Содержание к диссертации
Введение
2. Обзор литературы 5
2.1. Синтез тиофен-1,1-диоксидов 5
2.1.1. Окисление соответствующих тиофенов 5
2.1.2. Элиминирование из производных сульфолана и сульфолена 8
2.1.3. Внутримолекулярные циклизации и особые методы синтеза тиофен-1,1-диоксидов 9
2.2. Реакции тиофен-1,1-диоксидов 12
2.2.1. Реакции циклоприсоединения 12
2.2.1.1. [2+2]-и [2+4]-Циклодимеризация 12
2.2.1.2. Реакции фото-[2+2]-циклоприсоединения 15
2.2.1.3. Реакции 1,3-диполярного циклоприсоединения 15
2.2.1.4. Реакции [2+4]-циклоприсоединения: тиофен-1,1-диоксиды в качестве диенофила 17
2.2.1.5. Реакции [4+2]-циклоприсоединения. Тиофендиоксиды в качестве диенов 19
2.2.1.6. Циклоприсоединения с перегруппировкой. Внутримолекулярные реакции 28
2.2.1.7. Получение бис-аддуктов 32
2.2.1.8. Взаимодействие тиофендиоксидов с алкинами 33
2.2.1.9. Взаимодействие тиофендиоксидов с дегидробензолами 35
2.2.1.10. Реакции [6+4]-циклоприсоединения. Синтез азуленов 36
2.2.2. Реакции тиофен-1,1-диоксидов с нуклеофилами 38
2.2.3. Реакции, приводящие к раскрытию цикла 42
2.2.4. Реакции алкилирования цикла тиофен-1,1-диоксидов 45
2.2.5. Восстановление тиофен-1,1-диоксидов 45
2.2.6. Окисление тиофен-1,1-диоксидов 46
2.2.7. Пиролиз тиофен-1,1-диоксидов 47
2.3. Области применения тиофен-1,1-диоксидов 48
2.3.1. Тиофен-1,1-диоксидывсупрамолекулярнойхимии 48
2.3.2. Новые материалы на основе тиофен-1,1-диоксидов 51
2.3.2.1. Окисление олиготиофенов , 51
2.3.2.2. Реакции кросс-сочетания 52
2.3.2.3. Другие методы синтеза 55
2.4. Заключение 56
3. Обсуждение результатов 57
3.1. Синтез тиофен-1,1-диоксидов 57
3.1.1. Теоретические расчеты и предпосылки для изучения окисления тиофенов 58
3.1.2. Синтез исходных тиофенов , 60
3.1.3. Окисление замещенных тиофенов 62
3.2. Реакции циклоприсоединения акцепторных тиофен- 1,1 -диоксидов 68
3.2.1. Реакции Дилъса-Алъдера: тиофен-1,1-диоксиды в качестве диенофилов 68
3.2.2. Реакции Дильса-Альдера с циклопентадиеном 74
3.3. Получение бис-аддуктов 81
3.4. Реакции [6+4]-циклоприсоединения. Синтез азуленов 86
3.5. Реакции с фуранами 91
3.6. Реакции с нуклеофилами 97
4. Экспериментальная часть 102
4.1. Синтез тиофенов 102
4.2. Синтез тиофен-1,1-диоксидов 108
4.3. Реакции с диенами 112
4.4. Реакции с циклопентадиеном 115
4.5. Получение бис-аддуктов 118
4.6. Синтез азуленов 121
4.7. Реакции с фуранами 123
4.8. Реакции с нуклеофилами. Получение аддуктов михаэля 126
5. Выводы 129
6. Список литературы 130
- Внутримолекулярные циклизации и особые методы синтеза тиофен-1,1-диоксидов
- Циклоприсоединения с перегруппировкой. Внутримолекулярные реакции
- Реакции Дилъса-Алъдера: тиофен-1,1-диоксиды в качестве диенофилов
- Реакции с нуклеофилами. Получение аддуктов михаэля
Введение к работе
В последние десятилетия химия гетероциклических соединений бурно развивается. Многообразие методов и подходов, существующих в арсенале современного органического синтеза, позволяет синтезировать практически любые, самые сложные гетероциклические соединения. Интерес химиков к этим соединениям стремительно повышается ввиду перспектив их практического применения. Так, многочисленные исследования в комбинаторной и медицинской химии, биохимии, химии высокомолекулярных соединений и новых материалов достигли в последние годы существенного прогресса. Однако, по-прежнему в синтетической практике уделяется значительное внимание созданию новых инструментов — «строительных» блоков для удобного конструирования структур заданного строения и, как следствие, с заданными свойствами.
