Стерео- и региохимические аспекты SO₃ - опосредованного взаимодействия N-хлораминов и N-хлоруретана с олефинами тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.03 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. М.В.ЛОМОНОСОВА

Химический факультет

На правах рукописи

УЖ 547.26:547.311:547.313:547.416

МЕНДЕЛЕЕВА Екатерина Александровна

6, ¿¿¿£¿¿<1

Стерео- и региохшшческие аспекты БОд-опосредованного взаимодействия Н-хлораминов и 11-хлоруретана с олефинаыи 02.00.03 - Органическая химия

Автореферат • диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

Москва - 1993

Работа выполнена на кафедре органической химии в лаборатории органического синтеза химического факультета Московского государственного университета им.М.В.Ломоносова.

Научные руководители: академик РАН, профессор Н.С.ЗЕФИРОВ доктор химических наук, профессор Н.В.ЗЫК

Официальные оппоненты:

доктор химических наук, профессор A.B. АНИСИМОВ доктор химических наук, профессор М.П. КОРОТЕЕВ

Ведущая организация: Институт органической химии РАН

Защита состоится (реЬрлп-я 1994 г в ii.to часов на заседани специализированного Ученого Совета (шифр Д 053.05.58) по химическим наукам при Московском государственном университете им. М.В.Ломоносова по адресу: Москва, Ленинские горы, МГУ, химический факультет.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке химического факультета ИГУ им. М.В.Ломоносова.

Автореферат разослан " №" 1994 г

Ученый секретарь специализированного Совета кандидат химических наук

С» ч« <

Шокова Э.А.

Актуальность проблемы. Присоединение по двойной углерод-глеродной связи является одним из основных.процессов в синтети-зской органической химии, открывающим широкие перспективы для элучения разнообразных органических соединений. Известно, что янтетическая значимость процесса, протекающего по радикальному ути, за счет побочных реакций аллильного замещения, низкой ре-то- и стереоселективности значительно ниже, чем у электрофиль-эго процесса. Кроме того, значение реакций электрофильного рисоединения не ограничивается образованием 1,2-аддукта. Необхо-имо помнить о возможности сопряженного присоединения с участием нешнего нуклеофила на заключительной стадии реакции, образования_ родуктов присоедашения-эдилширования и, наконец, продуктов ерегруппировки. Но, к сожалению, набор электрофильных реагентов граничен, и, к тому же, основная их часть проявляет низкую реак-ионную способность, что приводит лишь к 1,2-даФункционализации лефина. Таким образом, задача создания новых электрофильных реа-ентов или активации соединений, не склонных к гетеролитическому азрыву, а также исследования механистических аспектов их реакций редставляется весьма актуальной. В этом плане, несомненно, одним з перспективных направлений является использование в качества онора электрофильной частицы соединений с фрагменте;,. "-С1, звестных в реакциях присоединения, в основном, как радикальные ли ион-радикальные реагенты.

Цель работы: Целью настоящей работы является систематическое зучение синтетических возможностей Бо^-опосредованных реакций -хлораминов и 1{-хлоруретава с непредельными соединениями, их егио- и стереохимических особенностей и механистических законо-ерностей, а также разработка новых способов активации гетероли-ического разрыва связи К-С1 пиросулъфагом калия или бис-(три-;с тилсилил) сульфатом.

Научная новизна: Проведено систематическое исследование -юакции хлорсульфаминировакия непредельных соединений на примере ¡ирокого круга олефинов, различающихся как по реакционной способ-:ости двойной связи, так и по напряженности углеродного скелета, [а основе детального анализа состава и структуры образующихся ве-[еств выявлены факторы, определяющие стереохимию присоединения и ¡вправление трансформаций углеродного скелета. Впервые исследо-

вана возможность активации л-хлордиалкиламинов в реакциях с оле финами при помощи шросульфата калия и бис(триметилсилил)суль фата. Процесс протекает по электрофильному пути и приводит образованию бис(хлоралкил)сульфатов. Впервые принцип сульфонатнс активации расцространен на и-юнохлоруретан: в результате элекч рофильной реакции образуются хлорэтоксикарбосульфаматы.

