Гомолитическая гетероциклизация соединений двухвалентной серы тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.03 ВАК РФ

АКАДЕМИЯ НАУК СССР Ордена Трудового Красного Знамени Институт органической химии им. Н.Д.Зелинского Академии Наук СССР

На правах рукописи УДК 541.515:542.943.3:547.7

ДЕМЧУК Дмитрий Валентинович

ГОМОЛИТИЧЕСКАЯ ГЕТЕРОЦИКЛИЗАЦИЯ СОЕДИНЕНИЙ ДВУХВАЛЕНТНОЙ СЕРЫ

(02.00.03 — органическая химия )

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

МОСКВА—1991

Работа выполнена в лаборатории исследования гемолитических реакций ордена Трудового красного знамени Института органической химии им Н.Д.Зелинского АН СССР.

Научные руководители

член—корреспондент АН СССР ПИНикишин, доктор химических наук Э.И.Троянский.

Официальные оппоненты:

доктор химических наук, профессор АИБеленький,

доктор химических наук, профессор А.Б.Терентьев.

Ведущая организация: Московский государственный университет им.М. В. Ломоносова, химический факультет.

Защита состоится _1991 г. в часов на

заседании специализированного ученого совета К 002.62.02 по присуждению ученой степени кандидата химических наук в Институте органической химии им. Н. Д. Зелинского АН СССР по адресу: 117913, Москва, Ленинский проспект 47, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института органической химиилм. Н. Д. Зелинского АН СССР.

Автореферат разослан

Ученый секретарь специализированного совета доктор химических наук

Н. Я. ГРИГОРЬЕВА

Актуальность темы. Радикальная химия сераорганических соединений является одной из интенсивно развивающихся областей химии. Основными направлениями этого развития являются гомолитическое присоединение по тиокарбонильной группе как метод генерирования радикалов различных типов; использование межмолекулярного гомолитического присоединения соединений со связью Б—Н к кратным связям (С=С, СеС) (самостоятельно для введения сераорганической функции в молекулу и для инициирования гомолитических реакций); реакции серосодержащих соединений, главным образом содержащих функцию Б02. по а— и другим атомам углерода,

включая реакции отдаленной функционализации.

Несмотря на сравнительно ограниченный круг радикальных реакций сераорганических соединений с трансформацией Б—содержащей функции, приводящих к образованию гетероциклов, не вызывает сомнений, что подобные реакции могут успешно дополнить арсенал современной синтетической органической химии.

Целью настоящей работы явилось изучение гомолитической и окислительной гетероциклизации соединений двухвалентной серы — дитиокарбоновых кислот и их производных, содержащих тиокарбонильную группу С=3, алкенилтиолов и дитиолов с другой высокореакционноспособной группой БН, направленное на поиск новых радикальных реакций в химии соединений двухвалентной серы, создание эффективных методов синтеза серосодержащих гетероциклов различных типов, в том числе тиакраун—эфиров, установление общих закономерностей механизма и стереохимии этих процессов, а также конформационный анализ некоторых дитиацикланов.

Научная новизна и практическая ценность работы. Осуществлена гомолитическая и окислительная гетероциклизация соединений двухвалентной серы, содержащих тиокарбонильную функцию, в 1,2-

дитиол—3—тионы, 1,2,4— и 1,3,4—тиадиазолы. Установлено, что инициируемая трет—бутилгипохлоритом гетероциклизация тиоамидов включает первоначальное окисление с переносом кислорода к атому серы. На основе гомолитических реакций циклизации ненасыщенных тиолов и циклоприсоединения дитиолов к алкинам разработан универсальный подход к синтезу серосодержащих насыщенных ■ гетероциклов. Гомолитической макроциклизацией а,и—дитиолов — производных ди— и триэтиленгликоля с алкинами синтезирован ряд 9—, 12- и 18-членных тиакраун-эфиров. Разработаны простые методы получения 1,2—дитиол—3—тионов, 1,2,4— и 1,3,4—тиадиазолов, тиоланов, 1,3— и 1,4—дитиациклоалканов и тиакраун-эфиров с различным размером цикла и числом атомов серы. Проведен конформационный анализ 2-замещенных 1,4—дитианов.

Публикация и апробация работы. По материалам диссертации опубликовано 10 статей (и 4 статьи находятся в печати), тезисы докладов на VI Международной конференции ИЮПАК (Москва, 1986), V Всесоюзном симпозиуме по органическому синтезу (Москва, 1988), XVII Всесоюзной конференции "Синтез и реакционная способность органических соединений серы" (Тбилиси, 1989), XIV Международном симпозиуме по органической химии серы (Лодзь, 1990), Семинаре по прикладной ЯМР спектроскопии (Москва, 1990). Материалы диссертации по проблеме свободнорадикальных трансформаций сераорганических соединений были также представлены в пленарном докладе XVII Всесоюзной конференции "Синтез и реакционная способность органических соединений серы" и секционном докладе на XIV Международном симпозиуме по органической химии серы.

Объем диссертации. Диссертация изложена на {^Р стр. машинописного текста и состоит из введения, литературного обзора, обсуждения полученных результатов, экспериментальной части и выводов.

Материал иллюстрирован таблицами и 1 рисунком. Список

цитированной литературы включает наименований.

I Гомолитическая и окислительная гетероциклизация соединений с тиокарбонильной функцией. 1.1 Гетероциклизация дитиокарбоновых кислот в 1,2-дитиол-З-тионы. Нами установлено, что дитиоалкановые кислоты 1а—в под действием системы Ыа23208—СиС12 в результате реакций окислительной

гетероциклизации превращаются в 4,5—дизамещенные 1,2—дитиол—3—

тионы 2а—в и 1,3,5,7—тетраалкилгексатиаадамантаны За—в. Параллельно с

реакцией гетероциклизации протекает окислительный гидролиз 1а—в в

соответствующие алкановые кислоты 4а—в (Таблица 1).

