Содержание к диссертации
Введение
I. Механизмы раскрытия циклопропанового кольца. Обзор литературы . 5
1. Общие положения. 5
2. Электрофильное и нуклеофильное замещение . 8
3. Бимолекулярное гемолитическое замещение на атоме углерода. 10
4. Ион-радикальные механизмы раскрытия циклопропанового кольца. 21
4.1. Природа стадии одноэлектронного переноса. 21
4.2. Анион-радикальное раскрытие циклопропанов . 33
4.3. Катион-радикальное раскрытие циклопропанов. 33
II. Участие галогенов в реакциях одноэлектронного переноса. Обзор литературы. 50
III. Обсуждение результатов . 55
1. Постановка задачи. 55
2. Схема синтеза арилциклопропанов. 58
3. Фотохлорирование фенилциклопропана . 61
4. Фотохлорирование 3-фторфенилциклопропана. 85
5. Фотохлорирование 1-фенил-2,2-дихлорциклопропана. 94
6. Механистический анализ результатов хлорирования арилциклопропанов. 100
IV. Экспериментальная часть
1. Основные положения. 110
2. Синтез арилциклопропанов. ПО
3. Получение хлорирующих агентов. 115
4. Синтез продуктов хлорирования арилциклопропанов . 117
5. Очистка растворителей, некоторые свойства растворителей. 125
6. Методика кинетических исследований. 127 Выводы 136 Приложение 138 Литература
- Электрофильное и нуклеофильное замещение
- Анион-радикальное раскрытие циклопропанов
- Фотохлорирование фенилциклопропана
- Синтез продуктов хлорирования арилциклопропанов
Электрофильное и нуклеофильное замещение
Учитывая сходство циклопропанового кольца и двойной углерод-углеродной связи, очевидно, что циклопропаны будут вступать в реакции присоединения, аналогичные реакциям олефинов.
Наиболее характерным примером электрофильного присоединения к циклопропанам является присоединение протонных кислот, для которого предложено, по крайней мере, три механизма (схема 3) [4]. Такие реакции протекают либо через открытый катион, либо через протонированные формы циклопропана, которые подробно описаны в литературе, например, для незамещенного циклопропана и нортрициклана [ 10]. В зависимости от строения субстрата может реализовываться как один из описанных механизмов, так и несколько механизмов одновременно. Вибергом было показано на примере ацетолиза алкилциклопропанов в присутствии и-толуолсульфокислоты, что монозамещенные производные приводят к образованию открытого катиона, в то время как полизамещенные генерируют весь спектр промежуточных частиц [11]. Следует отметить, что элекгрофильное раскрытие циклопропанов слабыми кислотами протекает крайне медленно, для ускорения необходимы каталитические добавки сильных кислот.
Галогены также могут приводить к электрофильному раскрытию циклопропанов. Ламбертом было подробно изучено электрофильное хлорирование и бромиро-вание незамещенного циклопропана в присутствии галогенидов железа [12]. На основе данных по стереоселективности галогенирования г/мс-1,2,3-тридейтеро-циклопропана было установлено, что присоединение галогена протекает через образование галогенониевого катиона, подобного протонированному по ребру цик лопропану. В результате реакции происходит сохранение конфигурации при одном атоме углерода и обращение при другом атоме углерода (схема 4).
С другой стороны, электрофильное бромирование фенилциклопропана и 1,2-ди-фенилциклопропана молекулярным бромом в присутствии изоамилнитрита (для подавления радикального пути) протекает через открытый катионный бензильный интермедиат, следовательно, нестереоспецифично [ 13 ]. Ранее Лалондом и сотр. было проведено исследование влияния условий проведения этой реакции на механизм [ 14]. Для бромирования фенилциклопропана возможна реализация трех механизмов: электрофильное ароматическое замещение, электрофильное и радикальное раскрытие циклопропанового кольца. Было установлено, что при низких температурах (--20 С) и в неполярных растворителях (ССЦ) в темноте доминирует электрофильное ароматическое замещение, при более высоких температурах (25 С) в темноте доминирует электрофильное раскрытие циклопропана, а при облучении - свободнорадикальный процесс. Последний, был сначала определен Лалондом как «фотоиндуцируемый процесс неизвестной природы» на основе отсутствия эффекта ингибирования фотореакции тринитробензолом. Однако впоследствии Лалонд и, независимо, Эпплквист показали, что фотобромирование арилцик-лопропанов осуществляется по свободнорадикальному механизму и ингибируется более эффективной ловушкой свободных радикалов - изоамилнитритом [ 13, 15 ]. На основе данных, представленных авторами можно заключить, что электрофильное галогенирование циклопропанов (ароматическое и с раскрытием трехчленного цикла) - сравнительно медленный процесс, протекающий за 1-50 часов, в то же время радикальное раскрытие циклопропанов протекает за 1-10 мин. При этом, изменяя условия проведения реакции можно добиться практически полного изменения механизма. Фотогалогенирование приводит исключительно к продуктам радикальной реакции. Электрофильное галогенирование осуществляется в темноте, причем процесс можно ускорить добавлением катализаторов (Fe).
