Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Литературный обзор 7
1.1 Синтез трифторметилзамещенных ацетиленов путем функционализации терминального положения ацетиленов 7
1.2 Синтез трифторметилзамещенных ацетиленов по реакции элиминирования 12
1.3 Реакции трифторметилзамещенных ацетиленов 14
1.4 Межмолекулярное гидроарилирование ацетиленовой связи в суперкислотах 18
1.5 Внутримолекулярные реакции катионов винильного типа в суперкислотах 27
ГЛАВА 2 Обсуждение результатов 36
2.1. Реакции трифторметилзамещенных алкинов с аренами в суперкислотах 36
2.2. Квантовохимические расчеты трифторметилзамещенных катионов винильного типа 55
2.3 Одноэлектронное окисление 1-(4-метоксифенил)-3,3,3-трифторпропина в системе Pb02-CF3C02H-CH2Cl2
ГЛАВА 3 Экспериментальная часть 61
3.1 Алкенилирование ароматических соединений трифторметилзамещенными (1а-д) и галогендифторметилзамещенными (Va,6) арилацетиленами в суперкислотах CF3SO3H или HSO3F. Физико-химические
характеристики продуктов реакций 61
3.2 Методика превращения трифторметилзамещенных арилацетиленов (Іа-д) в серной кислоте H2S04. Физико-химические характеристики продуктов реакций 80
3.3 Методика окисления 1-(4-метоксифенил)-3,3,3-трифторпропина (їв) в системе РЬОг-СТзСОгН-СНгСЬ. Физико-химические характеристики продукта реакции 81
Заключение 83
Список использованной литературы
- Синтез трифторметилзамещенных ацетиленов по реакции элиминирования
- Внутримолекулярные реакции катионов винильного типа в суперкислотах
- Квантовохимические расчеты трифторметилзамещенных катионов винильного типа
- Методика превращения трифторметилзамещенных арилацетиленов (Іа-д) в серной кислоте H2S04. Физико-химические характеристики продуктов реакций
Синтез трифторметилзамещенных ацетиленов по реакции элиминирования
Генерируемые при протонировании в суперкислотах ацетиленовых производных (97) катионы винильного типа (98) реагируют с введенными в реакционную среду молекулами аренов по механизму ароматического электрофильного замещения с образованием продуктов алкенилирования аренов (99) [34, 35-40]. Эту реакцию также можно рассматривать как гидроарилирование ацетиленовой связи субстратов (97). Протон и арильная группа могут присоединяться к связи С=С с одной или разных сторон с получением, соответственно, син- или анти- аддуктов (E-/Z-) (99).
Гидроарилирование можно осуществить в различных суперкислых системах HS03F, CF3S03H, HF-SbFs, HS03F-SbF5, CF3S03H-SbF5, HBr-AlBr3 при температурах от -75 до 25С за 0.25-2 ч. Суммарные выходы E-/Z- изомеров продуктов реакций достигают 70-98%. R Ar x
В реакцию вовлекаются субстраты АгС=СХ (97) с электроноакцепторными группами X = С02А1к [35-39], С02Н [37], CN [37], COC02Et [34], COCF3 [34], PO(OEt)2 [34,37], COPh [34], COMe [34,38-40], имеющие различные заместители в ароматическом кольце: алкильные и метокси группы, атомы галогена и др. Варьирование заместителей в структурах (97) позволяет менять основность ацетиленовой связи и реакционную способность соответствующих катионов (98).
Алкенилированию катионами винильного типа (98) подвергаются разнообразные ароматические соединения: бензол, алкилбензолы - от моно- до тетразамещённых, гидрокси- и (моно- или ди-)метоксибензолы, галогензамещённые арены, ариламмониевые ионы, N-арилацетамиды, различные стерически экранированные алкильными заместителями субстраты с электроноакцепторными группами (такие, как 1-ацетил-2,3,5,6-тетраметилбензол, 2,3,5,6-тетраметил-1-фторсульфонилбензол, 2,3,5,6-тетраметил-1-цианобензол и пр.). В данных реакциях арены алкенилируются по правилам ориентации ароматического электрофильного замещения.
