Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Генерирование, детектирование серо- и селено-центрированных свободных радикалов и их реакционная способность 19
Глава 2. Термическое генерирование арил(тиенил)тиильных радикалов и реакции с их участием
Глава 3. Влияние селенильных радикалов на термические превращения органических соединений серы
Глава 4. Реакции сероводорода, моно- и дихалькогенолов с карбонильными соединениями
Глава 5. Научное и прикладное значение исследований
Глава 6. Методические подробности 237
Выводы 279
Литература
- Генерирование, детектирование серо- и селено-центрированных свободных радикалов и их реакционная способность
- Термическое генерирование арил(тиенил)тиильных радикалов и реакции с их участием
- Влияние селенильных радикалов на термические превращения органических соединений серы
- Реакции сероводорода, моно- и дихалькогенолов с карбонильными соединениями
Введение к работе
Актуальность работы. Химия халькогенорганических соединений интенсивно развивается, переплетаясь с различными областями современной науки и практики. Разнообразные органические соединения серы и селена применяются практически во всех сферах промышленности, в сельском хозяйстве и медицине. Так, они широко используются в промышленном производстве красителей [1], косметических препаратов [2], антикоррозионных добавок [3], резин [4], флотореагентов [5] и полимеров [6, 7], оптических материалов [8].
В последние годы интенсивно исследуется возможность использования
* диорганилсульфидов и тиолов в качестве защитных покрытий (монослоев), в
частности, наночастиц [9, 10]. Важным направлением использования серо- и
селенорганических соединений является получение халькогенсодержащих
полупроводниковых материалов (CdSe, ZnSe, CdS, ZnS) [11-13] в том числе
полупроводниковых наночастиц [14].
Сероорганические соединения широко известны в качестве лекарственных веществ [15,16], пестицидов [17], регуляторов роста растений [18]. Многие из природных полисульфидов обладают уникальной биологической активностью [19-21]. Так, например, противоопухолевый эффект природного трисульфида калихемицина у і и его синтетического аналога в 4000 раз выше, чем одного из лучших современных канцеростатиков - адриамицина [21]. Значительная роль селена в биохимических процессах [22-
24] привела к поиску и созданию новых групп биологически активных
препаратов. Соединения серы [25] и селена [26] перспективны для создания
препаратов радиозащитного действия.
Халькогенорганические соединения ввиду разнообразия валентных
состояний атомов халькогенов являются привлекательными моделями для
синтетических и фундаментальных исследований. Несмотря на широкие
Ф перспективы использования халькогенорганических соединений в научно-
10 исследовательской, медицинской и сельскохозяйственной практике, до сих пор является актуальной разработка новых путей их синтеза, в том числе с целью получения ранее неизвестных типов молекул. В этом аспекте важным является развитие химии органилхалькогенидов, основанное на их использовании в качестве интермедиатов и синтонов [26-35]. Вовлечение их в синтез сложных природных соединений позволило получать зачастую уникальные структуры, ранее казавшиеся недоступными.
Особое место среди халькогенорганических соединений занимают халькогенсодержащие гетероциклы. Тиофен и его гомологи, благодаря своей реакционной способности, являются потенциальным сырьем для получения разнообразных ценных продуктов: лекарственных препаратов, биостимуляторов, пестицидов, комплексообразователей, термостойких и электропроводящих полимеров, люминофоров [36-44]. Между тем, многие халькогенсодержащие гетероциклические соединения, обладающие практической ценностью, до настоящего времени труднодоступны, что в значительной степени сдерживает их практическое применение. Поэтому, создание новых препаративных методов синтеза халькогенсодержащих ациклических и гетероциклических соединений, обладающих практически полезными свойствами, является важнейшей фундаментальной проблемой синтетической химии.
Таким образом, постоянное расширение сфер применения халькогенорганических соединений является импульсом к развитию и совершенствованию способов их получения.
Одновременно с проблемой синтеза этих соединений остро стоят задачи утилизации сернистых отходов переработки нефти, природного газа угля и древесины. Наличие элементной серы и сернистых соединений - сероводорода, тиолов, сульфидов, дисульфидов осложняет переработку сырья и негативно влияет на качество получаемых продуктов и экологию окружающей среды. Однако в виде концентратов сера и некоторые ее производные могут быть извлечены из сырьевых ресурсов и эффективно использованы. Поэтому поиск
путей утилизации сернистых отходов также является актуальной экологической проблемой [35, 45]. Методы синтеза халькогенорганических соединений, основанные на использовании таких простых реагентов, как сера, сероводород и его простейшие органические производные несомненно являются перспективными. Огромный потенциал для решения вышеизложенных проблем заложен в термическом синтезе.
Сероводород и многие серо- и селенорганические соединения при повышенных температурах (выше 400С) диссоциируют с образованием тиильных и селенильных радикалов. Органилхалькогениды способны генерировать халькогенцентрированные радикалы не только в газовой фазе, но и в мягких условиях жидкофазных реакций [50]. Исследование процессов термолиза органилхалькогенидов в присутствии различных ароматических, гетероароматических и непредельных соединений, в том числе при одновременном использовании в этих процессах органических соединений серы и селена, создает основы направленного синтеза органилхалькогенидов. Изучение одностадийного процесса термических реакций с участием серо- и селеноцентрированных радикалов привело к развитию нового направления в химии и технологии халькогенорганических соединений. Начиная с 1971 г. оно систематически развивается в Иркутском институте химии им. А. Е. Фаворского СО РАН (ИрИХ СО РАН) [46-49]. Однако до настоящего исследования не изучались эффективные методы генерирования тиильных радикалов в жидкой фазе из серы, сероводорода, дифенилдисульфида, что ограничивало изучение реакций с их участием; отсутствовали данные по термолизу и гидротиолизу диарилдисульфидов и -сульфидов; не сопоставлялась сравнительная реакционная способность галогенаренов в реакциях с участием тиильных радикалов в газовой и жидкой фазах; было слабо изучено влияние селенильных радикалов на термические превращения органических соединений серы.
