Взаимодействие метилового эфира диазоуксусной кислоты с циклическими ацеталями тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.03 ВАК РФ

На правах рукописи

РАХМАНКУЛОВ АЗАТ ИЛДАРОВИЧ

Взаимодействие метилового эфира диазоуксусной кислоты с циклическими ацеталями

Специальность 02.00.03 Органическая химия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

Уфа - 1998

Работа выполнена на кафедре "Общая и аналитическая химия" Уфимского государственного нефтяного технического университета (УГНТУ) и в Научно-исследовательском институте малотоннажных химических продуктов и реактивов

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ:

доктор химических наук, профессор С.С.Злотский

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

ВЕДУЩЕЕ ПРЕДПРИЯТИЕ:

доктор химических наук, Талипов Р.Ф.

кандидат химических наук, Сираева И.Н.

Научно-исследовательский технологический институт гербицидов и регуляторов роста растений АН РБ

Защита состоится 15"Чек?бт»; 1998 г. в часов на заседании диссертационного Совета Д 063.09.01 при Уфимском государственном нефтяном техническом университете. Адрес: 450062, Уфа, ул. Космонавтов, 1. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке УГНТУ. Автореферат разослан 12, ноября 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат химических наук, профессор

А.М. Сыркин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Циклические ацетали и их гетероаналоги широко используются в тонком органическом синтезе как реагенты, полупродукты, исходные вещества при получении биологически активных объектов и препаратов.

Практическая ценность этих соединений определяет возрастающий интерес к теоретическим и прикладным проблемам химии циклических ацеталей. Поэтому развитие методов синтеза замещенных циклических ацеталей, получение на кх основе функционально замещенных реагентов является важной актуальной задачей органической химии.

Алкокснкарбонилкарбены способны внедряться по угле-род-хислородным связям цнклоацетального фрагмента с образованием новых многофункциональных гетероциклических соединений. Это направление представляет интерес п плане синтеза на базе доступных 1,3-диоксоланов производных 1,4-диоксана. Изучение этой реакции, включая стереохимию продуктов, представляет значительный научный и практический интерес.

Работа выполнена в соответствии с планами НИР Научно-исследовательского института малотоннажных химических продуктов и реактивов "НИИРЕАКТИВ", по инновационной научно-технической программе "Реактив" (Приказ Комитета по высшей школе Министерства науки, высшей школы и техних-нической политики Российской Федерации № 377 от 26.06.92). Цель работы. Заключается в изучении реакции циклических ацеталей с метиловым эфиром диазоуксусной кислоты в при-

сутствии кислотных и металлокомплексных катализаторов. В задачи работы входила оценка относительной активности 1,3-диоксоланов различного строения, подбор условий и катализаторов, обеспечивающих максимальный выход целевых продуктов.

Научная новизна работы. Систематически изучен процесс каталитического карбенирования метилдиазоацетатом замещенных 1,3-диоксациклоалканов различного строения, имеющих один или несколько реакционных центров.

Найден эффективный катализатор внедрения метоксикар-бонилметилена в углерод-кислородную связь цикла, позволяющий селективно синтезировать соответствующие 2,3-замещенные 1,4-диоксоланы.

Показано, что в изученных условиях циклические ацетали образуют 2,3-дизамещенные 1,4-диоксаны с диэкваториальной ориентацией заместителей.

Оценена относительная активность внедрения метоксн-карбонилметилена по С-0 связям 1,3-диоксоланов и О-Н связям спиртов, кислот и К-Н связям вторичных аминов. Теоретическая и практическая ценность. Полученные результаты расширяют и углубляют известные сведения о химии циклических ацеталей. В результате проведенных исследований найдены условия селективного внедрения метоксикарбо-нилметилена по углерод-кислородным связям циклических ацеталей.

Лабораторией фундаментальных исследований ингибиторов коррозии НИИ "Реактив" проведены испытания ряда производных 1,4-диоксанов. Установленно, что два соединения -

метиловый эфир З-фенил-1,4-диоксан-2-карбоновой кислоты и метиловый эфир З-фенил-З-дибромметил-1,4-диоксан-2-карбоновой кислоты способны ингибировать коррозию стали в системах оборотного водоснабжения.

Апробация работы. Представленные результаты работы докладывались на Международном симпозиуме «Проблемы экологии в нефтепереработке и нефтехимии» (Уфа, 1995), Шестой международной конференции по химии карбенов и родственных интермедиатои (Санкт-Петербург, 1998). Публикации: По теме диссертации опубликованы 3 научных статьи, 3 тезиса докладов на конференциях.

Структура и объем работы: Диссертационная работа изложена на____страницах машинописного текста и включает обзор

литературы, обсуждение результатов, экспериментальную часть, 10 таблиц, 6 рисунков, быводы, список литературы (84 наименования), приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ*

1. Действие эфиров иа циклические ацстали

Мы нашли, что в присутствии каталитических количеств эфирата трёхфтористого бора, метоксикарбонилметилен, генерируемый из диазоуксусного эфира, уже при температуре 2025° С быстро (10-20 мин) внедряется по С2-0' углерод-

" Выражаю благодарность завлабораторией ИОХ УНЦ РАН Докичеву В.А. и с.и.с. Султановой P.M. за помощь и советы при проведении экспериментов.

кислородной связи 2-моно- и 2,2-дизамещённых-1,3-диоксоланов с образованием соответствующих 1,4-диоксанов.

