Окислительное присоединение трифторметансульфонамида к алкенам и диенам тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.03 ВАК РФ

На правах рукописи

АСТАХОВА Вера Владимировна

ОКИСЛИТЕЛЬНОЕ ПРИСОЕДИНЕНИЕ ТРИФТОРМЕТАНСУЛЬФОНАМИДА К АЛКЕНАМ И ДИЕНАМ

Специальность 02.00.03 - органическая химия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата химических наук

31 ИЮЛ 2014

Иркутск - 2014

005550921

005550921

Работа выполнена

в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Иркутском институте химии им. А.Е. Фаворского Сибирского отделения РАН

\

Научный руководитель доктор химических наук, профессор

Шаинян Баграт Арменович

Официальные оппоненты: доктор химических наук, профессор

Штейнгарц Виталий Давидович, заведующий лабораторией изучения нуклеофильных и ион-радикальных реакций ФГБУН Новосибирского института органической химии им. H.H. Ворожцова СО РАН

доктор химических наук, профессор Кузнецов Михаил Анатольевич, заведующий кафедрой органической химии химического факультета ФГБОУ ВПО Санкт-Петербургского государственного университета

Ведущая организация ФГБОУ ВПО Иркутский государственный

университет, химический факультет

Защита состоится 14 октября 2014 года в 9 часов на заседании диссертационного совета Д 003.052.01 на базе Иркутского института химии им. А.Е. Фаворского СО РАН по адресу: 664033, Иркутск, ул. Фаворского, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Иркутского института химии им. А.Е. Фаворского СО РАН (ИрИХ СО РАН) и на сайте http://www.irkinstchem.ru.

Автореферат разослан 21 июля 2014 г.

Учёный секретарь диссертационного совета д.х.н.

Тимохина Людмила Владимировна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время химия фторорганических соединений является одной из наиболее бурно развивающихся областей органической химии. Это развитие связано с тем, что введение атомов фтора в молекулы органических соединений придаёт им новые, порой уникальные, свойства. Они находят применение практически во всех областях техники и народного хозяйства. На их основе получены новые материалы с уникальными свойствами: пластмассы (тефлон), смазочные масла, термостойкие каучуки (фторкаучук), покрытия, пламягасящие вещества, ПАВы, материалы для электрического оборудования, нетоксичные хладоагенты (фреоны), инсектициды, фунгициды. Всё более широкое применение фторорганические соединения находят в медицине: лекарственные препараты и средства для наркоза, материалы для изготовления искусственных кровеносных сосудов, клапанов для сердца, заменители крови.

Гетероциклические фторорганические соединения составляют существенную долю среди применяемых пестицидов и лекарственных веществ. Введение атомов фтора может значительно усилить биоактивность соединений, поэтому число новых фторсодержащих гетероциклов постоянно растет. Например, введение трифторметильной группы сообщает молекуле липофильность, что способствует усвоению биологически активных веществ организмом и ускоряет их миграцию через биомембраны.

Для синтеза азотсодержащих гетероциклических соединений используются различные алкан- и аренсульфонамиды. В литературе практически ничего неизвестно о получении азотистых гетероциклов с участием перфторалкансульфонамидов. Используемый в нашей работе реагент - трифторметансульфонамид (трифламид) - является простейшим представителем этого ряда. Связь C-F чрезвычайно прочная, и поэтому большинство органических фторсодержащих соединений (в частности, различные сульфонамиды) обычно отличаются низкой реакционной способностью. Это относится и к трифламиду. В работе для повышения его реакционной способности применялась окислительная система (i-BuOCl+Nal).

Производные трифламида находят широкое применение как лиганды при асимметрическом синтезе, электрофилы в различных реакциях, электролиты, кислоты Льюиса, фунгициды, инсектициды, лекарства от эпилепсии и болезни глаз.

Данная работа включает синтез ряда линейных и гетероциклических iV-замещённых производных трифламида, исследование их строения, свойств и реакционной способности. Работа выполнена в лаборатории фторорганических соединений ФГБУН Иркутского института химии им. А. Е. Фаворского СО РАН в соответствии с планом НИР (per. № 01201281994) и при финансовой поддержке РФФИ (10-03-00110, ННИО 11-03-91334, 12-03-31295, 13-03-00055).

Цель работы: изучение и развитие методов синтеза азотсодержащих линейных аддуктов и А'-замещённых гетероциклов на основе реакций присоединения трифламида к непредельным циклическим и ациклическим

субстратам в окислительных условиях, а также исследование строения, свойств и реакционной способности синтезированных соединений.

В связи с поставленной целью решались следующие задачи:

• изучение взаимодействия трифламида с винилциклогексаном и я-хлорстиролом в окислительной системе /-ВиОС1-Ма1-МеСЫ;

• исследование взаимодействия трифламида с циклоалкадиенами, линейными диенами и аналогами диенов, содержащих гетероатом, в окислительной системе /-ВиОС1-Ыа1-МеС1Ч;

• выявление особенностей реакций присоединения других сульфонамидов (толуолсульфонамида, бензолсульфонамида, метансульфонамида) к линейным 1,5- и 1,3-диенам по сравнению с трифламидом в окислительной системе /-ВиОС1-Ма1-МеСМ.

Научная новизна и практическая значимость.

• Проведено систематическое исследование реакций присоединения трифламида к различным циклическим диенам. Продемонстрирована возможность формирования Лг-аллилсульфонамидной группы.

• Обнаружен редкий случай сужения восьмичленного цикла до семичленного при окислительном трифламидировании 1,3-циклооктадиена и получен первый трифламидозамещённый циклогептен.

