Содержание к диссертации
Введение
1 Синтез биологически активных природных соединений с использованием реакции метатезиса олефинов 8
1.1 Краткие сведения об открытии, механизме, каталитических системах, стереохимии и типах метатезисных реакций 8
1.1.2. Гетерогенные каталитические системы 12
1.1.3. Гомогенные каталитические системы 14
1.1.3.1 Классические гомогенные каталитические системы 14
1.1.3.2 Индивидуальные карбеновые комплексы 15
1.1.4. Различные типы реакций метатезиса, их стереохимия и использование для синтеза природных соединений 16
1.1.4.1 Метатезис линейных олефинов 16
1.1.4.2. Метатезис с замыканием цикла 39
1.1.4.3. Сометатезис циклоолефинов (ЦО) и цоклооктадиена (ЦОД) с линейными олефинами 46
1.1.4.3.1. Сометатезис ЦО с линейными олефинами 46
1.1.4.3.2. Сометатезис ЦОД с линейными олефинами 51
1.1.5. Краткие сведения о классических методах синтеза феромонов насекомых 52
1.1.6 Стереохимия метатезисной полимеризации с раскрытием ЦО 54
2. Результаты и обсуждение 64
2.1 Метатезис а-олефинов в присутствии двух- и трехкомпонентных Mo-содержащих каталитических систем 64
2.1.1 Кинетика метатезиса а-олефинов в присутствии МоСЬ/БЮг- SnMe4 65
2.1.2 Метатезис а-олефинов в присутствии MoCls/Si02-HSiEt3 или [Me2SiCH2]2 83
2.1.3 Метатезис а-олефинов в присутствии MoOs/SKVSnMe^CLj, ^e3=Ge,Si 84
2.1.4 Возможный механизм дезактивации и реактивации каталитических систем MoCls/SiCb-N^Sn-SCLi, где Э = Ge, Si 88
2.1.5 Селективность каталитических систем и определение положения двойных связей в олефинах 90
2.1.6 Стереохимия метатезиса а-олефинов в присутствии двух-, трехкомпонентных и модифицированных каталитических систем 97
2.1.7 Синтез компонентов феромонов насекомых на основе сометатезиса функционализированных олефинов или растительных масел с симметричными олефинами на двух- и трехкомпонентных каталитических системах 99
2.2 Сометатезис циклоолефинов (ЦО) С5-С12 с а-олефинами в присутствии MoCls/Si02-SnMe4 107
2.2.1 Сометатезис циклопентена (ЦП) с а-олефинами 109
2.2.1.1 Сометатезис ЦП с гексеном-1 109
2.2.1.2 Сометатезис ЦП с октеном-1 135
2.2.1.3 Сометатезис ЦП с пентеном-1 140
2.2.2 Сометатезис циклогексена с гексеном-1 143
2.2.3 Сометатезис циклогептена (ЦТ) с гексеном -1 144
2.2.4 Сометатезис циклооктена (ЦОЕ) с а-олефинами 162
2.2.4.1 Сометатезис ЦОЕ с гексеном-1 162
2.2.4.2 Сометатезис ЦОЕ с октеном-1 179
2.2.4.3 Сометатезис ЦОЕ с бутеном-1 183
2.2.5 Сометатезис циклононена (ЦН) с гексеном-1 186
2.2.6 Сометатезис циклодецена (ЦД) с 1-гексеном 197
2.2.7 Сометатезис цикл одо децена (ЦДД) с 1-октадеценом 207
2.2.8 Влияние размера кольца на реакционную способность ЦО Cs,C7- Сю в сометатезисе с 1-гексеном 211
2.2.9 Влияние размера кольца ЦО на стереоселективность в реакции сометатезиса ссс-олефинами 214
2.2.10 Синтез триаконтанола -природного регулятора роста растений на основе полиенов с одной концевой связью 220
2.2.11 Синтез бифункциональных соединений на основе а,со-диенов. Синтез мускона 222
2.2.12 Синтез моноеновых компонентов феромонов насекомых отряда чешуекрылых с использованием в качестве промежуточных соединений 1 ,Д-диенов- целевых продуктов сометатезиса ЦО с а-олефинами 224
2.3 Сометатезис ЦОД с 1-гексеном с целью получения смеси 1,Z-5,Z-9- и 1^-5,Е-9-тетрадекатриенов необходимого стереосостава 229
2.3.1 Синтез Z-7,Z-11-й Z-7JE-11-гексадекадиенилацетатов- полового феромона бабочки розового коробочного червя {Pectinophora Gossypielld) 248
2.4. Сометатезис ЦОД с этиленом на двух- и трехкомпонентных каталитических системах с целью получения l,Z-5,9- и 1,Е-5,9- декатриенов необходимого стереосостава 250
2.4.1 Синтез Z-изомерных половых феромонов линейного строения с использованием 1^-5,9-декатриена в качестве ключевого соединения 255
2.4.1.1 Синтез Z-5-деценола Z-7-додеценолола Z-7-гексадеценолола и их ацетатов- компонентов половых феромонов насекомых отряда чешуекрылых 256
2.4.1.2 Синтез Z-9 трикозена - компонента полового феромона комнатной мухи (Musca Domestical) 259
2.4.1.3 Синтез Z-7,8-3noKCH-2-MeranoKTafleKaHa - полового аттрактанта непарного шелкопряда 260
2.4.1.4 Синтез генэкоз-(^-6-ен-11-она - полового феромона волнянки псевдотсутовон (Orgyia pseudotsugata) 261
5 2.4.1.5 Синтез (2+Я,)-ундец-5-еновых кислот - полового феромона кожееда коллекционного (Anthrenus verbasci) 262
3. Экспериментальная часть 264
