Diels-Alder αντιδράσεις προστατευμένων ο-βενζοκινονών με αλκένια: θερμική ισομερείωση ortho,endo-δικυκλο[2.2.2]οκτ-5-εν-2-ονών σε ortho,exo- δικυκλο[2.2.2]οκτ-5-εν-2-όνες

Abstract

Masked ortho-benzoquinones (MOBs) 175(α–θ), which can be regarded as derivatives of ortho-quinone methides (o-QMs), are ortho-benzoquinones in which one carbonyl group is protected. They are capable of reacting either as dienes or as dienophiles in Diels–Alder reactions, but are also extremely reactive species that undergo rapid dimerization. It is well established that thermolysis of the dimer derived from o-eugenol affords the corresponding MOB, which reacts with styrenic derivatives to give exclusively the ortho,endo bicyclo[2.2.2]octenones as the sole stereoisomeric products, at temperatures above 200 °C. In contrast, thermolysis of dimers 176(δ–ι) occurs at significantly lower temperatures (above 120 °C), leading to the formation of the corresponding MOBs 175(δ–ι). These intermediates react with various monosubstituted acyclic alkenes and styrenic derivatives 153(α–θ), disubstituted alkenes 155, 159, 164, 168, 171, and cyclic alkenes 169, 170 (present in excess), to afford the corresponding bicyclo[2.2.2]octenone adducts 180–203. Reactions of MOBs with alkenols 158α–ζ resulted in the isolation of the corresponding tetrahydro-3,6-methanobenzofuranones 208–212.Dimers 176(δ–ι) differ from the o-eugenol dimer in that three double bonds are located around carbon-1 of the dimer and, consequently, of the octenone, whereas the o-eugenol dimer possesses only two. The additional double bond facilitates thermolysis by weakening the C1–C1′ bond of the dimer, enabling cleavage at 120 °C. The presence of three double bonds also accounts for the isomerization of ortho,endo cycloadducts 180–185 to the corresponding ortho,exo isomers 186–191 when the cycloaddition reactions are conducted at 200–220 °C. Furthermore, prolonged heating or elevated temperatures lead to decomposition of the ortho,exo products 186′–191′.To probe the mechanism of isomerization, reactions of dimers 176(δ–ι) with disubstituted alkenes were carried out, affording cycloadducts 192–201. Among the four theoretically possible stereoisomers, three were isolated. Reactions with cis-alkenes provided ortho,endo,meta,endo (192–206γ) and ortho,exo,meta,endo (192–206β) cycloadducts, while reactions with trans-alkenes afforded mainly ortho,exo,meta,endo (192–206β) products, in nearly all cases, across a temperature range of 120–220 °C. Examination of the thermal isomerization of ortho,endo,meta,endo products to the corresponding ortho,exo,meta,endo isomers supports a mechanism involving cleavage of the MOB–alkene bond (C1–CA) rather than a retro-Diels–Alder/Diels–Alder pathway coupled with alkene isomerization, which could otherwise be invoked.In the case of intramolecular Diels–Alder reactions of MOBs 175(α–γ) with alkenols 158(α–ζ), only ortho,endo,meta,exo tetrahydro-3,6-methanobenzofuranones 208–212 were isolated as unique stereoisomeric products out of the four possible. Exclusively the trans isomers of the alkenols afforded cycloadducts; no formation of ortho,exo,meta,exo products or thermal isomerization of the ortho,endo,meta,exo adducts to ortho,exo,meta,exo was observed at room temperature or within 80–120 °C. In all cases, a furan (five-membered) ring was formed.Finally, reactions of dimers 176δ, 176θ, and 176ι with cyclic alkenes 169 and 170 led to the isolation of cycloadducts 192γ, 197, and 203γ, respectively. Although these reactions proceeded with excellent yields, they were not informative regarding isomerization processes, since the substituents involved were cis alkenes embedded in five- or six-membered rings.