Таким образом, дальнейшая разработка новых подходов и условий термического генерирования халькогенильных радикалов, изучение реакций с их участием и создание новых путей синтеза практически полезных органилхалькогенидов и халькогенсодержащих гетероциклических систем, определяет актуальность и перспективность данного исследования. Существенной особенностью разрабатываемых реакций является их реализация с использованием дешевых и доступных исходных реагентов -серы, сероводорода, его простейших органических производных и селеновых аналогов.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с планами НИР ИрИХ СО РАН при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 95-03-09595а «Тиильные радикалы и их строение, свойства и направленный термический синтез на их основе»), а также в соответствии с программой интеграционного проекта СО РАН «Новые направления химии тиофена и его производных» (№ 118) и региональной научно-технической программой «Сибирь», раздел №1 «Разработка методов синтеза органических сульфидов, ди- и полисульфидов из сероводорода, серы и меркаптанов».
Цель и задачи исследования: фундаментальное исследование особенностей и закономерностей термического генерирования халькогенильных радикалов в жидкой и газовой фазах в присутствии доноров атома водорода и разработка новых путей синтеза труднодоступных или ранее неизвестных серо- и селенорганических соединений - перспективных реагентов для органического синтеза и веществ, обладающих комплексом практически полезных свойств.
В процессе выполнения работы автором были поставлены и решены следующие задачи:
получение данных по термолизу диорганилхалькогенидов и -дихалькогенидов, разработка методов генерирования тиильных радикалов;
13
систематическое изучение термических жидкофазных и газофазных
реакций серы, сероводорода, халькогенолов,
диорганилдихалькогенидов с галогенаренами и различными ненасыщенными соединениями;
исследование влияния селенильных радикалов на термические реакции органических соединений серы;
создание синтетических подходов к новым халькогенсодержащим гетероциклическим системам и другим практически ценным продуктам на основе реакций сероводорода, органических моно- и дихалькогенолов с непредельными и карбонильными соединениями.
поиск путей практического использования синтезированных
соединений.
Научная новизна работы. Разработан комплекс новых путей синтеза
ранее неизвестных или труднодоступных классов веществ и индивидуальных
соединений: 1- и 2-алкилселенил-1-фенил-2-(арилсульфанил)этены; 1,2-
бис(алкилселенил)-фенилэтены; 2,3-бис(алкилселенил)-2-пропен-1-олы;
алканди- и -тритиолы; симметричные и несимметричные диарил(гетарил)сульфиды, алканселенолы и пропан-1,3-диселенол; 1,3-диселенаны; 1,3-дитианы и 1,3-дитиоланы тиофенового ряда; тио- и селеноацетали с открытой цепью; 1,2-дитиан; 2,4-дифенилтиофен; 2,5-дифенилселенофен.
Получены новые данные по термолизу и гидротиолизу органилхалькогенидов и -дихалькогенидов в газовой и жидкой фазах. Отмечено существенное различие в поведении органилдисульфидов различного строения в условиях жидкофазного гидротиолиза. Гидротиолиз дифенилдисульфида сероводородом приводит к образованию тиофенола; в этих же условиях бис(1-нафтил)дисульфид и бис(2-тиенил)дисульфид в основном элиминируют мостиковый атом серы, превращаясь в соответствующий сульфид.
Найдены условия генерирования тиильных радикалов в жидкой фазе из серы, сероводорода, арентиолов и диарилдисульфидов. Это привело к созданию систем тиилирования галогенароматических соединений. Осуществлены и систематически исследованы жидкофазные термические реакции арентиолов, диарилдисульфидов и систем сера-сероводород и дифенилдисульфид-сероводород с фенилацетиленом, моно-, дигалогенаренами и -гетаренами, а также с конденсированными галогенароматическими соединениями.
Предложены схемы термического разложения сероводорода, диарилдисульфидов и бис(2-тиенил)сульфида с участием тиильных радикалов и элементной серы, а также схемы гомолитического замещения атома галогена в ароматическом ядре на сернистую функцию.
Определено одинаковое влияние природы галогена в галогенаренах на скорость и направление их реакций с сероводородом как в газовой, так и в жидкой фазе в присутствии серы.
Установлено влияние селенильных радикалов на термические превращения органических соединений серы в газовой и жидкой фазах. На примере жидкофазных термических реакций фенилацетилена с системой диалкилдиселенид- диалкилдисульфид и в отсутствие диалкилдиселенида установлено, что алкилселенильные радикалы инициируют реакцию присоединения диалкилдисульфидов к тройной связи фенилацетилена. Диметилселенид, генерируя селенильные радикалы, повышает селективность образования 2-тиофентиола в газофазной реакции 2-хлортиофена с сероводородом. Обнаружено инициирующее влияние селена на термолиз и гидротиолиз бис(2-тиенил)сульфида, приводящее к изменению направления процесса.
