Введение к работе
Актуальность и цель исследования. Химия производных трехвалентного фосфора - одно из интенсивно развиваемых направлений элементоорганического синтеза, которому уделяется значительное внимание как у нас в стране, так и за рубежом. Это не случайно, поскольку соединения Рш, с одной стороны, являются синтонами в синтезе разнообразных производных от двух до пятикоор-динированного фосфора. С другой - они незаменимы в органическом синтезе для выполнения самых разнообразных функций. В последнее время отчетливо прослеживается тенденция в изучении синтеза и реакционной способности соединений Р'*1, содержащих различные функциональные заместители, в том числе элементоорганические остатки. Эти соединения, включающие высоко-электрофильные и нуклеофильные фрагменты в одной молекуле, способны на тех или иных стадиях реакций с полифункциональными органическими веществами переносить реакционный центр; при этом исходное производное Р"1 выполняет несколько важных операций - конденсацию, ацилирование, фосфо-рилирование, циклизацию и т.д. Такая многофункциональность соединений рШ очень важна для биохимии, поскольку позволяет с использованием одного реагента проводить несколько синтетических операций. К полифункциональным производным рШ относятся и фторсодержащие соединения, химия которых начала интенсивно развиваться в последние 20 лет и к началу наших исследований (1985-86 г) насчитывала примерно 100 работ, посвященных в основном синтезу симметричных фторалкилфосфитов и их простейшим реакциям (окисление, присоединение серы, реакции с гексафторацетоном, Mel, галогенами и другие). Накопленные к этому времени в литературе факты указывают на необычность химии фторированных производных Рш. Непрерывно расширяются области практического применения ФОС.синтезированных из фторалкилфосфитов. Особенно возрастает значение последних в синтезе нуклеоти-дов, где фторалкилфосфиты предложены в качестве наиболее мягких и удобных новых фосфорилирующих и конденсирующих реагентов.
Между тем, фторалкилфосфиты не вовлекались в реакции с галогенсодер-жащими реагентами, которые весьма важны с практической точки зрения, так как приводят к соединениям, содержащим подвижные атомы галогена. Последние используются в качестве синтонов в синтезе ФОС и мягких фосфорилирующих средств в синтезе биологически активных соединений. Весьма узок круг электрофильных и нуклеофильных реагентов, с которыми бьии изучены реакции фторсодержащих фосфитов, что не дает возможности прогнозировать их поведение. Не были также исследованы потенциалы ионизации (ПИ) ф~.
-4-рированных фосфитов, знание которых позволяет оценить их нуклеофилъную реакционную способность и выявить влияние фторированных радикалов на атом фосфора и другие заместители. Далеко не полностью реализован синтетический потенциал фторалкилфосфитов в синтезе устойчивых галогенфосфора-нов и их производных. Введение фторированных заместителей к Рш могло бы привести к усилению их фосфорилирующей способности.
Целью данной работы являлось: 1) синтез, исследование структуры и реакций фторалкилфосфитов с различными электрофильными, главным образом, галогенсодержащими реагентами; сравнение реакционной способности фторалкилфосфитов с незамещенными производными Рш; 2) разработка путей использования фторалкилфосфитов и их производных в синтезе новых типов ФОС, содержащих подвижные атомы галогена, в органическом синтезе и получении новых биологически активных веществ.
В соответствии с этими целями нами предпринято систематическое исследование структуры циклических и ациклических фторалкилфосфитов, а также некоторых незамещенных производных Рш методом ФЭС и их реакций с соединениями, содержащими атомы галогена.
Научная новизна и теоретическая значимость работы. Впервые проведено систематическое исследование структуры и реакций фторалкилфосфитов с различными типами галогенсодержащих реагентов; выявлены закономерности химического поведения фторалкилфосфитов, позволяющие осуществлять целенаправленный синтез новых типов 1-галогеналкоксифосфсранов и прогнозировать их свойства.
Методами электрохимического окисления, ФЭС и квантовой химии показаны высокие потенциалы окисления фторалкилфосфитов и потенциалы ионизации НЭП фосфора, близкие или даже превосходящие ПИ РС1з и РВгз, и наличие на атоме фосфора существенного эффективного положительного заряда, что согласуется с бифильной реакционной способностью этих соединений.
Исследование реакций симметричных и несимметричных ациклических и циклических фторалкилфосфитов с различными электрофильными (главным образом галогенсодержащими) реагентами показало, что при этом реализуются новые необычные направления взаимодействия: образование производных Р111, стабильных фосфоранов и фосфониевьгх солей, реакции диспропорционирова-ния и обмена лигандов, связанные с пониженной нуклеофильностью атома фосфора и замедлением стадии отщепления фторированного алкила от квази-фосфониевых ннтермедиатов.
Обнаружены новые направления взаимодействия производных Р11* с гало-генкарбонильными соединениями: образование пентаалкоксиспирофосфора-яов и продуктов с трехвалентным атомом фосфора, моноциклических фосфо-эанов - продуктов внедрения в связь Р-Вг.
Впервые исследованы реакции фторалкилфосфитов с тригалогенацетальде-гидами в присутствии эквимольных количеств кислот Льюиса и обнаружены эетаины со связью Р-С, стабилизированные координацией по анионному цен-гру кислотой Льюиса,и изучены пути их дальнейших превращений.
Экспериментально подтверждена реализация галогенофильного механизма в реакциях производных рШ с бромалем.
