Содержание к диссертации
Введение
1. «Карбеноиды металлов: синтез и реакционная способность» 7
1.1. Общие представления о карбеноидах 8
1.1.1. Терминология 8
1.1.2. Методы синтеза карбеноидов металлов, их основные реакции 9
1.2. Синтез и реакционная способность карбеноидов металлов 10
1.2.1. Карбеноиды лития 10
1.2.2. Карбеноиды цинка 18
1.2.3. Карбеноиды магния 29
1.2.4. Карбеноиды кадмия 38
1.2.5. Карбеноиды алюминия 41
1.2.6. Карбеноиды индия 47
1.2.7. Карбеноиды самария 50
1.3. Теоретическое изучение относительной реакционной способности карбеноидов металлов 58
2. Обсуяадение результатов 65
2.1. Реакция ацетиленов с реагентом CH2I2-Et3Al 65
2.2. Реакция ацетиленов с реагентом СН2І2 - Ме3А1 72
2.3. Реакция ацетиленов с реагентом СН2І2 - /-Bu3Al 77
2.4. Реакция кремнийорганических ацетиленов с реагентом СН2І2- R3AI 81
3. Экспериментальная часть 87
3.1. Методика получения замещенных циклопропанов взаимодействием ацетиленов с реагентом CH2I2 - Et3Al 88
3.1.1. Синтез ди- и тетразамещенных циклопропанов 88
3.1.2. Синтез тризамещенных циклопропанов 93
3.2. Методика получения иодсодержащих замещенных циклопропанов взаимодействием ацетиленов с реагентом СН2І2-Ме3А1 97
3.3. Методика получения замещенных циклопропанов взаимодействием ацетиленов с реагентом СН2І2-г-ВіізА1 101
3.4. Методика синтеза силилзамещенных циклопропанов 107
Выводы 112
- Синтез и реакционная способность карбеноидов металлов
- Карбеноиды алюминия
- Реакция ацетиленов с реагентом СН2І2 - Ме3А1
- Методика получения иодсодержащих замещенных циклопропанов взаимодействием ацетиленов с реагентом СН2І2-Ме3А1
Введение к работе
Актуальность работы. Соединения циклопропанового ряда являются важными интермедиатами в органическом синтезе, поскольку фрагмент трехчленного цикла часто встречается в структуре веществ, обладающих разнообразной физиологической активностью и выполняющих важные функции в растениях, бактериях, грибах, насекомых. Создание новых подходов и нетрадиционных методов конструирования замещенных циклопропановых соединений, перспективных в органическом и металлоорганическом синтезе, с использованием широко доступных исходных реагентов является важной и актуальной задачей.
Развитие химии металлоорганических соединений непереходных металлов во многом предопределило успехи синтетической органической химии, позволив пересмотреть и значительно упростить стратегию органического и металлоорганического синтеза, сделав доступными многие классы органических соединений. Так, реагент Симмонса-Смита (CH2I2-Z11/CU) революционизировал химию циклопропановых соединений, предложив уникальный по простоте и эффективности подход к метиленированию олефинов. На его основе были разработаны новые альтернативные реагенты для получения циклопропановых соединений. Активность в реакции циклопропанирования олефинов проявили карбеноиды цинка, лития, самария, алюминия, индия, магния, кадмия, диспрозия. В реакцию были вовлечены 1,3-диены, аллены, терпеноиды различного строения. Однако отдельные попытки циклопропанирования ацетиленов карбеноидами цинка не увенчались успехом. Карбеноиды алюминия имеют существенное отличие от реагента Симмонса-Смита, заключающееся в иной хемоселективности по отношению к функционально-замещенным олефинам и терпеноидам. Мы полагали, что природа металла в карбеноиде может
Автор выражает искреннюю благодарность чл.-корр. РАН У.М. Джемилеву за выбор направления исследования и постоянную помощь при обсуждении полученных результатов
5 играть значительную роль в реакции с ненасыщенными соединениями и способствовать селективному циклопропанированию. Эта задача была перспективна и тем, что до настоящего времени отсутствовали препаративные методы одностадийного превращения ацетиленов в циклопропаны и ее решение является важным и актуальным.
Цель работы. Целью работы является решение фундаментальных проблем, связанных с разработкой новых методов получения циклопропанов, заключающееся в выполнении программы исследований, направленной на создание нового реагента для превращения ацетиленов в соединения циклопропанового ряда. В рамках намеченных исследований планировалось изучить взаимодействие замещенных ацетиленов, в том числе кремнийорганических, с СНгЬ в присутствии триалкилаланов и разработать принципиально новый метод получения циклопропановых соединений из терминальных и дизамещенных ацетиленов. Реализация данного направления могла бы стать основой для разработки нового универсального метода введения циклопропановой функции в молекулы ацетиленовых соединений, внося, таким образом, существенный вклад и в химию ацетиленов, и в химию циклопропановых соединений, что будет способствовать включению карбеноидов алюминия в ряд эффективных реагентов органической химии.
