Bull. SOC. Chim. Belq. vol.90/no 6/1981

AGRANDISSEMENT THERMIQUE DE CYCLES A TROlS CHAINONS VINYLIQUES

JOSSELIN CHUCHE

Laboutoine de Ckimie Oqanique Physique Ribuungementb Thumiqua et Phobchuncques - EqcLipe de

Rechehche Abbocige (u1 CNRS no 6 8 8 , U.E.R. Suenced B . P . 3 4 7 . 51062 Reims Cedex, F m c e

INTRODUCTION

Le rearrangement thermique du vinylcyclopropane (X=CH2) en cyclo- penthe est une reaction d'un grand interet theorique"). La tension de cycle(2) de 27 k cal. mol-' et la contribution d'environ 13 k cal.mol-' du groupe ~ i n y l e ' ~ ) a l'abaissement de l'energie d'activation se combinent par- tiellement pour faciliter thermiquement cette reaction et la rendre attractive en ~ynthese'~). Actuellement, le debat sur le caractere concert6 du rearran- gement reste ouvert malgre les travaux tres nombreux consacres au mecanisme de cette isomerisation") (') (6).

in het

X : CH, ,0, S,NR ... Schema 1

La reaction formellement analogue d'agrandissement ro- cycle vinylique a trois chainons en cycle a cinq chainons a ete fort peu etu- diee. A priori deux modes de rupture de l'hererocycle peuvent €tre envisages (voies a et b) qui placent X en a ou en B de la double liaison. La coupure de la liaison C-X est generalement favorisde (X=O(7) X=N-R('), X=SO("). . .) et s'accompagne parfois de la formation de produits de degradation(8). Lorsque nous avons entrepris ce travail VOGEL et GUNTHER(ll) avaient decrit le seul exemple connu d'agrandissement de cycle selon la voie a : formation de vinyl-2 dihydrofuranne par isomerisation thermique du divinyl-2,3 epoxyde trans.

consfdarer pour interpreter l'obtention d'heterocycles a cinq chainons : mi- gration sigmatropique-1,3 a symetrie permise (n28 + 02a) (12), migration sigma- tropique-1.3 a symetrie interdite ( n Z s t 02s) (13) (Id), coupure de la liaison C-C avec formation intermediaire d'un biradical delocali~6(~). De plus, dans la reaction d'agrandissement de cycle selon la voie a, le passage par des ylures peut Stre envisage : en effet, ces especes ont ete caracterisees lors de la thermolyse d'heterocycles a trois chainons porteurs de groupements ac- tivateurs en positions 2 et 3(15) (16) (17).

Par analogie avec la serie carbonee, plusieurs mecanismes sont a

- 5 3 5 -

.. X:O,S, NR

R': H,D,CH,,Ph ... R' r Ph,CHxCH R ,CtC R Schema 2

L'examen de la stereochimie des reactions intramoleculaires est tres souvent une methode de choix pour resoudre le probleme du chemin reac- tionnel. Elle peut &re utilisee dans l'etude du processus selon la voie a a condition d'effectuer une coupure regioselective de la liaison C-C. Cette condition est realisee lorsque le substituant R2 (schema 2) est un groupement phenyle, vinyle ou ethynyle. Une correlation entre des heterocycles vinyliques diversement substitues et les produits de thermolyse permet une approche du mecanisme de la reaction et de l'influence de l'heteroatome. Enfin, lorsque R2 est un radical ethylenique ou acetylenique, la reaction de formation d'un heterocycle a sept chainons par migration sigmatropique 13,31 de la liaison C-C devient competitive.