Определены закономерности жидкофазных термических реакций, включающих стадии переноса халькогенильных радикалов, в том числе селенильных. Предложены простые пути синтеза труднодоступных алканселенолов. Выявлена высокая восстанавливающая способность
15 фенилселенола при взаимодействии с диалкилдисульфидами и фенилгидразином. Разработан новый способ получения в мягких условиях соответствующих алкандитиолов и -политиолов из тиоколов.
Установлены закономерности реакций моно- и дихалькогенолов (ставших доступными благодаря разработанным методам их синтеза) с карбонильными соединениями. Предложены общие синтетические подходы к новым гетероциклическим системам - гетерилдиселенановым, гетерилдитиановым и гетерилдитиолановым - перспективным реагентам для дальнейших превращений, потенциальным биологически активным соединениям и технически ценным продуктам.
Жидкофазное взаимодействие фенилацетилена с системой арентиол-диалкилдиселенид протекает через сопряженное присоединение к тройной связи двух различных халькогенильных радикалов с образованием ранее неизвестных 2-алкилселенил-1-фенил-2-(арилсульфанил)этенов и 1-алкилселенил-1 -фенил-2-(арилсульфанил)этенов.
Высокие препаративные выходы открывают возможность синтеза широкого ряда аналогов таких соединений путем вовлечения в реакцию с ацетиленовыми соединениями различных систем тиол-диселенид.
В итоге проведенных исследований сформировано новое научное направление в элементоорганической химии - жидкофазные термические реакции органических соединений серы с ароматическими и непредельными соединениями, инициируемые селенильными радикалами.
Отдельные части диссертационной работы вошли в число важнейших достижений в области фундаментальных исследований Иркутского института химии СО РАН и указаны в годовых отчетах за 2003-2005 гг.
Практическая значимость работы. Разработаны препаративные методы синтеза ранее неизвестных или труднодоступных халькогенорганических соединений, значительно расширившие сырьевую базу реагентов многоцелевого назначения.
Предложены новые методы синтеза веществ с известными практически
полезными свойствами. С высокими выходами получены ранее
труднодоступные фенил(гидроксиарил)сульфиды - биологически активные
соединения, обладающие антимикробными и антигельминтными свойствами,
например [51-52]. Создан эффективный метод синтеза
бис(гидроксифенил)сульфида и бис(4-хлорфенил)сульфида - ценных мономеров для получения термостабильных полимеров со специальными оптическими и полупроводниковыми свойствами.
Предложен метод синтеза ранее неизвестных гетерил-1,3-дитиоацеталей и гетерил-1,3-диселеноацеталей - новых реакционноспособных синтонов для органического синтеза, полупродуктов для создания новых биологически активных веществ. Синтезированные циклические 1,3-дитиоацетали являются потенциальными строительными блоками в создании жидкокристаллических материалов.
Среди синтезированных соединений выявлены два эффективных пестицида и антисептика (исследования проведены во ВНИИХСЗР).
Совместно с Институтом эпидемиологии и микробиологии ВСНЦ СО РАМН разработана и запатентована новая питательная среда для выделения синегнойной палочки {Pseudomonas aeruginosa). Она рекомендована к применению в качестве дифференцирующего теста широко распространенного возбудителя гнойных инфекций.
На основе бис(2-тиенил)сульфида совместно с сотрудниками лаборатории синтеза полимеров ИрИХ им. А. Е. Фаворского СО РАН получены и исследованы новые серосодержащие полимеры, перспективные для использования в качестве активного катодного материала перезаряжаемых литиевых источников тока.
Апробация работы и публикации. Основные результаты работы представлялись на I Всесоюзном совещании по химическим реактивам (Уфа, 1985), Всесоюзном семинаре - совещании по радиационной химии и реакционной способности сероорганических соединений (Тбилиси, 1985), II
17 Всесоюзной конференции по современному состоянию и перспективам развития синтеза мономеров для термостабильных материалов (Тула, 1987), I Международной конференции по гетероатомной химии (Кобе, Япония, 1987), XVII Всесоюзной конференции по синтезу и реакционной способности органических соединений серы (Тбилиси, 1989), XVI Международном симпозиуме по органической химии серы (Мерзебург, Германия, 1994), IV Международной конференции по гетероатомной химии (Сеул, Корея, 1995), XIX и XX Всероссийских конференциях по химии и технологии органических соединений серы (Казань, 1995, 1999), XVIII Международном симпозиуме по органической' химии серы (Флоренция, Италия, 1998), I Всероссийской конференции по химии гетероциклов, посвященной памяти А.Н. Коста (Суздаль, 2000), IV Международном симпозиуме по химии и применению фосфор-, сера- и кремнийорганических соединений "Петербургские встречи" (Санкт-Петербург, 2002), II Международной конференции "Химия и биологическая активность кислород- и серусодержащих гетероциклов" (Москва, 2003), Международной научно-технической конференции "Перспективы развития химии и практического применения алициклических соединений" (Самара, 2004), IV Международной конференции «Современные тенденции в органическом синтезе и проблемы химического образования» (Санкт-Петербург, 2005), Международной конференции по химии гетероциклических соединений, посвященной 90-летию со дня рождения профессора А.Н. Коста (Москва, 2005), Международной конференции по органической химии «Органическая химия от Бутлерова и Бейльштейна до современности» посвященной 145-летию теории строения органических соединений A.M. Бутлерова и 100-летию памяти о Ф.Ф. Бейльштейне. Москва. - 2006.