Научная новизна. Разработанные в рамках диссертационной работы "однореакторные" методы синтеза циклопропановых соединений из ацетиленов с использованием реагента R3AI-CH2I2 основаны на реакциях, впервые осуществленных и реализованных в лаборатории каталитического синтеза Института нефтехимии и катализа РАН совместно с Институтом органической химии им. Н.Д. Зелинского РАН (лаборатория академика РАН Нефедова О.М.). Разработанный реагент является единственным известным циклопропанирующим агентом, который позволяет превращать в одну стадию неактивированные моно- и дизамещенные и кремнийорганические ацетилены в циклопропансодержащие иод-, алюминий- и кремнийорганические соединения заданной структуры. Эффективность нового реагента подтверждена разработкой на его основе новых оригинальных методов синтеза замещенных циклопропанов из ацетиленов:
Разработан новый метод превращения моноалкил- и диалкилзамещенных, алкилфенилзамещенных ацетиленов в соединения циклопропанового ряда под действием реагента CH2I2-R3AI (R=Et, z-Bu) с селективным образованием алюминийорганических соединений (АОС), содержащих, в зависимости от строения и природы ацетилена и условий проведения реакции, ди-, три- или тетразамещенные циклопропановые фрагменты.
Реакцией моно- и диалкилзамещенных ацетиленов с Ме3А1 в присутствии СН2І2 с высокой региоселективностью получены р-иодэтилзамещенные циклопропаны.
Предложен метод синтеза циклопропилсиланов взаимодействием триметилсилилзамещенных ацетиленов с СН2І2 и R3A1 (где R3A1 = Et3Al или /-Bu3Al).
Практическая ценность работы. Практическая значимость исследований заключается в разработке новых эффективных методов синтеза труднодоступных циклопропансодержащих соединений. Разработанные в диссертационной работе методы и подходы к синтезу циклопропансодержащих соединений перспективны не только в лабораторной практике, но и для создания на их основе современных химических технологий получения замещенных циклопропанов, активных реагентов и новых материалов.
Синтез и реакционная способность карбеноидов металлов
Методы генерирования. Известно, что реакции галоген-металл обмена могут быть использованы для получения алкил-, алкенил- и арилметаллов из соответствующих галогенидов и алкилметаллов. Особенно широко используются реакции бром- или иод-литий обмена для генерирования карбанионов лития, в том числе карбеноидов лития. Карбеноиды лития являются наиболее изученными представителями карбеноидов металлов. Их обычно получают действием литийалкилов (например BuLi) или PhLi на соответствующие галогенметаны при низких температурах. Легкость обмена заместителей при атоме углерода на литий уменьшается в эфирной среде в ряду 1 Вг Н С1 [49]. В некоторых случаях на направление реакции существенно влияет природа растворителя. Так, при проведении реакции метиллития с бензальбромидом в среде диэтилового эфира происходит литий-галоген обмен, тогда как в случае использования ТГФ в качестве растворителя реакция протекает как Н-металлирование [50, 51]. В результате реакции бутиллития с бромоформом в ТГФ образуется смесь примерно равных количеств LiCBr3 и LiCHBr2 [52, 53], тогда как в углеводородной среде проходит исключительно обмен атома брома на литий [53]: Аналогичная реакция хлороформа в среде простых эфиров приводит к образованию ЫССЬ [54], а при проведении этой реакции в углеводородной среде образуется смесь ІЛСОз и LiCHCl2 [53]. В случае дигалогенметанов СН2Х2 (Х=С1, Вг, І) в углеводородной среде под действием литийалканов происходит только литий-галоген обмен [55-57], приводящий далее к образованию карбена. В эфирной же среде, СН2СЬ подвергается исключительно Н-металлированию, превращаясь в LiCHCl2 -предшественник монохлоркарбена 1 [58, 59]: Такое изменение направления металлирования при переходе от углеводородной среды к эфирной объясняется ослаблением связи С-Н за счет образования комплексов типа X3C...H...OR2, где OR2 - эфирный растворите ль [53 ]. Реакция фениллития и его производных с СН2С12 в эфире аналогично протекает через стадию металлирования и промежуточного образования монохлоркарбена 1, и лежит в основе удобного метода генерирования арилкарбенов 2 [60]: Простой общий метод генерирования карбеноидов лития и соответствующих галогенкарбенов основан на реакции ди-, три- и тетрагалогенметанов и подобных соединений с металлитическим литием в ТГФ [61] при (-40)-40С.
