НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ОРГАНІЧНОЇ ХІМІЇ

УДК 547.512+547.51

Коломіцин Ігор Васильович

ОНІЄВІ ПЕРЕГРУПУВАННЯ КАРКАСНИХ СПИРТІВ У СЕРЕДОВИЩІ ТРИФТОРООЦТОВОЇ КИСЛОТИ

Спеціальність 02.00.03 – органічна хімія

А В Т О Р Е Ф Е Р А Т

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата хімічних наук

Київ – 2001

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі органічної хімії та технології органічних речовин Національного технічного університету України “Київський Політехнічний Інститут”.

Науковий керівник: доктор хімічних наук

Фокін Андрій Артурович,

професор кафедри органічної хімії

Національного технічного університету

України “Київський Політехнічний

Інститут”, м. Київ

Офіційні опоненти: доктор хімічних наук, професор

Ільченко Андрій Якович,

провідний науковий співробітник

Інституту органічної хімії

НАН України, м. Київ.

доктор хімічних наук

Воловенко Юліан Михайлович,

професор кафедри органічної хімії

Київського Національного університету

імені Тараса Шевченка, м. Київ.

Провідна установа: Інститут біоорганічної хімії та нафтохімії НАН України, м. Київ.

Захист дисертації відбудеться “ 7 ” червня 2001р. о “ 14 ” годині на засіданні Спеціалізованої вченої ради Д 26.217.01 при Інституті органічної хімії НАН України за адресою: 02094, м. Київ, вул. Мурманська, 5.

З дисертацією можна ознайомитися в науковій бібліотеці Інституту органічної хімії НАН України.

Автореферат розісланий “ 24 ” квітня 2001р.

Вчений секретар Спеціалізованої вченої ради

доктор хімічних наук, професор ___________________ Н. Г. Фещенко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Реакція Байєра-Віллігера (окиснення кетонів та альдегідів у відповідні естери та лактони під дією надкислот) та перегрупування Кріге (йонне перегрупування надестерів) є об’єктами детальних досліджень тому, що викликають велику зацікавленість з препаративної точки зору. Ці два процеси з’єднує 1,2-міграція атома вуглецю до електрофільного атома кисню з послідовним утворенням продуктів вклинення кисню по С–С зв’язку. Оскільки онієві перегрупування проходять із збереженням конфігурації атома вуглецю, який мігрує, вони знайшли широке застосування в синтезі природних сполук.

Важливо підкреслити, що незважаючи на численні дослідження реакції Байєра-Віллігера з використанням трифторонадоцтової кислоти (ТФНОК) як окисника, перегрупування Кріге під дією трифторонадоцтової кислоти в середовищі трифторооцтової кислоти (ТФОК) не було досліджене. Це пов’язано з тим, що експерименти з трифторонадоцтовою кислотою у більшості випадків проводились в присутності фосфатів. Такі буферні умови обмежують послідовне вклинення кисню через зниження кислотності середовища і, таким чином, зменшують можливість утворення карбокатіонів і, як наслідок, знижують можливість утворення надестеру. Більш глибокі перетворення в присутності значних надлишків окисника звичайно неселективні і практично не вивчалися.

Нещодавніми дослідженнями було показано, що каркасні сполуки є зручними модельними об’єктами для вивчення онієвих перегрупувань під дією трифторонадоцтової кислоти, що виразно продемонстровано в дисертаційній роботі.

Мета та завдання дослідження. Метою роботи є дослідження механізмів реакцій каркасних спиртів та їх трифторооцтових естерів з трифторонадоцтовою кислотою і виявлення потенціалу реакції Кріге в синтезі оксакаркасних сполук.

Зв’язок роботи з науковими програмами кафедри. Робота виконувалась згідно з планами наукових досліджень кафедри органічної хімії та технології органічних сполук НТУУ “КПІ” при підтримці Міносвіти і науки України (договір № Ф4/212-97).

