ВсОШ 2026, 9–10 классы, №ОХ-2

Решение

. Структуры энантиомеров карвона несложно изобразить исходя из его систематического названия (-метил--(проп--ен--ил)циклогекс--енон), правил ,-номенклатуры для асимметрических атомов углерода, а также структур предшественников в синтезах карвона – лимонена и -метилциклогексанона.

. На первой стадии происходит электрофильное присоединение нитрозилхлорида к связи = в шестичленном цикле с образованием продукта . Экзоциклическая связь = при этом не затрагивается, поскольку изопропенильный (проп --ен-- ильный) фрагмент присутствует как в исходном лимонене, так и в конечном продукте карвоне. На следующей стадии при действии пиридина происходит дегидрогалогенирование, а также таутомеризация нитрозосоединения в оксим , на что указывает наличие полосы при см – в ИК-спектре, характерной для валентных колебаний связей – или –. На последней стадии кислотный гидролиз оксимной группы даёт карвон.

. Первая стадия – образование енолят -иона под действием сильного ненуклеофильного основания (LDA) в условиях кинетического контроля. В этом случае образуется менее замещённый енолят -ион, который затем переводят в триметилсилильный енолят (на направление енолизации исходного карбонильного соединения помимо природы реагентов указывает и структура конечного продукта карвона). Следующая стадия, по -видимому, является окислением ( DDQ – довольно распространённый в органическом синтезе окислитель). Исходя из того, что продукт окисления затем вступает в реакцию с образующимся из изопропенилмагнийбромида и медьорганическим соединением, можно предположить, что – α,β-непредельный кетон. Тогда следующая стадия является сопряжённым присоединением медьорганического соединения по связи = (это классическая сфера применения таких реактивов). Следующая стадия похожа на первую стадию синтеза (енолизацию кетона), однако здесь используются более слабое основание (триэтиламин вместо LDA) и существенно более высокая температура. Эти условия соответствуют термодинамическому контролю, приводящему к образованию более замещённого енолят-иона. Его силилирование с последующим окислением DDQ даёт карвон в виде рацемической смеси.

. Добавка каталитических количеств соли приводит к образованию in situ медьорганического соединения, которое является более мягким нуклеофилом, чем реактив Гриньяра, и поэтому селективно атакует более мягкий электрофильный центр π-системы субстрата – β-атом углерода (относительно карбонильной группы). Если же использовать реактив Гриньяра без добавок соли (более жёсткий нуклеофил), то могут идти оба конкурирующих процесса присоединения нуклеофила: по связи = и по связи =, при этом второй процесс будет преобладающим. –. При действии цинком в спиртовом растворе щёлочи на ( )-(–)-карвон происходит восстановление связи =, сопряжённой с карбонильной группой, с образованием (+) -дигидрокарвона в виде смеси диастереомеров. Вариант восстановления других функциональных групп не подходит, поскольку в этом случае последующие стадии не приведут к (+) -β-эвдесмолу (а именно, потенциальный продукт восстановления карбонильной группы не будет реагировать с винилметилкетоном, а при восстановлении экзоциклической связи = не получится ввести в соответствующее положение гидроксильную группу). Реакция с винилметилкетоном в щелочной среде представляет собой аннелирование по Робинсону (комбинацию присоединения по Михаэлю с последующей альдольно-кротоновой конденсацией с замыканием шестичленного цикла). На это указывает наличие декалинового фрагмента в углеродном скелете (+)-β-эвдесмола, из которого также можно установить региоселективность реакции. Полоса при в ИК-спектре продукта соответствует валентным колебаниям связи –. Из возможных продуктов аннелирования по Робинсону гидроксильная группа содержится только в продукте альдольной конденсации. Значит, – это альдоль, который при кипячении в спиртовом растворе щёлочи дегидратируется в непредельный кетон ′ (структура которого дополнительно подтверждается данными спектра ЯМР ). Структура продукта идентична ′, за исключением конфигурации атома углерода (стереоцентра), подвергавшегося депротонированию на первой стадии аннелирования. Соотнесение стереохимии в и ′ устанавливается исходя из конфигурации стереоцентров в (+)-β-эвдесмоле. Конфигурация третьего хирального центра (спиртового атома углерода) в дана в условии задачи.

