Содержание к диссертации
Введение
1. Синтез, строение и химические свойства элементоорганических бетаинов
1.1. Азотсодержащие бетаины 10
1.2. Мышьяксодержащие бетаины 19
1.3. Серосодержащие бетаины 23
1.4. Йодониевые бетаины 25
1.5. Фосфорорганические бетаины 27
1.5.1. Кремнийсодержащие фосфорорганические бетаины 37
1.5.2. Карбоксилатные фосфабетаины 41
2. Третичные фосфины в реакциях с непредельными карбоновыми кислотами и их производными
2.1. Третичные фосфины в реакциях с непредельными монокарбоновыми кислотами
2.1.1. Трифепилфосфин в реакциях с хлоркоричной и кротоновой кислотами
2.1.2. Трибутилфосфин в реакциях с непредельными карбоновыми кислотами 53
2.1.3. Метилдифенилфосфин в реакциях с непредельными монокарбоновыми кислотами 59
2.2. Третичные фосфины в реакциях с непредельными дикарбоновыми кислотами
2.2.1. Метилдифенилфосфин в реакции с малеиновой кислотой 79
2.2.2. Третичные фосфины в реакциях с итаконовой кислотой 81
2.3. Фосфабетаины на основе реакций трифенилфосфина с эфирами и амидами непредельных карбоновых кислот 92
3. Экспериментальная часть
3.1. Синтез и очистка исходных соединений
3.2. Синтетические эксперименты 92
3.2.1. Получение карбоксилатных фосфабетаинов в реакциях третичных фосфинов с непредельными монокарбоновыми кислотами 92
3.2.1.1. Получение карбоксилатных фосфабетаинов в реакциях трифенилфосфина с непредельными монокарбоновыми кислотами 92
3.2.1.2. Получение карбоксилатных фосфабетаинов в реакциях трибутилфосфина с непредельными монокарбоновыми кислотами 93
3.2.1.3. Получение карбоксилатных фосфабетаинов в реакциях метилдифенилфосфина с непредельными монокарбоновыми кислотами 94
3.2.2. Получение карбоксилатных фосфабетаинов в реакциях третичных фосфинов с непредельными дикарбоновыми кислотами 97
3.2.2.1. Получение карбоксилатного фосфабетаина в реакции метилдифенилфосфина с малеиновой кислотой 97
3.2.2.2. Получение карбоксилатных фосфабетаинов в реакциях третичных фосфинов с итаконовой кислотой 97
3.2.3. Реакции фосфабетаинов с галоидными алкилами
3.2.4. Получение фосфабетаинов в реакциях трифенилфосфина с эфирами юз и амидами непредельных карбоновых кислот
3.3. Спектральные и рентгеноструктурные исследования 104
Основные результаты и выводы 105
- Мышьяксодержащие бетаины
- Кремнийсодержащие фосфорорганические бетаины
- Третичные фосфины в реакциях с непредельными дикарбоновыми кислотами
- Получение карбоксилатных фосфабетаинов в реакциях трифенилфосфина с непредельными монокарбоновыми кислотами
Введение к работе
Актуальность работы
Химия бетаинов - это относительно молодая и быстро развивающаяся область химии элементоорганических соединений. Большой интерес к этой области знаний обусловлен, прежде всего, широким разнообразием практически полезных свойств бетаинов [1-7] и их удивительно широким спектром биологической активности. От мышьяксодержащего бетаина (арсенобетаин уксусной кислоты), выступающего в качестве детоксиканта морской биоты [8] с очень низкой токсичностью (LD50 10 г/кг), до курареподобных ядов [9] в случае, казалось бы, безобидного бутиробетаина (бетаин масляной кислоты).
Эти уникальные соединения представляют собой внутренние ониевые соли, в которых катионный ониевый и анионный центры соединены между собой не только ионной, но и системой ковалентных связей [9].
Элементоорганические бетаины широко используются в медицине [9] в качестве лекарственных препаратов - например, ацидол (хлорид глицинбетажа) как заменитель соляной кислоты для повышения кислотности желудочного сока. Аддукты бетаинов и различных карбоновых кислот предложено использовать для лечения заболеваний печени, дерматозов, ревматизма, диспепсии и других недугов человека. Среди бетаиновых производных найдены эффективные антидиабетические, гиполипидемические, гепато- и кардиопротекторные лекарственные средства, а также большое число косметических препаратов.
Необходимо отметить большое будущее за элементоорганическими (и, в частности, фосфорорганическими) бетаиновыми структурами в качестве межфазных катализаторов. В большинстве случаев каталитическая активность изученных бетаинов превосходит таковую у обычных межфазных катализаторов -аммониевых солей.
Среди производных элементоорганических бетаинов найдены соединения, обладающие бактерицидными и дезинфицирующими свойствами.
Таким образом, области применения элементоорганических бетаинов и их производных весьма различны [9] - это: моющие средства, косметика, получение текстильных и химических волокон, отделка и переработка кожи и меха, лаки, краски, флотация, добыча нефти, металлообрабатывающая промышленность, строительство, защита растений, инсектициды и многое другое.
В то же время, приходится констатировать, что на сегодняшний день строение, а, главное, химические свойства элементоорганических бетаинов, изучены явно недостаточно.