ют только 2,3-дизамещенные 1,4-диоксаны с диэкваториальной ориентацией заместителей. Очевидно, диэкваториальная ориентация заместителей обусловлена взаимным отталкиванием атомов кислорода цикла и карбоксиметильной группы.

Соответственна, в спектрах ПМР этих соединений протоны во втором и третьем положениях цикла диаксиально ориентированы, на что указывают величины КССВ. Судя по стерео-химическому результату реакции, разрыв С2-0! связи происходит одновременно с образованием новых углерод-углеродных и

врзоеъ о X

11! = изо. С3Н7) Я2 = Н ; Я1 = С6Н5, Я2 = Н; К^И1 = (СН2)5 Циклические ацетали в изученных условиях образу

не

Лсхр " 7.09...7.69 Гц

углерод-кислородных связей, и интермедиат с линейной структурой не образуется.

Наиболее информативными для установления строения продуктов реакции является химический сдвиг протона Н1 во втором положении цикла, который составляет 4.6 м.д. (И1 =

п 1т т\2 тт\ ^ п/ _ г п 1 _ П тТ т> 2 _ 1Г\ X .. п ^

ИЗО.ЬзП7, К. — И), .Э./и М.Д.( Л. - л ~ » ли М.ДД

Я'+И2 = (СН2)5). Химический сдвиг протона в третьем положении находится в области 4.21 м.д.(Я1 = изо.С3Н7, Я2 = Н) и 5.50 м.д. ( Я1 = С6Н5, ^ - Н). Протоны фенильного кольца резонируют в области 7,25-7.45 м.д., протоны циклогексанового фрагмента - в области 1.57-1.59 м.д..

Можно предположить следующую схему реакции:

к2снс02сн3 + врзое^

-N5

о ®о'~е

стронь _снсо2сн3

©

сксо2сн3 ¿р3оа2

- вр3ой2

со,сн,

В присутствии таких катализаторов как ИЬ2(СР3С02)4, Си(срз80з)2, СиБ04 в данных условиях расширения цикла в ацеталях не наблюдалось. Целевые продукты внедрения удалось получить при повышении температуры до 60...70°С. Однако выход замененных 1,4-диоксанов в этом случае значи-

тельно ниже и основным продуктом, образующимся в результате реакции, являлся диметиловый эфир малеиновой кислоты.

0 0 1 хч ъ

R"" ""Г

n2chco2ch3 112'3 > н3со2с со2сн3

cat, А

R1

R2

R' = изо. С3Н7, R2 = Н; R1 = С6Н5, R2 = Н; R'+R1 = (СН2)5, cat - CuS04, Rh,(CF3C02), или Cu(CF3S03)2

2,2-диметил-1,3-диоксолан оказался более инертным в реакции с метилдиазоацетатом, чем 2,2-пенгаметилен-1,3-диоксолан.

Выход продукта с его участием в присутствии наиболее активного в отношении диоксоланов катализатора - эфирата трёхфтористого бора - составил лишь 21%.

Необходимо отметить, что в изученных условиях осуществить расширение цикла в формалях - 1,3-диоксолане и 1,3-диоксане не удалось.

Однако мы подобрали катализатор, который делает возможным внедрение метоксикарбонилметилена по С2-0' связям

циклических формален. Им оказался тетраацетат родия -И^ОЛс)*. В его присутствии происходит расширение цикла в 1,3-диоксолане и выход метилового эфира 1,4диоксан-2-карбоновой кислоты составляет 23%.

2-дигалоггнметнл-1,3-Диоксолань! в присутствии ВРэОЕ^ также реагируют с метиловым эфиром диззоуксусной кислоты с образованием продуктов внедрения с выходом 60...82%.

В полученных соединениях химический сдвиг протона 'Н во втором положении находится в области 4.39...4.40 м.д. и в спектре присутствует сигнал дигалогенметильного протона в области 5.83...5.88 м.д..

2. Относительная активность циклических ацеталей

Мы оценили методом конкурентных реакций относительную активность по отношению к диазоуксусному эфиру 2-фенил-1,3-диоксолана и диэтиламина, 2-фенил-1.3-диоксолана и гексанола-1, 2-фенил-1,3-диоксолана и гексаповой кислоты, 2-фенил-1,3-диоксолана и гексена-1. В одинаковых условиях (20°С, ВРзОЕ12, [кат] : [диазоэфнр] : [диоксолан] : [конкурирующий агент] = 1:20:50:50) было проведено конкурентное карбенирование, и получены следующие результаты. Диэтиламин оказался в 1,1 раза активнее диоксолана, гексанол-1 и гексановая кислота - активнее в 1,8 раза, гексен-1 - в 1,85 раза. Выход продуктов определяли хроматографически с применением в качестве внутреннего стандарта ундекана.

к

Таблица 1

Относительная активность 2-фенил-1,3-диоксолана в конкурентных реакциях с метилдиазоацетатом.

