Новые бифункциональные электрофильные реагенты на основе солей иминия тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.03 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. М.В. ЛОМОНОСОВА

ХИМИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ Кафедра химии нефти и органического катализа

На правах рукописи

БАРАЗНЕНОК ИВАН ЛЕОНИДОВИЧ

НОВЫЕ БИФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ЭЛЕКТРОФИЛЬНЫЕ РЕАГЕНТЫ НА

ОСНОВЕ СОЛЕЙ ИМИНИЯ

02.00.03 - Органическая химия

Диссертация на соискание ученой степени кандидата химических наук

Научные руководители: доктор химических наук, ведущий научный сотрудник Е.С. Баленкова кандидат химических наук, научный сотрудник В.Г. Ненайденко

Москва - 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

1. ВВЕДЕНИЕ 4

2. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

2.1. Взаимодействие трифторметансульфонового ангидрида с кислородсодержащими нуклеофилами 6

2.1.1. Реакция трифторметансульфонового ангидрида с

карбонильными соединениями 7

2.1.1.1. Взаимодействие с кетонами. Синтез и

синтетические превращения винилтрифлатов 7

2.1.1.2. Синтез бис(трифлатов) 16

2.1.1.3. Взаимодействие трифторметансульфонового ангидрида с

амидами и винилогами амидов 18

2.1.2. Получение арилтрифлатов и их использование в органическом синтезе 24

2.1.3. Использование винил- и арилтрифлатов в

реакции кросс-сочетания 26

2.1.4. Взаимодействие со спиртами. Синтез алкилтрифлатов 31

2.1.5. Взаимодействие трифторметансульфонового ангидрида с оксидами халькогенидов, галогенидов и пниктогенидов 38

2.1.5.1. Получение и свойства трифлокси

сульфониевых(селенониевых) трифлатов 38

2.1.5.2. Получение и свойства органических трифлатов

поливалентного иода 43

2.1.5.3. Взаимодействие с оксидами хлора и азота. Активация электрофильного замещения в ароматических

соединениях 46

2.1.5.4. Взаимодействие трифторметансульфонового ангидрида с

фосфиноксидами 47

2.2. Взаимодействие трифторметансульфонового ангидрида с аминами.

Получение трифламидов и их использование в органическом синтезе 48

2.3. Окислительные свойства трифторметансульфонового ангидрида 51

2.3.1. Взаимодействие с сульфидами. 52

2.2.2. Окисление металлорганических соединений. Синтез

трифторметилсульфонов. 52

3. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

3.1. Комплексы а,(3-непредельных амидов

с трифторметансульфоновым ангидридом как бифункциональные электрофилы в реакциях с ароматическими соединениями %

3.1.1. Изучение взаимодействия а,(3-непредельных амидов с трифторметансульфоновым ангидридом 57

3.1.2. Взаимодействие комплекса 14, ТЧ-диметил акрил амид/ трифторметансульфоновый ангидрид с пятичленными ароматическими гетероциклами 59

3.1.2.1. Взаимодействие комплекса К, И-диметил акрил амид/

трифторметансульфоновый ангидрид (I) с тиофеном 59

3.1.2.2. Реакция с другими пятичленными гетероциклами.

Синтез дигетарилпропанонов 63

3.1.2.3. Синтез циклопента-аннелированных гетаренов 68

3.1.3. Взаимодействие комплекса 1Ч,1Ч-диметилакриламид/

трифторметансульфоновый ангидрид с ароматическими соединениями 71

3.1.3.1. Синтез инданонов 71

3.1.3.2. Синтез 1,3-диарилпропанонов 73

3.1.4. Взаимодействие комплекса ]Ы,]Ч-диметилакриламид/ трифторметансульфоновый ангидрид с

конденсированными ароматическими соединениями. 76

3.1.4.1. Синтез феналенов 76

3.1.4.2. Синтез ароматических аминов 78

3.1.5. Реакция с дитиофенами. Синтез 7,8-членных

циклических кетонов 81

3.2. Комплексы а,(3-непредельных амидов с трифторметансульфоновым ангидридом как бифункциональные электрофилы в реакциях с