3.1 Синтез исходных соединений и их физико-химические характеристики 264
3.1.1 Методика приготовления катализатора и определение числа актвных центров 265
3.1.2 Синтез сокатализатора -тетраметилолова 265
3.1.3 Синтез Z-циклононена 266
3.1.4 Синтез 9-боробициклононана (9-BBN) 267
3.1.5 Синтез этилового эфира бромуксусной кислоты 268
3.2 Исследование продуктов сометатезиса ЦО с а-олефинами методом ГЖХ в сочетании с масс-спектрометрией 269
3.3 Исследование исходных ЦО и полученных полиенов методом ИК-спектроскопии 273
3.4 Исследование полученных полиенов методом ЯМР-спектроскопии. 273
3.5 Исследование продуктов сометатезиса ЦОД с гексеном-1 и этиленом методом ГЖХ в сочетании с масс-спектрометрией 276
3.6 Методики получения триаконтанола, мускона, целевых феромонов, промежуточных соединений и их физико-химические характеристики. 278
Выводы 294
- Различные типы реакций метатезиса, их стереохимия и использование для синтеза природных соединений
- Краткие сведения о классических методах синтеза феромонов насекомых
- Сометатезис циклоолефинов (ЦО) С5-С12 с а-олефинами в присутствии MoCls/Si02-SnMe4
- Сометатезис циклооктена (ЦОЕ) с а-олефинами
Введение к работе
Одним из важнейших направлений химической науки является синтез биологически активных природных соединений. Разработка недорогих технологически перспективных подходов к получению таких веществ позволяет использовать их в сельском хозяйстве, медицине, парфюмерии и т.д. Защита сельскохозяйственных культур от насекомых- вредителей, до сих пор осуществляется, в основном, с помощью ядохимикатов, в той или иной степени вредных для человека и окружающей среды. То же самое относится и к искусственным стимуляторам роста растений. Передовые, экологически чистые и экономически обоснованные способы защиты растений и пищевых запасов от насекомых-вредителей базируются на использовании феромонов - веществ, которые вырабатывают насекомые для обмена информацией внутри одного вида. Половые феромоны вырабатывают самки насекомых для привлечения самцов к спариванию и, таким образом, определяют уровень размножения. Используя синтетические вещества, идентичные по строению и составу природным феромонам можно приманивать насекомых в ловушки, или использовать метод дезориентации, и таким образом регулировать численность популяции определенного вида насекомых, поддерживая ее на разумном уровне для сохранения баланса экосистемы. Этот подход лишен недостатков, которые присущи использованию ядохимикатов, в том числе, биоразлагающихся. При использовании феромонов не происходит привыкания насекомых к применяемым препаратам. Преимущества использования феромонов заключаются в том, что они полностью нетоксичны, эффективность действия достигается при очень малом расходе, воздействию феромонов подвержен широкий перечень различных видов насекомых-вредителей лесного и сельского хозяйств, теплиц и оранжерей, продуктовых складов, жилых построек. Все это обеспечивает абсолютное преимущество данного подхода по сравнению с традиционными способами борьбы с насекомыми- вредителями. С практической точки зрения наибольший интерес представляют половые феромоны (ПФ) насекомых отряда чешуекрылых, которые, как правило,
7 представляют собой ненасыщенные длинноцепные ацетаты, спирты, альдегиды, с двойной связью в положении 5-11 в виде смесей цис (Z) и транс (Е) стереоизомеров определенного состава, либо чистых Z- или Е-стереоизомеров. При этом большинство экономически значимых феромонов содержат преимущественно или только Z-изомеры.
Широкомасштабное использование феромонов сдерживается из-за того, что традиционные методы тонкой органической химии, используемые для получения этих веществ, являются многостадийными (8-9 стадий), исходные соединения и реагенты дороги и, зачастую, токсичны, что приводит к очень высокой стоимости феромонов.
Сометатезис линейных функционализированных олефинов практически не пригоден для синтеза феромонов с Z- конфигурацией двойной связи, так как, в основном, образуются термодинамически более выгодные Е-стереоизомеры. К тому же; ассортимент ограничен 9-моноеновыми компонентами, так как доступным сырьем являются лишь эфиры олеиновой кислоты (Z-9-октадеценовой). Еще один недостаток этого направления связан с тем, что для проведения эффективного сометатезиса требуются очень дорогие, гомогенные индивидуальные металлкарбеновые комплексы.