Время реакции - 1 час, Т = 20°С. катализатор - ВЬ'зОЕ!;. [кат]:[диазоэфир]:[диоксолан]:[конкурирующий агент] =

1:20:50:50

Конкурирующий агент К - Н Соотношение ЛСНгСООСНэ : метиловый эфир 3-фенил-1,4-диоксан-2-карбоновой кислоты

(С2Н5)2ЫН 1.10

СН3(СН2)5ОН 1.80

СН3(СН2)4СООН 1.80

I-1 О рь

Н-Н +0 О --ясн2со2сн3 +

РЬ ° ^02СЕ1э

^ ВР3ОЙ2

РЬ

я = (С2н5)2к, СН3(СН2)50, СН,(СН2)4СОО

В аналогичных условиях оценили относительную активность 2-фенил-1,3-ДИоксолана, 2-изопропил-1,3-диоксолана и 2,2-пентаметилен-1,3-диоксолана по отношению к метиловому эфиру диазоуксусной кислоты. Оказалось, что 2-фенил-1,3-

диоксолан в 2 раза активнее, чем 2-изопропил-1,3-диоксолан и в 9 раз активнее, чем 2,2-пентаметилен-1,3-диоксолан.

Было проведено конкурентное карбенкрование эквимолекулярной смеси 2,2-пентаметилен-1,3-диоксолана и 2-метилпропанола. В присутствии ВР3ОЕ12 наблюдалось параллельное образование продуктов внедрения по С-0 и О-Н связям.

Судя по выходам 2,2,3-тризамещенного 1,4-диоксана и эфира изобутоксиуксусной кислоты в условиях эксперимента (20°С, [кат]: [диазоэфнр] : [3] : [26] = 1:20:50:50) спирт примерно в 15 раз активнее 2.2-пснтаметилен-1,3-диоксолана.

1ЬС м->снсо2сн,

^:снсн2он->■

н ъсг вг3оа2

I I

о о 0

\ НзС\

о + ,снсн,осн,со,сн,

/ ПуС - ■ ■

со2сн3

Известно, что в результате кислотно-катализируемой конденсации глицерина с формальдегидом, при 60-80°С образуется смесь 5-гидрокси-1,3-диоксана и 4-гидроксиметил-1,3-диоксолана в соотношении 55:45 соответственно.

Нами было найдено, что карбенирование данной смеси диазоуксусным эфиром преимущественно протекает по вторичной ОН-группе.

^сн.он ^ ы,снсо,сн3 ;_^сн20сн2с02сн3 ^ндо

I I

<Ц> + П

саг = ВРзОЕгг, КЬ2(СР3С02)4

Так, в присутствии ВР3ОЕ12 в продуктах реакции соотношение производного диоксана к производному диоксолана составляет 75:25. Менее активный родиевый катализатор КЬ2(СРзСОО)4 увеличивает селективность по 1,3-диоксану, и это соотношение составляет 90 : 10. Вероятно, наблюдаемая разница в активности связана с тем, что в 5-гидрокси-1,3-диоксане реализуется прочная внутримолекулярная водородная связь, которая облегчает внедрение метоксикарбонилметилена по гидроксильной группе.

Исходные формали и их производные различали по характерным сигналам С2-атомов в спектрах ЯМР 13С. В шести-звенном цикле этот сигнал находится в области 93,17 м.д. и 93,37 м.д., а в 1,3-диоксолановых продуктах этот сигнал расположен в более сильном поле - 91,67 м.д. и 91,62 м.д..

3. Реакции бифункциональных циклических ацеталей

Мы нашли, что карбенирование производного глицерина-2,2-пентаметилен-4-гидроксиметил-1,3-диоксолана, содержащего в молекуле циклокетальную и спиртовую группы в присутствии ВР3ОЕ12 протекает параллельно по двум реакционным центрам.

При увеличении концентрации карбенирующего агента на

глубоких стадиях превращения протекает исчерпывающее карбенирование промежуточных соединений с образованием продукта, содержащего две сложноэфирные группы. В то же время карбенирование 2,2-пентаметилен-4-гидроксиметил-1,3-

диоксолана на катализаторе ЯЬ2(СР3СОО)4 позволило получить с высокой селективностью только производное соответствующей алкоксиуксусной кислоты.Таким образом, в зависимо-

сти от условии возможно селективное получение продуктов внедрения метоксикарбонилметилена по различным связям многофункциональных молекул.

Было найдено, что в присутствии ВР3ОЕ12 или НЬ2(СР3С02)4 2-этокск-1,3-диоксолан реагирует с метиловым эфиром диазоуксусной кислоты с образованием продуктов внедрения по эндо- и экзоциклическим углерод-кислородным связям.

СО,СН,

0^0 ос,н<

+ КчСНСОоСН,

(Г ОС2Н5

ос,н5

0 со2сн3

к,снсо,сн.

/~л

о о

\>_( /ю2сн3

н3со2с сн

ос2н5

При использовании в качестве катализатора Си804 при температуре выше 50°С, внедрения метоксикарбонилметилена по С-О связи цикла не происходит и с низким выходом (8-10%) образуется только продукт внедрения по С2-0 связи этокси-группы. Наибольшую активность проявляет ВРзОЕ^, в присутствии которого продукты карбенирования по С-0 связям цикла и этокси-группы параллельно образуются в заметных количествах.

4. ЯМР-спектры некотрых продуктов

В спектрах ПМР метилового эфира З-изопропил-1,4-диоксан-2-карбоновой кислоты, метилового эфира З-фенил-1.4-диоксан-2-карбоновой кислоты, метилового эфира 3,3-пентаметилен-1,4-диоксан-2-карбоновой кислоты, метилов ого эфира 3-фенил-3-диброметил-1,4-диоксан-2-карбоновой кислоты, метилового эфира 3-изопропил-3-дихлорметил-1,4-диоксан-2-карбоновой кислоты и метилового эфира З-фенил-З-дихлорметил-1,4-диоксан-2-карбоиовой кислоты наиболее информативным является сигнал протона при атоме углерода С: (3.76...4.60 м.д.). Резонанс протонов 1,3-диоксоланового кольца и углеводородных фрагментов осуществляется в областях 3.80...4.40 м.д., обычно наблюдаемый для циклических ацета-лей.

