерантности к функциональным группам , управление региоселективностью стадии элиминирования и улучшение общей стереоселективности . Они были успешными в разной степени.
Кроме того, модификации были направлены на изменение хода реакции либо за счет образования пентадиенильного катиона нестандартным способом, либо за счет «перехвата» оксиаллильного катиона различными способами. Кроме того, были разработаны энантиоселективные варианты различных типов. Огромный объем литературы по этому вопросу не позволяет всесторонне изучить эту область; ключевые примеры приведены ниже.
Кремниевая циклизация
[ редактировать ]Самые ранние попытки улучшить селективность циклизации Назарова использовали эффект β-кремния для управления региоселективностью стадии элиминирования. Эта химия была наиболее широко разработана профессором Скоттом Дании из Университета Иллинойса, Урбана-Шампейн, в середине 1980-х годов, и используются стехиометрические количества трихлорида железа для ускорения реакции . В случае бициклических продуктов цис- изомер выбирался в разной степени. [13]
Реакция циклизации Назарова, направленная на кремний, была впоследствии использована в синтезе природного продукта сильфинена, показанного ниже. Циклизация происходит до отщепления бензилового спирта , так что результирующая стереохимия вновь образованного кольца возникает в результате приближения силилалкенового анти к эфиру. [10]
поляризация
[ редактировать ]Опираясь на эффекты заместителей, собранные в ходе различных испытаний реакции, профессор Элисон Фронтьер из Рочестерского университета разработала парадигму «поляризованных» циклизаций Назарова, в которых электронодонорные и электроноакцепторные группы используются для улучшения общей селективности реакции. Создание эффективного винилового нуклеофила и винилового электрофила в субстрате позволяет осуществлять каталитическую активацию трифлатом меди и региоселективное элиминирование. Кроме того, электроноакцепторная группа увеличивает кислотность α-протона, обеспечивая селективное образование транс-α-эпимера посредством уравновешивания. [14]
Часто можно добиться каталитической активации, используя только отдающую или отводящую группу, хотя эффективность реакции (выход, время реакции и т. д.) обычно ниже.
Альтернативное поколение катионов
[ редактировать ]В более широком смысле, любой пентадиенильный катион независимо от его происхождения способен подвергаться циклизации Назарова. Опубликовано большое количество примеров, в которых необходимый катион получается путем различных перегруппировок. [2] Одним из таких примеров является катализируемое серебром раскрытие катионного кольца аллильных дихлорциклопропанов. Соль серебра облегчает потерю хлорида за счет осаждения нерастворимого хлорида серебра . [15]
При полном синтезе рокагламида эпоксидирование винилалкоксиалленилстаннана также приводит к образованию пентадиенильного катиона посредством раскрытия кольца полученного эпоксида . [16]
Прерванная циклизация
[ редактировать ]После того, как произошла циклизация, образуется оксиаллильный катион. Как подробно обсуждалось выше, типичным путем для этого промежуточного соединения является элиминация с последующей енолята таутомеризацией . Однако эти два этапа могут быть прерваны различными нуклеофилами и электрофилами соответственно. Захват оксиаллильных катионов был широко разработан Фредриком Г. Уэстом из Университета Альберты , и его обзор охватывает эту область. [17] Оксиаллильный катион может захватываться гетероатомом и углеродными нуклеофилами , а также подвергаться катионному циклоприсоединению с различными связанными партнерами. Ниже показана каскадная реакция, в которой последовательный захват катиона генерирует пентациклическое ядро за одну стадию с полной диастереоселективностью . [18]
Захват енолята различными электрофилами встречается значительно реже. В одном исследовании циклизация Назарова сочетается с реакцией Михаэля с использованием иридиевого катализатора для инициирования нуклеофильного конъюгатного присоединения енолята к β-нитростиролу . В этой тандемной реакции иридиевый лигандного катализатор необходим для обеих конверсий: он действует как кислота Льюиса в циклизации Назарова, а на следующем этапе нитрогруппа нитростирола сначала координируется с иридием в ходе обмена с атомом кислорода карбонильного эфира, прежде чем фактически произойдет Присоединение Михаэля происходит к противоположной грани R-группы. [19]
Энантиоселективные варианты
[ редактировать ]Разработка энантиоселективной циклизации Назарова является желательным дополнением к репертуару реакций циклизации Назарова. С этой целью было разработано несколько вариантов с использованием хиральных вспомогательных веществ и хиральных катализаторов . диастереоселективные Известны также циклизации, при которых существующие стереоцентры управляют циклизацией. Почти все попытки основаны на идее торкоселективности ; выбор одного направления для «вращения» виниловых групп, в свою очередь, устанавливает стереохимию, как показано ниже. [2]
