Новый метод синтеза замещенных циклопропанов реакцией ?-олефинов с AlClnEt3-n и RCO2R' под действием катализатора Cp2ZrCl2

Актуальность работы. На сегодняшний день химия циклопропановых соединений является обширной и успешно развивающейся областью химической науки. Это вызвано, в первую очередь, теоретическим интересом химиков к этим весьма напряженным соединениям, возможность существования которых еще в начале прошлого века была под вопросом. Многообразные перегруппировки, легкость раскрытия цикла в изомерные ненасыщенные системы — все это определило широкое применение напряженных циклических систем в качестве синтонов для направленного синтеза органических молекул.

Широкое распространение производных циклопропана в природе и их физиологическая активность побуждают исследователей к поиску новых эффективных методов построения трехчленных карбоциклических соединений.

Известны классические методы построения трехчленных циклов, которые могут быть использованы в качестве эффективных способов получения циклопропанов и их производных, а именно, реакции Вюрца, Перкина, Дикмана, Макоша, а также Симмонса-Смита. В последние 15−20 лет наибольшую популярность и широкое применение в синтезе циклопропанов нашли методы, основанные на использовании диазосоединений, катализируемые комплексами Си, Рё и Шл. Существуют и другие, менее распространенные методы синтеза циклопропансодержащих соединений, но в целом, препаративных способов получения циклопропанов весьма ограничено.

Опираясь на описанные в мировой литературе сведения по синтезу циклопропановых соединений мы попытались разработать новый метод построения циклопропанов, основанный на реакции а-олефинов с алюминийорганическими соединениями и эфирами карбоновых кислот под действием катализатора Cp2ZrCl2, который пополнил бы арсенал известных методов синтеза циклопропанов.

В своих устремлениях мы опирались на известную и широко разрекламированную реакцию Кулинковича [1], которая позволяет превращать в одну препаративную стадию эфиры карбоновых кислот с помощью в присутствии каталитических количеств комплексов Т1 в соответствующие циклопропанолы.

Мы предположили, что замена реагентов Гриньяра в этой реакции на промышленно доступные апкилгалогеналаны и введение дополнительно в состав реакционной среды олефинов различной структуры позволит значительно расширить возможности метода Кулинковича и сделает предполагаемый нами способ более эффективным и универсальным в синтезе замещенных циклопропанов.

Цель исследования. Разработка нового однореакторного каталитического метода синтеза замещенных циклопропанов, основанного на реакции а-олефинов с А1С1ПЕ13. П (п = 1−3) и эфирами карбоновых кислот в присутствии металлического М^* под действием катализаторов Cp2ZrCl2.

В рамках планируемых исследований намечается изучить влияние природы и структуры исходных а-олефинов, алюминийорганических соединений, эфиров карбоновых кислот, а также природы растворителя на направление и структурную избирательность образования целевых замещенных циклопропанов.

Реализация данного синтетического метода является основой для разработки нового универсального метода циклопропанирования а-олефинов с помощью набора указанных выше реагентов в соответствующие алкоксициклопропаны и циклопропанолы.

Научная новизна. В рамках данной диссертационной работы разработан новый, однореакторный метод циклопропанирования а-олефинов, основанный на взаимодействии последних с А1С1ПЕ13. П, металлическим и эфирами карбоновых кислот в присутствии катализатора Ср2ХгС12.

Впервые установлено, что при взаимодействии виниларенов с А1С1пЕ1: зп в присутствии эфиров алифатических монокарбоновых кислот и металлического М§под действием катализатора Cp2ZrCl2 образуются соответствующие стереоизомерные г/ис/гаранс-алкоксициклопропаны с выходами 60−75%.

Обнаружено, что на направление реакции стирола с А1С1ПЕ13. П и эфирами алифатических а, со-дикарбоновых кислот под действием катализатора Cp2ZrCl2 существенно влияет структура исходных сложных эфиров. Так, метиловые эфиры щавелевой (С2), малоновой (СЗ) и янтарной (С4) кислот в выбранных условиях не образуют соответствующие алкоксициклопропаны, а метиловые эфиры адипиновой (С6) и пимелиновой (С 7) кислот приводят к образованию преимущественно фенилзамещенных стереоизомерных ^мс/шранс-спироциклопропиллактонов. Установлено, что реакция яаря-метилстирола и винилнафталина в разработанных условиях проходит стереоселективно с образованием исключительно транс-арилспироциклопропиллактонов.