Материалы диссертации изложены в 58 работах в отечественных и зарубежных изданиях: получено 3 авторских свидетельства, 1 патент РФ, опубликована 31 статья, включая 1 обзор; по материалам конференций опубликовано 23 тезиса докладов. Отдельные главы исследования
18 представлены в виде доклада «Перспективы использования элементной серы и сероводорода для производства серосодержащих полимеров» на заседании Научного Совета ГКНТ СССР "Химия и технология органических соединений серы" (Казань, 1989).
Объем и структура работы. Диссертационная работа изложена на 329 страницах машинописного текста, включая 44 таблицы и 6 рисунков. Она состоит из введения, шести глав, выводов и списка цитируемой литературы (442 ссылки). Первая глава представляет собой обзор литературы, посвященный обобщению данных по методам генерирования и реакционной способности серо- и селеноцентрированных свободных радикалов. Вторая глава содержит результаты собственных исследований жидкофазного и газофазного термического генерирования арил(тиенилтиильных) радикалов и реакциям с их участием. В третьей главе рассмотрено влияние селенильных радикалов на термические реакции органических соединений серы. Четвертая глава посвящена исследованию реакций моно- и дихалькогенолов с карбонильными соединениями и разработке методов синтеза новых гетероциклических систем. В пятой главе обсуждаются вопросы прикладного значения проведенных исследований. Шестая глава включает методические подробности эксперимента.
Автор искренне признателен своим коллегам, принимавшим участие в этой работе на разных ее этапах: кандидатам химических наук Е. П. Левановой, Э. Н. Сухомазовой, А. И. Албанову, Л. В. Клыбе.
Особая благодарность моим учителям и наставникам - академику М. Г. Воронкову, д.х.н., профессору Э.Н. Дерягиной и д.х.н., профессору Н. А. Корчевину за постоянное внимание и интерес к работе.
Генерирование, детектирование серо- и селено-центрированных свободных радикалов и их реакционная способность
Радикальные реакции органических соединений серы и селена привлекают внимание исследователей ввиду чрезвычайно важной роли, которую они играют во многих химических [48, 49, 53-57] и биохимических процессах (тиильные радикалы выступают, например, в качестве реакционноспособных интермедиатов в синтезе энзимов [58-60]). Термические реакции халькогенсодержащих соединений также протекают через промежуточное образование халькогенильных радикалов, стабильность и строение которых определяют направление реакций. В связи с этим, в данной главе будет дана краткая характеристика серо- и селеноцентрированных радикалов и рассмотрены реакции с их участием. Основные результаты по исследованию свободнорадикальных реакций халькогенорганических соединений обобщены в ряде обзоров [48, 49, 53-55].
Серо- и селеноцентрированные свободные радикалы - короткоживущие реакционноспособные интермедиа, обычно образующиеся при термолизе, фотолизе и радиолизе халькогенсодержащих соединений. Их также можно генерировать при свободнорадикальной атаке этих соединений, а также электронном обмене [61,62].
В общем случае, прочность связей элементов VI группы периодической системы с атомами водорода и углерода (Э-Н и Э-С) является одним из факторов эффективного генерирования халькогенильных радикалов. Она падает с увеличением атомного номера элемента Э: связи S-H (87 ккал/моль) и S-C (69 ккал/моль) менее прочны, чем связи О-Н (105 ккал/моль) и О-С (80 ккал/моль), но более стабильны, чем связи SeH (75 ккал/моль) и SeC (60 ккал/моль) соответственно. Благодаря такой значительной разнице в энергиях связей Э-Н меркаптаны и селенолы легко окисляются до дисульфидов и диселенидов, тогда как спирты не переходят в пероксиды [63, 64].
В то же время, энергия связей Э-Э элементов третьего периода V-VII групп периодической системы оказывается максимальной в данной группе, что, по-видимому, можно объяснить р-л и d-я взаимодействием. Благодаря этому, связь S-S в органических дисульфидах (67 ккал/моль) намного прочнее связи О-О (45 ккал/моль) и Se-Se (48 ккал/моль), что отражается в большей термической стабильности дисульфидов по сравнению с диселенидами и пероксидами [64-65].
Строение алкильного заместителя, связанного с атомом серы или селена в халькогенолах, моно- и дихалькогенидах, незначительно влияет на прочность связей Э-Н, Э-С и Э-Э. В то же время, значительное влияние на прочность этих связей оказывает сопряжение р-электронов атома халькогена с я-электронами ароматического или непредельного заместителя (р, л-сопряжение), что подтверждается снижением значения энергий этих связей [63, 66]. Стерические препятствия в реакциях с участием халькогенильных радикалов менее существенны, чем в реакциях с участием оксильных радикалов, так как межатомные расстояния C-S (1.81 А) и C-Se (1.96А) превышают длину связи С-0(1.42А)[64,67,68].
Свободные сера- и селенорганические радикалы ввиду свой нестабильности детектируются лишь при низких температурах в твердых матрицах. Повышение стабильности свободных радикалов обычно достигается увеличением степени делокализации электронной спиновой плотности, а также стерическим экранированием атомов, несущих неспаренный электрон [69].