Наукова новизна одержаних результатів. На прикладі реакції каркасних спиртів з трифторонадоцтовою кислотою у середовищі трифторооцтової кислоти вперше було показано утворення стабільного карбокатіона в процесі послідовного перегрупування Кріге. Досліджено механізм реакції каркасних спиртів з трифторонадоцтовою кислотою та продемонстровано, що реакція вклинення атомів кисню по С–С зв’язку каркасу має загальний характер і зупиняється на вклиненні двох атомів. Механізми цих перетворень досліджені як експериментально, так і за допомогою квантово-механічних розрахунків. Стабілізація карбокатіона, що проміжно утворюється, також дозволяє направляти реакцію по шляху стереоселективного утворення похідних ряду біцикло[3.3.1]нонану.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблено препаративні методи синтезу оксакаркасних сполук ряду адамантану і гомоадамантану. Стабілізація катіона, що утворюється внаслідок послідовного перегрупування Кріге каркасних спиртів з трифторонадоцтовою кислотою в середовищі трифторооцтової кислоти, дозволяє використовувати цей нестійкий інтермедіат як вихідну сполуку для синтезу похідних ряду біцикло[3.3.1]нонану та оксаадамантану.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи були представлені на Міжнародній Науковій Конференції “Alkane Activation and Cage Compounds Chemistry” (Київ. 1998, стор. А-33, А-34, А-35) і на наукових семінарах університетів Геттінгена, Міннесоти (Дулут) і НТУУ “КПІ.

Публікації. За матеріалами роботи опубліковано 4 статті.

Структура та обсяг роботи. Дисертація викладена на 122 сторінках і складається з вступу, трьох розділів, висновків та списку літератури, який містить 171 найменування. В роботі наведено 10 таблиць та 4 рисунки.

Особистий внесок здобувача. Досліджено механізм реакції 2-похідних адамантану з трифторонадоцтовою кислотою в середовищі трифторооцтової кислоти та опрацьовано новий метод синтезу оксакаркасних похідних [1], [2]. На прикладі 2-метиладамантанолу-2 показано утворення стабільного катіона як наслідок послідовного перегрупування Кріге [2]. Проведено дослідження механізму реакції похідних тетрагідробіциклопентадієну [3] і гомоадамантану [4] з трифторонадоцтовою кислотою в середовищі трифторооцтової кислоти.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Реакція 2-похідних адамантану з трифторонадоцтовою кислотою.

Вибір об’єктів дослідження здійснено на основі аналізу реакційної здатності 2,2-дипохідних адамантану (1-5) по відношенню до трифторонадоцтової кислоти (ТФНОК) у середовищі трифторооцтової кислоти (ТФОК) (Схема 1).

Таблиця 1. Склад продуктів реакції сполук (1-5) з трифторооцтової кислотою в трифторонадоцтовій кислоті.

Сполуки | R 1 | R2 | Вихід, %

6 | 7 | 8 | 9

1 | H | H | 0 | 0 | 30 | 70

2 | CH3 | ОCH3 | 0 | 0 | 100 | 0

3 | C2H5 | ОC2H5 | сліди | сліди | 98 | 0

4 | H | Ph | 0 | 0 | 100 | 0

5 | H | CH3 | 56 | 40 | 4 | 0

Виявилось, що тільки 2-метиладамантанол-2 (5) утворює з високим виходом продукти реакції Кріге з вклиненням кисню в каркас: оксаадамантани (6) та (7). Сполуки (1) та (4) в аналогічних умовах окиснення утворюють лактон (8). Такий факт пояснюється тим, що перше вклинення атома кисню відбувається по С2–Н зв’язку сполуки (1) та по С2–Ph зв’язку сполуки (4). Окремо показано, що кеталі (2) і (3), синтезовані по реакції адамантанону (12) з триметилортоформіатом та триетилортоформіатом відповідно, виявляються нестабільними як в чистій трифторооцтовій кислоті, так і в присутності дихлорометану і утворюють адамантанон (12), який окиснюється надкислотою до лактону (8). Аналіз реакційної суміші окиснення діетилкеталю (3) показав присутність тільки слідів продуктів вклинення кисню в каркас - оксаадамантанів (6) та (7).

Кеталі (10) та (11) в сильнокислих умовах (Схема 2) гідролізуються до адамантанону (12), який, вступаючи в реакцію Байєра-Віллігера, утворює стабільний лактон (8). У випадку спирту (1) окиснення третинного С5–Н зв’язку адамантану проходить значно легше, ніж вклинення кисню по С2–Н зв’язку з утворенням кеталю (10).

Отримані набори продуктів відповідають ряду міграційної здатності замісників до електронодефіцитного атома кисню: Ph > H > C1–C2 - зв’язок адамантану >> CH3.