Впервые обнаружено, что в отличие от виниларенов алифатические а-олефины в реакции с алкилгалогеналанами и эфирами монокарбоновых кислот в присутствии катализатора Ср22гС12 образуют исключительно цис-замещенные циклопропанолы с выходами ~ 45%.

Осуществлена реакция 1,7-октадиена и 1,9-декадиена с алкилгалогеналанами и эфирами алифатических монокарбоновых кислот в присутствии металлического и катализатора Cp2ZrCl2, приводящая к образованию моно-г/ис-циклопропанолов исключительно по одной двойной связи исходного а, со-диолефина.

Практическая ценность работы. Практическая значимость проведенных исследований заключается в разработке новых перспективных для практического применения эффективных методов синтеза циклопропанолов и алкоксициклопропанов. Разработанные в диссертационной работе методы и подходы к синтезу замещенных циклопропанов обладают широким синтетическим потенциалом для применения не только в лабораторной практике, но и для создания на их основе современных химических технологий получения широкого ассортимента полезных веществ и материалов.

Апробация работы и публикации. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всероссийской конференции по органической химии, посвященной 75-летию со дня основания ИОХ им. Н. Д. Зелинского (Москва, 2009), Международном симпозиуме «Avanced science in organic chemistry» (Miskhor, Crimea, 2010), XIX-Менделеевском съезде no общей и прикладной химии (Волгоград, 2011), Международном конгрессе по органической химии, посвященном 150-летию создания A.M. Бутлеровым теории химического строения органических соединений (Казань, 2011).

По материалам диссертационной работы опубликованы 2 статьи, тезисы 4 докладов на конференциях, получено 2 патента РФ.

1. Magrane J.K., Cottle, D.L. The Reaction of Epichlorohydrin with the Grignard Reagent. // J. Am. Chem. Soc. 1942. — V. 64. — P. 484−487.

2. Stahl C.W., Cottle D.L. The Reaction of Epichlorohydrin with the Grignard Reagent. Some Derivatives of Cyclopropanol. // J. Am. Chem. Soc. 1943. — V. 65.-P. 1782−1783.

3. Вольпин M.E., Дубовицкий B.A., Ногина O.B., Курсанов Д. Н. Соединение титаноцена с толаном. // Докл. АН СССР. 1963. — Т. 151. — С. 1100−1003.

4. Кулинкович О. Г., Свиридов С. В., Василевский Д. А., Притыцкая Т. С. Реакция этилмагнийбромида с эфирами карбоновых кислот в присутствии тетраизопропоксититана. // ЖОрХ. 1989. — Т. 25. — С. 2244−2245.

5. Corey E.J., Rao S.A., Noe М.С. Synthesis of cis- 1,2-disubstituted cyclopropanols from esters using a vicinal dicarbanion equivalent. // J. Am. Chem. Soc. 1994. — V. 116. — P. 9345−9346.

6. Lee J., Kim H., Cha J.K. Diastereoselective synthesis of cis 1,2 -dialkenylcyclopropanols and subsequent oxy-cope rearrangement. // J. Am. Chem. Soc.-1995.-V. 117.-P. 9919−9920.

7. Lee J., Kang C.H., Kim H., Cha J.K. Intramolecular hydroxycyclopropanation of соvinyl carboxylic esters. // J. Am. Chem. Soc. 1996. — V. 118. — P. 291−292.

8. Кулинкович О. Г., Свиридов С. В., Василевский. А.Д., Савченко А. И., Притыцкая Т. С. Реакция алкилмагнийгалогенидов с эфирами карбоновых кислот в присутствии тетраизопропоксититана. // ЖОрХ. 1991. — Т. 27. — С. 294−298.