Для метилового эфира 3-изопропил-1,4-ДНоксан-2-карбоновой кислоты и метилового эфира З-фенил-1,4-диоксан-2-карбоновой кислоты характерным также является сигнал протона при атоме углерода С'1 (4.60...5.50 м.д.).

Химические сдвиги метильных протонов при атоме углерода, который находится рядом с "эфирным" кислородом, для всех продуктов практически одинаковы и находятся в области 3.76 м.д..

5. Возможные области применения полученных соединений

Некотрые из синтезированных нами метиловых эфиров замещенных 1,4-диоксан-2-карбоновых кислот были испытаны

как ингибиторы в условиях сероводородной коррозии низколегированной стали и в системах оборотного водоснабжения. Были выбраны следующие вещества:

1.

СН,

Qv

СН3 .0

сх

-С.Н,

3.

Вг^ ^Вг О

о

.0

о.

"СН,

о

4.

О.

чсщ

ck -С1

о.

о'

о

о.

-СН,

Испытания проводили на образцах из стали 20. Модельной коррозионной средой служила NACE (50г/л - NaCl, 5г/л -СНзСООН, 3,4 г/л - H2S).

Результаты испытаний приведены в таблице 2.

Полученные данные указывают, что соединения 2 и 3 могут быть рекомендованы для проведения испытаний с целью создания эффективных ингибирующих композиций в системах оборотного водоснабжения.

Для сравнения защитной способности исследованных соединений приведены характеристики ингибитора

коррозионно-механического разрушения стали 4-аллилоксиметил-1,3-диоксолана (A.c. № 1476956 от 16.01.90)."

Таблица 2

Ингибирующая способность синтезированных соединений

Соединение Скорость коррозии, мм/год Степень защиты, %

Оборотная вода Среда NACE Оборотная вода Среда NACE

1 0,203 2,32 26,71 нет

2 0,170 2,53 3S,60 нет

3 0,126 2,46 54,59 нет

4 0,206 2,08 25,60 нет

5* 0,260 0,160 5,11 90,7

ВЫВОДЫ

1. Найдено, что кислоты Льюиса и соли металлов переменной валентности катализируют внедрение алкоксикарбо-нил,метилена по С2-0' углерод-кислородной связи 1,3-диоксоланов. Наибольшую активность проявляет эфират трёх-фтористого бора. Электроноакцепторные заместители во втором положении цикла повышают активность субстрата.

2. Установлено, что в результате внедрения алкоксикар-бонилметилена по Сг-01 углерод-кислородной связи 2-монозамещенного 1,3-диоксолана образуется 2,3-дизамещенные 1,4-диоксаны с диэкваториальной ориентацией заместителей.

* Эталонный объект

3. Показано, что внедрение алкоксикарбонилметилена в циклоацетальный фрагмент 2-фенил-1,3-диоксолана протекает примерно в 2 раза медленнее, чем его внедрение по О-Н связи спиртов и кислот и присоединение по двойной связи олсфинов.

4. Реакция циклического ортоэфира 2-адкокси-1,3-диоксолана с алкоксикарбонилметиленом в присутствии кислот Льюиса или ЯЬ2(СРзС02)4 протекает по эндо- и экзоцикличе-ским углерод-кислородным связям с параллельным образованием соответствующих производных 1,4-диоксана и 1,3-диоксолана.

5.Найдены условия, позволяющие селективно внедрять алкоксикарбонилметилен по О-Н группе , либо по ацетальной функции в 2,2-дизамещенных-4-гидроксиметил-1,3- диоксола-нах. Исследована региоселективность реакции смеси 4-гидроксиметил-1,3-диоксолана и 5-гидрокси-1,3-дноксана с метилдиазоацетатом и показано преимущественное образование соответствующих производных 1.3-диоксана.

6. В ряду синтезированных 2,3-замещенных 1,4-диоксанов обнаружены соединения - метиловый эфир З-фенил-1,4-диоксан-2-карбоновой кислоты и метиловый эфир З-фенил-З-диброметил-1,4-диоксан-2-карбоновой кислоты - способные ингибировать коррозию металла в системах оборотного водоснабжения.

Основное содержание диссертационной работы изложено в следующих публикациях:

1. А.И.Рахманкулов, Р.М.Султанова, С.С.Злотский, В.А.Докичев. Каталитическое расширение цикла в замещён-

ных 1,3-диоксоланах. Доклады Академии Наук, 1997, т.357, №3, с.368-369.

2. С.С.Злотскнй, В.А.Докичев, Р.М.Султанова.

A.И.Рахманкулов. Реакции циклических кеталей с диазоуксус-ным эфиром. Журнал Общей Химии, 1998, т.68, вып. 8, с. 1303-1304.

3. А.И.Рахманкулов, Р.М.Султанова, С.С.Злотскнй,

B.А.Докичев. Взаимодействие циклических ацеталей с метиловым эфиром диазоуксуснон кислоты. Башкирский Химический Журнал, 1997, т.4, вып. 1, с.78-7?.