Нуклеофильное раскрытие циклопропанов встречается реже и наиболее характерно для субстратов, содержащих в своем составе электроноакцепторные группы, либо для таких сильных нуклеофилов, как меркапто-анион. Так, например, бицик-ло[4.1.0]гептан-2-он и его оксим нуклеофильно раскрываются хлорид ионом в пиридине (схема 5) [ 16].
Анион-радикальное раскрытие циклопропанов
Катализ переноса электрона за счет взаимодействия с катализатора с акцептором является наиболее распространенным случаем. В качестве катализаторов могут выступать различные кислоты: протонные, кислоты Льюиса (ионы различных металлов). Примером катализа протонными кислотами является реакция окисления аце-тофенонов комплексами рутения(П), схема
Изучение данного процесса показало, что в отсутствие катализатора данная реакция практически не протекает, в то время как при добавлении хлорной кислоты ее скорость увеличивается на несколько порядков. Эта же реакция с участием бен-зальдегида ускоряется при добавлении солей скандия (Sc3+) в качестве кислоты Льюиса. Кроме того, каталитический эффект ионов металлов был зафиксирован для различных реакций с участием переноса электрона на примере солей натрия, магния, цинка. Однако наиболее сильной кислотой Льюиса являются ионы скандия (следует отметить, что, опираясь на соотношение заряд-радиус иона, еще более сильной кислотой Льюиса являются соли алюминия, но такие катализаторы не эффективны в связи со сложностью сохранения их в негидратированной форме) [ 66-69].
В случаях, когда скорость переноса электрона очень высока (близка к диффузионному контролю), катализатор также может оказывать влияние на скорость образования продуктов реакции. Примером такого влияния является реакция фотоизомеризации 1,2-диарилциклопропанов (схема 23). Было показано, что добавка соли магния не влияет на скорость переноса электрона между 1,9-дицианоантраценом и субстратом. В то же время, катализатор заметно увеличивает скорость изомеризации. Авторы доказали, что этот эффект связан со способностью ионов металла разрушать ион-радикальную пару и, таким образом, замедлять процесс обратного переноса электрона. После чего высвобождающийся катион-радикал диарилцикло-пропана изомеризуется [ 70 ].
Подводя итог, при общем рассмотрении взаимодействия донора (нуклеофила, аниона, восстановителя, основания) и акцептора (электрофила, катиона, окислителя, кислоты) можно выделить три возможных механизма: 1). Полярная реакция. Одностадийный процесс, в котором сдвиг электрона и образование новой связи происходят одновременно. 2). Внутрисферный перенос электрона. Многостадийный процесс, в котором на стадии переноса электрона донор в переходном состоянии эффективно взаимодействует с акцептором. 3). Внешнесферный перенос электрона. Многостадийный процесс, в котором на стадии переноса электрона донор в переходном состоянии не взаимодействует с акцептором. Для выяснения того, по какому механизму (из перечисленных) протекает реакция, используются следующие методики [71 ]: 1). Детектирование промежуточных радикальных или ион-радикальных частиц с помощью электронной спектроскопии короткоживущих частиц (ЭПР, ХПЯ). 2). Использование химических ловушек промежуточных частиц. 3). Анализ продуктов реакции на наличие веществ, образованных побочными превращениями промежуточных частиц (например, детектирование димеров радикалов). 4). Анализ стереохимии реакции. 5). Анализ кинетических изотопных эффектов. 6). Кинетический анализ реакции. Использование некоторых из них будет продемонстрировано ниже.
В заключение теоретической части обзора, посвященного концепциям переноса электрона, остановимся на структуре катион-радикалов некоторых арилциклопро-панов. Структура катион-радикалов циклопропанов изучена довольно подробно как с помощью экспериментальных методик, так и путем квантовохимических расчетов. В качестве примера рассмотрим ряд фенилзамещенных циклопропанов: фе-нилциклопропан, 1,2-дифенилциклопропан и 1,1,2,2-тетрафенилциклопропан. На основе теоретических расчетов было показано, что в катион-радикале фенилцикло-пропана и его алкилированных аналогов циклопропановое кольцо сохраняет замкнутую структуру, однако связи Са-Ср и/или Са-Су значительно ослаблены, как показано на схеме 24 , причем максимальная плотность положительного заряда сосредоточена на бензольном кольце (() [58, 72]. Эти результаты также были подкреплены данными ХПЯ [73] и, косвенно, на основе стереоспецифичности реакций протекающих через катион-радикалы 2-алкил-1-фенилциклопропанов (подробнее см. ниже).