Поэтому разработка эффективной, малостадийной Z-стереонаправленной стратегии синтеза широкого спектра феромонов и других природных соединений на основе доступного нефтехимического сырья (циклоолефины и а-олефины) и технологичных гетерогенных каталитических систем метатезиса является актуальной задачей
Различные типы реакций метатезиса, их стереохимия и использование для синтеза природных соединений
Как уже было сказано в разделе 1.1, одними из первых объектов при исследованиях, связанных с метатезисом, были линейные олефины, поэтому реакции метатезиса с их участием наиболее изучены. В данном разделе будут рассмотрены результаты тех работ, в которых рассматривается стереохимический аспект метатезиса линейных олефинов [85-107]. Практически во всех работах посвященных, изучению стереоселективности линейных олефинов, обсуждаются значения стереосостава продуктов и реагентов при нулевых конверсиях, полученных путем экстраполяции результатов. Необходимость экстраполяции объясняется протеканием вырожденых реакций метатезиса, которые существенно усложняют понимание стереоконтроля продуктивногого процесса. По мнению многих авторов данные по изменению E/Z отношений реагентов и продуктов во времени несут полезную информацию, однако механизм тогда становится настолько сложным, что существующие представления [48] об ответственности металлоциклобутанов за стереосостав требуют ряда дополнительных пояснений. Некоторые примеры процедур экстраполяции представленны на рисунках 1.1-1.4. По абсциссе, чаще всего, откладывают время (рис, 1.1), или конверсию реагента (рис. 1.3-1.4), а по оси ординат изменение отношения E/Z изомеров или содежание стереоизомера (рис. 1.3,1.4). Отмечается, что стереоселективность продуктов метатезиса линейных олефинов зависит от природы реагента и каталитической системы. В таблице 1.1 представлены литературные данные по стереоселективности гомометатезиса ос-олефинов при нулевой конверсии для различных каталитических систем. Видно, что в зависимости от каталитической системы пропилен дает от 33 до 54% Я-стереоизомеров, примерно такие же значения (59%-Е) наблюдаются и для продукта гомометатезиса 1-бутена. Все остальные а-олефины за исключением 3-метил-1-гексена приводят к образованию 75+8% "-стереоизомеров. Более низкое содержание Е-стереоизомера (46 %) в продуктах метатезиса 3-метил-1-гексена приписан авторами отталкивающим взаимодействиям метальной группы в промежуточном Я-металлциклобутановом интермедиате [91]. Что касается стереоселективности метатезиса внутренних олефинов, то основная часть работ посвещена гомометатезису Z- и Е- 2-пентена. Анализ результатов этих работ позволяет сделать следующий основной вывод, заключающийся в том, что стереосостав продуктов в начальный момент времени зависит от конфигурации исходной двойной связи, Z-2-пентен дает преимущественно Z-продукты, Я-2-пентен - преимущественно Е. А конкретная величина зависит от каталитической системы и условий проведения реакции (табл.№ 1.2).
Зависимость стереосостава продуктов гомометатезиса 2-пентена от природы переходного металла катализатора изучалось в работах Леконта с сотрудниками [85, 92]. Авторами было установлено, что в ряду Cr - Mo - W в каталитических системах типа I-III наблюдается уменьшение в стереоселективности формирования Z-2-бутена из Z-2-пентена: (I) М(СО)3 (mes) /EtAlCl2/02: Cr 69 %, Mo 63 %, W 56 %; работе [98] отмечается, что при гомометатезисе Z-2-пентена катализируемого WCl2(OAr)4/Et3Al2Cl3 Z/E отношение в продуктах практически не зависит от природы и места заместителей в ароматическом кольце (табл.№ 1.2). Но в случае гомометатезиса is-2-пентена, катализатор, имеющий орто-заместитель(и) в ароксильном лиганде дает продукты с более низким содержанием Я-изомера (табл.№ 1.2). В таблице № 1.3 представлены литературные данные по стереоселективности гомометатезиса 2-алкенов с общей формулой RCH=CHMe для различных каталитических систем. Можно увидеть, что также как и в случае 2-пентена, образующийся при нулевых конверсиях 2-бутен имеет преимущественно Z-конфигурацию, когда исходный реагент - Z, и Е, когда реагент - Е. В случае Ме2СНСН=СНМе, продукт Ме2СНСН=СНСНМе2 - полностью Е независимо от того, является ли реагент Z или Е. В работе [90] сообщается, что при метатезисе линейных внутренних Z-олефинов RCH=CHR на ReiCVCsNCVAbC , содержание Я-продуктов увеличивается с размером R или R . Так, содержание Я-изомера в 5-децене, полученом при метатезисе BuCH=CHR, уменьшается в ряду: (R=H, 71 %), (R=Me, 67 %), (R=Et, 64 %). В отличие от стереоселективности при нулевых конверсиях реагентов, равновесные значения стереосостава продуктов не зависят от исходной конфигурации двойной связи внутреннего олефина. В работах Кальдерона [97] и Зовада [104] были определены равновесные значения для широкого ряда внутренних олефинов в присутствии каталитической системы WC /EtAlCl2/EtOH (табл.№ 1.4). Большинство авторов [85,90,95,96,100,101,105-107] для объяснения результатов стереоселективности придерживаются механизма устойчивости промежуточного металлоциклобутанового интермедиата и принципа наименьшей энергии взаимодействия радикалов в данном комплексе. На сегодняшний момент эта теория является наиболее универсальной для объяснения большинства примеров стереоселективности линейных олефинов.
