Ringexpansion och sammandragning

Generaliserad kontraktion (A) och expansion (B).

Ringexpansion och ringkontraktionsreaktioner under organisk syntes avser en uppsättning reaktioner som kan leda till expansion eller sammandragning av en befintlig ring . Detta gör det ofta möjligt att komma åt strukturer som skulle vara svåra om inte omöjliga att syntetisera med enstaka cykliseringsreaktioner . Ringexpansioner är värdefulla eftersom de ger tillgång till större system som är svåra att syntetisera genom en enda cyklisering på grund av den långsamma bildningshastigheten. Ringsammandragningar är användbara för att göra mindre, mer ansträngda ringar av större ringar. Expansioner klassificeras efter expansionsmekanismen och den eller de tillsatta atomerna; sammandragningar kännetecknas helt enkelt av den reaktiva mellanprodukten som utför sammandragningen.

Beskrivning

Under loppet av en organisk syntes behöver en kemist ofta bilda en ny eller ändra en befintlig ring. Ringexpansion och ringkontraktionsreaktioner används för att expandera eller dra ihop en befintlig ring , vilket ofta gör det möjligt att komma åt strukturer som skulle vara svåra om inte omöjliga att syntetisera med enstaka cykliseringsreaktioner .

Ringexpansionsreaktioner

Ett schema som visar ringexpansion genom exocyklisk bindningsmigrering (A) och ringöppning av en bicyklisk molekyl (B).

Ringexpansioner är värdefulla eftersom de tillåter tillgång till större system som är svåra att syntetisera genom en enda cyklisering på grund av den långsamma bildningshastigheten (sju-ledade och större ringar). Genom att klassificera ringexpansionsmekanismen och de tillsatta atomerna kan man se likheterna mellan olika expansionsmetoder och olika inkorporerade atomer. Den bredaste klassificeringen kommer av expansionsmekanismen. Ringarna kan expanderas genom angrepp av ringen på en extern grupp som redan är ansluten till ringen (en migration /insättning), öppning av en cykel till en enda större ring, eller koppling av en ring som stängs med en expansion. Dessa expansioner kan ytterligare brytas ner av vilken typ av atom de införlivar (ett kol eller en heteroatom) i den expanderade ringen.

Kolinsättningsreaktioner

Kolinsättningar är oerhört användbara reaktioner som introducerar en ytterligare kolatom i ringen. Dessa reaktioner används i syntesen av många droger och naturliga produkter. Dessa kan fortsätta genom någon av mekanismerna som anges nedan.

Bindningsmigreringssteget för omarrangemang av pinacol-typ.

Kolinförande genom migration till en exocyklisk grupp

Dessa reaktioner har de allmänna egenskaperna att de har en exocyklisk lämnande grupp på ett kol intill ringen och en elektrondonerande grupp på ringen som kan initiera en migration av en endocyklisk bindning.

En vanlig migrationsintroduktion av kol är en pinacol-omläggning . Även om denna reaktion specifikt hänvisar till en vicinal dihydroxidomlagring, finns det andra omarrangemang av pinacoltyp som fortsätter genom samma allmänna mekanism som Tiffeneau- Demjanov-omlagringen . Dessa "semipinakol-omlagringar" inträffar under mildare förhållanden och är således att föredra i komplexa synteser. Dessa reaktioner är användbara utöver att bara expandera en ring eftersom den exocykliska gruppen som attackeras också kan ha annan funktionalitet bifogad till den förutom den lämnande gruppen. Gruppen till vilken den endocykliska bindningen migrerar kan också selektivt adderas till ringen baserat på den funktionalitet som redan finns, till exempel 1,2-addition till en cyklisk keton.

Kolinföring genom öppning av en cykel

En generaliserad mekanism för Buchner-ringens expansion.

Kolintroduktion genom öppningen av ett bicykliskt system är ett annat sätt att introducera antingen ett enda kol eller flera åt gången i en ring. Den enda kolintroduktionen går ofta genom en cyklopropan innehållande bicyklisk mellanprodukt, som därefter öppnas för att ge den expanderade ringen. Expansionen kan ske antingen genom en elektrocyklisk ringöppning eller genom en inducerad klyvning av den delade bindningen.