• Показано, что реакция трифламида с дивинилсульфоксидом и дивинил-сульфоном приводит к продукту 1,5-гетероциклизации - 2,6-дииодо-4-[(трифторметил)сульфонил]тиоморфолин 1,1-диоксиду, а реакция с дифенилсульфидом - к продукту окисления по атому серы 8(11)—>8(1У), А'-(дифенил-Я,'-сульфанилиден)трифторметансульфонамиду.

• Показано, что в реакции присоединения трифламида, толуолсульфонамида и бензолсульфонамида к 1,5-гексадиену образуются цис- и транс-изомеры 2,5-бис(иодметил)- 1-(органилсульфонил)пирролидина. Кроме того, в реакции трифламида с 1,5-гексадиеном образуется 3,8-бис(трифторметилсульфонил)-3,8-диазабицикло[3.2.1]октан. Это первый пример сборки 3,8-диазабицикло[3.2.1]октановых структур в одну препаративную стадию.

• Впервые в одну препаративную стадию по реакции трифламида с 2,3-диметил-1,3-бутадиеном и 2,5-диметил-2,4-гексадиеном получены соединения, содержащие в молекуле пирролидиновый и азиридиновый циклы, сочлененные по одинарной связи С^-С^г исходного алкена в 3,6-диазабицикло[3.1.0]гексановый фрагмент.

Личный вклад автора. Автором выполнена вся экспериментальная работа по синтезу новых соединений, установлению строения и изучению их реакционной способности, а также подготовке образцов для физико-химических исследований. Автор принимал непосредственное участие в планировании эксперимента, расшифровке спектров ЯМР и обсуждении структурных и спектральных данных, интерпретации полученных результатов,

поиске литературы, формулировке выводов и подготовке публикаций по теме диссертационной работы.

Апробация работы и публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 7 статей в международных и ведущих отечественных журналах и тезисы 5 докладов на всероссийских и международных конференциях: IX-ой Всероссийской конференции «Химия фтора», г. Москва (2012), XIV-ом Европейском симпозиуме по реакционной способности органических соединений, г. Прага (2013), Международной конференции «XVI-ая молодёжная школа-конференция по органической химии», г. Пятигорск (2013), Ш-ей Международной научной конференции «Новые направления в химии гетероциклических соединений», г. Пятигорск (2013).

Объём и структура работы. Диссертация изложена на 159 страницах машинописного текста, включая 18 рисунков и 9 таблиц, и состоит из следующих разделов: введение, литературный обзор, обсуждение результатов собственных исследований, экспериментальная часть, выводы и список литературы из 251 наименования.

Первая глава (литературный обзор) посвящена реакциям jV-нуклеофилов с алкенами и диенами в различных окислительных и каталитических условиях. Во второй главе изложены результаты собственных исследований автора. Третья глава включает методики синтезов, разработанные в ходе настоящего исследования, и детали физико-химического анализа.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Из литературы известно, что формирование вторичной и третичной ЛГ-аллилсульфонамидной группы требует предварительной функционализации сульфонамида или диена и использование дорогостоящих катализаторов.

С целью развития альтернативных способов синтеза jV-аллилсуль-фонамидов, ТУ-сульфонилазиридинов и других гетероциклов, в своей работе мы использовали наиболее простую окислительную систему - (í-BuOCl+Nal).

1. Взаимодействие трифторметансульфонамида с винилциклогексаном и н-хлорстиролом в системе í-BuOCl-Nal-MeCN

Ранее в нашей лаборатории было показано, что при взаимодействии трифламида (I) со стиролом (II) в зависимости от условий реакции образуется один из двух изомерных пиперазинов: 2,5-дифенил-1,4-бис(трифторметил-сульфонил)пиперазин (III) при использовании дигидрата Nal1 и 2,6-дифенил-1,4-бис(трифторметилсульфонил)пиперазин (IV) при использовании безводного Nal2. Кроме этих гетероциклов, образуются линейные продукты окислительного присоединения, TfNHCH(Ph)CH2NHTf и HOCH(Ph)CH2I, где Tf = CF3S02.

1 Shainyan В.А., Moskalik M.Y., Starke I., Schilde U. // Tetrahedron. - 2010. - V. 66. - N. 43. -P. 8383-8386.

2 Москалик М.Ю., Шаинян Б.А. // ЖОрХ. - 2011. - Т. 47. 4. - С. 565-568.

С целью изучения влияния сопряжения двойной связи с заместителем и электронных эффектов заместителя в бензольном кольце на протекание данной реакции, мы исследовали взаимодействие трифламида (I) с винилциклогексаном (V) и л-хлорстиролом (VI).

Реакция трифламида (I) с винилциклогексаном (V) проводилась при комнатной температуре и при охлаждении до -10°С. Во всех случаях образуется два продукта, идентифицированные как

2,6-дициклогексил-1,4-бис(трифторметилсульфонил)пиперазин (VII) и 2-иод-1-циклогексилэтанол (VIII) (схема 1).

Схема 1

п I

с-Нсх\ ,с-Нех

+ TfNH2

>-BuOC1, Nal

MeCN, -10°C, 24 ч ^

I N

V

Tf НО

C1

Tf = CF3S02 VII (4%) VIII (8%)

В отличие от реакции с винилциклогексаном (V), взаимодействие л-хлорстирола (VI) с трифламидом (I) в системе (f-BuOCl+Nal) в ацетонитриле приводит к образованию линейных продуктов окислительного присоединения, NJf'-( 1 -(л-хлорфенил)этан-1,2-диил)бис(трифторметансульфонамида) (IX) и 2-иоД-1-(л-хлорфенил)этанола (X). Неожиданно, в отличие от ранее изученной реакции со стиролом (II), производные пиперазина в реакции с л-хлорстиролом (VI) не обнаружены (схема 2).