С наибольшей полнотой концепция делокализации неспаренного электрона представлена в классификации радикальных систем, предложенной Уолтером на основании изучения спектральных характеристик радикалов [70]. По Хюккелю, наиболее устойчивы системы с полностью заполненными связывающими молекулярными орбиталями. В связи с этим, характеристикой относительной стабильности радикала могут служить величины энергий высших занятых одним электроном молекулярных орбиталей. Заместители, изменяющие электронную структуру радикала таким образом, что образование соответствующих ионных форм путем переноса электрона становится энергетически менее выгодным, стабилизируют свободнорадикальные системы [71]. Тиильные и селенильные радикалы относятся к первой группе обеих классификаций, так как они имеют неподеленную электронную пару на парамагнитном центре и проявляют электрофильные свойства. В связи с этим в качестве характеристики относительной стабильности халькогенильных радикалов можно привлекать энергии высших, занятых одним электроном молекулярных орбиталей [71].
В качестве нового эффективного метода генерирования и стабилизации свободных радикалов, содержащих гетероатом, предложен метод комплексообразования. По реакции моно- и диарилхалькогенидов с сильными электроноакцепторами (галогениды алюминия и галлия) были получены стабильные халькогенсодержащие радикалы ArZ -МХз (Z = S, Se ; М = Al, Ga; X = CI, Br). Стабильность этих радикал-комплексов обусловлена проявлением следующих эффектов: а) уменьшение электронной плотности на атоме халькогена при образовании донорно-акцепторной связи за счет неподеленной электронной пары халькогена и вакантной орбитали атома металла; б) стерическое экранирование атома халькогена, несущего неспаренный электрон, молекулой акцептора МХз [68].
Термическое генерирование арил(тиенил)тиильных радикалов и реакции с их участием
Тиильные радикалы эффективно генерируются при термолизе сероводорода и его органических производных (тиолов, сульфидов, дисульфидов). Источниками селенильных радикалов в термических реакциях являются селенолы, моно- и диселениды. Алканселенолы являются труднодоступными низкокипящими соединениями. В качестве наилучших источников тиильных и селенильных радикалов в термических жидкофазных процессах целесообразно использовать диарилдисульфиды и диалкилдиселениды. Связь S-S в диарилдисульфидах менее прочная, чем в диалкилдисульфидах и при нагревании до 200-250 С разрывается с образованием арилтиильных радикалов. В этих условиях термические реакции с участием халькогенильных радикалов изучены крайне недостаточно.
Нами исследованы разнообразные условия термического генерирования тиильных и селенильных радикалов на базе простых и доступных реагентов, а также изучен синтетический потенциал и закономерности реакций, протекающих с их участием в жидкой и газовой фазах в присутствии Н-доноров. Нами установлено, что нагревание дифенилдисульфида при 180-250 С в атмосфере такого Н-донора, как сероводород, приводит к образованию тиофенола и дифенилсульфида [249] (табл. 1). Конверсия дисульфида возрастает с ростом температуры. Максимальный выход тиофенола наблюдается при 180 С (46.3%). При 250 С основным продуктом реакции является дифенилсульфид (выход 82% ). При постоянной температуре соотношение между тиофенолом и дифенилсульфидом в процессе реакции не изменяется, что свидетельствует о параллельной схеме их образования.
Термолиз ди(1-нафтил)дисульфида 5 в среде сероводорода при 250-270 С приводит к образованию ди(1-нафтил)сульфида 6, нафто[1,8-а/]-1,2-дитиола 7 и нафталина 8 по схеме (3) [250]: При этом диссоциация дисульфида по связи S-S очень незначительна, о чем свидетельствует лишь небольшое количество образующегося 1-тионафтола. Реакционная смесь через 21 и 36 часов термолиза при температуре 270 С представляет собой соответственно (весовые %): нафталин (4.8 и 66.1); 1-тионафтол (4.7 и следы); нафто[1,8-с і]-1,2-дитиол (0.9 и 3.1); ди(1-нафтил)сульфид (4.8 и 8.6); ди(1-нафтил)дисульфид (84.8 и 22.1).
Термическое разложение ди(2-тиенил)дисульфида 9 в атмосфере сероводорода протекает при более низких температурах (130-180 С), чем дифенилдисульфида 1 и ди(1-нафтил)дисульфида 5 и приводит к образованию преимущественно бис(2-тиенил)сульфида 10 и 2-тиенил-З-тиенилсульфида 10а [251]. Наряду с этими продуктами образуются 2-тиофентиол Ни 3-тиофентиол Па с преобладанием изомера 11 (табл. 2). Конверсия ди(2-тиенил)дисульфида возрастает с увеличением продолжительности реакции и температуры, достигая 100% за 13 часов при 180 С. При повышении температуры от 130 до 180 С и увеличении продолжительности гидротиолиза выход изомерного сульфида 10а существенно возрастает (от 19 до 52%), а бис(2-тиенил)сульфида 10 - падает (от 61 до 42%). Таблица 2 Гидротиолиз ди(2-тиенил)дисульфида 9 (скорость подачи H2S Зл/ч)
Образование 3-тиофентиола 11а и 2-тиенил-З-тиенилсульфида 10а не укладывается в эту схему и, по-видимому, обусловлено вторичными реакциями бис(2-тиенил)сульфида с тиильными радикалами. Поэтому следующим этапом наших исследований явилось изучение термической стабильности и гидротиолиза бис(2-тиенил)сульфида. 2.2.2. Бис(2-тиенил)сульфид
В газовой фазе бис(2-тиенил)сульфид 10 при времени контакта 20-30 с начинает разлагаться при температуре 500 С, а при 550 С и выше его термолиз протекает с заметной скоростью (табл. 4). Сероводород ускоряет термическое разложение сульфида 10, которое в его присутствии начинается при 400 С, а при 600 С достигает 100 %. В отличие от жидкофазного, при газофазном гидротиолизе образуются, кроме вышеназванных (схема 5) продуктов, дитиенотиофены 13 (смесь изомеров: дитиено[3,2-Ь; 2,3-с1]тиофен 13а и дитиено[2,3-Ь; 2,3-с1]тиофен 136) и тиофен 14 [252]. Продукты термолиза и гидротиолиза сульфида 10 в газовой фазе качественно идентичны: тиофен 14, 2-тиофентиол 11, 3-тиофентиол Па, дитиенилы 12а-в (смесь изомеров с преобладанием 2,2-дитиенила 12а), изомерный сульфид 10а и дитиенотиофены 13а, б (табл. 4), но соотношение продуктов зависит от температуры.