В этих условиях в таких соединениях как СН2С12, СИСЬ, PhCHCl2 и СНВгз замещается только атом водорода, а в случае СН2Вг2 - атом брома. Помимо реакции галоген-литий обмена, карбеноид лития может быть получен реакцией сульфоксид-литий обмена. Так, недавно, реакцией ґ-BuLi с и-толилсульфоксидом в ТГФ при -100С был получен карбеноид 3, который далее перегруппировывался в олефин 4 с выходом комплексообразование Ассоциация и растворах оказывает карбеноидов лития, галогенлитийметанов в существенное влияние на стабильность и реакционную способность этих соединений. Так, исследование термической стабильности трихлорметиллития в различных растворителях показало, что соединение распадается с образованием дихлоркарбена вследствии синхронной реакции, скорость которой определяется прочностью координационной связи Li r- OR2, где R20 - эфирный растворитель [63]: В то же время, мономерный и незакомплексованный трихлорметиллитий, полученный реакцией ССІ4 с атомарным литием в матрице твердого аргона, оказался неустойчивым даже при -230С [64], тогда как в растворах ТГФ это соединение стабильно до температуры -70С [63, 65]. Согласно [5], стабильность карбеноидов лития зависит от природы галогена. Очевидно, что для карбеноидов существует тенденция к понижению стабильности с ростом атомного номера галогена. Однако во многих случаях такая зависимость маскируется другими факторами и четко проследить ее на основании имеющихся в литературе данных весьма затруднительно. Установлено, что в эфирном растворе LiCF3 стабилен при температурах ниже -50 - (-75)С [66]. Перфторизопропиллитий устойчив в эфире при -78С и ниже [67]. Трихлорметиллитий распадается в ТГФ при Т -65С [63]. Однако, ЫСНСЬ является более стабильным соединением (Тр=-30С в ТГФ), а экзо-7-литий-7-хлорноркаран и LiCH2Cl - более лабильными (Тр=-110С). Бромзамещенные производные метиллития - LiCHBr2 и LiCBr3 имеют температуру разложения, близкую к таковой для ЫСОз и других хлорпроизводных и медленный распад этих соединений наблюдается уже при гораздо более низких температурах (около -100С) [52]. Точные значения температур распада карбеноидов лития LiCH2I LiCHI2 не определены, хотя показано, что при -90-(-100)С эти соединения относительно стабильны [68]. Реакция циклопропанирования. При взаимодействии карбеноидов лития 5 с олефинами с хорошими выходами образуются циклопропаны. Так, в реакции а,а-дихлорбензиллития и трихлорметиллития с линейными и циклическими алкенами и диенами при -78 С образовывались соответствующие циклопропаны 6 с выходами 50-70% [59, 69]: Работы Симмонса - Смита [15, 16] и Гоберга [34] с аналогичными системами указывают на то, что циклопропаны формируются при прямой реакции галогеналкилметаллов с олефинами, а не образуются в результате взаимодействия со свободным карбеном. Миллер и Вален [70] , а также Клосс и Мосс [13] считали, что это верно и по отношению к карбеноидам лития. Миллер и Вален сообщили об обнаружении трихлорметиллития как относительно стабильного интермедиата в реакции бромтрихлорметана с п-BuLi в этиловом эфире при -115 С.
Кроме того, было продемонстрировано образование дихлорноркарана из циклогексена при температуре -100С, что намного ниже температуры разложения соответствующего карбеноида лития [70]. Активность карбеноидов лития в реакции циклопропанирования олефинов уменьшалась в ряду PhCCbLi CCl3Li » Ph2CQLi СЬСНГД, то есть активность падала с уменьшением электрофильности реагента. Ди- и тетразамещенные олефины, такие как циклогексен, тетраметилэтилен, реагировали быстрее, чем олефины винилового ряда, что указывает на то, что с увеличением нуклеофильности олефина скорость циклопропанирования растет [59]. Известно, что реакция гомологизации алкиллития конкурирует с реакцией циклопропанирования алкенов [57]. Основными продуктами реакции являются алкилгалогениды. При -50С выходы продуктов циклопропанирования увеличиваются [26]. Авторы, исходя из кинетических исследований, полагают, что в эти две реакции вовлекаются два различных типа карбеноидов, которые кинетически независимы друг от друга.Вгексане алкиллитии гексамеризуется, а в циклогексане он находится в тетрамерном состоянии. Согласно авторам, ассоциированный алкиллитии подвергается галоген-литий обмену с дигалогенметаном, затем галогенметиллитий становится частью металлоорганического макромолекулярного комплекса, внутри которого проходит гомологизация. Наиболее активно в реакцию циклопропанирования вступает мономерный LiCH2Hal, образующийся в результате диссоциации этого макромолекулярного комплекса. Имеется пример влияния природы галогенид-иона на селективность реакции олефинов с карбеноидами лития. Так, реакция карбеноида 7 с олефинами приводит к образованию не только хлорциклопропана 8а, а также к образованию замещенных циклопропанов 8Ь и 8с или 8d и 8е, в случае наличия бромида или иодида лития в составе литийорганического реагента В связи с разработкой более эффективных методов генерирования карбенов из галогенметанов, реакции разложения карбеноидов лития в настоящее время редко используются для циклопропанирования олефинов. В то же время, генерирование сложных карбенов, главным образом различных замещенных циклопропилиденов, до сих пор осуществляется практически исключительно методами литийорганической химии. Реакция внедрения по С-С связи.