Фотохлорирование фенилциклопропана
Для установления структуры продуктов реакции нами были проведены предварительные эксперименты по фотохлорированию фенилциклопропана молекулярным хлором в четыреххлористом углероде. Во всех исследуемых реакциях количество вводимого в систему хлора не превышало 50 % от количества фенилциклопропана для исключения образования полихлоридов, возможных при повторном хлорировании первоначальных продуктов реакции. Анализ реакционных смесей фотохлорирования методом газо-жидкостной хроматографии (ГЖХ) показал наличие четырех новых пиков. Основным методом идентификации продуктов было совпадение относительных времен удерживания заранее синтезированных предполагаемых продуктов с относительными временами удерживания компонентов реакционной смеси на колонках различной полярности. В результате было установлено, что фотохлорирование фенилциклопропана (1) приводит к 1-фенил-1,3-дихлорпропану (2), 1-фенил-1-хлорциклопропану (3), 2-хлор- и 4-хлорфенилцикло-пропанам (4), схема 56. Вещество 2 было независимо синтезировано по реакции Принса из стирола [105] с последующим расщеплением 1,3-диоксанапентахлори 3). дом фосфора [106] (схема 57). Для осуществления встречного синтеза бензильно-го хлорида 3 в литературе описано два метода. Один из них заключается в дибром-циклопропанировании (с помощью PhHgCBr3) ос-хлорстирола с последующим восстановительным дебромированием циклопропана трибутилоловогидридом [35]. Другой метод исходит из бензилцианида и основан на замыкании циклопропаново-го кольца посредством МФК реакции с 1,2-дибромэтаном с дальнейшим превращением циано-группы в карбоксильную [ 107]. На следующей ключевой стадии синтеза происходит галогендекарбоксилирование, приводящее к 1-фенил-1-хлор-циклопропану [108] (схема 57). Исходя из соображений доступности субстратов и реагентов, нами была выбрана последняя схема синтеза. Ароматические хлориды 4 были синтезированы в результате темнового хлорирования фенилциклопропана в ацетонитриле и использованы в качестве свидетелей без выделения в индивидуальном виде. Это обусловлено тем, что реакция электрофильного ароматического 0%у4г) хлорирования фенилциклопропана молекулярным хлором подробно изучена Шабаровым и сотр. [109]. Данный процесс легко протекает в хлороформе с образованием продуктов 4. Известно, что циклопропильный заместитель активирует ароматическое кольцо в гораздо большей степени, чем структурно эквивалентная ему изопропильная группа, что и объясняет легкость SEAr в фенилциклопропане [НО].
Для дополнительного доказательства структуры продуктов был проведен ПМР анализ реакционных смесей таких реакций хлорирования фенилциклопропана, в которых преимущественно образовывались данные вещества. В частности, ди хлорпропан 2 доминирует в реакционной смеси при фотохлорировании фенилцик-лопропана молекулярным хлором в присутствии трифторуксусной кислоты (о влиянии кислот на фотохлорирование фенилциклопропана см. стр. 72). Бензильный хлорид 3 доминирует при фотохлорировании фенилциклопропана трет-бутпл-гипохлоритом в четыреххлористом углероде. Этот метод был выбран на основании информации о том, что фотохлорирование циклопропанов данным реагентом не вызывает раскрытия трехуглеродного цикла (см. стр. 14). Ароматические хлориды 4, как отмечено выше, являются основным продуктами темнового хлорирования молекулярным хлором. Сравнение ПМР спектров реакционных смесей со спектрами заранее синтезированных образцов продуктов, а также с литературными данными подтвердило результаты ГЖХ идентификации.
Основываясь на данных предварительных экспериментов, нами были проведены опыты по хлорированию фенилциклопропана в темноте и при УФ облучении (лампа ДРЛ-400) в растворителях разной полярности (таблица 4). Анализ результатов показал, что при проведении реакции в отсутствие облучения в течение длительного времени основными продуктами являются вещества 4, в условиях УФ облучения образуется весь спектр продуктов 2-4. Из этого следует, что продукты 2 и 3 образуются в результате радикальных процессов, а 4 - в результате электрофильного ароматического замещения. Следует особо подчеркнуть, что образование 2 в ходе фотореакции не связано с электрофильным раскрытием циклопропанового кольца, так как в отсутствие облучения этот продукт практически не образуется.
