Внутримолекулярное нуклеофильное присоединение к другим двойным связям.

Примеры замыкания цикла за счет нуклеофильного присоединения к двойным связям, отличным от С=О, приведены в табл. 4. В качестве электрофилов могут выступать активированные связи C=S и C=N (пример 1). Аналогично может проявлять себя активированная связь С=С, в этом случае наблюдается внутримолекулярное сопряженное присоединение. Следует отметить, что в примере 2 реализуется кинетически предпочтительный экзо-триг-процесс, приводящий к замыканию четырехчленного цикла, а не возможный также эндо-триг-процесс образования пятичленного цикла.

Большинство методов синтеза гетероциклических соединений основано на циклизациях с участием электрофильного углеродного центра. Однако известно несколько аналогичных процессов с участием электрофильного атома азота. Пример 3 демонстрирует один из таких процессов, в которых в качестве электрофила выступает нитрогруппа.

Таблица 4. Другие примеры экзотриг-реакций.

К экзо-триг-процессам относятся также такие реакции, в которых замыкание цикла происходит в результате внутримолекулярного присоединения к неактивированной связи С=С. Большинство реакций подобного типа инициируется атакой по двойной связи внешним электрофилом. Образующийся при этом катионный интермедиат захватывает внутренний нуклеофил. Пример такой реакции приведен на рис. 9. В данном случае реакция инициируется бромом. Для инициирования подобных реакций используются также другие электрофилы: соли ртути (II), никеля (II) и других металлов, а также электрофильные органические производные селена, такие, как фенилселенилхлорид.

При синтезе пяти- и шестичленных гетероциклов, конденсированных с бензольным кольцом, используются циклизации, катализируемые палладием. Большинство процессов этого можно рассматривать как внутримолекулярный вариант реакции Чека, например синтез 3-метилиндола. Палладий, генерируемый in situ, катализирует такие процессы. Внедрение Pd(0) по связи углерод – галоген приводит к образованию палладийорганического интермедиата, который впоследствии присоединяется по двойной связи.

Циклизации с участием тригонального центра относятся главным образом к экзо-процессам. Однако существует важная группа эндо-процессов, приводящих к образованию пяти- и шестичленных азотсодержащих гетероциклов. Они основаны на генерировании и взаимодействии с внутренним нуклеофилом иминиевых солей. Простые иминиевые соли эффективно реагируют только с сильными нуклеофилами. N-ацилиминиевые соли – более сильные электрофилы, их можно получить несколькими различными способами. Взаимодействие N-ацилиминиевого катиона, полученного при восстановлении имида и последующей дегидратации, с внутренним нуклеофилом (связь С=С) приводит к замыканию новой циклической системы.

Электролитические реакции.

Все рассмотренные выше примеры замыкания цикла представляют собой внутримолекулярные версии хорошо известных реакций образования σ-связей. Электроциклические реакции существенно отличаются от этих примеров прежде всего тем, что не имеют межмолекулярных аналогов. Ациклические реагенты, используемые при электроциклическом замыкании цикла, должны представлять собой полностью сопряженные π-электронные системы. В электроциклических реакциях образование σ-связи происходит в результате преобразования π-системы. Нормальное течение процесса достигается при нагревании или облучении без участия дополнительных реагентов. Электроциклические процессы равновесны, причем равновесие обычно смещено в сторону ациклических изомеров, поэтому такие реакции более применимы для раскрытия, а не для замыкания цикла.

Четыре типа электроциклических реакций, применяемых при синтезе гетероциклических соединений, схематически показаны на рис. 10. Примеры (а) и (б) иллюстрируют превращения сопряженных систем, содержащих четыре π-электрона. Замыкание цикла происходит либо в 1,3-диполе (а), либо в гетеродиене (б). Реакции (в) и (г) аналогичны (а) и (б), но цикл замыкается в шестиэлектронной π-системе. Таким образом, сопряженные π-электронные аци­клические молекулы могут быть предшественниками насыщенных или частично насыщенных гетероциклов, содержащих от трех до шести атомов в цикле. Возможны также электроциклические процессы в сопряженных π-системах с числом электронов больше шести, хотя встречаются они гораздо реже.

Объяснение стереохимии реакций электроциклического замыкания и раскрытия циклов – первое достижение теории сохранения орбитальной симметрии, разработанной Вудвардом и Гофманом. Различают два типа электроциклизаций. В первом вращение р-орбиталей π-электронной системы осуществляется в одном направлении и приводит к образованию новой σ-связи, во втором – вращение происходит в разных направлениях. Первый процесс называют конротаторным (рис. 11, а), второй – дисротаторным (рис. 11, б). Правила Вудварда – Гофмана позволяют определить, какой из типов замыкания цикла предпочтителен, и тем самым предсказывают стереохимию образующегося циклического соединения. Правила определяются числом π-электронов, образующих сопряженную ациклическую систему, и тем, протекает ли процесс в основном состоянии (термическая реакция) или в первом возбужденном состоянии (фотохимическая реакция) полиена. Иллюстрация правил Вудварда – Гофмана приведена на рис. 11.

Любую электроциклическую реакцию можно осуществить как при нагревании (термически), так и при облучении (фотохимически), однако стереохимический результат в этих двух случаях будет различным. Синтетическая значимость электроциклических реакций существенно зависит от положения равновесия, поскольку это определяет, может ли циклический изомер быть выделен с удовлетворительным выходом из реакционной смеси. Положение этого равновесия может быть различным для термических и фотохимических процессов. Стереохимические различия между конротаторными и дисротаторными процессами исчезают в том случае, когда терминальное положение ациклической π-системы занимает гетероатом. Так, для большинства электроциклических процессов, приводящих к образованию гетероциклических соединений, правила Вудварда – Гофмана не имеют смысла.