Найдена реакция присоединения галогенфосфоранов к карбонильным соединениям, протекающая с сохранением координации атома фосфора и приво-оящая к 1-галогеналкоксифосфоранам. Исследован механизм образования и распада последних до фосфатов и гем-дигалогенидов. Показана принципиальная возможность использования галогенквазифосфониевых солей в синтезе гем-дигалогенидов. Образование 1-галогеналкоксифосфоранов или фосфатов предтожено использовать в качестве критерия для суждений о структуре промежуточных частиц (фосфоран или квазифосфониевая соль) в реакциях производных Рш с галогенсодержащими соединениями.
Впервые на широком круге электрофильных реагентов проведено исследование реакционной способности салицилфторалкилфосфитов в сравнении с различными производными Р1" и выявлены условия и реагенты, с которыми происходит либо раскрытие, либо сохранение, либо расширение фосфорина-нового цикла, что позволяет прогнозировать поведение таких систем и осуществлять целенаправленный синтез.
Практическая значимость работы заключается в следующем:
Разработаны новые методы синтеза различных классов и типов фосфорор-ганических соединений: бис(фторалкил)фосфитов, перфторалкилацилфосфи-тов, функционально замещенных 1,3,2- и 1,4,2-диоксафосфепанов, спирофос-форанов с эндоциклическим ангидридным фрагментом, галогенфосфатов и триалкилфосфатов, ациклических и циклических 1-галогеналкоксифосфоранов и -фосфатов, 3-галогенпропенилоксифосфоранов, ациклических моногалоген-фосфоранов, ациклических трифторацилоксифосфоранов, 1,2-оксафосфоле-нов, 1,3,2-диоксафосфоленов, 1,3,2-диоксафосфоланов.
Предложен мягкий селективный реагент для окисления фторалкилфосфитов в фосфаты - трифторэтилхлорсульфонат, позволяющий окислять ациклические фосфиты в присутствии циклических; разработан мягкий способ окисления фторалкилфосфитов в фосфаты в присутствии в качестве катализаторов
\
хлораля и бромаля; разработаны новые подходы к синтезу фторсодержащих 2-гидроксифенилкетонов на основе 1,3,2-диоксафосфепанов; предложены новые реагенты, такие как, например, 2,2-дибром-2-(тетрафторпропокси)-4,5-бензо-1,3,2-диоксафосфолан, для синтеза гем-дибромалканов.
Установлены закономерности реакции дигалогено-де-оксо-дизамещения [синтез стабильных интермедиатов и оценка стереоселективности образования фосфоранов, синтетические границы применения, новые реагенты, роль катализа, возможность реализации ассоциативного и диссоциативного механизмов, . скорость определяющая стадия реакции, механизм стадии отщепления и т.д.], которые могут быть использованы в создании новых типов реагентов для гало-генирования спиртов, карбонильных соединений и их аза-аналогов.
Среди полученных соединений выявлены вещества, обладающие биологической активностью (нематоцидной, антивирусной, гербицидной, инсектицидной), а также понижающие воспламеняемость полимеров.
Апробация диссертации. Материалы диссертационной работы были представлены и обсуждены на XI Международной конференции по химии фосфора (Таллин, 1989 г), XII Международной конференции по химии фосфора (Тулуза, Франция, 1992 г.), Всесоюзном семинаре "Химия физиологически активных соединений" (Черноголовка, 1989 г.), Всесоюзном молодежном коллоквиуме по химии фосфорорганических соединений (Ленинград, 1988,1990,1991 г.), Всесоюзной конференции "карбонильные соединения в синтезе гетероциклов" (Саратов, 1989, 1992 г.), III Всесоюзной конференции молодых ученых-химиков (Донецк, 1991 г), 18 Всероссийской конференции по химии и технологии органических соединений серы (Казань, 1992 г), Итоговых научных конференциях Казанского государственного университета (Казань, 1989, 1992, 1994 г.), Международном симпозиуме по химии фтора (Бохум, ФРГ, 1991 г.), Всесоюзном студенческом семинаре "Синтез и исследование структур ФОС спектральными методами" (Казань, 1992 г.), VI Всесоюзной конференции по химии фторорганических соединений (Новосибирск, 1990 г.), VI Всесоюзном совещании "Спектроскопия координационных соединений" (Краснодар, 1990 г.), V Всесоюзной конференции "Современное состояние и перспективы развития теоретических основ производства хлорорганических продуктов" (Баку, 1991 г.), X Европейском симпозиуме по химии фтора (Падуя, Италия, 1992 г.), IX Международном симпозиуме по химии фосфора (С.-Петербург, 1993 г), I Международной конференции по химии, технологии и применению соединений фтора в промышленности (С.-Петербург, 1994 г), Итоговой научной конфере- | нции Казанского научного центра РАН (Казань, 1994 г.), на городском семинаре по фосфорорганической химии при кафедре органической химии С.-Пе-
-7-тербургского государственного университета (С-Петербург, 1992 г.), на семинаре кафедры органической химии Московского педагогического университета (Москва, 1994 г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 78 статей и тезисов, в том числе 3 обзорные работы.
Структура работы. Диссертация изложена на 498 страницах машинописного текста, содержит 44 таблицы, 47 рисунков и библиографию из 677 наименований. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, выводов и списка литературы. В 1 главе представлен обзор литературы, который включает также и собственные экспериментальные данные по особенностям структуры, методам синтеза и реакциям фторированных производных Рш. Во 2 главе рассмотрены реакции фторалкилфосфитов с галогенсодержащими реагентами. Третья глава работы посвящена реакции присоединения галогенфосфоранов к карбонильным соединениям. В 4 главе описаны методики проведения реакций и синтезов, а также приведена значительная часть спектральных данных.