Тиофен-1,1-диоксиды - удобные «строительные» блоки для создания различных классов органических соединений. Кроме того, тиофендиоксиды весьма перспективны как промежуточные вещества для создания новейших полупроводниковых и оптических материалов, в частности, в последние годы на их основе были созданы материалы, обладающие уникальными оптическими свойствами.
Основным препятствием для широкого использования тиофен-1,1-диоксидов в органическом синтезе является отсутствие единого и универсального метода их синтеза. Наиболее общий подход к получению этих соединений заключается в окислении соответствующих замещенных тиофенов в целевые сульфоны. Однако, до сих пор этим методом были получены соединения данного класса, содержащие весьма ограниченный набор заместителей. Классические методы окисления не позволяют получить тиофен-1,1-диоксиды, содержащие функциональные группы - вещества, представляющие существенную значимость с точки зрения синтетической органической химии.
Введение практически любых заместителей в тиофеновое ядро путем электрофильного замещения, реакций металлорганических производных или с помощью кросс-сочетания не представляет синтетических трудностей на данном этапе развития гетероциклической химии. Превращение такого модифицированного тиофена путем окисления в высокореакционноспособный тиофен-1,1-диоксид открывает широкие возможности для создания самых различных классов сложных полифункциональных органических молекул. Однако методы, позволяющие осуществить переход от функционализированных тиофенов к соответствующим тиофендиоксидам, практически не известны. Таким образом, получение тиофен-1,1-диоксидов, содержащих функциональные группы - сильные электроноакцепторные заместители, является актуальной задачей.
Настоящая работа посвящена разработке метода окисления тиофенов, содержащих акцепторные группы, и исследованию свойств новых, до сих пор не изученых тиофен-1,1-диоксидов с функциональными группами.
2. Обзор литературы
Тиофен-1,1-диоксиды - циклические диены, в которых диеновая система заключена в пятичленный цикл. В отличие от их предшественников тиофенов, это неароматические соединения, поэтому их свойства связаны исключительно с реакционной способностью диеновой системы. В данном обзоре рассмотрены методы получения тиофен-1,1-диоксидов, а также их химические свойства. Разделы обзора содержат данные, классифицированные по типам реакций, а последняя глава включает материал, рассматривающий применение тиофендиоксидов.
Последние обзорные работы, посвященные тиофен-1,1-диоксидам, достаточно полно охватывают период с момента получения первых соединений этого класса (1915 г.) до середины 90-х годов1"4. Однако в последние годы появилось существенное количество публикаций в данной области, что связано с возросшим числом исследований в химии новых материалов: полупроводниковых органических транзисторов и светодиодов, полученных на основе тиофен-1,1-диоксидов в 1998 году. Лавинообразный рост работ по этой тематике за последние 10 лет делает целесообразным написание настоящего обзора. Полное представление о химии тиофендиоксидов невозможно без упоминания классических работ в этой области. Поэтому в данной работе приведен обзор исследований не только самых последних лет, но и более ранних публикаций, посвященных тиофен-1,1 -диоксидам.
Внутримолекулярные циклизации и особые методы синтеза тиофен-1,1-диоксидов
Тиофен-1,1-диоксиды - удобные «строительные» блоки для создания различных классов органических соединений. Кроме того, тиофендиоксиды весьма перспективны как промежуточные вещества для создания новейших полупроводниковых и оптических материалов, в частности, в последние годы на их основе были созданы материалы, обладающие уникальными оптическими свойствами.