Особенно это касается фосфорорганических бетаинов, интерес к которым в последние годы проявляется во многих ведущих фосфорорганических лабораториях мира. Это обусловлено, прежде всего, тем, что очень часто подобные структуры возникают в качестве интермедиатов во многих важнейших фосфорорганических реакциях, хотя известно относительно небольшое число и стабильных фосфабетаинов. Если же учесть, что фосфабетаины кроме всего прочего являются и своеобразными аналогами органических аминокислот с широким спектром потенциальных химических и биологических свойств, то резко возрастающий в последнее время интерес к этому классу соединений становится вполне понятным.
Настоящая диссертационная работа является продолжением проводимых в Казанском государственном университете систематических исследований в области синтеза, изучения строения и реакционной способности карбоксилатных фосфабетаинов, получаемых в реакциях третичных фосфинов с непредельными карбоновыми кислотами. Следует отметить, что к началу данного исследования в нашей исследовательской группе уже были достигнуты определенные успехи в области химии карбоксилатных фосфабетаинов и сформулированы некоторые основополагающие принципы их стабильности и реакционной способности. В то же время массив накопленных экспериментальных данных оставался достаточно узким и не позволял сделать более строгие обобщающие выводы. В этой связи весьма актуальной задачей являлось продолжение начатых исследований с расширением как круга исходных третичных фосфинов, так и непредельных моно- и дикарбоновых кислот. Не менее актуальным являлось вовлечение в эти реакции и важнейших производных этих кислот - эфиров и амидов, которые ранее в подобных реакциях не исследовались вовсе.
Цель работы
Целью настоящей диссертационной работы являлось систематическое исследование основных закономерностей синтеза, строения и реакционной способности карбоксилатных и амидатных фосфабетаинов на основе третичных фосфинов и непредельных моно - и дикарбоновых кислот и их важнейших производных - эфиров и амидов.
Научная новизна
Научная новизна работы и выносимые на защиту положения состоят в следующем:
Впервые проведено систематическое исследование образования и стабильности карбоксилатных фосфабетаинов в реакциях различающихся по нуклеофильным свойствам третичных фосфинов (трифенилфосфин, метилдифенилфосфин и трибутилфосфин) с широким рядом непредельных моно -и дикарбоновых кислот. На этой основе получена широкая серия новых моно - и дикарбоксилатных фосфабетаинов, структура которых доказана комплексом физических методов, включая прямой метод РСА.
Показано, что стабильность полученных карбоксилатных фосфабетаинов в значительной степени определяется нуклеофильностыо третичного фосфина и возрастает в ряду трифенилфосфин < метилдифенилфосфин < трибутилфосфин.
Природа исходной непредельной карбоновой кислоты также существенно влияет на стабильность получаемых фосфабетаинов. В ряду монокарбоксилатных фосфабетаинов это проявляется в равновесном характере реакций трифенил- и метилдифенилфосфина с кротоновой и хлоркоричной кислотами. В ряду дикарбоксилатных фосфабетаинов это проявляется в существенно более легком декарбоксилировании бетаинов с а-расположением фосфониевой и карбоксилатной групп (бетаины на основе малеиновой кислоты) по сравнению с аналогами с ^-расположением этих групп (бетаины на основе итаконовой кислоты). Относительно устойчивые дикарбоксилатные фосфабетаины были выделены в реакциях итаконовой кислоты с метилдифенил- и трибутилфосфином.
В реакции трифенилфосфина с амидом акриловой кислоты впервые получен представитель амидатных фосфабетаинов, структура которого надежно доказана методом РСА. Этот бетаин для своей стабилизации так же, как и карбоксилатные аналоги, требует присутствия протонодонорных реагентов.
В полученном впервые в данной работе фосфабетаине на основе реакции трифенилфосфина с диметиловым эфиром фумаровой кислоты установлено интересное явление фосфоротропии, отчетливо фиксируемое методом ЯМР спектроскопии.
Практическая значимость
Практическая значимость исследования состоит в разработке новых эффективных методов синтеза карбоксилатных и амидатных фосфабетаинов и их производных - фосфониевых солей - с потенциально широким спектром биологической активности и других практически полезных свойств.
Кроме того, полученные в результате исследования новые данные включены в читаемый в Казанском университете лекционный курс «Химия фосфорорганических соединений».
Апробация работы и публикации
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: республиканском конкурсе научных работ среди студентов и аспирантов на соискание премии им. Н.И. Лобачевского (Казань, 2002 г., 2003 г.), на XLI Международной научной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс» (Новосибирск, 2003 г.), на Международном Менделеевском конкурсе научных исследований молодых ученых по химии и химической технологии (Москва, 2003 г.), на студенческих научных конференциях химического факультета Казанского университета (2002 г., 2003 г.), на XVII Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (Казань, 2003 г.), на XVI Международной конференции по химии фосфора (ICPC-XVI, Бирмингем, Англия, 2004 г.), на XIV Международной конференции по химии соединений фосфора (ICCPC-XIV, Казань, Россия, 2005 г.)
По материалам диссертации опубликованы 2 статьи в центральных научных журналах, 1 статья в сборнике научных трудов и тезисы 18 докладов.
