Содержание к диссертации
Введение
1. Нуклеофильное ароматическое замещение под действием амбидентных анионов 8
1.1. Механизмы реакций нуклеофильного ароматического замещения 8
1.2. Бимолекулярный механизм нуклеофильного ароматического замещения по типу присоединения-отщепления 13
1.3. Двойственная реакционная способность амбидентных анионов в S^r -реакциях 21
1.3.1. Тиоцианат-ион и его аналоги 22
1.3.2. Нитрит-ион 29
1.3.3. Енолят-ионы 35
1.3.4. Фенолят-ион 42
1.3.5. Енамины и другие азотсодержащие нуклеофильные агенты 45
1.3.6. Анионы нитросоединений 53
1.3.7 Оксимат-ионы 54
1.3.8. Амиды и родственные соединения 56
1.3.9. Сульфинат-ион 58
2. Обсуждение результатов 60
2.1. Теоретические аспекты двойственной реакционной способности амбидентных анионов в реакциях ароматического нуклеофильного замещения 60
2.2. Изучение реакции С- и О-арилирования енолят-ионов 1,3-дикарбонильных соеди нений под действием производных 2,4- динитрофенола, пикриновой кислоты и других арилирующих агентов 68
2.2.1. Влияние природы уходящей группы на соотношение продуктов С- и 0-арилирования К-АУЭ под действием произ водных 2,4-динитрофенола 68
2.2.2. Влияние природы уходящей группы на соотношение продуктов С- и 0-арилирования под действием пикрилгалогнидов 75
2.2.3. Влияние природы уходящей группы на соотношение продуктов С- и 0-арилиро- вания К-АУЭ под действием пикриловых эфиров фенолов, карбоновых и сульфо кислот 86
2.2.4. Влияние природы уходящей группы на со отношение продуктов С- и О-арилирова- ния К-АУЭ под действием производных гептафтор-п-крезола и изомерных нитротрифторметилфенолов 91
2.2.5. Влияние структуры арилирующего агента на соотношение продуктов С- и 0-арили- рования К-АУЭ в диполярных апротонных растворителях 94
2.2.6. Влияние природы катиона щелочного металла на соотношение продуктов С- и О-арилирования щелочных солей АУЭ под действием производных пикриновой кислоты 98
2.2.7. Влияние природы растворителя на соотношение продуктов С- и О-арилирования К-АУЭ различными арилирующими агентами 104
2.2.8. Влияние природы енолят-иона на соотно шение продуктов С- и О-арилирования 107
3. Экспериментальная часть 119
3.1. Очистка растворителей \ 119
3.2. Условия получения спектральных и хромтографических данных 121
3.З. Синтез и очистка исходных реагентов и продуктов реакции 123
3.4. Изомеризация ариловых эфиров енолов 148
3.5. Гидролиз ариловых эфиров енолов 149
3.6. Общая методика эксперимента 149
Выводы 153
- Бимолекулярный механизм нуклеофильного ароматического замещения по типу присоединения-отщепления
- Изучение реакции С- и О-арилирования енолят-ионов 1,3-дикарбонильных соеди нений под действием производных 2,4- динитрофенола, пикриновой кислоты и других арилирующих агентов
- Влияние структуры арилирующего агента на соотношение продуктов С- и 0-арили- рования К-АУЭ в диполярных апротонных растворителях
- Условия получения спектральных и хромтографических данных
Введение к работе
В изучении реакций замещения у ароматического атома углерода можно выделить два периода. В пятидесятых и в первой половине шестидесятых годах внимание исследователей было целиком сосредоточено на процессах электрофильного ароматического замещения. Это привело к созданию достаточно стройной и хорошо разработанной теории, которая прочно вошла в современные учебники и монографии по органической химии. С середины шестидесятых годов акцент в исследованиях постепенно сместился в сторону детального исследования механизма замещения в ароматическом ряду под действием нуклеофильных реагентов. Бурный прогресс в этом направлении связан прежде всего с серией работ 1964-1965 годов Крэмптона и Голда, в которых ЯМР-спектро-скопия была впервые применена для доказательства и исследования структуры анионных -комплексов Мейзенгеймера, а также с работами Сервиса, который впервые обнаружил существование анионного (Г-комплекса, где входящая и уходящая группы находятся у различных атомов углерода ароматического кольца. Комплексы Сервиса, как правило, предшествуют образованию 1,1 о"-комплексов Мейзенгеймера, но не определяют состава продуктов реакций замещения. Работы этих двух групп привлекли пристальное внимание в нашей стране и за рубежом. В результате систематических исследований с помощью современных физико-химических методов получены данные о стабильности, кинетике образования и распада самых разнообразных анионных б" -комплексов, образуемых анионом и ароматическим субстратом. Было установлено, что процесс ароматического нуклеофильного замещения осуществляется по нескольким различным механизмам: классическому механизму присоединения - отщепления гм:/?г), ариновому механизму отщепления - присоединения, так называемому /JNkdHC механизму с раскрытием гетероциклического кольца с последующей рециклизацией, по анион-радикальному и катион-радикальному цепным механизмам RN1 и S0N2 и др. В качестве нуклео-фильных агентов использовались различные алкоголят-, фенолят-, тиолят-, тиофенолят-ионы и другие монодентатные анионы.
