Modifikace substrátů pomocí nenasycených organických peroxidů

I. Úvod

V rámci organické chemie se radikálových reakcí běžně využívá v řetězových reakcích [Giese, 1986]. Radikály se využívají jako syntetické meziprodukty v reakcích, které jsou za jiných podmínek těžko proveditelné a které probíhají selektivně za velmi mírných podmínek. Chránění funkčních skupin, často nezbytná součást organické syntézy, většinou není v případě radikálových reakcí nutná [Curran et al., 1996].

Organické peroxidy jsou široce používaná  syntetická činidla sloužící jako zdroj radikálů při výrobě mnoha farmaceutických meziproduktů, herbicidů, insekticidů a jiných čistých chemikálií. Za vhodných podmínek skladování a zacházení s organickými peroxidy mohou být vyloučena možná rizika úniku látek a reakce jsou kontrolované a mohou být skutečně bezpečné. [Akzo Nobel PC Product Catalogue; Swern, 1970;  Houben-Weyl, 1988].

S ohledem na charakteristický průběh radikálových reakcí nabízejí organické peroxidy možnost snížení počtu reakčních kroků syntetických reakcí ve srovnání s běžnými postupy při výrobě. Konkrétně se jedná o zavádění funkčních skupin pomocí specifických organických peroxidů.

II. Zavádění funkčních skupin pomocí organických peroxidů

Některé organické peroxidy vykazují díky své struktuře při modifikačních reakcích specifické chování. Pomocí určitých nenasycených peroxidů mohou být funkční skupiny navázány na substrát po indukovaném rozpadu a následném přesmyku. V tomto článku jsou představeny příklady modifikací různých substrátů epoxidovými, allylovými, laktonovými a cyklickými karbonátovými skupinami. Druh zavedené funkční skupiny silně závisí na typu a struktuře použitého nenasyceného peroxidu. Ve zvláštních případech je na substrát navázána peroxidová skupina a tento se pak jako prekurzor může účastnit dalších reakcí.

III. Nenasycené dialkylperoxidy

Analýza produktů termického rozkladu nenasycených dialkylperoxidů CH2=CH-(CH2)n-OO-t-Bu (1), (n=1-5) ukázala, že k indukovanému rozpadu 1 docházelo při n=1-4. Adiční reakce volných radikálů THF, tetrachlormetanu a bromtrichlormethanu na 1 byly prováděny za nižší teploty. Všechny substráty byly substituovány epoxidovými nebo většími cykly obsahujícími kyslík. Terc-butoxy radikály (nebo terc-kumyloxy a methylové radikály získané -štěpením – není zobrazeno) odebírají vodíkové atomy z rozpouštědla a tvoří tak radikály rozpouštědla, čímž dochází k řetězové reakci. Izolací peroxidového aduktu bylo alespoň v případě jednoho peroxidu prokázáno, že reakční mechanismus indukovaného rozpadu 1 probíhá ve dvou krocích (adice radikálu Z* na dvojnou vazbu, homolytické štěpení vazby). Řád rychlostních konstant těchto SHi reakcí lze odhadnout [Bourgeois e.a., 1986].

Schéma 1

Adiční reakce volných radikálů rozpouštědel s allyl-terc-butylperoxidem vedla k 2,3-epoxypropanaci různých rozpouštedel: cyklohexanu, methylpropionátu, diethylketonu, acetonitrilu a dichlormethanu. Podobná adice probíhá při použití methallyl-terc-butylperoxidu. K těmto reakcím nicméně nedocházelo, byla-li dvojná vazba v peroxidu trisubstituována [Maillard e.a., 1985].

Schéma 2

IV. Nenasycené peroxyestery

Byly prováděny adiční reakce volných radikálů protických rozpouštědel ZH (cyklohexan, tetrahydrofuran, methylpropionát, diethylketon, dichlormethan) s nenasycenými terc-butylperoxyestery CH2=CH- (CH2)n-C(O)-O-O-t-Bu (n=1-4) iniciované benzoylperoxidem; reakční produkty závisely na hodnotě n.

Pro n=1 lze vysvětlit tvorbu allyl- substituovaných reakčních produktů vyšší rychlostí intramolekulárních reakcí radikálu, který vznikne adicí Z* na dvojnou vazbu, ve srovnání s přenosem vodíku ze Z-H. Pro n=2 vedl indukovaný rozpad a následná substituce ke vzniku substrátů s laktonovou funkční skupinou. Pro n=3 nebo 4 pak vedla radikálová adice Z* na nenasycených peroxidech ke vzniku aduktů obsahujících peroxidovou skupinu [Maillard e.a., 1986].