Опубликованные работы написаны в соавторстве с научным руководителем д. х. н. профессором В.И. Галкиным и научным консультантом к. х. н. с. н. с. Ю.В. Бахтияровой, а также профессором Р.А. Черкасовым и доцентом И.В. Галкиной, принимавшими участие в обсуждении результатов исследования. Д. х. н. проф. В.В. Клочков и к. х. н. Р.А. Шайхутдинов принимали участие в записи и интерпретации ЯМР спектров, д. х. н., проф. И.А. Литвинов, д. х. н. А.Т. Губайдуллин и к. х. н. Д.Б. Криволапов проводили рентгеноструктурный анализ синтезированных соединений.
Вся экспериментальная работа и основные выводы сделаны самим автором.
Автор выражает глубокую признательность всем принимавшим участие в настоящем исследовании за плодотворное сотрудничество.
Объем и структура работы
Диссертация изложена на 117 страницах, содержит 3 таблицы, 33 рисунка и библиографию, включающую 112 ссылок. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, выводов и списка литературы.
В первой главе представлен обзор литературных данных по синтезу, строению и химическим свойствам элементоорганических бетаинов. Основное внимание уделялось фосфорорганическим бетаинам.
Во второй главе обсуждаются наши собственные результаты в области синтеза, строения и реакционной способности карбоксилатных фосфабетаинов.
Третья глава содержит описание проведенных синтетических экспериментов и спектральных исследований.
Работа выполнена на кафедре высокомолекулярных и элементоорганических соединений Химического Института им. A.M. Бутлерова Казанского государственного университета и является частью исследований по основному научному направлению "Строение и реакционная способность органических, элементоорганических и координационных соединений".
Работа входит в планы РАН и входила в Федеральную целевую программу «Интеграция». Исследования проводились при финансовой поддержке РФФИ (грант № 04-03-32906) и НТП "Университеты России" (грант № УР. 05.01.005), совместной российско-американской программы "Фундаментальные исследования и высшее образование" (BRHE, грант REC-007), программы BRHE для молодых ученых (грант № Y1-C-07-07).
Мышьяксодержащие бетаины
В последнее время в литературе [21] довольно часто встречаются сообщения о выделении органических соединений мышьяка и в частности арсенобетаинов из различных биологических объектов. Установлено, что в морских организмах As присутствует как в неогранических формах (арсенаты и арсениты), так и в виде жирорастворимых и водорастворимых органических соединений - бетаинов (первоначально названных «креветочным мышьяком»). Дж. С. Эдмондс и К. А. Францескони [22] первыми показали, что водорастворимое органическое соединение мышьяка, выделенное из хвостовых мышц лангуста Panuliriis longies cygnes, является арсенобетаином: На сегодняшний день, данный арсенобетаин, выделен из множества морских организмов (водорослей, беспозвоночных, рыб), а также из некоторых пресноводных рыб и даже из некоторых видов грибов. В литературе отмечается, что арсенобетаин является основным органическим мышьяксодержащим компонентом в различных биологических объектах, на его долю приходится до 95% от общего содержания органического мышьяка. В экспериментальном плане достаточно хорошо разработаны методы выделения арсенобетаина из различных биологических объектов. Выделение включает в себя стадию экстракции водорастворимых соединений мышьяка водно-метанольным раствором; экстракты затем пропускают через ионообменные смолы и хроматографируют на колонках с цеолитом. В связи с необходимостью определения содержания мышьяка в различных коммерчески ценных морских продуктах разработаны и с успехом применяются для определения концентраций арсенобетаина, арсенохолина и катиона тетраметиларсония различные методы жидкостной и газожидкостной хроматографии [23]. Многие исследователи отмечают, что выделенный арсенобетаин является нетоксичным соединением. Изучение же острой токсичности на мышах (внутрижелудочный путь введения водного раствора арсенобетаина) показало, что величина LD5o составляет более 10 г/кг. Животные, получавшие эту дозу, по сравнению с контрольными были менее подвижны, у них отмечалось учащенное дыхание, однако через час эти симптомы полностью проходили [24]. Исследование генотоксичности арсенобетаина показало отсутствие у него мутагенной способности [25]. Выращивание бактерий (специальные штаммы Salmonella typhimurium) на среде арсенобетаина с добавлением и без добавления активаторов генных мутаций не приводит к появлению ревертантов. Арсенобетаин является одним из продуктов метаболических превращений мышьяка морскими водорослями. Метаболизм мышьяка в клетках водорослей был подробно изучен американскими и канадскими учеными [26-27]. В их работах описана цепочка превращений неорганического мышьяка в сложные органические производные.