9. Kulinkovich O.G., de Meijere A. l, n-Dicarbanionic Titanium Intermediates from Monocarbanionic Organometallics and Their Application in Organic Synthesis. // Chem. Rev. 2000. — V. 100. — P. 2789−2834.

10. Racouchot S., Ollivier J., Salaiin J. Titanium-Mediated Diastereoselective Formation of (Z) — l-(l-Alkenyl)-2-substituted-cyclopropyl Esters Efficient Precursors of (Z) — 2,3-Methanoamino Acids. // Synlett. 2000. — V. 12. — P. 17 291 732.

11. Prokhorevich K.N., Chevtchouk T.A. // The Third Youth School-Conference on Organic Synthesis «Organic Synthesis in the New Century». Book of Abstracts. St. Petersburg, Russia. — 2002.

12. Kulinkovich O.G., Sviridov S.V., Vasilevskii D.A. Titanium (IV) Isopropoxide-Catalyzed Formation of 1-Substituted Cyclopropanols in the Reaction of Ethylmagnesium Bromide with Methyl Alkanecarboxylates. // Synthesis. 1991. -P. 234.

13. Kulinkovich O.G. Titanacyclopropanes as versatile intermediates for carboncarbon bond formation in reactions with unsaturated compounds. // Pure Appl. Chem. 2000. — V. 72.-P. 1715−1719.

14. Wu Y-D., Yu Z-X. A Theoretical Study on the Mechanism and Diastereoselectivity of the Kulinkovich Hydroxycyclopropanation Reaction. // J. Am. Chem. Soc. 2001. — V. 123. — P. 5777−5786.

15. Kulinkovich O.G. The Chemistry of cyelopropanols. // Chem. Rev. 2003. -V. 103.-P. 2597−2632.

16. Lee J., Kim H., Cha J. K Diastereoselective Synthesis of cis-1,2-Dialkenylcyclopropanolsa nd Subsequent Oxy-Cope Rearrangement. // J. Am. Chem. Soc. 1995. — V. 117. — P. 9919−9920.

17. Lee J., Cha K. Radical Fragmentation of co-Bromoalkyl Cyclobutanones. A Modular Approach to Eight-Membered Carbocycles. // Org. Lett. 2002. — V. 4. -P. 3707−3709.

18. Cho S.Y., Cha J.K. Enantioselective Synthesis of 2-Substituted Cyclobutanones. // Org. Lett. 2000. — V. 2. — P. 1337−1339.

19. Долгопалец В. И., Волков C.M., Кисель M.A., Кожевко A.H., Кулинкович О. Г. Удобный метод получения 16-оксостеариновой кислоты. // ЖОрХ. -1999.-Т. 35.-С. 1469−1471.

20. Raiman M.V., Il’ina N.A., Kulinkovich O.G. A Convenient Method for the Preparation of N-Substituted 1-Acetonylaminocyclopropanes from Acetoacetic Ester Ethylene Acetal. // Synlett. 1999. — P. 1053−1054.

21. Лысенко И. Л., Кулинкович О. Г. Удобный метод получения 1-(1-аминоалкил)-1-циклопропанолов из сложных эфиров vV-бензилзамещенных аминокислот.//ЖОрХ,-2001.-Т. 37. С. 1306−1311.

22. Лысенко И. Л., Бекиш А. В., Кулинкович О. Г. Стереоселективное превращение этилового эфира пипеколиновой кислоты в (±-)-аи (±)-р-конгидрины. // ЖОрХ. 2002. — Т. 38. — С. 918−922.

23. Hazelard D., Olliver J., Paugam R., Salaiin J. Formation of 1-Ethenylcyclopropanols Involving Kulinkovich Cyclopropanation and Peterson Olefmation of a-Trimethylsilylesters. // Synlett. 2003. — P. 1155−1159.

24. Kulinkovich O.G., Savchenko A.I., Sviridov S.V., Vasilevsky D.A. Titanium (IV) Isopropoxide-catall's ed Reaction of Ethylmagnesium Bromide with Ethyl Acetate in the Presence о Styrene. // Mendeleev Commun. 1993. — V. 3. — P. 230−231.

