Введение к работе
Актуальность проблемы. Для исследователей, работающих в области химии соединений с малыми углеродными циклами, синтез сверхнапряженных и функционально замещенных производных был и остается важнейшей теоретической и практической задачей. Несомненные успехи в этом направлении демонстрируют достижения в создании таких структур, как кубан, призман, тетраэдран, [1.1.1]пропеллан, триангуланы, а также циклопропанов и циклобутанов, проявляющих фармакологическую и инсектицидную активность и другие практически полезные свойства.
Традиционно для получения соединений циклобутанового ряда используются реакции конденсации 1,3-дигалогенпропанов с малоновым или ацетоук-сусным эфирами, реакции [2+2]-циклоприсоединения, превращения природного терпена - а-пинена. В последние годы наметился новый подход к созданию циклобутанов, основанный на избирательном раскрытии центральной связи С-С в производных бициклобутана. В ряде случаев такие производные оказываются синтетически сравнительно доступными, а синтезы с их участием - достаточно эффективными, что дает основания полагать о перспективности развития исследований в данном направлении.
Бицикло[1.1.0]бутан, являясь формально насыщенной системой, обладает уникальным электронным и геометрическим строением и, благодаря большому напряжению, проявляет, подобно алкенам и ацетиленам, высокую химическую активность в реакциях присоединения. Поскольку в этой системе содержатся две разновидности связей С-С (центральная и боковые), разрыв которых термодинамически равновероятен, число возможных вариантов и ассортимент продуктов присоединения характеризуется большим разнообразием. В этой связи разработка методов получения и раскрытия бициклобутановых соединений, отличающихся высокой регио- и стереонаправленностью, а также выявление факторов, ответственных за селективность реакций, являются первоочередными задачами при поиске путей конструирования молекул на основе бициклобутановых соединений. Решению этих задач в настоящем исследовании и было уделено главное внимание. Целями работы являлись:
разработка методов синтеза функционально замещенных циклобутанов на основе избирательного раскрытия центральной связи С-С в бициклобутанах;
изучение механизмов, закономерностей протекания и сферы применимости для такого раскрытия реакций радикального и ионного присоединения;
изучение возможностей вовлечения в реакции присоединения новых реагентов для расширения ассортимента синтезируемых циклобутановых продуктов, оценка перспектив использования этих продуктов в целенаправленном синтезе сложных молекул, содержащих фрагмент циклобутана и бициклобутана;
- комплексное экспериментальное и теоретическое исследование физико-хими
ческих и спектральных характеристик, электронного и пространственного
строения производных циклобутана и бициклобутана.
Диссертационная работа выполнялась в соответствии с планом НИР кафедры органической химии Мордовского госуниверситета по теме 22.03. М2-2 "Разработка методов получения функциональных алифатических, ароматических, карбо- и гетероциклических соединений", номер государственной регистрации 01860117479. В ней принимали участие аспиранты И.Ю. Болушева, С.Г. Кострюков, Э.В. Романова и студенты.
Научная новизна работы. Сформулирован и всесторонне развит новый подход к созданию функционально замещенных производных циклобутана, основанный на бициклобутановой стратегии планирования и осуществления синтеза; в рамках этого научного направления определены ключевые реакции и набор реагентов, используемых для раскрытия центральной связи С-С в бициклобутанах;
- получено экспериментальное подтверждение гомолитического характера
взаимодействия тиолов с бициклобутанами и выявлены факторы, влияющие на
региоселективность и относительную реакционную способность присоединения
тиофенола и метантиола к серии 1,3-дизамещенных бициклобутанов;
впервые систематически изучены стереохимические и препаративные аспекты реакций бициклобутановых соединений с углерод-, сера-, азот-, фосфор- и оло-воцентрированными свободными радикалами, генерированными из полигало-генметанов , тиолов, сероводорода, дисульфидов, производных метан- и арил-сульфокислот, тетраоксида азота, нитрилхлорида, диметилфосфита, трибутило-ловогидрида и других реагентов;
впервые предложен и реализован на примерах алкил- и арилсульфогалогениро-вания - дегидрогалогенирования метод функционализации производных бициклобутана в положении / в тандемном процессе присоединения - отщепления, выявлены стереоэлектронные требования, предъявляемые к 1,3-элиминирова-нию; для некоторых из полученных таким образом сульфонилзамещенных бициклобутанов изучены особенности реакций нуклеофильного, электрофильного и радикального присоединения по центральной связи С-С; обнаружена возможность функционализации 1-фенилсульфонилтрицикло[4.1.0.02,7]гептана по пути отщепления - присоединения;