СН211

-сн^

исн2 я

НСН2—^ -► 8' \ + I в I +КСН2С02Н

вн ^я 3

ЯСН^

1а-в 2а-в За-в 4а-в

а И=Н; б Н==СН3; в ИСдНу Таблица 1. Гетероциклизация дитиокарбоновых кислот 1а—в в системе №23208-СиС12*

Продукты реакции и их выход, %

Субстрат 1,2-дитиол- гексатиаада— карбоновые

З-тионы мантаны кислоты

2а-в За-в 4а—в

За 10 15 60

36 25 25 30

1в 50 5 5

*80-85°С, 3 ч, отношение 1№23208:СиС12=1:1:1; конверсия 1а-в 100%

Наиболее вероятно, что при одноэЛектронном окислении 1 генерируются дитиоацилоксильные радикалы РСН2С(3)3-, которые

присоединяются к атому Б тиокарбонильной группы 1 с промежуточным образованием после окисления бис(тиоацил)дисульфидов.

Внутримолекулярной

последних в 2 способствует

циклизации

повышенная С—Н—кислотность протонов в а—положении алкильной цепи.

И

.8 НБ 8 ^ - Н^

У- СН^Й-► ЕСЩ—^ У=

Б* Б Б—Б

3 и карбоновые кислоты 4

нсн2—(

-»• 2а-в

Гексатиаадамантаны 3 и карсоновые кислоты 4 являются продуктами трансформации дитиокарбоксильной группы в ] без затрагивания углеродного скелета. Изученная реакция - первый пример превращения дитиоалкановых кислот в 1,2-дитиол-З—тионы.

12. Гетероциклизация тиоамидов в 1,2,4—тиадиазолы Ы—незамещенные алкантиоамиды 5а—в под действием системы Иа23208~СиС12 в водных растворах при 80-85° и использовании

эквимольных количеств реагентов превращаются в 3,5-диалкил-1,2,4-тиадиазолы 2а—в, образуются также нитрилы 2а—в и карбоновые кислоты За—в (Таблица 2).

а

Ч

Ка^з- СиС12

И

ГШ.,

м

НС^и + ЕСОгН

Оа-в

7а-в

8а-в

5а-в

а К=С4Нд; б К=С5Н11; в Х1=СН3

Таблица 2. Окисление тиоамидов в системе МагЭгОэ-СиС^*

Продукты реакции и их выход, %

Субстрат 1,2,4-тиадиазол алканонитрил алкановая кислота

5а Ёа.60 Га, 10 За, 24

5а" £а, 32 — 2а, 31

56 ее, 55 16,11 86,25

5в 6в. ю 1в, 11 6в, 60

*80—85°С, 3 ч, отношение 5:Ыа28208:СиС12=1:1:1; конверсия 5а-в 100% "Реакция в отсутствие СиС12; конверсия 5а 80%

Для тиоамидов 5а,б доминирующей реакцией является окислительная гетероциклизация в 6а,б, тогда как в случае тиоамида 5в

преобладает гидролиз в кислоту 2в. Легкость выделения 1,2,4— тиадиазолов из реакционной смеси и их относительно высокий выход позволяют рассматривать изученную реакцию как весьма простой метод синтеза 3,5-диалкил-1,2,4-тиадиазолов.

Вполне возможно, что при окислении 5а—в первоначально генерируются катион-радикалы, далее отщепляющие протон с образованием тиоамидильных радикалов За—в. Эти радикалы ввиду известной склонности тиокарбонильных соединений к радикальному присоединению по атому Б группы С=3 взаимодействуют с исходными 5а—в с образованием промежуточных димеров 1£}а—в. Внутримолекулярная циклизация последних с элиминированием Ь^Э приводит к 1,2,4—

тиадиазолам 5а—в.

Другой возможный путь образования димеров 1£Эа—в, который нельзя исключить, включает присоединение радикалов С1-, генерируемых

Н+

N11 2. -е, -Н+

Н 9а-в

Б N - Н^

-Н—-► 6а-в

N-8 /

Н 10а-в

при взаимодействии компонентов окислительной системы, к атому в исходных 5а—в с образованием а-иминосульфенилхлоридов На—в. Их последующая конденсация с 5а-в приводит к 10а—в.

N838208- СиС12 Ф/С1 _е>.н+ /С1 !.5а.в

5а-в -► И—\ -И—^ -ба-в

ш2 №1 г.-п^

11а-в

При промотируемом ионами Си(Н) отщеплении НгБ от 5а—в , а также при дегидрохлорировании и элиминировании серы из 11а—в образуются

5а-в

Ка^зОв- СиС12

-Ь»

■Ч

Ж,

нитрилы Т&—в. Кислотный гидролиз 5а-в в условиях реакции приводит к алкановым кислотам За—в, которые образуются и при действии на 5 только СиС1г в отсутствие №28208-

N1—замещенные тиоамиды — Ы—метил— и N,N1—диэтилпентантиоамиды 12а,б в условиях окислительной системы №28208—СиС12 превращаются в О-аналоги — Ы—метил и N,N1—диэтилпентаноамиды ]3а,б, выход ~ 100%. .8 Ма^аОй- СиС12 Р

С4Н9

г\ -- с4н9-( 1

12а,б 1 13а,б

— аК=СН3,Н1=Н;бК=К1=С2Н5 ~~

1.3. Гетероциклизация тиогидразидов и совместная гетероциклизация тиоамидов и тиогидразидов в 1,3,4-тиадиазолы.