25. Lee J., Kim H., Bae J.G., Cha J.K. A New Preparation of Cyclopropanone Hemiketals by Reductive Coupling of Terminal Olefins with Ethylene Carbonate. // J. Org. Chem. 1996. — V. 61. — P. 4878−4879.

26. Lee J., Kim H., Cha J.K. A New Variant of the Kulinkovich Hydroxycyclopropanation. Reductive Coupling of Carboxylic Esters with Terminal Olefins. // J. Am. Chem. Soc. 1996. — V. 118. — P. 4198−4199.

27. Epstein O.L., Savchenko A.I., Kulinkovich O.G. Two-step synthesis of (±)-stigmolone, the pheromone of Stigmatella aurantiaca. II Tetrahedron Lett. 2001. -V. 42.-P. 3757−3758.

28. Youn J.-H., Lee J., Cha K. Electrophilic Cyclizations of Vinylcyclopropanols to Tethered Aldehydes. // Org. Lett. 2001. — V. 3. — P. 2935−2938.

29. Quan L. G., Kim S.-H., Lee J. C., Cha J. K Diastereoselective Synthesis of trans-1,2-Dialkylcyclopropanols by the Kulinkovich Hydroxycyclopropanation of Homoallylic Alcohols. // Angew. Chem., Int. Ed. Engl. 2002. — V. 41. — P. 21 602 162.

30. Mizojiri R., Urabe H., Sato F. Generation of a Silylethylene-Titanium Alkoxide Complex. A Versatile Reagent for Silylethylation and Silylethylidenation of Unsaturated Compounds. // J. Org. Chem. 2000. — V. 65. — P. 6217−6222.

31. Mizojiri R., Urabe H., Sato F. New Synthesis of Cyclopropanols via Titanium (II)-Mediated Coupling of Vinylsilanes and Esters. // Tetrahedron Lett. 1999. -V. 40.-P. 2557−2560.

32. Lee K., Kim S.-I., Cha J.K. Diastereoselective Synthesis of Trisubstituted Cyclopropylstannanes. // J. Org. Chem. 1998. — V. 63. — P. 9135−9138.

33. Lee J., Kang C.H., Kim H., Cha J.K. Intramolecular Hydroxycyclopropanation of co-Vinyl Carboxylic Esters. // J. Am. Chem. Soc. 1996. — V. 118. — P. 291 292.

34. U J.S., Lee J., Cha J.K. A new route to sevenand eight-membered carbocycles. // Tetrahedron Lett. 1997. — V. 38. — P. 5233−5236.

35. Lecornue F., Ollivier J. Construction of medium-ring oxacycloalkenones. Extension towards benzo-fused cyclic ethers. // Org. Biomol. Chem. 2003. — V. l.-P. 3600−3604.

36. Shirai M., Okamoto S., Sato F. Practical synthesis of optically active bicyclic oxazolidinylpiperidines, chiral building blocks for preparing 1-deoxyazasugars, from serine. // Tetrahedron Lett. 1999. — V. 40. — P. 5331−5332.

37. Quan L.G., Cha J.K. Titanium-Mediated Alkylative Cyclizations of 1,3-Diene-Tethered Esters. // Org. Lett. 2001. — V. 3. — P. 2745−2748.

38. Urabe H., Suzuki D., Sasaki M., Sato F. Enol Ester as an Olefinic Partner in Enyne Cyclization. A Novel Tandem Cyclization to Stereodefined Bicyclo3.3.0.octenes. //J. Am. Chem. Soc. 2003. — V. 125. — P. 4036−4037.

39. Six Y. Titanium-Mediated Carboxylation of Alkynes With Carbon Dioxide. // Eur. J. Org. Chem. 2003. — P. 1157−1171.

40. Masalov N., Feng W., Cha J.K. Low-Valent Titanium-Mediated Cyclopropanation of Vinylogous Esters. // Org. Lett. 2004. — V. 6. — P. 23 652 368.

