Введение

Молекула углеводородного кольца, содержащая тройную связь C≡C.

В органической химии циклоалкин является циклическим аналогом алкина (R–C≡C–R). Циклоалкин состоит из замкнутого кольца атомов углерода, содержащего одну или несколько тройных связей. Циклоалкины имеют общую формулу C<sub>n</sub>H<sub>2n–4</sub>. Из-за линейной природы алкинового фрагмента –C≡C–, циклоалкины могут быть сильно напряжены и могут существовать только тогда, когда количество атомов углерода в кольце достаточно велико, чтобы обеспечить гибкость, необходимую для соответствия этой геометрии. Большие алкинсодержащие карбоциклы могут быть практически ненапряженными, в то время как самые маленькие представители этого класса молекул могут испытывать такое сильное напряжение, что их еще не удалось наблюдать экспериментально. Циклооктин (C<sub>8</sub>H<sub>12</sub>) – самый маленький циклоалкин, который может быть выделен и храниться в виде стабильного соединения. Тем не менее, более мелкие циклоалкины могут быть получены и зафиксированы в результате реакций с другими органическими молекулами или путем комплексообразования с переходными металлами.

Предыстория

Из-за значительных геометрических ограничений, обусловленных функциональностью |R\sC\tC\sR, циклоалкины, меньшие чем циклодецин (|C10H16), приводят к образованию сильно напряженных структур. В то время как циклононин (|C9H14) и циклооктин (|C8H12) являются изолируемыми (хотя и высокореактивными) соединениями, циклогептин (|C7H10), циклогексин (|C6H8) и циклопентин (|C5H6) существуют лишь как неустойчивые промежуточные продукты реакций или в качестве лигандов, координированных с центром металла. Экспериментальных данных, подтверждающих существование циклобутина (|C4H4) или циклопропина (|C3H2), немного, за исключением исследований, сообщающих об изоляции комплекса осмия с лигандами циклобутина. Первоначальные исследования, продемонстрировавшие неустойчивость семи-, шести- и пятичленных циклоалкинов в качестве промежуточных продуктов, основывались на улавливании высокоэнергетического алкина подходящим реагентом, таким как циклические диены или диазосоединения, для получения продуктов диельс-альдеровской или 1,3-диполярной циклоаддиции диазоалканов соответственно. Впоследствии стабильные циклоалкины с малым кольцом были выделены в виде комплексов с различными переходными металлами, такими как никель, палладий и платина. Несмотря на то, что долгое время они считались лишь химическими курьезами с ограниченными синтетическими возможностями, недавние работы показали полезность напряженных циклоалкинов как в общем синтезе сложных природных соединений, так и в биоортогональной химии.

Угловое напряжение

Угловое напряжение в циклоалкинах возникает из-за деформации угла связи R\sC\tC, которая необходима для обеспечения молекулярной геометрии циклов, содержащих менее десяти атомов углерода. Энергии напряжений, связанные с циклононином (C9H14) и циклооктином (C8H12), составляют приблизительно 2,9 ккал/моль и 10 ккал/моль соответственно. Эта восходящая тенденция энергии для выделяемых компонентов этого класса указывает на быстрое нарастание углового напряжения, обратно пропорционального размеру цикла. Анализ методом фотоэлектронной спектроскопии показал, что алкиновая связь в малых циклических системах состоит из двух невырожденных π-связей – высокореактивной напряженной связи, перпендикулярной π-связи с более низкой энергией. Cis-искривление угла связи R\sC\tC приводит к резкому понижению энергии самой низкой незанятой молекулярной орбитали, что объясняет реакционную способность напряженных циклоалкинов с точки зрения теории молекулярных орбиталей.

Реакции

Напряженные циклоалкины способны вступать во все реакции присоединения, характерные для алкинов с открытой цепью. Благодаря активированной природе циклической тройной связи углерод-углерод, многие реакции присоединения по алкиновому типу, такие как реакция Дильса-Альдера, 1,3-диполярные циклоприсоединения и галогенирование, могут быть проведены в очень мягких условиях и без катализаторов, часто необходимых для ускорения превращения в нециклической системе. Помимо реакционной способности алкинов, циклоалкины способны претерпевать ряд уникальных, синтетически полезных превращений.

Вставка циклогексинового кольца

Одним из особенно интригующих режимов реакционной способности является внедрение циклогексина в цикл циклических кетонов. Реакция инициируется образованием реакционноспособного циклоалкинового вида in situ под действием алкоксида, за которым следует α-депротонирование кетона с образованием соответствующего энолята. Затем эти два соединения вступают в формальную [2+2] фотоциклоаддицию, приводящую к образованию высоконестабильного циклобутанолатного интермедиата, который легко разлагается с образованием энонового продукта. Эта реакция была использована в качестве ключевого этапа в общем синтезе гуанакастапенов O и N, обеспечив быстрое построение 5-7-6 кольцевой системы и предоставив удобные функциональные группы для последующей функционализации.

Реакция на щелчок без меди с циклооктином

Циклооктин, самый маленький выделяемый циклоалкин, способен вступать в реакцию циклоприсоединения азида и алкина по Хьюсгену в мягких, физиологических условиях без использования катализатора на основе меди(I) благодаря наличию напряжения в цикле. Эта реакция получила широкое применение в качестве биоортогональной трансформации для визуализации живых клеток. Хотя мягкий вариант реакции, катализируемый медью, CuAAC (циклоприсоединение азида и алкина, катализируемое медью) с линейными алкинами, был известен ранее, разработка реакции, не требующей меди, была значимой, поскольку она обеспечивала легкую реакционную способность, исключая необходимость в токсичном металлическом катализаторе.