Карбеноиды алюминия
Известно два основных метода получения карбеноидов алюминия. Первый основан на реакции диазометана с галогенидами алюминия, причем могут быть использованы моно-, ди- и тригалогениды [34]. Гоберг таким образом впервые получил эфирный раствор диэтил(иодметил)алюминия 132 при смешивании Et2AlI с эфирным раствором CH2N2. Другой метод заключается во взаимодействии полигалометанов с триалкилаланами [29], например, Карбеноиды алюминия 133 термически нестабильны при комнатной температуре и при температуре выше -10 С разлагаются на этилен и галогениды алюминия [34]. Однако их эфираты термически намного более устойчивы и подвергаются разложению лишь при температуре близкой к 100 С. Реакция циклопропанирования. В 1962 году Гоберг, изучая химические свойства полученных им карбеноидов алюминия, обнаружил, что они уже при -50 С циклопропанируют непредельные соединения с количественным выходом [34]. Он полагал, что реакция протекает через промежуточное образование соответствующих у-галогенпропильных соединений, распадающихся далее с образованием производных циклопропана 134. Дальнейшие исследования показали, что в действительности процесс циклопропанирования проходит как одностадийный синхронный перенос метилена от карбеноида алюминия 132 к молекуле олефина. Позднее Миллер в ходе изучения реакций полигалогенметанов с триалкилаланами обнаружил, что СН2І2 в присутствии EtsAl способен циклопропанировать циклогексен с образованием норкарана 135 с выходом 20 % [29]. В 1985 году Ямомото и Маруока усовершенствовали последний метод, разработав удобный метод циклопропанирования олефинов с помощью системы R3AI-CH2I2, через образование диалкил(а-иодалкил)алюминия 136. Решающее значение имел выбор в качестве растворителя дихлорметана [30]. В реакцию были вовлечены алифатические моно- и 1,2-дизамещенные олефины, циклоолефины, терпены. Выходы продуктов циклопропанирования составляли 70-90%. Реакция с аллиловыми спиртами. При взаимодействии гераниола 137 и периллилового спирта 139 с системой триизобутилалюминий-дииодметан в соотношении 2:1 в хлористом метилене при комнатной температуре в течение 5 часов образовались соответствующие циклопропаны 138 и 140.
Следует отметить, что реакция региоселективна и протекает преимущественно по кратной связи, наиболее удаленной от гидроксильной группы [30]: Метиленирование бензола. В то время, как циклопропанирование олефинов является типичной для карбеноидов металлов реакцией, для карбеноида алюминия известна также реакция метиленирования бензола [29], которая дает 7-этилциклогептатриен 141 (14%) и циклогептатриен 142 (8%). Реакция с ацетиленами. Взаимодействие карбеноидов алюминия, полученных реакцией диалкилалюминйгалогенидов 143 с CH2N2, с бутином-2 и пропином протекает как процесс карбоалюминирования [34]: Однако, дальнейшего развития эта реакция не получила, вследствие, по-видимому, малого выхода продукта. Реакция с участием кратной CN связи. Гобергом было изучено взаимодействие карбеноидов алюминия 132 с соединениями, содержащими кратную CN связь [140]. Карбеноиды алюминия имеют два типа реакционноспособных связей: С-А1 и С-На1, поэтому при их взаимодействии с соединениями с кратными CN связями можно представить два пути реакции: 1) карбоалюминирование; 2) образование четвертичных аммонийных солей. Было исследовано взаимодействие с акридином, бензальанилином и бензонитрилом. Реакция с акридином 144 проходит при комнатной температуре в течение 72 часов давая аммонийную соль 145. Реакция проходит через первоначальное образование четвертичной аммонийной соли: Таким образом, при взаимодействии с акридином связь С-На1 в карбеноиде алюминия более реакционноспособна, чем С-А1. В реакции с бензальанилином 146 образовывался 1,2,3,4-тетрафенилимидазолин 147, а с бензонитрилом 148 - 4,5-дифенилимидазол 149. Согласно предложенному механизму превращения, реакция начинается с нуклеофильной атаки по С-На1 связи: Реакция гомологизации. Реакция карбеноидов алюминия, полученных взаимодействием 3 экв. охлажденного до 0С триэтилалюминия с 3 экв. дииодметана в среде дихлорметана при комнатной температуре, с у-кремнийзамещенными аллиловыми спиртами 150 протекает с преимущественным образованием гомоаллиловых иодидов 151 вместо соответствующих циклопропанов 152 [141]. Авторам удалось повысить селективность реакции при добавлении Использование триметилалюминия вместо диэтилалюминийхлорида приводило к увеличению выхода циклопропана 152 в сравнении с йодидом 151. (Д)-2-Гептен-1-ол при взаимодействии с карбеноидом, полученным из триметилалюминия и дииодметана, превращался в соответствующий циклопропан (22%) и гомоаллиловый иодид (1%) [141]. Реакция с литий- и алюминийорганическими соединениями.