Dessa reaktioner är differentierade i termer av hur kolet tillsätts för att bilda cyklopropanringen. En Simmons-Smith- liknande reaktion med en alkeninnehållande ring kan användas för att införa ett enda kol. Det finns andra metoder för att cyklopropantera andra funktionaliteter, såsom Buchner-ringexpansionen för nukleofihlisk attack (A) och granngruppdonation (B). Bildandet av cyklopropanringen i en enda kolexpansion tillåter införandet av ytterligare funktionalitet tillsammans med ringexpansionen, förutsatt att den extra funktionaliteten läggs till kolet som sätts in. Målet för cyklopropanering varierar också beroende på de betingelser som används. Simmons-Smith-reaktionen lägger till alkener medan Buchner-ringens expansion tillåter tillägg till typiskt oreaktiva arener. Buchner-ringexpansionen är användbar eftersom den ger cykloheptatriener som ringöppnade produkter, som finns i kärnan av vissa naturliga produkter, såsom azulener. Ett viktigt övervägande i dessa ringexpansioner är ringöppningen till en expanderad ring och inte en exocyklisk grupp på originalringen eller en oöppningsbar produkt. Buchner-ringens expansion uppmuntras att öppna sig för den önskade produkten genom att placera elektronbortdragande grupper på det tillsatta kolet. För att utföra ringöppningen på mättade bicykliska molekyler måste cyklopropanen införas så att en angränsande grupp kan underlätta expansionen eller så måste ringen öppnas genom attackera expansionen eller så måste ringen öppnas genom attack från en extern grupp.

Ringöppning som ett medel för ringexpansion kan även appliceras på större system för att ge tillgång till ännu större ringsyscyklisering. Grob-fragmenteringen kan användas som ett exempel på en sådan expansion. Liksom migrationen av pinacoltyp bygger Grob-fragmenteringen på en elektrondonerande grupp för att främja bindningsmigreringen och uppmuntra den lämnande gruppen att fördrivas. I detta fall kan den elektrondonerande gruppen vara en pseudoelektrondonerande grupp som är kapabel att eliminera och donera ett elektronpar till kolet med den brytande bindningen. Att arbeta med två mindre ringar kan möjliggöra utarbetning av två delar av molekylen separat innan man arbetar med den expanderade ringen. Dowd-Beckwith ringexpansionen kan också lägga till flera kol till en ring åt gången, e att lägga till flera kol till en ring åt gången, och är ett användbart verktyg för att göra stora ringar. Medan den fortsätter genom en mellancykel sker den slutliga cykliseringen och ringöppningen inom samma radikala reaktion . Denna expansion är användbar eftersom den tillåter expansion av en beta-ketoester till en stor cyklisk keton som lätt kan utvecklas med användning av antingen den cykliska ketonen eller den exocykliska estern.

Bindningsmigreringsstegen i Baeyer-Villiger-oxidationen (A) och Beckmann-omlagringen (B).

Heteroatominsättningsreaktioner

Heteroatomtillägg till ringar kan ske genom ringexpansion om inte de inte görs genom de-novo ringsyntes. Dessa introduktioner är i första hand ringexpansioner eftersom de ofta sker genom migrations-/insättningsvägar liknande de som nämnts ovan för kol. Exempel inkluderar högpåverkande tillämpningar av Beckmann-omarrangemang (för införande av kväve i kodein) och Baeyer-Villiger-oxidation (införande av syre till bur-annulerade etrar) i syntes. Båda inträffar med utstötningen av en lämnande grupp när alkylgruppen migrerar till den exocykliska heteroatomen, vilket är slående likt omarrangemang av pinacol-typ.

Ringkontraktionsreaktioner

Ringkontraktion genom anjoniska (A), katjoniska (B) och karbenoida (C) reaktiva mellanprodukter.

Ringsammandragningar är användbara för att göra mindre, mer ansträngda ringar av större ringar. Drivkraften för att tillverka dessa ringar kommer från svårigheten att göra en helt utarbetad liten ring när en sådan ring lättare skulle kunna tillverkas av en utarbetad större ring, från vilken en atom kan skäras ut, eller att den ursprungliga större ställningen är mer tillgänglig .

Ringsammandragningar karakteriseras lätt helt enkelt av den reaktiva mellanprodukten som utför sammandragningen. Standardmellanprodukterna är anjoniska, katjoniska och karbenoider.

Anjoniska sammandragningar

Favorskii -omläggningen är affischbarnet till de anjoniska ringsammandragningarna. Den fortsätter genom en karbanjon som angriper ett endocykliskt kol och driver ut en lämnande grupp (en halogenid) och bildar en bicyklisk molekyl med ringar som är mindre än originalet. Cykeln öppnas sedan genom nukleofil attack på ketonen för att ge den sammandragna produkten.

En generaliserad mekanism av Favorskii omarrangemang för att ge en ringkontrakterad produkt. Observera att anjonbildning har utelämnats.

Ett alternativ till standardfavorskii-omarrangemanget är att utföra vad som kan ses som en negativ pinacol-omarrangering där en anjonisk grupp uppmuntrar en bindning i linje med en lämnande grupp att migrera och utvisa den lämnande gruppen, vilket har använts i flera synteser. Det bör också noteras att den så kallade "quasi-Favorskii-omlagringen" fortskrider utan en ytterligare nukleofil för att bilda den slutliga kontrakterade produkten.

En allmän omställning av pinacoltyp till ett ojämlikt 5,7-ringsystem.