Схема 2 cu

, л í-BuOCl, Nal

+ Т1Ш2 ---

j 2 MeCN, -10°C, 24 ч

NHTf HC>

X(5%)

В реакции со стиролом (II) соотношение диаддукта и иодоспирта, аналогичных соединениям (IX) и (X), составляло 5:2; уменьшение доли диаддукта (IX) в реакции с л-хлорстиролом (VI) согласуется с предположением об анхимерном содействии арильной группы, т.к. для л-хлорфенильной группы этот эффект слабее, чем для фенильной. Отсутствие продуктов гетероциклизации можно объяснить тем, что понижение электронной плотности винильной группы при R = л-С1С6Н4 по сравнению с R = Ph делает электрофильное иодоамидирование второй молекулы алкена промежуточным TfN(I)CH(R)CH2I менее вероятным.

2. Взаимодействие трифторметансульфонамида с циклоалкадиенами в системе Г-ВиОС^а1-МеС1\

Взаимодействие трифламида (I) с диенами до настоящей работы было ограничено единственной публикацией нашей лаборатории по реакции с 1,5-циклооктадиеном, приводящей к образованию 9-гетеробицикло[4.2.1]нонанов3. В связи с этим, мы изучили взаимодействие трифламида (I) с рядом диенов циклического строения: циклопентадиеном (XI), 1,3-циклогексадиеном (XII), 1,4-циклогекса-диеном (XIII), 1,3,5-циклогептатриеном (XIV) и 1,3-циклооктадиеном (XV).

Взаимодействие трифламида (I) с циклопентадиеном (XI) идёт с образованием Лг-(5-иодоциклопент-2-енил)трифламида (XVI) - продукта региоселективного присоединения промежуточного Л'-иодтрифламида (СР3302МН1) к одной двойной связи диена. Окончательно структура продукта доказана методом РСА (рис. I)4 (схема 3).

Схема 3

ГЛ + Т£Ш2-'-ВиОС1,№1-► / |

I МеСЫ, -10°С, 12 ч V—

XI ^

XVI (33%)

Наблюдаемая региоселектив-ность присоединения предполагаемого интермедиата СРзВС^ИШ к циклопентадиену (XI) согласуется с тем фактом, что ВЗМО циклопентадиена локализована в основном на С1 и С4 атомах5.

Рис. 1. Структура соединения (XVI).

Реакция трифламида (I) с сопряжённым 1,3-циклогексадиеном (ХП) идёт также региоселективно, но с гораздо лучшим выходом. Выделенный транс-Я,№-циклогекс-3-ен-1,2-диил-бис( 1,1,1 -трифторметансульфонамид) (XVII) по составу отвечает продукту окислительного 1,2-присоединения двух трифламидных остатков к молекуле 1,3-циклогексадиена (XII). Окончательно структура продукта доказана методом РСА4 (схема 4).

3 Москалик М.Ю., Шаинян Б.А., Schilde U. // ЖОрХ. - 2011. - Т. 47. -№ 9. - С. 1255-1260

4 РСА выполнен д.х.н., проф. U. Schilde (Университет г. Потсдам, Германия)

5 Chou S.-S.P., Chen P.-W. // Tetrahedron. - 2008. - V. 64. - N. 8. - P. 1879-1887.

Схема 4

О

XII

+ TÍNH; I

'2

MeCN, -10°С, 24 ч

<-BuOCl, Nal

TfNI. ......

XVII (60%) XVin (11)%

он

Необычной структурной особенностью молекулы (XVII) является очень короткая связь С=С, 1.227 А, находящаяся в области длин связей С=С. В базе данных ССБС удалось найти лишь несколько подобных примеров, но и среди них связь С=С в (XVII) является самой короткой. Причины этого не ясны.

Рис. 2. Структура соединения (XVII). Двойным связям.

По элементному составу продукт (XIX) отвечает формуле СзНюОРбШгС^г и может представлять собой ЛуУ'-(4-хлор-5-иодциклогексан-1,2-диил)бис(1,1,1-трифторметансульфонамид) (Х1Ха) или один из его позиционных изомеров (Х1Х6) или (Х1Хв), представленных ниже.

Для выбора между структурами (XlXa), (XIX6) и (Х1Хв) мы попытались заместить атом хлора в соединении (XIX) на атом иода по реакции с Nal с целью получить продукт замещения с двумя идентичными [из (XlXa) и (XIX6)] или различными [из (Х1Хв)] группами СН2 и на основании анализа спектров ЯМР ^ограничить число возможных структур. Реакция (XIX) с избытком Nal в ацетоне идёт гладко, но неожиданно в качестве единственного продукта с высоким выходом (92%) образуется продукт (XX), не содержащий атомов галогена, но, по данным ЯМР спектроскопии, содержащий симметрично замещённую -СН=СН- группу. Окончательно структура этого продукта была

Иначе идёт взаимодействие трифламида (I) с несопряжённым изомером соединения (XII) -1,4-циклогексадиеном (XIII). В этом случае образуется продукт (XIX), не содержащий, по данным ЯМР 'Н и |3С, винильной группы, что свидетельствует о присоединении трифламида (I) по обеим

XlXa

XIX6

Х1Хв

установлена методом рентгеноструктурного анализа (рис. З)6 (схема 5).

Схема 5

"XX

NHTf (СН3)2СО, Nal, Н20 23°С, 30 мин.

-I2, -NaOH

NHTf

XI

NHTf

NHTf

NaOH

-NaCl, -H20

а

NHTf

NHTf

XIX6

XX (92%)

Таким образом, реакция трифламида (I) с несопряженным 1,4-циклогексадиеном (XIII) протекает с образованием А^//-(4-хлор-5-иод-циклогексан-1,2-диил)бис(1,1,1-трифторметансульфонамида) (XIX6) (схема 6).