Основным препятствием для широкого использования тиофен-1,1-диоксидов в органическом синтезе является отсутствие единого и универсального метода их синтеза. Наиболее общий подход к получению этих соединений заключается в окислении соответствующих замещенных тиофенов в целевые сульфоны. Однако, до сих пор этим методом были получены соединения данного класса, содержащие весьма ограниченный набор заместителей. Классические методы окисления не позволяют получить тиофен-1,1-диоксиды, содержащие функциональные группы - вещества, представляющие существенную значимость с точки зрения синтетической органической химии.
Введение практически любых заместителей в тиофеновое ядро путем электрофильного замещения, реакций металлорганических производных или с помощью кросс-сочетания не представляет синтетических трудностей на данном этапе развития гетероциклической химии. Превращение такого модифицированного тиофена путем окисления в высокореакционноспособный тиофен-1,1-диоксид открывает широкие возможности для создания самых различных классов сложных полифункциональных органических молекул. Однако методы, позволяющие осуществить переход от функционализированных тиофенов к соответствующим тиофендиоксидам, практически не известны. Таким образом, получение тиофен-1,1-диоксидов, содержащих функциональные группы - сильные электроноакцепторные заместители, является актуальной задачей.
Настоящая работа посвящена разработке метода окисления тиофенов, содержащих акцепторные группы, и исследованию свойств новых, до сих пор не изученых тиофен-1,1-диоксидов с функциональными группами. Тиофен-1,1-диоксиды - циклические диены, в которых диеновая система заключена в пятичленный цикл. В отличие от их предшественников тиофенов, это неароматические соединения, поэтому их свойства связаны исключительно с реакционной способностью диеновой системы. В данном обзоре рассмотрены методы получения тиофен-1,1-диоксидов, а также их химические свойства. Разделы обзора содержат данные, классифицированные по типам реакций, а последняя глава включает материал, рассматривающий применение тиофендиоксидов.
Последние обзорные работы, посвященные тиофен-1,1-диоксидам, достаточно полно охватывают период с момента получения первых соединений этого класса (1915 г.) до середины 90-х годов1"4. Однако в последние годы появилось существенное количество публикаций в данной области, что связано с возросшим числом исследований в химии новых материалов: полупроводниковых органических транзисторов и светодиодов, полученных на основе тиофен-1,1-диоксидов в 1998 году. Лавинообразный рост работ по этой тематике за последние 10 лет делает целесообразным написание настоящего обзора. Полное представление о химии тиофендиоксидов невозможно без упоминания классических работ в этой области. Поэтому в данной работе приведен обзор исследований не только самых последних лет, но и более ранних публикаций, посвященных тиофен-1,1 -диоксидам.
Окисление тиофенов - наиболее общий и простой метод синтеза соответствующих тиофен-1,1-диоксидов (схема 1). Для этой цели применялись самые разнообразные окислители5"34. Органические перкислоты - наиболее часто используемые реагенты для этой цели. Перуксусная, пербензойная и л/еяш-хлорпербензойная кислоты использовались для окисления тиофенов и их бензо- и дибензопроизводных. Перуксусная и пербензойная кислоты были впервые использованы для окисления тиофенов. Окисление перуксусной кислотой обычно проводили в смесях водного 30% раствора Н2О2 и уксусной кислоты, за исключением редких случаев, когда перуксусную кислоту предварительно получали из уксусного ангидрида и перекиси водорода5.
Также было показано, что электроноакцепторные группы мешают процессу, поскольку затрудняют атаку окислителя по атому серы6. Так, перуксусной и пербензойной кислотой не удалось окислить 2-нитро-3,5-дифенил-, 3-нитро-2,5-дифенил-, 2,5-дикарбокси-3,4-дифенил- и 2,5-дикарбометокси-3,4-дифенилтиофены. Тиофендиоксиды, полученные окислением с помощью этих реагентов представлены в таблице 1.