При действии на пероксобензойной кислоты гипотетически может происходить эпоксидирование одной из двух (либо обеих) связей =, либо реакция Байера -Виллигера с карбонильной группой. Последний вариант не подходит, так как при этом разрушится присутствующий в (+) -β-эвдесмоле декалиновый фрагмент. Вариант эпоксидирования эндоциклической связи = тоже не приведёт к нужному конечному продукту. В то же время эпоксидирование экзоциклической связи = в дальнейшем позволит ввести в структуру гидроксильную группу , присутствующую в (+) -β-эвдесмоле. Также предпочтительное эпоксидирование экзоциклической двойной связи объясняется и исходя из электронных эффектов заместителей: донорно-замещённая связь = будет реагировать быстрее, чем акцепторно -замещённая, поскольку данная реакция является электрофильным присоединением. На следующей стадии при действии избытка алюмогидрида лития происходит восстановление как эпоксидной, так и карбонильной группы с образованием диола в виде смеси диастереомеров. Далее аллильная спиртовая группа окисляется диоксидом марганца до карбонильной. Полученный кетон при взаимодействии с этан -- дитиолом даёт дитиолан . Дальнейшая десульфуризация с помощью никеля Ренея приводит к продукту .

Соединение подвергается гидроборированию, идущему региоселективно таким образом, что бор связывается со стерически более доступным атомом углерода. Дальнейшее окисление по Брауну даёт диол в виде смеси диастереомеров. На следующей стадии вторичная спиртовая группа окисляется в карбонильную реагентом Джонса. Полученному продукту для превращения в (+)- β-эвдесмол не хватает замены карбонильной группы на = по реакции Виттига (происходит на последней стадии) и эпимеризации α-атома углерода относительно карбонильной группы (происходит при хроматографировании через слой основной окиси алюминия).

. Гидрирование ()-(–)-карвона на (катализаторе Адамса) приводит к восстановлению экзоциклической связи =, что можно установить исходя из наличия изопропильной группы в структуре (±) -адунктина (других стадий восстановления = связей в этом синтезе нет). Вариант восстановления на этой стадии обеих связей = не подходит, поскольку в этом случае последующие реакции не позволят прийти к нужному конечному продукту. На следующей стадии происходит восстановление карбонильной группы α,β-ненасыщенного кетона борогидридом натрия в присутствии (по Луше) с образованием продукта . Стереохимия восстановления следует из условия ( -конфигурация обоих хиральных центров).

При действии на -фенилпропионовую кислоту оксалилхлоридом образуется соответствующий хлорангидрид, который затем ацилирует -метоксирезорцин по Фриделю-Крафтсу с образованием продукта . Ацилирование именно ароматического кольца (а не фенольных групп) однозначно устанавливается исходя из структуры (±) -адунктина , а также подтверждается данными спектроскопии ЯМР .

Соединение содержит % углерода по массе. Исходя из структур предшественников и логично предположить, что оно содержит атомов углерода, тогда его молярная масса = ·/ = г моль, что соответствует брутто -формуле . Значит, реакция и сопровождается выделением молекулы воды. С учётом структуры (±)- адунктина и условий реакции (катализ кислотой Льюиса можно предположить алкилирование соединения карбокатионом, образующимся из , при этом алкилирование может идти либо по ароматическому кольцу, либо по фенольному атому кислорода. Учитывая расположение заместителей в (±) - адунктине , для этих двух вариантов можно предложить структуры и , соответственно. Структура полностью соответствует данным спектроскопии ЯМР : мультиплет при − м.д. относится к протонам фенильной группы, синглеты при и м.д. – фенольным группам, синглет при м.д. – единственному протону в замещённом ароматическом кольце, уширенный синглет при м.д. – протону при тризамещённой связи = (здесь, кроме общих знаний о типичных химических сдвигах в спектрах ЯМР полезно также сопоставить сигналы в спектре и . Что касается структуры , то для неё в области химических сдвигов выше м.д. должно быть на один сигнал больше (так как по сравнению с добавляется ещё два сигнала от ароматического кольца и от протона при связи =, при этом исчезает сигнал от одной из групп). Более того, химические сдвиги хуже соотносятся с таковыми для соединения . Наконец, с точки зрения механизма реакции образование выглядит более логично, чем , и, как будет показано ниже, этот механизм объясняет рацемизацию в ходе реакции. Таким образом, представляет собой продукт алкилирования по ароматическому кольцу аллильным катионом, образующимся из при отщеплении -группы в результате электрофильной атаки кислотой Льюиса.