Продолжая исследования поведения тиокарбонильных соединений в окислительных системах, мы установили, что бензтиогидразиды Ма,б под действием эквимольного количества трет—бутилгипохлорита (ТБГХ), ранее использованного для гетероциклизации тиоамидов в 1,2,4— тиадиазолы, превращаются в симметрично замещенные 2,5—диарил— 1,3,4-тиадиазолы 15а,б с выходом 65 и 41%, соответственно.

Ма,б а я=н. б д^оМе 15а,б

В реакции гетероциклизации тиобензгидразида 34а и тиоацетамида 5в при взаимодействии их смеси с 1~ВиОС1 (соотношение 14а:5в:ТБГХ=1:1:2) при —70° основным продуктом является несимметрично замещенный 2-метил-5-фенил-1,3,4-тиадиазол 1£а, наряду с которым также образуется 15а.

г-виоа л-и ы-к

14а + 5в —♦ XX + АХ

.70° РЬ в Ме РЬ РЬ

16а, 34% 15а, 16%

Направление гетероциклизации и ее селективность существенно зависят от порядка прибавления реагентов, причем максимальная селективность наблюдается при предварительном взаимодействии тиоамида 5в с ^ВиОС1 при -70°.

Взаимодействием М—незамещенных йв.ЗгР^Р!"!) и Ы—моно— метилтиоамидов 12а и РС(5)№НМе Да—г (а Я=Рг; б в Я=2—тиенил; г

Я=3—пиридил) с трет—бутилгипохлоритом при —70° и последующей реакцией с тиогидразидами 34а,б осуществлен синтез 2-алкил-5-арил-1,3,4-тиадиазолов ]§а—и с выходом до 62% (таблица 3.)

^ 1.М}иОС1,-70° „

КШ1 8

2.4-К2С(;НГ\

6"4 \ 16а-и

шшн2

Методами спектроскопии ЯМР 1н и 13с нами изучен механизм взаимодействия трет—бутилгипохлорита с тиоамидами — первой стадии реакции гетероциклизации. Исходя из совокупности полученных данных продукту 18 реакции 17а с t—BuOCI можно приписать структуру тиоамид— S—оксида, находящегося в таутомерном равновесии с а— иминосульфеновой кислотой, где протон группы ОН распределен между атомами N и О.

/ ? _^ / 9

«Wv ! ^^ с3н-с | \ ^-Н ^ „,н

N N"

Ме Ме

Выделенное промежуточное соединение 18 при взаимодействии с бензтиогидразидом 14а в отсутствие t—BuOCI образует 2—пропил—5— фенил—1,2,4—тиадиазол 16в с выходом 48%, наряду с которым, получаются

Таблица 3. Гетероциклизация тиоамидов и тиогидразидов __под действием трет—ВиОСГ_

Исходные соединения Продукты реакции** и Количество

их выход, % возвращен-

Тио— 1,3,4- 1,3,4- ного

Тиоамид, R,R"I гидразид тиадиазол тиадиазол тиоамида, %

14 R2 16 15

5в, Ме, Н 14а, Н Ißa, 58 15а, следы 5в***

5в, Ме, Н 146, МеО 1£б, 40 156*" 5в ***

IZa, Рг, Ме 14а, Н ISb, 62 15а, 14 IZa, 24****

lZa,Pr, Ме 146, МеО 16г, 43 156*** IZa, 11****

12а, Ви, Ме 14а, Н 12д, 47 15а, 24 12а, 8

Ür, Ph, Н 146, МеО 16е, 9 156,3 *****

1Z6, Ph, Ме 146, МеО Ige, 23 156,51 1Z6, 39

37в, 2-тиенил, Ме 14а, Н 16ж, 21**** 15а, 77 Ив, 44

Иг, 3-пиридил, 14а, Н 15з, 45 15а, 52**** 17г, 50

Ме

IZr, 3-пиридил, 146, МеО 10и, 39 , 156,34 IZr, 34

Ме

*—70°С, СН2С12,1 ч, отношение тиоамид:трет-ВиОС1:14=1:1:1 ** Для препаративно выделенного соединения *** Идентифицирован методом ТСХ **** По данным ГЖХ

***** Образуется 84% 3,5—дифенил-1,2,4-тиадиазола 6г (Я=Р|-|).

также 15а, и Да с выходами соответственно 20 и 11% {определены

методом ГЖХ).

CgHijC

/

NH2NH

\ ,-н

N'

I

ш

N-N

DJ

Ме

18

14а 16в. 48%

Мы полагаем, что на второй стадии реакции при взаимодействии промежуточных соединений типа 18 с тиогидразидами 14 протекает

нуклеофильное замещение при иминном атоме С функциональной группы 18 с последующей гетероциклизацией в 3£.

1-ВиОС1 14

17 -18

- г-виС1

Боне ,-V.

N—ЫН 4-'

16

Замещение второго атома Н при азоте в молекуле тиоамида на алкильную группу препятствует образованию 1,3,4—тиадиазола через соединение типа ]8, при этом основным направлением реакции становится замещение серы на кислород и образование диалкиламида.

Б 1ЛВиОС1,-70° О К-ц

и: --

ЫЕ^ 2.15а в 1

126 136 16д

Таким образом, гомолитическая, окислительная гетероциклизация тиокарбонильных соединений — дитиокарбоновых кислот, их амидов и гидразидов — обеспечивает простой и эффективный подход к синтезу 1,2-дитиол-З-тионов, 1,2,4- и 1,3,4-тиадиазолов, а также гексатиаадамантанов. Такой ход гетероциклизации определяется очень высокой склонностью атома серы тиокарбонильной группы к акцептированию радикальных или электрофильных частиц.

