ВсОШ 2025, 9–11 классы, №ОХ-2

Решение

Г Ф

. Уравнение реакции: + + . По массовой доле установим формулу сольвата. Представим его формулу, как ; отсюда выражение для массовой доли:

Решением этого уравнения является = , откуда формула сольвата Sm(ТГФ)5I2.

. Как видно из данного в условии задачи потенциала для пары , в водной среде термодинамически выгодно восстановление воды до водорода: + + . Следовательно, применение иодида самария(II) в водной среде невозможно (причём во всём диапазоне . Однако добавление небольших количеств воды в органические среды как источника протонов вполне допустимо и не мешает существованию и работе иодида самария(II).

. По представленным в задаче данным видим, что двойная связь углерод– углерод может подвергаться восстановлению только при условии сопряжения со связью ; кроме этого, восстанавливает связи в альдегидах, но не восстанавливает их в сложных эфирах. Таким образом, резонно предположить, что среди продуктов восстановления могут встретиться восстановленный альдегид (цитронеллаль) и образующийся из него при дальнейшем восстановлении связи спирт (цитронеллол). Если же вначале происходит восстановление альдегидной группы, то последующее восстановление связи становится невозможным. С учётом E/Z-изомерии такой путь протекания реакции даёт два продукта – гераниол и нерол. Ниже для информации приведён механизм восстановления. Общий принцип действия основан на генерации анион-радикалов, которые затем протонируются специально добавляемым протолитическим растворителем (обычно используются спирты, но иногда могут использовать и небольшие количества воды, см. п. .

Стрелки, направленные от разных резонансных структур, не подразумевают того, что резонансные структуры являются разными частицами, а приведены для наглядности.

. При решении данного пункта наиболее удобно пользоваться механистическим подходом. Конечно же, можно подбирать структуры по приведённым в задаче данным и подсказкам. Метод решения неважен, оцениваются лишь конечные структурные формулы. На первой стадии образуется анион-радикал, который затем внутримолекулярно циклизуется (о типе превращения сказано в условии). Далее есть возможность присоединения иона самария(II) к двойной связи – наиболее удачным (и стерически, и термодинамически) будет присоединение, в ходе которого ион самария(II) атакует двойную связь по метиленовой группе. Затем происходит внутримолекулярная рекомбинация, приводящая к самарийорганической частице, которая затем гидролизуется с образованием . Вещество действительно образуется в виде двух стереоизомеров (так, если бы циклизация пошла с образованием семичленного цикла, то не появилось бы асимметрического атома углерода, который мог бы выступить центром хиральности).

Сравнивая брутто-формулы исходного вещества и продукта и , видно, что произошло отщепление ацетона (который является «спиртовым» компонентом исходного сложного эфира)

Как мы уже установили в предыдущем пункте задачи, восстанавливает связи , но не связи (если они не сопряжены со связью C=O). Далее можно предположить циклизацию образующегося анион-радикала по стирильному фрагменту с последующим отщеплением ацетона (в данном месте механизм аналогичен превращению сложного эфира в кетон под действием реактива Гриньяра). Вторая циклизация протекает аналогичным образом по кетонной группе. Полученная структурная формула полностью подтверждается данными спектроскопии ЯМР . Особенно полезны здесь следующие факты: четыре сигнала в области от до м.д. указывают на наличие ароматического кольца, но отсутствие связей , (ii) есть сигнал от одной группы , и (iii) сигнал от группы имеет химический сдвиг, характерный для карбоновых кислот и их производных, а не кетонов.