Катализаторы метатезиса способны, в принципе, инициировать побочные реакции, к которым относятся: изомеризация двойной связи, олигомеризация и алкилирование ароматических растворителей. Как правило, указанные процессы протекают с небольшим вкладом, т.е. применяемые гетерогенные или гомогенные каталитические системы являются высокоселективными, однако, в ряде случаев нежелательные реакции становятся весьма заметными или даже преобладающими. Например, попытки осуществить метатезис изобутена в присутствии R CVAbCb, WCVSiC или M0O3/AI2O3 (как с добавлением алюминийорганических соединений, так и без них) приводили лишь к полимеризации, протекающей на кислотных центрах носителя. Подобная картина наблюдалась и при использовании гомогенной системы на основе WCIG [108]. Распространенной побочной реакцией является миграция двойной связи, что приводит к образованию многокомпонентных конечных смесей олефинов. При прочих равных условиях вклад этой реакции возрастает при переходе от линейных олефинов с внутренней двойной связью к а-олефинам и далее к разветвленным алкенам [97]. При использовании гетерогенных катализаторов изомеризующие центры (катионного типа) могут быть подавлены добавлением ингибиторов основного характера, например, щелочей или щелочных металлов [108, 13, 109]. При гомогенном катализе степень изомеризации существенно зависит от выбора сокатализатора [10]. Следует отметить, что реакция изомеризации олефинов, как правило, является значительно более медленной, чем реакция метатезиса, и, следовательно, может быть сведена к минимуму работой в условиях малых времен контакта и низких температур [10]. Гетерогенные и гомогенные катализаторы метатезиса, как уже отмечалось, могут вызывать более или менее интенсивную олигомеризацию (или полимеризацию), причем активность а-олефинов в этом отношении выше, чем олефинов с внутренней двойной связью. Способ подавления олигомеризационных процессов , протекающих на гетерогенных системах, тот же, что и описанный выше — отравление кислотных центров добавлением соединений основного характера, например, карбоната натрия [13]. При использовании гомогенных систем относительный вклад метатезиса и олигомеризации в ряде случаев может быть отрегулирован варьированием соотношения катализатора и сокатализатора (увеличение количества алкилирующего агента или электронодонорных добавок ведет к подавлению олигомеризации) [ПО, 111]. Если метатезис проводится в среде ароматических растворителей, возможно их алкилирование олефином по типу реакции Фриделя — Крафтса [ПО, 112 -115].
Краткие сведения о классических методах синтеза феромонов насекомых
Среди многочисленных сигнальных веществ, используемых насекомыми наиболее изученными являются половые феромоны (ПФ). ПФ насекомых отряда чешуекрылых, как правило, представляют собой ненасыщенные длинноцепные ацетаты, спирты, альдегиды реже сложные эфиры, кислоты, эпоксиды, а ПФ отряда двукрылых содержат ненасыщенные углеводороды. Перечисленные соединения состоят из смесей Z и Е изомеров определенного состава, либо чистых Z- или Е-изомеров. При этом подавляющее большинство экономически значимых феромонов содержат преимущественно или только Z-изомеры. Как правило, синтезы ПФ так же как и других еновых соединений, основаны на Z- стереоселективных вариантах реакции Виттига [135, 163, 195, 196] или превращении тройной связи в Z- или Е- двойную [135, 163, 195, 196] (схема 1.36). Применение гексаметилдисилазида натрия (-78 С) в реакции Виттига позволяет получать Z-изомеры с чистотой 98 % [197]. При парциальном гидрировании ацетиленовых соединений, с использованием "Р-2 Ni-en"[198] или катализаторов Линдлара при низкой температуре [196], стереоселективность возрастает до 99 %. Примерно такие же значения стереочистоты наблюдались при гидроборировании алкинов 9-BBN с последующим протонолизом [199] или карбокуприровании ацетиленовых соединений [200]. При восстановлении ацетиленовых соединений LiAlH4 образуются Е-стереоизомеры. Классические методы синтеза тех компонентов феромонов, которые получены в данной работе подробно изложены в обзорах [135, 163, 195, 196]. 1.1.6 Стереохимия метатезисной полимеризации с раскрытием ЦО (ROMP) ROMP не используют в синтезе природных соединений, однако, поскольку объектами исследования в данной работе являются и ЦО целесообразно, на наш взгляд, рассмотреть стереохимический аспект данного процесса. ROMP приводит к образованию полимеров, полностью сохраняющих ненасыщенность исходного ЦО. В качестве мономеров могут быть использованы циклобутен, циклопентен, циклогептен, циклооктен, циклооктадиен, циклодецен, циклододецен или бициклические олефины, такие как норборнен и его производные [48] схема 1.37.
