Wśród trzech cyklicznych związków, azyrydyna ma podobną energię odkształcenia pierścienia jak cyklopran i oksyran, co pozwala na tworzenie różnych cyklicznych i acyklicznych związków zawierających azot poprzez otwarcie pierścienia1,2,3. Jednak charakterystyka i reaktywność azyrydyny zależą od podstawnika azotu pierścieniowego. Azyrydyna z grupą wycofującą elektrony w pierścieniu azotowym4, nazywana jest "aktywowaną azyrydyną", która jest aktywowana do reakcji z nadchodzącym nukleofilem bez dodatkowego odczynnika aktywującego. Z drugiej strony, "nieaktywowana azyrydyna" z podstawnikiem oddającym elektrony w azocie jest dość stabilna i obojętna dla nukleofilów, chyba że jest aktywowana jako jon azyrydynowy, jak Ia (Rysunek 1a)5,6,7. Otwarcie pierścienia nieaktywowanej azyrydyny zależy od różnych czynników, takich jak podstawniki węgla C2 i C3 azyrydyny, elektrofil aktywujący pierścień azyrydynowy i przychodzący nukleofil. Wyizolowanie i scharakteryzowanie jonu azyrydynowego nie jest możliwe ze względu na jego wysoką reaktywność w stosunku do reakcji otwierania pierścieni przez nukleofile, ale jego powstawanie i charakterystykę obserwowano spektroskopowo za pomocą nienukleofilowego anionu przeciwdziałającego5,8,9,10. Regio- i stereoselektywna reakcja otwierania pierścieni jonu azyrydynowego przez odpowiedni nukleofil daje acykliczne cenne cząsteczki zawierające azot (Pi i Pii)5,6,7,8,9,10.
Podobnie, bicykliczny jon azyrydynowy (Ib) jest prawdopodobnie generowany przez usunięcie grupy opuszczającej przez nukleofilowy atak azotu pierścieniowego azyrydyny w sposób wewnątrzcząsteczkowy (Rysunek 1b). Następnie ten produkt pośredni ulega ekspansji pierścienia z przychodzącym nukleofilem poprzez uwolnienie odkształcenia pierścieniowego. Powstawanie i stabilność bicyklicznego jonu azyrydynowego zależy od wielu czynników, takich jak podstawniki, rozmiar pierścienia i medium rozpuszczalnikowe9. Regio- i stereoselektywność ekspansji pierścienia azyrydyny jest kluczowym aspektem jej syntetycznej użyteczności, która zależy od charakteru podstawników w substracie wyjściowym i charakterystyki zastosowanego nukleofilu.
W naszym wczesnym badaniu udało nam się przygotować 1-azoniabicyclo [3.1.0]tosylan heksanu Ib (n = 1), którego późniejsze rozszerzenie pierścienia doprowadziło do powstania pirolidyny i piperydyny (Piii i Piv, n = 1, Rysunek 1)8. W ramach naszych kontynuowanych badań nad chemią bicyklicznych jonów azyrydyny, opisujemy tutaj powstawanie 1-azoniabicyclo [4.1.0]tosylan heptanu Ib (n = 2) jako reprezentatywny przykład. Został on przygotowany z 2-(4-toluensulfonyloksybutylo)azyrydyny, a jego ekspansja pierścienia została wyzwolona przez nukleofil, aby uzyskać cenną piperydynę i azepan (Pi i Pii, n = 2, Rysunek 1) z różnymi podstawnikami wokół pierścienia11. Ekspansja pierścieniowa enancjomerydy 4-[(R)-1-(R)-1-fenyloetylo)azyrydyno-2-ylo]butan-1-ol (1) spowodowała asymetryczną syntezę podstawionych azaheterocykli, które mają zastosowanie do budowy biologicznie aktywnych cząsteczek ze szkieletem piperydyny i azepanu. Ten syntetyczny protokół został zastosowany do różnych związków, począwszy od prostej 2-cyjanometylopiperydyny 5f, 2-acetyloksymetylopipryrydyny 5h i 3-hydroksyazepanu 6j do bardziej złożonych cząsteczek, w tym produktów naturalnych, takich jak fagomina (9), analog febryfuginy (12) i balanol (15) w optycznie czystych formach11.