Кроме этого, генерируемые в HS03F катионы винильного типа (98) не вступают во взаимодействие с пентаметилбензолом, который существует в HS03F в виде аренониевого иона [41].
Реакции гидроарилирования при -75С протекают по типу син-присоединения протона и арильного остатка к связи С=С. При более высокой температуре (-50С и выше) сш-структуры трансформируются в продукты анти-присоединения [34,37,38]. Аналогично синтезу винилфторсульфонатов и винилтрифлатов в результате гидроарилирования связи С=С ацетиленовых кетонов преимущественно получаются продукты ант «-присоединения. Метил-3-фенилпропиноат (100) в HS03F при -30С за 0.5ч дает продукты (101) в ходе реакции гидроарилирования ацетиленовой связи [37-39].
Арилацетиленовые производные АгС=СХ, ароматические кольца которых содержат одну метильню группу и более, являются сами по себе довольно активными 7г-нуклеофилами. Генерированный в HSO3F при -75С из эфира (110) катион (111) в отсутствие «внешних» 7г-нуклеофилов (добавленных в реакционную среду аренов) атакует ароматическую систему исходного соединения 110с, приводя к региодимерам Е-(син-)(112)я,Ъ [35,37].
Винильные катионы, генерируемые из веществ (110с, 113, 115а-с), не образуют в HSO3F соответствующих винилфторсульфонатов, что говорит о более нуклеофильном характере метилзамещённых ароматических колец субстратов (110с, 113, 115а-с), по сравнению с молекулой HSO3F. В отличие от 4-(4-метилфенил)бут-3-ин-2-она, из которого в HS03F при -30С получается продукт присоединения суперкислоты к ацетиленовой связи - винилфторсульфонат, но не димер, подобный структурам (116а-с). Это объясняется меньшей нуклеофильностью пара-тояияьной системы в кетоне, чем в эфире (110с) в условиях специфической сольватации в HSO3F. В работе [42] разработан общий метод введения аминоалкенильных группировок в гетероароматические системы индола, пиррола и фурана в результате взаимодействия этих гетероциклов с аминоалкинами (110) под действием Tf2NH. При этом имеет место стереоселективное син-гидроарилирование связи С=С субстратов (118). Индолы дают региоселективно только 3-замещённые производные (119), пирролы - смеси изомеров (120) с алкенильной группой во 2- и 3-положениях, а 2-метил- и 2,3-диметилфураны алкенилируются по свободному 5-положению, образуя вещества (121а,Ь).
Внутримолекулярные реакции катионов винильного типа в суперкислотах
В качестве внутримолекулярных нуклеофильных центров, атакуемых винильными катионами, могут выступать атомы кислорода или серы. Так, орто-гидроксизамещённые 1-арилпропиноны (206) превращаются в у-бензопираноны (207) в системе CF3SO3H-CH2CI2 [67]. Авторы этого исследования предполагают, что в результате присоединения CF3SO3H к ацетиленовой связи первоначально образуются винилтрифлаты, которые и циклизуются в вещества (207). Промежуточное получение соответствующего винилтрифлата было доказано методом ЯМР на примере 1-(2-гидроксифенил)-3-фенилпропинона (206, R1 = Ph, R = Н). Однако, для более основных и легче протонируемых субстратов (206), имеющих заместители R1 = 4-МеОС6Н4, 3,4-Me02C6H3 и 3,4,5-Me03C6H2, возможно быстрое образование катионов винильного типа и их непосредственное внутримолекулярное взаимодействие с атомом кислорода группы ОН, минуя стадию формирования винилтрифлата.
R1 = Bu, t-Bu, Су, Ph, 4-MeOC6H4, 3,4-Me02C6H3, 3,4,5-Ме03С6Н2; R2 = Н, 4-МеО, 5-МеО, 6-МеО Гетероциклизация ор осульфанилзамещенных арилацетиленов (208а-с) и (210) под действием HBF4, НСЮ4 или CF3SO3H даёт бензотиофенилиевые соли (209а-с) [68] и (211) [69] соответственно.