SYNTHESE DES HETEROCYCLES V I N Y L I Q U E S

Pour etudier le mecanisme de cet agrandissement de cycle, il est necessaire de disposer d'heterocycles vinyliques de configuration cis ou trans sur le cycle et 2 ou E sur la double liaison.

premiere part de glycols a-ethyleniques et presente l'avantage de permettre lasynthese d'isomeres purs : en effet, ces glycols sont des melanges de dias- tereoisomeres erythro et threo qui. apres separation et traitement par l'hy- drure de sodium et le chlorure de tosyle, conduisent respectivement aux epo- xydes trans et cis"') (I9). La seconde utilise l'attaque nucleophile d'un aldehyde par un ylure de sulfonium allylique ou benzylique('') ; l'utilisation de sels de sulfonium derives du tetrahydrothiophene permet d'augmenter le ren- dement en epoxydes(20). Toutes ces methodes fournissent des epoxydes de confi- guration E sur la double liaison. Les isomeres de configuration 2 ont ete pre- pares par hydrogenation catalysee de derives acetyleniques (21 ) .

Les epoxydes ont ete prepares par deux methodes distinctes. La

Les methodes stereospecifiques classiques de transformation d'epo- xydes en aziridines et en thiiranes ont ete utilisees pour acceder aux derives azotes(22) et ~ o u f r e s ' ~ ~ ) a partir des epoxydes vinyliques cis et trans.

REARRANGEMENT THERMIQUE DE PHENYL V I N Y L HETEROCYCLES

R e but t a t s Le rearrangement thermique des heterocycles vinyliques a ete reali-

se en solution (regime statique) ou en phase vapeur par passage dans un tube chauffe rempli de billes de verre (regime dynamique). Le deuxieme mode opera- toire necessite une temperature plus Blevee pour compenser la duree tres courte de la pyrolyse. Dans tous les cas (X=O(24), X = S ( 2 5 ) , X=N-R(26)), il se

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forme l'heterocycle cependant, en serie (phenylbutadienes) .

R'

b

a cinq chainons provenant d'une rupture de la liaison C-C; soufree, des produits issus d'une rupture C-S sont isoles

R = Me (238:,3h) g': ( 1 00) 62 (0) R = Me (244 ,3h) ( 9 8 ) 54 (2) R = Ph (247',3h) 2:: (100) 100 (0)

Shema 3 ::Produit de depart

30 3 0:: 0

En serie @ p o ~ y d i q u e ( ~ ~ ) , la formation du dihydrofuranne est prati- quement quantitative lorsque la temperature est suffisamment elevee. Nous avons present6 dans le schema 3 des resultats tres importants sur le plan stereochi- mique obtenus avec des phenyl vinyl epoxydes substitues de configuration E.On constate pour un taux de conversion partiel :

- une isomerisation cis 2 trans reversible de l'epoxyde - la formation hautement stereoselective du dihydrofuranne cis.

Schema 4

En serie azotee(26), les phenyl vinyl aziridines subissent une iso- merisation thermique en pyrroline-2 (schema 4) mais, contrairement aux 6poxyks homologues, la stereochimie du cycle a cinq chainons depend de la configuration cis ou trans de l'aziridine utilisde. On note en.particulier :

- l'absence d'isomerisation cis : trans - une temperature de rearrangement plus basse pour l'isomere trans - la formation stereospecifique de pyrroline-2 trans a partir de

l'isomere trans - la formation stereoselective de pyrroline-2 cis a partir de

l'isomere c i s .

M e c a n i s m e

Une analyse approfondie de ces resultats a permis d'ecarter a la fois les mecanismes radicalaires et sigmatropiques-1,3 et de proposer un meca- nisme par ylures(26) (27).

Les epoxydes et les aziridines possedent une paire electronique sur

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l'heteroatome et sont isoelectroniques avec l'anion cyclopropanique. I1 a ete demontre que ces heterocycles subissent, lorsqu'ils sont porteurs de groupe- ments activateurs, une ouverture thermique conrotatoire avec rupture de la liaison C-C(28) ( 2 9 ) . Si nous appliquons ce modele aux heterocycles vinyliques (schema 5 ) , il apparaxt qu'il est possible theoriquement d'obtenir quatre ylures I-IV susceptibles de s'isomeriser par rotation autour d'une liaison C-X.

o...

c-

x :X

Schema 5

De plus, les ylures I1 et IV, qui sont des systemes a 6 electrons, peuvent conduire par fermeture electrocyclique disrotatoire aux heterocycles a cinq chainons respectivement trans et cis.