В середине семидесятых годов появилась серия работ Паркера с сотр. и Розенблата с сотр., посвященных изучению амбиден-тного характера тиоцианат- и нитрит-ионов в зависимости от природы уходящей группы арилирующего агента. Для наиболее важного в теоретическом и синтетическом отношении класса амбиде-нтных анионов - енолят-ионов моно- и дикарбонильных соединений полностью отсутствуют систематические данные по изучению двойственной реакционной способности этих частиц в процессах нуклеофильного ароматического замещения. Описано всего лишь три примера подобного рода реакций, где в процессе замещения принимает участие кислородный центр енолят-иона, причем во всех этих работах не приведено строгих доказательств строения продуктов замещения как ариловых эфиров енолов.
Продолжая систематическое исследование двойственной реакционной способности амбидентных енолят-ионов, мы изучили ароматическое нуклеофильное замещение под действием щелочных солей I,3-дикарбонильных соединений. В качестве модельных соединений были выбраны главным образом щелочные еноляты 1,3-кето-эфиров, а именно ацетоуксусного и бензоилуксусного эфиров, которые являлись классическими объектами для изучения двойственной реакционной способности в реакциях алкилирования, аци-лирования и других родственных процессах. При изучении конкурирующих реакций С- и О-замещения под действием амбидентных енолят-ионов у алифатического арома углерода, ранее было уста - 7 новлено, что направление реакции в общем случае определяется совместным влиянием нескольких различных факторов. Этими факторами являются: природа уходящей группы и радикала электро-фильного агента, природа противоиона и структура енолят-иона, а также характер реакционной среды. Мы изучили влияние всех вышеперечисленных факторов на направление реакции С- и 0-ари-лирования щелочных енолятов 1,3-дикарбонильных соединений под действием производных пикриновой кислоты, трифторметилнитрофе-нолов, перфторароматических соединений и галогенониевых солей.
Изучение процессов ароматического нуклеофильного замещения под действием амбидентных анионов является классической проблемой физической органической химии. Вместе с тем,хорошо известно, что продукты С_ арилирования енолят-ионов карбонильных сое_ динений используются в качестве ключевых реагентов в синтезе биологически активных гетероциклических соединений ряда индола, изоксазола" пиразола" бензофурана и др. Поэтому, эта проб-лема представляет интерес и с точки зрения синтетической органической химии.
В литературном обзоре диссертации собраны данные по двойственной реакционной способности неорганических и органических амбидентных анионов,таких как тиоцианат-, нитрит-, сульфит-, оксимат-ионов щелочных солей нитросоединений, индола" пиррола и др. в кинетически и термодинамически контролируемых реакциях нуклеофильного ароматического замещения.
Бимолекулярный механизм нуклеофильного ароматического замещения по типу присоединения-отщепления
В теоретическом отношении, при рассмотрении данного механизма, важно знать, сопровождается ли замещение образованием промежуточного анионного интермедиата, что соответствует минимуму на энергетическом профиле реакции (рис.1, кривые I и 2), или же реализуется одностадийный процесс через переходное состояние по типу b/ j Z реакции у ненасыщенного атома углерода (рис.I, кривая 3). Первые доказательства в пользу двухстадийного механизма ароматического нуклеофильного замещения были получены ещеМейзен геймером;, которому не только удалось выделить анионный S -комплекс I (продукт взаимодействия 2,4,6-тринитроанизола с ме-тилатом натрия), но и показать, что с этилатом натрия образуется продукт аналогичного строения, & -комплекс П, идентичный б" -комплексу, образующемуся в реакции 2,4,6-тринитрофене- 27 тола с метилатом натрия : С развитием кинетических методов исследования были получены и другие убедительные доказательства в пользу двухстадийного процесса. Действительно, особенность механизма, включающего образование промежуточного б" -комплекса, состоит в том, что разрыв связи с уходящей группой может либо играть очень большую роль в определении общей скорости замещения, либо вообще не играть никакой роли, в зависимости от соотношения констант 1 ,k_± и kz (см. схему Баннета). Если реакция идет через богатый энергией, но присутствующий лишь в малой стационарной концентрации промежуточный продукт ( , ), то можно применить принцип стационарности Боденштейна. В этом случае наблюдаемая константа скорости описывается уравнением - большинство образующихся & -комплексов вновь распадается на исходные реагенты, SM& -процессе для алифатического ряда, где наблюдается иная последовательность: / 8r 0TS Сі Г хотя и не противоречит одностадийному "асинхронному" механизму без энергетического минимума (рис.1, кривая 2а). Если х уіь_і_ , то уравнение скорости также отвечает кинетике 2-го порядка, но скорость реакции уже определяется стадией образования анионных « -комплексов ттг\ і » т е все образующиеся в течение реакции промежуточные частицы превращаются в продукты этой реакции. Иными словами, связь с замещаемой группой остается незатронутой в ходе скорость определяющей стадии реакции, и природа уходящей группы принципиально не должна влиять на скорость замещения.