4. С.С.Злотскнй, А.И.Рахманкулов, В.А.Докичев, Р.М.Султанова. Реакции карбенов с замещенными циклическими ацсталями. Тезисы докладов Шестой международной конференции по химии карбенов и родственных интермедиа-тов, Санкт-Петербург, 28-30 мая, 1998, с.35.

P.M.Султанова. Синтез замещенных 1.4-диоксанов из циклических ацетален. Тезисы докладов III Международной Мамедали-евской нефтехимической конференции, Баку, 5-8 октября.

5. С.С.Злотскнй. А.И.Рахманкулов, В.А.Докичев,

1998. с.29.

Соискатель

Лицензия ЛР № 020267 ОТ 22.11.96. Подписано к печати 10.11 98. Формат бумаги 60x84 1/16. Бумага писчая. Печать офсетная. Печ. листов 1,4. Тираж 00. Заказ 199.

Типография Уфимского государственного нефтяного технического университета 450062, Уфа, Космонавтов, 1

УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЯНОЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

РАХМАНКУЛОВ АЗАТ ИЛДАРОВИЧ

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ МЕТИЛОВОГО ЭФИРА ДИАЗОУКСУСНОЙ КИСЛОТЫ С ЦИКЛИЧЕСКИМИ

АЦЕТАЛЯМИ

Специальность 02.00.03 "Органическая химия"

ДИССЕРТАЦИЯ • ' на соискание учёной степени кандидата химических наук

Соискатель: Научный руководитель:

На правах рукописи

доктор химических наук, профессор С.С.Злотский

А.И.Рахманкулов

Уфа 1998

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ 4

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 7

1.1. Общие принципы генерирования карбенов

из производных диазоуксусной кислоты 7

1.2. Примеры реакций эфиров и ацеталей с карбенами 15

2. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ 35 2.1. Действия эфиров на циклические ацетали 35 2.2 Относительная активность циклических

ацеталей 49

2.3. Реакции бифункциональных циклических ацеталей 54

2.4] ЯМР-спектры некотрых продуктов 59

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 68 3.1. Синтез и подготовка исходных материалов 68 3.2^ Методика получения 2-замещенных-

1,3-диоксоланов 68

3.3. Методика синтеза метилового эфира диазоуксусной кислоты 68

3.4. Методика получения изомерной смеси 4-гидроксиметил-1,3-Диоксолана и 5-гидрокси-

1,3-диоксана 69

3.5. Методика получения и 2-фенил-2-дибромметил-1,3-диоксолана и 2-фенил-2-ди-хлорметил-1,3-диоксолана 70

3.6.; Методика получения З-изопропил-1,4-диоксан-2-карбоновой кислоты с использованием

ВР3ОЕ12 71

3.7. Методика получения З-изопропил-1,4-диоксан-2-карбоновой кислоты (4) с использованием КЪ2(С¥ъС02)4, Си(ОТ£), Си804 71

3.8. Методика карбенирования 2,2-пентаметй-лен-4-гидроксиметил-1,3-диоксолана 72

3.9. Методика получения изомерной смеси 5(1-окси-3-карбонилокси)пентил-1,3-диоксана и 4(2-окси-4-карбонилокси)гексил-1,3-диоксолана 72

3.10. Методика проведения конкурентных реакций ацеталей и представителей различных классов химических соединений с метилдиазо-ацетатом 73

3.11. Методика получения диметилового

эфира малеиновой кислоты 74

3.12. Методы анализа количественных и качественных закономерностей 74

ВЫВОДЫ 90

ЛИТЕРАТУРА 92

Приложение 1 100

Введение

Циклические ацетали и их гетероаналоги широко используются в тонком органическом синтезе как реагенты, полупродукты, исходные вещества при получении биологически активных веществ.

Практическая ценность этих соединений определяет возрастающий интерес к теоретическим и прикладным проблемам химии циклических ацеталей. Поэтому развитие методов синтеза замещенных циклических ацеталей, получение на их основе функционально замещенных реагентов является важной актуальной задачей органической химии.

Повышенный интерес к исследованию ацеталей, их гетероаналогов и функциональных производных вызван не только широкими возможностями их практического использования, но и как к модельным соединениям в решении проблем теоретической химии, а также доступностью нефтехимического сырья и продуктов, лежащих в основе синтеза. Описаны различные полифункциональные 1,3-диоксациклоалканы, проявляющие физиологическую активность /53/, пригодные в качестве гербицидов /53/, инсектицидов /75/. Также указывается, что соединения этого класса включают эффективные ингибиторы коррозии /74/, растворители, пластификаторы, добавки к полимерам /53/.

Антимикробная и бактерицидная активность позволяет применять их в производстве косметических препаратов, в медицине; используются они и в синтезе других практически ценных веществ /76, 77, 78/.

Нуклеозиды, содержащие диоксолановый фрагмент,

рассматриваются в качестве потенциального ингибитора протекания СПИДа и, в отличие от известного азидотими-дина, являются менее токсичными /73/.

Особый интерес представляют циклические ацетали и их азотсодержащие аналоги, содержащие в качестве функциональной группы атом галогена. Сочетание в одной молекуле ацетальной функции и галогена существенно расширяет синтетические возможности этих соединений, а также обуславливает ряд новых полезных свойств /79, 80/.

Однако, существующие пути получения функциональных циклических ацеталей в ряде случаев мало привлекательны, поскольку являются многостадийными, и

и ТЛ и

выход целевых продуктов крайне незначителен. Б этой связи создание и разработка эффективных методов синтеза замещенных 1,3-диоксацикланов и изучение их активности представляется важной и актуальной задачей.