Практическая значимость: Разработаны препаративные метод синтеза хлорсулъфаматов, бис(хлоралкил)сульфатов и хлорэтокс* карбосульфаматов, веществ, которые могут найти применение в меда цине и промышленности. Изученные реагенты и полученные на г основе соединения могут быть использованы в тонком органическс синтезе.

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 4 статьи и тезисы конференции.

Апробация работы: Основные результаты работы докладывались на конференции молодых ученых химического факультета МГУ (Москвг 1991).

Объем и структура диссертационной работы: Диссертационн: работа изложена на 164 стр. машинописного текста ~и состоит I введения, литературного обзора, обсуждения результатов, экспер! ментальной части, выводов и приложения, содержит 3 рисунка и сш сок цитируемой литературы из 154 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Реакции БОд-опосредованного присоединения Ы-хлорашшов к непредельный субстратам.

и-хлордиалкиламины легко взаимодействуют с серным ангидрид« в растворе абсолютного хлористого метилена при температуре -60 -70°С. В результате образуется эффективный злектрофильный ре; гент, который вводится в реакцию без выделения. Ранее доказан« что данный реагент имеет структуру о-хлорсульфамата (1а, 16).

ЙгИ-С! *503

СН2С|а

I

50г0 _

К2И-5020-С1 1а , 16

а) в = с2н5

б) г?,г? = ссн2>Е

-60 с

С

Реакция о-хлорсульфаматов с олефинаш проста в экспериментальном оформлении, протекает гладко и с хорошими выходами. Строение соединений доказывалось спектроскопией ИК- и ЯМР 1н, 13с, а

состав подтверждался данными элементного анализа и масс-спектро-#

метрии.

Прежде всего была изучена реакция м-хлордиалкиламинов с кам-феном - углеводородом с экзоциклической двойной связью, вызывающая интерес с точка зрения исследования природа электрофила. Возможность протекания присоединения как с перегруппировкой углеродного скелета, так и без нее позволяет судить об эффективной электрофильности: реагента, особенности строения субстрата - о регио- и стереонаправленности процесса.

Мы нашли, что данная реакция протекает региоспецифично. В

о

качестве основного продукта образуются хлорсульфаматы (2) и (5). Выделена также небольшие количества продуктов присоединения-элимиш:рования - стереоизомерных хлоркамфенов (3) и (4_).

Я^О^О С1

СН2С1 2 ,-60 С

а) [? = с3н5

б) и = ссн2э3

С1

.2. (50%) 5 (3755)

3_ (1%) 3 (9%)

_4_ (7Й) 4 (9%)

У = 050

Таким образом, атака электрофильной частицы при взаимодействии камфена с О-хлорсульфаматами протекает региоспецифично, по правилу Марковникова. Стабилизация промежуточного карбкатиона происходит в основном за счет перегруппировки типа Вагнера-Мейер-вейна с последующей стереоспецифичной атакой нуклеофила, что позволяет сделать вывод о высокой эффективной электрофильности реагентов (1а, 1б).

* Автор выражает благодарность Б.И.Уграку (МОХ им. Зелинского) за регистрацию спектров ЯМР.

Другой олефин с экзоциклической двойной связью - метилен щшлобутан - реагирует менее однозначно, образуя три типа аддук тов. Хотя реакция региоселективна, помимо марковниковских аддук тов (6, _9) и (8_, _Н) выделены также и продукты присоединения образукидаеся против правила Марковникова (7_, 10).

О

С1

11

С1

СН-2

ОГ

б ,9

С1

■С1

а ,11

С1

7, 10

а) [? = с2н5 Ь (21%) 7 И%)

б) я = = (сн2)5 _9 (24/ь) _10_ (8Го)

8 (17%) Ц(14%)

У = 0302!<№2

Соотношение продуктов реакции свидетельствует о том, что направление атаки катионоидного хлора по связи с=с метиленцикло-бутана региоселективно: атака происходит преимущественно по правилу Марковникова, причем, в отличие от камфзна, катион А стабилизируется как 1,2-присоедянением нуклеофильной частицы, что приводит к соединениям (б) и (9_), так и посредством перегруппировки углеродного скелета в карбкатион в с дальнейшим образованием аддуктов (8) и (11).