. Исходя из брутто-формулы соединения , при его получении путём ферментативного окисления толуола в молекулу добавляется два атома кислорода и два атома водорода. В открытой на схеме структуре явно просматривается фрагмент вицинального диола с цис-конфигурацией OH-групп. С учётом расположения в этой структуре метильной группы можно предположить, что происходит син-дигидроксилирование толуола в положения и , таким образом, соединение – 3-метил-1,2-дигидрокатехол. При действии на него диметилацеталя пара-метоксибензальдегида (p-MBDMA) в кислой среде происходит постановка защитной группы на диольный фрагмент, в результате чего получается диоксолан . Далее вступает в реакцию Дильса-Альдера с α-хлоракрилонитрилом, при этом наиболее выгодна атака диенофила с противоположной стороны от диоксоланового цикла («за плоскостью листа» на схеме ниже), поскольку в таком переходном состоянии минимальны стерические препятствия. Это можно установить и из структуры открытого в условии соединения. В результате реакции Дильса-Альдера теоретически можно предположить образование региоизомеров типа «голова-голова» и «голова-хвост», в зависимости от того, с каким из атомов диенофила соединяются атомы на концах диеновой системы. Однако на следующей стадии такие региоизомеры будут давать два разных продукта. Значит, остаётся единственный вариант объяснения образования двух продуктов и – эндо/экзо изомерия расположения заместителей и . Региоселективность реакции Дильса-Альдера можно установить, проведя последовательное превращение функциональных групп вплоть до открытого в условии соединения и сопоставив расположение заместителей. На следующей стадии происходит нуклеофильное замещение атома хлора на гидроксильную группу. Получающийся при этом циангидрин неустойчив в оснóвной среде и расщепляется с образованием кетона . Полученный кетон затем дважды подвергают метилированию по α-положению, в результате чего образуется соединение . Затем проводят гидрирование связи на (катализаторе Адамса). Полученное соединение вводят в реакцию Виттига, которая позволяет превратить карбонильную группу в метиленовую. Метиленовая группа в открытом в условии соединении расположена рядом с метильной группой, из чего однозначно определяется региоселективность реакции образования веществ и (их соотнесение внутри пары не имеет значения). В результате восстановления вещества с помощью DIBAL-H разумно ожидать снятия защитной группы PMPCH<, поскольку алкены этим реагентом точно не восстанавливаются. Однако поскольку образуется два изомерных продукта, то на одной из гидроксильных групп остаётся защита. По положению бензильной группы в структуре открытого соединения можно сделать вывод о том, какое из соединений является , а какое – . Далее при действии бензилбромида на происходит образование вещества , которое затем подвергают мягкому окислению с помощью 2,3-дихлор-5,6-дициано-1,4- бензохинона (DDQ). Вследствие повышенной электронной плотности в пара-метоксибензильной группе происходит её окисление с образованием пара-метоксибензальдегида в качестве побочного продукта, в результате чего образуется открытое на схеме в условии соединение.

Окисление приведённого в условии спирта с помощью перрутената тетрапропиламмония и N-оксида N-метилморфолина (по Лею) приводит к образованию соединения . При взаимодействии трет-бутиллития и 2-бромпропена происходит металлирование с образованием пропен-2-иллития, который затем вступает в реакцию нуклеофильного присоединения по карбонильной группе, в результате чего образуется спирт . При этом атака литийорганического соединения идёт с более стерически доступной стороны. При действии на гидрида натрия можно ожидать депротонирования спиртовой группы, однако дальнейшее превращение полученного аниона не так очевидно. Можно воспользоваться данными спектроскопических методов для продукта . Интенсивная полоса поглощения при в ИК-спектре указывает на наличие связи , а отсутствие сигналов в спектре ЯМР в области от до м.д. – на отсутствие протонов при связях (притом, что в соединении таких протонов четыре). Можно заметить, что содержит гекса-1,5-диенильный фрагмент. Такие фрагменты при нагревании подвергаются сигматропным перегруппировкам через шестичленное переходное состояние; в данном случае происходит перегруппировка окси-Коупа, в результате чего после нейтрализации водой образуется продукт , содержащий карбонильную группу и тетразамещённую связь , что соответствует условию задачи. Интересно, что в структуре формально нарушается правило Бредта – двойная связь расположена в голове моста. Это можно объяснить достаточно большим размером этого цикла. Затем подвергают восстановлению с помощью иодида самария. После одноэлектронного восстановления карбонильного фрагмента происходит внутримолекулярная атака радикала по кратной связи, в результате чего образуется третичный радикал, который может быть подвержен диспропорционированию при столкновении с другими частицами в растворе. Для избежания этого в реакцию вводят большое количество тиофенола, который легко подвергается окислению и значительно укорачивает время жизни третичного радикала, повышая чистоту конечного продукта. Отметим, что он также выполняет функцию источника атомов водорода; в отличие от описанных выше примеров восстановления с помощью иодида самария(II), в данном случае одно и то же вещество является восстановителем радикала и источником протонов. После стандартной обработки реакционной смеси получается трициклическое соединение .

При действии водорода в присутствии палладия снимается защитная бензильная группа в результате гидрогенолиза связи . Полученный двухатомный спирт вводят в реакцию окисления по Париху-Дёрингу, в ходе чего вторичная гидроксильная группа окисляется до карбонильной. На завершающей стадии синтеза соединение вводят в реакцию с тионилхлоридом. Полученный хлорсульфит сразу же подвергается E2-элиминированию под действием пиридина, в результате чего образуется (–)-патчуленон.

Литература:

. Girard, . . Namy, . . Kagan, . . Chem. ., , , .

. Szostak, . . Fazakerley, . Parmar, . . Procter, Chem. ., , , .

. . Banwell, . Darmos, . . McLeod, . . . Hockless, Synlett, , , .

. . Banwell, . . . Hockless, . . McLeod, . Chem., , , .