Весь процесс включения нового мономерного звена в цепь полиалкенамера состоит из последовательных равновесных актов координации ЦО на атоме металла (1), преобразования такого я-комплекса в металлациклобутан (2), распада последнего с образованием л-комплекса с новообразованной связью С=С (3) (или регенерации исходного 7с-комплекса ЦО (2) и, наконец, декоординации новообразованной связи с активного центра. Значительная часть опубликованных статей и патентов по ROMP посвящена полимеризации циклопентена (ЦП), что обусловлено набором уникальных полезных свойств получаемых полимеров. Полипентенамеры преимущественно с Z или -конфигурацией двойных связей обладают сущетвенно отличающимися свойствами. 7/?янс-полипентенамер (ТПМ) по комплексу свойств близок к натуральному каучуку (НК); он способен кристаллизоваться при растяжении, что обуславливает высокую прочность невулканизированных смесей на его основе. ТПМ имеет хорошие технологические свойства - легко вальцуется, каландруется, шприцуется и обладает уникальной способностью наполняться большим количеством сажи и минерального масла. Являясь каучуком общего назначения, ТПМ пригоден в частности для изготовления протекторных резин [201]. В отличие от ТПМ, г/мс-полипентанамер (ЦПМ) не обладает столь высокими физико-механическими характеристиками, но он представляет интерес как морозостойкий каучук. Он имеет самую низкую температуру стеклования (-115С) из всех полимеров с углеводородной цепью, причем он практически не кристализуется до этой температуры. Поэтому ЦПМ является весьма перспективным сырьем для получения резин, работающих при низких температурах [201]. Литературные данные показывают, что основными факторами, определяющими стереоселективность метатезисной полимеризации ЦП, являются характер каталитической системы и условия проведения процесса. Большинство каталитических систем, применяемых для ROMP ЦП, базируется на соединениях вольфрама; реже используются соединения молибдена, рения, тантала, рутения и титана. В качестве катализаторов для получения ТПМ предложены \УС1б в сочетании с алюминийорганйческими соединениями [202-204], галогенидами А1 [205], оловоорганическими соединениями [206, 207], гидридами кремния и олова [208], бутиллитием [209], металлическими Li, Са, комбинацией металлического А1 с АІСІз [210], аллильными комплексами Cr, W [211, 208, 210], Мо [212, 211] и Zr [212]. Вместо WCk применялись и другие галогениды, оксигалогениды и алкоксигалогениды W, например WOCLj в сочетании с B114S11 [209, 16]. WF6 с этилалюминийсесквихлоридом [208] и т. д. Особенно эффективны и стабильны трехкомпонентные системы содержащие, наряду с WC16 (или WOOL ) и алюминийалкилами, стехиометрические количества разнообразных кислородсодержащих соединений: спиртов [8, 213], фенолов [213, 214], органических перекисей и гидроперекисей [211, 210, 213], молекулярного кислорода [213] и т. д.
Подробный перечень разнообразных двух- и трехкомпонентных систем для получения ТПМ, содержащих соединения W, можно найти в обзоре [215]. Для получения ТПМ применялись также катализаторы на основе соединений молибдена: МоСЬ( Ю)2(РРпз)2-Ме3А12С13 [216], MoCl3(cTeapaT)2-Et2AlCl [216, 217], MoCls-EuSn-хлорированные эфир [218]. По данным работы [210], активным катализатором т/?янс-полимеризации ЦП является система TaCls—EtAlCb, эффективность которой может быть еще повышена добавкой небольшого количества эпихлоргидрина. ЦПМ впервые был с небольшим выходом получен на молибден содержащей каталитической системе в работе Натта и сотр. [202]. Втечение длительного времени система M0CI5-E13AI была единственным катализатором z/wc-полимеризации ЦП. Однако впоследствии появилось большое количество работ в которых были предложены самые разнообразные каталитические системы, приводящие к образованию полимеров с высоким содержанием Z-связей: WCl6/Et3Al/(PhCOO)2 при -40С [219], W(=CPh2)(CO)5 при 40С [220], WCl6(CH2=CHCH2)4Si при -30С [221-223], свежеприготовленный раствор WC16, подвергнутый ультрафиолетовому облучению [224], \\ТУЕ13А12С1з (2/1) при -30С [210], WF6/EtAlCl2 [101],W(=CPh)Br(CO)4 при 22С [225], WCl6/Ph4Sn при -20С [226, 227], Ті(=СНСМе2СН=СН2)Ср2 в 40С [228] и др. Впоследствии было установлено, что на некоторых катализаторах в зависимости от условий проведения процесса можно получать как Я-, так и Z-полипентенамер. Для системы WF6- ЕізА12С1з было показано [208], что микроструктура получаемого полипентенамера зависит от молярного отношения A1/W. При низких отношениях (A1/W 1) получается полимер с 83% Z-звеньев, тогда как при высоких (А1А 4)-полимер с 90% Я-звеньев. Влияние увеличения отношения E13AI2CI3/WF6 (рис. 1.7) может быть результатом уменьшающейся степени окисления вольфрама и (или) замены фторида менее электроотрицательными лигандами хлора. Минчак и Такер [219] установили зависимость микроструктуры полипентенамера, получаемого на каталитической системе ШОб/ЕїзАІ/ перекись бензоила, от температуры, при которой проводится полимеризация. При повышении температуры полимеризации от -40 до 20С содержание Z-звеньев падает с 99-100% до 15-20%. Особенно резкое изменение микроструктуры происходит в диапазоне от -25 до -40С. Температурную зависимость микроструктуры полипентенамера наблюдали также в работе [207], где использовался катализатор WCle/EtjSn. Как полагают авторы [207], за цис- и /и/ю7/с-полимеризацию ответственны активные центры разной природы. Катализатор, полученный из WC16, EtiSn и Et20 (1:2:2) при 20С активно полимеризует ЦП в -полимер, но при -30 активности не проявляет. Без Et20 каталитическая система WCl6/EtSn становится активной при -30С и приводит к образованию полипентенамера с 92% Z-звеньев. Общая закономерность падения содержания Z-двойных связей при повышении температуры отмечена для различных каталитических систем, (см. рис. 1.8 и 1.9) [229, 230].