Схемаб

Q + TfNH, "BuOCI.Nal '^Pf'"" .«" U^JJ , MeCN, -10°C, 24 ч

XIII

IlTf xixe (894)

Рис. 3. Структура соединения (XX).

Возможный механизм образования продукта (Х1Х6), имеющего как вицинальные трифламидные остатки, так и вицинальные атомы галогенов, приведён на схеме 7.

Схема 7

NHTf

С1

I NHTf

<-BuOI - Г-BuO"

^-/Л t-BuO", 2TfNHNa г ^--J [ICI], J-\J

^-r -/-BuONa, -Nal ^-f Г4-Г

NHTf

1 NHTf X1X6

Несмотря на то, что 1,3,5-циклогептатриен (XIV) способен выступать в качестве диена во многих реакциях, в использованной окислительной системе (<-ВиОС1+№1) он не реагирует с трифламидом (I), а окисляется до бензальдегида. Очевидно, за счёт ароматизации при сужении цикла, окисление соединения (XIV) идёт легче, чем образование молекулы //-иодтрифламида.

1,3-Циклооктадиен (XV) не взаимодействует с трифламидом (I) при комнатной температуре, в отличие от реакции трифламида (I) с

1.5-циклооктадиеном, который претерпевает гетероциклизацию за счёт

1.6-циклоприсоединения7. Однако при проведении этой реакции при -30°С мы неожиданно получили продукт сужения цикла, уУ-(3-формилциклогепт-2-ен--1-ил)трифламид (XXI) (схема 8).

6 РСА выполнен д.х.н., проф. U. Schilde (Университет г. Потсдам, Германия)

7 Москалик М.Ю., Шаинян Б.А., Schilde U. // ЖОрХ. - 2011. - Т. 47. - № 9. - С. 1255-1260.

+ ттн2 ■

I

Схема 8 г-ВиОС1, Ка!

МеСЫ, -30°С, 24 ч

XV

TfNH

XXI (57%)

Предполагаемый механизм образования семичленного циклического альдегида (XXI) представлен на схеме 9.

Схема 9

Г*

г-итт

-ТШН

сно-

а

ттн

сно

-Н1

сно

ТШН

XXI

В соединении (XXI) имеется сильный кислотный центр ГШ и несколько основных центров (8=0, С=С, С=0), поэтому оно было исследовано методами ИК-спектроскопии и квантовой химии8.

Таким образом, нами обнаружен редкий случай сужения восьмичленного цикла до семичленного при окислительном трифламидировании 1,3-циклооктадиена (XV) и получен первый трифламидозамещённый циклогептен.

3. Взаимодействие трифламида с аналогами диенов, содержащих гетероатом, в системе í-BuOCl-NaI-MeCN

Для сравнения с ранее рассмотренными диенами и для оценки влияния природы гетероатома в молекуле диена на направление реакции, мы исследовали поведение трифламида (I) в реакциях с различными серосодержащими непредельными субстратами. До наших исследований сведения о присоединении в окислительных условиях различных сульфонамидов к диенам, содержащим гетероатомы, отсутствовали.

В молекуле диаллилсульфида (XXII) имеется три реакционных центра, по которым может осуществляться электрофильная атака: две я-связи С=С и атом 8(11). Так, единственным продуктом, образующимся с хорошим выходом, является продукт окислительного присоединения двух трифламидных остатков

8 Стерхова И.В., Москалик М.Ю., Шаинян Б.А. // ЖОрХ. - 2014. - Т. 50. - № 3. - С. 349-352.

и

по атому серы с образованием двух новых а$_м связей - ЛгД'-(дипроп-2-ен-1-ил-А*-сульфандиил)бис(1,1,1-трифторметансульфонамид) (XXIII). Двойные связи С=С диаллилсульфида (XXII) при этом не затрагиваются (схема 10).

Схема 10

Г-ВиОС1, №1

ТПМН

МеСЫ, -10°С, б ч

ТШН

XXII

XXIII (65%)

Для понимания причин наблюдаемого направления реакции был выполнен квантовохимический расчёт молекулы диаллилсульфида на уровне ВЭЬУР/6-31Ю** с полной оптимизацией геометрии и анализа структуры граничных орбиталей (расчёты проведены д.х.н., проф. Шаиняном Б.А.). Оказалось, что верхняя заполненная молекулярная орбиталь молекулы диаллилсульфида (XXII) менее чем на 2% локализована на всех четырёх олефиновых атомах углерода, и более чем на 55% - на атоме серы. Полученный результат объясняет протекание электрофильной реакции окисления по атому серы без затрагивания двойных связей С=С.

Данных об аналогах продукта (XXIII) ациклического строения обнаружить не удалось, поэтому он может рассматриваться как первый представитель ациклических Я^-сульфанов.

Мы нашли, что реакция дивинилсульфона (XXIV) с трифламидом (I) в окислительных условиях приводит к продукту гетероциклизации - 2,6-дииодо-4-(трифторметилсульфонил)тиоморфолин 1,1-диоксиду (XXV) (схема 11).

О^_ + ТАЧН2

XXIV

Схема 11

г-ВиОС1, Ыа!

МеШ,-Ю°С, 24 ч

> :5>

л

N—ТГ

/

XXV (38%)

В реакции трифламида (I) с дивинилсульфоксидом (XXVI) также образуется гетероциклический продукт (XXV), очевидно в результате окисления дивинилсульфоксида (XXVI) до дивинилсульфона (XXIV) в системе 0-ВиОСШ"1а1) (схема 12).

Схема 12

1Ч

о=з.