ароматическими аминами 87

3.3. Трифторметансульфоновый ангидрид как активирующий

реагент в винилогичной реакции Вильсмейера-Хаака. 93

3.3.1. Изучение взаимодействия 4-диметиламино-1,1,1 -трифтор-

З-бутен-2-она (ЬХХХШ) с трифторметансульфоновым ангидридом и РОС13 94

3.3.2. Взаимодействие комплекса ЬХХХ1У с ароматическими и гетероароматическими соединениями. Синтез трифторметилсодержащих коричных альдегидов 96

3.3.3. Взаимодействие комплекса ЬХХХГУ с ароматическими аминами 103

3.3.3.1. Взаимодействие с диариламинами 103

3.3.3.2. Взаимодействие с анилинами. Синтез 2-(трифторметил)хинолинов 105

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 112

5. ВЫВОДЫ 171

6. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 173

1. ВВЕДЕНИЕ

Реакции электрофильного замещения являются одними из фундаментальных реакций в органической химии и представляют собой удобный метод функционализации алкенов, диенов, ароматических и гетероароматических соединений.

Настоящая работа посвящена электрофильным реакциям а,р-непредельных иминиевых трифлатов с реакционноспособными аренами и гетаренами, а также ароматическими аминами. Химия иминиевых солей чрезвычайно разнообразна, и известны многочисленные примеры их использования в органическом синтезе. Так, реакция Вильсмейера-Хаака, представляющая собой взаимодействие хлорметилениминиевых солей с ароматическими соединениями, является одной из важнейших реакций электрофильного замещения в ароматическом ядре и служит удобным методом введения формильной группы в арены и гетарены. Основным фактором, ограничивающим синтетическое использование хлориминиевых солей, является их невысокая ^лектрофильность. Особенно это характерно для винилогичных иминиевых солей, "образующихся при обработке винилогов амидов ангидридами и хлорангидридами минеральных и органических кислот.

Одним из сильнейших известных нуклеофугов является трифлатная группа, и закономерно было предположить, что трифлоксииминиевые соли могут являться более эффективными электрофилами, чем классические реагенты Вильсмеера. В настоящей работе исследовалось взаимодействие амидов а,р-непредельных кислот и винилогов амидов с трифторметансульфоновым ангидридом, а также возможность использования образующихся при этом иминиевых трифлатов в качестве бифункциональных электрофилов в реакциях с аренами и гетаренами.

Нами показано, что применение трифторметансульфонового ангидрида в качестве активирующего реагента позволяет существенно расширить синтетические возможности реакции Вильсмейера-Хаака и разработать новые эффективные методы синтеза рада ароматических и гетероароматических соединений, как ранее известных и широко использующихся в синтетической и медицинской химии, так и до сих пор не описанных.

2. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР Использование ангидрида трифторметансульфоновой кислоты

в органическом синтезе

Трифторметансульфоновый (трифлик) ангидрид (1) нашел чрезвычайно широкое применение в препаративной и синтетической органической химии, в первую очередь, как реагент, позволяющий в мягких условиях вводить в органические соединения трифлатную группу.1'2 Последняя является одной из лучших уходящих групп; пожалуй, только молекула азота N2 в солях диазония или Phi в солях фенилиодония3 являются более эффективными нуклеофугами, чем перфторалкансульфонатные группы.1 Известно, что скорость сольволиза 1-фенилэтилтрифлата примерно в З*103 раз больше, чем скорость сольволиза соответствующего тозилата.4 Кроме того, производные

трифторметансульфоновой кислоты (и сама кислота) термически более стабильны, чем производные ближайшего аналога - фторсульфоновой кислоты.

В работе5 были определены константы Гаммета для наиболее часто используемых сульфонатов, в том числе и для трифлатной группы. Как видно из величины oj, которая для трифлатной группы равна 0.84, OTf (0S02CF3) является одной из самых сильных электроноакцепторных групп, сравнимой с

N(CH3)3+.

Все эти факты обусловили широкое применение трифлатов в органической химии.

