Chemoselective Oxidation of R-(+)-Camphor a According to Bayer–Villiger with Caro′ Acid

Resumo

Chemoselective oxidation of R-(+)-camphor by Bayer–Villiger reaction using Caro′s acid to a mixture of 1,2- and 3,4-campholactones was carried out.

Texto integral

ВВЕДЕНИЕ

Реакция окисления по Байеру–Виллигеру кетонов в сложные эфиры, включая лактоны, широко используется в органическом синтезе. В литературе имеется несколько примеров окисления бициклического монотерпенового кетона — R-(+)-камфоры (1), содержащейся в масле камфорного лавра Cinnamonum camphora (до 75%) [1]. При окислении кетона 1 органическими надкислотами образуется смесь 1,2- (2) и 3,4- (3) камфолактонов (схема 1) в различных соотношениях, которые уже нашли применение в органическом синтезе в качестве субстратов [2–5] и вспомогательных хиральных соединений [6–8].

Схема 1

Для окисления камфоры 1 использовали надуксусную кислоту в смеси 2:3 серной и уксусной кислот при 27°С в течение 5 дней (выход 3,4-камфолида 3 — 30%) [9, 10], перфторнадбензойную кислоту в CH₂Cl₂ при 40°С в течение 20 ч (выходы 1,2-камфолида 2 — 11%, 3,4-камфолида 3 — 29%) [11], м-хлорнадбензойную кислоту в присутствии TsOH в CH₂Cl₂ (выходы 1,2-камфолида 2 — 47%, 3,4-камфолида 3 — 31%) [12], надуксусную кислоту в присутствии ацетата натрия (выход 1,2-камфолида 2 — 82%) [9, 10]. Наиболее активной оказалась втор-декансульфонадкислота в CCl₄ (выходы 1,2-камфолида 2 — 60%, 3,4-камфолида 3 — 35%) [13].

Недорогим и доступным реагентом для окисления камфоры 1 представляется кислота Каро (мононадсерная кислота). Однако поведение камфоры в этой реакции неоднозначно. Впервые 5-ю эквивалентами мононадсерной кислоты 1 эквивалент камфоры 1 окисляли А. Байер и В. Виллигер [14 при комнатной температуре в течение 1.5 ч, в результате реакции образовалась смесь α-камфолида 3 (22%) и пентанолида 4 (15%) (схема 2). В дальнейшем установлено [15] строение пентанолида 4 как продукта последовательных реакций кислотной перегруппировки и окисления промежуточного β-камфолида 2.

Схема 2

Целью работы было хемоселективное окисление R-(+)-камфоры по Байеру–Виллигеру кислотой Каро до смеси 1,2- (2) и 3,4- (3) камфолактонов.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Ранее нами установлено [16], что обработка R-(+)-камфоры (1) 2 экв. кислоты Каро при комнатной температуре в течение 7 суток протекала с образованием α-камфолида 3 и оксибислактона 5, вероятно, образующегося из третичного спирта 6 — продукта окисления того же β-камфолида 2 по С⁵ положению (схема 3).

Схема 3

Окисление кетона 1 эквимолярным количеством реагента при 20°С в течение 24 ч проходило с конверсией 73% и приводило к смеси (схема 4): α-камфолида 3 (масс. 38%), β-камфолида 2 (18%) и оксибислактона 5 (16%), разделенных хроматографически.

Схема 4

Проведение же этой реакции при 10°С и сокращение времени до 15 ч дает только смесь α- (3) и β- (2) камфолидов без димерного продукта 5 (схема 5).

Схема 5

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Спектры ¹Н и ¹³С ЯМР (δ, м. д.) зарегистрированы для растворов в CDCl₃ на ЯМР-спектрометре высокого разрешения “Bruker” Avance III (США) с рабочими частотами 500.13 МГц (¹H), 125.47 МГц (¹³C) с использованием 5-мм датчика с Z-градиентом PABBO при постоянной температуре образца 298 K. Химические сдвиги приведены в миллионных долях относительно сигнала внутреннего стандарта тетраметилсилана. Контроль за результатом ТСХ — на SiO₂ марки Sorbfil (Россия), элюент: петролейный эфир 40-70°С (ПЭ)–метил-трет-бутиловый эфир (МТБЭ), проявитель — сернокислый раствор анисового альдегида. Для колоночной хроматографии применяли SiO₂ (70–230 меш) марки “Lancaster” (Великобритания). Оптическое вращение измеряли на поляриметре “Perkin Elmer-141-МС”. В работе использована R-(+)-камфора, [α]_D²⁰ +44.5° (c 20, EtOH). Для проведения реакций, выделения и очистки полученных соединений применены H₂SO₄ (98%-ная) (х.ч., ООО “АО Реахим”, Россия, CAS № 7664-93-9), хлористый метилен (CH₂Cl₂) (х.ч., ООО “АО Реахим”, Россия, CAS № 75-09-2)), гексан (х.ч., АО “Экос-1”, Россия, CAS № 110-54-3), трет-бутилметиловый эфир (МТБЭ) (х.ч., АО “Экос-1”, Россия, CAS № 1634-04-4).