Οι προστατευμένες ο-βενζοκινόνες (MOBs) 175(α-), που μπορούν να θεωρηθούν παράγωγα των ο-κινονομεθιδίων (o-QMs), είναι ο-βενζοκινόνες των οποίων το ένα καρβονύλιο είναι προστατευμένο. Μπορούν να αντιδρούν είτε ως διένια είτε ως διενόφιλα σε μια Diels-Alder αντίδραση αλλά είναι επίσης και εξαιρετικά δραστικά με αποτέλεσμα να διμερίζονται ταχύτατα. Στο εργαστήριο, είναι γνωστό πως η θερμόλυση του διμερούς της ο-ευγενόλης οδηγεί στην παραγωγή της προστατευμένης ο-βενζοκινόνης, η οποία αντιδρά με στυρολικά παράγωγα και δίνει τις ortho,endo δικυκλο[2.2.2]οκτενόνες ως τα μοναδικά στερεοϊσομερή προϊόντα, σε θερμοκρασία μεγαλύτερη των 200 oC.Η θερμόλυση των διμερών 176(δ-ι), η οποία λαμβάνει χώρα σε σημαντικά χαμηλότερη θερμοκρασία (μεγαλύτερη των 120 oC), οδηγεί στην παραγωγή των αντίστοιχων προστατευμένων ο-βενζοκινονών 175(δ-ι), οι οποίες αντιδρούν με διάφορα μονοϋποκατεστημένα άκυκλα αλκένια και στυρολικά παράγωγα 153(α-θ), διυποκατεστημένα αλκένια 155, 159, 164, 168, 171, κυκλικά αλκένια 169, 170, που βρίσκονται σε περίσσεια και δίνουν τα ανάλογα δικυκλο[2.2.2]οκτενονικά προϊόντα 180- 203. Οι αντιδράσεις των MOBs με αλκενόλες 158α-ζ, οδήγησαν στην απομόνωση των αντίστοιχων τετραύδρο-3,6-μεθανοβενζοφουρανονών 208-212. Τα διμερή 176(δ-ι) διαφέρουν από το διμερές της o-ευγενόλης, καθώς γύρω από τον άνθρακα 1 του διμερούς και κατ’ επέκταση της οκτενόνης, υπάρχουν τρείς διπλοί δεσμοί ενώ στο διμερές της ευγενόλης υπάρχουν δύο. Ο επιπλέον διπλός δεσμός, ευνοεί την θερμόλυση του διμερούς, λόγω εξασθένησης του δεσμού άνθρακας 1 – άνθρακας 1’ στο διμερές, σε θερμοκρασία 120 οC. Στην ύπαρξη των τριών διπλών δεσμών, οφείλεται και η ισομερίωση των ortho,endo κυκλοπροϊόντων 180 – 185 στα αντίστοιχα ortho,exo κυκλοπροϊόντα 186 – 191, όταν η αντίδραση κυκλοπροσθήκης πραγματοποιείται σε θερμοκρασία 200 – 220 oC. Επιπλέον, με την αύξηση της θερμοκρασίας και του χρόνου της αντίδρασης, απομονώνονται τα προϊόντα αποσύνθεσης των ortho,exo κυκλοπροϊόντων, 186’ – 191’. Για τη διερεύνηση του μηχανισμού ισομερίωσης, πραγματοποιήθηκαν αντιδράσεις των διμερών 176(δ-ι) με διυποκατεστημένα αλκένια, που οδήγησαν στην απομόνωση των κυκλοπροϊόντων 192 – 201. Τρία ισομερή προϊόντα κυκλοπροσθήκης απομονώθηκαν απο τα τέσσερα πιθανά: Οι αντιδράσεις με cis αλκένια, οδήγησαν στην απομόνωση των ortho,endo, meta,endo (192 – 206)γ και ortho, exo, meta,endo (192 – 206)β ισομερών προϊόντων κυκλοπροσθήκης, ενώ από τις αντιδράσεις με trans αλκένια, απομονώθηκαν τα ortho,exo, meta endo (192 – 206)β προϊόντα κυκλοπροσθήκης σχεδόν σε όλες τις περιπτώσεις, σε ένα εύρος θερμοκρασίας 120 - 220 oC. Η εξέταση της θερμικής ισομερίωσης των ortho,endo, meta, endo κυκλοπροϊόντων, στα αντίστοιχα ortho,exo, meta endo ισομερή, οδηγεί στο συμπέρασμα πως η ισομερίωση λαμβάνει χώρα μέσω της διάνοιξης του δεσμού της MOB με το αλκένιο (άνθρακας 1 - άνθρακας Α) και όχι μέσω μιας retro Diels – Alder/ Diels - Alder αντίδρασης, με ταυτόχρονη ισομερίωση του αλκενίου, όπως θα μπορούσε να είναι μια άλλη προτεινόμενη πορεία. Στην περίπτωση των ενδομοριακών αντιδράσεων Diels – Alder των MOBs 175(α-γ) με αλκενόλες 158(α-ζ), απομονώθηκαν οι ortho,endo, meta exo τετραύδρο-3,6-μεθανοβενζοφουρανόνες 208 - 212 ως μοναδικά στερεοϊσομερή προϊόντα κυκλοπροσθήκης, από τα τέσσερα πιθανά. Μόνο τα trans ισομερή των αλκενολών έδωσαν προϊόντα κυκλοπροσθήκης ενώ σε καμία περίπτωση δεν παρατηρήθηκε o σχηματισμός των ortho,exo, meta ,exo κυκλοπροϊόντων ή θερμική ισομερίωση των ortho,endo, meta,exo σε ortho,exo,meta, exo σε θερμοκρασία δωματίου ή σε εύρος θερμοκρασίας 80 – 120 oC. Σε όλες τις περιπτώσεις σχηματίζεται φουρανικός (πενταμελής) δακτύλιος. Η αντιδράσεις των διμερών 176δ, 176θ, 176ι με κυκλικά αλκένια 169, 170 οδήγησαν στην απομόνωση των κυκλοπροϊόντων 192γ, 197, 203γ αντίστοιχα. Αν και οι παραπάνω αντιδράσεις πραγματοποιήθηκαν με εξαιρετικές αποδόσεις, δεν παρουσιάζουν ενδιαφέρον ως προς την ισομερίωση, αφού ο υποκαταστάτης είναι cis αλκένιο πενταμελούς ή εξαμελούς δακτυλίου.