41. Chaplinski V., de Meijere A. A Versatile New Preparation of Cyclopropylamines from Acid Dialkylamides. // Angew. Chem., Int. Ed. Engl. -1996.-V. 35.-P. 413−414.

42. Chaplinski V., Winsel H., Kordes M., de Meijere A. A New Versatile Reagent for the Synthesis of Cyclopropylamines Including 4-Azaspiro2.n.alkanes and Bicyclo[n.l.O]alkylamines. // Synlett. 1997. — P. 111−114.

43. Cho S.Y., Lee J., Lammi R.K., Cha J.K. Reactivity of Acyl Derivatives toward Dialkoxytitanacyclopropane. // J. Org. Chem. 1997. — V. 62. — P. 8235−8236.

44. Lack O., Martin R.E. Cyclopropanation of 3,4-dihydro-l H-benzoe. 1,4]diazepine-2,5-diones. // Tetrahedron Lett. 2005. — V. 39. — P. 82 078 211.

45. Winsel H., Gazizova V., Kulinkovich O., Pavlov V., de Meijere A. Facile Preparation of (Phosphorylalkyl)-Functionalized Cyclopropanols and Cyclopropylamines. // Synlett. 1999. — P. 1999;2003.

46. Wiedemann S., Frank D., Winzel H., de Meijere A. Primary 1-Arylcyclopropylamines from Aryl Cyanides with Diethylzinc and Titanium Alkoxides. // Org. Lett. 2003. — V. 5. — P. 753−755.

47. Bobrov D.N., Kim K., Cha J.K. Olefin exchange-mediated cyclopropanation of nitriles with homoallylic alcohols. // Tetrahedron Lett. 2008. — V. 49. — P. 40 894 091.

48. Williams C.M., Chaplinski V., Schreiner P.R., de Meijere A. Unexpected titanium shifts during cyclopropanation of A^/V-dibenzylformamide with ligandexchanged titanium alkadiene complexes. // Tetrahedron Lett. 1998. — V. 39. — P. 7695−7698.

49. Faler C.A., Joullie' M.M. The Kulinkovich Reaction in the Synthesis of Constrained N, N-Dialkyl Neurotransmitter Analogues. // Org. Lett. 2007. — V. 9. -P. 1987;1990.

50. Lee J., U J.S., Blackstock S.C., Cha J.K. Facile Ring Opening of Tertiary Aminocyclopropanes by Photooxidation. // J. Am. Chem. Soc. 1997. — V. 119.— P. 10 241−10 242.

51. Cao B., Xiao D., Joullie M.M. Synthesis of Bicyclic Cyclopropylamines by Intramolecular Cyclopropanation of iV-Allylamino Acid Dimethylamides. // Org. Lett. 1999.-V. l.-P. 1799−1801.

52. Ouhamou N., Six I. Studies on the intramolecular Kulinkovich-de Meijere reaction of disubstituted alkenes bearing carboxylic amide groups. // Org. Biomol. Chem. 2003. — V. 1. — P. 3007−3009.

53. Lee J., Ha D., Cha J.K. New Synthetic Method for Functionalized Pyrrolizidine, Indolizidine, and Mitomycin Alkaloids. // J. Am. Chem. Soc. -1997.-V. 119.-P. 8127−8128.

54. Kim S.-H., Kim S.-I., Lai S., Cha J.K. Titanium-Mediated Cyclization of co-Vinyl Imides in Alkaloid Synthesis: Isoretronecanol, Trachelanthamidine, 5-Epitashiromine, and Tashiromine. // J. Org. Chem. 1999. — V. 64. — P. 67 716 775.

55. Kim S.-H., Park Y., Choo H., Cha J.K. Regioand stereochemistry of inter-and intramolecular titanium-mediated coupling of imides and mono-substituted olefins. // Tetrahedron Lett. 2002. — V. 43. — P. 6657−6660.

56. Bertus P., Szymoniak J. Titaniumand Lewis Acid-Mediated Cyclopropanation of Imides. // Org. Lett. 2007. — V. 9. — P. 659−662.