Такой тип взаимодействия был обнаружен при сравнении скоростей замещения различных уходящих групп в 1-Х-2,4-динитробензолах под действием пипериди- 2Q на . Было найдено, что константа скорости замещения для данной реакции, когда замещаемая группа X = Ct, бґ, , SOP/i, SOzPh . OCg -NO -n, , различаются не более, чем в пять раз. Однако этот факт также не является убедительным доводом в пользу образования 0у-комплексов Мейзенгеймера, поскольку аналогичная зависимость должна наблюдаться и для одностадийного "асинхронного" замещения, без энергетического минимума на профиле рассматриваемой реакции (рис.1, кривая 1а). На необходимость 30 учета данного обстоятельства впервые указал Хэммонд . Применение принципа стационарности при других соотношениях констант скоростей / 1, -. , " недопустимо и может привести к грубым ошибкам. Так, например, в реакции пикрилга-логенидов с малонатом натрия dJ-» 4i L kz ; k & L, т.е. определяющей скорость стадией реакции является отщепление уходящей группы, а Концентрация 6" -комплекса нестационарна. Следствием такого соотношения констант скоростей отдельных стадий реакции является более медленное замещение хлорид-иона по сравнению с бромид-ионом, хотя анионный & -комплекс с участием пикрилхлорида образуется быстрее аналогичного аддукта для пикрилбромида. Аналогичное соотношение констант образования и распада анионных б -комплексов наблюдал Тодеско с сотр. для реакции замещения галогенид-ионов в ряду 2,6-диметил-4-нитрогалогенбензолов малонат-ионом. Наиболее мощным аргументом в пользу двухстадийного механизма замещения служит тот факт, что реакция различных полинитрозамещенных галогенбензолов с первичными и вторичными аминами подвержена общему катализу основаниями; при этом роль основания может играть сам амин, аце- -34 тат натрия или третичный амин Убедительные доказательства образования б"-комплексов Мей-зенгеймера, в качестве промежуточных частиц в реакциях нуклео-фильного ароматического замещения, бьши получены с помощью ЯМР-спектроскопии. Самые первые исследования в этой области относятся к началу 60-х годов, когда Крэмптон и Голд исследовали методом ПМР структуру продуктов взаимодействия метилата натрия с симм.-тринитробензолом (ТНБ) и тринитроанизолом (ТНА) .
К настоящему времени накоплены обширные данные ПМР-спектроскопии по строению анионных ? -комплексов, суммированные большей частью в обзоре Штрауса . С помощью метода ПМР удалось наблюдать интересные особенности механизма образования анионных & -комплексов. Так, Сер- 41 вис впервые показал, что первоначальным продуктом при взаимодействии метилат-иона с ТНА является 1,3- « -комплекс Ш по незамещенному атому углерода (он был назван позже комплексом Сервиса), который затем быстро перегруппировывается в 1,11- -комплекс I: NO2. Щ N(\ В некоторых случаях б" -комплексы Сервиса (например ІУ) настолько устойчивы, что не превращаются в & -комплексы Мейзен-геймера ; иногда их даже можно выделить из раствора (например , У): Нч/0ъ КОМ В общем случае 1,3-комплекс Сервиса образуется гораздо быстрее по сравнению с 1,1-комплексом Мейзенгеймера, но 1,1- б" -комплекс оказывается термодинамически более стабильным. Наибольшей стабильностью среди б" -комплексов Мейзенгеймера обладают так называемые спиро- б" -комплексы УІ, образующиеся путем внутримолекулярной атаки на активированный ароматический фрагмент нуклеофильным центром, находящимся в боковой цепи исход- Широкие возможности для исследования процессов образования и превращения анионных -комплексов предоставляет изучение электронных спектров поглощения, особенно в видимой области. В общем случае полосы поглощения исходных веществ и продуктов реакции нуклеофильного ароматического замещения существенно отличаются от полос поглощения для промежуточно возникающих анионных б" -комплексов. Высокие коэффициенты экстинции ( Щ-= 3-4) позволяют фиксировать интермедиаты в концентраци- -4 -5 » ях порядка 10 -10 Ми производить как определение констант скоростей отдельных стадий реакции, так и оценку термодинамической устойчивости образующихся частиц. Вместе с этим, электронные спектры не могут дать исчерпывающей информации о структуре промежуточного соединения, хотя и очень полезны при изучении влияния заместителей в ароматическом кольце, растворителя и нуклеофильных агентов на отдельные стадии реакции. Большинство данных по исследованиям в этой области приведено в исчерпывающих обзорах по анионным « -комплексам ,ээ,оо Уникальную информацию о строении анионных Г-комплексов могут дать данные рентгеноструктурного анализа, хотя к настоящему времени известно только несколько примеров подобного ро-да исследований . Так, например, было показано, что связь C-4-NOr, значительно короче C-S-NOg и C-6-NOr, связей в производных симметричного тринитробензола. Этот факт указывает на значительную двоесвязанность углеродных атомов С -Сд и С5 С6 и хорошо согласуется .с, предложенной еще в прошлом веке хиноиднои структурой -комплекса. Кроме того, две алкокси-группы при Сj-атоме расположены в плоскости, перпендикулярной плоскости кольца, а связь С-г-0 значительно длиннее, чем в исходном ТНА. Таким образом, совокупность кинетических и спектральных данных по изучению реакции ароматического нуклеофильного замещения под действием оснований, однозначно указывает на много-стадийность механизма этого процесса, включающего в себя образование промежуточных частиц анионного строения, являющихся предшественниками продуктов реакции.
