Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Фосфорилирование замещенных алкенов и органилгалогенидов элементным фосфором в присутствии сильных оснований (литературный обзор) 13
1.1. Фосфорилирование замещенных алкенов элементным фосфором в присутствии сильных оснований .13
1.1.1. Фосфорилирование производных акриловой кислоты белым фосфором в присутствии концентрированного водного раствора KOH 14
1.1.2. Фосфорилирование стирола элементным фосфором в присутствии сильных оснований 15
1.1.3. Фосфорилирование -метилстирола красным фосфором в присутствии сильных оснований 18
1.1.4. Фосфорилирование 4-замещенных стиролов элементным фосфором в присутствии сильных оснований .20
1.1.5. Фосфорилирование стиролов элементным фосфором в присутствии сильных оснований и микроволновом содействии 21
1.1.6. Фосфорилирование винилпиридинов элементным фосфором в присутствии сильных оснований 23
1.1.7. Фосфорилирование 2-винилпиридина красным фосфором в присутсвии сильных оснований и микроволновом содействии 25
1.1.8. Фосфорилирование 2-винилнафталина элементным фосфором в присутствии сильных оснований 26
1.1.9. Фосфорилирование аллилбензолов элементным фосфором в присутствии сильных оснований 28
1.1.9.1. Синтез бис(1-метил-2-фенилэтил)фосфина из красного фосфора и аллилбензола 28
1.1.9.2. Синтез 1-метил-2-фенилэтилфосфонистой и бис(1-метил-2-фенилэтил)фосфиновой кислот из красного фосфора и аллилбензола 30
1.2. Фосфорилирование органилгалогенидов элементным фосфором в
присутствии сильных оснований 35
1.2.1. Взаимодействие алкилгалогенидов с красным фосфором в системе металлический натрий/жидкий аммиак .35
1.2.2. Взаимодействие бензилгалогенидов с красным фосфором в системе металлический натрий/жидкий аммиак 37
1.2.3. Фосфорилирование органилгалогенидов элеметным фосфором в системе водный раствор KOH/органический растворитель/катализатор межфазного переноса 38
1.2.4. Фосфорилирование аллилгалогенидов элементным фосфором в условиях межфазного катализа 40
1.2.5. Фосфорилирование бензилгалогенидов элементным фосфором в условиях межфазного катализа 42
1.2.6. Фосфорилирование 4-метоксибензилхлорида элементным фосфором в условиях межфазного катализа 45
1.2.7. Реакция белого фосфора с 2-хлор-5-хлорметилтиофенов в условиях межфазного катализа .47
1.2.8. Фосфорилирование 1-хлорметилнафталина элементным фосфором в условиях межфазного катализа 48
1.3. Реакция красного фосфора с 1-бромнафталином в системе KOH/ДМСО: синтез трис(1-нафтил)фосфина 51
ГЛАВА 2. Новые ароматические и гетерароматические электрофилы в реакцих фосфорилирования элементным фосфором в сверхосновных системах (обсуждение результатов) .59
2.1. Фосфорилирование замещенных стиролов красным фосфором в присутствии сверхсильных оснований .59
2.1.1. Реакция 2-, 3- и 4-метилфенилэтенов с красным фосфором в присутствии сильного основаия и ее микроволновая активация 60
2.1.2. Реакция 2,4,6-триметилфенилэтена с красным фосфором в присутствии сильного основания и ее микроволновая активация .64
2.2. Фосфорилирование 4-трет-бутоксифенилэтена красным фосфором в системе KOH/ДМСО .66
2.3. Реакция красного фосфора с 1-алкил-2-фенилэтенами в системе KOH/ДМСО 71
2.4. Однореакторный микроволновый синтез третичных фосфинсульфидов из стиролов, красного фосфора и элементной серы 73
2.5. Хемоселективный синтез 2,3-дегидро-1Н-инден-2-илфосфиновой кислоты реакцией красного фосфора с 1Н-инденом в системе KOH/ДМСО .79
2.6. Фосфорилирование галогенпиридинов элементным фосфором 85
2.6.1. Фосфорилирование галогенпиридинов элементным фосфором в сверхосновных системах 88
2.6.2. Влияние условий реакции на фосфорилирование 2-бромпиридина красным фосфором 89
2.6.3. Влияние основности системы на фосфорилирование 2-бромпиридина красным фосфором 92
2.6.4. Влияние природы катиона на фосфорилирование 2-бромпиридина красным фосфором 93
2.6.5. Влияние природы электрофила на фосфорилирование галогенпиридинов красным фосфором 95
2.6.6. Синтез трис(2-пиридил)фосфина из 2-бромпиридина и фосфина: краткий путь к трис(2-пиридил)фосфину 96
5 2.6.7. Предполагаемый механизм реакции фосфорилирования 2-бромпиридина красным фосфором .99 2.7. Новое в химии трис(2-пиридил)фосфина 100
2.7.1. Реакция трис(2-пиридил)фосфина с 1-ацил-2-фенилацетиленами в воде: стереоселективный синтез функционализированных пиридилвинилфосфиноксидов .100
2.7.2. Комплексы трис(2-пиридил)фосфина с хлоридами кобальта(II) и палладия(II) .107
ГЛАВА 3. Методические подробности (экспериментальная часть) 111
3.1. Прямое фосфорилирование 2-, 3- и 4-метилстиролов элементным фосфором в условиях реакции Трофимова-Гусаровой 112
3.1.1. Реакция 3- и 4-метилстиролов с красным фосфором в системе KOH/ДМСО при температуре 110оС 112
