Взаимодействие пропаргилгалогенидов с CH-кислотами в основных и кислых средах тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.03 ВАК РФ

КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

ГРИЦАЙ Наталия Викторовна

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ПРОПАРГИЛГАЛОГЕНИДОВ С СН-КИСЛОТ АМИ В ОСНОВНЫХ И КИСЛЫХ СРЕДАХ

02.00.03 - Органическая химия

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата химических наук

Научный руководитель: доктор химических наук, профессор Н. В. Комаров

КРАСНОДАР 1998 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение.............................................................................................6

1. Аналитический обзор.................................................................... 9

1.1. Пропаргилгалогениды в реакциях алкилирования................. 10

1.1.1. Взаимодействие пропаргилгалогенидов с азотсодержащими органическими реагентами.................................................... 10

1.1.1.1. Методы синтеза пропаргиламинов.................................... 10

1.1.1.2. Взаимодействие бромистого пропаргила с азотсодержащими гетероциклами.................................................................... 15

1.1.2. Взаимодействие пропаргилгалогенидов с элементооргани-ческими соединениями.................................................................. 17

1.1.2.1. Пропаргилгалогениды в реакциях с фосфоросодержащими органическими реагентами.................................................... 17

1.1.2.2. Пропаргилгалогениды в реакциях с серосодержащими органическими реагентами............................................................... 21

1.1.2.3. Взаимодействие пропаргилгалогенидов с металооргани-ческими реагентами.......................................................................... 22

1.1.3. Пропаргилгалогениды в реакциях С-алкилирования.......... 24

1.1.3.1. Взаимодействие пропаргилгалогенидов с СН-кислотами 24

1.1.3.2. Другие реакции С-алкилирования..................................... 27

1.1.4. Пропаргилгалогениды в реакциях О-алкилирования.......... 28

1.2. Реакции пропаргилгалогенидов с участием кратной связи.... 31

1.2.1. Реакции присоединения по тройной углерод - углеродной связи пропаргилгалогенидов............................................................ 31

1.2.2. Полимеризация галогеналкинов........................................... 36

2. Обсуждение результатов............................................................... 39

2.1. Взаимодействие пропаргилгалогенидов с СН-кислотами в

основных средах................................................................................ 41

2.1.1. Взаимодействие пропаргилгалогенидов с 0-дикарбонильными соединениями..................................................... 42

2.2. Взаимодействие пропаргилгалогенидов с азотсодержащими СН-кислотами................................................................................... 48

2.1.2.1. Реакции пропаргилгалогенидов с цианацетами-дом..................................................................................................... 48

2.1.2.2. Взаимодействие 1 -триметилсили-3-хлор-1 -пропина с бензоилнитрометаном...................................................................... 50

2.2. Взаимодействие пропаргилгалогенидов с СН-кислотами в кислых средах.................................................................................... 56

2.3. Строение основных групп синтезированных соединений.......61

2.3.1. Исследование строения продуктов алкилирования масс-

спектралъным методом анализа....................................................... 61

2.3.2. Исследование строения 3,5-дизамещенных изоксазо-

лов..........................................................................................,........... 69

3. Экспериментальная часть............................................................. 73

3.1. Методы анализа и идентификация синтезированных соединений.................................................................................................. 73

3.2. Исходные вещества и растворители........................................ 73

3.3 Взаимодействие 1 -триметилсилил-3-хлор-1 -пропина с СН-

кислотами в основных средах........................................................... 77

3.3.1. Получение 5,5-ди-(3-триметилсилил-2-пропинил-)2,2-димегил -1,3-диоксан-4,6-дионона................................................... 77

3.3.2. Получение 2,2-ди-(3-триметилсилил-2-пропинил-)5,5-диметил-1,3-циклогександиона и 2-(3-триметилсилил-2-пропинил-)5,5-диметил-1,3-циклогександиона................................ 77

3.3.3. Взаимодействие З-бром-1-пропина с 5,5-диметил-1,3-циклогександиоиом (димедон)......................................................... 80

3.3.4. Получение 2-(3-триметилсилил-2-пропинил-)2-фенил-1,3-индандиона........................................................................................ 81

3.3.5. Получение 2-пропинил-2-фенил-1,3-индандион................... 82

3.3.6. Взаимодействие 1 -триметилсилил-3-хлор-1 -пропина с 2,4-пентандионом.................................................................................... 83

3.3.7. Взаимодействие З-бром-1-пропита с 2,4-пентандионом..... 84

3.3.8. Взаимодействие 1-триметилсилил-3-хлор-1-пропина с циа-нацетамидом..................................................................................... 85