Таким образом, анализ литературных данных показал, что трифторметилзамещенные ацетилены являются важными и преспективными субстратами в разнообразных превращениях. Однако, электрофильные реакции СРз-алкинов в суперкислотах Бренстеда совершенно не исследованы. Имеющиеся примеры реакций других ацетиленовых производных в условиях суперэлектрофильной активации в сильных кислотах демонстрируют высокую эффективность такого синтетического подхода, например, в процессах внутри- и межмолекулярного гидроарилирования связи С=С. Поэтому в данной диссертационной работы было решено исследовать реакции трифторметилзамещенные ацетилены с аренами в суперкислотах Бренстеда CF3S03H и FS03H [70-74]. 2. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ 2.1. Реакции трифторметилзамещенных алкинов с аренами в суперкислотах
В результате протонирования ацетиленовой связи трифторметилзамещенных алкинов (І) в суперкислотах CF3SO3H и HSO3F (схема 1) имеет место генерирование винильных катионов А. Важно отметить, что протонирование алкина (I) протекает полностью региоселективно, вследствие электроноакцепторных свойств группы CF3. Далее интермедиаты А реагируют с аренами, приводя к продуктам их алкенилирования (II). В условиях реакции в CF3SO3H или HSO3F алкены (II), в свою очередь, также протонируются по атому углерода двойной связи с образованием стабильных карбокатионов Б. В зависимости от условий разложения суперкислых реакционных растворов катионы Б могут подвергаться депротонированию с получением вновь алкенов E-/Z-(II) или присоединять молекулу воды с образованием спиртов (III) (схема 1).
Строение алкенов (Па-ш) установлено на основе специфического положения винильного протона в спектрах ЯМР !Н. Так, сигнал винильного протона Е-изомеров алкенов (Па-ш) расположен при 5 5.19-6.17 м.д., а сигнал этого протона в Z-изомерах смещен в более слабое поле 5 6.01-6.26 м.д. (см. экспериментальную часть и приложение рисунки 1-47).
Дополнительно стереохимическое строение веществ E-/Z-(IIB) И Е-(11Ш) подтверждено данными NOESY (см. рисунок 1). В спектре NOESY индивидуально выделенного вещества (Пш) обнаружена корреляция между сигналами винильного протона (к, 5 5.25 м.д.) и орто-протона. нитрозамещенного ароматического кольца (д.д, 5 7.36 м.д.). Это свидетельствует о пространственной сближенности этих структурных фрагментов в молекуле, что реализуется для Е-изомера. Аналогично в эксперименте NOESY для смеси іі-/2-изомеров (Пв) наблюдается сильная корреляция между сигналами винильного протона (к, 5 6.11 м.д.) и орто-протона 3,4-дихлорфенильного ароматического ядра (д.д, 5 7.07 м.д.), что характерно для Е-изомера. В Z-изомере (Пв) винильный протон (к, 5 6.16 м.д.) взаимодействует с ofwo-протонами фенильного кольца (д, 5 7.22 м.д.).
При замене CF3S03H на существенно более слабую кислоту CF3C02H конверсия исходного алкина (1а) очень мала (-5%), и фиксируются лишь следовые количества продуктов реакции (Па, Ша) (таблица 1, оп. 10). В H2S04 алкин (Іа) в реакции с бензолом дает с небольшим выходом алкен (Па), а основной продукт этой реакции - кетон (IVa) (72%) (таблица 1, on. 11).
В случае более донорного (легче протонируемого) п-метоксизамещенного алкина (1в) наблюдается аналогичный набор продуктов реакции (таблица 2). Точно так же при разложении реакционных смесей в водных средах катион Б2 частично превращается в спирт (Шб) (таблица 2, on. 1,2), а при использовании безводных систем - в алкены E-/Z-(JMS) (таблица 2, оп. 3,4). При проведении реакций в H2S04 (таблица 2, оп. 5) или CF3CO2H (таблица 2, оп. 6,7) дополнительно образуется кетон (IVB). Соотношение іі-/2-изомеров (Пб) во всех случаях составляет -1:3.