Подальше вивчення механізму вклинення кисню в каркас адамантану з утворенням оксаадамантанів (6) та (7) проводилось із застосуванням 2-метиладамантанолу-2 (5) та його трифтороацетату (13) як модельних сполук, тому що тільки в цьому випадку виходи продуктів вклинення кисню в каркас були достатньо високими.

Механізм реакції 2-метиладамантанолу-2 (5) і 2-метиладамантил-2 трифтороацетату (13) з трифторонадоцтовою кислотою в трифторооцтовій кислоті.

Як було згадано вище, в результаті реакції спирту (5) або його трифтороацетату (13) з ТФНОК утворювалась суміш оксаадамантанів (6) та (7); також був виділений лактон (8). Детальний аналіз реакційної суміші, отриманої в результаті реакції трифтороацетату (13) з ТФНОК, показав присутність слідів (біля 2 %) адамантил-2 форміату (17) (Схема 3).

Несподіване утворення форміату (17) в результаті реакції трифтороацетату (13) з ТФНОК в ТФОК стало приводом для вивчення поведінки сполуки (13) в ТФОК більш детально. Нами показано, що форміат (17) утворюється через інтермедіати (14), (15), і (16) (Схема 4). Зустрічно синтезовані олефін (14), оксиран (15) та альдегід (16) в стандартних умовах реакції з ТФНОК в ТФОК кількісно утворювали форміат (17).

Важливо відмітити, що катіон (18), що утворюється проміжно (Схема 5), може стабілізуватися або приєднанням нуклеофіла (в нашому випадку - ТФНОК) з утворенням надтрифтороацетату (19), або відщепленням протона в -положенні з утворенням олефіну (14). Таке припущення було доведене експериментально: в умовах низької концентрації ТФНОК, форміат (17) утворювався з 2-метиладамантил-2 трифтороацетату (13) з виходом 88 %. Отриманий результат свідчить на користь того, що продукт перехвату катіона - надтрифтороацетат (19), є інтермедіатом на шляху утворення оксадамантанів (6) та (7), а також на користь того, що вклинення атомів кисню в каркас адамантану проходить за механізмом Кріге (див. нижче).

З підвищенням концентрації ТФНОК і при зниженні реакційної температури до –25 оС, за даними спектроскопії ЯМР 1Н і 13С, було зафіксовано утворення продукту подвійного вклинення кисню в адамантановий каркас - карбокатіона (23) з виходом, близьким до кількісного (Схема 6). Значення хімічних зсувів у спектрі ЯМР 13С добре узгоджуються зі значеннями, отриманими із DFT-розрахунків катіона (23) (див. нижче).

Планарний катіон (23) (Рис. 1) виявився стабільним на протязі 24 годин при температурі –25 оС, але коли температуру реакційної суміші підвищували до 0 оС, на протязі 2 годин утворювалась суміш окса-адамантанів (6) та (7) (Схема 6). Таким чином, нам вперше вдалося експериментально зафіксувати утворення оксонієвого ка-тіона в процесі послідовного перегрупування Кріге в умовах, що відрізняються від суперкислотних.

В результаті видалення ТФОК і активного кисню з зони реакції з катіона (23) було отримано олефін (24). При введенні олефіну (24) в стандартні реакційні умови (ТФНОК/ТФОК) спостерігалось утворення продуктів (6) і (7) з тим же співвідношенням, що й при окисненні 2-метиладамантанолу-2 (5). (Схема 6).

Спектральний аналіз реакційної суміші після проведення окиснення трифтороацетату (13) показав присутність тільки ацетилтрифтороацетилпероксиду (28), який може утворюватися в реакційній суміші за реакцією ацилій-катіона (27) з трифторонадоцтовою кислотою:

Утворення останнього може відбутися тільки в результаті елімінування ацилій-катіона від катіона (26) або від катіона, який утворюється на шляху від (25) до (7) (Схема 6). Таким чином, нами показано, що утворення оксаадамантанових продуктів (6) та (7) з (13) перебігає через проміжне утворення катіона (23) та олефіну (24) як послідовне вклинення двох атомів кисню в молекулу адамантану з наступною фрагментацією та циклізацією (Схема 6). Стабілізація катіона (23) при –25 оС дозволяє направляти реакцію по альтернативних шляхах (Схема 7). Реакція катіона (23) з водою приводить до утворення ацетату (30), який був перетворений з кількісним виходом в оксаадамантан (6) або трифтороацетат (31). Стереоселективне утворення эндо,эндо-стереоізомеру сполуки (30) (Рис. 2), пояснюється стереоспецифічним кислотно-каталізованим розкриттям спирту (29), що проміжно утворюється в реакційній суміші як результат взаємодії катіона (23) з водою. Також розроблені препаративні методи спрямованого синтезу олефіну (24) та 2-оксаадамантанолу-4 (7) з катіона (23) при використанні буферних реагентів.

Структура 5-метил-4,6-діоксабісгомоадамантант-5-ильного катіона (23).

Теоретично в реакції (5) чи (13) з ТФНОК можливе утворення трьох продуктів подвійного вклинення атома кисню в молекулу адамантану: трифтороацетату (32), катіона (23) та трифторонадацетату (33) (Схема 8). Спектр ЯМР 13С реакційної суміші при –25 оС має тільки 6 сигналів нееквівалентних атомів вуглецю, що вказує на С2v-симетрію продукту вклинення атомів кисню.

Однак, подібний спектр ЯМР 13С, який ми відносимо до катіона (23), може бути також результатом швидкого обміну між трифтороацетатним та трифторонадацетатним аніонами як продуктами рекомбінації катіона (23) – сполуками (32) і (33) (Схема 8). DFT розрахунки сполук (32), (23), (33) показали (Таблиця 2), що продукт подвійного вклинення атома кисню в молекулу адамантану існує у вигляді катіона (23), про що свідчать експериментальні і розраховані хімічні зсуви С5-атома вуглецю в спектрі ЯМР 13С.

Таблиця 2. Експериментальні та розраховані (GIAO B3LYP/6-311+G(2d,p)) ЯМР 13C спектри молекул (32), (23) та (33) (геометрії B3LYP/6-31G*)

Номер атома вуглецю

(див. Рис. 1) |

Знайдено | Розраховано

Катіон

23 | Трифтороацетат

32 | Трифторонадацетат

33

1 | 28.4 | 25.7 | 30.7 | 30.6

2 | 33.1 | 39.3 | 40.5 | 42.2

3 | 89.6 | 98.8 | 75.0 | 75.7

5 | 181.2 | 191.1 | 128.3 | 127.8

7 | 89.6 | 98.8 | 78.3 | 76.7

8 | 33.1 | 39.3 | 36.6 | 39.5

9 | 28.4 | 25.7 | 30.7 | 30.7

10 | 22.9 | 33.2 | 38.8 | 38.6

11 | 33.1 | 39.3 | 43.3 | 41.9

12 | 33.1 | 39.3 | 37.8 | 36.4

13 | 19.1 | 27.1 | 31.1 | 30.1

Розрахунок енергій напруги і стабілізації оксакаркасних карбокатіонів.

Здавалося важливим провести кількісну оцінку впливу стабілізаційних і дестабілізаційних факторів при вклиненні кисню у каркас. Усі розрахунки виконувались за програмою Gaussian-98 (версії А.5 та А.7) на рівнях B3LYP (DFT) теорії за базисом 6-31G* за серіями гомодейсмічних рівнянь. Оскільки в лівій частині рівнянь 1–5 нами використовувались вільні від напруги структури, розрахунок ентальпій реакцій дає енергію напруги модельних каркасних молекул безпосередньо.

Як показали розрахунки, вклинення одного атома кисню в молекулу адамантану (34), при переході до оксаадамантану (35), призводить до збільшення енергії напруги на DDE1=6.9 ккал/моль; вклинення другого атома кисню (діоксаадамантан (36)), призводить до збільшення енергії напруги тільки на DDE2=4.5 ккал/моль. Порівняно менше збільшення енергії напруги при другому вклиненні атома кисню в молекулу адамантану, ймовірно, і ускладнює виділення або знаходження продукту моновклинення в послідовному перегрупуванні Кріге.