Водоросли сорбируют неорганический мышьяк из воды. Арсенат, попавший внутрь клетки, восстанавливается в арсенит и далее подвергается биометилированию. В результате неорганические соединения мышьяка превращаются в органические, которые в дальнейшем включаются в более сложные органические производные. При низкой концентрации арсената в окружающей среде клетки водоросли могут направить весь арсенат на окислительно-восстановительное метилирование с последующим замещением атома азота на мышьяк. Продуктами метаболических превращений мышьяка в клетках водорослей при этом будут малотоксичные триметиларсонийлактат, арсенофосфолипиды, арсенобетаин и дезоксирибоарсеносахара. Таким образом, указанные превращения соединений мышьяка представляют собой процессы детоксикации мышьяка в клетках водорослей, и обезвреженный мышьяк в малотоксичных органических формах откладывается в клеточных мембранах. В ткани рыб мышьяк попадает, скорее всего, через пищеварительный тракт. Это означает, что начальные стадии метаболизма мышьяка могут выполнять кишечные микроорганизмы. Основным мышьякоорганическим соединением, обнаруженным в рыбах, является арсенобетаин [29]. Он был обнаружен в мясе камбалы, в темной акуле Carcarhinus obscurus, в мясе серой акулы Isurus oxirhicus и акулы мако Carcarhinus longimanus. Так как акулы - это последнее звено трофической цепи, предполагается, что арсенобетаин - конечный продукт превращения мышьяка, поглощаемого из воды организмами низших трофических уровней. Подытоживая вышесказанное, необходимо отметить, что проведенные исследования метаболизма мышьяка в морских пищевых цепях показали, что, хотя обычно содержание As в морских организмах выше, чем в наземных, однако он превращается в этих организмах в нетоксические формы - в частности, в арсенобетаин. Строение и физико-химические свойства арсенобетаина были изучены Эдмондсом и Францескони [22]. Эти авторы провели также встречный синтез бетаина. Синтетический арсенобетаин и арсенобетаины, выделенные из лангустов, мяса темной акулы и мочи человека, оказались идентичными, что подтверждено спектральными данными. Арсенобетаин представляет собой бесцветное кристаллическое вещество, безводное соединение плавится при 202-210 С с разложением. По данным рентгеноструктурного анализа арсенобетаин, выделенный из смеси метанола и ацетона в виде бесцветных игольчатых кристаллов, представляет собой моногидрат: Интересно отметить, что две молекулы арсенобетаина связаны водородными связями через две молекулы воды (по данным рентгеноструктурного анализа). Таким образом, из изложенного материала следует, что триметиларсенобетаин является хорошо изученным соединением с точки зрения его структуры, метаболизма и токсикологии. В то же время в литературе мало экспериментальных работ по синтезу и свойствам других арсенобетаинов и их производных. Вполне очевидно, что среди них могут быть обнаружены соединения с высокой биологической активностью и низкой токсичностью. Первые сообщения о синтезе бетаинов мышьяка и фосфора были сделаны в 1902 году известным немецким химиком - одним из основоположников химии фосфорорганических соединений А. Михаэлисом. Им впервые был синтезирован арсенобетаин Ph3As+CH2COO" обработкой соответствующей галоидоводородной соли спиртовым раствором едкого кали. Тогда арсенобетаину была приписана структура, в которой атом мышьяка является пентакоординированным [30]. Истинная бетаиновая структура данного соединения была установлена позднее в 1967 году методом рентгеноструктурного анализа [31].
Кремнийсодержащие фосфорорганические бетаины
В исследовательской группе профессора химического факультета Московского университета Ю.А. Устынюка было проведено обширное исследование в данной области. Их работа посвящена элементоорганическим бетаинам, содержащим структурные фрагменты (+)Р-С-Е14-Хн (I) и (+)P-C-E,4W (II) (E14=Si, Ge, Sn; X=C, S, O, NR). Большинство из бетаинов I и II получены реакциями илидов фосфора со стабильными соединениями или интермедиатами, имеющими связь Е=Х (Е=С, Si, Ge, Sn; Х=С, S), циклоолигомерами (R2ES)n (n=2, 3), трех- и четырехчленными силакарбоциклами или элементоорганическими аналогами карбенов. Данные бетаины представляют собой кристаллические вещества белого (для ряда циклопентадиена) или желтого (для ряда флуорена) цвета, чрезвычайно чувствительные к следам кислорода и влаги воздуха. Они плохо растворимы в малополярных растворителях и практически не растворимы в неполярных растворителях. Первый кремнийфосфорорганический бетаин с тиолатным центром получен в реакции стабильного силантиона с триметилметиленфосфораном и охарактеризован методами мультиядерной спектроскопии ЯМР [90]. В условиях кинетического контроля образуется бетаин, который в условиях термодинамического контроля превращается в фосфониевую соль силааценафтена. Процессы, представленные на этой схеме, отражают конкуренцию основности и нуклеофильности илидов фосфора: Установлено, что общим методом синтеза элементофосфорорганических бетаинов типа I с тиолатным центром является реакция илидов фосфора с органоциклосилатианами, органоциклогерматианами и органоциклостаннатианами. Дисиладитиациклобутаны (п=2) и трисилатритиациклогексаны (п=3), которые формально можно рассматривать как димеры и тримеры силантионов, легко реагируют с «нестабилизированными» илидами фосфора в различных растворителях при комнатной температуре, образуя бетаины с высокими выходами [91,92]: Природа заместителя при атоме кремния существенно влияет на ход реакции, и главную роль играет пространственный эффект. Природа илида также играет важную роль в этой реакции. Чем выше нуклеофильность илида, тем быстрее идет процесс и тем выше стабильность образующихся бетаинов в растворах.