3.1.2. Реакция 2-, 3- и 4-метилстиролов с красным фосфором в системе KOH/ДМСО при микроволновом содействии 113
3.1.3. Реакция 2,4,6-триметилстирола с красным фосфором в присутствии сильного основания при микроволновом содействии 114
3.2. Фосфорилирование 4-трет-бутоксифенилэтена красным фосфором в системе KOH/ДМСО 116
3.2.1. Синтез трис[2-(4-трет-бутоксифенил)этил]фосфиноксида 87 116
3.2.2. Синтез [2-(4-трет-бутоксифенил)этил]фосфиновой кислоты 88 .117
3.2.3. Синтез трис[2-(4-гидроксифенил)этил]фосфиноксида 89 118
3.2.4. Синтез [2-(4-гидроксифенил)этил]фосфиновой кислоты 90 118
3.3. Реакция красного фосфора с 1-алкил-2-фенилэтенами в системе KOH/ДМСО 119
3.4. Однореакторный синтез третичных фосфинсульфидов из стиролов, красного фосфора и элементной серы 121
3.4.1. Однореакторный микроволновый синтез трис(2-фенилэтил)фосфинсульфида из фенилэтена, элементной серы и красного фосфора в системе KOH/ДМСО при микроволновом содействии 121
3.4.2. Синтез трис[4-трет-бутил)фенилэтил]фосфинсульфида из 4-трет-бутилфенилэтена, элементной серы и красного фосфора в системе KOH/ДМСО при микроволновом содействии .122
3.4.3. Синтез трис(4-хлорфенилэтил)фосфинсульфид из 4-хлорфенилэтена, элементной серы и красного фосфора в системе KOH/ДМСО при микроволновом содействии 123
3.4.4. Реакция фенилэтена с красным фосфором и элементной серы в системе KOH/ДМСО при температуре 90-95оС 124
3.5. Хемоселективный синтез 2,3-дегидро-1Н-инден-2-илфосфиновой кислоты реакцией красного фосфора с 1Н-инденом в системе KOH/ДМСО .125
3.6. Фосфорилирование галогенпиридинов элементным фосфором в сверхосновных системах 126
3.6.1. Фосфорилирование 2-бромпиридина красным фосфором в системе KOH/ДМСО(H2O) 126
3.6.2. Фосфорилирование 2-бромпиридина белым фосфором в системе KOH/ДМСО(H2O) 126
3.6.3. Фосфорилирование 2-бромпиридина красным фосфором в системе CsF/NaOH/ДМСО 127
3.6.4. Синтез трис(2-пиридил)фосфина из 2-бромпиридина и фосфина: краткий путь к трис(2-пиридил)фосфину 127
3.7. Реакция трис(2-пиридил)фосфина с 1-ацил-2-фенилацетиленами в воде: стереоселективный синтез функционализированных пиридилвинилфосфиноксидов 128
7 3.8. Комплексы трис(2-пиридил)фосфина с хлоридами кобальта(II) и палладия(II) 131
3.8.1. Синтез комплекса бис[трис(2-пиридил)фосфин]кобальт(II) дихлорид октагидрата .131
3.8.2. Синтез комплекса цис-дихлоро-бис[трис(2-пиридил)фосфино] паладий(II) дихлорметана 132
Выводы .134
Список сокращений и условных обозначений .136
Список литературы 137
Приложение .184
- Фосфорилирование производных акриловой кислоты белым фосфором в присутствии концентрированного водного раствора KOH
- Фосфорилирование замещенных стиролов красным фосфором в присутствии сверхсильных оснований
- Прямое фосфорилирование 2-, 3- и 4-метилстиролов элементным фосфором в условиях реакции Трофимова-Гусаровой
- Синтез трис(2-пиридил)фосфина из 2-бромпиридина и фосфина: краткий путь к трис(2-пиридил)фосфину
Введение к работе
Актуальность работы. Разработка новых методов формирования связи углерод-фосфор и синтеза ключевых фосфорорганических соединений, в первую очередь, фосфинов, фосфинхалькогенидов и фосфиновых кислот, остается одной из важных задач элементоорганической химии. При этом в последние десятилетия особое внимание уделяется реакциям прямого фосфорилирования органических соединений элементным фосфором, что является, несомненно, положительной альтернативой традиционным способам получения фосфорорганических соединений из галогенидов (в основном, хлоридов) фосфора. Среди новых экологически приемлемых бесхлорных методов формирования связей Р-С следует отметить работы казанских химиков (руководитель - академик О.Г. Синяшин), посвященные электрохимической трансформации белого фосфора в фосфорорганическом синтезе. Значительный вклад в эту область внесен также учеными Иркутского института химии им. А.Е. Фаворского СО РАН (руководитель - академик Б.А. Трофимов), которые открыли и успешно разрабатывают реакцию элементного фосфора (в первую очередь нетоксичного и удобного в обращении красного фосфора) с электрофилами (электрофильные алкены, ацетилены, алкил-, аллил- и бензилгалогениды) в гетерогенных высокоосновных средах типа гидроксид щелочного металла/полярный негидроксильный растворитель (ДМСО, ГМФТА) или в условиях межфазного катализа. В результате предложены удобные бесхлорные методы синтеза органических фосфинов, фосфиноксидов и фосфиновых кислот - востребованных лигандов для дизайна металлокомплексов различного назначения, эффективных экстрагентов благородных металлов и трансурановых элементов, экологически безопасных (не содержащих атомы галогена) антипиренов, специальных растворителей для получения полупроводниковых наноматериалов, прекурсоров лекарственных препаратов и строительных блоков для элементоорганического синтеза.