Работа состоит из трех глав. В первой главе рассмотрены литературные данные по развитию химии карбенов, связанные с вовлечем в карбеновые реакции разнообразных классов органических соединений, в том числе и гетероциклических.

Во второй главе обсуждены результаты экспериментальных исследований, механизм реакции карбенирования диазоуксусным эфиром диоксоланов различного строения, влияние природы катализаторов на направление и выходы конечных продуктов реакции.

В третьей главе описаны методы проведения экспериментов, приведены физико-химические константы полученных соединений, даны их спектральные характеристики, а также рассмотрены некоторые особенности ЯМР спектров.

Литературный обзор

1.1. Общие принципы генерирования карбенов из производных диазоуксусной кислоты

Реакции карбенного распада эфиров диазоуксусной и других диазокарбоновых кислот (диазоэфиров) широко используются в органическом синтезе для получения эфиров циклопропан- и циклопропенкарбоновых кислот из непредельных соединений /1-8/. Гораздо менее известны реакции диазоэфиров с насыщенными соединениями, приводящие в общем случае к внедрению фрагмента СЯСОгК1 в с-связи Х-У в результате разрыва этих связей и образования новых - С-Х и С-У. Данное превращение может осуществляться либо согласованно через трехцентровое переходное состояние с сохранением конфигурации асимметрического атома (путь а), либо, напротив, с рацемизацией, ступенчато по типу отрыв-рекомбинация с участием радикальных частиц (путь Ь), диполярных интермедиатов (путь с) или илидных структур.

Ясно, что реализация того или иного пути определяется, в основном, строением субстрата, а также способом генерации карбена.

Синтетическая значимость реакций этого типа обусловлена возможностью карбофункционализации насыщенных соединений. Однако до последнего времени использование их в органическом синтезе ограничивалось отсутствием удобных методов генерировавия алкоксикарбонилкарбенов (АКК), способных к селективному реагированию с ст-связями. Фотолитическое и термическое дедиазотирование диазоэфиров приводит к образованию чрезмерно активных карбенов,

которые неселективно реагируют с акцептором с образованием большого количества продуктов. Каталитическое дедиазотиро-вание под действием традиционных катализаторов на основе соединений меди приводит к более селективным карбенам, но также лишь в отдельных случаях обеспечивает необходимую препаративную селективность реакций диазоэфиров с насыщенными соединениями.

Х-У + г СЛССЮ!*1

V

Х---У

1 -1

я. ,со2к

X

X У

I 2 У

I

У

X—|КСОгЯ

X—уф

Лишь последние достижения в области катализа карбенного распада диазоэфиров, и в первую очередь использование соединений родия (II) как катализаторов этого процесса /9/ открыли возможности широкого использования реакций внедрения для алкоксикарбонилметиленирования разнообразных насыщенных соединений.

Алифатические связи С—Н

Известны реакции внедрения АКК в связи С—Н алканов, алкенов и алкинов, которые в общем виде могут бы представлены следующим уравнением:

\1

с—н + м2сксо2я

*■ с—сшсо2к

Реакция с алканами имеет ограниченное синтетическое применение, поскольку низкая избирательность высоко реакционноспособных АКК в отношении первичных, вторичных и третичных связей С—Н и легкость димеризации карбенов приводят обычно к смесям продуктов, хотя их суммарные выходы при использовании карбоксилатов родия (II) в качестве катализаторов достигают 90% /10/. Образование продуктов внедрения в связи С-Н алканов с высокими выходами (-90%) отмечено при дедиазотировании дназоэфиров с непредельной спиртовой компонентой, например пропенил-диазоацетата в среде гексана в присутствии СиС12.

Практическое применение межмолекулярная реакция С— Н-внедрения нашла для модификации этиленпропилено-вого каучука, которая осуществляется обработкой его этилдиазоацетатом (ЭДА) при 210°С (степень функционализа-ции 5-10%)/11/.

Значительно большее синтетическое значение имеют внутримолекулярные реакции С-Н-внедрения. Эти реакции протекают с препаративными выходами даже в условиях фотолиза или пиролиза диазоэфиров /12-14/:

О

О

Н со2ш

Н со2ш Н СС

Общ. выход 80%, соотношение 1:2

N2 Ьу

II

1:-ВиСС02Е1 сусЬ-СзН] 0 / -N2

ЫгСНСОзСНгСНКЯ1

180-200°С ->

-N9

С02Ег 35%

о. ,о

я-

г

20%

Препаративных выходов удается достичь и при использовании соединений меди в качестве катализаторов дедиазотирования диазоэфиров /15/:

/V0

Ме., Н 01604 Е. \ Г

х V2 >4

ЕГ СН202ССС02Ме Ме' С02Ме

48%

Применение карбоксилатов родия (II) позволяет проводить зти реакции в более мягких условиях, что способствует повышению выходов продуктов и селективности процесса /16,17/.

О

КЬ2(ОАс)4, 20°С ^ ^С02Ме

,2

СН2С^ / -N2 -= я

й1

55-77%

Я=Ме, ¡-Рг, С8Н17, Н2С=СН, Ме2С=СНСН2, Ме

Активность связей С—Н в этой реакции падает в ряду СИ—Н > СБес— Н > Сп—Н, причем все они активнее, чем связи С—Н бензильного и аллильного типов /18, 19/.