Хлорпербензойная кислота (тСРВА) в настоящее время широко применяется в качестве окисляющего агента в таких растворителях как дихлорметан, хлороформ или дихлорэтан. Она способна окислять тиофены, не реагирующие с перуксусной кислотой. Окисление алкилтиофенов часто дает низкие выходы и сопровождается образованием смолообразных продуктов. Однако, удаление л/е/яа-хлорбензойной кислоты по окончании реакции окисления фильтрованием при -55С позволило получить 2,5-диметил-, 2,5- и 2,4-ди-/яре/и-бутил, и 2,5-дифенилтиофены с выходами 52-74% . С помощью тСРВА также удалось получить ряд новых стерически затрудненных 3,4-ди-/ире/я-бутил-, 3,4-ди-неопентил- и 3,4-диадамантилтиофендиоксидов (таблица 2)15"17. Таблица 2. Окисление тиофенов тСРВА Недавно для окисления тиофенов был использован диметилдиоксиран (DMD) - циклический пероксид, получаемый в виде раствора в ацетоне путем низкотемпературной вакуумной дистилляции смеси ацетона и водного раствора, содержащего монопероксосульфат калия. Последний является коммерчески доступным реагентом (Охопе) и поставляется в виде смеси солей 2KHS05#KHS04 K2S04. Окисление в нейтральных условиях, простота выделения продуктов, высокая селективность и выходы сделали DMD привлекательным реагентом для окисления тиофенов (таблица 3). Стоит отметить, что впервые с помощью этого реагента был получен, выделен и охарактеризован незамещенный тиофен-1,1-диоксид (схема 2)25.
Циклоприсоединения с перегруппировкой. Внутримолекулярные реакции
В последние годы тиофен-1,1-диоксиды и их производные все больше привлекают исследователей из различных областей науки: биохимии и медицинской химии, химии высокомолекулярных соединений и супрамолекулярных структур, исследователей в области новых органических материалов. Этот интерес обусловлен не только высокой реакционной способностью данных соединений, но и их уникальными физико-химическими свойствами. Кроме того, недавно было найдено, что некоторые производные данного класса веществ обладают биологической активностью. Как следствие, за последние 10 лет количество публикаций, посвященных исследованию полезных свойств тиофен-1,1-диоксидов, существенно возросло. Лишь незначительное число работ, посвященных применению тиофен-1,1-диоксидов, вошло в обзоры, опубликованные в последние годы163 165. Кроме того, до сих пор не были систематизированы данные в различных областях применения тиофендиоксидов, что обусловлено узкой направленностью данных обзорных работ.
К настоящему времени опубликовано лишь небольшое количество работ, в которых тиофен-1,1-диоксиды были применены как подходящие строительные блоки в супрамолекулярной химии. Однако последнее десятилетие характеризуется огромным ростом числа публикаций в данной области, и рассмотрение существующих тенденций позволит определить основные направления дальнейших исследований.
Способность тиофендиоксидов легко приводить к ароматическим структурам с выбросом SCb удачно использована в синтезе замещенных фталоцианинов. Уникальные физико-химические свойства последних делают их перспективными полупродуктами в создании новых материалов, красителей, химических сенсоров и катализаторов. Однако, во многих задачах, связанных с применением данного класса веществ, возникает проблема низкой растворимости незамещенных фталоцианинов в органических растворителях. Для решения этой проблемы, были синтезированы различные фталодинитрилы - исходные соединения для получения фталоцианинов.
Алкильные группы, сопособные увеличить растворимость фталоцианинов, вводили посредством следующей последовательности превращений. Металлирование тиофена с последующей обработкой алкилбромидом, содержащим 10-18 углеродных атомов в цепи, приводило к соответствующим тиофенам. Окисление последних тСРВА21 166 или другими окисляющими агентами27 дает замещенные тиофен-1,1-диоксиды, которые вступают в реакцию Дильса-Альдера с динитрилом фумаровой кислоты. Выброс SO2 из промежуточных аддуктов и окислительная ароматизация приводят к соответствующим фталодипитрилам 106. Циклизация литием в пентаноле позволила получить целевые фталоцианины. Кроме того, были получены металлические комплексы этих соединений с медью и цинком 107, а ряд физико-химических исследований показал, что полученные соединения обладают свойствами жидких кристаллов (схема 93)21 27.
Одной из интересных модификаций фталоцианинов является введение гетероциклических фрагментов в их структуру. Так, реакция фталодинитрила с Сю-алкильными заместителями с 3,4-пиридинкарбодинитрила в соотношении 1:1 в присутствии хлорида цинка и 1,8-диазобицикло[5.4.0]ундецена-7 (DBU) позволила получить комплексы производных пиридопорфиразина166. Варьирование соотношения динитрильных компонент позволило получить, разделить и охарактеризовать различные изомеры пиридопорфиразина. Один из продуктов, получаемый в этой реакции, приведен на схеме 94.
