Номер 50, страница 167 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

5.50. Решите цепочки превращений:

а) Решение:
Цепочка превращений начинается с D-глюкозы. D-глюкоза в растворе существует преимущественно в виде циклических шестичленных полуацеталей (пираноз), находящихся в равновесии друг с другом (α- и β-аномеры) и с открытой альдегидной формой.

1. D-глюкоза $\xrightarrow{CH_3I, NaH}$ X1
Это реакция исчерпывающего метилирования по Вильямсону. Гидрид натрия ($NaH$) является очень сильным основанием, которое депротонирует все пять гидроксильных групп D-глюкозы, включая аномерный гидроксил, с образованием алкоголятов. Полученные нуклеофильные алкоголяты реагируют с метилйодидом ($CH_3I$) в реакции $S_N2$, в результате чего все гидроксильные группы превращаются в метиловые эфиры. Так как аномерный гидроксил также вступает в реакцию, образуется гликозид.
Структура X1: метил-2,3,4,6-тетра-O-метил-D-глюкопиранозид (образуется смесь α- и β-аномеров).

2. X1 $\xrightarrow{H_2O, H^+}$ X2
В присутствии кислоты и воды происходит гидролиз ацетальной (гликозидной) связи. Простые эфирные связи (O-метильные группы у атомов C2, C3, C4, C6) устойчивы к мягкому кислотному гидролизу, в то время как гликозидная связь у аномерного атома углерода C1 легко расщепляется. В результате этой реакции регенерируется полуацетальный гидроксил в положении C1.
Структура X2: 2,3,4,6-тетра-O-метил-D-глюкоза. Это соединение существует в равновесии между циклической (пиранозной) и открытой формами.

3. X2 $\xrightarrow{Br_2, H_2O}$ X3
Бромная вода ($Br_2$ в $H_2O$) является мягким окислителем, который селективно окисляет альдегидные группы (или полуацетали, находящиеся с ними в равновесии) до карбоксильных групп. В результате образуется соответствующая альдоновая кислота. Альдоновые кислоты часто самопроизвольно циклизуются с образованием лактонов (циклических сложных эфиров), особенно стабильных пяти- или шестичленных.
Структура X3: 2,3,4,6-тетра-O-метил-D-глюконовая кислота, которая существует в виде стабильного шестичленного лактона – 2,3,4,6-тетра-O-метил-D-глюконо-1,5-лактона.

4. X3 $\xrightarrow{PhCH_2OH, H^+}$ X4
Это реакция этерификации Фишера. Лактон (циклический эфир) реагирует с бензиловым спиртом ($PhCH_2OH$) в присутствии кислотного катализатора ($H^+$). Спирт атакует карбонильный атом углерода лактона, что приводит к раскрытию цикла и образованию сложного эфира.
Структура X4: бензиловый эфир 2,3,4,6-тетра-O-метил-D-глюконовой кислоты, то есть бензил-2,3,4,6-тетра-O-метил-D-глюконат.

Ответ:
X1: метил-2,3,4,6-тетра-O-метил-D-глюкопиранозид
X2: 2,3,4,6-тетра-O-метил-D-глюкоза
X3: 2,3,4,6-тетра-O-метил-D-глюконо-1,5-лактон
X4: бензил-2,3,4,6-тетра-O-метил-D-глюконат

б) Решение:
Цепочка превращений начинается с D-маннозы, которая является C2-эпимером D-глюкозы.

1. D-манноза $\xrightarrow{CH_3OH, H^+}$ X1
Это реакция образования гликозида. В кислой среде метанол ($CH_3OH$) реагирует с аномерным гидроксилом D-маннозы с образованием метилманнозида (ацеталя). Реакция приводит к смеси α- и β-аномеров.
Структура X1: метил-D-маннопиранозид (смесь α- и β-аномеров).

2. X1 $\xrightarrow{Ph_3CCl, пиридин}$ X2
Тритилхлорид ($Ph_3CCl$) – это объёмный реагент, который селективно защищает первичные гидроксильные группы из-за стерических препятствий. В метил-D-маннопиранозиде единственная первичная гидроксильная группа находится у атома C6. Пиридин используется в качестве основания для связывания выделяющегося $HCl$.
Структура X2: метил-6-O-тритил-D-маннопиранозид.