2.1. Взаимодействие трифторметансульфонового ангидрида с кислородсодержащими нуклеофилами

Основное направление синтетического использования

трифторметансульфонового ангидрида заключается во взаимодействии его с различными кислородсодержащими нуклеофилами - карбонильными соединениями, спиртами и фенолами, а также оксидами органических соединений фосфора, серы и иода. Ниже мы рассмотрим классы образующихся при этом соединений и их применение в препаративной органической химии.

2.1.1. Реакция трифторметансульфонового ангидрида с карбонильными

соединениями

2.1.1.1 Взаимодействие с кетонами. Синтез и синтетические превращения

винилтрифлатов

Химия винил- и арилтрифлатов в последние 10-15 лет является одной из самых интенсивно развивающихся областей органической химии. В первую очередь, это связано с открытием в середине восьмидесятых годов реакции кросс-сочетания винил- и арилтрифлатов с различными металлорганическими соединениями.2'6 Эта реакция протекает в мягких условиях, с хорошими выходами и высокой региоселективностью, что обусловило ее чрезвычайно широкое применение в органическом синтезе.

Взаимодействие кетонов с 1 в присутствии основания является наиболее

простым и удобным методом синтеза винилтрифлатов. Добавление основания

* •

необходимо для связывания выделяющейся в процессе реакции трифторметансульфоновой кислоты; максимальные выходы достигаются при использовании ненуклеофильного 2,6-ди(/-бутил)-4-метилпиридина, однако зачастую в качестве оснований используют более доступные1 триэтиламин, пиридин, лутидин и соду.1'2

ВЗ

М

Я2 О

ЯЗ^Н

л20, В:

ст т. яз

и + и

Н2 из № он

ГО. н Н ) ( СГП Н2 ст

-нсггс

В: = пиридин, Е13М, Ыа2С03

Возможно два различных механизма образования винилтрифлатов из кетонов и трифторметансульфонового ангидрида.1 Согласно первому из них, 1 реагирует с енольной формой кетона, сульфонилируя ее по ОН-группе. Другой возможный вариант - взаимодействие 1 с кетонной формой, ведущее к образованию трифлоксикарбениевого иона, который в дальнейшем теряет протон и превращается в винилтрифлат. Вероятно, при реакциях с различными карбонильными соединениями реализуется один либо другой из двух

возможных механизмов.

I

л20

Т1 Н2

-н4

_ПгО

чнотГ

11

Я2

Существующая в случае второго механизма вероятность того, что карбокатион прореагирует с нуклеофилом - трифлат-анионом - крайне мала по причине чрезвычайно низкой нуклеофильности последнего. В литературе описаны буквально единичные примеры образования бистрифлатов при

1

реакциях трифторметансульфонового ангидрида с карбонильными соединениями.

Имеется большое количество работ, посвященных сольволизу винилтрифлатов.7"15 Было показано, что в большинстве случаев сольволиз винилтрифлатов, вне зависимости от полярности и нуклеофильности растворителя, протекает через стадию образования винилкатиона1 и абсолютно не проявляет - характера.1

К" н * - •

В работах9'16 изучался сольволиз диенилтрифлатов и диенинилтрифлатов; было показано, что сопряженные диенилтрифлаты взаимодействуют с

нуклеофилами значительно быстрее, чем изолированные, вероятно, вследствие

«

стабилизации промежуточно образующихся винилкатионов аллильной двойной связью.9

уК

И2

Показано, что при сольволизе диенинилтрифлатов 2 интермедиатом является арил-катион, образующийся в результате внутримолекулярного алкилирования тройной связи:16

СР3СН2ОН №2СОз

2

Я = Н, Ме, 81Ме3

[У- Я4 =(

>=/ Из _ П2

Винилтрифлаты 4 и 5 взаимодействуют с нуклеофилами в более жестких условиях (нагревание в ампуле до 160 °С), причем реакция протекает не через стадию образования винилкатиона, а через разрыв связи 8-0.12>15

лт

Ми:

0-?-СРз

сг

В присутствии ненуклеофильных оснований винилтрифлат 6 вступает в реакцию [2+1] циклоприсоединения с алкенами с образованием соответствующих винилциклопропанов 7.17 Интересно, что в присутствии солей серебра происходит не [2+1], а [2+2] присоединение, ведущее к циклобутенам 8:

[2+1]

Аг

Аг, ТЮ'

н — А'Н

о

ОМе

80 %

АдВР4 [2+2]

х>

79 %

Интересным примером синтетического использования винилтрифлатов является разработанный авторами18 метод получения ш/?е/я-бутил ацетилена (23), исходя из легкодоступного пинаколина. Последний действием трифторметансульфонового ангидрида в пиридине переводился в трифлат 22, легко отщепляющий трифторметансульфоновую кислоту с образованием

целевого продукта.