Селективная модификация р-циклодекстринов - одна из важных, еще нерешенных до конца на сегодняшний день задач в супрамолекулярной химии. Интересное решение в этой области было применено с использованием защитной группы, синтезированной из дибензотиофен-1,1-диоксида. Оказалось, что полученный реагент 109 способен образовывать дисульфонаты ПО и 111 в присутствии молекулярных сит 4А167. Дальнейшая обработка полученных соединений NH3 или NaOH в метаноле привела к модифицированным по фрагментам А и D Р-циклодекстринам 112 и 113 с высокими выходами (схема 95).
Для модификации фуллерена С«о были применены 2,5-диметилтиофен-1-оксид и 2,5-тиофен-1,1-диоксид. Так, последний образует тетрааддукт с фуллереном Сбо, в то время, как соответствующий тиофен-1-оксид только диаддукт. Интересно отметить, что реакция Дильса-Альдера в этом случае не сопровождается спонтанным выбросом SCb и образованием производных циклогексадиена (см. выше); тетра-аддукт 114, содержащий мостиковый SO2, может быть выделен и охарактеризован. Структура полученного соединения была подтверждена рядом физико-химических методов анализа168 ,69. Симметрия полученного аддукта авторами не исследовалась (схема 96).
В настоящее время олигомерные и полимерные материалы на основе тиофена подвергаются интенсивным исследованиям ввиду их возможного использования в новых типах электронных и оптических приборов. С 1989 года, когда впервые было показано, что олигомеры, состоящие из нескольких тиофеновых звеньев, могут быть использованы в качестве полевых транзисторов, ежегодное количество исследований в данной области стремительно возрастает. Эффективность этих приборов тесно связана с разницей энергий ВЗМО-НСМО используемых материалов. Для поли- и олиготиофенов, как показали теоретические расчеты170 т, замена части атомов S на сульфонильные группы резко снижает этот параметр. Ввиду этого, в последние годы различными исследовательскими группами предпринимаются усилия в области синтеза олигомерных структур, содержащих ядро тиофен-1,1-диоксида.
Простейшие производные олиготиофен-1,1-диоксидов удалось получить окислением соответствующих олиготиофенов. Варьирование количеств тСРВА позволило синтезировать моно- и бис-1,1 -диоксиды в цепочках, содержащих от двух до пяти тиофеновых звеньев (схема 97)171. Основными ограничениями этого метода являются невозможность получения олигомеров, содержащих более двух фрагментов тиофен-1,1-диоксида, невысокие выходы целевых продуктов, а также возможность получения молекул, содержащих только электронодонорные заместители: алкил-или силилильные группы.
Реакции Дилъса-Алъдера: тиофен-1,1-диоксиды в качестве диенофилов
Как показывает анализ данных литературы, тиофен-1,1-диоксиды являются перспективными интермедиатами для использования в различных областях химической науки. Несмотря на то, что первые тиофендиоксиды были получены в начале XX века, до настоящего времени не были разработаны методы синтеза веществ этого класса с сильными электроноакцепторными заместителями. В то же время, последние чрезвычайно интересны, поскольку представляют собой новый класс диенов с чрезвычайно низкой электронной плотностью, что определяет их высокую реакционную способность.
Основной подход к синтезу тиофен-1,1-диоксидов заключается в окислении соответствующих тиофенов. Такие окислители, как тСРВА, перекись водорода в уксусной кислоте и некоторые другие распространенные реагенты не способны окислять тиофены, содержащие сильные электроноакцепторные заместители. А открытые в последние годы сильные окислители HOF CFbCN и диметилдиоксиран использовались для получения всего нескольких тиофен-1,1-диоксидов с акцепторными заместителями. Общность этих реакций и границы применимости метода не исследовались. Кроме того, широкое использование HOF»CHjCN затруднительно, так как требует применения газообразного фтора и сложного аппаратного оформления синтеза, а применение диметилдиоксирана ограничено из-за сложности его получения, неустойчивости при хранении, низкой концентрации получаемого раствора.