Таким образом, кремниевые циклизации Назарова могут проявлять индуцированную диастереоселективность. В приведенном ниже примере силильная группа направляет циклизацию, предотвращая вращение удаленного алкена «к ней» посредством неблагоприятного стерического взаимодействия . Таким образом, кремний действует как бесследное вспомогательное вещество . (Исходный материал не является энантиомерным, но сохранение избытка энантиомеров предполагает, что вспомогательное вещество управляет циклизацией.) [2]
Алленильные субстраты Тиуса могут демонстрировать перенос хиральности от аксиального к тетраэдрическому, если используются энантиочистые аллены. В приведенном ниже примере создается хиральный диосфенпол с выходом 64% и энантиомерным избытком 95% . [2]
Тиус дополнительно разработал вспомогательное вещество на основе камфоры для ахиральных алленов, которое было использовано в первом асимметричном синтезе розофилина . На ключевом этапе в качестве растворителя используется необычная смесь гексафтор-2-пропанола и трифторэтанола . [2] [20]
О первой хиральной кислоте Льюиса, способствующей асимметричной циклизации Назарова, сообщил Вариндер Аггарвал меди (II) , и в ней использовались комплексы бисоксазолинового лиганда с эи до 98%. Использование 50 мол% медного комплекса не повлияло на энантиомерный избыток, но выход значительно снизился. [2]
Связанные реакции
[ редактировать ]Расширения циклизации Назарова обычно также относят к тому же названию. Например, ненасыщенный кетон α-β, γ-δ может подвергаться аналогичной катионной конротационной циклизации, которую обычно называют реакцией циклизации изо-Назарова . [21] Другие подобные расширения получили аналогичные названия, включая гомо -назаровские циклизации и винилологические циклизации Назарова. [22] [23]
Retro-Nazarov reaction
[ редактировать ]Поскольку они сверхстабилизируют пентадиенильный катион, заместители, отдающие β-электроны, часто серьезно препятствуют циклизации Назарова. На основании этого сообщалось о нескольких электроциклических раскрытиях колец β-алкоксициклопентанов. Их обычно называют реакциями ретро-назарова циклизации . [2]
Imino-Nazarov reaction
[ редактировать ]Азотные аналоги реакции циклизации Назарова (известные как реакции циклизации имино-Назарова ) встречаются редко; есть один пример обобщенной имино-назаровской циклизации (показан ниже), [24] и несколько изо-имино-Назарова реакций в литературе. [25] [26] Даже они, как правило, страдают от плохой стереоселективности, плохой урожайности или узкой области применения. Трудность связана с относительной чрезмерной стабилизацией пентадиенильного катиона за счет донорства электронов, что препятствует циклизации. [27]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Nazarov, I.N.; Zaretskaya, I.I. (1941), Izv. Akad. Nauk. SSSR, Ser. Khim : 211–224
{{citation}}
: Отсутствует или пусто|title=
( помощь ) - ^ Jump up to: а б с д и ж г час я дж к Фронтир, Эй Джей; Коллисон, К. (2005), «Циклизация Назарова в органическом синтезе. Последние достижения», Tetrahedron , 61 (32): 7577–7606, doi : 10.1016/j.tet.2005.05.019
- ^ Сантелли-Рувье, К.; Сантелли, М. (1983), «Циклизация Назарова», Synthesis , 1983 (6): 429–442, doi : 10.1055/s-1983-30367.
- ^ Дания, ЮВ; Хабермас, КЛ; Джонс, Т.К. (1994), «Циклизация Назарова», Органические реакции , 45 : 1–158.
- ^ Дания, SE (1991), Пакетт, Лос-Анджелес (редактор), «Назаров и родственные катионные циклизации», Comprehensive Organic Synthesis , 5 , Oxford: Pergamon Press: 751–784, doi : 10.1016/b978-0-08-052349 -1.00138-4 , ISBN 9780080523491
- ^ Jump up to: а б Тиус, Массачусетс (2005), «Некоторые новые химии Назарова», Eur. Дж. Орг. хим. , 2005 (11): 2193–2206, doi : 10.1002/ejoc.200500005
- ^ Пеллиссье, Элен (2005), «Последние события в Назаровском процессе», Tetrahedron , 61 (27): 6479–6517, doi : 10.1016/j.tet.2005.04.014
- ^ Шоппи, CW ; Лэк, Р.Э. (1969), «Внутримолекулярные электроциклические реакции. Часть I. Структура бромгидроксифорона: 3-бром-5-гидрокси-4,4,5,5-тетраметилциклопент-2-енон», Журнал Химического общества C. : Органический (10): 1346–1349, doi : 10.1039/J39690001346.
- ^ Шоппи, CW ; Кук, Б.Дж.А. (1972), «Внутримолекулярные электроциклические реакции. Часть II. Реакции 1,5-дифенилпента-1,4-диен-3-она», Журнал Химического общества, Perkin Transactions 1 : 2271, doi : 10.1039/p19720002271
- ^ Jump up to: а б Курти, Л.; Чако, Б. (2005). Стратегическое применение названных реакций в органическом синтезе (1-е изд.). Берлингтон, Массачусетс: Elsevier Academic Press. стр. 304–305. ISBN 9780124297852 .