Все бетаины представляют собой белые или светло-желтые кристаллические вещества, которые могут неограниченно долго храниться в инертной атмосфере, но высокочувствительны к кислороду и влаге. Они плохо растворимы в бензоле и эфире, умеренно растворимы в ТГФ и ацетонитриле, хорошо растворимы в пиридине. Изученные в данном обзоре бетаины (I и II) обладают высокой реакционной способностью, которая объясняется наличием у них нескольких реакционных центров. Например, бетаины типа I ((+)P-C-Si-Sw) способны претерпевать распад [93] с разрывом связи Р-С основной цепи (+)P-C-Si-Sw и элиминированием R3P (реакция Кори-Чайковского). Второе направление - разрыв центральной связи C-Si по типу ретрореакции Виттига с элиминированием исходного илида фосфора и образованием кинетически нестабильных силантионов, которые вступают в дальнейшие превращения: Не так давно в группе Ю.А. Устынюка были проведены теоретические расчеты [98] методом функционала плотности химических превращений модельных металлоорганических бетаинов Ме2Е14( )-СН2-(+)Е15Мез (Е14 = Si, Ge, Sn; Е15 = Р, As). Авторами установлено, что для бетаинов Е14 = Si, Ge; Е15 = Р термодинамически наиболее выгодным процессом является изомеризация в илиды Ме2НЕ14-СН=Е15Ме3; для бетаинов Е14 = Si, Ge; Е15 = As наиболее вероятен распад с образованием элементэтенов Ме2Е14=СН2 и арсина. Для проверки результатов теоретических расчетов [98] экспериментально была исследована реакция силилена с Ме3Р=СН2. Установлено, что реакция протекает с образованием в качестве интермидиата бетаина, который затем изомеризуется в термодинамически наиболее выгодный продукт - илид. При исследовании состава реакционной смеси с помощью мультиядерного ЯМР оказалось, что единственным продуктом реакции является силилированныи илид фосфора: Так как данная диссертация посвящена, в основном, вопросам синтеза, строения и реакционной способности карбоксилатных фосфабетаинов, то и обзор имеющихся на эту тему литературных данных мы сочли целесообразным выделить в отдельный раздел. Приведенные в данном литературном обзоре сведения о различных бетаиновых структурах подтверждают актуальность их подробного изучения - как методов их получения, так и их химического поведения.
Важный интерес представляют вопросы, связанные с особенностями строения, стабильностью и реакционной способностью подобных соединений, а также, конечно, с их уникальной биологической активностью. До начала систематических исследований карбоксилатных фосфабетаинов, проводимых на протяжении последних 10 лет в нашей исследовательской группе, в литературе имелись лишь эпизодические и, зачастую, весьма противоречивые сведения на эту тему. Так, Рюйтер в 1959 г. показал [47], что трис(оксиметил)фосфин в отсутствие минеральных кислот может вступать во взаимодействие с акриловой кислотой по следующей схеме: Данная работа имела сугубо прикладной характер и никаких специальных доказательств приведенной автором структуры не содержала. В 1962 г. - Денни и Смит опубликовали свою работу [99], которую, пожалуй, можно считать наиболее полным и серьезным исследованием тех лет, посвященным синтезу и свойствам карбоксилат-содержащих бетаинов на основе производных карбоновых кислот. Отметив крайне скудную информацию в литературе, касающуюся получения карбоксилат-содержащих бетаинов, данные авторы предприняли глубокое синтетическое исследование по получению таких соединений на основе реакций ш-хлорзамещенных карбоновых кислот с трифенилфосфином: Реакция протекает через промежуточное образование достаточно стабильных солей карбоксилфосфония, обработка которых водным раствором бикарбоната натрия приводит к получению соответствующих бетаинов. Интересно, что последняя реакция может протекать в обоих направлениях и реализуется только для производных с п 1. Фосфониевая же соль, полученная на основе хлоруксусной кислоты (п = 1), ведет себя иначе. При попытке элиминирования от нее НС1 действием основания или термическим воздействием она отщепляет молекулу углекислого газа с образованием хлористого трифенилметилфосфония: В этой связи следует отметить работу [100], в которой получены аналогичные фосфабетаины с n = 5,10,11, путем обработки соответствующих солей карбоксилфосфония гидридом натрия в среде диметилсульфоксида. К сожалению, авторы не приводят никаких констант полученных соединений, говоря об их образовании в предположительной форме, что вызывает определенные сомнения в достоверности приведенных структур [100]. Тем более что ранее Кори и Маккормик [101], проведя полностью аналогичную реакцию (NaH в ДМСО) приписали продукту строение илида. Такой вывод они обосновали тем, что данный продукт легко вступает в реакцию Виттига с образованием соответствующих алкенов. Скорее всего, в данном случае более правомерно предположить существование прототропного равновесия между илидной и бетаиновой формой, которому должна способствовать высокая ионизирующая способность ДМСО.
