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第七节 Dieckmann酯缩合反应

二元羧酸酯在碱性条件下发生分子内的酯缩合,生成环状 β -酮酸酯的反应,称为Diec-kmann酯缩合反应。 β -酮酸酯水解、脱羧,生成环酮。该反应实际上属于分子内的Claisen酯缩合反应。该反应最早是由Dieckmann W于1894年首先报道的。

反应机理如下:

碱首先夺取酯基 α -碳上的氢生成碳负离子,而后发生分子内的亲核加成,再失去醇生成 β -酮酸酯。

该反应最适用于五、六和七元环化合物,合成9~12元环化合物收率很低,甚至不反应。大环化合物可以通过高度稀释的方法来合成,但此时主要的副反应是二聚。高度稀释有助于大环的关环,这是因为此时分子的一端更容易与同一分子的另一端结合(因为分子本身很小,在高度稀释的情况下,两个反应物分子接触的概率小)。

传统上使用的碱是乙醇钠,反应在无水乙醇中进行。目前大多采用位阻大、亲核性小的碱,如叔丁醇钾、二异丙基氨基锂(LDA)、LHMDS等,反应在非质子溶剂如THF中进行,这有利于降低反应温度,减少副反应的发生。已有报道在固体叔丁醇钾上的、无溶剂条件下的Dieckmann酯缩合反应。使用更强的碱,如NaNH 2 、NaH、KH等通常可以提高反应收率。有时使用乙醇钠无效,必须使用更强的碱。例如如下类型的酯R 2 CHCO 2 Et,反应产物应当是R 2 CHCOCR 2 CO 2 Et,由于分子中没有活泼的酸性氢,不能被乙醇钠转化的烯醇盐。

在TiCl 4 和三乙胺作用下,氮杂二元酸酯进行分子内的酯缩合,可以生成氮杂的环酮类化合物。

此时的反应过程可能如下:

Dieckmann缩合反应也可以使用TiCl 4 /NBu 3 ,TMSOTf作催化剂(Yoshida Y,Ha-yashi R,Sumihara H,Tanabe Y.Tetrahedron Lett,1997,38:8727)。在如下反应中,己二酸二甲酯生成2-氧代环戊烷甲酸甲酯的收率达91%;庚二酸二甲酯生成2-氧代环己基甲酸甲酯的收率为60%,均高于普通的方法(Yashida Y,Hayashi R,Sumihara H,et al.Tetrahedron Lett,1997,38:8727)。

长链二元羧酸酯发生分子内和分子间缩合,反应产物与链长有关(Schaefer J P,Bloomfield J J.Org Reactions,1967,15:1)。

二元酸酯在甲苯、二甲苯等非极性溶剂中用金属钠处理,可生成环状的 α -羟基酮。不过此时属于醇酮缩合反应。

文献报道,在聚乙烯负载的金属钾(PE-K)作用下,己二酸二乙酯于甲苯中室温发生分子内缩合反应,2-环戊酮甲酸乙酯的收率达89%。

利用Dieckmannn反应合成四元环虽然有报道,但收率很低。如下反应生成含四元环的螺环化合物。

但在如下“不正常”的Michael反应中,环丁酮可能是反应的中间体:

利用Dieckmann反应容易合成五、六元环化合物。

对于Dieckmann酯缩合反应来说,若两个酯基在分子中所处的化学环境不同,则存在着反应的选择性问题。非对称酯的选择性取决于两个酯基 α -碳上氢原子的酸性和空间位阻。酸性强,将优先与碱作用生成相应的碳负离子(或烯醇负离子),从而作为亲核试剂进攻另一个酯基(与位阻效应一致)。当酯基 α -碳上连有给电子基团时,则另一个酯基的 α -碳上的氢酸性强,更容易生成碳负离子参与反应。例如:

如下反应也是一个较好的例子。

如下反应在 β -位有给电子基团。

在上述反应中,底物a处碳原子上的氢酸性较强,更容易生成相应的碳负离子,作为亲核试剂进攻另一个酯基中的羰基,最终生成化合物A,所以化合物A是主要产物。

又如:

β -位上连有一个吸电子的酯基时,情况正好相反。最简单的例子是1,2,4-三乙氧羰基丁烷的环化:

产物的比例与溶剂的性质有关。

利用Dieckmann反应可以合成桥环化合物。例如:

也可以用于七元环酮一般在稀溶液中进行,以减少分子间的反应。例如:

八元环酮也可以用相应的二元羧酸酯用Dieckmann反应来合成。当使用叔丁醇钾作碱时,可生成二聚的二酮1,9-环十六二酮。癸二酸二乙酯和1,11-十一酸二乙酯只生成二聚的二酮,收率11%~12%。

二茂铁类二元羧酸酯的Dieckmann缩合反应,高收率的得到环酮

一些杂环化合物也可以用Dieckmann缩合反应来合成。例如:

若两个酯基其中一个不含 α -氢,则不存在区域选择性。例如如下反应:

又如(de Sousa A L,Pilli R A.Org Lett,2005,7:1617):

其实,很多反应是首先进行分子间的酯缩合,而后再进行分子内的Dieckmann酯缩合反应。一个明显的例子是丁二酸二乙酯的缩合生成2,5-二乙氧羰基-1,4-环己二酮。

肉桂酸酯也可以先发生分子间的酯缩合,而后再进行分子内的Dieckmann酯缩合反应,生成环戊酮衍生物。

草酸二甲(乙)酯与其他二羧酸二酯反应,可以生成二酮类化合物。例如:

草酸二乙酯与如下含氨基的羧酸酯反应,可以得到环状化合物。

丁二酸二乙酯也可发生类似的反应。

戊二酸二乙酯与邻苯二甲酸二乙酯反应,生成苯并庚二酮衍生物。

对于 α β -不饱和羧酸酯,可以先进行Michael加成,而后再进行Dieckmann酯缩合反应。例如:

如下反应则最终生成四氢呋喃酮和吡咯啉酮的衍生物。

羰基化合物可以与炔氧基锂发生[2+2]环加成反应,若羰基化合物分子中同时含有酯基,则环加成产物可以与酯基发生Dieckmann反应,得到相应的环状化合物。例如(表1-2):

表1-2 炔醇锂与羰基酸酯[2+2]-Dieckmann反应合成2,3-取代环烯酮

注:A为硅胶存在下回流B为3%HCl-EtOH回流。

与Dieckmann缩合相似的一个缩合反应是Thorpe-Ziegler缩合反应,在合成一些中等或大环化合物中有实际合成意义(详见Thorpe-Ziegler缩合反应)。

N -(1-苯乙基哌啶-4-基)苯胺

C 19 H 24 N 2 ,280.41

【英文名】 N -(1-Phenethylpiperidin-4-yl)aniline

【性状】 白色晶体。mp 99~101℃(98~100℃)。

【制法】 谌志华,曾海峰,梁姗姗,聂海艳,虞心红.中国医药工业杂志,2013,44(5):438.

N N -双(甲氧羰基乙基)苯乙胺( 3 ):于安有搅拌器、温度计、滴液漏斗的3L反应瓶中,加入丙烯酸甲酯688.7g(8.0mol)和无水甲醇480mL,搅拌30min。冰浴冷却,滴加 β -苯乙胺( 2 )387.8g(3.2mol)和无水甲醇320mL的混合液,控制内温不超过40℃。滴毕加热回流搅拌反应8h。冷却至室温,减压回收甲醇及过量丙烯酸甲酯,得淡黄色油状液体( 2 )926.0g,收率98.5%。

N -苯乙基-4-哌啶酮( 5 ):于安有搅拌器、回流冷凝器、通气导管、回流冷凝器的3L反应瓶中,加入无水甲苯300mL,金属钠丝22.08g(0.96mol),氮气保护,升温至110℃,搅拌回流30min,冷却至40℃,缓慢滴加无水甲醇39.0mL(0.96mol),拌15min,滴加化合物( 3 )235.0g(0.80mol),控制温度不超过60℃。滴毕加热回流3h。TLC显示反应完全后冷却至室温,剩余物固化得化合物( 4 )。直接用于下一步反应。

将化合物( 4 )加至25%盐酸1.2L中,油浴加热回流5h,TLC显示反应完全后冷却至室温,搅拌过夜。分去甲苯层,冰浴冷却,搅拌下用40%氢氧化钠溶液调至pH12,析出淡黄色固体。冷却,抽滤,滤饼用石油醚重结晶,得淡黄色晶体( 5 )145g,收率89.5%,mp 54.6~56.2℃(文献收率64%,mp 55~57℃)。