Сометатезис циклоолефинов (ЦО) С5-С12 с а-олефинами в присутствии MoCls/Si02-SnMe4
В конце 80-х годов нами было начато систематическое исследование сометатезиса ЦО с а-олефинами с целью разработки новой стратегии синтеза биологически активных природных соединений, таких как, феромоны насекомых, регуляторов роста растений, душистых веществ. Она включает сометатезис ЦО С5-С12 с а-олефинами C4-C6,Cg,Ci8 , как ключевую реакцию, для получения широкого спектра полиенов заданного строения (1,А-диенов, а,ш-диенов, полиенов определенной длины с одной концевой связью), с последующей региоселективной функционализацией одной или двух концевых двойных связей. В часности, для получения моноеновых компонентов феромонов с длиной цепи Ci2 -C16 и двойной связью в положении 6-11 использовали следующую методологию: общая длина цепи в 1,А-диене (значение А определяет положение двойной связи), а, следовательно, и в компоненте феромона, определяется суммой числа атомов углерода в исходных а-олефине и ЦО, а положение двойной связи по отношению к функциональной группе - числом атомов углерода в ЦО плюс единица В этом разделе будут рассмотрены результаты по сометатезису с участием циклоолефинов ряда С5-С12, которые представляют наибольший интерес для синтеза многих природных соединений. Циклобутен является высоконапряженным карбоциклом, обладающим большой склонностью к полимеризации. К тому же он труднодоступен, в отличие, от рассматриваемого ряда в котором практически все ЦО, кроме циклононена, представляют собой доступное сырье нефтехимического происхождения. Для всех указанных циклоолефинов применима общая схема сометатезиса с а-олефинами (схема 2.25), согласно которой данная реакция приводит к образованию продуктов, представляющих собой три типа полиенов: с двумя концевыми связями (I), с одной концевой связью (II), и не имеющих концевых двойных связей (III). Все образующиеся продукты, кроме а,со-диена, имеют нескольких п-диастереомеров. Стереосостав этих продуктов зависит от условий сометатезиса и размера ЦО. Основное внимание уделялось данным по стереосоставу 1,А-диенов, являющихся основными продуктами сометатезиса циклоолефинов с сс-олефином при избытке последнего. В случае 1 ,А-диенов возможно образование двух тг-диастереомеров с (Z) и (Е) конфигурацией внутренней двойной связи. Схема 2.25 Помимо продуктов сометатезиса в реакционной смеси всегда присутствуют продукты гомометатезиса ос-олефина - симметричные внутренние олефины, для которых также образуется два стереоизомера.
Таким образом, можно проводить сравнение стереосостава продуктов сометатезиса ЦО (1,А-диенов) со стереосоставом продуктов метатезиса линейных олефинов, получаемых в одних и тех же условиях. Ниже будут представлены и обсуждены экспериментальные результаты по хемо- и стереоселективности сометатезиса для каждого ЦО изучаемого ряда С5-С10, а также общие закономерности. Циклопентен (ЦП) является одним из наиболее популярных объектов изучения метатезиса ЦО. Как видно из литературного обзора, большинство научных статей и патентов связанно с его метатезисной полимеризацией. Это обусловлено простотой процесса полимеризации, широким спектром полезных свойств получаемых полимеров и доступностью ЦП - продукта, получаемого из нефтехимического циклопентадиена. В качестве исходных а-олефинов были использованы 1-гексен и 1-октен, а также 1-пентен. Выбор этих олефинов основан на том , что в сочетании с ЦП образуются полиены небходимые для синтеза биологически активных природных соединений. ЦП представляет собой удобный объект для изучения стереоселективности, так как имеется возможность сравнить полученные результаты с уже имеющимися результатами по стереосоставу полимерных цепей, полученных в различных условиях, для большого числа каталитических систем. 2.2.1.1 Сометатезис циклопентена с 1-гексеном Реакция сометатезиса циклопентена с 1-гексеном протекает по общей схеме сометатезиса циклоолефинов с а-олефинами, представляющей собой ряд последовательно-параллельных реакций (схема 2.26). Схема 2.26 Рост цепи осуществляется за счет последовательного внедрения молекул ЦП, а ее обрыв - за счет взаимодействия с 1-гексеном. Таким образом, реакционная смесь представляет собой набор продуктов роста и обрыва цепи, а их соотношение зависит от начального соотношения исходных реагентов - ЦП и 1-гексена. В реакционной смеси присутствует также 5-децен - продукт гомометатезиса 1-гексена. Практически все образующиеся соединения удалось разделить с помощью капиллярной газовой хроматографии (приложение рис. п. 1, стр. 326), что позволило контролировать содержание большинства теоретически возможных стереоизомеров. Ниже приведены основные компоненты реакционной смеси, идентифицированные нами: Наибольшой интерес для синтеза природных соединений представляют 1,6-ундекадиен (1,6-УДД) и 1,6,11-гексадекатриен (1,6,11-ГДТ) - полиены с одной концевой двойной связью (продукты однократного и двукратного внедрения ЦП в молекулу 1-гексена). Для подавления роста цепи необходимо использовать избыток а-олефина.