Изучение реакции С- и О-арилирования енолят-ионов 1,3-дикарбонильных соеди нений под действием производных 2,4- динитрофенола, пикриновой кислоты и других арилирующих агентов
Природа уходящей группы играет решающую роль в определении направления алкилирования енолят-ионов. В качестве наиболее яркого примера можно привести алкилирование ацетилацетона топ натрия в ГМШТА под действием различных метилирующих агентов Как видно из приведенных данных, замена жесткой тозилат-ной уходящей группы на мягкую уходящую группу - иодид-ион приводит к полному инвертированию направления реакции, что соответствует изменению скорости реакции 0- и С-метилирования на четыре порядка. Напротив, влияние природы уходящей группы на соотношение продуктов С- и 0-арилирования енолят-ионов вообще не исследовано. Известно только, что замена п-нитрохлорбензо-ла на п-нитрофторбензол приводит к полному инвертированию реакции арилирования калиевой соли 1,1-дифенилацетона в ДМСО, хотя причины этой аномалии не обсуждаются в цитируемой работе . Систематическое изучение влияния природы уходящей группы на региоселективность реакции арилирования К-АУЭ было начато в нашей лаборатории при использовании в качестве арилирующих агентов производных 2,4-динитрофенола в диметоксиэтане (ДМЭ) при 20, как в присутствии так и в отсутствие эффективного Т7Т комплексующего агента - 18-краун-б-полиэфира . Общая схема реакции может быть представлена следующим образом: Этот результат определяется, в первую очередь, использованием в качестве арилирующих агентов только арилгалогенидов в протонных полярных средах (спиртах), особенно благоприятствующих замещению с участием углеродного центра енолят-иона вследствие эффективной сольватации жесткого кислородного центра амбидентного аниона. Тот же результат, в принципе, достигается при проведении реакции арилирования в неполярных апротонных средах (ароматические углеводороды, эфиры и др.), вследствие аггрегации щелочных солей, Т7Я способствующей С-арилированию . Применение жестких кислородсодержащих уходящих групп позволяло надеяться на участие в процессе ароматического нуклеофильного замещения другого реакционного центра енолят-иона - атома кислорода. Согласно данным хроматографического анализа в реакции то-зилата 2,4-динитрофенола с К-АУЭ в ДМЭ образуются только два продукта, одним из которых является ос -(2,4-динитрофенил)-АУЭ, т.е. продукт С-арилирования К-енолята АУЭ. Это вещество не давало депрессии точки плавления с заведомым образцом и согласно данным ГЖХ и тонкослойной хроматографии идентично -2,4-динитрофенил-АУЭ. В ПМР-спектре смеси продуктов реакции К-АУЭ и 2,4-динитрофенилтозилата помимо сигналов, характерных для аниона С-изомера, наблюдались два синглета в области 2,3 и 5,2 м.д., характерные для протонов СН -группы и винильного протона продукта 0-арилирования енолят-иона. Все попытки выделить это вещество в индивидуальном виде с помощью тонкослойной хроматографии на силикагеле или на окиси алюминия оказались безуспешными.
При этом.было обнаружено, что 0-изомер чрезвычайно легко подвергается спонтанному гидролизу с образованием эквимолекулярных количеств АУЭ и 2,4-динитрофенола. Поэтому при дальнейшем изучении влияния природы уходящей группы для серии 2,4-динитрофенилпроизводных продукт реакции О-арилирования гидролизовали водной 3%-ной серной кисло- Однако при кипячении калиевого енолята С-изомера с мези-латом 2,4-динитрофенола в ДМЭ в течение 72 часов образуется после гидролиза только 12% 2,4-динитрофенола. Принимая во внимание, что нуклеофильность енолят-иона АУЭ значительно больше, чем енолят-иона С-изомера (например, рК d -(2,4-динитрофени) - АУЭ составляет 10,95 единиц, что на 3,35 единиц ниже рК АУЭ ) можно считать, что 2,4-динитрофенол образуется в результате кислого гидролиза 0-изомера, а не продукта С,0-диарилиро-вания. Образование продукта С,С-диарилирования вряд ли возможно из-за пространственных затруднений, создаваемых 2,4-динит-рофенильной группой,для введения второго ароматического радикала к тому же атому углерода. Действительно, ни в одном случае не наблюдалось продукта С,С-диарилирования щелочных солей АУЭ в реакции с динитрофенилгалогенидами и пикрилгалогенидами. В таблице 5 приведены данные по влиянию уходящей группы арилирую-щего агента на направление реакций С- и О-арилирования К-АУЭ при 20 в ДМЭ. Как следует из данных таблицы 5, в S zAr реакциях под действием К-АУЭ в ряду 2,4-динитрофенилпроизводных наблюдается ярко выраженный симбиотический эффект уходящей группы. Так, соотношение О/С-продуктов увеличивается примерно в 2000 раз при замене мягкого тиоцианата на жесткий мезилат в качестве уходящей группы, в реакции арилирования К-АУЦ в ДМЭ в присутствии 18-краун-б полиэфира. Доля продукта О-арилиро-вания для любой уходящей группы возрастает при использовании в качестве комплексообразующего агента 18-краун-6 полиэфира в количестве 2-х эквивалентов. При использовании