Ce schema general permet de rendre compte des stereoselectivites observees precedemment a condition de se rappeler que l'atome d'oxygene est divalent et l'atome d'azote trivalent, et que la stabilite des ylures depend de l'encombrement sterique. De plus, des resultats theoriques et experimentaux ont permis d'etablir que la barriere de rotation des ylures d'azomethine est tres superleure a celle des ylures de carbonyle.

En serie oxyggnee, la barriere de rotation(*') est faible0') et I1 est l'ylure de carbonyle le moins stable. Dans ces conditions, l'isomerisa- tion geometrique cis t trans des Bpoxydes est possible et le dihydrofuranne forme preferentiellerrtent a partir de IV possede la stereochimie cis.

par rotation autour des liaisons C-N est difficile et I1 est l'ylure d'azome- thine le plus stable. A 240° , la phenyl propenyl aziridine trans donne exclu- sivement l'ylure I1 et la pyrrolidine-2 trans. A 300°, l'aziridlne cis donne I11 et IV qui peuvent s'isomeriser partiellement en 11, mais la pyrrolidine-2 cis represente le produit majoritaire.

En aerie azotee?6)l'interconversion g15ometrique(~~) ( 3 1 ) des ylures

Liaibonb @thyt@niqueb d e condiguzation Z

Le mecanisme propose permet de prevoir la formation preferentielle d'un heterocycle a cinq chainons trans a partir d'un epoxyde de configuration Z. C'est le resultat effectivement observe avec le Z-deutero vinyl phenyl epo- xydes trans (32) qui donne avec une grande stereoselectivite le dihydrofuranne trans, stereoselectivite qui diminue cependant loraque la temperature augmente (schema 6 ) .

- 530 -

218' (56h) 95 227" (14h) 85 248 (6,5h) 77

5 15 23

Schema 6

La thermolyse comparee, en phase gazeuse, des isomeres 2 et E du phenyl-2 propenyl-3 epoxyde trans revele une tres grande difference de reacti- vite (schema 7) qui s'interprste sur la base de l'encombrement sterique de l'ylure IV (schema 5) porteur d'une liaison ethylenique 2. (24)

400° trans 72:: cis 14 (50) 5 (50) trans 4 cis 2 420° trans 50:: cis 19 (45) 20 (55) trans 4 cis 3 420' trans 4 cis 2 ( 5 ) 52 (95) trans 32::cis 8

::Produit de depart Schema 7

C a m c t f i b i b a t i o n d e b YeUbeb

La thermolyse de phenyl-3 propenyl-2 cyano-2 epoxyde trans en pre- sence d'anhydride maleique donne exclusivement le produit issu d'une cycload- dition sur l'ylure de carbonyle issu d'une ouverture conrotatoire de l'epoxyde. Avec l'isomere cis, il se forme deux produits de cycloaddition et le dihydro- furanne cis. Le produit de cycloaddition attendu est m a j ~ r i t a i r e ! ~ ~ )

REARRANGEMENT THERMIQUE D 'HETEROCYCLES D l V l N Y L l Q U E S

Quelques travaux ont ete realises dans la litterature en serie oxy- et a ~ o t e e ' ~ ~ ) avec des divinyl heterocycles non substitues ; ce- genee ( 1 1) (34)

pendant ces etudes, effectuees avec des melanges d'isomeres, n'ont pas permis de preciser le mecanisme de l'isomerisation.

IbOmtbeb C i b

Ces composes sont stables a la temperature ordinaire a l'exception de la divinyl aziridine. 11s subissent thermiquement une transposition sigma-

X :O,S,NR R': H,CH, R; H,CH~ ,ph

Schema 8

- 539 -

tropique f3.31 de type Cope qui fournit un heterocycle a sept chainons(schema8). La formation exclusive d'isomere cis lorsque R"=CH3 est en faveur du passage par un etat de transition bateau.