(1-苯乙基哌啶-4-基)苯胺( 1 ):于2L压力釜中加入化合物( 5 )54g(0.266mol)、苯胺27.54g(0.296mol)、冰乙酸3.0mL、干燥的3Å分子筛75g、无水乙醇1L和3146型RaneyNi 20g,用氮气除尽釜内空气后,于氢压0.4MPa、60℃条件下反应2h。冷却至室温,抽滤,滤液减压蒸除乙醇,剩余物中加入石油醚20mL,冷却析晶,抽滤,干燥后得白色晶体( 1 )65.6g,收率88.1%,mp 99~101℃(文献98~100℃)。

1-氮杂双环[2.2.2]辛-3-酮

C 7 H 11 NO,125.17

【英文名】 1-Azabicyclo[2.2.2]octan-3-one

【性状】 白色固体。

【制法】 何敏焕,项斌,高扬,史津晖,孙宇.浙江工业大学学报,2011,39(1):34.

4-哌啶甲酸乙酯( 3 ):于安有搅拌器、温度计、滴液漏斗、回流冷凝器的250mL四口烧瓶中,加入4-哌啶甲酸( 2 )12.9g(0.10mol),170mL无水乙醇,冰浴冷却下缓慢滴加35mL(0.46mol)氯化亚砜,约1h加完。加完后升温回流3h,再减压蒸除溶剂。向残留固体中加入30%的NaOH溶液至强碱性,用氯仿(100mL×3)萃取。合并有机相,无水硫酸钠干燥。过滤,减压蒸除溶剂,得淡黄色液体。继续减压蒸馏,收集97~101℃/1.3kPa的馏分,得无色透明液体( 3 )143g,收率91.1%,GC分析,纯度99.0%。

1-乙氧甲酰基甲基哌啶-4-甲酸乙酯( 4 ):于安有搅拌器、回流冷凝器的250mL反应瓶中,加入化合物( 3 )15.7g(0.10mol),四氢呋喃100mL、碳酸钾15.2g(0.11mol)和溴乙酸乙酯16.7g(0.10mol),加热回流4h。减压蒸除溶剂,向残留的固体中加水至碳酸钾正好溶解,氯仿(100mL×3)萃取。合并有机相,无水硫酸钠干燥。过滤,减压蒸除溶剂。进一步减压蒸馏,收集143~146℃/530Pa的馏分,得化合物( 4 )21.9g,收率90.1%。GC分析,纯度98.0%。

1-氮杂双环[2.2.2]辛-3-酮( 1 ):于安有搅拌器、滴液漏斗、回流冷凝器的250mL四口烧瓶中,加入无水甲苯75mL,5.0g(0.13mol)金属钾,升温至金属钾呈熔融状,缓慢滴加11.0g(0.15mol)干燥的叔丁醇,至金属钾完全溶解。于1.0h缓慢滴加化合物( 4 )12.15g(0.05mol)溶于25mL甲苯的溶液。加完后升温至120~130℃,继续反应4h。冰浴冷却,滴加10mol/L的盐酸20mL,分出水层。甲苯层用10mol/L的盐酸萃取,合并水层,得2-乙氧羰基-3-奎宁酮( 5 )的盐酸盐水溶液,直接用于下步反应。

将上述溶液加热回流18h,加入0.3g活性炭,继续回流0.5h。趁热过滤,母液冷却至室温,分批加入碳酸钾固体至不再溶解。水层用氯仿(50mL×3)萃取。合并有机相,无水硫酸钠干燥过夜。过滤,减压蒸除溶剂。剩余黄色液体溶于25mL丙酮中,冰水冷却下通入干燥的HCl气体至固体析出完全,继续搅拌0.5h。过滤得到类白色固体,用少量热水和异丙醇重结晶,得白色化合物( 1 )4.55g,收率56.4%,纯度为97.6%,mp>250℃。将得到的化合物( 1 )用饱和碳酸钾溶液中和至碱性,乙酸乙酯萃取,干燥后可得1-氮杂双环[2.2.2]辛-3-酮游离碱,mp 139~140℃(文献mp 140℃)。 3dH/lFUKQRXSMYIZL+5N277sJJ9RAdIG4vjkHAaiRrXrzj3VQ5OTh9n4EOmme6I8

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