При повышении температуры процесса возрастает выход тиофена, дитиенилов и дитиенотиофенов. Содержание тиола Ив смеси тиофентиолов при этом падает, а тиола Па незначительно возрастает. В присутствии сероводорода сульфид 10а с ростом температуры от 500 до 600 С расходуется вместе с исходным бис(2-тиенил)сульфидом 10.
Термолиз и гидротиолиз сульфида 10 всегда сопровождается незначительным осмолением, выход смолы по данным материального баланса увеличивается с ростом температуры, но не превышает 5-15%. Сульфидные связи обычно подвергаются гемолитическому разрыву при 500-600 С, что инициирует цепные процессы разложения сульфидов.
Термолиз сульфида 10 ускоряется в присутствии сероводорода, который инициирует образование тиофена 14, дитиенилов 12а-в (также с преобладанием 2,2 - изомера), дитиенотиофенов 13 и изомерные превращения исходного сульфида, приводящие к 3-тиофентиолу Па и изомерному сульфиду 10а (табл. 4). Аналогичные продукты образуются также при термолизе и гидротиолизе 2-тиофентиола [252, 255]. В этих процессах существенную роль играют радикалы HS", которые, присоединяясь к тиофеновому кольцу, а также к сульфидному атому серы исходного сульфида 10а, приводят к дополнительному генерированию тиенилтиильных радикалов и образованию 3-тиофентиола [реакция (13)].
Влияние селенильных радикалов на термические превращения органических соединений серы
При изучении термолиза и гидротиолиза бис(2-тиенил)сульфида 10 и 2 тиофентиола 11, являющихся продуктами газофазной реакции 2-хлортиофена. Для подтверждения этого вывода реакция (68) изучена в присутствии (СНз е [299], способного инициировать радикальные реакции, так как при температурах выше 300 С он легко распадается по радикальному механизму с образованием элементного селена и газообразных продуктов (метан, этан, этилен и др) [170]. В отсутствие (СНз е реакция (68) начинается при 450 С и, как видно из таблицы 17, протекает с конверсией 2-хлортиофена 19а выше 50% только при температурах больше 500 С.
Добавление 0.5-1.5 мол% (Cbb Se существенно снижает ( на 50) температуру тиилирования 2-хлортиофена (ср. оп. № 1, 3, 8, 11 и 2, 4, 9, табл. 17). В присутствии 0.5 мол% (Cl- Se при 500 С конверсия соединения достигает 100 %, однако при этом изменяется направление процесса. Основным продуктом реакции является тиофен 5 и изомерные соединения 11а, 10а, 106; при этом наблюдается значительное смолообразование (в отсутствие диметилселенида смолообразование начинается при 530 С и выше). Зависимость конверсии 2-хлортиофена при 450-470 С от содержания (Cl-b Se носит экстремальный характер. Увеличение мольной доли (СНз е от 1.0 до 1.5 % повышает конверсию хлортиофена 19а незначительно, при этом в продуктах реакции возрастает содержание тиофена. Увеличение концентрации (CbT Se до 3 мол% приводит к существенному понижению конверсии соединения 19а.
В присутствии (CH3)2Se, как и ожидалось, образование изомерных продуктов На, 10а, 106 и дитиенотиофенов 13 наблюдается уже при 450 С (в следовых количествах), а при 500 С и выше они образуются в заметных количествах (см. оп. № 5 и 6, табл. 17). В то же время при температуре 450-470 С с добавкой 0.5-1.0 мол% (CH Se выходы целевых продуктов 11 и 10 увеличиваются, при этом существенно повышается селективность реакции (68) по тиолу. Влияние (СНз е на протекание реакции (68) обусловлено, по-видимому, тем, что продукты его термического распада повышают концентрацию сульфгидрильных и тиенилтиильных радикалов по схемам (69-73).
Высокий выход тиофена в присутствии (СНз е может быть обусловлен влиянием элементного селена, выделяющегося по реакциям (69, 72), которое наблюдалось ранее при изучении гидротиолиза бис(2-тиенил)сульфида 10 над селеном (разд. 2.2.3). По-видимому, он образуется при разложении бис(2-тиенил)сульфида 10 за счет образования последним пертиильных (ср.[300]) или селентиильных радикалов.