Настоящая работа является логическим продолжением развития оригинальной реакции фосфорилирования органических соединений элементным фосфором в присутствии сильных оснований и посвящена поиску новых электрофильных реагентов и синтезу новых или ранее труднодоступных фосфорорганических соединений.
Исследования проводились в соответствии с планом НИР ИрИХ СО РАН по теме: "Разработка новых атом-экономных реакций ацетилена, его замещенных и производных, фундаментальных гетероциклов, элементного фосфора, фосфорорганических и фосфорхалькогеноорганических соединений, в том числе с участием активированных анионов, цвиттер-ионов, карбенов и радикалов с целью получения физиологически активных веществ и инновационных материалов для передовых технологий" (№ государственной регистрации 01201281991).
Отдельные разделы работы выполнялись при государственной поддержке ведущих научных школ (гранты № НШ-3230.2010.3 и № НШ-1550.2012.3 "Направленный синтез на базе ацетилена и его производных новых универсальных строительных блоков, биологически активных соединений, мономеров, макромолекул и гибридных нанокомпозитов с целью получения веществ и материалов для высоких технологий"), а также были поддержаны Российским фондом фундаментальных исследований (Грант РФФИ № 12-03-31097 "мола" "Одностадийный синтез неизвестных или труднодоступных стерически затрудненных фосфинов и фосфиноксидов из элементного фосфора и новых комплементарных электрофилов").
Цель и задачи работы. Реализация и изучение реакций прямого фосфорилирования новых ароматических и гетероароматических электрофилов элементным фосфором в сверхосновных системах: синтез органических фосфинов, фосфиноксидов и фосфиновых кислот.
В рамках этой цели ставились следующие задачи:
исследовать реакции замещенных стиролов (2-, 3- и 4-метилфенилэтенов, 2,4,6-триметилфенилэтена, 4-трет-бутоксифенилэтена, 1-алкил-2-фенилэтенов) с красным фосфором в присутствии сверхоснования KOH/ДМСО;
реализовать прямое фосфорилирование 1Н-индена системой красный фосфор/KOH/ДМСО;
изучить реакцию галогенпиридинов с элементным фосфором в присутствии сильных оснований и разработать на основе этой реакции препаративный метод синтеза трис(2-пиридил)фосфина.
Научная новизна и практическая значимость работы. На примере прямого фосфорилирования замещенных стиролов, индена и галогенпиридинов элементным фосфором в сверхосновных системах типа гидроксид щелочного металла/полярный негидроксильный растворитель получены новые данные о закономерностях такого типа реакций, протекающих через первоначальное генерирование полифосфид- и полифосфинит-анионов из элементного фосфора под действием активированных гидроксид-ионов и приводящих в зависимости от комплементарности реагентов к образованию органических фосфинов, фосфиноксидов и фосфиновых кислот.
Показано, что красный фосфор реагирует с 2-, 3- и 4-метилфенилэтенами, а также с 2,4,6-триметилфенилэтеном в суспензии КОН/ДМСО при одновременном микроволновом облучении (MW, 600 W, 5 мин), образуя практически равные количества соответствующих третичных фосфинов и их оксидов. Обработкой этих смесей водным раствором пероксида водорода синтезированы трис[2-(3-метилфенил)этил]-, трис[2-(4-метилфенил)этил]-, трис[2-(2-метилфенил)этил]-, трис[2-(2,4,6-триметилфенил)этил]фосфиноксиды с хорошим выходом.
Впервые в реакцию с красным фосфором введены интернальные стиролы:
фосфорилирование 1-алкил-2-фенилэтенов протекает в системе КОН/ДМСО(H2O) с хемоселективным образованием 1-алкил-2-фенилэтилфосфиновых кислот.
На основе трехкомпонентного взаимодействия между ароматическими
алкенами (стирол, 4-трет-бутил- и 4-хлорфенилэтены), красным фосфором и
элементной серой, протекающего в системе КОН/ДМСО(H2O) при микроволновом
содействии, разработан однореакторный синтез третичных фосфинсульфидов:
трис(2-фенилэтил)-, трис[4-трет-бутилфенилэтил]-, трис(4-
хлорфенилэтил)фосфинсульфидов.
Показано, что прямое фосфорилирование 1Н-индена системой красный фосфор/KOH/ДМСО(H2O) приводит к хемоселективному образованию 2,3-дигидро-1H-инден-2-илфосфиновой кислоты.
Впервые реализована реакция элементного фосфора с 2-бромпиридином, приводящая к трис(2-пиридил)фосфину с высоким выходом. Фосфорилирование протекает в сверхосновной системе гидроксид щелочного металла/ДМСО(H2O) и представляет собой первый пример формирования Сsp2-P связи непосредственно из элементного фосфора и гетарилгалогенидов.
Настоящая работа вносит существенный вклад в развитие новых прямых реакций элементного фосфора с электрофилами в присутствии сильных оснований и обогащает элементоорганическую химию удобными препаративными методами синтеза новых (или ранее труднодоступных) представителей таких важных классов фосфорорганических соединений, как органические фосфины, фосфиноксиды и фосфиновые кислоты.
Личный вклад автора состоит в планировании, выполнении и анализе экспериментальных исследований, а также в подготовке публикаций и написании диссертации.