При действии на уксусного ангидрида в присутствии избытка пиридина происходит ацилирование обеих фенольных групп. Далее проводят эпоксидирование связи = с помощью mCPBA. Конфигурация эпоксида устанавливается исходя из конфигурации хирального центра в (±) -адунктине (связанного с атомом кислорода, см. далее). При действии на гидроксида лития в смеси вода/метанол вначале происходит гидролиз сложноэфирных групп, после чего фенолят-ион нуклеофильно раскрывает эпоксид с замыканием пятичленного цикла. Эта реакция идёт по механизму , что позволяет соотнести конфигурации эпоксида и (±) -адунктина . Наконец, последняя стадия представляет собой реакцию Чугаева, которая приводит к формальной дегидратации спирта с образованием (±)-адунктина .

. Механизм образования начинается с активации спирта кислотой Льюиса. Отщепление [ – даёт симметричный катион аллильного типа, который может с равной вероятностью электрофильно атаковать ароматическое кольцо в любым из положительно заряженных атомов углерода. Можно условно сказать, что изображённая слева резонансная структура катиона «даёт» энантиомеры и ′ с -конфигурацией атома углерода с изопропильной группой, а изображённая справа – энантиомеры с -конфигурацией (см. схему ниже).

. Первая стадия – -присоединение изобутиллития к карбонильной группе ( )- (–)-карвона, приводящее после гидролиза к третичному аллильному спирту. Хлорхромат пиридиния ( – классический реагент для окисления спиртов в карбонильные соединения. Однако у третичного спирта нет возможности для такого окисления! Это противоречие можно объяснить протеканием в кислой среде аллильной перегруппировки третичного спирта во вторичный, который уже может окисляться до енона . Структура подтверждается данными ЯМР (только два протона при связях =, причём в метиленовой группе = . При действии -бромсукцинимида в метаноле на происходит электрофильное присоединение + к экзо циклической связи =, после чего образующийся бромониевый ион нуклеофильно раскрывается метанолом со стороны более замещённого атома углерода, имеющего больший положительный заряд. При действии на продукт этой реакции трет-бутилата калия происходит енолизация еноновой системы по γ-положению с последующей нуклеофильной атакой α-атома углерода енолята по атому углерода, связанному с бромом. В результате замыкается бициклический каркас, присутствующий в конечном продукте. Стоит отметить, что эта реакция является весьма нетривиальной, и структура продукта устанавливается в первую очередь исходя из структуры бициклической системы в конечном продукте (впрочем, с привлечением разумных соображений о механизме реакции). Следующая стадия – енолизация кетона с дальнейшим алкилированием аллилбромидом. При действии на полученный продукт и затем образуется винилтрифлат. Наконец, на последней стадии происходит каталитическое восстановление, формально приводящее к замещению трифлата на атом водорода. Данная реакция совсем не очевидна, однако её разгадывать не требуется, так как структура конечного продукта задана в условии.

Литература:

) . . Rothenberger, . . Krasnoff, . . Rollins, . Chem. Educ., , , –.

) . Fleming, . Paterson, Synthesis, , –.

) . . Humber, . . Pinder, . . Williams, . Org. Chem., , , –.

) . . Dethe, . . Dherange, . Org. Chem., , , –.

) . Defieber, .-. Paquin, . Serna, . . Carreira, Org. Lett., , , –.