Нами было найдено, что тиофены, содержащие атомы галогенов, метилсульфонильную или карбоэтоксигруппу, способны окисляться трифторнадуксусной кислотой в ацетонитриле с высокими выходами. Получающиеся в результате окисления тиофен-1,1-диоксиды содержат два или более электроноакцепторных заместителя и представляют собой совершенно новый, неизученный класс соединений этого типа.
Эти уникальные акцепторные диены представляют собой неароматические производные тиофена. Так как химия тиофена на сегодняшний день представляет собой хорошо разработанную область науки, получение практически любых производных тиофена не представляет сложной синтетической задачи. Коммерческая доступность и способность легко вступать в реакции электрофильного замещения, металлирования и переметаллирования дает возможность модификаций тиофенового ядра в любое из положений. Окисление таких производных тиофена приводит к высокореакционноспособным тиофендиоксидам, представляющим ценные реагенты для создания огромного числа функционально замещенных карбо- и гетероциклических систем. Основываясь на литературных данных, можно предположить, что наличие акцепторных заместителей в тиофендиоксидах существенно изменит их реакционную способность по сравнению с описанными в литературе галоген- и алкилсодержащими тиофендиоксидами. Циклическая диеновая система, обедненная электронной плотностью из-за наличия в ядре тиофендиоксида акцепторных групп, должна проявлять свойства и диена и диенофила, обладать мощными электрофильными свойствами. Именно поэтому дальнейшая разработка методов синтеза тиофен-1,1-диоксидов и изучение их реакционной способности представляет значительный практический и теоретический интерес.
Так как процесс окисления тиофенов до тиофендиоксидов непосредственно коррелирует с электронодонорностью исходных тиофенов (чем она выше, тем легче должно проходить окисление), а, следовательно, и нуклеофильностью, мы решили оценить нуклеофильность ряда замещенных тиофенов квантово-химическими методами. Кроме того, получаемые при окислении тиофенов соответствующие диоксиды должны проявлять ярко выраженные электрофильные свойства, которые также могут быть легко оценены с помощью расчетных методов.
В последнее время для оценки реакционной способности химических соединений широко используется индекс глобальной электрофильности со - полуэмпирический параметр, отражающий энергетический эффект при переносе электронов на НСМО исследуемой молекулы 90"194 и определяемый по формуле со = ц2/2г, где со - глобальная электрофильность, ц - электронный химический потенциал (ц = 1/2 (Евзмо + ЕНсмо)), Л - химическая жесткость (rj = Енсмо - Евзмо). Этот параметр учитывает как акцепторные, так и донорные свойства молекулы и хорошо коррелирует с данными экспериментальной электрофильности различных соединений195. Параметры и энергии ВЗМО для нуклеофилов и НСМО для электрофилов дают наглядіг/ю картину реакционной способности исходных тиофенов и образующихся тиофендиоксидов. Причем, параметр глобальной электрофильности использовался в литературе как универсальная оценка электрофильных и ігуклеофильньїх свойств различных соединений196,197.
Методом DFT с функционалом РВЕ 96198"200 с использованием программы "PRIRODA" нами был проведен квантово-химический расчет энергий НСМО и ВЗМО и индекса электрофильности для тиофенов и тиофендиоксидов соответственно . Был исследован широкий круг заместителей в тиофеновом ядре, расчеты проведены как уже для известных тиофендиоксидов и их предшественников, так и для тиофенов, которые ранее ввести в реакцию окисления не удавалось. Полученные расчётные данные позволяют определить закономерности изменения индексов электрофильности в зависимости от природы заместителей в тиофеновом цикле (Рис. 1,2).