Апробация работы и публикации. Результаты работы были представлены на Всероссийской молодежной научной конференции «Актуальные проблемы органической химии» (Москва, 2012), Всероссийской молодежной научной конференции с международным участием «Успехи синтеза и комплексообразования» (Москва, 2012). По материалам диссертации за период аспирантуры опубликованы 10 статей и тезисы 2 докладов.
Объем и структура работы. Диссертация изложена на 183 страницах машинописного текста. Первая глава (литературный обзор) посвящена анализу реакций фосфорилирования замещенных арил-, гетарилалкенов и органилгалогенидов элементным фосфором в присутствии сильных оснований; вторая глава - изложение и обсуждение результатов собственных исследований; необходимые экспериментальные подробности приведены в третьей главе. Завершается рукопись выводами и списком литературы (316 наименований).
Фосфорилирование производных акриловой кислоты белым фосфором в присутствии концентрированного водного раствора KOH
Поскольку в цели и задачи настоящей диссертации входило прямое фосфорилирование замещенных терминальных и интернальных стиролов, 1Н-индена и пиридилгалогенидов элементным фосфором в сверхосновных системах типа гидроксид щелочного металла/полярный негидрокисльный растворитель, целесообразно было систематизировать и обсудить известные данные о взаимодействии белого и красного фосфора с алкенами и органилгалогенидами в присутствии сильных оснований. Эта тематика в той или иной степени была отражена ранее в обзорах [4, 5, 7, 9, 10], однако либо уже сравнительно давно [4, 5] (т.е. на настоящее время уже неполно), либо фрагментарно и кратко [7, 9, 10]. Представленный в настоящей главе детальный анализ фосфорилирования замещенных алкенов и органилгалогенидов системой элементный фосфор/сверхоснование необходим для оценки новизны, а также значимости собственных результатов исследования. 1.1.1. Фосфорилирование производных акриловой кислоты белым фосфором в присутствии концентрированного водного раствора КОН
Реакция прямого фосфорилирования белым фосфором акрилонитрила 1а и акриламида 1б в присутствии сильного основания - концентрированного раствора КОН, впервые была представлена работой М. М. Rauhut [12]. Реакция протекает при температуре 30-35оС в среде органического растворителя, 10 N водного раствора КОН, образуя трис(2-цианоэтил)- и трис(2-карбомоилэтил)фосфиноксиды 2а и 2б с выходом 53 и 74%, соответственно.
По мнению авторов [12], нуклеофильная атака гидроксид-ионом позволяет расщепить Р-Р связь в атомах белого фосфора, генерируя фосфид-анионы, которые далее присоединяются к активированным двойным связям исходных алкенов 1, образуя соответствующие третичные фосфиноксиды 2 (схема 2).
V н Позже фосфорилирование N-алкил- и N,N-диалкилакриламидов белым фосфором позволило получить соответствующие N-замещенные трис(2-карбамоилэтил)фосфиноксиды с высоким выходом [13].
Для изучения прямой реакции фосфорилирования элементным фосфором различных органических электрофилов под действием сверхсильных оснований были использованы такие слабоэлектрофильные субстраты, как стирол и его замещенный аналог -метилстирол, которые проявили достаточно хорошую активность в данной реакции [4, 14-29].
В работах [14, 15] установлено, что белый фосфор взаимодействует со стиролом (85-90оС, 4 ч) в системе КОН/ДМСО(H2O) (мольное соотношение Р 4/PhCH=CH2/KOH/H2O = 1 : 1.5 : 3 : 2), образуя трис(2-фенилэтил)фосфиноксид 3 с выходом 64%. Замена ДМСО на ГМФТА при прочих равных условиях приводит к уменьшению выхода фосфиноксида 3.
Схема Установлено, что эффективность и селективность этой реакции зависит от температуры процесса (схема 4). Так при взаимодействии стирола и белого фосфора при нагревании (45-50оС) в системе КОН/ДМСО образуются фосфиноксиды 3, 4, фенилэтилфосфиновая кислота 5 с выходом 21, 20, 1%, соответственно.
При комнатной температуре эффективность фосфорилирования стирола белым фосфором падает почти в 2 раза и образуются те же продукты с суммарным выходом 25%.
В работе [16] найдены условия взаимодействия красного фосфора со стиролом, позволяющие получать третичный фосфиноксид 3 с количественным выходом. Следует отметить, что в этих экспериментах авторы рассчитывали выход продуктов реакции с учетом конверсии фосфора согласно уравнению (схема 5).
Кроме того, было установлено, что на ход изучаемого процесса не оказывает ингибирующего действия гидрохинон, что говорит об анионном характере этой реакции [16].
Детальное исследование фосфорилирования стирола красным фосфором проведено в сверхосновной системе [17], и установлено влияние условий реакции на выход и соотношение конечных продуктов, а также обсуждены возможные пути образования фосфорорганических соединений. Реакция стирола в системе Pй/КОН/ДМСО(Н2О) протекает с образованием следующих аддуктов: трис(2-фенилэтил)-, бис(2-фенилэтил)фосфиноксидов 3, 4, 2-фенилэтилфосфиновой кислоты 5, бис(2-фенилэтил)- и 2-фенилэтилфосфинов 6, 7. Фосфорилирование стирола при температуре 60-65C за 3 ч в этой системе, заканчивается образованием фосфиноксидов 3 и 4, а также фосфиновой кислоты 5 с выходом 3, 14 и 28%, соответственно. Суммарный выход продуктов 6 и 7 составляет не более 6% (схема 6).