предложен и осуществлен оригинальный способ синтеза ряда метиленцикло-бутанов путем галогенметилсульфогалогенирования бициклобутановых соединений с последующим вовлечением образующихся продуктов в реакцию Рамберга - Беклунда, реализован также модифицированный вариант этой реакции, позволяющий получать некоторые дихлорметиленциклобутаны; для продуктов галогенметилсульфогалогенирования 1-фенилтрицикло[4.1.0.0 ' ]гептана обнаружена необычная гетероциклизация в условиях реакции Рамберга - Беклуїща, ведущая к образованию неизвестной ранее системы З-окса-5-тиатрицикло-[4.4.0.02'7]декан-5',5'-диоксида;
впервые изучены особенности реакций электрофильного и радикального присоединения по центральной связи С-С некоторых 1-арил(алкил)тиотрицик-ло[4Л.0.02'7]гептанов, на основе которых разработаны удобные препаративные методы синтеза производных бицикло[3.1.1]гептанона-6;
на примере производных трицикло[4.1.0.02'7]гептана впервые изучены особенности реагирования бициклобутановых соединений с Л^-галогенамидами кислот в апротонной среде, высказано предположение о возможности ион-радикального механизма взаимодействия соединений; проведено теоретическое исследование электронного и пространственного строения соответствующих катион-радикальных интермедиатов реакций.
Практическая значимость работы. Разработаны методы гемолитического галоген-, тио-, селено-, циано- и тиоцианосульфонирования производных бицикло-бутана, позволяющие получать различные сульфонилзамещенные циклобутаны;
найден ряд регио- и стереоспецифичных реакций в ряду бициклобутановых соединений, пригодных для препаративного синтеза галоген-, полигалогенме-тил-, нитро-, тио-, селено- и сульфамидозамещенных производных циклобутана; разработаны доступные методы синтеза метилен-, дихлорметилен- и оксозаме-щенных циклобутанов;
найдены способы функционализации бициклобутанов в положении 1 по пути присоединения - отщепления и отщепления - присоединения;
получены и систематизированы обширные данные по спектрам ЯМР 'Н и ' С, фотоэлектронным спектрам, рентгено-структурному анализу соединений цик-лобутанового и бнциклобутаиового ряда, которые могут быть полезны при идентификации и исследовании родственных структур;
получена дополнительная информация о природе напряженной связи С-С в составе бициклобутановых систем, что может содействовать прогрессу в понимании проблемы напряжения малых циклов.
Автор защищает общую методологию и закономерности целенаправленного синтеза функционально замещенных циклобутанов и бицикло[3.1.1]гептанов с использованием бициклобутановой стратегии, разработанные на этой основе новые методы, строение и особые свойства впервые полученных и описанных соединений.
Апробация работы. Материалы работы докладывались и обсуждались на Всесоюзной конференции "Перспективы развития химии каркасных соединений и их применение в народном хозяйстве" (Куйбышев, 1989), V конференции по химии карбенов (Москва, 1992), на международных конференциях молодых ученых "Органический синтез: история развития и современные тенденции" (СПб, 1994) и "Актуальные тенденции в органическом синтезе на пороге новой эры" (СПб, 1999), симпозиумах по органической химии "Петербургские встречи" (СПб,1995, 1998), VII научно-практической конференции стран СНГ "Перспективы развития химии и практического применения каркасных соединений" (Волгоград, 1995), польско-американском симпозиуме по реакционным интер-
медиатам (Закопане, Польша, 1995), международных симпозиумах "Напряженные циклы: синтез и свойства" (СПб, 1996), "Межфазный катализ: механизм и применение в органическом синтезе" (СПб, 1997), международной конференции по органической химии, посвященной памяти И. Постовского (Екатеринбург, 1998), областном семинаре "Современные проблемы органического синтеза" (СПб, 1999).
Публикации. Основное содержание работы отражено в 3 обзорах (в ЖОрХ и межвузовских сборниках "Современные проблемы органической химии"), 2 авторских свидетельствах, 28 статьях и 14 тезисах докладов научных конференций и симпозиумов.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, обзора современной литературы по использованию производных бициклобутана в синтезе функционально замещенных циклобутанов, обсуждения полученных результатов, представленных в 7 разделах, экспериментальной части, выводов, списка цитируемой литературы из 411 наименований и приложения. Диссертация изложена на 262 страницах, включающих 52 таблицы и 15 рисунков.