AH* et AS *(18)(25)(36) . composes homologues (R'=R"=H) sequence qui presente une bonne correlation avec les enthalpies de formation des heterocycles a trois ~hainons!~)Enfin, la pr8- sence d'un halogene en bout de chaine ne permet pas d'obtenir la dihydrooxepine halogenee : par contre, en position-2 de la chaine (R'=halog&ne), la reaction est quantitative!37) (38)

IbomPzes taanb

Une etude cinetique a permis d'obtenir les parametree d'activation La stabilite diminue dans l'ordre S, 0, NR pour des

Les epoxydes trans soumis a thermolyse en regime statique ou dyna- mique donnent un melange de dihydrofuranne et de dihydrooxepine (schema 9 ) dans

R.

R': H, CH, R** H,CH, Schema 9

un rapport voisin de 70/30 (R' et R" : H ou alkyle). La stereospecificit6 de la reaction dans le cas du dipropenyl epoxyde est en faveur d'un mecanisme par ylures de carbonyle : le dihydrofuranne cis provient de l'electrocyclisation de l'ylure IV (R' : -CH=CH-CH3, R2 = CH3, schema 5) et la dihydrooxepine d'une isomerisation trans cis de l'epoxyde suivie d'un rearrangement de Cope! etude cinetique de ces rearrangements distyryl epoxyde, il se forme, a cdte des produits attendus, une benzodihydro- oxepine!38)

Une a ete realisee recemmenif4)0ans le cas du

Sch6rna 10

Si en serie azotee la dihydroazepine est le seul produit caracte- ris6,par contre, en serie soufree, la divinyl episulfure donne plusieurs compo- ses : la dihydrothiepine et le vinyldihydrothiophene par coupure C-C, l'hexa- triene, le cyclohexadiene-1,3 et le benzene par coupure C-S suivie d'elimina- tion de ~oufre!~')

V I N Y L ETHYNYL HETEROCYCLES

N - t e h b i o b u t y l a z i a i d i n e e t t p o r y d e

Le rearrangement thermique de l'aziridine et de l'epoxyde s'effec- tue a une temperature relativement basse et conduit respectivement a la N-ter-

- 5 4 0 -

tiobutylazepine et au formyl ethynyl cyclopropane (schema 11). La formation in- termediaire d'un hEterocycle allenique par migration sigmatropique 13.31 de la

r 1

.. I

1 - 6 ~

Schema 1 1

.liaison C-C suivie d'un rearrangement de Claisen (X=O) ou d'une migration [1,3] d'hydrogene permet de rendre compte de ces resultats experimentaux. Une etude cinetique et un marquage isotopique ont confirme cette h y p ~ t h e s e ! ~ ~ )

Les isomeres trans subissent exclusivement une rupture de la liai- son C-C. En serie azotee. seule l'azepine est isolee ; en serie oxygenee, il se forme a cat6 des formyl ethynyl cyclopropane cis et trans un dihydrofuranne qui provient de deux reactions competitives : electrocyclisation d'un ylure de carbonyle vinylique et isomerisation du compose cyclopropanique (40) (schema 12).

(390) 3:: 32 21 (460) 0:: 21 58

Schema 12 ::Produit de depart

E p o x y d e s c 4 3 e t i p h a s e g a z e u s e

18 21

Nous nous sommes propose d'etudier le comportement thermique d'e- poxydes vinylique et acetylenique cis diversement substitues afin d'explorer l'interet synthetique de cette reaction de synthese de derives cyclopropaniques fonctionnalises. De plus, une isomerisation sigmatropique 11,31 analogue a celle observee avec l'aziridine pouvait permettre d'acceder a des oxepines.