II. Гемолитические реакции циклизации алкенилтиолов и циклоприсоединение дитиолов. 11.1. Свободнорадикальная циклизация алкенилтиолов в тиоланы. Нами установлено, что гомолитическая внутримолекулярная циклизация ненасыщенных тиолов под действием системы РГ3В-О2—

МеОН может служить эффективным методом синтеза тиоланов, в том числе и бициклического ряда

Гомоаллилмеркаптаны 19а—в, пол ученные аллилборированием

РГдВ- О 2 -►

"V/

ъо

ЭН и1

19а-в 20а-в

а 11=Ме, Г^-РЬ, 11^=К3=Н; б В^^Рг, И2Д3=(СН2)3; в К=Е1=Р^ И2Л3=<СН2)4

тиокетонов, в присутствии РГ3В-О2 циклизуются в замещенные тетрагидротиофены (тиоланы) 20а—в. Циклизация 326 протекает сте—

реоселективно и приводит только к цис—изомеру 206, тогда как из 13в

н

вн -

Рг Рг 196

Н

Рг 206

Б

ЧРг

получается смесь цис— и транс— изомеров в соотношении 1:1,3.

н н

— ф + Сц>

Рг Рг Мрг Рг Нрг Рг

19в 20в

гг.

Разделение стереоизомеров осуществлено колоночной хроматографией на БЮ2- Реакция начинается со взаимодействия РгзВ

со следами кислорода, присутствующими в системе, при этом образуются пропильные радикалы, отрывающие атом водорода от тиола.

Рг3в +02 Рг* +

-РГ2В-0-0 • + Рг*

И-БН -► РгН + ЕБ*

Следует отметить полную региоспецифичность

внутримолекулярного присоединения тиильных радикалов по незамещенному углероду С=С связи, изомерные тиоланам 20

соответствующие четырехчленные тиетаны, отвечающие присоединению по другому углероду кратной связи, методом ПМР—спектроскопии (250 МГц) обнаружены не были.

11.2. Гомолитическое циклоприсоединение дитиолов с 1—алкинами: синтез 1,3— и 1,4—дитианов, 1,4—дитиепанов, 1,3-дитиоланов.

Мы установили, что при взаимодействии 1,2— и 1,3—дитиолов 21 с алкянами 22 с концевой тройной связью в условиях радикального инициирования под действием трипропилборана в присутствии 02 или

азобис(изобутиронитрила) (АИБН) протекает реакция гомолитического

циклоприсоединения, приводящая к 1,4—дитиациклоалканам 23а-и. и

нэ^ Рг3в-02-МеОН

^ РГ3В-и2-меи«

у1)п или АИБН ,

Ш Н

22 а-е 21а, б 23а-и

Из монозамещенных алкинов 22а—е. содержащих заместители алкильного типа при связи СеС, и 1,2-этандитиола 21а или 1,3-пропандитиола 216 под действием системы РГ3В—02~ МеОН (дегазирование смеси не

проводилось, кислород присутствует в следовых количествах, достаточных для инициирования реакции) в бензоле или ТГФ (соотношение 21:22:РгзВ-МеОН=1:1:1:4) или АИБН в бензоле (соотношение

21:22-'АИБН=1:1:0,15) региоселективно получаются 2-замещенные 1,4— дитианы 23 (п=1) из 21а или 1,4-дитиепаны 23 (п=2) из 216 (таблица 4). Оба использованных инициатора — система РГ3В—02—МеОН и АИБН,

практически одинаково эффективны в реакции гетероциклизации. Достоинством системы на основе РГ3В является возможность проведения

реакции при комнатной температуре в отличие от АИБН, требующего кипячения в бензоле при ^80°.

Функциональный заместитель, находящийся непосредственно при связи СеС, способен оказывать определяющее влияние на направление

Дитиол п Алкин (Р1=Н) Инициатор Растворитель 23, выход, %

21а 1 22а С4Н9 РгзВ-Ог-МеОН бензол 23а, 49

21а 1 226 С6Н13 АИБН бензол 236, 47

21а 1 226 С6Н13 РгзВ-02-Ме0Н бензол 236, 55

21а 1 226 СбН13 РГ3В—02—МеОН ТГФ 236, 71

21а 1 22в СН20Н РгзВ-02-Ме0Н бензол 23в, 51

21а 1 22в СН2ОН РгзВ-02-Ме0Н ТГФ 23в, 67

21а 1 22г СМегОН РГ3В—02—МеОН бензол 23г, 56

21а 1 22г СМегОН АИБН бензол 23г, 59

21а 1 22г СМегОН МеОН—02 бензол 23г, 0

21а 1 22д СН20ТНР РгзВ-Ог-МеОН бензол 23д, 48

21а 1 22е СН2С1 РГ3В—02—МеОН бензол 23е, 50

216 2 22а С4Нд РгзВ-Ог-МеОН бензол 23ж, 41

216 2 22в СН20Н РгзВ—02~МеОН бензол 23з, 56

216 2 22г СМе2ОН РгзВ-Ог-МеОН бензол 23и, 39

присоединения к этой связи и строение образующегося

дитиациклоалкана. Так, в реакции 21а с этилпропиолатом 22ж ^=002^. П1=Н), инициированной системой РгзВ-Ог-МеОН, наряду с