3.3.9. Взаимодействие 3-(хлор)-бром-1-пропина с цианацетами-дом..................................................................................................... 86

3.3.10. Взаимодействие 1 -триметилсилил-3-хлор-1 -пропина с

бензоилнитрометаном (а- нитроацетофенон).................................. 86

3.3.11. Взаимодействие 1-триметилсилил-3-хлор-1-пропина с иодом в присутствии триэтиламина..................................................... 89

3.3.12. Получение периодида 1 -триметилсилил-З-хлор-1 -

пропина............................................................................................. 90

3.3.13. Взаимодействие З-бром-1-пропина с бензоилнитрометаном (а- нитроацетофенон)................................................................ 90

3.4. Взаимодействие замещенных алкинов с СН-кислотами в кислых средах.................................................................................... 90

3.4.1. Взаимодействие 1-триметилсилил-З-хлор-1-пропина с бензоилнитрометаном............................................................................ 90

3.4.2. Получение 4,5-дибензоилфуразана....................................... 91

3.4.3. Получение 5-бромметил-З-бензоилизоксазола..................... 91

3.4.4. Получение 5-хлорметил-З-бензоилизоксазола...................... 92

3.4.5. Получение 5-триметилсилил-З-бензоилизоксазола.............. 93

3.4.6. Получение 5-фенил-З-бензоилизоксазола............................. 93

3.4.7. Получение 5-фенил-3-(4-нитробензоил)-изоксазола............. 94

3.4.8. Получение 5-хлор-З-метоксиизоксазола............................... 94

3.4.9 . Взаимодействие 3-хлор-1 -пропина с нитрометаном........... 95

3.4.10. Взаимодействие триметилсилилэтина (триметилсили-

ацетилена) с нитрометном................................................................ 95

Выводы............................................................................................ 97

Список использованной литературы............................................. 99

Приложение..................................................................................... 110

Список сокращений

ИК спектр — инфракрасный спектр поглощения

ЭПР — электронный парамагнитный резонанс

ЯМР (ПМР) — ядерный (протонный) магнитный резонанс

ТМС — тетраметилсилан

ГМДС — гексаметиддисилоксан

ТГФ — тетрагидрофуран

ДМСО — диметилсульфоксид

ДМФА — диметилфорамид

ЖМКО — "жесткие" и "мягкие" кислоты и основания

с — синглет

д — дублет

т — триплет

к — квадруплет

м —- мультиплет

ТСХ — тонкослойния хроматография

ГЖХ — газожидкостная хроматография

ВВЕДЕНИЕ7

Ацетилен и его производные лежат в основе одного из важнейших направлений органического синтеза. В настоящие время производство различных химических продуктов из ацетилена превратилось в разнообразную по номенклатуре и многотоннажную отрасль промышленности основного и тонкого органического синтеза. Ацетилен находит широкое применение в процессах получения различных практически ценных веществ, медицинских средств [1-4] и материалов [5-8] ( полимеры, лаки, полупроводники, компоненты ракетных топлив, гербициды и т. д.).

После периода заметного спада (1955 - 1965 гг.) в последние время вновь возрос интерес к ацетиленовому сырью. Важную роль в изменении отношения к ацетилену в органическом синтезе сыграла усиливающаяся тогда ориентация на уголь, нефть и природный газ как сырье будущего. Сельское хозяйство, техника, медицина нуждаются в новых дешевых химических продуктах. Применение ацетилена в малотоннажных синтезах сложных органических веществ оказалось весьма эффективным, поскольку, в таких процессах ацетилен вносит очень небольшой вклад в стоимость сырья. В связи с этим дальнейшие исследования в области синтеза новых производных ацетилена являются актуальной задачей. Новый импульс этим исследованиям могут придать реакции ацетиленовых соединений с СН-кислотами.

К СН-кислотам химики - органики возвращаются вновь и вновь. Интерес к изучению производных СН-кислот определяется большими синтетическими возможностями этих соединений, биологической активностью многих представителей этой группы веществ [9,10] и другими практически полезными свойствами. Введение в молекулу СН-

» Научный консультант к. х. н., доц. кафедры органической химии КубГУ Дыбова Т. Н.

Выражаю признательность к. х. н., доц. кафедры органической химии КубГУ Юрченко О. И. за внимание к работе.

кислоты ацетиленового фрагмента значительно расширяет диапазон синтетических возможностей таких объектов и делает их интересными для изучения многих вопросов теоретической и прикладной органической химии.