При наличии в молекуле длинных неразветвленны углеводородных цепей атаке карбенного центра подвергается исключительно связь С—Н при е-атоме углерода с образованием производных циклопентана /20/. При этом реакция внедрения осложняется конкурентным процессом элиминирования |3-атома водорода с образованием производных акриловой кислоты, а соотношение между этими направлениями зависит от лиганда при атоме Ш1:

С02Ме

/^Ч

к

Я

Шьи -1

-N0

,С02Ме

,С02Ме

к

Я

1

ь 11=Н, К1=С7Н15 Я=Ме, К1=С6Н4Ме-4

Общий выход, % Соотношение 1:2 Общий выход, % Соотношение 1:2

осови-г 97 85:15 89 55:45

ОСОСИз 93 52:48 99 26:74

Следует отметить, что реакции внутримолекулярного С— Н-внедрения с участием спиртовой компоненты диазоэфиров весьма чувствительны к строению диазоэфира и противоиона катализатора. Так, под действием перфторбутирата родия (II) алкил-диазоацетаты (АДА) и алкил-а-ацил-диазоацетаты

циклизуются с преимущественным образованием продуктов С—Н-внедрения в связь, образованную первичным атомом углерода, причем селективность процесса несколько выше в случае АДА (табл. 1). Напротив, под действием ацетата родия (II) внедрение протекает главным образом, а в присутствии ацетамида родия (II) -исключительно по третичным связям С-Н /21/.

Таблица 1. Региоселективность реакций внутримолекулярного С-Н внедрения с участием спиртовой компоненты диазоацета-тов.

ЮьЬ

О

о

4

3

ь И=Ас

Общий выход, % Соотношение 3:4 Общий выход, % Соотношение 3:4

РШ 56 32:68 45 45:55

ОАс 81 53:47 97 90:10

Асаш 96 >99:1 89 >99:1

Диазоэфиры при облучении, нагревании или под действием катализаторов реагируют с соединениями,

содержащими связи гетероатом—водород, с образованием продуктов внедрения соответствующих карбенов - эфиров

вдн + м^со^1 Ьу,А,са1 вдсшсс^я1

N0

д = Н О, я С5е производных уксусной кислоты.

К настоящему времени известны реакции внедрения в связи N-11, О-Н, 8-Н, БьН, ве-Н и Р-Н, которые, как правило, протекают селективно и с высокими выходами продуктов внедрения.

Связи 1Ч-Н

В реакцию с АДА, независимо от способа дедиазотирова-ния, вступают как алифатические /22/, так и ароматические первичные и вторичные амины /23, 24/, давая с высокими выходами Ы-алкилированные эфиры глицина:

ся1"

Е^Ш + м2снсо2Ег * » Е%ксн2со2Ег

-N•7

саг= СиСИ (72%), СиС1 (33%)

+ Н2СНС02Е1

СиСГ4, 5-10°С

N4

ЪГ

Н

ИН2 Я=Н, Ме

+ К2СНС02Ме

Си8Р4

РШН2 + 2>12СНС02Ме

Ш^ОАс)* 40-50°С ->-

-N0

РШ(СН2С02Ме)2 61%

Связи О-Н

Довольно разнообразны реакции АДА с гидроксилсодер-жащими соединениями, приводящие к образованию продуктов внедрения соответствующих карбенов в связи О-Н. Так, некоторые органические кислоты, например, трифторметан-сульфокислота, способны реагировать с ЭДА в среде жидкого БОг уже при —78°С с образованием соответствующего сульфоната гликолевой кислоты с выходом 73% /25/:

СР38020Н + М2СНС02Е1 —СР38020СН2С02Е1

Однако другие гидроксилсодержащие соединения (вода, спирты, карбоновые кислоты) дают продукты О—Н-внедрения только при фотолитическом, пиролитическом или каталитическом дедиазотированни АДА /22, 26/ или их а-металлированных производных /27/:

hy, Д , cat

ROH + N^COzR2 -ROCHR^OsR2

-N2

R = H, Alk, Ac; R! = H,HgMe; R2 = AIk

Препаративное значение эта реакция получила только после открытия катализаторов на основе соединений родия, обеспечивающих препаративные выходы (более 80%) продуктов в случае различных диазоэфиров и широкого круга гидроксилсодержащих соединений /7/.

Высокая эффективность этих катализаторов позволяет осуществлять реакции и со сложными по строению эфирами диазоуксусной кислоты /28/:

Rh2(OAc)4, 20°С

н2о + n2chco2ch2c=ch -носн2со2сн2с=сн +

CHoCU / -No

15%

+ 0(ch2c02ch2tech)2 20%

1.2. Примеры реакций эфиров и ацеталей с карбенами

Диазоэфиры в условиях их дедиазотирования реагируют с разнообразными соединениями, содержащими связи углерод— гетероатом. Общим для всей этой большой группы реакций является механизм первичного акта, заключающийся в атаке карбеном неподеленной пары гетероатома с образованием илида. Дальнейшие превращения этих илидов, определяемые строением субстрата, довольно многообразны. Наиболее часто

происходит [1,2]-сдвиг карбенового фрагмента от гетероатома к соседнему атому углерода (перегруппировка Стивенса) с образованием продукта формального внедрения карбена в связь С—X (путь а), который иногда осложняется элиминированием атома Н при р-атоме С с переносом фрагмента НХ от субстрата к карбену (путь Ь).