Эти же авторы установили, что триада КОН/ГМФTА(Н2О) является более эффективной для фосфорилирования стирола красным фосфором, чем система КОН/ДМСО(Н2О) [16]. Так реакция красного фосфора со стиролом в системе КОН/ГМФTА(Н2О) при 70-110C за 3 ч (аргон), приводит к образованию только фосфиноксида 3 с выходом до 60% (схема 7).
Фосфорилирование -метилстирола красным фосфором в присутствии сильных оснований
Стерические особенности строения -метилстирола, а именно, присутствие метильного заместителя в -положении двойной связи, оказывают влияние на его взаимодействие с красным фосфором. Фосфорилирование проходит при более высокой температуре, заканчивается образованием, в основном, вторичного фосфиноксида 8 и фосфиновой кислоты 9 [17].
Реакция -метилстирола в системе Pn/КОН/ДМСО(Н2О) протекает при нагревании (78-80C, 3 ч) с образованием бис(2-фенилпропил)фосфиноксида 8 и 2-фенилпропилфосфиновой кислоты 9 (выход 10 и 22%, соответственно) (схема 8). Кроме того, авторы идентифицировали 2-фенилпропил- 10 и бис(2-фенилпропил)фосфины 11 (суммарный выход 3%). Трис(2-фенилпропил)фосфиноксид не образуется в этой реакции даже при более высокой температуре (90-120C) и избытке -метилстирола по отношению к фосфорилирующей системе.
Фосфорилирование замещенных стиролов красным фосфором в присутствии сверхсильных оснований
В литературном обзоре (см. разделы 1.1.2., 1.1.3., 1.1.4., 1.1.5.) приведена детализированная информация о реакциях элементного фосфора со стиролом (фенилэтен), а также с 4-трет-бутил- и 4-метоксифенилэтенами, протекающих в суспензии КОН/ДМСО и приводящих к соответствующим третичным фосфиноксидам - (RCH2CH2)3P=O (R = Ph, 4-BuC6H4, 4-MeOC6H4). На основе этой методологии цитируемой сейчас как реакция Трофимова-Гусаровой [32-34, 125-128] профосфорилированы элементным фосфором различные органические субстраты: арилацетилены [129-130], органические галогениды [4, 23, 26, 34, 67-76, 117], а также винилпиридины [41, 47-49].
В настоящей работе с целью подтверждения общности этой реакции, расширения ее препаративных возможностей и синтеза новых представителей ключевых фосфорорганических соединений мы изучили фосфорилирование метилзамещенных фенилэтенов, 4-трет бутоксифенилэтена, а также интернальных 1-алкил-2-фенилэтенов системой Pn/KOH/ДМСО. 2.1.1. Реакция 2-, 3- и 4-метилфенилэтенов с красным фосфором в присутствии сильного основния и ее микроволновая активация
Как показано в литературном обзоре (см. раздел 1.1.2.), фенилэтен взаимодействует с красным фосфором в системе КОН/ДМСО(H2O), образуя фосфиноксид 3, выход которого 60% [16]. Было установлено, что фосфорилирование 4-замещенных производных фенилэтена, например, 4-трет-бутил- [30], 4-метоксифенилэтенов [31] красным фосфором, приводит к образованию соответствующих трис(2-арилэтил)фосфиноксидов (с выходом до 85%) и небольших количеств 2-арилэтилфосфиновых кислот (до 17%).
В то же время, нет сведений о том, могут ли ароматические алкены, содержащие алкильные заместители в разных положениях бензольного кольца реагировать с красным фосфором по реакции Трофимова-Гусаровой. Стерические и электронные затруднения, вызванные заместителями в третьем, а, особенно, во втором положении бензольного кольца могут препятствовать присоединению к винильной группе P-центрированных нуклеофилов.
Для того, чтобы оценить относительную реакционную способность метилфенилэтенов и триметилфенилэтена в реакции Трофимова-Гусаровой, мы рассчитали дискрипторы локальной реакционной способности используемых субстратов, а также незамещенного фенилэтена. Так как изучаемая реакция является нуклеофильной по своей природе, то наиболее подходящими дискрипторами являются функции Фукуи и индексы локальной электрофильности для C атома винильной группы фенилэтена (Таблица 1). Величины индексов локальной электрофильности, рассчитанные для метилфенилэтенов, мало отличаются от значений, полученных в случае незамещенного фенилэтена, что позволяет предполагать близкую активность этих соединений в реакции Трофимова-Гусаровой. В то же время расчитанные величины дискрипторов для 2,4,6-триметилфенилэтена указывают на то, что полизамещенный фенилэтен является значительно более слабым электрофилом (Таблица 1).
Вероятно, можно ожидать, что на скорость присоединения Р-центрированных нуклеофилов к винильной группе в случае 2-, 3- и 4-метилфенилэтенов решающее влияние будут оказывать стерические факторы, а не электрофильность двойной связи. В то время как реакционная способность полизамещенного фенилэтена, а именно, 2,4,6-триметилфенилэтена будет зависить как от стерических, так и от электронных факторов.
Как показали эксперименты, красный фосфор фосфорилирует 3- и 4-метилфенилэтены 77а,б в суспензии KOH/ДМСО при нагревании (110oC , 2 ч), образуя приблизительно эквимолярные количества соответствующих третичных фосфинов 78а,б и фосфиноксидов 79а,б. При обработке смеси этих соединений водным раствором пероксида водорода (ацетон, 23-25C, 5 мин) были получены фосфиноксиды 79а,б с выходом 20 и 25%, соответственно. Фосфорилирование протекает не полно и в реакционной смеси были идентифицированы исходные фенилэтены 77a,б (ЯМР 1H). Незамещенный фенилэтен 77в реагирует аналогичным образом, давая третичные фосфин 78в и фосфиноксид 3 (в соотношении 1 : 1), окисление этой смеси водным раствором пероксида водорода позволяет выделить фосфиноксид 3 с выходом 40% (схема 57).