Легко заметить, что введение любых акцепторных заместителей значительно снижает нуклеофильные свойства исходных тиофенов. Особенно сильно снижается значение энергии ВЗМО и, напротив, повышается значение индекса электрофильности в случае мезомерных акцепторов, например, замена одной метильной группы в 2,5-диметилтиофене на метилсульфонильную понижает энергию ВЗМО на 1.01 эВ и ведет к повышению электрофильности на 1.03 эВ, а, следовательно, к уменьшению нуклеофильных свойств молекулы. В свою очередь, введение двух и более сильных акцепторных групп приводит к тому, что такие тиофены уже не могут быть получены с
Автор выражает благодарность к.х.н. н.с. Д. А. Тюрину за проведение всех квантовохимических расчетов в данной работе использованием известных окислителей. Так, разница в энергиях ВЗМО тетрахлортиофена и 2-хлор-5-нитротиофена составляет порядка 0.74 эВ, а индекс электрофилыюсти возрастает почти на 2.5 эВ. Первый широко исследован в реакциях окисления и может быть легко превращен в соответствующий диоксид (см. обзор литературы), в то время, как второй до сих пор не удавалось подвергнуть окислению. Аналогично увеличивается и электрофильность соответствующих тиофендиоксидов, введение акцепторных заместителей делает их, согласно расчетным данным, чрезвычайно активными электрофилами (Рис. 2). Эту зависимость легко увидеть на примере 2,5-диметилтиофендиоксида и тетрахлортиофендиоксида, реакционная способность которого была хорошо изучена (см. обзор литературы). Так, первый реагирует только с сильными диенофилами, такими как диметиловый эфир ацетилендикарбоновой кислоты в жестких условиях. Второй был введен в реакцию Дильса-Альдера со многими диенофилами. Расчетные данные полностью соответствуют наблюдаемой реакционной способности: разница в энергиях НСМО этих тиофендиоксидах составляет порядка 0.91 эВ, а разница в индексах электрофильности достигает 1.84 эВ. Таким образом, из полученных зависимостей видно, что расчетные данные предсказывают очень сильное изменение нуклеофильных свойств исходных тиофенов и резкое возрастание электрофильных свойств тиофендиоксидов в зависимости от природы заместителей в тиофеновом ядре. Кроме того, эти данные хорошо объясняют трудности или невозможность окисления ранее описанных тиофенов с электроноакцепторными заместителями.
Реакции с нуклеофилами. Получение аддуктов михаэля
Предложенный механизм хорошо объясняет двойственное поведение С-нуклеофилов в реакциях с тиофендиоксидами. Действительно, 2-метилиндол, являясь очень слабым основанием (рКа (-0.28)), не может катализировать процесс выброса протона из комплекса Уэланда-Мейзенгеймера, а следовательно, равновесие реакции с его участием смещается влево - в сторону исходных реагентов. Таким образом, для 2-метилиндола присоединение по Михаэлю оказывается единственным возможным направлением реакции, что и было зафиксировано экспериментально. Темно-красная окраска продуктов 59 и 60 обусловлена поглощением ими света в видимом диапазоне, что является последствием эффекта внутримолекулярного переноса заряда с донорной ароматической я-системы на акцепторную диеновую систему тиофендиоксида.
Таким образом, природа заместителей и нуклеофилов оказывает существенную роль на направление реакции. Дальнейшие исследования могут установить эти закономерности и позволить не только получать модифицированные 2-тиолен-1,1 -диоксиды, но и разработать новые методы получения тиофен-1,1 -диоксидов с различными группами.
Ранее мы показали, что тиофен-1,1-диоксид 16 легко образует аддукт с 2,3-диметилбутадиеном, приводя к 2-тиолендиоксиду 25, представляющему собой интересный акцептор Михаэля. В отличие от исходного тиофен-1,1-диоксида 25 не вступает в реакцию со спиртами и 2-метилиндолом даже при нагревании.
Недавно в наших работах было показано, что KF может выступать в качестве селективного и мягкого основания для активации СН-кислот224,225. Оказалось, что в присутствии KF этиловый и изопропиловый спирт легко образуют соответствующие транс-аддукты с высокими выходами.
Реакции 25 сопровождаются побочным образованием 37 - продукта элиминирования метилсульфонильной группы и дальнейшего присоединения аниона метилсульфиновой кислоты по активированной двойной связи. Ранее мы наблюдали эту перегруппировку при повышенных температурах (см. выше), однако присутствие KF приводит к нежелательному продукту 37 даже при комнатной температуре.