Для кількісної оцінки стабілізації оксакаркасних катіонів за рахунок р-електронів атомів кисню були проведені DFT- розрахунки для серії ізодейсмічних рівнянь 6–8 гідридного обміну. Показано, що незважаючи на значне збільшення енергії напруги в результаті вклинення двох атомів кисню (DDE1 + DDE2 = 6.9 + 4.5 ккал/моль = 11.4 ккал/моль) в молекулу адамантану, енергія стабілізації катіона (23) за рахунок р-электронів атомів кисню при цьому збільшується. Причому загальна енергія стабілізації (Ест1 + Ест2 = 24.6 + 9.2 = 33.8 ккал/моль) перевищує енергію напруги та робить можливим фіксацію катіона (23) при помірно низьких температурах.

Реакція 8-метил-2,6-трицикло[5.2.1.02,6]деканолу-8 (45) з ТФНОК.

З метою вивчення особливостей перебігу окисної фрагментації в ряду інших каркасних сполук, як модель був вибраний спирт (45), який має каркасну структуру безпосереднього попередника адамантану – тетрагідродициклопентадієну (ТГДЦПД) (Схема 9). Показано, що вклинення кисню у середовищі ТФОК при окисненні похідних адамантану та ТГДЦПД перебігає аналогічно і відрізняється тільки на стадії фрагментації катіона (50) після подвійного вклинення кисню і закінчується утворенням ацетату (52).

Механізм реакції 4-метилгомоадамантанолу-4 з ТФНОК.

Дослідження були також розповсюджені на каркасні структури ряду гомоадамантану. В результаті реакції спирту (53) з 8-кратним надлишком ТФНОК виділені лактон (54) та оксагомоадамантанол (55) з виходами 71 % і 24 % відповідно. Також виявлено присутність в реакційній суміші слідових кількостей оксагомоадамантану (56) (Схема 10). Знайдений в реакційній суміші несиметричний ацетилтрифтороацетилпероксид (28) (див. вище) свідчить про те, що оксагомоадамантани (55) та (56) є продуктами, які утворюються в результаті вклинення двох атомів кисню в гомоадамантановий каркас.

Вирішальний аргумент на користь послідовного вклинення двох атомів кисню в гомоадамантановий каркас (А) на відміну від фрагментаційного шляху (В) був отриманий після проведення порівняльного кінетичного експерименту кетону (57) та спирту (53) (Схема 11).

Виявилось, що константа швидкості реакції Байєра-Віллігера кетону (57) в ацетат (58) як мінімум в 103 менша константи швидкості реакції перетворення спирту (53) в кінцеві продукти (55) та (56) (к2/к1> 103). На основі отриманих результатів запропонована схема механізму реакції спирту (53) з ТФНОК, аналогічна механізму реакції 2-метиладамантанолу-2 (5) з ТФНОК через утворення продукту подвійного вклинення атомів кисню (59) за шляхом А (Схема 12).

Окремо показано, що утворення лактону (54) із спирту (53) (Схема 10) є результатом послідовних реакцій через проміжне утворення олефіну (62), який окиснюється за реакцією Прилежаєва в епоксид (63), кислотно-каталізоване перегрупування якого призводить до кетону (64) (Схема 13). Кетон (64) окиснюється ТФНОК за реакцією Байєра-Віллігера в лактон (65), який потім ізомеризується в лактон (54). Сполуки (62), (63), (64) та (65) синтезовані зустрічно і всі вони в умовах окиснення перетворювались у лактон (54). Було також показано, що кетон (64) може бути синтезований безпосередньо зі спирту (53) у ТФОК при низьких температурах.

Висока селективність утворення сполуки (64) в результаті ізомеризації (63) стала приводом провести дослідження детально. Виявилось, що протонована форма кетону (64) на 22.1 ккал/моль більш стабільна (B3LYP/6-31G*), ніж протонована форма епоксиду (63). Ендо-протонований епоксид (63) на 0.9 ккал/моль менш стабільний, ніж екзо-ізомер, тому для розрахунків було використано останній.

Рис. 3 Перехідна структура ПС1 для перегрупування протонованого епоксиду (63+) в протонований кетон (64+) за даних B3LYP/6-31G*.