Таким образом, добавка 0.5-1.5 мол% (СНз е снижает температуру тиилирования 2-хлортиофена, одновременно увеличивая селективность процесса по тиолу. Для более селективного протекания реакции необходимо не допускать резкого возрастания концентрации сульфгидрильных и тиильных радикалов, способствующих образованию изомерных продуктов. Пути образования изомерных тиопроизводных тиофена в термической реакции 2-хлортиофена с сероводородом в присутствии диметилселенида протекают по схемам, предложенным нами ранее при исследовании процессов термораспада бис(2-тиенил)сульфида и 2-тиофентиола, что нашло дополнительное подтвержение при изучении инициирования диметилселенидом данной реакции и представляет несомненный теоретический интерес.
Одной из характерных реакций тиильных радикалов является отрыв атома водорода от нейтральной молекулы с образованием нового радикала и новой стабильной молекулы, за счет чего тиильные радикалы являются переносчиками атомов водорода от молекул к радикалам [301, 302]. Такие реакции тиильных радикалов ускоряют цепной процесс пиролиза углеводородов или изменяют его направление [303], а также инициируют термические превращения других органических соединений [48]. При этом реакции переноса селенильных радикалов практически не изучены.
Способность халькогенорганических соединений генерировать халькогенцентрированные свободные радикалы в условиях жидкофазных термических реакций использована в настоящей работе для осуществления реакций переноса радикалов и восстановления сульфидных и диселенидных связей.
Изучение термических превращений арентиолов в присутствии диалкилдиселенидов проведено при нагревании до температуры кипения соответствующих тиолов в инертной атмосфере. В аналогичных условиях исследованы также реакции селенофенола с диалкилдисульфидами и фенилгидразином [295]. Условия реакции тиофенола с дипропилдиселенидом и основные продукты представлены в таблице 18.
Из представленных результатов видно, что равновесие в реакциях 4-фтортиофенола 44 с Pr2Se2 59 (при молярном соотношении реагентов 1:0.2) наступает только через 14 ч, в то время как в аналогичных условиях в реакции тиофенола равновесие наступает через 8 часов. Радикалы 4-FC6H4S" медленнее, чем СбНэЗ" и 4-МеСбН48 расщепляют связь Se-Se в диалкилдиселенидах.
Чтобы довести реакцию (79) до конца, в дальнейшем ее проводили в колбе Кляйзена при нагревании с одновременной отгонкой алканселенола. В этих условиях проведены реакции систем: Pr2Se2 - тиофенол, Pr2Se2 - 1-тионафтол, Bu2Se2 - тиофенол (табл. 21), а также обратной системы Pr2S2 -селенофенол. При этом показано, что при отгонке пропанселенола 60 реакция тиофенола 3 с дипропилдиселенидом 59 идет до конца с полной конверсией диселенида. В колбе остается чистый дифенилдисульфид, часть же тиофенола удаляется с пропанселенолом. Последний в чистом виде выделяется при повторной ректификации. Дибутилдиселенид в аналогичных условиях реагирует с тиофенолом 3 несколько иначе: наряду с дифенилдисульфидом 1 образуется и дифенилсульфид 2. При этом почти не отгоняется бутанселенол, который, по-видимому, разлагается с выделением селена, дибутилселенида и газообразных продуктов.
Реакции сероводорода, моно- и дихалькогенолов с карбонильными соединениями
Как нами показано выше (разд.3.2), селенофенол при нагревании до 120 С реагирует с диалкилдисульфидами с образованием соответствующих алкантиолов и дифенилдиселенида. На примере реакции селенофенола 61 с дипропилдисульфидом 62 отработана методика синтеза алкантиолов.
Актуальной задачей является поиск таких же простых путей получения дитиолов и диселенолов, обладающих огромным потенциалом в качестве исходных веществ для направленного синтеза гетероциклических систем в реакциях присоединения, замещения, конденсации.
С целью разработки подходов к синтезу алканди- и -политиолов нами исследованы термические реакции селенофенола с полиалкилендисульфидными полимерами - тиоколами (см раздел 3.3). При изменении различных параметров реакции (варьировались температура, продолжительность реакции, соотношение исходных реагентов) и осуществлении реакций в атмосфере аргона, выявлено, что при нагревании до 50-55 С смеси поли(этилендисульфида) 68 с двукратным молярным избытком селенофенола в течение 0.5 ч реакция завершается образованием 1,2-этандитиола 69 с близким к количественному выходом. Аналогичным образом реагирует с селенофенолом поли(триметилендисульфид) 70 с образованием 1,3-пропандитиола 71. Дисульфидный дендример 74, производное 1,2,3-трихлорпропана, реагирует с селенофенолом с образованием 1,2,3-пропантритиола 75 при 100-120 С и 6-кратном мольном избытке селенофенола (выход 87-92%).
Все синтезированные алкандитиолы, 1,2,3-пропантритиол 75, легко отделяются от паралельно образующегося дифенилдиселенида при вакуумной перегонке реакционных смесей. Кроме того, синтез этих соединений можно осуществлять в колбе Кляйзена с одновременной их отгонкой. Тиоколы синтезированы реакцией ди- или тригалогеналканов с дисульфидом натрия, полученным in situ восстановлением серы системой щелочь-гидразингидрат по методике [315]. 1,3-Пропандиселенол 90, в отличие от своего серного аналога, является малоизученным соединением. Впервые о диселеноле 90 сообщается в 1926 г [316], но без описания его синтеза и структуры. Из-за крайней неустойчивости 1,3-пропандиселенол чаще всего выделяют и используют в виде натриевых или калиевых производных [317-320].