^СЯСС^

: СЯС02Я

н 1 \ 1 1 —С-Х —С—С—X „ / II 1 1 ~>С=С—С— X 1 „

©

С—X ©СЯСОгИ

1

X

\ I 1

—С—СКСОгЯ

/

О

/ I ,

ОСЯС02Я

ь

X

+ )сксо2к ну

1

ф

\/ I 1

в СЯСОзЯ

А

X

,сксо2я

В случае аллильных производных эффективно протекает [2,3]-сигматропная перегруппировка илида, которая приводит к продукту внедрения (путь с).

Все эти процессы, приводящие к существенным изменениям углеродного скелета исходной молекулы, во многих случаях протекают селективно и представляют собой эффективный путь функционализации ациклических гетероатомных соединений и построения карбофункциональных гетероциклов.

а

В настоящее время установлена способность

диазоэфиров взаимодействовать со связями С-На1, С-М, С-О, СБ; известны отдельные примеры реакций с участием С - Бе.

Реакции диазоэфиров с простыми ациклическими эфирами, инициируемые облучением /29/, нагреванием /31/ или действием Ш12(ОАс)4 /30/ обычно протекают неселективно, приводя к эфирам алкоксиуксусных кислот в результате реакции р-элиминирования первоначально возникающих О-илидов. При этом образование продуктов С—О-внедрения наблюдается как исключение.

ЕЮ2ССК

| 1 + МеОМе БМе з

© ©

ЕЮоСС—ОМе I

8Ме3

2

ЕЮ,ССМеОМе I

8Ме3 17%

+

ЕЮоССНОМе I

81Ме3

+

12%

+

ЕЮ2ССНСН2ОМе I

81Ме3 8%

КЬ2(ОАс)4

ЕЮСН2Ме + Ы2СНС02СН2СееСН

еюсн2со2сн2с=сн

21 30%

М2СНС02СН2СН2С1 + Ме0(СН2СН20>2Ме

140°с

*

©

МеОСН2СН2ОСН2СН2ОСН;

?

©

МеОСН2СНоОСНоСНоОМе

в СНС02СН2СН2С1

[-СН2]

[-Н2С=СНОМе]

Т

Ме0(СН2СН20)2СН2

+

МеОСН2СН2ОСН2

С02СН2СН2С1

С02СН2СН2С1

24%, 1 :3

Реакция ЭДА с аллилэтиловыми эфирами в присутствии КЬ2(ОАс)4, хотя и приводит к продуктам С—О-внедрения в результате [2,3]-перегруппировки илида, но также осложняется конкурентным образованием циклопропановых аддуктов, доля которых может достигать 30% /32/. При этом сама [2,3]-персгруппировка протекает с высокой степенью диастереосе-лективности.

ЖШ=СНСН2(Ж + >12СНС02Е1 - N2 Ю^ОАс^

+

СН2СЖ

С высокой селективностью осуществляется инициируемая КЬ2(ОАс)4 внутримолекулярная циклизация а-

ацилдиазоэфиров, содержащих аллилоксильный и пропаргилок-сильный фрагмент /33/. Эти реакции приводят к 5- и 6-членным оксацикланонам в результате С—О-внедрения и [2,3]-перегруппировки.

А' I

а.

О

Щ(ОАс)4 -1

о

.•V

,С02Ме t I ^СН2СН=СН2

в—о

А I

В

95%,

СН2 I 2 сн.

сн

2

91%, ¿И, 53%, I

сн2

0

1

СН2 51% I

СН2

О

С02Ме Щ(ОАс)4

N0

,С02Ме СН=С=СН2

СН2С=СН

С02Ме

КЬ2(ОАс)4 -»

-н,

67%

Образование продуктов формального С—О-внедрения отмечено в в реакциях ЭДА с ацеталями и ортоэфирами, причем под действием эфирата ВРз реакции дназоэфиров с ортоэфирами приводят исключительно к продуктам С—0-внедрения. Катализируемые металлами процессы менее селективны и сопровождаются (3-элиминированием /34/.

1 1 3 Са1 1 2 3 1 1

КС(СЖ )з + Ы2СЯ С0211 >• (Я о^скси со2к + и осн2со2к

- N7

вр30&2, 25 с

45-85%

<5%

КЬ2(ОАо)4>60°С

3-20%

11-27%

Си(ОТ^, 20 С

38-46%

6-20%

И1 - Н, С02Ме; И3 = Ме, Ш

Под действием ЯЬ2(ОАс)4 ЭДА реагирует с диметилацета-лем акролеина с образованием продукта [2,3]-перегруппировки

О-илида наряду с циклопропановым аддуктом /35/.

ЩСПС02Ш + Н2С=СНСН(ОМе)2

Й12(ОАС)4 ->■

20°С/-Щ

со2ш I

МеОСН=СНСН2СНОМе

СН(ОМе)2

со2Ег

76 : 24, общий выход 47%

Однако при инициировании этой реакции эфиратом ВЕ3 главными, а иногда и единственными, являются продукты формального С—С-внедрения - диацетали производных формилуксусной кислоты (наряду с небольшими количествами циклопропановых аддуктов) /36/.

ОМе I

ШШ + 1

ОМе

М2СНС02Е1

ВРзОЕг

->■

-н

2

/СН(ОМе)2

ясн чсо2Ег

ЯС(ОМе)2 +

сн2со2Ег

+

СН(ОМе)2 —со2Ег

Авторами /4