Результати розрахунків показали, що бар’єр 1,2-гідридного зсуву для кислотно-каталізованого перегрупування епоксиду (63) в кетон (64) через (ПС1, Рис. 3) є дуже низьким (1.9 ккал/моль), що відпо-відає Хемондівському профілю для екзотермічної реакції (ранній пере-хідний стан). Очевидно, що знижен-ня енергії напруги обумовлює низьке значення бар’єру 1,2-гідрид-ного зсуву, який перебігає високоселек-тивно, на відміну від аналогічних перегрупувань інших алкілепоксидів. Механізм кислотно-каталізованої фрагментації лактону (65) в лактон (54) також досліджено методом B3LYP з базисом 6-31G*. Виявлено, що протонований лактон (54) на 16.6 ккал/моль більш стабільний ніж протонований лактон (65) (Схема 14).

Рис. 4 Перехідна структура ПС2 для перегрупування протонованого лактону (65+) в протоновану форму лактону (54+) за даних B3LYP/6-31G*.

Таким чином зменшення енергії напруги є основною рушійною силою перегрупування. Незважаючи на те, що розрахований енергетичний бар’єр фрагментації протонованої форми лактону (65+) в протоновану форму (54+) відносно високий (ПС2 = 19.5 ккал/моль, Рис. 4), запропонований механізм доведено експериментально ізомеризацією лактону (65) в присутності дейтерованої ТФОК (Схема 14). Виявлено, що ізомеризація проходить через 1,2-внутришньо-молекулярне гідридне зміщення через ПС2, так як в результаті реакції сполуки (65) з CF3COOD була отримана тільки недейтерована форма лактону (54). Альтернативний фрагментаційний шлях через депротонування катіона (66) в олефін (67) з подальшим протонуванням мав би привести до дейтерованої форми лактону (54D).

ВИСНОВКИ

1.

2.

3.

4.

5.

6.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ РОБОТИ
ВИКЛАДЕНО В ТАКИХ ПУБЛІКАЦІЯХ:

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

АНОТАЦІЇ

Коломіцин І. В. Онієві перегрупування каркасних спиртів у середовищі трифторооцтової кислоти. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата хімічних наук за спеціальністю 02.00.03 – органічна хімія. Інститут органічної хімії Національної Академії наук України, Київ, 2001.

Дисертація присвячена вивченню механізмів реакцій каркасних спиртів з трифторонадоцтовою кислотою в розчині трифторооцтової кислоти. Знайдено, що метильна група є найкращим замісником, який направляє вклинення кисню в каркас. Показано, що реакція каркасних спиртів з трифторонадоцтовою кислотою може йти двома шляхами. Перший включає вклинення атомів кисню в каркас, а другий - олефінізацію каркасного спирту з подальшими реакціями відповідних олефінів.

Вперше продемонстрована можливість стабілізації карбоксонієвого йона (продукту подвійного вклинення кисню) при послідовній реакції Кріге в трифторооцтовій кислоті. Показано, що послідовне вклинення атомів кисню при реакції каркасних спиртів з трифторонадоцтовою кислотою в трифторооцтовій кислоті завершується стадією вклинення двох атомів кисню, і така реакція має загальний характер для каркасних вуглеводнів.

Ключові слова: Перегрупування Кріге, оксонієві йони, реакція Байєра-Віллігера, DFT-розрахунки, каркасні спирти, трифторонадоцтова кислота.

Коломіцин І. В. Ониевые перегруппировки каркасных спиртов в среде трифторуксусной кислоты. -Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата химических наук по специальности 02.00.03 – органическая химия. Институт органической химии Национальной Академии наук Украины, Киев, 2001.

Диссертация посвящена изучению механизма реакции каркасных спиртов с трифторнадуксусной кислотой в растворе трифторуксусной кислоты. Найдено, что метильная группа является лучшим заместителем, который направляет внедрение атомов кислорода в каркас. Показано, что реакции каркасных спиртов с трифторнадуксусной кислотой могут проходить по двум путям. Первый включает внедрение атомов кислорода в каркас, а второй - олефинизацию каркасного спирта с последующими реакциями соответствующих олефинов.

Впервые продемонстрирована возможность стабилизации карбоксониевого иона (продукта двойного внедрения атома кислорода) при последовательной реакции Криге в трифторуксусной кислоте. Показано, что последовательное внедрение атома кислорода при реакции каркасных спиртов с трифторнадуксусной кислотой в трифторуксусной кислоте завершается на стадии внедрения двух атомов кислорода, и подобная реакция имеет общий характер для каркасных углеводородов.