/-ВиОС1, Иа! 1 МеСЙ

+ ТШН2

<-РиОС1, Ка!

МсСЫ, -10°С, 24 ч 1

0,3.

N—ТГ

XXV (30%)

Тщательный анализ продуктов реакции методом колоночной хроматографии позволил получить фракцию, содержащую как продукт (XXV), так и продукт циклизации дивинилсульфоксида (XXVII), о чём свидетельствует наличие двух наборов сигналов фрагментов СНСН2 в спектре ЯМР *Н (рис. 4).

,502СР3

¡| Iх (XXV) ° / (XXVII)

о

Рис. 4. Продукты гетероциклизации дивинилсульфона (XXIV) и дивинилсульфоксида (XXVI).

Реакция трифламида (I) с дивинилсульфидом (XXVIII) в системе (¿-ВиОС1+Ыа1) идёт с очень сильным осмолением реакционной смеси, из которой удалось выделить лишь исходный трифламид (I).

В реакции с дифенилсульфидом (XXIX), как и в реакции с диаллилсульфидом (XXII), трифламид (I) даёт продукт окисления по атому серы, но в данном случае сульфиминного строения -Аг-(дифенил-Я''-сульфанилиден)трифторметансульфонамид (XXX) (схема 13).

Схема 13

РЪ

РЬ2з + ттн2 г-ВиОС1'КаГ .

XXIX I МеСЫ, -10°С, 24 ч ^

XXX (34%)

Провести окислительное трифламидирование диаллилового (XXXI) и аллилвинилового (XXXII) эфиров в аналогичных условиях не удалось - в обоих случаях происходит сильное осмоление реакционной массы. Отсутствие продуктов трифламидирования в реакциях с дивинилсульфидом (XXVIII), диаллиловым (XXXI) и аллилвиниловым (XXXII) эфирами, по-видимому, обусловлено более лёгким окислением этих субстратов по сравнению с трифламидом благодаря наличию более электрононасыщенной двойной связи.

4. Взаимодействие трифторметансульфонамида и аренсульфонамидов с линейными диенами в системе ^-BuOCl-NaI-MeCN

В продолжение исследования окислительного трифламидирования алкенов и диенов мы изучили взаимодействие трифторметансульфонамида (I) с различными линейными диенами сопряжённого и несопряжённого строения, а именно, с 1,5-гексадиеном (XXXIII), 2,3-диметил-1,3-бутадиеном (XXXIV) и 2,5-диметил-2,4-гексадиеном (XXXV). С целью изучения влияния заместителей в молекулах субстратов и реагентов на направление реакции были проведены реакции и с другими сульфонамидами, такими как толуолсульфонамид (XXXVI), бензолсульфонамид (XXXVII) и метансульфонамид (XXXVIII).

Взаимодействие трифламида с 1,5-гексадиеном (XXXIII) в ацетонитриле при охлаждении в присутствии окислительной системы (Г-ВиОС1+№1) приводит к двум продуктам реакции с общим выходом 91%: 2,5-бис(иодометил)-1-(трифторметилсульфонил)пирролидину (XXXIX) и 3,8-бис(трифторметилсульфонил)-3,8-диазабицикло[3.2.1]октану (ХЬ)

(схема 14).

Схема 14

XXXIX (54%) XL (37%)

Синтез соединения (ХЬ) является первым примером однореакторной сборки 3,8-диазабицикло[3.2.1]октановых структур.

Предполагаемый механизм образования продукта бициклизации (ХЬ) представлен на схеме 15 и включает в себя два возможных пути: 2,5- (путь А) или 1,6-циклоприсоединение (путь Б) к 1,5-гексадиену на первой стадии реакции.

Схема 15

Образование (ХЬ) возможно только для ^мс-расположения иодметильных групп в соединении (XXXIX). Таким образом, структура этого соединения представляла особый интерес. Специальный эксперимент показал, что соединение (XXXIX) не реагирует с трифламидом (I) в используемой окислительной системе, а данные рентгеноструктурного анализа соединения (XXXIX) показали, что две иодметильные группы находятся в тиране-положении друг к другу относительно гетероциклического кольца (рис. 5)9. Это объясняет, почему пирролидин (XXXIX) не реагирует с трифламидом (I) с образованием бицикла (ХЬ). Строение бициклического продукта (ХЬ) также доказано методом РСА (рис. 6) .

9 РСА выполнен д.х.н., проф. U. Schilde (Университет г. Потсдам, Германия)

Рис. 5. Структура соединения (XXXIX).

Рис. 6. Структура соединения (ХЬ).

Реакции 1,5-гексадиена (ХХХШ) с толуолсульфонамидом (XXXVI) и бензолсульфонамидом (XXXVII) протекают иначе, чем с трифламидом (I). В обоих случаях были получены два продукта реакции: транс- и г/нс-изомеры 2,5-бис(иодометил)-1-(арилсульфонил)пирролидина (ХЫ), (ХЫ1) (схема 16).

Схема 16

(ХХХШ)

+ Аг802КН2 ■

(XXXVI),

(XXXVII)

/-ВиОС1, Ка! МсСЫ,-10°С, 24 ч'

Аг = /)-То1 (XXXVI, Х1Ла - 55%, ХШа - 26%); РЬ (XXXVII, Х1Л6 + ХЫ16 - 80%)

502Аг (ХЫ)

БОгАг (ХЬН)

Смесь тозильных диастереомеров (ХЫа) и (ХЬНа) была разделена методом колоночной хромато1рафии, а структура соединения (ХЫ1а) доказана методом рентгеноструктурного анализа (рис. 7)10. Следует отметить, что вследствие неплоского строения пирролидинового кольца, соединение (ХЫ1а) существует в кристалле в виде смеси энантиомеров. В растворе, в результате быстрого в шкале ЯМР равновесия, между приведенными ниже формами происходит колебательное усреднение сигналов цикла.