При мольном отношениями ЦП:1-гексен=1:3 и температуре +25 С основными продуктами являются 1,6-УДД и 1,6,11-ГДТ. Как видно из таблицы № 2.21, их суммарное количество в широком интервале конверсии ЦП (от 1 до 60%) составляет более 90 % от суммы всех сометатезисных продуктов (при этом, содержание 1,6-УДД - 73 %). При более глубокой конверсии ЦП (76 %) их содержание снижается до 47 % и 11 %, соответственно. Количество 5,10-пентадекадиена (5,10-ПДД), не имеющего концевых двойных связей, возрастает от 0,5 % до 27 %. Это связанно с тем, что 5,10-ПДД является продуктом обрыва цепи. Этот процесс начинает преобладать по мере расходования ЦП и накопления 5-децена. Количество 1,6,11-додекатриена не велико и во всем интервале конверсии ЦП не превышает 3 % от массы всех сометатезисных продуктов (табл. № 2.21). Для 1,6-УДД, имеющего одну внутреннюю двойную связь, возможно существование двух стереоизомеров. Из рисунка.2.13 видно, что в достаточно широком интервале конверсии ЦП (от 1 до 45 %) Z-изомер 1,6-УДД является основным. Это связанно с тем, что к концу реакции 1,6,11-ГДТ начинает переходить в 5,10-пентадекадиен, который формально можно считать продуктом обрыва цепи. 1,6,11-ГДТ - несимметричный триен с двумя внутренними двойными связями, для него возможно существование четырех стереоизомеров. На фазе СКТФП удалось разделить лишь попарно (ЕЕ и EZ), (ZE и ZZ). При использовании колонки с фазой SE-30 удалось зафиксировать все четыре стереоизомера, однако, для анализа стереосостава других продуктов сометатезиса, такая колонка оказалась не эффективной. Полученные результаты для пар стереоизомеров 1,6,11-гексадекатриена позволяют сделать вывод о том, во всем интервале конверсии ЦП преобладают ЕЕ и EZ-стереоизомеры (табл. № 2.22). В таблице №10 приведены данные по величинам отношения массы 5-децена к суммарной массе сометатезисных продуктов, в зависимости от конверсии ЦП. Анализ этих данных показывает, что это отношение с увеличением конверсии ЦП от 22 до 77 % возрастает от 0,05 до 0,81 (табл.№ 2.23 оп.1). Очевидно, что реакционная способность ЦП в реакции сометатезиса в несколько раз превосходит реакционную способность 1-гексена в реакции гомометатезиса. Именно поэтому при низких конверсиях ЦП 5-децен отсутствует, а резкое повышение содержания 5-децена при высоких конверсиях ЦП связанно с тем, что сометатезис ЦП с 1-гексеном приходит к термодинамическому равновесию, а реакция гомометатезиса еще продолжается, что и приводит к накоплению 5-децена. Необходимо заметить, что равновесная конверсия ЦП достигала 77 %, но при этом стереосостав продуктов еще не достигал термодинамически равновесных величин. Добавление новой порции катализатора не изменило значения равновесных концентраций.
Сометатезис циклооктена (ЦОЕ) с а-олефинами
ЦОЕ является одним из самых популярных объектов метатезиса с участием циклоолефинов, так как представляет собой доступный реагент, получаемый гидрированием 1,5-циклооктадиена. Последний производят в промышленном масштабе, циклодимеризацией бутадиена в присутствии никельсодержащих катализаторов [261]. 2.2.4.1 Сометатезис циклооктена с 1-гексеном Сометатезис ЦОЕ и 1-гексена, как и в случае других циклоолефинов протекает как ряд последовательно-параллельных реакций (схема 2.35): Реакция роста цепи осуществляется за счет молекул ЦОЕ, а обрыв цепи с участием - 1-гексена. С этими процессами конкурирует реакция гомометатезиса 1-гексена, приводящая к 5-децену. Так же как в случае ЦП и ЦТ, образуются полиены трех типов: с двумя концевыми, одной концевой и не имеющие концевых двойных связей. В том случае, когда используется избыток 1-гексена основными продуктами реакции являются следующие соединения: приведенные углеводороды удалось четко разделить с помощью капиллярной газовой хроматографии (рис. п. 4, стр, 327), что позволило нам контролировать содержание всех теоретически возможных стереоизомеров ВПЛОТЬ ДО С22-.3- Влияние конверсии на селективность и стереоселективность сометатезиса циклооктена с 1-гексеном При мольном отношении Ц0Е:1-гексен = 1:3 и температуре 25 С в составе сометатезисных продуктов преобладают два продукта - 1,9-декадиен и 1,9-тетрадекадиен. Так, при конверсии ЦОЕ 8 % их содержание равно 23 и 69 %, соответственно, что в сумме составляет 92 % от всей массы сометатезисных продуктов (табл.№ 2.45). С ростом конверсии ЦОЕ до 99 % их содержание заметно снижается до 13 и 42 %, соответственно, за счет увеличения доли 5,13-октадекадиена и 1,9,17-докозатриена, содержание которых увеличивается с4до28%ис 1.5 до 8%, соответственно. В таблице № 2.46 приведены данные по изменению стереосостава сометатезисных продуктов в зависимости от конверсии ЦОЕ. Видно, что 1,Z-9-тетрадекадиен, в широком интервале конверсии ЦОЕ (2-75 %), является основным продуктом. Максимальное его содержание (73 %) наблюдается при конверсии ЦОЕ (2 %), затем происходит плавное снижение доли l,Z-9-тетрадекадиена, а после достижения 80 % конверсии ЦОЕ его содержание резко падает (рис. 2.38).