Карбеноиды алюминия 153 образуют с литийоргическими соединениями аддукты 154, распадающиеся с образованием илидов 155, которые легко перегруппировываются в триалкилаланы 156 [142]: Аналогично происходит взаимодействие карбеноидов алюминия 157 с триалкил аланами. Реакция металлирования. Карбеноиды алюминия 158 способны обменивать атом галогена на атом лития при взаимодействии с металлическим литием в эфире при комнатной температуре с образованием литийметилалана 159 [142]. Карбеноиды индия Получение. Скамб и Крейн в 1938 году [22] сообщили об очень медленной реакции металлического индия с метилениодидом. Хотя они не смогли выделить продукт реакции, но на основании экспериментальных данных сделали вывод, что формируется связь In-C и предположили, что в реакционной смеси может присутствовать ICH2InI2. Позднее, в 1972 году появилось исследование, в котором металлический индий с чистотой 99,999% удалось вовлечь в реакцию с низшими алкилбромидами и йодидами 161, в результате которой получалась смесь ди- и моногалогенидов алкилиндия 162 [23]. Как и в случае с 0 реакция с алкилбромидами и -йодидами проходит медленно: 3-5 дней - с бромидами и 1-3 дня - с йодидами: Лишь в 2005 году при использовании в качестве растворителя ацетонитрила этот недостаток удалось преодолеть. Под действием индия и дииодметана в ацетонитриле олефины 163 превращались в циклопропаны 164 в очень мягких условиях: при комнатной температуре в течение 1-8 часов [24]: В реакцию вовлекались олефины ароматического ряда, которые в течение 4-8 часов превращались в соответствующие циклопропаны с выходами 65-80%. Циклоолефины (С5-С7) оказались самыми активными -через 1.5-2 часа давали целевой продукт с выходом 88-90%. Введение дииодметана дробным методом давало лучшие выходы, а при его замене на дихлорметан реакция не проходила. Дигалогенметильные соединения индия Х21пСНХ2, где Х= CI, Вг или I, были получены реакцией галогенидов индия (I) с хлороформом в ацетонитриле [143]. Реакции карбеноидов индия. Весьма подробно карбеноиды индия были исследованы Бутсуганом, который синтезировал in situ различные а-галогениндийорганические соединения из ге/и-дигалогенсодержащих соединений и индия и изучал их реакции с электронодефицитными алкенами и карбонильными соединениями [144, 145]. Было установлено, что взаимодействие дибромзамещенных карбонильных соединений или нитрилов 166 с электронодефицитными олефинами 165 в присутствии индия приводит к получению соответствующих циклопропанов 167.
Реакция ацетиленов с реагентом СН2І2 - Ме3А1
Согласно предложенной схеме превращения ацетиленов под действием CH2l2-Et3Al, характер алкильного заместителя при циклопропановом кольце определяется природой АОС. То есть, путем замены алкильного радикала в исходном триалкилалане можно целенаправленно синтезировать циклопропаны заданной структуры. Поэтому с целью изучения границ приложения данной реакции, а также разработки общего метода прямого превращения ацетиленов в соединения циклопропанового ряда, выяснения влияния природы АОС на направление реакции мы решили исследовать взаимодействие моно- и дизамещенных ацетиленов с СН Ь в присутствии других алюминийорганических соединений. Среди циклопропансодержащих природных соединений особое место занимают метилзамещенные производные [180]. Поэтому особый интерес представляет превращение алкинов под действием СН2І2-Ме3А1 в метилзамещенные соединения циклопропанового ряда. Нами было установлено, что реакция октина-4 с СНгЬ и Ме3А1 в среде дихлорметана в течение 8 часов при комнатной температуре дает диастереоселективно чистый ( 97%) 1-(2-иодэтил)-2-метил-1,2(2)-дипропилциклопропан 7а с выходом 87% (Схема 4). Проведение дейтеролиза реакционной смеси не приводит к образованию дейтерозамещенного циклопропана, что указывает на отсутствие А1-С связей в молекуле соединения. Наилучшие результаты получены при проведении реакции в среде галогенсодержащих (дихлорметан, дихлорэтан) или углеводородных (гексан, бензол) растворителей. Использование эфирных растворителей ингибирует процесс циклопропанирования. Проведение реакции при различной температуре (0, 20, 60 С) мало влияет на состав продуктов реакции. Отнесения сигналов в спектрах ЯМР соединения 7а (рис. 1) сделаны с использованием ряда корреляционных методов ЯМР спектроскопии (COSY, HSQC, НМВС) и сопоставлением полученных спектральных данных с параметрами ранее синтезированного 1,2-диэтил-1,2-дипропилциклопропана 5а [181]. Рисунок 1. 1-(2-иодэтил)-2-метил-1,2(2)-дипропилциклопропан.