1,2—присоединением по связи СееС, приводящим к 2—этоксикарбонил— 1,4—дитиану 23к эффективно протекает 1,1—присоединение с образованием изомерного 2—этоксикарбонилметил—1,3—дитиолана 24, а также его а—гидроксизамещенного 25, выходы 23к, 24 и 25 составляют 12, 17 и 12% соответственно, т.е. соотношение конкурентных 1,2— и 1,1-присоединений равно ~ 1:2,5. СОЛЛ „ „ 9Н

Ш й Н ^ Н

Н

22ж 21а 23к 24 25

С фенилацетиленом 22з (Р=РЬ, И1=Н) вместо 1,2—присоединения

селективно протекает 1,1—присоединение по связи СеС и при реакции с дитиолом 21а или 216, инициированной РгзВ—02, образуются 1,3—

дитиациклоалканы: 2-бензил-1,3-дитиолан 22а и 2-бензил-1,3-дитиан

226 (Таблица 5). РЬ

Н8

+

Рг3В-02- МеОН -►

или АИБН

РЬСН2-< + ( \

НБ' " 8'"" РЬ НБ'

Н

22з 21 а-в 26а-в 27б,в

Таблица 5. Взаимодействие дитиолов 21а—в с фенилацетиленом

Дитиол 21 Инициатор Продукты реакции и их выход, %

26 21

21а РГ3В-О2 26а, 39 —

216 АИБН 266, 28 276, 20

216 РГ3В-О2 266, 29 -

21в РГ3В-О2 26в, 10 22в, 29

При взаимодействии фенилацетилена с 1,4—бутандитиолом, инициируемом РгзВ—02, наряду с 2—бензил—1,3—дитиепаном 26в

образуется также^ значительное количество 21в — нециклического аддукта 1:1. Аналогичный процесс протекает и при инициировании АИБН взаимодействия фенилацетилена с 216, где количество аддукта 1:1 276 достигает 20%.

Мы полагаем, что при инициировании реакции 21 с 22 с помощью АИБН гетероциклизация происходит по обычному гомолитическому механизму, включающему последовательное присоединение тиильных радикалов по кратным связям.

Направление циклизации тиильных радикалов 30 определяется сравнительной стабильностью альтернативных первичных циклических радикальных продуктов: и—тиоалкильных радикалов 31 и алкильных радикалов 32. Естественно, что в отсутствие каких-либо

дополнительных стабилизирующих условий радикалы 33 значительно более устойчивы, чем 32, что, вероятно, и определяет селективность

)"> П

Н8 п

29

Г — - 1 Г^

А " ^„А

(CHз)2CCN

Б

28 29

Н- миграция Кт, ^Н ^Б»

21

Б 30

30-

о д

'У N Н=алкил

•кЖ * и>п

1,2-присоединение

.Б.

1,1 -присоединение -11СН

31 Б-

я-* 'п

И=РЬ

23 Б-

РЬСН

Б' 32

о

г"С

Б-26

протекания 1,2—присоединения и образования 1,4—дитиациклоалканов 23 в случае заместителей И алкильного типа в 22а—е. Напротив, в случае 22з более устойчивы радикалы 32 (И=РЬ) — предшественники 2—бензил—1,3—дитиациклоалканов 26- Реакция с 22ж представляет промежуточный случай, при котором конкурентно протекают 1,2- и 1,1-присоединения, приводящие к радикалам 33 и 32 (Р=С02Е1) и, далее, к

изомерным 1,4- и 1,3-дитиациклоалканам 23к и 24. 25.

В соответствие с рассмотренной схемой, предполагающей промежуточное образование непредельных тиолов с открытой цепью, предшественниками которых являются радикалы 23 или 30, в реакции 22з с 216,в идентифицированы ентиолы 276,в.

Циклоприсоединение дитиолов 21 к алкинам 22, инициированное системой РгзВ-02_Ме0Н проходит, по-видимому, более сложно, причем

возможен также маршрут, включающий образование тиоборорганических соединений 33, связывающих участвующий в реакции дитиол, с одновременным генерированием алкильных радикалов.

Рг3в + 28 -► + Рг*

33

Последующий метанолиз 33 приводит к "высвобождению" дитиола 21, способного вновь участвовать в реакции.

33 + МеОН-► РГ2ВОМе + Н8'"Ч>7'8Н РГ*»

21

Н.З.Реакция дитиолов с дизамещенными алкинами. Стереохимия

гемолитического циклоприсоединения. Гетероциклизация дизамещенных алкинов 22и—л. содержащих заместители алкильного типа при связи С=С, с 1,2—этандитиолом 21а, инициированная трипропилбораном в присутствии 02 и МеОН или АИБН,

протекает стереоизбирательно: основным продуктом являются цис—2,3— дизамещенные 1,4—дитианы (таблица 6).

^ Рг3В-02-МеОН

№ + У или АИБН" у + У

I не П Б И в

И

22и-л 21а 34 а-й 35а-в

Таблица 6. Стереоселективность в реакции образования 34а—в и 35а—в.

Исходный алкин, Я (Я—Я^) Соотношение 34:35 Общий выход, %

22и, Рг 75:25 37

22к, СНгОАс 90:10 40-54

22л, СНгС! 65:35 21

Соотношения стереоизомеров практически не зависят от способа инициирования реакции гетероциклизации. Напротив, реакция

дифенилацетилена 22м и 21а оказалась весьма чувствительной к природе инициатора. При использовании в качестве инициатора АИБН стереоселективная реакция приводит к цис— и транс—2,3—дифенил—1,4— дитианам 34г, 35г в соотношении 10:1, побочно образуется также непредельный 5,6-дифенил-2,3—дигидро-1,4-дитиин 36 (~2%); суммарный

выход 34г, 35г и 36 составляет 50%.