Диссертация является разделом темы "Исследование методов синтеза и реакционной способности ненасыщенных функциональных соединений элементов IV группы" в соответствии с приоритетным направлением развития фундаментальных исследований РФ "Синтез сложных органических молекул" ( Указ президента РФ № 884 от 12.01.98 г.).

Цель работы. Исследование особенностей поведения различных по природе кислород- и азотсодержащих СН-кислот с пропаргилгало-генидами в основных и кислых средах. Разработка препаративно удобных методов синтеза полифункциональных соединений на основе производных ацетилена и СН-кислот. Установление строения полученных веществ различными спектральными методами.

Научная новизна и практическая значимость работы. Впервые систематически изучено взаимодействие пропаргилгалогенидов (1-триметилсилил-3-хлор-1 -пропина, 3-хлор- и (-3-бром-)1 -пропина) с нитро-, карбонил- и циансодержащими СН-кислотами в основных средах, предложены схемы протекания процессов. Установлено, что взаимодействие галогеналкинов с р-дикетонами и цианацетамидом проходит по схеме С-моно- или С,С-диалкилирования, в случае же нитроацетофенона протекает процесс одноэлектронного переноса заряда, изменяющий направление взаимодействия триметилсилилпро-паргилхлорида с нитро- СН-кислотами.

Показано, что в кислых средах направления реакций моно- и ди-замещенных ацетиленовых соединений с нитро-СН-кислотами зависят констант кислотности СН-кислоты, а также от природы заместителей этиновой компоненты. В частности, взаимодействие алкинов, содержащих кратную концевую углерод-углеродную связь с бензоил- и (п-

нитробензоил-) нитрометаном, метиловым эфиром нитроуксусной кислоты протекает по пути 1,3-диполярного циклоприсоединения и завершается образованием гетероциклических соединений ряда изок-сазола. В случае нитроалканов процесс проходит многостадийно - образующаяся протонированная форма ацетиленового соединения атакуется ациформой нитроалкана с образованием нитроновых эфиров, последующая внутримолекулярная перегруппировка которых приводит к выделению функционально замещенных кетонов.

Найденные закономерности реакций производных ацетилена с СН-кислотами могут служить основой при прогнозировании путей целенаправленного синтеза веществ с заданным строением.

В результате исследования разработаны препаративно удобные методы синтеза полифункциональных ацетиленовых соединений и замещенных гетероциклических соединений ряда фуроксанов и изок-сазолов.

Аналитический обзор

с кратными связями являются: однимииз наиболееважных и пфшживнБк органичшсих шедине-ний.

Исключительное положение* которое они занимают в органической и злементоорганической химии обусловлено рядом: факторов. Большая доступность и мн0гогранная реак1^ош1ая шошбнасгь их обуславливают большие синтетические возможности этих веществ.

Среди этого обширного класса соединений наше внимание привлекли галогенорганические соединения пропаргилъного типа. Наличие в их молекулах нескольких реакционных центров (галоген у sp3 -атома углерода, Csp-Hs С^С связи) определяет широкий спектр синтетических возможностей таких объектов.

В фундаментальных монографиях [11,12] нет специального раздела, посвященного химическим превращениям пропаргилгалогени-дов, лишь кратко описаны некоторые свойства и методы синтеза.

Нами сделана попытка рассмотреть химические превращения пропаргилгалогенидов по деум реакционным центрам: а) реакции нуклеофильного замещения затрагивающие связь Csp3 - Hal, б) реакции присоединения по крашой связи.

В литературном обзоре не рассматриваются методы синтеза5до-сгаточно полно освещенные в литературе [13,14]. В обзор также не включены химические превращения пропаргиягаяогшндов протекающие за счет других функциональных групп.

1.1. Пропаргилгалогеннды в реакциях ал кодирования

1.1,1. Взаимодействие пропаргилгалогенидов с азотсодержащими о^ггмй^скиш реашггами

1.1.1.1. Методы еинтеза ироязргиламинов

Одним из основных методов синтеза ацетиленовых аминов является замещение галогена в галоидироизводных ацетилена на аминогруппу, Простейший амин ацетиленового ряда, пропаргиламин [15], можно получить обработкой пропаргидгалогенида аммиаком. При взаимодействии бромистого пропаргияа с жидким или водным аммиаком выделяется смесь moho-, ди- и трипроп аргиламшюв.

Пропаргиламин также синтезируют по методу Делепина действием уротропина на пропаргиловый эфир бензолсулъфокишоты, При этом был получен его комплекс с уротропином НОгОСН2$ОзСбН5(СН2)бН4. Разложение последнего водно - спиртовым НС1 приводит к хлоргидрату пропаргиламина, после обработки которого содой получают пропаргиламин {16}.