В спектре APT и DEPT 135 проявляются 3 СН3 группы, 7 СН2 групп и 2 четвертичных атома углерода. Метиленовая группа при атоме иода проявляется в спектре ЯМР Н в виде слабопольного мультиплета в области 3.05-3.25 м.д., а в спектре ЯМР С - в сильном поле при 3.10 м.д., что характерно для иодорганических соединений. Сигнал метильной группы при циклопропановом фрагменте имеет синглетный характер в спектре ЯМР LH. В спектрах COSY проявляется Р-иодэтильная система протонов. В спектре НМВС наблюдается взаимодействие С(1)Н21 с С(2,3), а также С(12)Н3 с С(3,4,5,8), С(8)Н2 с С(2,3,4,5,9,12). Транс- конфигурация заместителей при циклопропановом цикле была установлена при помощи NOESY эксперимента. В спектре NOESY соединения 7а проявляется взаимодействие между атомами углерода С(2) и С(12), свидетельствующее о том, что межатомное расстояние между ними составляет менее 3 ангстрем. Аналогичным образом были идентифицированы продукты взаимодействия СН212-Ме3А1 с диалкилзамещенными (гексин-3, децин-5) и терминальными (гексин-1, гептин-1, октин-1, децин-1) ацетиленами. Во всех случаях с высоким выходом и стереоселективностью образовывались соединения циклопропанового ряда 7. В то время как для продуктов превращения диалкилзамещенных ацетиленов однозначно была установлена с помощью метода NOESY транс- конфигурация соединений 7а-с, стереоконфигурацию тризамещенных циклопропанов 7d-g не удалось определить методами ЯМР-спектроскопии. Очевидно, что образование продуктов реакции идет по схеме, аналогичной той, что была предложена ранее для взаимодействия ацетиленов с реагентом CH2l2-Et3Al. Отличие состоит в дополнительной стадии A1-I обмена под действием дииодметана на тетразамещенное алюминийорганическое соединение (Схема 5). Начальной стадией реакции является генерация диметил(иодметил)алюминия А [29], который карбоалюминирует ацетилен с образованием иодсодержащего алкенилалана В [34]. Последующая перегруппировка с участием Ме3А1 приводит к образованию ненасыщенного АОС С. При последующем циклопропанировании двойной связи [30] и внедрении СНг-группы по А1-С связи формируется АОС D, которое затем перегруппировывается в Е. В результате A1-I обмена образуется иодсодержащий циклопропан Для дополнительного подтверждения предложенной схемы проведена реакция октина-4 с Ме3А1 в присутствии CD2I2 (Схема 6). Положение атомов дейтерия в продукте реакции 8 соответствовало ожидаемому по схеме 5. Другим косвенным доказательством предложенной схемы реакции является результат эксперимента с участием фенилметилацетилена, который взаимодействует с Ме3А1-СН2І2 с селективным образованием иодсодержащего 1,1-дизамещенного циклопропана 9. По-видимому, дальнейшей перегруппировке F в G препятствуют, главным образом, неблагоприятные стерические факторы. Согласно вероятной схеме 5 протекания исследуемой реакции одной из ее ключевых стадий является карбоалюминирование ацетилена диметил(иодметил)алюминием. Известно, что многие комплексы переходных металлов, такие как Cp2ZrCl2, Ср2ТіС12 катализируют протекание реакции карбоалюминирования.