Микроволновое облучение (600 Вт, 5 мин) 2-, 3- и 4-метилфенилэтенов 77 a,б,г триадой Pn/KOH/ДМСО также обеспечивает почти эквимолярную смесь третичных фосфинов 78a,б,г и фосфиноксидов 79a,б,г (ЯМР 31P). Третичные фосфиноксиды 79a,б,г были выделены с выходом 45-68% после обработки смеси водным раствором пероксида водорода. Следует отметить, что в этих опытах исходные фенилэтены 77a,б,г не зафиксированы (ЯМР 1H) (схема 58).
В близких условиях (МВ, 360 Вт, 6 мин) фенилэтен 77в образует третичный фосфиноксид 3 с выходом 69% [43].
Таким образом, как 2-, так и 3-метилфенилэтены, не говоря уже о 4-метилфенилэтене, несмотря на наличие стерически неблагоприятной -донорной метильной группы в бензольном кольце, демонстрируют довольно высокую активность двойной связи. Микроволновое содействие фосфорилирования метилфенилэтенов позволяет значительно сократить время реакции и повысить выход третичных фосфиноксидов.
Структура синтезированных фосфорорганических соединений 79а,б,г установлена комплексом взаимодополняющих физико-химических методов, мультиядерной спектроскопией ЯМР 1H, 13C, 31P и ИК-спектрометрией, а также методом РСА определена молекулярная струтура третичного фосфиноксида 79г (Рисунок 1).
Прямое фосфорилирование 2-, 3- и 4-метилстиролов элементным фосфором в условиях реакции Трофимова-Гусаровой
Смесь красного фосфора (1.00 г, 32 ммоль), метилфенилэтена 77a,б (5.00 г, 42 ммоль), KOH0.5H2O (5.00 г, 77 ммоль) и ДМСО (40 мл) перемешивали при температуре 110оС в течение 2 ч, охлаждали и анализировали методом ЯМР 31P. Спектр ЯМР 31P реакционной смеси содержит сигналы третичного фосфина 78a,б (P -28 ppm) и его оксида 79a,б (P 45 ppm) в молярном соотношении 1 : 1 также в минорный сигнал относящийся к калиевой соли 2-арилэтилфосфиновой кислоты (д, P 19 ppm, 1JP-H = 450 Гц). В спектре ЯМР 1H присутствуют сигналы двойной связи непрореагировавшего стирола 77a,б. Реакционную смесь разбавляли водой (50 мл) и экстрагировали хлороформом (3 20 мл). Хлороформный экстракт промывали водой (1 40 мл), растворитель удаляли. Остаток растворяли в ацетоне (20 мл) и добавляли водный раствор перекиси водорода (30%, 2 мл). Полученную смесь перемешивали при комнатной температуре в течение 5 мин, затем разбавляли водой (до 30 мл) и экстрагировали хлороформом (2 20 мл). Хлороформный экстракт сушили над K2CO3, растворитель удаляли, остаток вакуумировали (1 мм.рт.ст.). Получили третичные фосфиноксиды 79а,б.
Реакция 2-, 3- и 4-метилстиролов с красным фосфором в системе KOH/ДМСО при микроволновом содействии (Метод Б)
Смесь красного фосфора (1.00 г, 32 ммоль), метилфенилэтена 77a,б,г (5.00 г, 42 ммоль), KOH0.5H2O (5.00 г, 77 ммоль), ДМСО (20 мл) облучали 5 мин в микроволновой печи (600 Вт), охлаждали и анализировали методом ЯМР 31P. Спектр ЯМР 31P реакционной смеси содержит сигналы соответствующих третичных фосфинов 78a,б,г (P = -28 ppm) и их оксидов 79a,б,г (P = 45 ppm) в соотношении 1 : 1. Реакционная смесь обрабатывали по методике, описанной выше. Были получены третичные фосфиноксиды 79a,б,г.
Трис[2-(3-метилфенил)этил]фосфиноксид 79a. Выход 1.14 г (20%) (Метод А), 3.14 г (55%) (Метод Б), бесцветные кристаллы, т. пл. 80-82oC (гексан). ИК (/см-1) (KBr): 1154, 1162 (P=O). Спектр ЯМР 1H (, м. д.): 2.03-2.07 м (6H, CH2P), 2.36 с (9H, Me), 2.87-2.94 м (6H, CH2C6H4), 7.00-7.07 м (9H, C6H4), 7.22 т (3H, C6H4,3JH-H = 8.0 Гц). Спектр ЯМР 13C (, м. д.): 21.3 (Me), 27.7 (CH2C6H4), 30.2 д (CH2P, 1JC-P = 62.1 Гц), 125.0 (C6 в C6H4), 127.2 (C4 в C6H4), 128.6 и 128.8 (C2,5 в C6H4), 138.3 (C3 в C6H4), 140.8 д (3JC-P = 13.1 Гц, C1 в C6H4). Спектр ЯМР 31P (, м. д.): 47.27 (+ сателлиты, 1JC-P = 61.8 Гц). Вычислено для C27H33OP: С, 80.17; Н, 8.22; Р, 7.66. Найдено: С, 80.25; Н, 8.17; Р, 7.49.