Однако в составе продуктов реакции присутствует небольшая доля аддуктов, полученных в результате атаки а+ против правила Марковникова, что можно объяснить атакой объемистого нуклеофила по менее стерически затрудненному а-положению хлорониевого иона А. Факт перегруппировки третичного карбокатиона А в первичный в объясняется стабилизацией положительного заряда в катионе в за

счет значительного тс-характера цинлопропановых связей. Образование значительного количества перегруппированного аддукта подтверждает вывод о высокой эффективной электрофильности реагентов типа' р2мзоаос|.

Мы нашли, что Бо^-опосредованное взаимодействие ы-хлордиал-кияаминов с аценафшленом протекает транс-стереоспецифично, что свидетельствует в пользу ионного механизма реакции с промежуточным образованием хлорониевого иона:

сг

озо2ш3

сн,а, -70 С

а) и = с2н3

б) = я = ссн2з5

¡050

12 (60%) 13 (40%)

н

Трицикло[5.2.1.02'63дец-3-ен реагирует с О-хлорсульфаматами (1а и Ю) регио- и стереоспецифично, образуя транс-1,2-аддукты (14 и 15).

С1

0S02NR2

снас|2, -70 С

0302МЙ2

а) к = с2н5

б) = [? = ссн2>г

14 (74%)

15 (54%)

Строение соединения (14) однозначно установлено с помощью рентге-ноструктурного анализа.

Реакция' даена с аналогичным трициклодекановым каркасом - эндо-трицикло[5.2.1.02'61дека-3,8-ена с О-хлордиэтилсульфаматом (1а) идет по обеим двойным связям диена. Основным продуктом является перегруппированный аддукт (1 б) с син-экзо-ориентацией заместителей в норборнановом фрагменте и транс-1,2-расположением заместителей в

циклопентановом фрагменте. Таким образом, взаимодействие протекав регио- и стереоселективно как по циклопентеновой, так и по норбор неновой двойным связям соединения. Суммарный выход аддуктов невысо - 25%, поскольку реакция сопровождается образованием значительног количества продуктов полимеризации.

2С1 -У

СН2С|2,-70°С

СК

С1

16 С23%Э

С1

17 сгй?

У= 0503МСС2Н332

< \

Непредельные углеводороды бицикло[2.2.1]гептенового ряда явля ются "традиционными" моделями при изучении электрофильных реакций Выбирая в качестве модельных олефинов бензонорборнадиен и З',6'-да метоксибензонорборнадиен, мы предполагали изучить влияние бензоль ного ядра, конденсированного с норборнановым скелетом на направле кие и селективность реакции. Мы нашли, что реакции данных субстрат с О-хлордиалкиламинами протекают хемо- и стереоспецифично с обра зованием только перегруппированных хлорсульфаматов Ц8 - 2Л_).

С1

ОЭОаШа

а) = н,

б) к* = н,

в) К' = ОСНз

г) [?• = 0СН3,

К = С2НЕ (? = Я = ССН235 К = С2Н5

Я = Г? = ссн2з3

18

19

20 21

(72%) (66%) (86%)

Факт стереоспецифичности атаки как электрофила (С1+), так з нуклеофильной частицы хорошо согласуется со схемой механизма мЕ-реакций в рамках теории неклассических катионов. Очевидно, чт<

с

>бразование неклассического карбокатиона с возможно лишь при 1кз0-атаке электрофила, поскольку при эндо-атаке С1+ гомобензильное гчастие связи противоречит стереоэлектронным требованиям,

'еакция завершается экзо-стереоспецифичной атакой нуклеофила у- в изложение с1 карбокатиона с.

Следует отметить, что выходы продуктов хлорсульфаминирования, :ак правило, выше при использовании реагента (1а). Этот факт мы >бъясняем меньшей реакционной способностью производного пиперидина 16), плохо растворимого в хлористом метилене, за счет чего реакция [роводится в гетерогенной среде.

На примере бензобицикло[3.2.1]окта-2,6-диена становится воз-гокным изучение регионаправленности процесса присоединения элект-юфильных реагентов к бензобициклическим субстратам. Реакция дан-юго субстрата с реагентом (1а) протекает регио- и стереоспецифично [ приводит к образованию единственного продукта - перегруппированного хлорсульфамата (22).