Смесь двух диастереомеров (XLI6) и (XLII6) по реакции 1,5-гексадиена (XXXIII) с бензолсульфонамидом (XXXVII) разделить не удалось, поэтому отнесение структур полученных пирролидинов было сделано на основе сходства их сигналов ЯМР 'Н с сигналами в спектре смеси диастереомеров тозильных аналогов (XLIa) и (XLIIa).

Бициклические продукты, аналоги соединения (XL), в реакциях с аренсульфонамидами (XXXVI) и (XXXVII) не образуются. Кроме того, ни изомер 2,5-бис(иодометил)-1-(тозил)пирролидин (XLIa), ни 2,5-бис(иодо-метил)-1 -(фенилсульфонил)пирролидин (XLI6) не реагируют с трифламидом (I) в используемых окислительных условиях.

Таким образом, даже небольшая разница в электроноакцепторной природе заместителя R в сульфонамиде (RS02NH2) может привести к принципиальным изменениям в его реакционной способности, в частности, различное направление протекания реакций сульфонамидов с алкенами в одной и той же окислительной системе. Предполагаемый механизм образования продуктов моно- и бициклизации приведён на схеме 17.

Схема 17

rso2nhi

[í-BuOCl]

ICII2-— ^СН2--ICH;

SO,R

NI

I

SO,R

СН2

ICH

,Лсн21 + ICH2».......O^

N

I

so2r rso2nh2 -HI

N

I

so2r

ch2i nhso2r

-HI

,SO,R

RSO

RSO,'

Метансульфонамид (XXXVIII) не реагирует с 1,5-гексадиеном (XXXIII). По-видимому, это является результатом менее электрофильного характера промежуточно образующегося А'-иодметансульфонамида, чем у соответствующих иодпроизводных сульфонамидов (XXXVI) и (XXXVII). Следует отметить, что алкансульфонамиды реже используются в качестве А^-сульфонамидирующих реагентов и обычно дают более низкие выходы, чем аренсульфонамиды. Отсутствие бициклических продуктов в реакциях с аренсульфонамидами (XXXVI, XXXVII) и инертность соединений (ХЫ) и (XL.II) по отношению к трифламиду (I) позволяют заключить, что реакция замещения атома иода очень чувствительна к заместителю К в сульфонильной группе 11802 в молекуле

бис(иодометил)-1-(органилсульфонил)пирролидина. Наконец, обнаруженная инертность /ирянс-Л'-трифлилпирролидина (XXXIX) к трифламиду (I) указывает на то, что последние две стадии на схеме 17, т.е. замещение атома иода и циклизация, как-то взаимосвязаны, в противном случае должны были получаться продукты моно- или дизамещения трифламидом (I) атома иода в соединении (XXXIX). Причины их отсутствия пока неясны.

Не менее интересные результаты были получены и при взаимодействии трифламида (I) с 2,3-диметил-1,3-бутадиеном (XXXTV) и 2,5-диметил-2,4-гексадиеном (XXXV) в присутствии окислительной системы (í-BuOCl+Nal). Нам удалось в одну препаративную стадию получить соединения, содержащие в молекуле пирролидиновый и азиридиновый циклы, сочленённые по одинарной связи Csp2-Csp2 исходного алкена в 3,6-диазабицикло[3.1.0]гексановый фрагмент.

Так, при охлаждении до -30°С взаимодействие трифламида (I) с 2,3-диметил-1,3-бутадиеном (XXXIV) протекает с образованием единственного продукта — 2,4-диметил-3,6-бис(трифторметилсульфонил)-3,6-диазибицикло-[3.1.0]гексана (XLHI) (схема 18).

Схема 18

vMe

А

^ Ме (XXXIV)

+ TfNH2 (I)

f-BuOCI, Nal MeCN, - 30°С, 5ч '

Tf—N

Me

"N—Tf

Me

(XLIII) 80%

При проведении этой реакции при комнатной температуре или при охлаждении до 0°С наблюдается лишь осмоление реакционной массы.

Строение продукта (ХЫП) подтверждено данными рентгеноструктурного анализа (рис. 8)". Взаимодействие трифламида (I) с 2,5-диметил-2,4-гексадиеном (XXXV) проводили как при комнатной температуре, так и при охлаждении до -30°С. При комнатной температуре, в отличие от реакции с близким структурным аналогом (XXXIV) (схема 18), фторсодержащие продукты не образуются, а был выделен единственный продукт, который по данным ЯМР спектроскопии *Н и 13С представляет собой 4-иод-2,2,5,5-тетраметил-

тетрагидрофуран-3-ол (ХЫЛО (схема 19). Рис. 8. Структура

соединения (ХЫП).

>

Схема 19

r-BuOCl, Nal MeCN, 0°C, 6 ч

(XXXV)

о

(XLIV) 83%

При проведении этой же реакции при -30°С был выделен 2,2,4,4-тетраметил-3,6-бис(трифторметилсульфонил)-3,6-диазабицикло[3.1.0]-гексан (ХЬУ), а также смесь диастереомеров 3-хлор-4-иод-2,2,5,5-тетраметил-1-(трифторметилсульфонил)пирролидина (ХЬУ!) (1:1) (схема 20).

Схема 20

■ TfNH2 ■ (I)

t-BuOCI, Nal MeCN, -30°C, 6 ч

■ Tf—N

(XXXV)

N—Tf + Tf—N

(XLV) 37%

(XLVI) 54%

На наличие в структуре бициклического продукта азиридинового фрагмента указывает величина константы 'Ус-н равная 186.1 Гц на атомах углерода метановой группы, что соответствует значениям 'УС-н в 170-190 Гц12, тогда как, например, сигналы атомов углерода СН-групп в пиперазинах -формальных димерах азиридинов — дают значение Jcл\ в 140-160 Гц1.