Ph

HSv, АИБН Ph^S Ph S Ph S

3 —* X)+ X > X)

IIS Ph S Ph S Ph S

Ph

22m 21a 34r 35r 36

В то же время при инициировании системой РгзВ-02~Ме0Н получается

сложная смесь продуктов.

Определяющее влияние на стереохимию процесса в целом оказывают следующие факторы: конфигурация двойной связи в непредельных тиолах 37а—г, пространственное направление атаки сероцентрированного радикала на связь С=С при внутримолекулярной циклизации радикалов 38а—г, относительная конформационная стабильность, в том числе и возможность взаимопревращения радикалов 39 и 4Q при отрыве ими атомов водорода с образованием цис— и транс-1,4-дитианов 34 и 35.

Кроме ориентации заместителей существенное влияние на относительную стабильность радикалов 33 и 4Q оказывает ориентация орбитали, занятой неспаренным электроном. Аномерное орбитальное взаимодействие ns — и должно стабилизировать аксиальное

расположение этой орбитали подобно соединениям, содержащим в цикле атомы кислорода или азота. С учетом отмеченных факторов следует ожидать, что энергия радикалов возрастает при переходе от радикала (eehAQ к радикалам feaj-39. (aeh39 и далее к наименее устойчивому (ааНШ

8

И в (г,Е)-37а-г

"в (Е)-38а-г

И

сс

в "я

34 а-г

ЦП- цис-присоединение ТП- транс-присоединение

.в

и.

Я

Б И 35 а-г

Экспериментальные результаты свидетельствуют, что на соотношение продуктов реакции оказывает влияние природа заместителя Я. В случае СН2ОАС, доля цис—изомера 34 заметно выше, чем при

Р=Рг, СН2С1, однако, в настоящее время достаточно доказательно интерпретировать этот факт не представляется возможным.

Минорным продуктом гетероциклизации 22м с 21а является, как указывалось выше, 5,6—дифенил—2,3—дигидро—1,4—дитиин 32- Аналогичное направление гетероциклизации становится главным в случае диметилового эфира ацетилендикарбоновой кислоты 22н (Я=Я''=С02Ме),

основным продуктом реакции является 2,3—бис(метоксикарбонил)—1,4— дитиин 41 выход 27%. Только в качестве побочного продукта с выходом около 3% выделена смесь стереоизомеров 2,3—бис(метоксикарбонил)— 1,4-дитиана 34д, 35д (Р=С02Ме). Из-за низкого выхода последней

точное соотношение стереоизомеров не определялось.

СОоМе

¿Г ттс»

+ ^ РгзВ0,,2

н

.Б^СО^е Б^СОаМе 8 СО^е СОаМе

Н8

СОзМе

22н 21а 42 41 34д,35д

Мы полагаем, что промежуточный в этой реакции аддукт—радикал 42 (П=С02Ме), содержащий подвижный |3-атом Н, легко отщепляет его с

образованием 2,3—дигидро—1,4—дитиина с сопряженными карбоксильными группами 41 Аналогично, из 42 (И—РИ) образуется 2,3—дифенил—1,4— дитиин 36-

Соотношение цис— и транс—изомеров 2,3—ди(ацетоксиметил)—1,4— дитиана определяли из данных спектров ПМР по интегральным интенсивностям неперекрывающихся сигналов групп СН2 заместителей СНгОАс и СН2С1, а соотношение стереоизомеров цис- и транс-2,3-

дифенил—1,4—дитиана 34г. ЗЙ--по сигналам СН—протонов фрагмента

8СН(РЬ)СН(РЬ)8. Для 2,3-дипропил—1,4-дитиана соотношение стереоизомеров 34а, 35а определено из данных спектров ЯМР-13С.

Таким образом, сочетание радикального транс-присоединения к тройной связи и внутримолекулярного радикального цис—присоединения к связи С=С определяет наблюдаемую цис—стереоселективность гетероциклизации.

ПАКонформационный анализ 2—замещенных 1,4—дитианов.

Мы провели полный конформационный анализ различных 2— замещенных 1,4—дитианов с алкильными или функционализованными алкильными заместителями у С^ методами 1н ЯМР и 13с ЯМР и по данным вычислений с помощью молекулярной механики (ММХ, программа РСМСЮЕЦ

Согласно результатам расчетов по методу ММХ стерическая энергия конформаций кресла 1,4—дитианов значительно ниже (на 3—4

ккал/моль) энергии твист—форм, и по этой причине мы рассматривали конформационное равновесие только двух форм кресла 23а ^ 23е с аксиальной (23а) и экваториальной (23е) ориентацией заместителя Я.

Рисунок 1 Часть ПМР-спектра 2-метил-1,4-дитиана, относящаяся к кольцевым протонам.

Заселенность аксиальной формы увеличивается с уменьшением стерического объема алкильной группы. Объемный заместитель СМе20Н расположен только в экваториальном положении, для Ме и н—СбН-|з доля

экваториального конформера составляет 88%. Противоположная тенденция наблюдается в ряду CH3<CH2OH<CH2OAC<CH2CI. Наиболее объемные заместители в этом ряду - СНгОАс и СН2С1 — предпочтительно занимают аксиальное положение (54 и 59%). Этот результат полностью противоречит свойствам метильного и гексильного производных и расчетам по методу ММХ.

Представляется, что этот факт отражает электростатическое взаимодействие атома серы в цикле с положительно заряженным углеродом и атомами водорода в Я=СН2Х.

iX

est

Таким образом, можно заключить, что достаточно обычным конформационным поведением для замещенных 1,4—дитианов является наличие значительной доли аксиального коиформера, обусловленное различными внутренными причинами. Только алкильные заместители могут с высокой вероятностью быть экваториальными. Таким образом, "нормальное" поведение в циклогексановом ряду не является обязательным в ряду 1,4—дитианов.