Известные немногочисленные способы получения диселенола 90 основаны либо на восстановлении соответствующего селеноцианата боргидридом натрия [321], или натрием в жидком аммиаке [322], либо на реакции 1,3-дибромпропана с гидроселенидом натрия (получен взаимодействием элементного селена с тетрагидроборатом натрия) [323]. Эти способы многостадийны, используют труднодоступные исходные соединения и вследствие этого обладают низкой препаративностью.
Предложенный метод синтеза диселенола 90 основан на использовании доступных промышленных реагентов, прост в исполнении, а соединение 90 выделяется с достаточно высоким выходом ( 62%). Этот метод может быть рекомендован в качестве препаративного для синтеза и других диселенолов алифатического ряда [326]. Синтезированный 1,3-пропандиселенол 90 выделен в индивидуальном состоянии и впервые охарактеризован методами ЯМР Н и 13С [324, 326]. Механизм реакций восстановления тиоколов и селеноколов включает стадии Н-донирования атомов серы или селена такими сильными Н-донорами, как селенофенол или гидразингидрат.
Таким образом, разработанные препаративные методы синтеза ранее труднодоступных моно- и полихалькогенолов послужили мотивацией к использованию их в качестве синтонов. С целью оценки возможности их вовлечения в реакции нами изучено взаимодействие моно- и полихалькогенолов с карбонильными соединениями, в частности, с целью создания новых гетероциклических структур.
Первый представитель циклических 1,3-дитиоацеталей - 1,3-дитиолан -получен еще в 1893 году [327]. В настоящее время известно большое число работ, посвященных исследованию данного класса соединений, что обусловлено их научной и прикладной значимостью.
Дитиоацетали являются высоко реакционноспособными прекурсорами для органического синтеза [328-333]. Они часто используются в качестве эквивалента ацил-аниону [334, 335] или метиленовой функции в реакциях, протекающих с образованием связи С-С [336, 337]. Обладая высокой устойчивостью, как в кислых, так и в основных средах (рН = 2-12) [338], они широко применяются для защиты карбонильной функции в химических процессах. Циклические 1,3-дитиоацетали используются в качестве исходных строительных блоков в создании жидкокристаллических материалов [339] и в конструировании фрагментов биологически активных веществ, например, иммунодепрессанта (-) - FK-506 [340]. Различные производные 1,3-дитиолана являются эффективными биостимуляторами и фунгицидами [341], обладают радиопротекторными [25] и полупроводниковыми [342] свойствами.
Особый интерес представляют дитиоацетали, содержащие тиофеновый фрагмент. Интерес к производным тиофена обусловлен тем, что многие соединения этого класса являются фармакологически активными веществами [37, 343]. В связи с этим структуры, содержащие тиофеновый фрагмент, могут рассматриваться как весьма перспективный тип гетероциклов для создания новых лекарственных средств и биологически активных препаратов. Однако химия этого класса соединений практически не изучена. Получен единственный представитель циклических 1,3-дитиоацеталей тиофенового ряда- 2-(1,3-дитиолан-2-ил)тиофен, однако физические характеристики его не указаны [334, 344].
Классическим путем синтеза ациклических и циклических дитиоацеталей является конденсация карбонильных соединений с тиолами и дитиолами в присутствии сухого хлороводорода [345], неорганических [346-348] и органических кислот [349-351], кислот Льюиса (BF3, ТіСЦ, ІпСЬ, ZrCU и др.) [328, 340, 344, 352, 353], ионообменной смолы Amberlyst-15 [338], диоксида серы [354], в присутствии хлорида рутения [355], расплавленного тетрабутиламмоний бромида [334] и бромдиметилсульфоний бромида [337]. Наряду с этими методами существуют и другие, основанные на взаимодействии дитиолов с этилдиэтоксиацетатом [356], (органилсульфанил)хлорацетиленами [357], замещенными пропен-2-нитрилами [358] и ацеталями [328, 337, 349]. К сожалению, некоторые из этих методов требуют жестких условий реакции, использования дорогостоящих катализаторов и реагентов, инертной атмосферы, длительного времени реакции, дополнительной обработки реакционной смеси в ходе выделения продукта. Кроме того, в ряде случаев необходимо использовать (для связывания выделяющейся в результате реакции воды) водопоглощающие средства или ловушку Дина - Старка.
Поэтому, несмотря на многообразие существующих методов получения тиоацеталеи, поиск новых альтернативных путей синтеза, протекающих в более мягких и простых условиях, является актуальным. Это особенно важно для построения 1,3-дитиолановых и -1,3-дитиановых систем, содержащих тиофеновые структуры, поскольку жесткие условия реакций и агрессивные среды вызывают разрушение тиофенового цикла.
Целью настоящего исследования было изучение возможностей синтеза 1,3-дитиоланов и 1,3-дитианов, содержащих тиофеновый фрагмент. Мы осуществили реакцию конденсации серии альдегидов тиофенового ряда с алифатическими дитиолами, используя триметилхлорсилан Me3SiCl как среду и катализатор [359-361].