57. Mizojiri R., Urabe H., Sato F. Highly Enantioand Diastereoselective Synthesis of 2-Substituted 1-Bicyclo3.1.0.hexanols. // Angew. Chem., Int. Ed. Engl. 1998. — V. 37. — P. 2666−2668.

58. Sung M.J., Lee C.-W., Cha J.K. Ti (II)-Mediated Cyclization of co-Vinylimides. A Stereoselective Approach to Gelsemine. // Synlett. 1999. — V. 5. — P. 561−562.

59. Oiler L., Mentic G., Rutjes F.P.J.T., Speeckamp W.N., Hiemstra H. A Kulinkovich Entry into Tertiary iV-Acyliminium Ion Chemistry. // Org. Lett. -1999.-V. l.-P. 1331−1334.

60. Laroche C., Bertus P., Szymoniak J. Titanium-mediated synthesis of bicyclic cyclopropylamines from unsaturated nitriles. // Tetrahedron Lett. 2003. — V. 44. — P. 2485−2487.

61. Bertus P., Szymoniak J. Ti-Mediated Chemoselective Conversion of Cyanoesters and Cyanoamides into (3-Aminoesters and 1-Aza-spirolactams Bearing a Cyclopropane Ring. // Syn. Lett. 2003. — P. 265−267.

62. Laroche C., Bertus P., Szymoniak J. Titanium-mediated 4 + 1. assembly of 1,3-dienes and nitriles: formation of 3-cyclopentenyl amines and cyclopentenones. // Chem. Commun. 2005. — P. 3030−3032.

63. Cadoret F., Six Y. The relative reactivities of various unsaturated compounds towards diisopropyloxy (r|2-cyclopentene)titanium. // Tetrahedron Lett. 2007. -V. 48.-P. 5491−5495.

64. Bertus P., Szymoniak J. New and easy route to primary cyclopropylamines from nitriles. // Chem. Commun. 2001. — P. 1792−1793.

65. Bertus P., Szymoniak J. A Direct Synthesis of 1-Aryland 1-Alkenylcyclopropylamines from Aryl and Alkenyl Nitriles. // J. Org. Chem. -2003.-V. 68.-P. 7133−7136.

66. Szalata C., Sapi J., Szymoniak J., Bertus P., Gerard S. Synthesis of New Cyclopropanated Tryptamine Analogues. // Synlett. 2008. — P. 1479−1482.

67. Laroche С., Behr J.-B., Szymoniak J., Bertus P., Plantier-Royon R. Ti-Mediated Synthesis of Aminocyclopropyl-Substituted Carbohydrates. // Eur. J. Org. Chem. 2005. — P. 5084−5088.

68. Bertus P., Szymoniak J. Ti (II)-Mediated Conversion of a-Heterosubstituted (O, N, S) Nitriles to Functionalized Cyclopropylamines. Effect of Chelation on the Cyclopropanation Step. // J. Org. Chem. 2002. — V. 67. — P. 3965−3968.

69. Joosten A., Vasse J.-L., Bertus P., Szymoniak J. Preparation and Some Synthetic Applications of 2-Hydroxyethyl-Substituted Cyclopropylamines. // Synlett. 2008. — P. 2455−2458.

70. Dzhemilev U.M., Ibragimov A.G., Khafizova L.O., Rusakov S.V., Khalilov L.M. The first example of synthesis of aluminacyclopropanes catalysed by (r|5 -C2H5)2TiCl2. // Mendeleev Commun. 1997. — P. 198.

71. Сморгонский JI.M., Брукер А. Б. Свободные радикалы в реакциях Гриньяра. // Успехи химии. 1946. — Т. 15. — С. 81−100.

72. Вейганд-Хильгетаг. Методы эксперимента в органической химии. 3-е изд. Пер. с нем. / под редакцией Суворова Н. Н. М.: Химия. — 1968. — 944 с.

73. Методы элементорганической химии. Подгруппа меди, скандия, титана, ванадия, хрома, марганца. Лантаноиды и актиноиды. Кн. 1. / Под ред. Несмеянов А. Н. и др.- М.: Наука. 1974. — 499 с.