Tf20, Py 40 %

Py, А 90 %

•H

22

23

Показано,1 что полученные из альдегидов винилтрифлаты под действием /ярет-бутилата калия превращаются в этилиденкарбены и могут использоваться для синтеза метиленциклопропанов19 и 2-индазолов:20

Нетерминальные алкинилвинилтрифлаты гладко получаются по реакции алкинонов и 1 в присутствии 2,6-ди(трет-бутил)-4-метилпиридина.21 Синтез 1-(этинил)винилтрифлатов II22 и 1-(бутадиинил)винилтрифлатов 1223 осуществлялся по реакции алкинов 9 и 10 с 1 в присутствии ненуклеофильного основания и последующим снятием триметилсилильной группы фторидом калия в метаноле:

R1, R2 = Н, Alk, Ph

При обработке сопряженных трифлатов 11 и 12 mpew-бутилатом калия образуются крайне нестабильные кумуленовые карбены 13 и 14, обработка которых циклогексеном приводит соответственно к радиаленам 15 и циклинам 16:1>24

R1

п-Н

п=1 9 п=2 10

11 12

КО

-г

я

о

(С£=С)п-Н

г-виок

тго

\-(С=С)п-1-С=С"

11,12

-ТЮ"

Л

)=(С=С)п=С:

я

13,14

п = 2 = Ме

16а

16Ь

Интересно, что ароматические диазокетоны при обработке трифторметансульфоновым ангидридом дают смесь Е- и I-виниленбистрифлатов 17, причем в смеси доминирует 2-изомер.25 Согласно предложенному авторами механизму,25 трифлат-анион в данной реакции выступает в необычной для себя роли нуклеофила:

О' РЬ

ТГО ОТ! 17а 33-83 %

ТЮ РЬ 17Ь 3-9.5 %

И = Н, С1, ОМе

При взаимодействии трифторметансульфонового ангидрида с о- или п-хиноидными диазокетонами 18 образуются не бистрифлаты, а соответствующие о- или я-(трифлокси)арилдиазониевые соли 19.26 Такое протекание реакции объясняется тем, что ароматические диазониевые соли более стабильны и не взаимодействуют со слабо нуклеофильным трифлат-анионом.26 *

ст

83-87 %

18а,Ь

X = СН, N

V

N2 18с

ОТ!

п? у1

ТЮ" й2+ 19с

1

33-57 %

18с1,е

У = N4, Б

1М,е

При гидролизе соединений 19 образуются гидроксидиазониевые соли 20, а взаимодействие с реакционноспособными ароматическими соединениями приводит к содержащим трифлатную группу азокрасителям 21.26

СкХх!

V

ОТГ N2 20

ЫМе2 ОМе

Циклизация кетонов с нитрилами в присутствии 1 представляет собой весьма удобный метод синтеза полизамещенных и конденсированных пиримидинов 25.27"29 Данная реакция предположительно протекает через стадию образования трифлоксикатиона 24, который электрофильно атакует молекулу

нитрила по атому азота:

-27

*

Tf20

ат

ТЮ" 24

В2

14 ВЗ-СЫ

TfO"

из—сы

ТЮ"

-тюн

Лк ^ВЗ

У

TfO"

ж

В1 = А1к, РИ; И2 = н, А1к, РИ В1 + В2 = (сн2)п, п=3-5 Вз = А1к, РИ

ВЗ

25 70-92 %

Взаимодействие а-галогенкетонов с нитрилами и

трифторметансульфоновым ангидридом с хорошими выходами ведет к 5-галогенпиримидинам 26 и а-галогеналкил пиримидинам 27,28