галогенид-ионов в качестве уходящих групп, доля 0-изомера также возрастает согласно симбиотическому эффекту уходящей группы примерно в два раза; при переходе от мягкого иодид-иона к жесткому фторид-иону, достигая в последнем случае 22. Роль краун-полиэфи-ра в данном случае сводится к комплексообразованию катиона металла, связанного с кислородным центром енолят-иона что приводит к увеличению межионного расстояния в ионной паре и, как следствие этого, к облегчению участия жесткого атома кислорода в процессе нуклеофильного ароматического замещения. Интересно сопоставить симбиотический эффект уходящей группы в реакциях алифатического и ароматического нуклеофильного замещения. Теоретически симбиотический эффект должен быть более ярко выражен в реакциях ароматического, а не алифатического замещения. В переходном состоянии \\Яґ -типа входящая и уходящая группы у тетраэдрического атома углерода сближены гораздо сильнее, чем в переходном состоянии &M2J -реакции, где они находятся в апикальном положении тригональной би-пирамиды. В реакции метилирования енолят-иона АУЭ в ГМФТ величина О/С-отношения возрастает в 160 раз при замене иодида на 176 о тозилат в качестве уходящей группы . Эта величина является количественной характеристикой эффекта симбиоза для процесса у алифатического атома углерода с участием амбидент- ного аниона АУЭ. В реакции замещения у ароматического атома углерода под действием К АУЭ в ДМЭ в присутствии краун-полиэфи- ра эта величина увеличивается в 45 раз. Величина О/С-отношения, помимо жесткости уходящей группы, зависит также и от относительной жесткости алкильного и арильного карбокатионов. Для более мягкого карбониевого иона следует ожидать меньшей вели-чины О/С-отношения l . Более слабая зависимость О/С-отноше-ния от природы уходящей группы определенно указывает на то, что 2,4-динитрофенилкатион является более мягкой кислотой Льюиса, чем алифатический ион карбония. Вследствие этого, в реакции арилирования К. АУЭ в моноглиме 0/С-отношение 1 только для жестких уходящих групп мезилата, тозилата и динитрофенок-сида. Более резкое влияние природы уходящей группы на соотношение продуктов 0- и С-арилирования следует ожидать при использовании более жестких арилирующих агентов. К таким агентам можно отнести, например, ароматические субстраты, содержащие CF SO, или CFa заместители в ароматическом кольце, неспособные к делокализации отрицательного заряда возникающего к анионном & -комплексе.
Влияние структуры арилирующего агента на соотношение продуктов С- и 0-арили- рования К-АУЭ в диполярных апротонных растворителях
Соотношение продуктов С- и О-арилирования определяется не только природой уходящей группы, но и в большей степени природой ароматического субстрата, и именно этот фактор оказывает решающее влияние на направление реакции. Так, например, поль-скими авторами было установлено, что реакция о-нитрофтор-бензола с калиевым енолятом І,І-дифенилацетона в ДМСО приводит исключительно к образованию С-изомера - І,І-дифенил-І-о-нитро-фенилацетона, тогда как в аналогичной реакции п-нитрофторбен-зола образуется только продукт О-арилирования, даже без примеси С-изомера. Мы нашли, что соотношение продуктов С- и О-арилирования К-АУЭ очень сильно зависит от числа и положения электроноакцеп-торных заместителей в бензольном кольце арилирующего агента; соответствующие данные приведены в таблице 10. Как видно из данных этой таблицы, для всех изученных типов арилирующих агентов, содержащих фторид-ион в качестве уходящей группы характерно С-арилирование. Участие углеродного центра енолят-иона в процессе нуклеофильного ароматического замещения остается доминирующим или исключительным и для других галогенид-ионов в качестве уходящих групп. Однако замена галогенид-иона на метан-сульфонат-ион в качестве уходящей группы приводит к резкому изменению направления реакции. Наименьшая доля 0-изомера в реакции К-АУЭ с арилмезилата-ми наблюдается для метансульфоната пикриновой кислоты. Для остальных метансульфонатов региоселективность реакции практически полностью инвертируется, по сравнению с арилгалогенидами в качестве арилирующих агентов. Сравнение этих уходящих групп -галогенид-ионов и метансульфонат-иона - отчетливо демонстриру- . предсказательную,силу правила "симбиотического эффекта" уходящей группы в реакциях b(Sc/)r типа. Интересно, что перемена местами двух неэквивалентных электроотрицательных групп в ари-лирующем агенте совсем не сказывается на направлении реакции. Реакция К-АУЭ с активированными арилгалогенидами и суль-фонатами относится к ион-дипольному типу взаимодействия. Применение ониевых арилирующих агентов позволяло надеяться на значительное изменение в соотношении продуктов С- и 0-арилиро- вания, поскольку эти реакции относятся к редкому случаю ион-ионного взаимодействия реагентов в химии амбидентных анионов. Наиболее удобными в этом отношении агентами являются соли ди-арилгалогенония.