Этим же методом Сато [17] из бромистого пропаргила получил бромгидрат пропаргиламина и выделил лрол аргдагамин. Им получены также и другие кристаллические производные пропаргиламина HGsCCHtNRR1 из пропаргилгалогенида и соответствующих аминов в присутствий сухого углекислого натрия при кипячении в спиртовом растворе.

Ряд вторичных и третичных ацетиленовых аминов синтезирован [18] взаимодействием пропаргилбромидов с первичными и вторичными аминами алифатического и ароматического ряда при комнатной температуре в присутствии четырехкратного избытка исходного амина:

2 R4R2NH + RXX:CH2Br™-► R!R2NCH2CsC R3 + R>R2N+HBr

RlR2NCH2CbC R3 + R^-CCHiBr-► [R!R2N(CH2CbC R3)2}+Br

для R3=H - R!=H, R2=CH(€H3)2, C4H9, СбНв, C6H5; для R3= C4H9 -Ri=H, R2=CH(CH3)2, C4H9, СбН13, CeHs, n-NOzCeHs; для R3=H - R»= R2= C2H5, R!= R2= СбН5; для R3= C4H9 - R<= R2= C2H5, R!= R2= C6H5, RI= C6H5, R2= СНз.

Отмечено, что выбор растворителя зависит от нуклеофильной способности исходного амина ( в случае предельных аминов использовался — пентан; в случае ароматического амина, п-нитроанилина — ацетонитрил).

Аналогичную реакцию с аридаминами проводили в присутствии трехкратного избытка ароматического амина при комнатной температуре на оксиде алюминия:

n-R- C6H4NH2 + НСЬССНгВг-* n-R- C6H4NHCH2CCH +

n-R-C6H4N(CH2CbCH)2 R = Н, С1, СНзО, СНз.

Для поглощения выделяющегося в реакции бромистого водорода оксид алюминия модифицирован карбонатом калия [19], при этом высокого выхода N-пропаргиламина удалось достичь уже при использовании двукратного избытка ариламина. С увеличением в реакционной смеси относительного количества бромистого пропаргила выход мо-нозамещенкого продукта снижается, при этом постепенно увеличивается выход Ы,К-дипропаргиламина. Однако отмечается, что применение двукратного избытка бромистого пропаргила не приводит к повышению выхода дизамещенного продукта, что вероятно связано с расходованием ариламина в конкурирующей реакции с бромистым водородом.

Таким образом, в отличие от рассмотренного ранее метода синтеза ариламинов, не являющегося селективным и требующего применения четырехкратного избытка ариламина Абдулганеевой С. А. и Ержано-вым К. Б. предложен удобный в препаративном отношении селективный метод синтеза моно- и дипропаргилариламинов на оксиде алюминия.

Исследование алкилирования N- бензилиденбензиламина бромистым пропаргилом в условиях межфазного катализа показало, что

основным продуктом реакции является 1,2-диамино-1,2-дифенилэтан, а выход у - ацетиленового амина достигает лишь 5 - 10 % [20]. Полученные результаты хорошо согласуются с данными работы [21], в которой установлены зависимости между основностью карбанионов и их способностью отдавать электроны галогенидам, содержащим элек-1роноакцегпорные группы. Авторами сделан вывод, что с увеличением основности карбанион легче вступает в реакцию переноса электрона, чем в реакцию нуклеофильного замещения. Для И- бензилиденбензиламина рК« 21 [22], следовательно основным направлением реакции является першос электрона от аниона бензилиденбензиламина к акцептору - бромистому пропаргилу, образование 1,2-диамино-1,2-дифснилэтан - результат рекомбинации образующихся радикалов:

СбН5СН2М=СНСбН5 + НСнССН2Вг---►

-► СбШСН* N=€1106115 + [НС=ССН2ВтГ^

I

СбН5^НН=СНСбН5 СбН^НИНг

СбН5СНК=СНСбН5 СбН5СШН2

Для избежания процесса одноэлектроного переноса заряда взаимодействие бензилиденбензиламина с бромистым пропаргилом поводили после предварительного металлирования:

(СВДЖл НС=ССНгВг СбН5СН2М=СНСбН5—-—* СбН5СН(и)М=СНСбН5->

* СбНзСНСНгС^СН СбШСНСНгСЬСН \?=СНСбН5 \ш2

Отмечено, что у - ацетиленовый амин с удовлетворительным выходом ( 50 - 60 % ) удается получить только при строгом соблюдении температурного режима (-70 °С ), в случае не соблюдения указанной

температуры и в этих условиях основным становится процесс одно-электроного �