- ^ Хардинг, Кентукки; Клемент, К.С. (1984), «Высокостереоселективный конвергентный синтез (±)-триходиена», Журнал органической химии , 49 (20): 3870–3871, doi : 10.1021/jo00194a054
- ^ Арай, Ю.; Такеда, К.; Масуда, К.; Коидзуми, Т. (1985), «Синтез (±)-нор-стереполида», Chemistry Letters , 14 (10): 1531–1534, doi : 10.1246/cl.1985.1531
- ^ Дания, ЮВ; Джонс, Т.К. (1982), "Направляемая кремнием циклизация Назарова", J. Am. хим. Соц. , 104 (9): 2642–2645, doi : 10.1021/ja00373a055
- ^ Он, В.; Солнце, Х.; Frontier, AJ (2003), «Поляризация циклизации Назарова: эффективный катализ в мягких условиях», J. Am. хим. Соц. , 125 (47): 14278–14279, doi : 10.1021/ja037910b , PMID 14624567
- ^ Грант, Теннесси и Вест, Ф.Г. (2006), «Новый подход к реакции Назарова посредством последовательного электроциклического раскрытия и замыкания кольца», J. Am. хим. Соц. , 128 (29): 9348–9349, doi : 10.1021/ja063421a , PMID 16848467
- ^ Малона, Дж.А.; Кариу, К.; Frontier, AJ (2009), «Циклизация Назарова, инициированная окислением надкислоты: полный синтез (±)-рокагламида», J. Am. хим. Соц. , 131 (22): 7560–7561, doi : 10.1021/ja9029736 , PMC 2732401 , PMID 19445456
- ^ Грант, Теннесси; Ридер, CJ; Уэст, Ф.Г. (2009), «Прерывание реакции Назарова: домино и каскадные процессы с использованием циклопентенильных катионов», Chem. Коммун. (38): 5676–5688, doi : 10.1039/B908515G , PMID 19774236
- ^ Бендер, Ю.А.; Ариф, AM; Уэст, Ф.Г. (1999), «Диастереоселективная каскадная полициклизация арилтриенонов, инициированная Назаровым», J. Am. хим. Соц. , 121 (32): 7443–7444, doi : 10.1021/ja991215f
- ^ Янка, М.; Он, В.; Хедике, IE; Фрончек, Франция; Фронтир, Эй Джей; Айзенберг, Р. (2006), «Тандемная последовательность циклизации Назарова-присоединения Майкла, катализируемая комплексом Ir (III)», J. Am. хим. Соц. , 128 (16): 5312–5313, doi : 10.1021/ja058772o , PMID 16620081
- ^ Харрингтон, ЧП; Тиус, Массачусетс (1999), «Формальный полный синтез розеофилина: подход циклопентаннелирования к макроциклическому ядру», Org. Летт. , 1 (4): 649–652, doi : 10.1021/ol990124k , PMID 10823195
- ^ Юнг, МЭ; Ю, Д. (2007), «Беспрецедентная перегруппировка 4-алкокси-5-бромалк-2-ен-1-ола в циклопентенон посредством процесса циклизации изо-Назарова», Журнал органической химии , 72 (22) : 8565–8568, doi : 10.1021/jo071104w , PMID 17910498
- ^ Де Симоне, Ф.; Андрес, Ж .; Торосантуччи, Р.; Васер, Дж. Р.М. (2009), «Каталитическая формальная гомоназаровская циклизация» , Organic Letters , 11 (4): 1023–1026, doi : 10.1021/ol802970g , PMID 19199774
- ^ Ридер, CJ; Винберг, К.Дж.; Уэст, Ф.Г. (2009), «Циклизация перекрестно-сопряженных триенов: винилологическая реакция Назарова», Журнал Американского химического общества , 131 (22): 7504–7505, doi : 10.1021/ja9023226 , PMID 19435345
- ^ Тиус, Массачусетс; Чу, CC; Ньевес-Колберг, Р. (2001), «Циклизация Имино Назарова», Tetrahedron Letters , 42 (13): 2419–2422, doi : 10.1016/s0040-4039(01)00201-5
- ^ Ким, С.-Х.; Ча, Дж.К. (2000), «Синтетические исследования капалотаксина: функционализация третичных N-ацилгемиаминалов путем циклизации Назарова», Synthesis , 2000 (14): 2113–2116, doi : 10.1055/s-2000-8711
- ^ Ларини, П.; Гуарна, А.; Оккиато, Э.Г. (2006), «Катализируемая кислотой Льюиса реакция Назарова 2-(N-метоксикарбониламино)-1,4-пентадиен-3-онов», Org. Летт. , 8 (4): 781–784, doi : 10.1021/ol053071h , PMID 16468766
- ^ Смит, Д.А.; Улмер, К.В. (1997), «Влияние заместителей в 3-положении на электроциклизацию пентадиенильного катиона [2 + 2]», Журнал органической химии , 62 (15): 5110–5115, doi : 10.1021/jo9703313