5 озо2№: с2н5 э2

сн.

,си, -70°С

Регио- и стереоспецифичность атаки электрофильной частицы С14) на связь с=с объясняется возможностью стабилизации катиона э ■а счет гомобензильного участия с образованием неклассического :атиона Е. Очевидно, что при атаке электрофильной частицы на половине с2 олефина образование карбокатиона Е, равно как и последу-яцая перегруппировка углеродного скелета, было бы невозможно. Сте-'еоспецифичность атаки как электрофильной, так и нуклеофильной час-ицы обусловлена стерэозлектронными требованиями.

Чрезвычайно интересной моделью для изучения процессов элект-рофшгьного присоединения является тетрафторбензобаррелен, поскольку его использование позволяет одновременно исследовать роль как гомо-аллильного, так и гомобензильного участия в промежуточных карбока-тионах. Реакции О-хлорсульфаматов (1а, 1б) с этим диеном приводят к набору из четырех изомерных аддуктов (23 - 26) и (27 - 30)

Из^ОзОС! СН2С12 , -70"С

бз = ССН, Зд

Н'

23 с 23#э 27 с8$з

С| н

V

24 (4%) 28 с2%о

25 С11%Э 29 с5Яэ

2б с105б з 30

У = 0302КГ*2

Атака электрофильной частицы (с1+) протекает нестереоселек-тивно, что свидетельствует о высокой реакционной способности электрофильной частицы, а эффективной электрофильности реагента достаточно, чтобы образовались как продукты перегруппировок типа Вагне-ра-Мейервейна, так и продукты гомоаллильного участия второй двойной связи. При этом: I) если а+ присоединяется в эндо-толожение, тс происходит 1,2-сдвиг связи С1-С2. Атака нуклеофила протекает экзо-стереоселективно, образование минорного продукта эндо-атаки нуклеофила объясняется стерическими факторами; 2) в случае экзо-атага электрофильного хлора образуется продукт перегруппировки по связ! С1- С6 с последующей стереоспецифичной атакой нуклеофила, а также продукт гомоаллильного участия второй двойной связи.

Взаимодействие тетрафторбензобаррелена с ацетилнитратом

Образование соединений типа (24) и (26) является неожиданным результатом, ранее в реакциях электрофильного галогенирования тетрафторбензобаррелена не наблюдавшимся. Это побудило нас к дальнейшему исследовании влияния природы реагента на стереорезультаты электрофильного присоединения к данному диену. В качестве электрофильного реагента был выбран ацетилнитрат, поскольку ранее для нитрующего агента - этилсульфата нитрония - наблюдался необычный факт экзо-стереоспецифичности присоединения электрофильной частицы -нитроний катиона (то2+). Взаимодействие тетрафторбензобаррелена с ацетилнитратом гладко протекает в хлористом метилене при -20°С и приводит к образованию четырех изомерных нитроацетатов (31_- 34) с суммарным выходом 62%.

Конфигурация Ж)2-группы в соединениях (31 - 34) свидетельствует, что атака электрофильной частицы нествреоселективна. Образование продуктов эндо-атаки (33) и (34) характерно для электрофильных реакций тетрафторбензобаррелена и хорошо описывается в терминах неклассических катионов:

г»

Аддукты (31) и (32) - продукты экзо-атаки электрофила -своему строению аналогичны соединениям, полученным в результа взаимодействия тетрафторбензобаррелена с этилсульфатом нитрония. образование объяснено при помощи схемы [2+2+2] циклоприсоединек нитроний-катиона с промежуточным образованием катиона р, где пол жительный заряд сконцентрирован на атоме азота. Между катионом р неклассической структурой с устанавливается равновесие:

у = ОЗО2ОЕ-Ь, ОАс

Таким образом, стереорезультаты реакций присоединения к тетр. фторбензобаррелену разительно зависят от природы электрофил Отсутствие экзо-стереоспецифичности атаки нитроний-катиона в случ. ацетилнитрата объясняется меньшей полярностью связи N-0 в ацети, нитрате по сравнению с этилсульфатом нитрония.