Katjonsammandragningar

Den katjoniska omlagringskontraktionen fortskrider genom förlusten av en lämnande grupp och migreringen av en endocyklisk bindning till karbokaten. Omarrangemang av Pinacol-typ används ofta för denna typ av sammandragning. Liksom expansionsreaktionen fortsätter detta med en elektrondonerande grupp som hjälper till i migrationen.

Sammandragningsreaktioner av en ring kan kopplas till en expansion av en annan för att ge en ojämlik cykel från lika stor smält ring. Dessa katjoniska omarrangemang har funnit användning för att syntetisera kärnorna i komplexa molekyler.

Karbenoidsammandragningar

Mekanism av Wolff omarrangemang som används för att ge en ringkontrakterad produkt.

Wolff -omläggningen kan användas för att utföra ringsammandragningar. Det fortsätter genom en karbenoid som genereras från sönderdelning av en diazoketon, som sätts in i kol-kolbindningen på motsatt sida av ketonen.

  1. ^ Casadei, MA; Calli, C.; Mandolini, L. (1 februari 1984). "Ringslutningsreaktioner. 22. Kinetik för cyklisering av dietyl (o-bromoalkyl)malonater i intervallet 4- till 21-ledade ringar. Roll av ringstam". Journal of the American Chemical Society . 106 (4): 1051-1056. doi : 10.1021/ja00316a039 .
  2. ^ a b c   Kantorowski, EJ; Kurth, MJ (2000). "Utökning till sju-ledade ringar" (PDF) . Tetraeder . 56 (26): 4317–4353. doi : 10.1016/S0040-4020(00)00218-0 . S2CID 34628258 . Arkiverad från originalet (PDF) den 18 augusti 2019.
  3. ^    Kurti, L.; Czako, B. (2005). Strategiska tillämpningar av namngivna reaktioner . Elsevier. sid. 350. ISBN 978-0-12-429785-2 . OCLC 1107566236 .
  4. ^ Bieräugel, H.; Akkerman, JM; Armande, JCL; Pandit, Storbritannien (1974). "En specifik insättning av karbener i kol-kolbindningar". Tetraederbokstäver . 15 (33): 2817–2820. doi : 10.1016/S0040-4039(01)91751-4 .
  5. ^ Hoberg, JO; Bozell, JJ (september 1995). "Cyklopropanering och ringexpansion av omättade sockerarter". Tetraederbokstäver . 36 (38): 6831–6834. doi : 10.1016/0040-4039(95)01387-W .
  6. ^   Hierold, J.; Lupton, DW (juli 2012). "Syntes av spirocykliska γ-laktoner av Cascade Beckwith-Dowd Ring Expansion/Cyclization". Organiska bokstäver . 14 (13): 3412–3415. doi : 10.1021/ol301387t . PMID 22691029 .
  7. ^ Dowd, P.; Choi; SCJ Am. Chem. Soc. 1987, 3493–3494
  8. ^   McMurry, John (2008). Organisk kemi 7:e upplagan . s. 945–946. ISBN 978-0-495-11258-7 .
  9. ^ Vit JD; Hrnciar, P.; Stappenbeck, F. (1999). "Asymmetrisk total syntes av (+)-kodein via intramolekylär karbenoidinsättning". Journal of Organic Chemistry . 63 (21): 7871–7884. doi : 10.1021/jo990905z .
  10. ^   Marchand, AP; Kumar, VS; Hariprakasha, HK (2001). "Syntes av nya Cage Oxaheterocycles". Journal of Organic Chemistry . 66 (6): 2072–2077. doi : 10.1021/jo001611c . PMID 11300903 .
  11. ^ Silva, LF Tetrahedron 2002, 9137–9161 [ fullständig hänvisning behövs ]
  12. ^ a b Myers, Andrew. "Metoder för ringkontraktion" (PDF) . Hämtad 30 november 2014 – via Harvard University Department of Chemistry and Chemical Biology.
  13. ^ Chenier, Philip J. (1978). "Favorskii-omläggningen i överbryggade polycykliska föreningar". Journal of Chemical Education . 55 (5): 286–291. Bibcode : 1978JChEd..55..286C . doi : 10.1021/ed055p286 .
  14. ^   Sång, Zhen-Lei; Fan, Chun-An; Tu, Yong-Qiang (2011). "Semipinacol omarrangemang i naturlig produktsyntes". Kemiska recensioner . 111 (11): 7523–7556. doi : 10.1021/cr200055g . PMID 21851053 .
  15. ^ Buchi, G.; Hofheinz, W.; Paulstelis, JV (november 1969). "Syntes av (-)-aromadendren och relaterade sesquiterpener". Journal of the American Chemical Society . 91 (23): 6473–6478. doi : 10.1021/ja01051a051 .
  16. ^ Kirmse, W. (juli 2002). "100 år av Wolff-omläggningen". European Journal of Organic Chemistry . 2002 (14): 2193. doi : 10.1002/1099-0690(200207)2002:14<2193::AID-EJOC2193>3.0.CO;2-D .
Hämtad från " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Ring_expansion_and_contraction&oldid=1024142973 "