Введение к работе
Актуальность проблемы. Современное состояние развития органической и элементоорга-нической химии достигло настолько высокого уровня, что дальнейшие фундаментальные и прикладные исследования требуют поиска оригинальных, прорывных направлений развития, которые смогут обеспечить создание новых, высоких технологий как в самой химии, так и в смежных областях естествознания. К таким прорывным направлениям безусловно относится поиск методов синтеза новых элементоорганических синтонов органических соединений, препаративное использование которых могло бы обеспечить решение многих современных проблем, стоящих перед органическим синтезом, а именно:
- проблемы более эффективного в контексте повышения выхода и снижения себестоимости,
повышения технологической безопасности и безотходности синтеза известных органических соединений;
- проблемы устранения понятия труднодоступности некоторых классов органических и эле-ментоорганических соединений;
- экологических проблем, неразвязанным клубком окутавших химическую промышленность, в связи с чем производство многих химических продуктов стало опасным или вовсе невозмо-жным, в том числе и в лабораторных масштабах;
- проблем планирования и моделирования органического синтеза, особенно в части очистки и выделения тех или иных целевых продуктов органического синтеза.
Кроме того, фундаментальные исследования в области синтеза новых элементоорганичес-ких синтонов, в том числе комплексных соединений, расширяет сферу познаний в той части химии, которая потенциально в состоянии обеспечить создание новых каталитических сис-тем для разнообразных процессов и новых реагентов с уникальными свойствами.
Все эти актуальные направления нашли свое отражение в фундаментальных исследованиях синтеза и применения ряда элементо-(Si, S, Fe, P, Na, B)-органических синтонов, приведен-ных в настоящей диссертационной работе.
Известно, что одной из актуальных задач производства и применения нефте-и ряда других органических продуктов является проблема их обессеривания. В этой связи модельной сис-темой для изучения возможности удаления элементной и «меркаптановой» серы, содержа-щихся в нефти и нефтепродуктах, представляется реакция олефинов с серой и карбонилами железа, приводящая к связыванию серы в виде комплексных соединений, а также получение нерастворимых меркаптидов металлов. Образующиеся комплексные соединения, которые также могут быть выделены, сами по себе представляют большой интерес как новый класс комплексных соединений, содержащих реакционноспособные функциональные группы. В качестве восстановителя связи S-S и S-H весьма актуальным представлялось апробированное в настоящей работе использование катодно поляризованыых металлов, поскольку электрохи-мические процессы характеризуются, как правило, мало- или безотходностью, не требуют сложного аппаратурного оформления, а также могут протекать просто на стенках железных тубопроводов за счет наличия в них электрохимических пар, как, например, в случае медлен-ного образования ферроцена на стенках трубопроводов. Именно в развитие данного принци-па представлялось актуальным исследование возможности электрохимического восстановле-ния меркаптанов* (расщепление связи S-Н), распространенное нами на орто-карборан и его производные* (катодное расщепление связи С-Н), получение металлопроизводных которых, а также изучение процессов их алкилирования, карбоксилирования и полимеризации давно является актуальной задачей.
Одной из приоритетных задач развития нашего общества является также задача улучше-ния качества здравоохранения. Ее решение неразрывно связано с созданием новых, эффекти-
вных лекарственных средств. Поэтому в последнее десятилетие значительно возросла роль скрининга новых биологически активных соединений. Одним из направлений биоскрининга является синтез билдинг-блоков и их комбинирование с другими реагентами для быстрого изучения возможной биологической активности. К числу хорошо востребованных билдинг-блоков относятся функциональные производные пиразола и органические изоцианаты. Вот почему проведенные исследования по разработке универсальных методов получения пира-золальдегидов (окислительным расщеплением связи С-Н в гидразонных и семикарбазонных производных метилкетонов с использованием фосфорсодержащего синтона альдегидной группы), пиразолкарбоновых кислот (окислением соответствующих альдегидов) и органиче-ских изоцианатов любого строения, в том числе из заведомо биологически активных амино-кислот (через использование кремнийорганических синтонов органических изоцианатов), представляли собой актуальную задачу. Для ее решения необходимо было разработать удоб-ный метод получения разнообразных, ранее неизвестных и труднодоступных -аминокис-лот, и, главным образом, найти эффективный и доступный препаративный метод получения изоцианатов. Таковым способом оказалось фосгенирование кремнийорганических синтонов (кремнийпроизводных органических аминов и уретанов)**, что автоматически повлекло за
собой необходимость детального изучения процессов силилирования и N-силоксикарбонили-рования широкого круга аминов, гидроксиламина, гидразина и их солей, исследования их
*) В контексте фундаментального направления в химии по изучению катодного расщепления связи элемент-водород, развивавшегося под руководством проф. Томилова А.П.