Однако использование каталитических количеств этих солей в изучаемой реакции не оказало влияния на скорость реакции, конверсию ацетилена и состав продуктов. Начальной стадией реакции является генерация карбеноида алюминия из Ме3А1 и СН212. Известно, что металлированию с помощью металлоорганических соединений могут подвергаться и другие полигалогенметаны, такие как СНВг3, СС14 [182]. В этой связи изучалась реакция октина-4 с Ме3А1 в присутствии различных полигалогенметанов, таких как СН2Вг1, СН2Вг2, СНВг3 и СС14. Установлено, что в случае использования СН2Вг1 вместо СН212 образуется 7а с выходом 45%. СНВг3 и СН2Вг2 в условиях реакции с октином-4 не реагируют. Таким образом, реакция моно- и дизамещенных ацетиленов с СН2І2 в присутствии Ме3А1 приводит к селективному образованию Р-иодэтилзамещенных циклопропанов, в отличие от Et3Al, когда образуются исключительно циклопропансодержащие АОС. 2.3. Реакция ацетиленов с реагентом CH2I2 - i-Bu3Al Такое резкое различие в химизме процесса, зависящее от природы АОС, инициировало исследование по изучению роли стерического объема алкильного заместителя в триалкилалане и относительной активности используемых АОС на состав продуктов реакции. В первую очередь было изучено взаимодействие ацетиленов с СН2І2 в присутствии /-Ви3А1, поскольку стерический объем шо-бутильной группы сильно отличается от объема метильной. Было установлено, что октин-4 в присутствии СН212 и z -Bu3Al превращается в алюминийорганическое соединение 10а, дейтеролиз которого приводит к образованию дейтеросодержащего тетразамещенного циклопропана 11а с выходом 84% в течение 8 часов Структура соединения 11a определена сравнением его ID и 2D ЯМР спектров с спектральными параметрами ранее полученного замещенного циклопропана 6а [181]. На основании того, что в спектре ЯМР 13С соединения 11а наблюдается только один набор сигналов, сделан вывод о стереоселективном характере реакции, однако из анализа NOESY спектра однозначно определить стереоконфигурацию образующегося тетразамещенного циклопропана не удалось. Структура АОС 10а установлена при помощи продукта его дейтеролиза, поскольку интерпретация корреляционных спектров АОС была затруднена вследствие процессов лигандного обмена между атомами алюминия. Реакция гексина-3, децина-5 и октина-2 с CH2I2 - /-Ви3А1 протекает аналогичным образом и приводит после дейтеролиза к образованию 1,1,2,2-тетразамещенного циклопропана lib, с, d. В случае октина-2 реакция протекает нерегиоселективно с образованием смеси региоизомеров в соотношении 1:1. Терминальные ацетилены (гексин-1, гептин-1, октин-1, децин-1) реагируют с СН2І2 и /-Ви3А1 с образованием тризамещенных циклопропансодержащих АОС 10e-h.
Методика получения иодсодержащих замещенных циклопропанов взаимодействием ацетиленов с реагентом СН2І2-Ме3А1
Актуальность работы. Соединения циклопропанового ряда являются важными интермедиатами в органическом синтезе, поскольку фрагмент трехчленного цикла часто встречается в структуре веществ, обладающих разнообразной физиологической активностью и выполняющих важные функции в растениях, бактериях, грибах, насекомых. Создание новых подходов и нетрадиционных методов конструирования замещенных циклопропановых соединений, перспективных в органическом и металлоорганическом синтезе, с использованием широко доступных исходных реагентов является важной и актуальной задачей. Развитие химии металлоорганических соединений непереходных металлов во многом предопределило успехи синтетической органической химии, позволив пересмотреть и значительно упростить стратегию органического и металлоорганического синтеза, сделав доступными многие классы органических соединений. Так, реагент Симмонса-Смита (CH2I2-Z11/CU) революционизировал химию циклопропановых соединений, предложив уникальный по простоте и эффективности подход к метиленированию олефинов. На его основе были разработаны новые альтернативные реагенты для получения циклопропановых соединений. Активность в реакции циклопропанирования олефинов проявили карбеноиды цинка, лития, самария, алюминия, индия, магния, кадмия, диспрозия. В реакцию были вовлечены 1,3-диены, аллены, терпеноиды различного строения. Однако отдельные попытки циклопропанирования ацетиленов карбеноидами цинка не увенчались успехом. Карбеноиды алюминия имеют существенное отличие от реагента Симмонса-Смита, заключающееся в иной хемоселективности по отношению к функционально-замещенным олефинам и терпеноидам. Мы полагали, что природа металла в карбеноиде может Автор выражает искреннюю благодарность чл.-корр. РАН У.М. Джемилеву за выбор направления исследования и постоянную помощь при обсуждении полученных результатов играть значительную роль в реакции с ненасыщенными соединениями и способствовать селективному циклопропанированию. Эта задача была перспективна и тем, что до настоящего времени отсутствовали препаративные методы одностадийного превращения ацетиленов в циклопропаны и ее решение является важным и актуальным. Цель работы. Целью работы является решение фундаментальных проблем, связанных с разработкой новых методов получения циклопропанов, заключающееся в выполнении программы исследований, направленной на создание нового реагента для превращения ацетиленов в соединения циклопропанового ряда.