Более нуклеофильный идрд-метокситиофенол легко вступает в реакцию при комнатной температуре, образуя в течение нескольких минут транс-продукт 61 с выходом, близким к количественному. Использование других оснований: пиридина, триэтиламина, DBU, а также некоторых неорганических оснований, не привели к желаемому результату. Реакции в присутствии этих оснований приводили к исключительному образованию 37.
Использование KF позволило ввести в реакцию такие СН-кислоты, как нитрометан и диэтилмалонат. Как и в случае спиртов, реакция приводит к стереоселективному образованию транс-аддуктов Михаэля с одновременным отщеплением МеБОг-группы из сочленения циклов.
Определение относительной ориентации заместителей во всех полученных аддуктах Михаэля было проведено соотнесением КССВ в полученных аддуктах с КССВ в 37, имеющем транс-конфигурацию, и строение которого было подтверждено рентгеноструктурным анализом.
Соединение 61 имеет четыре асимметрических центра, и его строение было доказано с использованием NOESY и НМВС корреляций в 2D ЯМР. Так, только один стереоизомер 61 был выделен из реакции с иара-метокситиофенолом. 1(иосочленение циклов следует из закономерностей реакции Дильса-Альдера и было определено нами ранее (см. выше). Четвертичный атом Суа и Н при Сза (5 3.05) дают кросс-пик в спектре НМВС. Сильный эффект Оверхаузера между Н(Сза) с одним из протонов при Gj указывает, что последний представляет собой протон Н р ). Дальнейшее изучение NOESY спектров показало, что H Gt) дает сильное взаимодействие с а,а -ароматическими протонами иара-метокситиофенольной группы, в то время, как эти взаимодействия для Н р(С4) очень слабые. Следовательно, лара-метокситиофенольная группа /яранс-ориентирована к протону при Сза-Кроме того, ввиду г/мосочленения циклов, мы не наблюдали корреляций протонов СНз-группы при Сі с протонами при С4 и Су, поэтому MeSCb-rpynna при Сг находится в тиране-положении к заместителю SCelU-OMe-napa.
Таким образом, нам удалось провести реакции функционально замещенных тиофен- и тиолен-1,1-диоксидов с нуклеофилами. Было показано, что результат реакции может зависеть не только от природы заместителей в ядре тиофен-1,1-диоксида, но и от природы оснований. Реакция протекает в мягких условиях регио- и стереоселективно, приводя к аддуктам Михаэля с высокими выходами.
Спектры ЯМР Н и 13С регистрировали на спектрометрах Varian VXR-400 (400 МГц), Bruker АМХ (400 МГц) и Bruker DRX (500 МГц) в CDC13, CD3CN и CD3COCD3, ДМСО-De, в качестве внутреннего стандарта использовали ТМС. ИК спектры получены на спектрометре UR-20 в вазелиновом масле. Масс-спектры получены на приборах «Finnigan SSQ 7000» и «Agilent MSD 1100». Рентгеноструктурные исследования проводили при температуре 20С на дифрактометре Enraf-Nonius CAD-4 (МоКа-излучение). ТСХ анализ проводили на пластинах Merck 60, проявление осуществляли подкисленным раствором КМп( 4 и в камере с парами йода. Препаративную хроматографию проводили на колонках с силикагелем (63-200 mesh, Merck). Температуры плавления измеряли на приборе Electrothermal 9100. Данные по температурам плавления твердых веществ и показателям преломления жидких веществ соответствуют приведенным в литературе. Все операции с веществами, чувствительными к кислороду и влаге, проводились в атмосфере аргона.
Используемые растворители абсолютировали согласно общепринятым методикам. ТГФ и эфир использовались непосредственно после перегонки над натрий-бензофенонкетилом. Ацетонитрил выдерживали над гидридом кальция и перегоняли. Трифторуксусную кислоту очищали перегонкой из смеси с равным объемом H2SO4. Остальные реагенты, если это специально не указано, использовались без дополнительной очистки.
![Реакция [4+2]-циклоприсоединения в синтезе производных бензо[b]тиофен-1,1-диоксида](/i/i/4497/365469.png "Реакция [4+2]-циклоприсоединения в синтезе производных бензо[b]тиофен-1,1-диоксида Андреев Григорий Николаевич")