Наличие в арилацетилене (1в) электронодонорной метоксильной группы облегчает протонирование тройной связи С=С по сравнению с алкином (1а). Так, даже в такой слабой кислоте, как CF3C02H, соединение (1в) дает алкены E-/Z-(J\S) и (или) кетон (IVB) (таблица 2, on. № 6,7 и таблица 1, оп. № 10).
Квантовохимические расчеты трифторметилзамещенных катионов винильного типа
Генерируемые при протонировании в суперкислотах ацетиленовых производных (97) катионы винильного типа (98) реагируют с введенными в реакционную среду молекулами аренов по механизму ароматического электрофильного замещения с образованием продуктов алкенилирования аренов (99) [34, 35-40]. Эту реакцию также можно рассматривать как гидроарилирование ацетиленовой связи субстратов (97). Протон и арильная группа могут присоединяться к связи С=С с одной или разных сторон с получением, соответственно, син- или анти- аддуктов (E-/Z-) (99).
Гидроарилирование можно осуществить в различных суперкислых системах HS03F, CF3S03H, HF-SbFs, HS03F-SbF5, CF3S03H-SbF5, HBr-AlBr3 при температурах от -75 до 25С за 0.25-2 ч. Суммарные выходы E-/Z- изомеров продуктов реакций достигают 70-98%. R Ar x
В реакцию вовлекаются субстраты АгС=СХ (97) с электроноакцепторными группами X = С02А1к [35-39], С02Н [37], CN [37], COC02Et [34], COCF3 [34], PO(OEt)2 [34,37], COPh [34], COMe [34,38-40], имеющие различные заместители в ароматическом кольце: алкильные и метокси группы, атомы галогена и др. Варьирование заместителей в структурах (97) позволяет менять основность ацетиленовой связи и реакционную способность соответствующих катионов (98).
Алкенилированию катионами винильного типа (98) подвергаются разнообразные ароматические соединения: бензол, алкилбензолы - от моно- до тетразамещённых, гидрокси- и (моно- или ди-)метоксибензолы, галогензамещённые арены, ариламмониевые ионы, N-арилацетамиды, различные стерически экранированные алкильными заместителями субстраты с электроноакцепторными группами (такие, как 1-ацетил-2,3,5,6-тетраметилбензол, 2,3,5,6-тетраметил-1-фторсульфонилбензол, 2,3,5,6-тетраметил-1-цианобензол и пр.). В данных реакциях арены алкенилируются по правилам ориентации ароматического электрофильного замещения.
Кроме этого, генерируемые в HS03F катионы винильного типа (98) не вступают во взаимодействие с пентаметилбензолом, который существует в HS03F в виде аренониевого иона [41].
Реакции гидроарилирования при -75С протекают по типу син-присоединения протона и арильного остатка к связи С=С. При более высокой температуре (-50С и выше) сш-структуры трансформируются в продукты анти-присоединения [34,37,38].
Аналогично синтезу винилфторсульфонатов и винилтрифлатов в результате гидроарилирования связи С=С ацетиленовых кетонов преимущественно получаются продукты ант «-присоединения.
Арилацетиленовые производные АгС=СХ, ароматические кольца которых содержат одну метильню группу и более, являются сами по себе довольно активными 7г-нуклеофилами. Генерированный в HSO3F при -75С из эфира (110) катион (111) в отсутствие «внешних» 7г-нуклеофилов (добавленных в реакционную среду аренов) атакует ароматическую систему исходного соединения 110с, приводя к региодимерам Е-(син-)(112)я,Ъ [35,37].
Винильные катионы, генерируемые из веществ (110с, 113, 115а-с), не образуют в HSO3F соответствующих винилфторсульфонатов, что говорит о более нуклеофильном характере метилзамещённых ароматических колец субстратов (110с, 113, 115а-с), по сравнению с молекулой HSO3F. В отличие от 4-(4-метилфенил)бут-3-ин-2-она, из которого в HS03F при -30С получается продукт присоединения суперкислоты к ацетиленовой связи - винилфторсульфонат, но не димер, подобный структурам (116а-с). Это объясняется меньшей нуклеофильностью пара-тояияьной системы в кетоне, чем в эфире (110с) в условиях специфической сольватации в HSO3F. В работе [42] разработан общий метод введения аминоалкенильных группировок в гетероароматические системы индола, пиррола и фурана в результате взаимодействия этих гетероциклов с аминоалкинами (110) под действием Tf2NH. При этом имеет место стереоселективное син-гидроарилирование связи С=С субстратов (118). Индолы дают региоселективно только 3-замещённые производные (119), пирролы - смеси изомеров (120) с алкенильной группой во 2- и 3-положениях, а 2-метил- и 2,3-диметилфураны алкенилируются по свободному 5-положению, образуя вещества (121а,Ь).