В рамках намеченных исследований планировалось изучить взаимодействие замещенных ацетиленов, в том числе кремнийорганических, с СНгЬ в присутствии триалкилаланов и разработать принципиально новый метод получения циклопропановых соединений из терминальных и дизамещенных ацетиленов. Реализация данного направления могла бы стать основой для разработки нового универсального метода введения циклопропановой функции в молекулы ацетиленовых соединений, внося, таким образом, существенный вклад и в химию ацетиленов, и в химию циклопропановых соединений, что будет способствовать включению карбеноидов алюминия в ряд эффективных реагентов органической химии. Научная новизна. Разработанные в рамках диссертационной работы "однореакторные" методы синтеза циклопропановых соединений из ацетиленов с использованием реагента R3AI-CH2I2 основаны на реакциях, впервые осуществленных и реализованных в лаборатории каталитического синтеза Института нефтехимии и катализа РАН совместно с Институтом органической химии им. Н.Д. Зелинского РАН (лаборатория академика РАН Нефедова О.М.). Разработанный реагент является единственным известным циклопропанирующим агентом, который позволяет превращать в одну стадию неактивированные моно- и дизамещенные и кремнийорганические ацетилены в циклопропансодержащие иод-, алюминий- и кремнийорганические соединения заданной структуры. Эффективность нового реагента подтверждена разработкой на его основе новых оригинальных методов синтеза замещенных циклопропанов из ацетиленов: - Разработан новый метод превращения моноалкил- и диалкилзамещенных, алкилфенилзамещенных ацетиленов в соединения циклопропанового ряда под действием реагента CH2I2-R3AI (R=Et, z-Bu) с селективным образованием алюминийорганических соединений (АОС), содержащих, в зависимости от строения и природы ацетилена и условий проведения реакции, ди-, три- или тетразамещенные циклопропановые фрагменты. - Реакцией моно- и диалкилзамещенных ацетиленов с Ме3А1 в присутствии СН2І2 с высокой региоселективностью получены р-иодэтилзамещенные циклопропаны. Предложен метод синтеза циклопропилсиланов взаимодействием триметилсилилзамещенных ацетиленов с СН2І2 и R3A1 (где R3A1 = Et3Al или /-Bu3Al). Практическая ценность работы. Практическая значимость исследований заключается в разработке новых эффективных методов синтеза труднодоступных циклопропансодержащих соединений. Разработанные в диссертационной работе методы и подходы к синтезу циклопропансодержащих соединений перспективны не только в лабораторной практике, но и для создания на их основе современных химических технологий получения замещенных циклопропанов, активных реагентов и новых материалов. Глава 1. Литературный обзор Карбеноиды металлов:синтез и реакционная способность Карбены и карбеноиды известны как высокореакционноспособные частицы и часто используются как интермедиаты в органическом синтезе [1-4]. Наибольшее распространение получили реагенты на основе карбеноидов цинка (реагент Симмонса-Смита), нашедшие чрезвычайно широкое применение при синтезе циклопропановых соединений.
Успешное внедрение цинкорганических соединений в органический синтез стимулировало работы по синтезу и изучению химических свойств карбеноидов других металлов. Большой вклад в изучение химии карбеноидов лития внес советский химик академик О. М. Нефедов. Среди относительно значительных исследований следует отметить цикл работ Моландера и Лаутенса в конце 80-х годов прошлого века по карбеноидам самария, которые проявили специфическую активность по отношению к аллиловым и алленовым спиртам. Кроме того, следует отметить работы Сато по карбеноидам магния, а также ряд публикаций по синтезу и химическим превращениям карбеноидов индия. Кроме указанных работ в литературе известны эпизодические работы по карбеноидам кадмия, алюминия, диспрозия. Приступая к изложению литературного обзора следует упомянуть, что первое обобщение литературных данных по карбеноидам металлов было сделано еще в конце 70-х годов прошлого века академиком О.М. Нефедовым [5]. Боче и Лоренц в 2001 году классифицировали реакции карбеноидов лития по типам реагирующих с ними нуклеофилов и обобщили имеющиеся в литературе данные по электронной структуре этих карбеноидов [6]. В 2003 году Чаретте опубликовал обзор по стереоселективным методам циклопропанирования, в котором кратко описал использование карбеноидов цинка, самария и алюминия для циклопропанирования олефинов [7]. Недавно, в 2008 году, был опубликован обзор японского химика Сато по химии карбеноидов магния [8]. Однако, несмотря на наличие вышеупомянутых обзоров, практически все они носят узкоспециализированный характер. Исключением является обширный обзор О.М. Нефедова, вышедший в 1977 году, в котором он обобщил имеющиеся тогда сведения по всем известным карбеноидам металлов [5]. Но за прошедшие более чем 30 лет были опубликованы новые данные как по известным, так и по новым карбеноидам металлов. Поскольку химия карбеноидов металлов получила существенное развитие, обобщение новых результатов является актуальной задачей. Данный обзор посвящен рассмотрению методов синтеза, термической стабильности и химических свойств карбеноидов лития, цинка, магния, кадмия, алюминия, индия и самария. Выбор данных металлов обусловлен с одной стороны широким использованием карбеноидов лития, цинка и самария в лабораторной практике, а с другой — перспективностью применения новых реагентов на основе карбеноидов алюминия, индия и магния.