Окончательно строение продукта (ХЬУ) доказано методом РСА (рис. 9)13.

Интересно, что снижение температуры реакции до -40°С повышает выход соединения (ХЬУ) до 70% и резко уменьшает выход соединения (ХЬУ1), настолько, что последний не обнаруживается в реакционной смеси. Это позволяет предположить, что соединение (ХЬУ!) образуется в результате нуклеофильного раскрытия азиридинового кольца в соединении (ХЬУ) под действием галогенид-аниона С1~ или Г, присутствующих в Рис. 9. Структура соединения реакционной смеси (схема 21). (ХЬУ).

12 Fomi А., Moretti I., Mucci А., Prati F., Schenetti L. // Chem. Heterocycl. Compd. - 1995. -V.31.-N.9.-P. 1071-1078.

13 РСА выполнен д.х.н., проф. U. Schilde (Университет г. Потсдам, Германия)

1S

Схема 21

Tf—>

:N—Tf

СГ, I", 21Г

-TfNH2

Tf->

>C1

I

(XLV)

(XLVI - 3R,4S)

(XLVI - 3R,4R)

Такое специфическое поведение трифламида (I), которое отличается от поведения других сульфонамидов, в частности, в их реакциях с алкенами в окислительных условиях, побудило нас исследовать реакцию 2,3-диметил-1,3-бутадиена (XXXTV) с тозиламидом (XXXVI) и бензолсульфонамидом (XXXVII).

Оказалось, что направление взаимодействия диена (XXXIV) с сульфонамидами принципиально зависит от заместителя у атома серы в сульфонамиде. Реакции проводили как при комнатной температуре, так и при охлаждении реакционной смеси до -30 °С. Однако реакция с аренсульфонамидами не зависит от температуры и, в отличие от реакции трифламида (I) с (XXXIV), приводящей к образованию гетероцикла (XLIII), не приводит к продуктам гетероциклизации. Вместо этого, были выделены линейные продукты окислительного 1,4-присоединения: Лг,Л''-(2,3-диметилбут-2-ен-1,4-диил)-ди(4-метилфенил)сульфонамид (XLVII) и Л^,Л^-(2,3-диметипбут-2-ен-1,4-диил)-ди(фенилсульфонамид) (XLVIII) (схема 22).

(XXXIV)

Аг = р-Tol (XXXVI), XLVII - 79%; Ph (XXXVII), XLVni - 20%

На наличие симметрично замещённой двойной связи в молекулах (XLVII) и (XLVIII) указывает присутствие полосы при 1660 см"1 в спектре КР. Окончательно строение продукта (XLVIII) доказано методом РСА14 (рис. 9).

Схема 22

Рис. 9. Структура соединения (XLVIII).

Механизм реакции трифламида (I), тозиламида (XXXVI) и бензолсульфонамида (XXXVII) с 2,3-диметил-1,3-бута-диеном (XXXIV) должен быть схожим вплоть до определённой точки на поверхности потенциальной энергии, после чего реакция расходится на два пути - первый, ведущий к внутримолекулярной циклизации с образованием 3-пирролинов (с трифламидом) и второй, ведущий к линейным аддуктам (с аренсульфонамидами), как показано на схеме 23.

Схема 23

Ме

И=р-То1; РЬ

Ат502НИ

Ме

Ш502Аг

Я = СР,

К1, Я2, Я5, Я6 = Н; Я3, Я4 = Ме Я1, Я2, Я5, Я6 = Ме; Я3, Я4 = Н

I ЫБОгСИз

■ОС

Последующее азиридинирование 3-пирролинов приводит к 3,6-диазабицикло[3.1.0]гексану (схема 24).

Схема 24

,т02СР3 +Т1МН2

/-ВиОС1, N31

-г-ВиОН, -ЫаС1, -Н1

ВЫВОДЫ

1. В результате исследования взаимодействия трифламида с непредельными соединениями в окислительной системе (/-ВиОС1+Ыа1) продемонстрированы возможность реализации различных путей реакции и многообразие образующихся продуктов.

2. В реакции трифламида с винилциклогексаном образуется продукт гетеро-циклизации, 2,6-дициклогексил-1,4-(трифторметилсульфонил)пиперазин, а с я-хлорстиролом - диадцукт, ДГ-[и-хлорфенил-2-(трифторметилсульфо-нил)аминоэтил]трифламид. Для оценки влияния сопряжения и заместителя в бензольном кольце полученные результаты сопоставлены с таковыми для стирола.

3. Изучены реакции трифламида с диаллил-, дифенил- и дивинилсульфидами, дивинилсульфоксидом и дивинилсульфоном. С диаллилсульфидом идёт окислительное присоединение двух трифламидных остатков по атому серы с образованием Аг,Дг-(дипроп-2-ен-1-ил-Я''-сульфандиил)бис(трифламида), дифенилсульфид окисляется до Аг-(дифенил-Я''-сульфанилиден)трифламида, а дивинилсульфоксид и дивинилсульфон дают продукт 1,5-гетероциклиза-ции, 2,6-дииод-4-(трифторметилсульфонил)тиоморфолин 1,1-диоксид.

4. С циклопентадиеном и 1,3-циклогексадиеном трифламид реагирует регио- и стереоселективно, присоединяясь лишь к одной двойной связи и образуя Аг-(5-иодциклопент-2-ен-1-ил)трифламид и /иранс-Л^,Д'-циклогекс-З-ен-1,2-диилбис(трифламид), соответственно. С 1,4-циклогексадиеном идёт присоединение по обеим двойным связям с образованием А'',Аг'-(4-хлор-5-иодцикло-гексан-1,2-диил)бис(трифламида). 1,3,5-Циклогептатриен в этих условиях окисляется до бензальдегида и не реагирует с трифламидом.