Третичные фосфины в реакциях с непредельными дикарбоновыми кислотами
В продолжение проводимых исследований третичных фосфинов с монокарбоновыми кислотами были изучены реакции с непредельными дикарбоновыми кислотами, вторая карбоксильная группа которых, по нашему мнению, могла бы выполнять роль внутреннего протонодонорного центра, и, таким образом, способствовала бы увеличению стабильности образующихся бетаинов. Ранее в нашей группе уже были изучены реакции трифенил- и трибутилфосфина с дикарбоновой малеиновой кислотой. Было показано, что в реакции малеиновой кислоты с трифенилфосфином образуется дикарбоксилатный бетаин, который, однако, является нестабильным и при нагревании, либо просто при хранении легко отщепляет молекулу С02 с образованием фосфониевой соли 15, представляющей собой хорошо изученный в нашей группе ранее бетаин 1, стабилизированный молекулой малеиновой кислоты [106]. Эта схема распада дикарбоксилатного фосфабетаина, приводящая к фосфониевой соли 15, была подтверждена специальным экспериментом: при нагревании образца дикарбоксилатного цвиттер-иона при 70 С в течение 1 часа происходит его количественное декарбоксилирование. Высокая основность карбоксилатной группы бетаина 1 обусловливает практически полный перенос протона от молекулы малеиновой кислоты. Возникающий в результате этого трифенил-В-кабоксиэтилфосфоний-катион и малеинат-анион оказываются связанными между собой сильной водородной связью. Подобная же сильная водородная связь в самом малеинат-анионе обеспечивает его циклизацию. Эти особенности необычной структуры квазифосфониевой соли 15 были доказаны методом РСА, и, поскольку она, в отличие от дикарбоксилатного бетаина, хорошо растворима в органических растворителях, то и методами ИК и ЯМР спектроскопии. Реакция трибутилфосфина с малеиновой кислотой протекает также с первоначальным образованием дикарбоксилатного бетаина 16 с бр 56 м.д., который уже в условиях реакции легко декарбоксилируется, приводя к трибутилфосфонийэтилкарбоксилату 17 с 8Р35 м.д.[106]. Аналогично описанным выше реакциям протекает и неизученная ранее реакция метилдифенилфосфина с малеиновой кислотой. В результате данной реакции образуется кристаллический дикарбоксилатный бетаина 18, который стабилен только под слоем растворителя, однако, на воздухе быстро декарбоксилируется с образованием фосфабетаина 19. К сожалению, нам не удалось снять удовлетворительные спектры с дикарбоксилатного фосфабетаина 18, который не растворим в большинстве органических растворителей, а на воздухе быстро декарбоксилируется.
Полученный дикарбоксилатный бетаин мы попытались стабилизировать путем алкилирования йодистым метилом. Однако и в этом случае нам не удалось избежать декарбоксилирования. В результате был получен устойчивый на воздухе кристаллический продукт 20 желтоватого цвета с Тт, = 120-122 С, представляющий собой метиловый эфир монокарбоксилатного бетаина 19, строение которого было доказано прямым методом РСА (рис. 19). Данная фосфониевая соль не содержит никаких сольватных молекул. Эта особенность фосфониевых солей, отличающая их от исходных карбоксилатных фосфабетаинов, неоднократно отмечалась и ранее (Глава 1). Интересно, что данная фосфониевая соль уже была получена нами ранее путем алкилирования фосфабетаина 19, полученного в прямой реакции метилдифенилфосфина с акриловой кислотой. Однако получить пригодные для РСА кристаллы в том случае не удалось. Очевидно, что обнаруженный путь получения фосфониевой соли 20 через промежуточное образование монокарбоксилатного бетаина 19 путем декарбоксилирования дикарбоксилатного фосфабетаина 18 в процессе его алкилирования дает более чистый кристаллический продукт. Этот вывод может иметь важное препаративное значение для направленного получения подобных производных в будущем. Анализируя устойчивость дикарбоксилатных аддуктов, можно заметить, что фосфабетаины с а-расположением фосфониевого и карбоксилатного центров являются нестабильными и подвергаются декарбоксилированию с возникновением более термодинамически выгодного цвиттер-иона с Р-расположением его анионной и катионной частей. Это заключение, кстати, хорошо согласуется с литературными данными [99], касающимися безуспешных попыток получения трифенилфосфонийметилкарбоксилата.