ю

Бифункционализация олефинов хлораминами в присутствии пиросульфата калия и бис(триыетилсилил)сульфата

С целью расширения круга реагентов, позволяющих, активировать и-хлордиалкиламины в реакциях электрофильного присоединения, мы исследовали реакции непредельных соединений с и-хлордиэтиламином в присутствии непредельных соединений с потенциальными донорами серного ангидрида - пиросульфатом_калия и бис(триметилсилил)сульфатом. В обоих случаях наблюдается образование одинакового набора продуктов - бис(хлоралкил)сульфатов. Реакция норборнадиена, Ы-хлордиэтил-амина и пиросульфата калия гладко протекает при комнатной температуре в суспензии к^о^ в хлористом метилене,тогда как присоединение к циклогексену идет, только если пиросульфат переведен в растворимое состояние при помощи 18-крзун-6. Взаимодействие с бис(триме тилсилил) сульфатом идет при 0°С в растворе в хлористом метилене.

а) К23207

Н Н

35

a) 47$ 35 : 36 = 2:1

b) 29$ 35 : 36 = 1 : 1

о -£зо2

+ ЕиЖ! а:) К232°-Г

ьхмв3з;02з502

Ь) 21 %

Транс-стереоспецифичность присоединения к циклогексену и образование продуктов гомоаллильного участия второй двойной связи с эк-зо-стереоспецифичной атакой хлора свидетельствует об злектрофильном характере реакций. Активация к-хлордизтилашша пиросульфатом калия объяснена, исходя из представления, что к2з2о7 является донором триоксида серы, тогда как бис(триметилсилил)сульфат в данном процессе выступает как донор триметилсилильной группы, кватернизуя атом азота:

Г?2М-С1 ♦ Ме351-ОБОдО-г¡Ме3

) 05и28 1Ма3

Э I Мо3

Сульфонагно-активированное присоединение М-монохлоруретана к непредельнш соединениям

В качестве нового реагента для исследования проблемы исполь зования реакции внедрения эо^ по связи и-01 для бифункционализаци олефинов мы выбрали к-ыонохлоруретан, изученый только как радикаль ный реагент в реакциях с непредельными соединениями.

Взаимодействие ы-монохлоруретана с серным ангидридом проводи лось в инертной атмосфере при -40°С в абсолютном хлористом метиле не. В результате образуется белая суспензия высокореакционноспособ ного хлорсульфамадирующего реагента, который без выделения вводил в реакцию с непредельными соединениями.

В результате реакции БО^-активированного И-монохлоруретана гексеном-1 образуется смесь региоизомеров (38) и (39) в соотно шении 5:1. ,

Е*.02СМНС1 .ЭОз

Ви-СН=СН2 -► Ви-СН-СН2С1 + Ви - СИ - СН20502ЖС00Е

-40оС,СН2С12 I I

030 2 №НСООЕ£ С1

ж (565«) ' 39 (11%)

Преобладание продукта присоединения по правилу Марковникова < атомом хлора у первичного атома углерода свидетельствует о том, чт< реакция протекает по классическому злектрофильному механизму с первичной атакой с=с-связи катионоидным атомом хлора (С1+). Образование анти-Марковниковского аддукта происходит вследствие стеричес-кого фактора.

Взаимодействие циклогексена с и-монохлоруретаном в условия; сульфонатной активации транс-стереоспецифично, что свидетельствуе' о протекании реакции по злектрофильному механизму с промежуточны! образованием хлорониевого иона.

С1

-45°С,СН2С| 2

40 (65Я)

Н 'Л

Процесс электрофильного взаимодействия л-монохлоруретана в присутствии БОз с бензонорборнадиенами протека-зт хемо- и стерео-специфичко. В качестве основных продуктов з реакциях образуются перегруппированные хлорэтоксикарбосульфаматы (41, 42), что позволяет сделать вывод о высокой эффективной электрофильности исследуемого реагента.