3. X2 $\xrightarrow{CH_3C(O)Cl, NEt_3}$ X3
Ацетилхлорид ($CH_3C(O)Cl$) является ацилирующим агентом, который реагирует с оставшимися свободными гидроксильными группами (у C2, C3, C4), образуя ацетатные (сложноэфирные) группы. Триэтиламин ($NEt_3$) служит основанием для нейтрализации $HCl$.
Структура X3: метил-2,3,4-три-O-ацетил-6-O-тритил-D-маннопиранозид.

4. X3 $\xrightarrow{H_2O, H^+}$ X4
Это реакция снятия защитной группы в кислой среде. Тритильная группа очень чувствительна к кислоте и легко удаляется в мягких условиях. Ацетатные группы и гликозидная связь более устойчивы. Поэтому селективно удаляется только тритильная защита.
Структура X4: метил-2,3,4-три-O-ацетил-D-маннопиранозид.

Ответ:
X1: метил-D-маннопиранозид
X2: метил-6-O-тритил-D-маннопиранозид
X3: метил-2,3,4-три-O-ацетил-6-O-тритил-D-маннопиранозид
X4: метил-2,3,4-три-O-ацетил-D-маннопиранозид

в) Решение:
Исходное соединение – D-глицериновый альдегид, простейшая альдоза.

1. D-глицериновый альдегид $\xrightarrow{HCN}$ X1
Это первая стадия синтеза Килиани-Фишера. Цианид-ион ($CN^−$ из $HCN$) присоединяется к карбонильной группе альдегида, образуя циангидрин. При этом у атома C2 возникает новый хиральный центр, что приводит к образованию смеси двух эпимерных циангидринов (D-эритронитрила и D-треонитрила).
Структура X1: смесь (2R,3R)- и (2S,3R)-2,3,4-тригидроксибутаннитрилов.

2. X1 $\xrightarrow{PhCH_2Br (изб.), NaH}$ X2
Это реакция исчерпывающего бензилирования по Вильямсону. $NaH$ депротонирует все гидроксильные группы, а образовавшиеся алкоголяты реагируют с избытком бензилбромида ($PhCH_2Br$), образуя бензиловые эфиры. Нитрильная группа в этих условиях не затрагивается.
Структура X2: смесь эпимерных 2,3,4-трис(бензилокси)бутаннитрилов.

3. X2 $\xrightarrow{1) iBu_2AlH, 2) H_2O}$ X3
Диизобутилалюминийгидрид (DIBAL-H, $iBu_2AlH$) – это восстановитель, который при контролируемых условиях (низкая температура, 1 эквивалент) восстанавливает нитрилы до имина, который затем гидролизуется до альдегида при обработке водой. Бензиловые эфиры устойчивы к DIBAL-H.
Структура X3: смесь эпимерных 2,3,4-трис(бензилокси)бутаналей (O-бензилированные D-эритроза и D-треоза).

4. X3 $\xrightarrow{H_2, Pd, p, t}$ X4
Это реакция каталитического гидрирования. В этих условиях ($H_2$ на палладиевом катализаторе, Pd) происходит как восстановление альдегидной группы до первичного спирта, так и гидрогенолиз (расщепление) бензиловых эфиров с образованием спиртов и толуола. В результате все защитные группы снимаются, а альдегидная группа восстанавливается.
Структура X4: смесь двух четырехатомных спиртов (тетритолов) – D-эритритола и D-треитола.

Ответ:
X1: смесь D-эритронитрила и D-треонитрила ((2R,3R)- и (2S,3R)-2,3,4-тригидроксибутаннитрилы)
X2: смесь 2,3,4-трис(бензилокси)бутаннитрилов
X3: смесь 2,3,4-трис(бензилокси)бутаналей
X4: смесь D-эритритола и D-треитола

г) Решение:
Исходное соединение – D-рибоза, альдопентоза, которая в растворе существует преимущественно в фуранозной форме.

