Введение к работе
Актуальность темы. Химия сопряжённых нитроалкенов, успешно применяющихся в качестве синтонов и строительных блоков, относится к интенсивно развивающимся фундаментальным направлениям современного органического синтеза. Особого внимания заслуживают нитроалкены, содержащие в ^-положении электроноакцепторные заместители, значительно повышающие электро-фильность кратной связи, что делает их перспективными диено- и диполяро-филами в реакциях [7г4+7г2]-циклоприсоединения. Интерес к этим реакциям обусловлен возможностью получения на их основе функционализированных нитрокарбо- и гетероциклических систем, являющихся интермедиатами в синтезе природных соединений (С-нуклеозидов, терпенов, алкалоидов), биологически активных веществ и лекарственных препаратов.
Введение в молекулы нитроалкенов диалкоксифосфорильной или сложно-эфирной функции в вицинальное и атома брома в геминальное положения по отношению к нитрогруппе существенно расширяет диапазон синтетических возможностей этих соединений, а структурное сходство /?-нитроэтенилфосфо-натов и /?-нитроакрилатов позволяет осуществить сравнительную оценку влияния диалкоксифосфорильной, алкоксикарбонильной групп и атома брома на электрофильность кратной связи и на специфику их поведения в реакциях цик-лоприсоединения по сравнению с простейшими нитроэтенами, а также на ре-гио- и стереоселективность изучаемых процессов.
Вместе с тем, исследуемые /?-нитро- и /?-галоген-/?-нитроэтенилфосфонаты (карбоксилаты) можно использовать в качестве удобных реагентов для конструирования новых типов полифункциональных карбо- и гетероциклических систем, содержащих одновременно NO2 и P(0)(OR)2 [CO2R] группы, легко модифицируемые в амино- и фосфоновую [карбоксильную] функции. Это особенно существенно, если учесть возможность получения на их основе труднодоступных циклических /?-аминофосфоновых и /?-аминокарбоновых кислот, которые могут рассматриваться как потенциально биологически активные вещества.
Работа выполнена в соответствии с заданиями Министерства образования РФ и Федерального Агентства по образованию в рамках научно-исследовательского направления кафедры органической химии и проблемной лаборатории нитросоединений РГПУ им. А.И.Герцена по химии функционализированных нитросоединений (номера гос. регистрации: 01.2.00100778, 01 02 03 04244, 0120. 0711439), а также в рамках выполнения гранта Министерства образования №Е 02-5.0-102.
Целью настоящей работы является исследование химического поведения /?-нитроэтенилфосфонатов(карбоксилатов) и их /?-бромсодержащих аналогов в реакциях с 1,3-диенами и 1,3-диполями. Для достижения поставленной цели планировалось выполнение следующих задач:
- изучение электронного и пространственного строения структурнооднотип-ных пар функционализированных нитроалкенов - /?-нитроэтенилфосфоната и /?-нитроакрилата, /?-бром-/?-нитроэтенилфосфоната и /?-бром-/?-нитроакрилата;
изучение химического поведения исследуемых нитроалкенов в реакциях [7г4+7г2]-циклоприсоединения (Дильса-Альдера и Хьюзгена); выявление основных закономерностей и специфических особенностей их протекания;
оценка синтетического потенциала /?-нитро- и /?-бром-/?-нитроэтенилфос-фонатов(карбоксилатов) в конструировании нитросодержащих карбо- и гетеро-циклов с фосфонатной и карбоксилатной функциями;
исследование строения полученных серий синтезированных нитроцикло-алкенил- и нитрогетерилфосфонатов(карбоксилатов);
синтез /?-аминоциклоалкилкарбоновых(фосфоновых) кислот и их эфиров. Научная новизна работы. На основании комплексного анализа спектральных (ИК, УФ, ЯМР Н, С, Р) параметров, дипольных моментов и результатов кванто-вохимических расчетов установлено, что структурнооднотипные пары объектов исследования - /?-нитроэтенилфосфонаты и -карбоксилаты, а также их бромсодер-жащие аналоги имеют идентичную конфигурацию с /ттршоориентацией нитро- и фосфонатной(карбоксилатной) функций, существуют преимущественно в s-цис-конформации [относительно расположения С=С и Р=0 (или С=0) связей], при этом молекулы /?-нитро- и /?-бром-/?-нитроакрилатов копланарны.
Впервые проведённый квантовохимический расчёт (программный комплекс Gaussian-03W, метод DFT, базисы B3LYP/6-31+G*, SDB-cc-pVTZ) граничных молекулярных орбиталей (взмо, нвмо) /?-нитроэтенилфосфонатов (-карбокси-латов) позволил осуществить прогнозирование сравнительной реакционной способности этих нитроалкенов и региоселективности изучаемых реакций диенового синтеза и 1,3-диполярного циклоприсоединения.