**) В контексте фундаментального направления по изучению синтеза, строения и свойств кремнийорганических синтонов органических соединений, развиваемого под руководством проф. Шелудякова В.Д.
строения, внутримолекулярных координаций, изомерии и химических свойств. Проведенные в этом направлении исследования обогащают современные представления о строении и свойствах элементоорганических соединений, и, тем самым, представляются весьма актуаль-ными, поскольку позволят в будущем осуществлять направленный, контролируемый синтез тех или иных органических веществ.
Уникальность свойств кремнийорганических синтонов в сравнении с их органическими предшественниками делает актуальной задачу их использования в разнообразных химико-технологических процессах. Это перспективное направление было апробировано на примере глубокой очистки и синтеза ряда труднодоступных и промышленно значимых соединений, таких как имидазолилуксусная кислота, алкилдифосфоновые кислоты, 3-арилпиразол-4-кар-боновые кислоты и другие гетероциклические соединения.
В контексте решения одной из приоритетных задач развития нашего общества по улучше-нию качества здравоохранения несомненно актуальной оказалась также разработка востребо-ванного временем современного метода получения противогриппозного препарата «реманта-дин» через использование такого известного элементоорганического синтона метилирования хлорангидридной функции, как натриймалоновый эфир.
Цель работы заключалась в фундаментальном изучении:
- реакций расщепления связи S-S в элементной сере, циклических полисульфидах и дитиоди-железогексакарбониле под действием карбонилов железа, тио- и кремнийжелезокарбониль-ных комплексов, полисиланов, а также постоянного электрического тока при контролируе-мом катодном потенциале, нацеленных на получение широкого круга новых тиоэлементоор-ганических соединений, фактически являющихся металлоорганическими производными се-раорганических анионов;
- возможности электрохимического расщепления связи S-Н для генерирования органических тиолят-анионов и использовании их как синтонов в синтезе металло-, силил- и алкилпроиз-водных меркаптанов;
- возможности расщепления связи С-Н в орто-карборанах, использовании моно-орто-карбо-ранильных анионов в качестве синтонов получения металло-, алкил-, карбоксильных, ди- и олигомерных производных карборанов, сравнении результатов электрохимического восста-
новления с таковым под действием щелочных металлов;
- реакций конкурентного образования -аминокислот, пропеновых и илиденмалоновых кис-лот из малоновой кислоты;
- окислительного расщепления связи С-Н в семикарбазонах и гидразонах метилкетонов под действием фосфорсодержащего синтона альдегидной группы, нацеленного на получение широкого круга замещенных пиразолов;
- методов синтеза, строения, структуры и прикладных возможностей использования крем-нийорганических синтонов - кремнийпроизводных аминов, карбаминовой, оксикарбамино-вой, гидразинмоно- и дикарбоновой, карбоновых и дифосфоновых кислот - в синтезе и пре-вращениях гетероциклических соединений и широкого круга органических изоцианатов, а также для получения особо чистых соединений;
- металлотропных превращений в кремнийорганических соединениях с азот-, кислород- и се-расодержащими функциональными группами;
- в разработке современного высокоэффективного способа получения 1-(1’-адамантил)этил-амина, являющегося субстанцией лекарственного препарата «ремантадин» через использова-ние синтонов метилирования хлорангидридной функции.
Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем. Впервые детально изу-чены:
- новые синтетические подходы к получению тиоэлементоорганических соединений – по-средством взаимодействия элементной серы с карбонилами железа в присутствии кремний-содержащих олефинов. Установлено, что основными продуктами взаимодействия являются тиожелезокарбонильные комплексы различного строения и циклические полисульфиды. Предложен механизм реакций, основанный на гетеролитическом расщеплении связи S-S. Выявлено, что мостиковая группа СО в комплексе S2Fe2(CO)7 внедрена по связи S-S, а не Fe-Fe;
- расщепление связи S-S в циклооктасульфане под действием полисиланов, приводящее к об-разованию циклодисилтианов, взаимодействие которых с карбонилами железа ведет к полу-чению кремнийтиожелезокарбонильных комплексов полимерного характера, близких по строению к комплексам, образующимся при расщеплении серы диметилсилилдижелезоокта-карбонилом;
- электрохимическое расщепление связи S-S в дитиодижелезогексакарбониле на катодах из переходных металлов, открывающее легкий доступ к многочисленным комплексам, содержа-щим фрагмент S2Fe2(CO)6.;
- процесс электрохимического расщепления связи S-Н в меркаптанах на катодах из переход-ных металлов, позволяющий синтезировать любые меркаптиды переходных металлов безот-ходным способом через прямое генерирование таких синтонов, как тиолят-анионы;
- расщепление связи С-Н в орто-карборанах под действием щелочных металлов в различ-ных условиях и под действием электрического тока на катодах из переходных металлов. Вы-явлены условия стабилизации, димеризации и последующих структурных превращений гене-рируемых при этом борорганических синтонов - анионов и дианионов о-карборанов, условия получения солей нидо-карборанов и С-металлопроизводных о-карборанов, электрохимичес-кого алкилирования, карбоксилирования, ди- и полимеризации о-карборанов;
- окислительное формилирование семикарбазонов и гидразонов метилкетонов под действи-ем комплекса хлорокиси фосфора с N,N-диметилформамидом как синтона альдегидной груп-пы, приводящее к получению 3,4-дизамещенных пиразолов. Выявлены электронные и прост-ранственные факторы, влияющие на направление реакций;
- условия N-алкилирования и кватернизации N-триметилсилилимидазола как синтона алкил-имидазолов. Впервые выявлены условия ассоциации и образования цвиттер-ионов для имид-азолилуксусной кислоты;
- механизм и условия генерирования и превращений N-триметилсилоксикарбонилнитрена из его синтона - персилилированной оксикарбаминовой кислоты – стабильного кремнийпроиз-водного оксикарбаминовой кислоты;
- эффективные методы синтеза широкого круга алифатических, ароматических, карбоцикли-ческих, жирноароматических изоцианатов и изоцианатов на основе эфиров - и -аминокис-лот из кремнийорганических синтонов - соответствующих кремнийсодержащих аминов и уретанов;
- направление реакций и механизм пиролиза уретанов на основе силиловых эфиров карбами-новой и гидразиндикарбоновой кислот как синтонов изоцианатов и гетероциклических сое-динений;
- закономерности конкурентного образования -аминокислот, пропеновых и илиденмалоно-вых кислот, а также некоторые перегруппировки в реакции альдегидов и кетонов с малоно-вой кислотой и ацетатом аммония;
- внутримолекулярные донорно-акцепторные взаимодействия и металлотропные перегруп-пировки для большого ряда синтезированных элементоорганических соединений.
Практическая ценность работы заключается в разработке эффективных препаративных методов синтеза:
- меркаптидов переходных металлов - метод положен в основу электрохимического способа получения широкого круга С-, S-, N- и Р- металлопроизводных органических соединений и базируется на катодном расщеплении связи элемент – водород на переходных металлах и анодном растворении переходных металлов;
- широкого круга ранее неизвестных или труднодоступных тиожелезокарбонильных комп-лексов, представляющих интерес для фундаментальных исследований в координационной химии и в качестве катализаторов процесса получения пентакарбонила железа;
- широкого круга ранее неизвестных или труднодоступных функциональных производных пиразола, используемых в качестве билдинг-блоков в комбинаторной химии;
- разнообразных изоцианатов фуранового и тиофенового ряда, алифатических, ароматичес-ких, карбоциклических и жирноароматических изоцианатов и изоцианатов на основе эфиров - и -аминокислот, востребованных для проведения биоскрининга и исследований в комби-наторной химии;
- широкого круга ранее недоступных -аминокислот алифатического и ароматического ряда;
- противогриппозного лекарственного препарата «ремантадин» из доступного отечественно-го сырья, что позволило создать и внедрить промышленную технологию его получения и оказать медицинскую помощь 18 млн. гражданам РФ.
Апробация работы и публикации. Основные результаты работы представлялись на VI Международном симпозиуме по кремнийорганической химии (г. Будапешт, 1981 г.), VII Международном симпозиуме по кремнийорганической химии (г. Киото, 1984 г.), VI Всесо-юзной конференции по химии и применению кремнийорганических соединений (г. Рига, 1986 г.), Х Всероссийской конференции «Кремнийорганические соединения. Синтез, свойст-ва и применение» (г. Москва, 2005 г.).
Материалы диссертации полностью изложены в 39 научных статьях в ведущих отечест-венных и зарубежных журналах, в материалах 6 конференций и 2 патентах на изобретение.
Объем и структура работы. Диссертация изложена на 341 страницах машинописного текста, включая 23 таблицы и 12 рисунков. Она состоит из введения, 3 глав, выводов и спи-ска цитируемой литературы (313 ссылок).