В этом случае также имел место процесс декарбоксилирования с образованием трифенилметилфосфонийхлорида. Для подтверждения изложенных выше предположений мы вовлекли в реакции с третичными фосфинами итаконовую кислоту в надежде, что продукты этих реакций будут более стабильными, так как ближайшая карбоксилатная группа в образующихся бетаинах будет находиться не в а-, а в Р-положении по отношению к фосфониевому центру. Реакция трифенилфосфина с итаконовой кислотой протекает с образованием единственного кристаллического продукта 21, 8Р 23.9 м.д., Т.пл. 58-60 С (с разложением). В его ИК спектре присутствуют полосы поглощения обоих карбоксильных центров - карбоксильной группы в области 1700 см"1, и карбоксилат-аниона в области 1600 см"1 (рис. 20). Однако и в этом случае дикарбоксилатный аддукт 21, хотя и является более стабильным по сравнению с бетаином на основе малеиновой кислоты, тем не менее, также не отличается высокой устойчивостью. При его плавлении или кипячении в среде хлороформа наблюдаются отчетливые признаки разложения с выделением СОг- Мы осуществили процесс декарбоксилирования и выделили продукт термического разложения - фосфабетаин 22 (рис. 21), 8Р = 22.45 м.д., Т . = 53-55 С, который легко гидратируется влагой воздуха с образованием соответствующей фосфониевой соли. В ее ИК спектре отсутствует полоса поглощения карбоксилат-аниона, а интенсивный пик при 1720 см 1 соответствует поглощению только одной карбоксильной группы. В его ИК спектре проявляются полосы поглощения как карбоксильной группы в области 1700 см"1, так и карбоксилат-аниона в характерной области 1600 см"1. Согласно данным элементного анализа продукт 23 представляет собой устойчивый дикарбоксилатный фосфониевый бетаин. В аналогичной реакции трибутилфосфина с итаконовой кислотой образуется дикарбоксилатный фосфабетаин 24 (8Р 34.0 м.д.), который представляет собой масло желтоватого цвета. И в этом случае ИК спектр свидетельствует о наличии карбоксилатной группы, которой соответствует полоса 1600 см"1, и карбоксильной группы с полосой поглощения 1720 см"1. Бетаины на основе третичных фосфинов и итаконовой кислоты были вовлечены нами в реакции алкилирования. Реакция алкилирования фосфабетаина 21 йодистым метилом и йодистым этилом протекает количественно в мягких условиях, причем алкилирование, по нашему мнению, протекает по более удаленной карбоксильной группе, которая является более основной.
Получение карбоксилатных фосфабетаинов в реакциях трифенилфосфина с непредельными монокарбоновыми кислотами
Реакция трифенилфосфина с кротоновой кислотой. К раствору 1,066 г трифенилфосфина в 5 мл ацетонитрила при постоянном перемешивании прикапывали раствор 0,381 г кротоновой кислоты в 5 мл ацетонитрила. Реакционную смесь выдерживали в течение 1 месяца. По данным ЯМР Р спектроскопии реакция протекала на 60 %. Растворитель отгоняли в вакууме. К реакционной смеси приливали абсолютный диэтиловый эфир, выпавший осадок отфильтровывали на воронке Шотта, промывали эфиром и высушивали в вакууме. Получали кристаллы белого цвета, Tra. = 50-52 С, vCOo = 1600 см 1, 8Р = 30,8 м.д. Полученный бетаин нестабилен, на воздухе осмоляется. Реакция трифенилфосфина с хлоркоричной кислотой. К раствору 1,064 г трифенилфосфина в 5 мл ацетонитрила при постоянном перемешивании прикапывали раствор 0,769 г хлоркоричной кислоты в 5 мл ДМФА. Реакционную смесь выдерживали в течение 3 месяцев. Растворитель отгоняли в вакууме. По данным ЯМР 31Р спектроскопии реакция протекала на 76 %. В реакционной смеси присутствует сигнал исходного трифенилфосфина (- 4,87 м.д.). Химический сдвиг продукта 4 8Р = 26,9 м.д. Выделить продукт в чистом виде не удалось. При наиболее полном удалении растворителя реакционная смесь разлагалась на исходные реагенты. 3.2.1.2. Получение карбоксилатных фосфабстаинов в реакциях трибутилфосфина с непредельными монокарбоновыми кислотами Реакция трибутилфосфина с акриловой кислотой. К раствору 1,595- г трибитилфосфина в 5 мл ацетонитрила при постоянном перемешивании прикапывали раствор 0,635 г акриловой кислоты в 5 мл ацетонитрила. Реакционную смесь выдерживали в течение суток при комнатной температуре. К реакционной смеси добавляли небольшое количество диэтилового эфира. Через сутки образовывались кристаллы, Т . = 18 - 20 С, 5р = 23,0 м.д., vcoo"= 1600 см . Структуру продукта 5 подтверждали методом рентгеноструктурного анализа при низких температурах. Реакция трибутилфосфина с кротоновой кислотой. К раствору 1,077 г трибитилфосфина в 5 мл ацетонитрила при постоянном перемешивании прикапывали раствор 0,478 г кротоновой кислоты в 5 мл ацетонитрила. Реакционную смесь выдерживали в течение суток при комнатной температуре. Растворитель отгоняли в вакууме. Продукт 6 представлял собой масло желтоватого цвета, 8р = 37,7 м.д., Vcoo = 1610 см 1. Реакция трибутилфосфина с коричной кислотой. К раствору 1,166 г трибитилфосфина в 5 мл ацетонитрила при постоянном перемешивании прикапывали раствор 0,903 г коричной кислоты в 5 мл ацетонитрила. Реакционную смесь выдерживали в течение суток при комнатной температуре. Растворитель отгоняли в вакууме.