Впервые систематически исследованы реакции [7г4+7г2]-циклоприсоединения /?-нитро- и /?-бром-/?-нитроэтенилфосфонатов(карбоксилатов) с ациклическими, карбо- и гетероциклическими 1,3-диенами, /?-гетерилнитроэтенами и 1,3-диполями ряда азидов и диазосоединений; выявлены специфические особенности их взаимодействия и определены основные направления этих реакций. Проанализирован весь спектр образующихся продуктов - нитросодержащих циклоалкенил(гетерил)фосфонатов и -карбоксилатов. Показано, что исследуемые диенофилы в реакции Дильса-Альдера с ациклическим несимметричным диеном (изопрен) и /?-гетерилнитроэтенами дают региоизомерные аддукты (цик-логексены, карбазолы и бензофураны). С моноциклическими диенами (цикло-пента- и циклогексадиены, фуран) они образуют эндоО^Ог)- и экзо(Ж)2)-диа-стереомерные бициклены (норборнены, бициклооктены, оксанорборнены); при этом нитрогруппа более эффективно (по сравнению с фосфонатной и карбоксилатной функциями) контролирует регио- и стереонаправленность диенового синтеза и способствует преимущественному образованию 3-метилциклогексенов, а также энб)о(Ж)2)-изомеров норборненов и бициклооктенов.
Кинетические исследования (метод УФ спектроскопии) реакции структур-нооднотипных пар /^-нитроалкенов и их /?-бромзамещенных аналогов с цикло-пентадиеном показали несколько более высокую реакционную способность этил-/?-нитроакрилата по сравнению с бис(2-хлорэтил)-/?-нитроэтенилфосфона-том; /?-бром-/?-нитроалкены проявили меньшую активность, чем их нитропред-
шественники. Характерные термодинамические параметры изучаемых реакций (невысокие значения Еа и АН , высокое отрицательное значение AS ) свидетельствуют об одностадийном согласованном механизме этих процессов. Полученный на основании квантовохимических расчётов (взмо, нвмо) ряд активности исследуемых диенофилов (^-нитроакрилат > /?-нитроэтенилфосфонат; (3-нитроалкены > /?-бром-/?-нитроалкены) коррелирует с результатами кинетических исследований, что подтверждает орбитальный контроль этих реакций.
Впервые обнаружено, что /?-бром-/?-нитроэтенилфосфонат и -карбоксилат с фу-раном, /?-фурилнитроэтеном и антраценом реагируют по двум конкурирующим направлениям: диеновый синтез и алкилирование (так называемое «заместительное присоединение») по а-положению фурана и 9-положению антрацена.
Показано, что исследуемые нитроалкены в отличие от модельных винилфос-фоната и акрилата в реакциях [3+2]-циклоприсоединения с азидами и диазосое-динениями образуют региоизомерные 1,2,3-триазолины и А -пиразолины, причём наряду с аддуктами 1,3-диполярного циклоприсоединения - азотсодержащими пятичленными гетероциклами, выделены винилазиды (при взаимодействии с азидом натрия) или малые циклы - производные азиридина и циклопропана (при взаимодействии с фенилазидом и диазосоединениями).
Обнаружена и проанализирована характерная для аддуктов реакции Дильса-Альдера и 1,3-диполярного циклоприсоединения, формирующихся на основе нитро- и галогеннитроалкенов, особенность - повышенная склонность к внутримолекулярным трансформациям (дегидробромирование, денитрация, дегидрирование), протекающим в условиях циклоприсоединения; ужесточение условий исследуемых реакций стимулирует углубление внутримолекулярных превращений аддуктов. Причём наибольшую лабильность, обусловленную стремлением к ароматизации, проявляют аддукты 1,3-диполярного циклоприсоединения (триазолины, пиразолины).
С использованием спектральных (ИК,УФ,ЯМР Н, Р) методов установлена ре-гио- и стереонаправленность изучаемых реакций, охарактеризовано строение всех впервые полученных веществ. Методом рентгеноструктурного анализа определена геометрия и структурные параметры представителей полученных серий циклических нитросоединений ряда норборнена, 9,10-дигидро-9,10-этаноантрацена, кар-базола, пиразола, триазола, 2,5-ди(2-нитроэтенил)фурана. Совпадение полученных результатов с выводами о регио-, стерео- и таутомерной принадлежности, сделан-ными на основе анализа спектров ЯМР Н, Р, свидетельствует о надёжности выбранных критериев и позволяет рекомендовать их для использования при исследовании строения структурнооднотипных соединений. Для некоторых веществ выявлены особенности кристаллической структуры; в частности, для молекул бис(2-хлорэтил)-3 -этоксикарбонилпиразол-4-илфосфоната обнаружена склонность к ассоциации и формированию бислоевых супрамолекулярных структур. Молекулы метил-1,3-динитрокарбазол-2-илкарбоксилата в кристалле образуют паркетно-стопочную архитектуру.