Е102СМНС|.БОз -40 °С , СН2С1 2

/

С1

0S02NHC00Et

а) I? = н

б) = 0СН3

41

42

(60¡6) (7155)

Эффективной электрофильности исследуемого реагента достаточно для того, чтобы норборнен, менее склонный, чем бензонорборнадиены к перегруппировкам типа Вагнера-Мейервейна, образовал смесь 2,7-диза-мещенных продуктов (43, 44, 45):

Е^зСЫНС! .ЭОз

-40"С,СН2С1 2

43 (10й) _44_ (12%) 45 (1бЙ)

у = озо3мнсо2с2н3

Опосредованное серным ангидридом взаимодействие и-монохлор-уретана с диметкловым эфиром норборнендакарбоновой кислоты приводит к образованию смеси двух лакгонов (46) и (47) с общим выходом 76%, в соотношении 1:1:

Участие только собственного нуклеофила - карбметоксильной группы на заключительной стадии реакции указывает на достаточно сильную эффективную электрофильность реагента.

ВЫВОДЫ

' I. Изучены стерео- и региохишческие особенности реакций хлорсульфаминирования широкого круга непредельных субстратов, различающихся как по реакционной способности кратной связи, так и по напряженности углеродного скелета и открывающих доступ к синтезу труднодоступных органических производных сульфаминовой кислоты. Показано, что регио- и стереоселективность изученных реакций хорошо согласуется со схемой электрофильного присоединения. Эффективная электрофильность реатентов типа ^возои достаточна для реагирования с перегруппировкой типа Вагнера-Мейервейна.

2. Найдено, что реакция хлорсульфаминирования для олефинов бензобицикло[2.2.1]гептанового и бензобициклоСЗ.2.11 октанового ряда протекает регио- и сгереоспецифично и является удобным препаративным методом получения труднодоступных каркасных хлорсульф-аматов.

3. Установлено, что при электрофильном хлорсульфаминировании тетрафторбенэобарредзна образуются как продукты перегруппировки с миграцией с-с-связей, так и продукты гомоаллильного участия второй двойной связи диена; атака катионоидного хлора" осуществляется нестереоселективно, что свидетельствует о высокой реакционной способности электрофильной частицы.

4. Исследована возможность активации н-хлордиэтиламина пиро-сульфатом калия или бис(триметилсилил)сульфатом в реакциях с непредельными соединениями. Присоединение протекает по электро-фильному механизму, о чем свидетельствует транс-присоеданение к циклогексену и образование продуктов гомоаллильного участия для норборнадиена.

5. Показано, что основными продуктами в зо3-опосредованных реакциях монохлоруретана с олефинзми являются хлорэтоксикарбо-сульфаматы. Данный подход является новым, препаративно удобным методом хлорсульфамндирования олефинов.

сновное содержание диссертации изложено в следующих публикациях:

. Зык Н.В., Менделеева Е.А., Колбасенко С.И., Кутателадзе А.Г., >ефиров Н.С. Б03-опосредованное присоединение N-хлоруретанов по вязи С-С. // Изв. АН СССР. Сер. Хим. 1989. J6I2. С. 2871-2872.

:. Зык Н.В., Менделеева Е.А., Кутателадзе А.Г., Зефиров Н.С. // !ифункционализация олефинов N-хлораминами в присутствии пиро-¡ульфата калия и бис(триметилсилил)сульфата.//Докл. АН СССР. 1990. '. 313. №5. C.II38-II4I.

I. Зык Н.В., Кутателадзе А.Г., Лапин Ю.А., Менделеева Е.А., Бутина J.K., Зефиров Н.С. Новые реакции и новые реагенты: получение на >снове триоксида серы и электрофильные свойства.// В сб. 3-е югиональное совещание республик Ср.Азии и Казахстана по хим. зеактивам. Т.2. 1990 г. Ташкент. С.5.

Зык Н.В., Бреев A.B., Менделеева Е.А., Зефиров Н.С., Потехин i.A., Стручков Ю.Т. Кристаллическая и молекулярная структура 3-хлортрицикло[5.2.1.02• ]декан-4-ола, ciltH2Uoci ns. //Докл. РАН. С992. Т.326. JS. С.831-834.

з. Зык Н.В., Менделеева Е.А., Бреев A.B., Нестеров Е.В., Зефиров i.e. Стерео- и региохимические аспекты реакции хлорсульфамини-рования олефинов.// Журн. Орг. хим. 1992. Т.28. Вып.7. 3.I4I4-I424.