К реакционной смеси приливали абсолютный диэтиловый эфир, выпавший осадок отфильтровывали на воронке Шотта, промывали диэтиловым эфиром и высушивали в вакууме. Продукт 7 представлял собой бесцветные кристаллы, устойчивые на воздухе, растворимые в большинстве полярных растворителей. TM. = 122 С, Vcoo" = 1600 см 1, VCOOH = 1700 см"1, V0H = 2800-3200 см"1, 5р = 36,0 м.д. Структуру фосфабетаина 7 подтверждали методом рентгеноструктурного анализа. Реакция трибутилфосфина с хлоркоричной кислотой. К раствору 1,054 г трибутилфосфина в 5 мл ацетонитрила при постоянном перемешивании прикапывали раствор 0,959 г хлоркоричной кислоты в 5 мл ацетонитрила. Реакционную смесь выдерживали в течение 1 месяца. После удаления на вакууме растворителя, в течение суток выпадали кристаллы белого цвета, устойчивые на воздухе. Выпавший осадок отфильтровывали на воронке Шотта, промывали диэтиловым эфиром и высушивали в вакууме. Тщ,. = 131-132 С, vCoo" = 1620 см"1, 8р = 35,8 м.д. Найдено, %: С 65.71, Н 8.95, Р 8.09. С2,Нз402РС1. Вычислено, %: С 65.50, Н 8.84, Р 8.06. 3.2.1.3. Получение карбоксилатных фосфабетаинов в реакциях метилдифенилфосфина с непредельными монокарбоновыми кислотами Реакция метилдифенилфосфина с акриловой кислотой. К раствору 0,565 г метилдифенилфосфина в 5 мл ацетонитрила при постоянном перемешивании прикапывали раствор 0,264 г акриловой кислоты в 5 мл ацетонитрила. Реакционную смесь выдерживали в течение суток при комнатной температуре. Растворитель удаляли в вакууме. Продукт 10-а представлял собой масло интенсивно-желтого цвета, при добавлении к которому диэтиловый эфир белел, vCoo =1615 см"1,8р= 24,9 м.д. Реакция метилдифенилфосфина с метакриловой кислотой. К раствору 0,526 г метилдифенилфосфина в 5 мл ацетонитрила при постоянном перемешивании прикапывали 0,24 г метакриловой кислоты в 5 мл ацетонитрила.
Реакционную смесь выдерживали в течение суток при комнатной температуре. Растворитель удаляли в вакууме. Продукт 10-Ь представлял собой масло желтого цвета. При добавлении диэтилового эфира образовывались кристаллы белого цвета, устойчивые на воздухе. Выпавший осадок отфильтровывали на воронке Шотта, промывали диэтиловым эфиром и высушивали в вакууме. TM. = 151-154 С, vcoo = 1600 см"1, vcoon = 1700 см 1, v0H= 2800-3200 см"1, 5Р= 22,03 м.д. По данным элементного анализа бетаин стабилизирован молекулой метакриловой кислоты. Найдено, %: С 67.54, Н 6.17. С17Н2о02Р С4Н502. Вычислено, %: С 67.72, Н 6.78. Реакция метилдифенилфосфина с кротоновой кислотой. К раствору 0,508 г метилдифенилфосфина в 5 мл ацетонитрила при постоянном перемешивании прикапывали раствор 0,219 г кротоновой кислоты в 5 мл ацетонитрила. Реакционную смесь выдерживали в течение двух месяцев при комнатной температуре. Растворитель удаляли в вакууме. Продукт 10-с представлял собой масло желтого цвета, Vcoo"= 1600 см", 5р= 30,0 м.д. Реакция метилдифенилфосфина с коричной кислотой. К раствору 0,472 г метилдифенилфосфина в 5 мл ацетонитрила при постоянном перемешивании прикапывали раствор 0,361 г коричной кислоты в 5 мл ацетонитрила. Реакционную смесь выдерживали в течение трех суток при комнатной температуре. Растворитель удаляли в вакууме. При отгонке растворителя выпадали устойчивые кристаллы кремового цвета. Выпавший осадок отфильтровывали на воронке Шопа, промывали диэтиловым эфиром и высушивали в вакууме. Полученные кристаллы хорошо растворимы в ацетоне и хлороформе, хуже в ацетонитриле. 1 =142-144 С, vcoo = 1615 см 1, 8р = 27,3 м.д. По данным элементного анализа бетаин стабилизирован молекулой коричной кислоты. Найдено, %: С 74.59, Н 6.09. С22Н2102Р С9Н802. Вычислено, %: С 75, Н 5.85. Реакция метилдифенилфосфина с хлоркоричной кислотой. К 0,149 г хлоркоричной кислоты в 15 мл ацетонитрила при постоянном перемешивании прикапывали раствор 0,449 г метилдифенилфосфина в 5 мл ацетонитрила. Реакция протекала гетерогенно. Реакционную смесь выдерживали в течение нескольких месяцев при комнатной температуре. Данная реакция относительно исходного фосфина протекала на 60 %, а выход продукта составлял около 30 %. В реакционной смеси присутствовал также сигнал метилдифенилфосфиноксида 8Р = 30,02 м.д. (выход 30 %). При удалении растворителя в вакууме образовывались кристаллы белого цвета. Их отфильтровывали на воронке Шотта, промывали диэтиловым эфиром и высушивали в вакууме. Полученные кристаллы хорошо растворимы в ацетоне и хлороформе, хуже в ацетонитриле. 1 =160 С, vcoo"= 1620 см"1, 8Р= 27,52 м.д. Найдено, %: С 68.71, Н 4.95, Р 7.75. C22H20O2PCI. Вычислено, %: С 69.02, Н 5.23, Р 8.1.