II.5. Гомолитическая макроциклизация. Синтез тиакраун эфиров.

В рамках развитого подхода к гомолитическому циклоприсоединению дитиолов к алкинам как общего метода конструирования серосодержащих гетероциклов мы осуществили межмолекулярную гомолитическую макроциклизацию.

Взаимодействием 3,6—диоксаоктан—1,8—дитиола 43 с алкинами 22a,22o(R=Me)r22nfR-CH2QAc). инициированным РГ3В-О2, синтезированы

12-членные тиакраун-эфиры - 8-замещенные 1,4-диокса-7,10-дитиациклододеканы 44а-в. выход 22-30%.

Основным направлением макроциклизации в случае 3—окса—1,5-пентандитиола 45 является образование циклических 2:2—аддуктов — 18— • членных тиакраун-эфиров - 5,14(15)-диалкил-1,10-диокса-4,7,13,16-

43

22а,О,п

44а-в

a R=Bu, б R=Me, в RCH^Ac

тетратиациклооктадеканов 46а,б, минорными продуктами макроциклизации являются 9-членные краун-эфиры - 5-алкил-1-окса-4,7—дитиациклононаны 47а,б.

ЩН)

45 22 46а,б 47а,б

а 11=Ви, б И=Мё

18—Членные тиакраун—эфиры 46а.б выделены в виде смеси региоизомеров, отличающихся взаимным расположением заместителей (СМ и С15), при этом каждый из этих региоизомерных тиакраун—эфиров представляет собой смесь цис— и транс— изомеров. В качестве побочного продукта макроциклизации образуется 48 - продукт присоединения двух молекул алкина 22 к одной молекуле дитиола 45-

Исходя из: 1) образования 4 изомеров 46а,б; 2) с учетом известной более высокой реакционной способности тройной углерод-углеродной связи в сопоставлении с двойной к присоединению тиильных радикалов; 3) сравнительно легкой рекомбинации последних с образованием Б—Б связи, а также 4) отсутствия 46а в продуктах реакции 45 с 48, мы полагаем, что тиакраун-эфиры 46а,б получаются из аддуктов алкинов 22 с дитиолом 45 состава 1:1 — 49 и состава 1:2 — 50 по следующей схеме, объясняющей также образование других продуктов.

Основным маршрутом реакции является скорее всего гомолитическое циклоприсоединение 1,14—дитиолов 50 с алкинами,

/~л

о в^нда

циклоприсоединение Ч^ А О БН ЩН) \_Д_& ИН)

^ ^П ^ — , ____ . „_Г15Д4- и 5Д5-диалю1л-46а,б

50 1п*=Рг3В-02или АИБН —

приводящее к образованию всех четырех возможных стерео- и региоизомеров 45а,б. Достигнутые выходы 12- и 18-членных тиакраун-эфиров можно рассматривать как весьма высокие, так как известные способы синтеза этих соединений позволяют получать их с выходами в 1,5-3 раза меньше. Изученные реакции- первый пример реакций гомолитической макроциклизации с участием тиильных радикалов.

ВЫВОДЫ

1. Разработан универсальный подход к синтезу гетероциклов, базирующийся на свободнорадикальных реакциях соединений двухвалентной серы - гомолитической и окислительной гетероциклизации, внутримолекулярной радикальной циклизации, гомолитического циклоприсоединения.

2. Осуществлены реакции гомолитической и окислительной гетероциклизации тионкарбоновых кислот и их производных. Установлено, что:

— дитиокарбоновые кислоты в системе пероксидисульфат натрия — хлорид меди (II) образуют 1,2-дитиол-З-тионы и гексатиаадамантаны;

— алкантиоамиды в системе пероксидисульфат натрия — хлорная медь циклизуются в 1,2,4-тиадиазолы;

— арентиогидразиды под действием трет-бутилгипохлорита образуют 2,5-диарил-1,3,4-тиадиазолы;

— совместное окисление алкантиоамидов и арентиогидразидов, которое приводит к 2-алкил-5-арил-1,3,4-тиадиазолам, включает первоначальную активацию тиоамида посредством его окисления с переносом кислорода к атому серы и последующую гетероциклизацию.

3. Гомолитической циклизацией 3—алкенилтиолов, инициируемой трипропилбораном в присутствии кислорода, синтезированы тиоланы, в том числе бициклического ряда.

4. Гомолитическое циклоприсоединение 1,2—этандитиола и 1,3— пропандитиола к алкинам, содержащим заместители алкильного типа, протекает как региоспецифическое 1,2-присоединение и приводит к 1,4-дитианам и 1,4-дитиепанам. Реакция а,и-дитиолов с фенилацетиленом происходит по механизму 1,1—присоединения с образованием 2—бензил— 1,3-дитиацикланов.

5. Гомолитическое циклоприсоединение 1,2-этандитиола к дизамещенным алкинам является стереоселективной, реакцией, преимущественно образуются цис-2,3-дизамещенные 1,4-дитианы. Стереохимия определяется сочетанием радикального трансприсоединения по тройной связи и гомолитического внутримолекулярного цис-присоединения по двойной связи.

С дизамещенными алкинами, содержащими электроноакцепторные или способные к сопряжению с кратной связью заместители, реализуется иной тип гетероциклизации и образуются 5,6-Й2-2,3-

дигидро-1,4-дитиины (Р=СООМе, РЬ).