Теоретическая значимость работы. Полученные результаты расширяют теоретические представления о реакциях [7г4+7г2]-циклоприсоединения. Выявлен-
ные закономерности реакций с использованием /?-нитроэтенилфосфоната, (5-нитроакрилата и их /?-бромзамещенных аналогов в качестве диено- и диполя-рофилов вносят существенный вклад в развитие теоретических представлений о химии вицинально замещённых нитроалкенов, а также способствуют расширению границ использования этих соединений в качестве удобных реагентов для получения труднодоступных многофункциональных циклических систем. Основным итогом выполненного исследования является развитие перспективного направления в химии нитросоединений - изучение химического поведения /?-функционализированных нитро- и галогеннитроэтенов в реакциях [7г4+7г2]-циклоприсоединения, выявившее закономерности и специфические особенности взаимодействия этих субстратов с 1,3-диенами и 1,3-диполями, а также открывшие путь к получению новых труднодоступных карбо- и гетероциклов с нитро- и фосфонатной(карбоксилатной) функциями.
Практическая ценность работы. Синтезирована серия (более 200 соединений) новых полифункционализированных нитросодержащих циклоалкенил- и гете-рилфосфонатов(карбоксилатов) ряда циклогексена, норборнена, оксабицикло-гептена, бициклооктена, 9,10-этаноантрацена, карбазола, бензофурана (продукты диеновой конденсации), а также производных пиразола и триазола (аддукты 1,3-диполярного циклоприсоединения). На базе препаративно доступных функ-ционализированных нитроциклогексенов, норборненов, бициклооктенов, 9,10-этаноантраценов синтезированы гидрохлориды соответствующих циклических /З-аминофосфоновых(карбоновых) кислот и их эфиров.
Модифицирована методика получения алкил-3-нитроакрилатов, разработан удобный метод синтеза ранее неизвестных алкил-3-бром-З-нитроакрилатов.
Приведённые в работе спектральные данные образуют большой объём систематизированной информации по спектрам ЯМР Н нитросодержащих циклоалкенил- и гетерилфосфонатов(карбоксилатов), которые могут быть использованы (в составе атласов) в научных и учебных целях.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы представлены и обсуждены на российских и международных конференциях, из которых наиболее значимыми являются: Международная конференция «Современные проблемы органической химии», посвященная 70-летию академика В.А.Коптюга (г. Новосибирск, СО РАН, 2001); Международный симпозиум по химии и применению фосфор-, сера- и кремнийорганических соединений «Петербургские встречи» (ISPM) (Санкт-Петербург 1998,2002); Молодежная международная школа-конференция по органическому синтезу "Органический синтез в новом столетии" (Санкт-Петербург, 2002,2004,2005); Международная конференция «Органическая химия от Бутлерова и Бейлыптейна до современности» (СПб, 2006); Международные конференции по "Химии и биологической активности азотсодержащих гетероциклов" (Москва, 2001, Черноголовка, 2006); Международная конференция "Химия и биологическая активность кислород- и серусо-держащих гетероциклов" (Москва, 2003); Международная конференция «Перспективы развития и практического применения алициклических соединений» (Самара, 2004); International conference on Phosphorus Chemistry (Bermingham,
2004); Международная конференция по химии фосфорорганических соединений (Казань, 2005); XVIII Менделеевский съезд по общей и прикладной химии (Москва, 2007), а также на ежегодных научных семинарах "Герценовс-кие чтения" (РГПУ им.А.И.Герцена, 2001-2008 ).
Публикации. По теме диссертации опубликованы: монография, 30 статей, в том числе 6 обзорных (из них 28 статей в изданиях, рекомендуемых ВАК), более 25 тезисов докладов на конференциях. На защиту выносятся:
анализ электронного и пространственного строения /?-нитроэтенилфосфо-натов и -карбоксилатов, а также их бромсодержащих аналогов;
общие закономерности и специфические особенности реакций циклопри-соединения /?-нитро- и /?-бром-/?-нитроэтенилфосфонатов(карбоксилатов) с 1,3-диенами и 1,3-диполями;
сравнительная оценка реакционной способности /?-нитроэтенилфосфонатов и-карбоксилатов;
особенности строения функционализированных нитрокарбо- и гетероцик-лов, полученных на основе реакций [7г4+7г2]-циклоприсоединения;
методы синтеза циклических /?-аминофосфоновых и карбоновых кислот, а также их эфиров.
Личный вклад автора. Автор непосредственно участвовал в определении основных направлений исследования, в проведении экспериментов, обработке, обсуждении и обобщении результатов.
Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, выводов, списка цитируемой литературы (375 наименований) и приложения. Работа изложена на 402 страницах, содержит 119 таблиц, 113 схем и 45 рисунков.