В1

РЯ = н

В2

55-91 %

1, ЯЗ-СЫ

СН2С12

В1+ В2 = (СН2)4

N

V I

ИЗ" ^тд-^Вз 26

В1, ВЗ = Ме, РЬ X = С1, Вг, I

50 %

X = С1, вз = Ме

27

Интересные в биологическом плане пирролил- и дигидропирроло пиримидины 28 и 29 могут бьггь получены соответственно из аце^тилпирролов и пирролидонов при обработке их акрилонитрилом в присутствии I:29

О3^

1, МеСЦ

N 18-45 %

+8

Оч

1, МеСМ У г° 34-35 % ^ ^ Тз Те

29

В качестве внешних нуклеофилов в данной реакции можно использовать не только нитрилы, но и алкилтиоцианаты.29 Образующиеся при этом

бис(метилтио)пиримидины 30 легко превращаются в любые 2,6-дизамещенные пиримидины через стадию окисления метилтио - групп до метилсульфонильных.29

о^оон

т^^ЗМе А ПК^Л£02Ме

V МеЗОЧ, ТШ у II ЧАС1 Т Ц

40-80 %1

¿Ме ¿02Ме

ГО, К2 = А1к, РИ

30 ' Ыи

№ = он, т2, сы

гои

Г .

N

Ки. 64-90 %

Было показано,30 что трифлатная группа в винил- и арилтрифлатах способна выступать в роли окислителя в реакции с диэтилфосфитом калия. Предложенный механизм данной реакции включает атаку нуклеофила (фосфит-аниона) по атому серы и элиминирование енолят (фенолят)-аниона с образованием СРз802Р0(0Е1:)2 - мощного фосфорилирующего агента, который затем взаимодействует с алкоголят-анионом: •

Я-оД-СРз + "Р(ОВ)2 —-г-?- (ЕЮ)2Р-5-СРЗ & 0=Р(0Е1)2 "НО ' &

Я = Аг' СЬ п-о-р(оа)2

67-91 % о

Высокая нуклеофугность трифлатной группы использовалась при модификации р-лактамов 31, которые через стадию образования винилтрифлатов превращались в потенциальные антибиотики - пиридиниевые соли 32 и сульфоны ЗЗЛ31

о

V* У X | ^ Т^о, В: V« 'Х1

СОгИг С02П2

31

X = сн2) в

Н^ Н х

Я202(

V«1

м н

НБОгИЗ Н-м

ТЮ"

О

32

ЯЗ = А1к, Аг

33

И, наконец, восстановление винилтрифлатов водородом32 или трибутилоловогидридом33 представляет собой удобный способ превращения кетонов в алканы и алкены и используется в синтезе алкалоида пумилиотоксина С (35) и дигидропиррола 37:

ТЮ

Оч ССШ

1. т^о

б

С02Е1

34

35

2. ВизвпН/иС!, N

¿02Ме Р^(РРИз)4 ¿02Ме 70 %

36 37

2.1.1.2 Синтез бис(трифлатов) *

В тех случаях, когда трифторметансульфоновым ангидридом обрабатываются не енолизующиеся либо с трудом енолизующиеся кетоны, наблюдается образование гем-бис(трифлатов):1'34 ;

ТЮ. Я""

Ж

¿1

Tf20 Ыа2С03

¿Ь

48 %

При обработке камфоры трифторметансульфоновым ангидридом в отсутствие основания образуется равновесная смесь бистрифлата 38 и продуктов каркасных перегруппировок 39 и 40.35 Все три бистрифлата оказываются

нестабильными и при обработке водой мгновенно гидролизуются с образованием алкилтрифлатов 41 и 42. При проведении реакции в присутствии основания сразу образуются 41 и 42,35 причем их соотношение сильно зависит от природы основания и колеблется 41:42 = от 18:1 до 1:5 (с общим выходом 84-95 %).

Т!20 В:*

+

Л

Т!20

41

ОТ! 42

В:

^/т

ОТ! 38

•ОТ!

I ОТ! 39

I ОТ!

40

Взаимодействие 1 с камфенилоном