Zvětšování a zmenšování kruhů

Zvětšování a zmenšování kruhů je označení pro, zpravidla organické, chemické reakce, které mění velikost kruhů. Při těchto reakcích většinou vznikají a zanikají vazby C-C.^[1] Reakce tohoto druhu mohou probíhat mnoha různými mechanismy.

Demjanovovy reakce spočívají v diazotaci aminocyklobutanů a aminocyklopropanů. Oddělení dusíku z diazoniových kationtů vede k tvorbě karbokationtů, které se přesmykují a následně jsou hydrolyzovány. Těmito reakcemi se mění aminocyklobutany na směsi hydroxycyklobutanů a hydroxymethylcyklopropanů; v jejich průběhu se vytváří rovnováha mezi dvojicí karbokationtů:^[2]

C₄H +
7  ⇄ C₃H₅CH +
2 

Při Arndtově–Eistertově reakci uvolňuje α-diazoketon molekulu N₂, čímž vzniká vysoce reaktivní sextetový uhlík v sousedství karbonylové skupiny. Takto vzniklý meziprodukt prochází Wolffovým přesmykem za tvorby esteru. Při použití cyklických α-diazoketonů dojde ke zmenšení kruhu;^[3][4] například u steroidů se takto přeměňují cyklopentanonové kruhy na cyklobutanové.^[5]

Rozšiřování kruhu umožňují vytváření větších systémů, které se ostatními způsoby získávají obtížně.^[6] Tyto reakce mohou probíhat prostřednictvím reakcí skupin již navázaných na vnější stranu kruhů (pak se jedná o migrační inserce), otevíráním bicyklických molekul za vzniku jednoho většího kruhu, nebo přes uzavírání kruhů.^[1]

Rozšiřování kruhů lze dále rozdělit podle druhu atomů (uhlík nebo heteroatom) zapojených do rozšiřovaných kruhů.

Tyto reakce zahrnují exocyklické odstupující skupiny na uhlíkových atomech sousedících s kruhem a skupiny dodávající elektrony na kruzích, které mohou spustit přesun endocyklických vazeb.

Příkladem může být pinakolový přesmyk.^[1] Toto označení se používá pro vicinální dihydroxidové přesmyky, ale existují i jiné podobné reakce probíhající obdobnými mechanismy, například Tiffeneauův–Demjanovův přesmyk. Tyto „semipinakolové přesmyky“ probíhají za mírnějších podmínek a jsou tak vhodnější pro syntézy složitějších struktur.^[7]

Reakce tohoto druhu mají význam i mimo samotná rozšiřování kruhů, protože atakované exocyklické skupiny mívají na sebe navázané i jiné než odstupující skupiny. Skupiny, ke kterým se přesunují endocyklické vazby, lze selektivně navázat na kruhy podle již napojených skupin, například 1,2-adicí na cyklické ketony.

K rozšiřování kruhů se často využívá otevírání bicyklických meziproduktů obsahujících cyklopropanové cykly. Tyto reakce začínají Simmonsovou-Smithovou cyklopropanací cyklických alkenů.^[8]

Podobným otevíráním kruhu založeným na cyklopropanech je Buchnerovo rozšiřování kruhů, ve kterém se přeměňují areny na cykloheptatrieny. Buchnerovo rozšiřování vytváří požadovaný produkt otevíráním s využitím navázání skupiny odtahující elektrony na přidávaný uhlík.

Otevírání kruhů jako součást rozšiřování je možné použít také na větší systémy; příkladem může být Grobova fragmentace. Podobně jako pinakolová migrace je Grobova fragmentace založená na skupinách dodávajících elektrony, které spouštějí přesuny vazby a ulehčují oddělení odstupujících skupin. Skupina dodávající elektrony může být pseudodonorem, který dodává elektronový pár na uhlík za současného štěpení vazby. Dowdovo–Beckwithovo rozšiřování kruhů dokáže také dodat na kruh více uhlíků zároveň, a je vhodným nástrojem pro vytváření velkých kruhů.^[9] Tato reakce probíhá přes bicyklický meziprodukt, přičemž otevírání kruhu a cyklizace jsou součástmi stejné radikálové reakce.^[10] Její pomocí lze rozšiřovat beta-ketoestery na ketony s velkými kruhy.

Heteroatomy lze do kruhů zapojovat také reakcemi rozšiřujícími kruhy.^[11] Tyto reakce často probíhají migračními/inserčními mechanismy podobnými výše uvedeným reakcím napojujícím uhlík. Využití mají například u navazování dusíku Beckmannovým přesmykem při syntéze kodeinu^[12] a v Baeyerových-Villigerových oxidacích (kde se navazuje kyslík a vznikají cyklické ethery).^[13] Při obou těchto reakcích se odstupující skupina odděluje během přesunu alkylu na exocyklický heteroatom, čímž se podobají pinakolovým přesmykům.

Reakcemi zmenšujícími kruhy se získávají kruhy s větším úhlovým napětím, pokud se takto tvoří snadněji než přímými cyklizacemi, nebo je původní větší kruh dostupnější.^[14]

Reakce zmenšující kruhy mají své reaktivní meziprodukty, které zprostředkovávají zmenšení kruhu. Může jít o anionty, kationty, nebo karbenoidy.^[15]

Mechanismus Favorského přesmyku zahrnuje atak karboaniontu na endocyklickém uhlíku a oddělení odstupující skupiny (v tomto případě halogenidu) za vzniku bicyklické molekuly s kruhy menšími než měla původní. Bicyklický meziprodukt je poté otevírán nukleofilním atakem na ketonu, čímž vznikne konečný produkt.^[16] Touto reakcí lze převádět cyklohexanony na methylester kyseliny cyklopropankarboxylové.

Obdobou běžného Favorského přesmyku je reakce, kterou lze považovat za negativní pinakolový přesmyk; při ní se vytvoří vazba mezi aniontovou skupinou a odstupující skupinou, která se poté oddělí.^[15] Také byla popsána obdoba Favorského přesmyku, která nevyžaduje přidání nukleofilu.

Zmenšování kruhů kationtovými přesmyky probíhají oddělením podstupující skupiny a přesunem endocyklické vazby na karbokation. Často se provádějí jako pinakolové přesmyky.^[17] Podobně jako rozšiřování kruhu vyžadují k přenosům skupin přítomnost skupin dodávajících elektrony.

Zmenšování jednoho kruhu lze spojit se zvětšováním jiného a tím z bicyklických molekul se stejně velkými jádry vytvořit produkty, jejichž části mají různou velikost. Takto bylo vytvořeno několik složitých molekul.^[18]

V tomto článku byl použit překlad textu z článku Ring expansion and contraction na anglické Wikipedii.

• Redmore, D.; Gutsche, C.D. Carbocyclic Ring Expansion Reactions, Academic Press, NY, 1968