Трис[2-(4-метилфенил)этил]фосфиноксид 79б. Выход 1.43 г (25%) (Метод А), 3.9 г (68%) (Метод Б), бесцветные кристаллы, т. пл. 107-109oC (гексан). ИК (/см-1) (KBr): 1164 (P=O). Спектр ЯМР 1H (, м. д.): 1.96-2.02 м (6H, CH2P), 2.31 с (9H, Me), 2.82-2.88 м (6H, CH2C6H4), 7.04 и 7.10 д (12H, C6H4). Спектр ЯМР 13C (, м.д.): 20.9 (Me), 27.3 (CH2C6H4), 30.3 д (1JC-P = 62.0 Гц, CH2P), 127.9 и 129.3 (C2,6 и C3,5 в C6H4), 136.0 (C4 в C6H4), 137.8 д (3JC-P = 13.0 Гц, C1 в C6H4). Спектр ЯМР 31P (, м. д.): 47.94 (+ сателлиты, 1JC-P = 62.0 Гц). Вычислено для C27H33OP: С, 80.17; Н, 8.22; Р, 7.66. Найдено: С, 80.22; Н, 8.17; Р, 7.52.
Трис[2-(2-метилфенил)этил]фосфиноксид 79г. Выход 2.57 г (45%) (Метод Б), бесцветные кристаллы, т. пл. 119-120oC (гексан). ИК (/см-1) (KBr): 1141, 1156 (P=O). Спектр ЯМР 1H (, м. д.): 2.00-2.06 м (6H, CH2P), 2.32 с (9H, Me), 2.90-2.96 м (6H, CH2C6H4), 7.10-7.17 м (12H, C6H4). Спектр ЯМР 13C (, м. д.): 19.2 (Me), 25.2 (CH2C6H4), 28.9 д (1JC-P = 62.1 Гц, CH2P), 126.3 и 126.6 (C4,5 в C6H4), 128.6 (C6 в C6H4), 130.5 (C3 в C6H4), 135.6 (C2 в C6H4), 139.0 д (3JC-P = 12.9 Гц, C1 в C6H4). Спектр ЯМР 31P (, м. д.): 46.91 (+ сателлиты, 1JC-P = 61.9 Гц). Вычислено для C27H33OP: С, 80.17; Н, 8.22; Р, 7.66. Найдено: С, 80.10; Н, 8.29; Р, 7.51.
Реакция 2,4,6-триметилфенилэтена с красным фосфором в присутствии сильного основания и ее микроволновая активация
Смесь красного фосфора (1.00 г, 32 ммоль), 2,4,6-триметилфенилэтена 80 (6.14 г, 42 ммоль), KOH0.5H2O (5.00 г, 77 ммоль) и ДМСО (40 мл), воды (4 мл) облучали 5 мин в микроволновой печи (600 Вт), охлаждали и анализировали методом ЯМР 31P. Спектр ЯМР 31P реакционной смеси содержит сигналы соответствующего третичного фосфина 81 (P = -30 ppm), фосфиноксида 82 (P = -48 ppm) и калиевой соли 83 (д, P = 19 ppm, 1JP-H = 465 Гц) в молярном соотношении 1 : 1 : 0.3. Затем реакционную смесь разбавляли водой (50 мл) и экстрагировали хлороформом (3 20 мл). Экстракт промывали водой (2 40 мл) и растворитель отгоняли. Остаток растворяли в ацетоне (10 мл) и добавляли водный раствор перекиси водорода (30%, 2 мл). Смесь перемешивали при комнатной температуре в течение 115 мин, затем добавляли воду (до 30 мл) и экстрагировали хлороформом (2 20 мл). Растворитель удаляли, остаток сушили в вакууме (1 мм. рт. ст.). Получили третичный фосфиноксид 82.
Водный слой реакционной смеси подкисляли 35% соляной кислотой до рН = 4-5 и экстрагировали хлороформом (3 20 мл). Хлороформный экстракт промывали водой (3 15 мл), сушили над Na2SO4. Растворитель удаляли и остаток сушили в вакууме (1 мм. рт. ст.). Получили 2-(2,4,6-триметилфенил)этилфосфиновую кислоту 84.
Синтез трис(2-пиридил)фосфина из 2-бромпиридина и фосфина: краткий путь к трис(2-пиридил)фосфину
Смесь красного фосфора (3.10 г, 100 ммоль), 2-бромпиридина 106 (7.90 г, 50 ммоль), KOH0.5H2O (10.0 г, 154 ммоль), ДМСО (50 мл) и H2O (2 мл) перемешивали в течение 3 ч при температуре 100оС (аргон). Реакционную смесь охлаждали до комнатной температуры, разбавляли водой (60 мл) и экстрагировали хлороформом (3 20 мл). Хлороформный экстракт промывали водой (3 15 мл) и сушили над K2CO3. Растворитель удаляли, остаток промывали изопропиловым спиртом (1 x 8 мл), сушили в вакууме (1 мм рт. ст.), получили 2.74 г (62%) трис(2-пиридил)фосфина 109.