Ключевые слова: Перегруппировка Криге, оксониевые ионы, реакция Байера-Виллигера, расчеты DFT, каркасные спирты, трифторнадуксусная кислота.

Kolomitsyn I. V. The Onium Rearrangement of Cage Alcohols in the Trifluoroacetic Acid Media.– The Manuscript.

The dissertation is seeking for Candidate of Sciences (PhD) scientific degree on the Organic Chemistry (02.00.03) speciality. The Institute of Organic Chemistry Ukrainian National Academy of Sciences, Kiev, 2001.

The reaction of cage alcohols with trifluoroperacetic acid (TFPAA) in trifluoroacetic acid (TFAA) is studied in this dissertation. It was found, that methyl group is the best group, which directs the oxygen insertion process into C–C bond of the cage structure. The two possible pathways are shown for the reaction of cage alcohols with trifluoroperacetic acid. The first pathway involves the oxygen insertion into the cage structure, the second one is the process of olefination of a cage alcohol followed by the consecutive reactions of the corresponding olefines.

At the first time, the possibility of 5-methyl-4,6-dioxabishomoadamant-5-yl cation formation (a double oxygen insertion product) during the course of consecutive Criegee rearrangement of 2-methyladamantan-2-ol with TFPAA in TFAA was shown. Stable carboxonium ion formation allows control of the selectivity of further transformations. Hydrolysis leads to the stereospecific formation of endo,endo-3-hydroxy-7-acetoxybicyclo[3.3.1]nonane. Its single-crystal X-ray structure was obtained. An increase in temperature results in deprotonation of the 5-methyl-4,6-dioxabishomoadamant-5-yl cation to endo-3-trifluoroacetoxybicyclo[3.3.1]non-6-ene, which undergoes further epoxidation with TFPAA and acidic transannular cyclization in TFAA. The described reactions can be used as a convenient method for the synthesis of bicyclo[3.3.1]nonane and oxaadamantane derivatives. The proposed mechanism for each transformation, as well as supporting density functional theory (DFT) theoretical calculations of the strain energy and the stabilization energy of the relevant oxacage structures, are discussed.

The reaction of 4-methylhomoadamantan-4-ol with TFPAA in TFAA was also stydied. This reaction proceeds with the formation of 4-oxahomoadamantane, 2-exo-hydroxy-4-oxahomoadamantane, and 4-ethyl-3-oxahomoadamantan-2-one. 2-exo-Hydroxy-4-oxahomoadamantane and 4-oxahomoadamantane were identified as a result of consecutive O-insertion Criegee rearrangement processes. The absence of methyl trifluoroacetate and methyl trifluoroperacetate among the reaction products, as well as the presence of acetyltrifluoroacetyl peroxide, is consistent with a double rather that a triple oxygen insertion during the course of the Criegee reaction. A mechanism involving initial Criegee rearrangement followed by a Baeyer-Villiger reaction is also excluded by kinetic considerations. The parallel formation of 4-ethyl-3-oxahomoadamantan-2-one was determined to be the result of 4-methylhomoadmantan-4-ol dehydration, with subsequent epoxidation of 4-methylhomoadamant-4-ene to 4,5-epoxy-4-methylhomoadamantane, acid-catalyzed isomerization of 4,5-epoxy-4-methylhomoadamantane to 3-methylhomoadamantan-2-one, and Baeyer-Villiger oxidation to 3-methyl-5-oxabishomoadamantan-6-one. This sequence of reactions was followed by the acid-catalyzed isomerization to the 4-ethyl-3-oxahomoadamantan-2-one. The proposed mechanisms for these transformations are discussed on the basis of model experiments and supporting density functional theory (DFT) calculations.

It was also shown that the reaction of 8-methyl-2,6-tricyclo[5.2.1.02,6]decan-8-ol with TFPAA in TFAA proceeds as consecutive oxygen insertion Criegee rearrangement processes with the formation of trans-2-acetoxy-4-triluoroacetoxybicyclo[3.3.1]octane.

In all cases the consecutive oxygen insertion during the reaction of a cage alcohol with TFPAA in TFAA terminates with the insertion of the second oxygen atom and such reaction has a general character for cage compounds.

Key words: Criegee rearrangement, onium ion, Baeyer-Villiger reaction, DFT computations, cage alcohols, trifluoroperacetic acid.