6. Проведен конформационный анализ 2-замещенных 1,4-дитианов, согласно которому для простых алкильных заместителей доминирует экваториальный конформер, в случае же функционализованных алкильных заместителей, содержащих достаточно сильную электроноакцепторную функцию (хлор, ацетокси), преобладает аксиальный конформер.

7.Гомолитическая макроциклизация алкинов с дитиолами — производными ди— и триэтиленгликоля является эффективным и очень простым подходом к конструированию 12—, 18—, а также 9-членных тиакраун—эфиров.

8. На основе изученных гомолитических и родственных реакций соединений двухвалентной серы разработаны одностадийные методы синтеза 1,2,4— и 1,3,4-тиадиазолов, 1,2-дитиол-З-тионов, гекса-тиаадамантанов, тиоланов, 1,3- и 1,4-дитиациклоалканов, 2,3-дигидро-1,4—дитиинов, 1,10—диокса—4,7,13,15—тетратиациклооктадеканов, 1,4— диокса—7,10—дитиациклододеканов, 1—окса—4,7—дитианонанов.

Основные результаты диссертационной работы изложены в следующих публикациях:

1. Троянский Э.И., Лазарева М.И., Демчук Д.В., Никишин Г.И. Окислительная гетероциклизация дитиоалкановых кислот. // Изв. АН СССР. Сер. хим. 1986. N5. С. 1206-1207.

2. Troyansky E.I., Demchuk D.V., Lazareva M.I. Oxidative heterocyclization of dithiocarboxyiic acids and their derivatives. // Vl-th International Conference on Organic Synthesis. 1986. Moscow: Programme.-M. 1986. P. 217.

3. Троянский Э.И., Лазарева М.И., Демчук Д.В., Никишин Г.И. Окисление алифатических тиоамидов в системе пероксидисульфат натрия - хлорная медь // Изв. АН СССР. Сер. хим. 1986. N5. С. 1143-1148.

4. Демчук Д.В., Троянский Э.И., Никишин Г.И. Присоединение дитиолов к алкинам под действием трипропилборана — новый метод синтеза 1,4—дитиациклоалканов. // Новые методы и реагенты в тонком органическом синтезе: V Всесоюзный симпозиум по органическому синтезу. Москва. 1988. Тез. докл.- М. Наука. 1988. С. 130-131.

5. Демчук Д.В., Луценко А.И., Троянский Э.И., Никишин Г.И. Индуцируемая трет—бутилгипохлоритом гетероциклизация тиоамидов и тиогидразидов — новый метод синтеза 1,3,4—тиадиазолов. // XVII Всесоюзная конференция "Синтез и реакционная способность органических соединений серы". Тбилиси. 1989. Тез. докл.— Изд-во Тбилисского ун-та. 1989. С. 352.

6. Демчук ДБ., Троянский Э.И., Никишин Г.И. Общий метод синтеза

3- и 1,4-дитиациклоалканов гомолитическим присоединением дитиолов алкинам. // Изв. АН СССР. Сер. хим. 1989. N6. С. 1443.

7. Демчук Д.В., Луценко А.И., Троянский Э.И., Никишин Г.И. етероциклизация производных тионкарбоновых кислот в 1,3,4— иадиазолы под действием трет-бутилгипохлорита. // Изв. АН СССР. :ер. хим. 1989. N8. С. 1843-1848.

8. Никишин Г.И., Желудева В.И., Лавринович Л.И., Демчук Д.В., роянский Э.И., Бубнов Ю.Н. Синтез спирановых и бициклических тиоланов з гомоаллиловых тиолов. // Изв. АН СССР. Сер. хим. 1989. N9. С. 2155156.

9. Троянский Э.И., Стреленко Ю.А., Демчук Д.В., Луценко А.И., икишин Г.И. Стереоизбирательная гомолитическая гетероциклизация ,изамещенных алкинов с 1,2-этандитиолом в цис-2,3-дизамещенные 1,4-итианы. // Изв. АН СССР. Сер. хим. 1990. N5. С. 1191-1192.

10. Троянский Э.И., Демчук Д.В., Самошин В.В., Стреленко Ю.А., икишин Г.И. Гомолитическая макроциклизация в синтезе тиакраун— фиров. // Изв. АН СССР. Сер. хим. 1990. N11. С. 2663-2664.

11. Nikishin Gi.Troyansky El.,' Demchuk D.V. Sonne new homolytic eterocyclization reactions in chemistry of bivalent sulfur compounds. // XIV ternational Sympozium on the Organic Chemistry of Sulfur. Lodz. Poland. 1990. bstract of Paper. P. C-0-3.

12. Strelenko Yu.A., Demchuk D.V. Conformations of monosubstituted 1,4— ithianes. // Seminar "Applied NMR Spectroscopy". Moscow. 1990. Abstract of aper.

13. Демчук Д.В., Луценко А.И., Троянский Э.И., Никишин Г.И. омолитическая реакция дитиолов с алкинами - способ синтеза 1,3- и

4-дитиациклоалканов. // Изв. АН СССР. Сер. хим. 1990. N12. С. 2801310.

14. Nikishin G.I.,Troyansky E.I., Demchuk D.V. Some new homolytic 3tero'cyclization reactions in chemistry, of bivalent sulfur compounds. // hosphorus, Sulfur and Silicon. 1991. V. 59. N2. P. 239-242.

15. Троянский Э.И., Стреленко Ю.А., Демчук Д.В., Самошин В.В., уценко А.И., Никишин Г.И. Стереохимия гомолитической ггероциклизации алкинов с 1,2-этандитиолом в 1,4-дитианы. // Изв. АН ССР. Сер. хим. 1991. N8. С. 1841-1849.

9

Заказ 4365. Типография, пр. Сапунова, 2. Тираж 100.