Синтез продуктов хлорирования арилциклопропанов
Известно, что переходное состояние реакций свободнорадикального замещения (с атакой как по атому водорода, так и по атому углерода) полярно, следовательно, полярные растворителя могут его стабилизировать и тем самым ускорять радикальные процессы. Исходя из данного факта, единственным объяснением роста хемоселективности фотохлорирования арилциклопропанов при увеличении полярности растворителя (Ет) является большее ускорение стадии радикального раскрытия циклопропанового кольца по сравнению с замещением бензильного атома водорода.
Следует отметить, что корреляция хемоселективности наблюдается только со значениями Ет Димрота. Попытка найти зависимость хемоселективности от такого распространенного параметра полярности растворителей, как функция Кирквуда оказалась неудачной. Это, по всей вероятности, связано с более общим характером параметра Ет, который является эмпирической характеристикой полярности среды и учитывает все виды молекулярных взаимодействий в растворе (см. стр. 79).
Второй, обнаруженный нами эффект, связан с влиянием кислот на хемоселек-тивность фотохлорирования арилциклопропанов. Впервые было показано, что протонные кислоты вызывают значительный рост хемоселективности. При увеличении концентрации кислот или их силы (при постоянной концентрации) хемоселектив-ность фотохлорирования арилциклопропанов монотонно возрастает. Характер влияния добавок кислот на хемоселективность хлорирования изученных субстратов идентичен влиянию полярности растворителей на хемоселективность. Наибольший эффект кислоты оказывают на хемоселективность реакции фотохлорирования фенилциклопропана, наименьший - на хемоселективность фотохлорирования 1 -фенил-2,2-дихлорциклопропана. Чувствительность реакции фотохлорирования 3-фторфенилциклопропана к добавкам уксусной кислоты - промежуточная, а к добавкам трифторуксусной кислоты - совпадает в первом приближении с чувствительностью реакции 1-фенил-2,2-дихлорциклопропана (рисунок 21).
Нам также удалось проанализировать влияние силы кислот на хемоселективность фотохлорирования фенилциклопропана на количественном уровне. Для этого мы воспользовались коэффициентами наклона линейных корреляций (кс/кц)Набл-концентрация кислоты, полученными для области низких концентраций кислот ( 0,1-0,5 моль/л), см. стр. 75. В качестве характеристики кислотности среды (реакции фотохлорирования проводились в четыреххлористом углероде) мы использовали значения рКа кислот в воде. Это связано с отсутствием информации о значениях/? в четыреххлористом углероде. Однако на основе литературных данных, нами было показано, что значения рКа серии галогензамещенных уксусных кислот в разных растворителях коррелируют между собой (см. стр. 77) Таким образом, мы пришли к линейной зависимости логарифмов коэффициентов наклона (In а) от рКа кислот (рисунок 22).
Кроме того, нами продемонстрировано, что влияние кислот на хемоселективность фотохлорирования носит общий характер. Так, на примере фотохлорирования 1-фенил-2,2-дихлорциклопропана в присутствии перхлората скандия показано аналогичное действие кислот Льюиса.
При изучении фотохлорирования смесей фенилциклопропана с субстратами сравнения в присутствии хлороводорода или уксусной кислоты и анализа межсубстратных селективностей мы показали, что кислоты ускоряют стадию раскрытия циклопропанового кольца и практически не влияют на скорость замещения атома водорода в фенилциклопропане. Обобщая данные результаты, мы считаем, что увеличение хемоселективности фотохлорирования всех изученных арилциклопро-панов в присутствии кислот (в том числе кислот Льюиса) связано с ростом скорости раскрытия трехчленного цикла.
Итак, анализ факторов, изменяющих хемоселективность фотохлорирования арилциклопропанов, показал, что стадия раскрытия циклопропанового кольца ускоряется в полярных растворителях и в присутствии кислот, а на стадию замещения атома водорода данные параметры среды не оказывают влияния. Попытаемся объяснить эти факты с точки зрения механизмов реакций. Сначала рассмотрим реакцию бензильного хлорирования арилциклопропанов. Анализ механизма замещения бензильного водорода при фотохлорировании арилциклопропанов.
Известно, что свободнорадикальное замещение водорода атомом хлора в алка-нах и их производных (SH2U) протекает через переходное состояние, характеризующееся разделением зарядов.