5. Окислительное присоединение трифламида и аренсульфонамидов к

1.5-гексадиену приводит к изомерным 2,5-бис(иодметил)-1-(органилсульфонил)пирролидинам. В реакции с трифламидом, кроме этого, образуется 3,8-бис(трифторметилсульфонил)-3,8-диазабицикло[3.2.1]октан, что является первым примером сборки 3,8-диазабицикло[3.2.1]октановых структур в одну препаративную стадию.

6. Впервые в одну препаративную стадию осуществлена сборка

3.6-диазабицикло[3.1.0]гексанового каркаса по реакции трифламида с замещёнными 1,3-диенами и синтезированы производные 3,6-диазабицикло[3.1.0]гексана, содержащие в одной молекуле пирролидиновый и азиридиновый циклы, сочлененные по связи С-С. На примере реакции с 2,3-диметил-1,3-бутадиеном показано различие в поведении трифламида и аренсульфонамидов - двойная гетероциклизация в первом случае и окислительное 1,4-присоединение - во втором.

7. Обнаружен редкий случай сужения восьмичленного цикла до семичленного при окислительном трифламидировании 1,3-циклооктадиена и получен первый трифламидозамещённый циклогептен — Аг-(3-формилциклогепт-2-ен-1 -ил)трифламид.

Основные результаты диссертационной работы изложены в следующих

публикациях:

1. Шаинян, Б.А. Реакции окислительного присоединения трифторметансуль-фонамида к винилциклогексану и л-хлорстиролу / Б.А. Шаинян, М.Ю. Москалик, В.В. Астахова // ЖОрХ,- 2012,- Т. 48,- № 7,- С. 923-928.

2. Москалик, М.Ю. Окислительное присоединение трифторметансульфон-амида к циклоалкадиенам / М.Ю. Москалик, В.В. Астахова, Б.А. Шаинян // ЖОрХ,- 2012.— Т. 48,- № 12.-С. 1559-1564.

3. Москалик, М.Ю. Необычное взаимодействие трифторметансульфонамида с диаллилсульфидом / М.Ю. Москалик, В.В. Астахова, Б.А, Шаинян // ЖОрХ. - 2013.- Т. 49,- № 5,- С. 778-779.

4. Москалик, М.Ю. Взаимодействие трифторметансульфонамида с гетеродиенами в окислительных условиях / М.Ю. Москалик, В.В. Астахова, Б.А. Шаинян//ЖОрХ,-2013,- Т. 49.-№ 11.-С. 1592-1596.

5. Moskalik, M.Y. Oxidative addition of trifluoromethanesulfonamide to cycloalkadienes / M.Y. Moskalik, B.A. Shainyan, V.V. Astakhova, U. Schilde // Tetrahedron.- 2013.- V. 69,- N. 2,- P. 705-711.

6. Москалик, М.Ю. Окислительное трифламидирование 1,3-циклооктадиена. Перегруппировка с сужением цикла / М.Ю. Москалик, В.В. Астахова, И.А. Ушаков, Б.А. Шаинян // ЖОрХ.- 2014,- Т. 50,- № 3,- С. 453-454.

7. Shainyan, B.A. Novel Design of 3,8-Diazabicyclo[3.2.1]octane Framework in Oxidative Sulfonamidation of 1,5-Hexadiene / B.A. Shainyan, M.Y. Moskalik, V.V. Astakhova, U. Schilde // Tetrahedron.- 2014,- V. 70,- N. 30. -P. 4547-4551.

8. Москалик, М.Ю. Окислительное присоединение трифторметансульфонамида к алкенам и диенам / М.Ю. Москалик, В.В. Астахова // 9-я Всероссийская конференция «Химия фтора». Тез. докл. - Москва. - 2012. - 0-35.

9. Москалик, М.Ю. Реакции сульфоаминирования диаллилсульфида, циклопентадиена и циклогексадиена-1,3 трифторметансульфонамидом / М.Ю. Москалик, В.В. Астахова // 9-я Всероссийская конференция «Химия фтора». Тез. докл. - Москва. - 2012. - Р-28.

10.Shainyan, B.A. One Step Design of Complex N-Triflyl Nitrogen Heterocycles / B.A. Shainyan, M.Yu. Moskalik, V.V. Astakhova // 14-th Eur. Symp. On Org. Reactivity. - Prague. - 2013. - P. 166.

11. Москалик, М.Ю. Новые гетероциклические соединения в реакциях окислительного циклоприсоединения трифторметансульфонамида к диенам. / М.Ю. Москалик, В.В. Астахова // 16-я Молодёжная школа-конференция по органической химии. Тез. докл. - Пятигорск - 2013. - С. 75.

12. Москалик М.Ю. Реакции гетероциклизации трифторметансульфонамида с алкенами и диенами в окислительных условиях / М.Ю. Москалик, В.В. Астахова // 3-я Международная научная конференция «Новые направления в химии гетероциклических соединений». Тез. докл. -Пятигорск. - 2013. - С. 94.

Основные экспериментальные результаты диссертационной работы получены с использованием материально-технической базы Байкальского аналитического центра коллективного пользования СО РАН.

Подписано в печать 02.07.14. Формат 210x147 1/16. Бумага писчая белая. Печать Konica Minolta. Усл.псч.л. 1.6. Отпечатано в оперативной типографии «DEPO» г. Иркутск, ул. Чернышевского д.4/1 Тираж 150 экз. Заказ № 182.