Фосфорилирование 2-бромпиридина белым фосфором в системе КОН/ДМСО(Н2О)
К смеси KOH0.5H2O (5.0 г, 77 ммоль), ДМСО (35 мл), H2O (1 мл) добавляли белый фосфор (1.55 г, 50 ммоль) (экзотермический эффект до 40оС, охлаждали до 20оС) и прикапывали 2-бромпиридин 106 (3.95 г, 25 ммоль) в течение 1 мин. Реакционную смесь перемешивали еще в течение 3 ч при температуре 75оС (аргон), охлаждали, разбавляли водой (35 мл) и экстрагировали хлороформом (3 15 мл). Хлороформный экстракт промывали водой (3 10 мл) и сушили над K2CO3. Растворитель удаляли, остаток промывали изопропиловым спиртом (1 x 8 мл) и сушили в вакууме (1 мм рт. ст.). Получили 1.91 г (50%) фосфина 109.
Фосфорилирование 2-бромпиридина красным фосфором в системе CsF/NaOH/ДМСО
Cуспензию красного фосфора (3.1 г, 100 ммоль), 2-бромпиридина 106 (7.9 г, 50 ммоль), NaОН (4.0 г, 100 ммоль), CsF (15.2 г, 100 ммоль), ДМСО (40 мл) и перемешивали 3 ч при 100оС, реакционную смесь охлаждали, разбавляли водой (60 мл) и экстрагировали хлороформом (3 х 40 мл). Хлороформный экстракт промывали водой (3 х 15 мл), сушили над K2CO3, растворитель удаляли, остаток вакуумировали. Получили 2.52 г (57%) фосфина 109.
Синтез трис (2-пиридил)фосфина из 2-бромпиридина и фосфина: краткий путь к трис(2-пиридил)фосфину
К нагретой (70оС) суспензии KOH0.5H2O (20.0 г, 307 ммоль), ДМСО (50 мл) и Н2О (12.0 г, 667 ммоль) продутой аргоном и насыщенной фосфино-водородной смесью, при перемешивании добавляли по каплям раствор 2-бромпиридина 106 (10.0 г, 63.3 ммоль) в 5 мл ДМСО в течение 1.5 ч и постоянном барботировании фосфино-водородной смеси. После окончания прикапывания 2-бромпиридина 106, пропускание фосфино-водородной смеси прекращали, реакционную смесь охлаждали до комнатной температуры, разбавляли водой (100 мл) и экстрагировали хлороформом (3 x 30 мл). Экстракт промывали водой (3 x 30 мл), сушили над K2CO3, хлороформ отгоняли, остаток промывали холодным изопропанолом (1 x 5 мл), высушивали в вакууме (1 мм рт. ст.). Получили 2.8 г (50%) фосфина 109.
Общая методика синтеза фосфиноксидов 121. Суспензию трис(2-пиридил)фосфина 109 (1 ммоль) и ацетилена 120а-д (1 ммоль) в воде (8 мл) перемешивали при температуре 40-45oC в течение 4-5 ч в атмосфере аргона. Водный слой декантировали с образовавшегося темного твердого остатка. Твердый остаток растворяли в хлороформе (3 мл), хлороформный раствор сушили над MgSO4. Хлороформ удаляли, неочищенный продукт промывали ацетоном (5 x 0.5 мл), остаток сушили в вакууме. Получили винилфосфиноксиды 121а-д - порошки белого или светло-желтого цвета. Относительное содержание Z-изомеров в фосфиноксидах 121а-г или E-изомера в оксиде 121д в неочищенном продукте не превышает 10%, общая конверсия 90-95% (1H, 31P ЯМР, непрореагировавший ацетилен 120а-д можно выделить, экстракцией гексаном реакционной смеси (до выше описанной обработки). Пиридин идентифицировали титрованием водного слоя раствором HCl или анализом ГЖХ (после экстракции водного слоя хлороформом).
Синтез комплекса [Со(2-РузР)2]СІ2-8Н20 122. Смесь фосфина 109 (0.530 г, 2.0 ммоль) и СоС126Н20 (0.238 г, 1.0 ммоль) в 95% этаноле (15 мл) перемешивали 30 мин при 45-50С до образования красной суспензии. Смесь охлаждали до комнатной температуры, осадок отфильтровывали, фильтрат выдерживали при 5-8оС в течение суток. Выпавшие кристаллы отфильтровывали, промывали смесью этанол/диэтиловый эфир (1 : 2) и высушивали в вакууме (1 мм рт. ст.). Получили комплекс 122 в виде оранжевых кристаллов, т. пл. 137-139С (разл), выход 0.63 г (78%). Спектр ЯМР 31Р (ДМСО-de), dР, м. д.: -1.72. ИК-спектр (КВг), см"1: 3437, 3105, 3083, 3023, 2924, 2856, 1637, 1602, 1495, 1453, 1393, 1263, 1210, 1179, 1127, 1067, 1029, 1005, 944, 908, 855, 746, 697, 573, 512, 483. Найдено, %: С 44.67; Н 5.11; N 10.39; Р 7.59. C3oH4oCl2CoN608P2 Вычислено, %: С 44.79; Н 5.01; N 10.45; Р 7.70.
Основные кристаллографические данные для комплекса 122: C3oH24CoN6P2-8H20-2Cl, М = 804.45, кристаллы моноклинной сингонии, пространственная группа С2/т, параметры решетки а = 12.187(1) , Ъ = 13.449 (1) , с= 11.455(1) , 7= 101.505(1), объем элементарной ячейки V = 1839.8(3) 3, число молекул в элементарной ячейке Z = 2, вычисленная плотность Д,ыч. = 1.45 г-см"3, т(МоКа) = 0.754 мм-1, (2q)тах = 55.04, количество независимых отражений 6358, финальный R индекс [все данные]: Ri = 0.023 [1990 для F0 4CT(F0)].