thodes(2) (38) (42) fournissent exclusivement les formyl cyclopropanes avec un rendement compris entre 70 et 90%. Lorsque R =H ou alkyle, il ne se forme que l'isomere cis, par contre, lorsque R'= phenyle, on observe une isomerisation cis - trans (schema 13). Enfin, la formation stereospecifique de derives cyclo- propaniques trisubstitues entierement c is , a partir d'epoxydes ethyleniques 2 ,

a permis d'obtenir des informations tres importantes sur la conformation de l'heterocycle allenique inter~nediaire!~~)

Experimentalement, les epoxydes cis, prepares par differentes me-

2

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(335") R 1 = H R2 = n.Bu 100 (330") n.Bu H 100 (350') H Ph 62 (345O) n.Bu Ph 66

Schema 13 € p o x y d e b C i b e n p h a b e e i q u i d e

38 34

La thermolyse de ces epoxydes en solution dans un solvant (CC14) contenant des traces d'eau donne des alkylidenes-2 et -4 dihydrooxepines me- langes d'isomeres 2 et E qu'on peut separer par chromatographie. Ces composes

(Ja

R1 \ Rat H,Et,nBu

R*s H,n Bu

R': H,nBu e H , n Bu R'~: nPr Schema 14

sont encore f o r d s par thermolyse dans les memes conditions de formyl ethynyl cyclopropanes(43) (schema 14) .

Ces resultats constituent une preuve de l'existence de l'interme- diaire allenique, compose tres instable qui subit, dans les conditions de la reaction, une prototropie [1,31 de l'hydrogene porte par le carbone en a du du cycle, catalysee par les traces d'eau du milieu.

Les alkylidene-2 dihydrooxepines subissent une isomerisation en phenol vers 150'. Cette reaction fait intervenir dans une premiere etape une

H Ra

-R

R': n Bu R"I n Pr R'r H, Ph

Schema 15

- 542 -

migration [ 1 , 5 1 d'hydroghe autoride par les regles de symetrie. L'oxepine ainsi formee est instable dans les conditions de la reaction et s'isomerise en phenol par l'intermediaire de l'oxyde d'arene.

CONCLUSION

Le rearrangement par coupure regioselective de la liaison C-C d'he- terocycles vinyliques porteurs de groupements activateurs aromatiques ou insa- tures constitue une methode interessante d'acces ?I des heterocycles a cinq ou sept chainons en serie azotee et oxygenee ; par contre en serie soufree, la rupture competitive de la liaison C-S abaisse, dans certains cas, lee rende- ments. Les methodes de synthese que nous avons developpees et celles publiees recemment ( 4 5 ) ( 4 6 ) permettent d'acceder facilement aux produits de depart.

Tous les heterocycles vinyliques trans et les phenyl vinyl hetero- cycles cis subissent une ouverture thermique en ylures vinyliques dont la sta- bilite depend ll la fois de la configuration 2 ou E de la liaison ethylenique et de la nature de l'heteroatome. Ainsi les epoxydes vinyliques donnent des dihy- drofurannes dont la stereochimie est contrdlee par la configuration de la liai- son ethylenique, alors qu'avec les aziridines la stereochimie des pyrrolines-2 depend egalement de la configuration du cycle. Ces resultats completent et il- lustrent l'aspect sterique du chapitre tres important, en chimie heterocyclique, des reactions electocycliques I1,51. ( 4 7 )

C'est encore une coupure regioselective de la liaison C-C qui est observee avec les divinyl et les vinyl ethynyl heterocycles cis, mais elle s'accompagne d'une migration sigmatropique [ 3 , 3 1 de cette liaison et de la for- mation d'heterocycles a sept chainons. L'heterocycle allenique forme a partir des derives acetyleniques est instable et subit une isomerisation qui depend des conditions operatoires.

Ainsi, le principe du contr8le orbitalaire dans les reactions pe- ricycliques applique a ces rearrangements moleculaires, permet d'interpreter la remarquable stereoselectivite observee dans la majorite des exemples etudik.

REMERCIEMENTS

11 m'est agreable de remercier les collaborateurs cites dans les references,qui, par leur competence et leur enthousiasme, ont apporte une contribution fondamentale a la realisation de ces travaux.

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