В случае достаточно основных легко протонируемых в суперкислотах алкинов и алкенов гидроарилирование ацетиленовой связи не всегда остановливается на стадии присоединения одной молекулы ароматического соединения. Образующийся из алкина в результате моногидроарилирования алкен также может протонироваться по связи С=С до соответствующего алкильного катиона, который далее взаимодействует с ареном.
Так, пропаргильные производные (122а,Ь) дают продукт дигидрофенилирования (123) в реакции с бензолом в CF3SO3H [43]. В случае вещества (122Ь) происходит замещение группы +SiMe3 на протон.
Различные этинил- и пропаргилзамещенные азотсодержащие гетероциклические соединения (124, 126, 128-Ь) и ариламин (130) в CF3SO3H присоединяют две молекулы бензола по связи С=С с образованием веществ (125, 127,129-Ь) и (131) соответственно [44].
В аналогичной реакции из 3-фенилпропиновой кислоты (132) сначала промежуточно формируется структура (133), внутримолекулярное ацилирование которой дает 3,3-дифенилинданон (134) [45], такое же превращение 3-фенилпропиновой кислоты достигнуто в системе бензол-А1Вг3 [46]. (135а), фениловые эфир (135Ь) и тиоэфир (135с) 3-фенилпропиновой кислоты под действием CF3SO3H или АІСІз, АІВгз в реакции с бензолом дают на первой стадии продукты алкенилирования последнего (136а-с), которые в условиях реакции образуют дикатионы (137а-с), затем внутримолекулярно циклизующиеся в 4,4-дифенил-3,4-дигидропроизводные хинолинона (138а), кумарина (138Ь) и тиокумарина (138с) [47].
Методика превращения трифторметилзамещенных арилацетиленов (Іа-д) в серной кислоте H2S04. Физико-химические характеристики продуктов реакций
В заключении, для подтверждения наших экспериментальных данных о природе и реакционной способности винильных катионов А (схема 1, таблица 10), проведен теоретический расчет параметров катионов А1-А5, образующихся в результате протонирования трифторметилзамещенных алкинов (Ia-д), и осуществлено сравнение полученных данных с арилвинильным катионом А6, не имеющим атомов фтора (рисунок 2). Для этого провели ряд вычислений согласно основным положениям теории функционала плотности (DFT). В соответствии с вычислениями, длины связей С(1)-С(2) и С(2)-С(3) в частицах А1-А6 находятся в пределах 1.278-1.286 А и 1.338-1.359 А. Эти данные существенно отличаются от аналогичных (1.221, 1.452 А) для винильного катиона описанного в литературе, исследование которого проводили с помощью рентгено-структурного анализа [75]. Валентный угол между С(1)С(2)С(3) составляет 173.13-179.58. Расстояние между С(1)-С(4) (1.523-1.533 А) в катионах А1-А5 превышает аналогичное в частице А6 (1.512 А). Однако, валентный угол С(2)С(1)С(4) в интермедианах А1-А5 (122.20-122.59) значительно меньше, чем в А6 (126.66). Возможно такая разница геометрических параметров обусловлена электроноакцепторными свойствами группы CF3 в катионах А1-А5 по сравнению с метильной в частице А6. Следует отметить, что двухгранный угол между фенилом и N02 в интермедиате А5 является плоским и составляет 16.89, указывая на сопряжение между ними. Для изучения электронной структуры катионов А1-А6 мы исследовали распределение заряда в С(1)С(2) фрагменте, величины энергий высшей занятой молекулярной орбитали и низшей вакантной молекулярной орбитали EHOMO/ELUMO, а также глобальный индекс электрофильности ю [76] (таблица 10). Анализ зарядов показал, что увеличение положительного заряда на атоме углерода С(2) в катионах А1-АЗ, А5 происходит с увеличением электроноакцепторных свойств в замещенном ароматическом кольце.