При невысоких конверсиях ЦОЕ среди трех образующихся стереоизомеров 5,13-октадекадиена, основным является ZE-изомер, его содержание 58-59 % (при конверсиях 8-28 %), гораздо меньше ZZ- (22-25 %) и ЕЕ- (16-20 %) стереоизомеров. С ростом конверсии ЦОЕ плавно практически линейно возрастает содержание термодинамически выгодного ЕЕ-изомера за счет уменьшения доли ZZ-изомера, а при более глубоких конверсиях ЦОЕ ( 75 %) за счет ZE-изомера (рис. 2.40). При достижении термодинамического равновесия отношение изомеров составляет EE:EZ:ZZ = 72:26:2. Анализ содержания индивидуальных стереоизомеров 1,9,17-докозатриена (табл.№ 2.46) показывает, что при низких конверсиях ЦОЕ (8-22 %) в реакционной смеси преобладает ZZ-изомер (59-54 %). Количество каждого из оставшихся трех изомеров в этом же интервале конверсии не превышает 21 % (табл.№ 2.46). С ростом конверсии ЦОЕ количество ZZ-изомера уменьшается, а содержание EZ- и ZE-изомеров возрастает. Термодинамически равновесное содержание стереоизомеров 1,9,17-докозатриена составляет 74:13:12:1(EE:EZ:ZE:ZZ). В продукте гомометатезиса - 5-децене, как и во всех предыдущих случаях, преобладает Е-изомер, а содержание Z-изомера не превышает 25 % (табл.№ 2.47 ). С возрастанием конверсии ЦОЕ (до 99 %) его содержание уменьшается с 25 до 18 %. Отношение массы 5-децена к сумме сометатезисных продуктов (табл.№ 2.47 оп.1) составляет 0.40 при конверсии ЦОЕ 14 %. По мере увеличения конверсии до 99 %, это отношение возрастает до 2.14. Зафиксированная в данном опыте 99 % конверсия ЦОЕ, свидетельствует о том, что если и существует равновесие «ЦОЕ-продукты реакции», то оно очень сильно смещено вправо и заметного влияния на стереосостав не оказывает. Влияние температуры реакции на селективность и стереоселективность сометатезиса циклооктена с 1-гексеном При понижении температуры реакции с 25 С до 5 С, и невысоких конверсиях ЦОЕ, немного увеличивается содержание 1,9-тетрадекадиена (70-75 %) и 1,9,17-докозатриена (10-11 %) и уменьшается содержание 1,9-декадиена (10-11 %) (табл.№ 2.48 и 2.45). Как уже отмечалось, температура оказывает влияние на стереоселективность сометатезиса ЦП и ЦТ. В случае ЦОЕ также отмечается повышение содержания Z-изомеров в сометатезисных продуктах при понижении температуры реакции (табл.№ 2.49).
На рисунке № 2.41 приведены зависимости изменения содержания целевого 1 -9-тетрадекадиена (l,Z-9-ТДД) от конверсии ЦОЕ при различных температурах. Видно, что при невысоких конверсиях (3-19 %) содержание ljZ-9-ТДД изменяется незначительно (на 1-3 %), а при относительно высоких конверсиях (35-70 %) Отметим более медленное накопление термодинамически выгодного ЕЕ-изомера с ростом конверсии о чем свидетельствуют меньшие углы наклона кривых изменения содержания всех стереоизомеров (рис. 2.42 и 2.40). С понижением температуры несколько возрастает содержание ZZ- и ZE-стереоизомеров 1,9,17-докозатриена. При увеличении мольного отношения ЦОЕ:1-гексен с 1:3 до 1:1, при невысоких конверсиях ЦОЕ, немного увеличивается доля продуктов второго и последующих внедрений ЦОЕ в молекулу 1-гексена. Так, содержание 1,9,17-докозатриена составляет 20-14 % при конверсиях 1-23 %. При мольном отношении исходных реагентов 1:3 его количество не превышало 3 %. С ростом конверсии ЦОЕ возрастает содержание 1,9-декадиена и 5,13-октадекадиена (табл.№ 2.50). И лишь при более глубоких конверсиях наблюдается некоторое увеличение содержания 1 ,Е-9-тетрадекадиена при отношении реагентов 1:1. Это вероятно, связанно с вырожденными реакциями линейных структур с вторичными активными карбеновыми центрами, относительное количество которых зависит от мольного отношения. Подобная зависимость наблюдается и для изменения содержания 1,2-9,17-октадекатриена (рис. 2.44). Изменение мольного отношения исходных реагентов с 1:3 до 1:1 не повлияло на стереосостав 5-децена (табл.№ 2.47 оп.З и 1). Отношение массы 5-децена к сумме сометатезисных продуктов уменьшилось и составило 0.25 и 0.78 при конверсиях ЦОЕ 23 и 99 %, соответственно. При мольном отношении ЦОЕ:1-гексен = 1:3 эти величины равны 0.40 и 2.14 (табл.№ 2.47 оп.З и 1). Сометатезис ЦОЕ с 1-гексеном в присутствии РЬзР проводили при температуре 25 С и мольном отношении ЦОЕ:1-гексен = 1:3. Количество РЬзР брали из расчета РЬзР:Мо=1:1 (моль). Сометатезис протекал крайне медленно и конверсия ЦОЕ не достигала высоких значений. Основными соединениями, образующимися в результате реакции, являются 1,9-тетрадекадиен и 1,9-декадиен. До 10 %-ой конверсии ЦОЕ они были единственными продуктами сометатезиса (68 и 32%, соответственно). С увеличением конверсии ЦОЕ их суммарная доля снижается до 86 % (табл.№ 2.52). Отметим значительное увеличение содержания 1,9-декадиена и уменьшение доли 1,9-тетрадекадиена по сравнению с опытом проведенным без РЬзР. Так, при конверсии ЦОЕ 22 % вклад 1,9-декадиена возрастает с 21 % (без РЬзР) до 35 % (с Ph3P), а содержание 1,9-тетрадекадиена падает с 68 до 58 %.