Мы исследовали реакцию К-АУЭ с борфторидами дифенилхлоро-ния, дифенилбромония и дифенилиодония в ДМАА при 20. Как __ следует из данных таблицы 10, ни в одном случае в продуктах реакции после кислотного гидролиза, выполненного в стандартных условиях, не было обнаружено фенола. Это означает, что 0-арилирование не реализуется даже при взаимодействии енолят-иона АУЭ с катионами-дифенилгалогенония. Для всех трех ониевых солей в качестве единственного продукта реакции был выделен Х-фенил-АУЭ с выходом от 83% (для дифенилиодония) до 92% (для дифенилхлорония). В реакции К-АУЭ с борфторидом дифенилиодония, помимо ?С-дифенил-АУЭ - основного продукта реакции, в реакционной смеси был обнаружен с выходом порядка 10% дифенил -типичный продукт радикальных процессов с участием солей иодо-ния. Применение солей бромония и хлорония в качестве арилирую-щих агентов позволяет свести до минимума вклад побочных радикальных процессов. Действительно, дифенил не был обнаружен в продуктах реакции К-АУЭ с борфторидом дифенилхлорония. Реакцию щелочных енолятов ацетоуксусного и малонового эфиров с солями диарилбромония или хлорония можно вполне рекомендовать в качестве метода селективного моно- С-арилирования енолят-ионов. П.2.6. Влияние природы катиона щелочного металла на соотношение продуктов С- и О-арилирования щелочных солей АУЭ под действием производных пикриновой кислоты Одним из факторов, определяющим направление реакции ароматического нуклеофильного замещения под действием амбидент-ных анионов, является природа противоиона. В общем случае, проблема по сути дела сводится к решению вопроса о состоянии щелочных солей карбонильных соединений в растворе. Щелочные еноляты в растворе могут находиться в виде ассоциатов ионных пар различной степени агрегирования, мономерных ионных пар и свободных ионов . Определяющее влияние на положение равновесия между различными формами ионных частиц, помимо природы катиона, оказывает природа растворителя, В полярных и сильно основных диполярных апротонных растворителях - ДМСО, ДМФА, ГМФТА, ДМАА, N -метилпирролидон - щелочные еноляты существуют в виде мономерных ионных пар, которые частично, а в очень раз-бавленных растворах даже нацело, диссоциированы » . В мо-ноглиме, диэтиловом эфире, ТГФ щелочные еноляты моно- и дикар-бонильных соединений находятся в форме мономерных ионных пар или димерных и тримерных ассоциатов 4 . Степень ассоциации ионных пар зависит также от размера и плотности заряда катиона и возрастает при замене катиона К. на катион hi . Реакционная способность ионных пар, и особенно аггрегатов ионных пар, значительно ниже, чем свободного иона. В ионной паре щелочного енолята катион координируется с жестким кислородным центром енолят-иона, причем электростатическое взаимодействие двух противоположно заряженных ионов усиливается по мере уменьшения радиуса и увеличения плотности заряда в ряду: A«,G Na tf Cs PMS - т.е. с увеличением жесткости катиона.
Для амбидентных анионов ассоциация катионов с одним из реакционных центров вызывает непропорциональное уменьшение нуклеофильности обоих реакционных центров, что, в общем случае должно приводить к увеличению доли продукта замещения при атоме углерода енолята. Для реакции ароматического нуклеофильного замещения под действием амбидентных анионов влияние природы противоиона на направление реакции не было изучено ни для одного класса амбидентных анионов. В переходном состоянии реакции этого типа входящая и уходящая группы оказываются более сближенными, чем в реакциях Ьд Z типа. Если катион щелочного или щелочноземельного металла, например, лития или магния, будет эффективно координироваться с уходящей группой в переходном состоянии, это может резко изменить приведенную выше последовательность влияния противоионов. Подобного рода примеры для реакции алкилирования литиевого енолята АУЭ под действием жестких алкилирующих агентов в моноглиме описаны в серии работ Брама с сотр. 01- 04. в &N r реакциях влияние природы противоиона, в принципе,может отличаться от того, которое наблюдается для реакции алкилирования. Ранее было изучено влияние природы противоиона на направление реакции С- и О-арилирования щелочных енолятов АУЭ под действием 2,4-динитрофенилмезилата . Концентрация раствора щелочных енолятов составляла 1.10 моля/л, что позволяло избежать значительного аггрегиро-вания. Как оказалось, природа противоиона оказывает сильное влияние на направление арилирования. Из данных, приведенных в таблице II, следует, что соотношение С/0-изомеров при арилиро-вании практически полностью инвертируется при замене катиона лития на катион тетрафениларсония в качестве противоиона. О-арилирование является предпочтительным для катиона калия, рубидия, цезия и тетрафениларсония, в то время как С-ари-лирование преобладает для солей лития и натрия. Соотношение С/О-продуктов арилирования щелочных енолятов АУЭ изменяется в том же ряду, что и при алкилировании: /и Ка и 6Ф Cs P y?S . Это означает, что в ДМЭ не реализуется координа-ционныи механизм, предлагаемый Брамом и сотр. для реакции арилирования м -АУЭ в ДМЭ арилирующими агентами с жесткой уходящей группой. В последние годы чрезвычайно широкое применение для резкого повышения нуклеофильной реакционной способности аниона в слабоосновной апротонной среде нашли макроциклические полиэфиры и криптанты, образующие стабильный комплекс с противоионом. Этот метод оказался полезным в синтетической практике для получения алкил- и арилфторидов сложных эфиров, нитрилов и других классов соединений. Краун-полиэфиры оказывают существенное влияние на направление алкилирования щелочных енолятов в малополярных средах.
