Synthesis of Seven- and Eight- Membered Carbocycles via Intramolecular Prins-Type Cyclization

Abstract

A number of synthetic methods have been explored which have both the functionality and stereochemistry of medium-sized carbocycles system. However, relatively few methods have been developed for the preparation of seven- and eight-membered carbocycles or oxabicycles. The common strategy of these methods is the transition metal-catalyzed cycloaddition approach. In this study, we report on a powerful methodology for diastereoselective synthesis of seven- and eight-membered carbocycles bearing dimethylidene in the presence of TMSOTf (1.0 equiv.) in diethyl ether at 78℃ via intramolecular Prins-type cyclization. In this method, a cyclic oxoniumion as an intermediate was initially generated and followed by Prins-type cyclization yielding oxabicycle. The synthesis of various seven- and eight-membered carbocycles was explored using this method. Acyclic substrates gave the oxabicycles in quantitative yields. When the carbonyl moiety belongs to the cyclic system, the synthetically useful tricycles were obtained in high yields. Stereo- chemistry was established by the single crystal X-ray diffractometry. Although there are four possible stereoisomers from allenol, only the trans-stereoisomer was observed. From these results, epimerization of α-position by TMSOTf generating more stable diastereomer allenol was plausible at 78℃. The epimerization reaction to more stable diastereomer allenol might be a more favored pathway to give trans-product rather than generating unstable intermediate. We have also investigated on the chiral carcycles. From the commercially available (R)-(+)-nopinone and (s)-(-)-camphor, both optically active oxabicycles were obtained in high yields, respectively. The optical rotation of exo-oxabicycle showed [α]_(D)^(23)= -157 (C=0.20 in CHCl_(3)), [α]_(D)^(23)= +105 (C = 0.40 in CHCl_(3))], respectively. A powerful methodology for synthesis of novel seven- and eight- membered carbocycles was developed using intramolecular Prins-type cyclization. The resultant cycloadducts can be very conveniently used as good partners for dienophiles in the Diels-Alder reaction to prepare the bi- or tricyclic natural products.

; Medium-sized carbocycles는 생체 활성을 가지는 많은 천연물이나 합성 의약물 등의 핵심 구조이기 때문에 유기 합성에서 중요한 연구 부분이 되었다. 그러나 7각형 또는 8각형 carbocycles는 구조적 불안정성이나 conformation의 다양함으로 인해, 5, 6각형에 비해 많은 연구가 이루어지지 못하였다. 그리고 기존의 합성 방법은 대부분 전이 금속 촉매를 매개로한 cycloaddition 반응이 보고 되었다. 최근에 우리는 indium trichloride또는 TMSOTf를 Lewis acid로 이용한 분자 내, 분자 간 Prins 고리화 반응에 대해 연구, 보고하였다. 따라서 본 연구는 이러한 선행 연구를 바탕으로 하여, Lewis acid 존재 하에서 분자 내 Prins 고리화 반응을 통하여 기존의 방법보다 더 간단하고 효율적인 7각형, 8각형 고리화합물의 합성법을 개발하고자 하였다. 우리는 TMSOTf 존재 하에서 분자 내 Prins 고리화반응을 수행하여 2,3-dimethtylene-8-oxa-bicyclo[3,2,1]octane 또는 2,3-dimethtylene-9-oxa-bicyclo [3,3,1] nonane의 7각형, 8각형 고리화합물을 성공적으로 합성할 수 있었다. Aldehyde-homoallenol 또는 ketone-homoallenol substrate로부터 TMSOTf를 Lewis acid로 하고 diethyl ether 용매 하에서 -78℃에서 실온까지 온도를 서서히 올리면서 반응하면, 7각형, 8각형 oxabicycle을 높은 수득률로 합성할 수 있다. 특히 fused bicyclic 화합물의 경우에는 TMSOTf하에서 allenol substrate가 epimerization되기 때문에, ring junction이 trans-인 diastereomer만 선택적으로 얻을 수 있었다. 또한 우리는 (1R)-(+)-nopinone과 (S)-(-)-camphor로부터 optically active한 7각형 고리화합물도 높은 수득률로 합성할 수 있었다. 이 방법은 활성을 가지는 여러 가지 천연물이나 의약물의 고리 구조를 합성하는데 매우 효과적인 방법이 될 것이다. 뿐만아니라 이렇게 합성된 di-exo-methylene을 가지는 고리화합물들은 dienophile과 Diels-Alder 반응을 통하여 고리를 더 확장시킬 수 있기 때문에 다중 고리 화합물을 만드는데 유용한 방법이 될 것이다.