Schéma 3

Byla prováděna adice volných radikálů sloučenin ZH na gama-nenasycené peroxyestery s cílem určit omezení indukovaného rozpadu (stérické efekty, druh nenasycení, vliv substituce na alfa-C atom vedle peroxyesterové skupiny). Použití těchto peroxyesterů vedlo k zavádění laktonové funkční skupiny. [Kharrat e.a., 1986].

Schéma 4

Produktem adice volných radikálů protických rozpouštědel na terc-butyl peroxypent-4-enoát byly 4-substituované gama-butyrolaktony, s výtěžkem 50% a vyšším. [Maillard e.a., 1985].

Podobné adičně-eliminační procesy probíhaly s použitím terc-butyl 4-methylperoxypent-4-enoátu a terc-butyl 2,2-dimethyl-peroxypent-4-enoátu. V případě terc-butyl 5-methylperoxyhex-4-enoátu ale nikoliv, v důsledku substituce na ethylenovou vazbu. [Maillard e.a., 1985].

V. Nenasycené peroxyuhličitany

Adice volných radikálů sloučenin ZH na beta-nenasycené peroxyuhličitany vede ke vzniku cyklických peroxyuhličitanů přes indukovaný rozpad.  [Kharrat, 1986].

Schéma 5

Termický rozklad alfa-peroxyuhličitanů, O,O-terc-butyl a O-isopropenyl peroxyuhličitanu v cyklohexanu zahrnuje radikálovou acetylaci rozpouštědla. Volné radikály vzniklé z rozpouštědla se adují na perkarbonátovou dvojnou vazbu a po beta-štěpení vzniká cyklohexylaceton, oxid uhličitý a terc-butoxy radikály. Při rozšíření studie o cykloalkany se ukázalo, že tento proces je obecnou metodou přípravy cykloalkylacetonů. [Jaouhari e.a., 1982].

Schéma 6

V. Závěry

Použití radikálových chemických reakcí organických peroxidů v organické syntéze nabízí různé výhody:
- ve většině případů není nutné chránění funkčních skupin, které je často zásadní pro syntetické iontové reakce.
- díky tomu může být dosaženo snížení počtu reakčních kroků při běžných syntetických postupech.
- zavádění funkčních skupin na substráty

Reakce uvedené v tomto článku ukazují možnosti využití indukovaného rozpadu nenasycených peroxysloučenin pro zavádění funkčních skupin na různé substráty při syntéze. S ohledem na druh substrátu a reakční podmínky může být dosaženo velmi vysokých výtěžků. Výtěžek může být rovněž zvýšen použitím ko-iniciátoru ke spuštění reakce. Bylo zde představeno omezené množství peroxidů i reakcí; existuje však mnoho variací při použití stejných metod s jinými nenasycenými peroxidy, které vedou ke stejným funkčním skupinám, jen s odlišnou mírou substituce nebo s jinými konfiguracemi. Použití správné substituce substrátu umožňuje v mnoha případech řízení stereochemie výsledné funkční sloučeniny [Curran et al., 1996].

Citovaná literatura

Giese, B., Radicals in Organic Synthesis: Formation of Carbon-Carbon bonds, Pergamon  Press, Oxford, England (1986), pp. 6-14.
Curran, D.P., Porter, N.A. and Giese, B., Stereochemistry of Radical Reactions, VCH  Verlagsgeschelschaft, Weinheim, Germany (1996), pp. 1-22.
Akzo Nobel PC Product Catalogue.    Swern, D, Organic peroxides, Vol 1., Wiley-Interscience, New York (1970), pp. 90-91.
Kropf, H. (Ed.), Organische Peroxo-Verbindungen, Band E13-1, Methoden der Organische  Chemie (Houben-Weyl), Georg Thieme Verlag, Stuttgart (1988), pp. 48-57.
Bourgeois, M.J., Maillard, B. and Montaudon, E., Tetrahedron 42 (19), 5309-5320 (1986).
Maillard, B., Kharrat, A., Rakotomanana, F., Montaudon, E. and Gardrat, C.,Tetrahedron 41  (19), 4047-4056 (1985).
Maillard, B., Kharrat, A. and Gardrat, C., New Journal of Chemistry 10 (4-5), 259-264 (1986).
Kharrat, A., Gardrat, C. and Maillard, B., Bull. Soc. Chim. Belg. 95, 535 (1986).
Jaouhari, R., Filliatre, C., Maillard, B. and Villenave, J.J., Tetrahedron 38 (21), 3137-3142 (1982).