Соответствующее явление наблюдается для Ещмо и индекса ю для интермедиатов А1-АЗ, А5. Для хлорозамещенного катиона А4 аналогичная закономерность выпадает из серии А1-А5, вследствие мезомерного эффекта атома хлора. Схожее заключение можно дать для объяснения отклонения значения Еномо в катинах А4 и А5 (таблица 10). Как было указано выше, расположение фенильного кольца и нитрогруппы в частице А5 позволяет реализовать сопряжение между ними. По этим причинам, мы можем заключить схожую реакционную способность этих катионов. Довольно существенным является разница величины ю катионов A3 и А6. Интермедиат A3, имеющий трифторметильную группу, обладает большим значением ю, соответственно он будет обладать и большей реакционной способностью по сравнению с нефторированным катионом А6. Очевидно, что введение нитрогруппы в ароматическое кольцо делает катион А5 значительно более электрофильным.
Таким образом, на основе реакций трифторметилзамещенных арилацетиленов с аренами в суперкислотах Бренстеда CF3S03H или HS03F разработан новый метод синтеза 1,1-диарил-3,3,3-трифторпропенов и 1,1-диарил-3,3,3-трифторпропан-1-олов. Предложенный нами подход отличается высокой эффективностью, селективностью и позволяет получать целевые продукты, как правило, с высокими выходами.
Одноэлектронное окисление 1-(4-метоксифенил)-3,3,3-трифторпропина в системе Pb02-CF3C02H-CH2C12
В продолжение исследования электрофильных превращений трифторметилзамещенных алкинов (I) осуществлено окисление 1-(4-метоксифенил)-3,3,3-трифторпропина (їв) в системе Pb02-CF3C02H-CH2C12 (схема 6).
Оказалось, что при «обычном» порядке прибавления реагентов, когда окислитель РЮ2 добавляют к раствору соединения (їв) в смеси CF3C02H-СН2С12 основным продуктом реакции является кетон (IVB) (реакция Кучерова). Соединение (IVB) получается в результате электрофильного присоединения молекулы CF3C02H к ацетиленовой связи, с образованием винилтрифторацетата и его последующим гидролизом в условиях обработки водой реакционной смеси. При этом зафиксированы лишь незначительные количества дикетона (VIII) - продукта окислительной димеризации алкина (ІВ).
Использование «обратного» порядка прибавления реагентов, когда вещество (1в) добавляют к приготовленной заранее окислительной системе позволяет резко повысить выход соединения (VIII) до 38%. Хотя и в этих условиях успевает образоваться продукт конкурентного электрофильного процесса - кетон (IVB).
В спектрах ЯМР !Н, 19F и 13С соединения (VIII) присутствует лишь один набор сигналов, отвечающий только одной структуре (Приложение, рисунки 66-68). Это указывает на стереоселективное образование исключительно одного диастереомера из двух возможных для структуры (VIII) (мезо-форма или рацемат).
Схема б Можно предложить два альтернативных механизма получения дикетона (VIII) (схема 8). Первый представляет собой димеризацию катион-радикала А до дикатиона Б, который в реакции с CF3C02H дает бутадиеновый дитрифторацетат (IX). Другое направление реагирования частицы А -взаимодействие с CF3CO2H с получением винильных радикалов В, димеризующихся в дитрифторацетат (IX). Гидролиз последнего дает диенол, переходящий в итоге в дикетонную форму (VIII). Следует отметить, что наличие двух электроноакцепторных заместителей CF3 в бутадиене (IX) препятствует его дальнейшему окислению.
Дикетоны общей структуры (VIII) являются труднодоступными соединениями. Такие 1,4-дикетоны являются чрезвычайно перспективеными для получения разнообразных трифторметилзамещенных пяти- и шестичленных гетероциклических производных.
