Взаимодействие некоторых терпеноидов с малононитрилом на

II Всероссийская конференция Химия и технология растительных веществ,
Казань, 24–27 июня 2002 г
–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ НЕКОТОРЫХ ТЕРПЕНОИДОВ С МАЛОНОНИТРИЛОМ НА
ОСНÒВНОМ ЦЕОЛИТЕ Cs-β
β. ВЛИЯНИЕ УЛЬТРАЗВУКА НА ХОД РЕАКЦИИ
К.П.Волчо, С.Ю.Курбакова, Д.В.Корчагина, Н.Ф.Салахутдинов, В.А.Бархаш
Новосибирский институт органической химии им. Н.Н. Ворожцова СО РАН,
Новосибирск, volcho@nioch.nsc.ru
В настоящее время большое внимание во всем мире уделяется использованию гетерогенных катализаторов, в частности, цеолитов, в самых различных областях органической химии. Эти катализаторы позволяют не только увеличить скорость и повысить селективность различных процессов с участием органических соединений, но и избежать экологических проблем, неизбежно возникающих при использовании традиционных катализаторов. Другой важной тенденцией современной органической химии является широкое
использование возобновляемого сырья, особенно монотерпенов и их производных, являющихся, с одной
стороны, недорогим и доступным сырьем, а с другой, зачастую обладающих уникальным строением и биологической активностью. Объединение этих двух актуальных направлений позволило нам ранее при изучении межмолекулярных реакций терпеноидов с карбонильными соединениями в присутствии кислотных
кристаллических алюмосиликатов (цеолитов и глин) обнаружить целый ряд необычных превращений, ведущих к образованию сложных полигетероциклических соединений, в том числе и с неизвестными ранее остовами. [1] Про реакционную способность терпеноидов в присутствии оснòвных кристаллических алюмосиликатов в настоящее время практически ничего не известно. Действительно, только в последние годы появились работы, посвященные использованию оснòвных цеолитов для катализа таких синтетически важных
реакций СН-кислот с карбонильными соединениями как реакции Михаэля и Кнёвенагеля [2]. В качестве
акцепторов во всех работах брались либо ароматические альдегиды, либо простейшие α,β-ненасыщенные
карбонильные соединения, направление реакций с которыми изначально не вызывало сомнений. В то же
время достаточно сложное строение терпеноидов делает возможными атаку нуклеофилом как по углеродуглеродной двойной связи (реакция Михаэля), так и по карбонильной группе (реакция Кнёвенагеля).
Целью настоящей работы было выяснение влияния особенностей строения ряда терпеноидов на направление их реакций с малононитрилом в присутствии оснòвного Cs-β-цеолита и, следовательно, на синтетические возможности использования таких реакций в экологически дружественных условиях. В результате
проведенных исследований впервые были изучены реакции некоторых терпеноидов, содержащих α,β-ненасыщенную карбонильную группу, с малононитрилом в присутствии оснòвного Cs-β цеолита. Нами показано, что направление реакции зависит в основном от стерических затруднений, создаваемых заместителями,
как у двойной связи, так и у карбонильной группы, а также синтезирован целый ряд не описанных ранее
соединений, являющихся продуктами реакций Михаэля, Кнёвенагеля, или обеих реакций.
Например, при взаимодействии цитраля 1 с малононитрилом образуется только продукт реакции
Кнёвенагеля, отсутствие продуктов реакции Михаэля объясняется наличием двух заместителей в β-положении двойной связи у карбонильной группы. Реакция ψ-дамаскона 2, имеющего, с одной стороны, более затрудненную карбонильную группу по сравнению с цитралем и, с другой стороны, монозамещенную в β-положении двойную связь, с малононитрилом ведет исключительно к продуктам реакции Михаэля.
NC
O
H
O
1
NC CN
2
NC CN
CN
H
O NC CN
NC CN
O NC
CN
CN
CN
Присоединение первой молекулы малононитрила к ψ-дамаскону создает значительные пространственные затруднения для последующей атаки по карбонильной группе, что делает возможным образование
продукта двух тандемных реакций Михаэля, причем на последней стадии происходит взаимодействие малононитрила с дизамещенной в β-положении двойной связью. При взаимодействии кетонов 3-5 с малононитрилом на оснòвном Cs-β-цеолите протекают конкурирующие реакции Михаэля и Кнёвенагеля, приводящие
в случае кетонов 3 и 4 к различным продуктам, причем реакция Михаэля инициирует тандемные превращения, ведущие к образованию сложных полифункциональных соединений 8 и 9, содержащих богатый набор
различных реакционно-способных функциональных групп.