ОкислениеR-(+)-камфоры (1). К перемешиваемой при 0°C смеси 7.8 мл (14.4 г, 146 ммоль) конц. H₂SO₄ и 2.6 мл (2.6 г, 144 ммоль) воды присыпали 5.30 г (19.5 ммоль) K₂S₂O₈, затем последовательно прибавляли 8.5 мл (8.5 г, 472 ммоль) воды и 3.00 г (19.5 ммоль) R-(+)-камфоры (1). Перемешивали при 0°C в течение 0.5 ч; при 20°С в течение 24 ч (эксперимент 1) или при 0°C в течение 0.5 ч; при 10°С в течение 15 ч (эксперимент 2), далее осторожно выливали в 4 мл охлажденной воды, экстрагировали CH₂Cl₂ (3 × 100 мл), последовательно промывали насыщенными растворами NaHCO₃, Na₂S₂O₃ и NaCl. Сушили MgSO₄ и упаривали.

1R,8,8-Триметил-2-оксабицикло[3.2.1]октан-3-он (2), 1R,8,8-триметил-3-оксабицикло[3.2.1]-октан-2-он (3) и (5S,5′S)-оксибис(1R,8,8-триметил-2-оксабицикло[3.2.1]октан-3-он) (5).

Эксперимент 1. Получали 3.20 г смеси, состоящей, согласно ГЖХ, из исходной камфоры 1 (27%), α-камфолида 3 (38%), оксибислактона 5 (16%) и β-камфолида 2 (18%). Смесь хроматографировали [SiO₂, градиентное элюирование от гексана до смеси (гексан–МТБЭ, 1:1)] и выделяли 1.10 г α-камфолида 3, 0.60 г β-камфолида 2, 0.90 г оксибислактона 5 и 0.80 г камфоры 1.

Эксперимент 2. Получали 3.12 г смеси, состоящей, согласно ГЖХ, из исходной камфоры 1 (50%), α-камфолида 3 (27%) и β-камфолида 2 (25%). Остаток хроматографировали [SiO₂, градиентное элюирование от гексана до смеси (гексан–МТБЭ, 1:1)] и выделяли 0.80 г α-камфолида 3, 0.75 г β-камфолида 2 и 1.48 г камфоры 1.

α-Камфолид 3. Выход 38% (эксперимент 1) и 25% (эксперимент 2). R_f 0.63 (гексан–МТБЭ, 1:1), [α]_D²¹–20.0° (с 2.04, CHCl₃). C₁₀H₁₆O₂. β-Камфолид 2. Выход 18% (эксперимент 1) и 24% (эксперимент 2). R_f 0.58 (гексан–МТБЭ, 1:1), [α]_D²¹–20.0° (с 2.04, CHCl₃). C₁₀H₁₆O₂. Оксибислактон 5. Выход 16% (эксперимент 1). R_f 0.34 (гексан–МТБЭ, 1:1), [α]_D²¹ +0.5 (c 1.71, CHCl₃). C20H30O5. Параметры ИК и ЯМР спектров α- (3) и β- (2) камфолидов [11] и оксибислактона 5 [16] идентичны описанным ранее.

Спектры получены с использованием оборудования Центра коллективного пользования “Химия” УфИХ УФИЦ РАН и регионального центра коллективного пользования “Агидель” УФИЦ РАН.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Осуществлено хемоселективное окисление R-(+)-камфоры по Байеру–Виллигеру эквимолярным количеством кислоты Каро при 10°С в течение 15 ч до смеси 1,2- и 3,4-камфолактонов.

ФОНДОВАЯ ПОДДЕРЖКА

Работа выполнена при финансовой поддержке программы РАН “Направленный синтез низкомолекулярных биорегуляторов на основе селективных превращений липидов, терпеноидов и стероидов” (№ 1021062311392-9-1.4.1).

КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.