Условия получения спектральных и хромтографических данных
ПМР-спектры снимали на приборах Т-60 и XL -100 фирмы Л/ягіст " в CDCIo при комнатной температуре, относительно ТМС как внутреннего стандарта. В тех случаях, когда условия получения спектров отличались от стандартных, это специально оговорено. ЯМР Г -спектры снимали на приборе В&-407 на рабочей частоте 94, 075 мгц, относительно трифторуксусной кислоты как внешнего стандарта в CDCIg при комнатной температуре. Результаты пересчитаны относительно трихлорфторметана как внешнего стандарта. В ЯМР-спектрах указана мультиплетность сигналов: с.-синглет; т.-триплет; кв.-квадруплет или квартет; д.д.-двойной дублет; м.-мультиплет. ИК-спектры снимали на приборе "ЗЛ&СО " А-200 в тонком слое для жидких веществ и в таблетке бромистого калия для твердых веществ. КР-спектры снимали на приборе daman Laser ресі:готеіеҐ фирмы Code їй с гелий-неоновым лазером (6380 А). Электронные спектры снимали на автоматическом спектрофотометре " Н i toc/i і "-224. Расчет концентрации растворов продуктов реакций проводили относительно стандартных растворов по формуле С-г/Ср =Ц/1\ , где С-г и Ср - неизвестная и известная концентрации продукта реакции, a D, и D - оптические плотности данных растворов соответственно. РЖХ-анализ проводили на приборе ЛХМ-8МД на колонке длиной 3 м с 15% бЕ-30 на цеолите 545-/)WDMC при различных температурных режимах, газ-носитель-азот. Количественный расчет хроматограмм проводили по методу нормализации площадей. Площадь пиков определяли планиметром, при одновременном контроле с помощью электронного интегратора; поправочные коэффициенты определяли по отношению к ундекану. Для этого растворы смеси арилированного карбонильного соединения и соответствующего фенола с ундеканом в этилацетате хроматографировали три раза и брали среднюю величину отношения площадей продуктов реакции и ундекана. Поправочный коэффициент рассчитывали по формуле: где Q и fy - навески продукта реакции и ундекана соотв., и & - площади пиков продукта реакции и ундекана соотв. Масс-спектры снимали на приборе /jKB-2091 при 12 и 70 эв, при непосредственном вводе твердых образцов в ионный источник; жидкие вещества анализировали хроматомасс-спектро-метрически. ТСХ-анализ проводили на силуфоле UV-254. Для препаративной ТСХ использовали силикагель Л-40/І00 и окись алюминия П степени активности по Брокману. Ш.З. Синтез и очистка исходных реагентов Этиловый эфир ацетоуксусной кислоты (ацетоуксусный эфир, АУЭ).