–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
II Всероссийская конференция Химия и технология растительных веществ. Устный доклад
30
II Всероссийская конференция Химия и технология растительных веществ,
Казань, 24–27 июня 2002 г
–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
R
CN
NC
3, 6, 8 - R = Me
4, 7, 9 - R = Et
R
NC
CN
6, 7
O
O
NC
R
R NC
CN
CN
3, 4
CN
CN
NH
OHNC OH
CN
8, 9
R
CN
NC CN
CN
CN
CN
CN
R
CN
NH
NC CN
Реакция карвона 5 с малононитрилом селективно приводит к образованию соединения 10, при этом
нами показано, что она протекает через оба возможных промежуточных продукта – соединения 11 и 12. В
отличие от кетонов 3 и 4 в данном случае вне зависимости от того, какая реакция – Михаэля или
Кнёвенагеля - протекает в первую очередь, мы получаем один и тот же продукт.
CN
NC
CN
CN
10
CN
CN
CN
O
CN NC
CN
11
O
5
CN
CN
CN
CN
CN
CN
10
12
Все вышеописанные реакции протекают при комнатной температуре без растворителя, цеолит
используется в каталитических количествах, продукты образуются с неплохими для столь сложных
объектов выходами (40-60 %). Основным недостатком изученных превращений является низкая скорость
реакций. Например, реакция кетона 3 с малононитрилом идет в течение 48 ч (конверсия 73 %), а для
достижения конверсии 65% при взаимодействии карвона 5 с малононитрилом требуется 168 ч.
Повышение температуры реакции до 60°С позволило уменьшить время реакции кетона 3 с малононитрилом до 4 ч (конверсия 65 %) при несколько меньшем общем выходе соединений 6 и 8 – 41 % против 47
%, достигнутых при проведении реакции при комнатной температуре. Использование комбинированного
действия повышенной температуры (60°С) и ультразвука в течение 4 ч привело к увеличению конверсии до
77 % при том же выходе в 41% на прореагировавший кетон. Изменение условий протекания реакции оказывает значительное влияние на соотношение продуктов. Если при комнатной температуре соотношение соединений 6 и 8 составляло 5.7 : 1 (по весу), то при 60°C – 2.2 : 1, при этом нами показано, что в обоих случаях
соединение 6 не переходит в соединение 8 в условиях реакций. Таким образом, повышение температуры
приводит к изменению соотношения скоростей протекающих на первой стадии реакций Михаэля и Кнёвенагеля в пользу реакции Михаэля, что и приводит к увеличению содержания соединения 8 в реакционной массе. Воздействие ультразвука ведет к дальнейшему увеличению относительного содержания соединения 8 в
реакционной смеси – до соотношения 6 : 8 = 1.2 : 1, однако, в этом случае, как нами показано, динитрил 6
взаимодействует с малононитрилом, давая соединение 8.
При проведении реакции карвона 5 с малононитрилом на оснòвном цеолите при 60°С время реакции
сокращается со 168 ч до 6 ч при той же конверсии, однако теряется стереоселективность реакции, общий
выход образующихся продуктов составляет 76 % против 60 % при комнатной температуре. Совместное воздействие повышенной температуры и ультразвука позволило при практически той же конверсии повысить
общий выход получающихся соединений на прореагировавший карвон до 99 %.
Таким образом, использование ультразвука в катализируемых оснòвным цеолитом реакциях Михаэля
и Кнёвенагеля позволило в случае кетона 3 повысить конверсию и изменить соотношение продуктов
реакции, увеличив содержание в реакционной смеси полифункционального соединения 8, а также довести
выход продуктов реакции карвона 5 с малононитрилом почти до количественного.
Список литературы
1.
N.F.Salakhutdinov, K.P.Volcho, I.V.Il’ina, D.V.Korchagina, L.E.Tatarova, V.A. Barkhash. // Tetrahedron.
1998. Vol. 54. P. 15619-15642.
II Всероссийская конференция Химия и технология растительных веществ. Устный доклад
31