1. D-рибоза $\xrightarrow{CH_3C(O)CH_3, H^+}$ X1
Реакция с ацетоном в кислой среде приводит к образованию изопропилиденовой защиты (ацетонида) на цис-расположенных вицинальных диолах. В β-D-рибофуранозе гидроксильные группы у C2 и C3 находятся в цис-положении, что идеально подходит для образования 2,3-O-изопропилиден-производного. Гидроксилы у C1 и C5 остаются свободными.
Структура X1: 2,3-O-изопропилиден-D-рибофураноза.

2. X1 $\xrightarrow{CH_3I, NaH}$ X2
Происходит метилирование по Вильямсону оставшихся свободных гидроксильных групп у C1 и C5. Аномерный гидроксил при этом образует метилгликозид.
Структура X2: метил-5-O-метил-2,3-O-изопропилиден-D-рибофуранозид.

3. X2 $\xrightarrow{H_2O, H^+}$ X3
Кислотный гидролиз. Изопропилиденовая (кетальная) и гликозидная (ацетальная) связи чувствительны к кислоте. При обработке кислотой обе защитные группы удаляются, регенерируя гидроксилы у C1, C2 и C3. Метильная эфирная связь у C5 устойчива.
Структура X3: 5-O-метил-D-рибоза.

4. X3 $\xrightarrow{PhCH_2Br, NaH}$ X4
Исчерпывающее бензилирование по Вильямсону. Три свободные гидроксильные группы (у C1, C2, C3) реагируют с бензилбромидом в присутствии $NaH$.
Структура X4: бензил-2,3-ди-O-бензил-5-O-метил-D-рибофуранозид (аномерный гидроксил образует бензилгликозид).

Ответ:
X1: 2,3-O-изопропилиден-D-рибофураноза
X2: метил-5-O-метил-2,3-O-изопропилиден-D-рибофуранозид
X3: 5-O-метил-D-рибоза
X4: бензил-2,3-ди-O-бензил-5-O-метил-D-рибофуранозид

д) Решение:
Цепочка превращений начинается с D-глюкозы. Для определенности будем рассматривать термодинамически более стабильный β-аномер.

1. D-глюкоза $\xrightarrow{CH_3OH, H^+}$ X1
Образование метилгликозида в кислой среде. В результате реакции образуется ацеталь.
Структура X1: метил-β-D-глюкопиранозид.

2. X1 $\xrightarrow{Ph_3CCl, пиридин}$ X2
Селективная защита первичной гидроксильной группы у C6 объемной тритильной группой.
Структура X2: метил-6-O-тритил-β-D-глюкопиранозид.

3. X2 $\xrightarrow{\text{1,2-бис(бромметил)бензол}, NaH}$ X3
1,2-бис(бромметил)бензол (о-ксилилендибромид) – бифункциональный алкилирующий агент. $NaH$ депротонирует свободные гидроксилы у C2, C3 и C4. Дибромид может связать две гидроксильные группы, образуя циклическую эфирную защиту. В β-D-глюкопиранозиде гидроксилы у C2 и C4 являются 1,3-диэкваториальными, что является удобным расположением для образования мостика. При этом образуется 10-членный цикл, а гидроксильная группа у C3 остается свободной.
Структура X3: метил-2,4-O-(о-ксилилен)-6-O-тритил-β-D-глюкопиранозид.

4. X3 $\xrightarrow{H_2O, H^+}$ X4
Мягкий кислотный гидролиз. Тритильная группа очень чувствительна к кислоте и удаляется селективно, в то время как ксилиленовая эфирная защита и гликозидная связь остаются незатронутыми.
Структура X4: метил-2,4-O-(о-ксилилен)-β-D-глюкопиранозид.

Ответ:
X1: метил-β-D-глюкопиранозид
X2: метил-6-O-тритил-β-D-глюкопиранозид
X3: метил-2,4-O-(о-ксилилен)-6-O-тритил-β-D-глюкопиранозид
X4: метил-2,4-O-(о-ксилилен)-β-D-глюкопиранозид