Продажный реактив высушивали сульфатом магния и ситами марки 4А, затем перегоняли в вакуум:е.Т.кип. 74 при 14 мм, П 20 = 1,4194. Лит.данные: Т.кип. 180, п 20 = 1,4197. Чистоту вещества контролировали с помощью ГЖХ. Этиловый эфир бензоилуксусной кислоты (бензоилуксусный про эфир, БУЭ), получали бензоилированием АУЭ . Выход 65% от теор.; Т.кип. 148-150 при 12 мм, п 20 = 1,5325. По лит.данным Т.кип. 147-149 при II мм, n 20 = 1,5319 229. Вещество хроматографически чистое. Диэтиловый эфир малоновой кислоты, Продажный реактив марки "ч" высушивали ситами марки 4А и перегоняли дважды в вакууме. Т.кип. 73-74 при 10 мм,п = 1,4144; по лит. данным Т. кип. 98 при 18 мм, n 20 = 1,4143. Этиловый эфир п-нитробензоилуксусной кислоты (п-нитро-бензоилуксусный эфир, п-Н02_вуэ п_нитро_БУЭ) получали аци- лированием АУЭ п-нитробензоилхлоридом с последующим разложе- 240 нием продукта реакции раствором хлористого аммония . Т.пл. 72-73. По лит. данным: Т.пл. 73-74 23. Чистота вещества подтверждена методом ТСХ. об-Этилацетоуксусный эфир ( Л-этил-АУЭ). Продажный реактив сушили ситами марки 4А и тщательно перегоняли. Примеси АУЭ и сС , -диэтил-АУЭ удаляли путем разгонки на ректификационной колонке с металлической насадкой 40 т.т. при давлении 20-25 мм и флегмовом числе 40. Собирали четыре фракции, причем фракция, кипящая в интервале 102-104, по данным ГЖХ, не содержала примесей. ИК-спектр, см : 1740 (С=0 из СООС Нр-); 1717 (С=0 из СН3С0); 1020 (С-О-С); flD20 = 1,4208. По лит. данным: Т.кип. 70-71 при 7 мм, П = 1,4212 231. Диэтиловый эфир диацетилянтарной кислоты получали действием иода на натрийацетоуксусный эфир в абс. эфире и пере-кристаллизовывали из уксусной кислоты. Т.пл. 86-89; по лит. данным: Т.пл. 86-89 232. Этиловый эфир У. І . ї -трифторацетоуксусной кислоты 233 ( ,/,/ - ТФАУЭ) получали по методике, описанной в : в трехгорлую колбу, снабженную капельной воронкой, мощным водяным холодильником и холодильником, охлаждаемым жидким азотом, помещали 10 г (0,435 г-атома) металлического натрия, измельченного в ксилоле и промытого сухим эфиром. Затем быстро приливали смесь 61,75 г (0,435 г-моля) этилового эфира три-фторуксусной кислоты и 80,4 г (0,913 г-моля) этилацетата. После окончания экзотермической реакции смесь охлаждали и разлагали при 0 15%-ой серной кислотой. Эфирный слой отделяли, а водный трижды экстрагировали эфиром; эфирные слои объединяли и сушили сульфатом магния.
Эфир отгоняли, остаток перегоняли, собирая фракцию при 128-132, которую затем обрабатывали 23Д насыщенным раствором ацетата меди . Выпавшее медное производное перекристаллизовывали из абсолютного этанола, суспендировали в безводном эфире (частичное растворение) и разлагали сухим сероводородом. Сульфид меди удаляли центрофугирова-нием, эфир отгоняли; остаток перегоняли при атмосферном давлении. Т.кип. 132. Выход 21,6 г, 27% от теор.; Т.пл.медного производного 188-189, по лит.данным Т.пл. 189 234. По данным ПМР вещество полностью енолизировано в растворе CDCI„. ПМР-спектр, (Г м.д.: 1,72 (ЗН,т., СНд); 4,70 (2Н, кв., CHg); 6,08 (IH, е., СН=С); 13,00 (IH, е., ОН). ИК-спектр, см-1: 2995 (С-Н); 1660 (хел атное кольцо); 1250 (C-F): 1180 (С-О-С). Вещество хроматографически чистое. Трифторацетилацетон (Т$А) получен по аналогичному мето-ду конденсацией этилтрифторацетата с ацетоном в абс.эфире под действием метилата натрия. Продукт реакции был очищен через медное производное, Т.пл. которого 189; по лит. данным Т.пл. 189 235. После перегонки Т.кип. 107-108, п = 1,3897; по лит. данным Т.кип. 107, П 21 = 1,3893. По данным ПМР вещество полностью енолизовано в растворе СДСІо. ПМР-спектр ,См.д.: 2,12 (ЗН, е., СН3); 5,13 ЦН,с., СН=С); 13,01 (ІН, с.н. ОН). ИК-спектр, см"1: 2950 (С-Н); 1650 (хелатное кольцо); 1230 (C-F). Вещество хроматографически чистое. Ацетилацетон (АсАс). Использовали продажный реактив после осушки ситами марки 4А и тщательной двухкратной перегонки. Т.кип. 139-140, nD20 = 1,4539. По лит. данным Т.кип. 139, п = 1,4541. Трибензоилметан (ТЕМ) синтезировали реакцией бензолил-хлорида с натриевой солью дибензоилметана в абсолютном спирте . Т.пл. 223-226 (кетоформа) из ацетона. По лит._данным Т.пл. 223-226 из ацетона или этанола . Пентафторацетофенон (ША.Ф) получен ацилированием пента-фторфенилмагнийхлорида под действием уксусного ангидрида по . Т.кип. 54-56 при 7 мм. По лит. данным Т.кип. 51- о 237 52 при 5 мм . Чистоту продукта контролировали с помощью ГЖХ-анализа. ИК-спектр, см" : 1710 (С=0). роо IЛ-Дифенилацетон (ДФА) получали по в две стадии: через С-бром- ?С-фенилацетон с последующим алкилированием этим продуктом бензола в присутствии хлористого алюминия. Собранная после перегонки в вакууме фракция с Т.кип. 142-145 при 2 мм, была очищена перегонкой с паром. Затвердевшее масло высушивали над РрОк и перекристаллизовывали из гекса-на. Т.пл. 60-61. По лит. данным Т.пл. 60-61 15. ИК-спектр, см" : 1690 (0=0). Чистоту продукта контролировали с помощью гжх. Третичные бутилаты натрия, калия были получены из соответствующих металлов растворением в абсолютном трет.-бутиловом спирте в атмосфере сухого аргона.
