Электрофильное сульфенилирование олефинов сульфенамидами, тиобисаминами и дитиобисаминами в присутствии оксогалогенидов фосфора тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.03 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. М.В. ЛОМОНОСОВА

ХИМИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ Кафедра органической химии

На правах рукописи ТИТАНЮК ИГОРЬ ДЕМЬЯНОВИЧ

ЭЛЕКТРОФИЛЬНОЕ СУЛЬФЕНИЛИРОВАНИЕ ОЛЕФИНОВ СУЛЬФЕНАМИДАМИ, ТИОБИСАМИНАМИ И ДИТИОБИСАМИНАМИ В ПРИСУТСТВИИ ОКСОГАЛОГЕНИДОВ ФОСФОРА

(02.00.03 - органическая химия)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата химических наук

Научные руководители: доктор химических наук, профессор

Н.В. Зык

кандидат химических наук, ассистент • Е.К. Белоглазкина

Научный консультант : академик РАН, профессор Н.С. Зефиров

Москва - 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр

Введение 1

I. Литературный обзор 3

Ы.Галогениды фосфора как электрофилы в органическом синтезе 3

1.1.1. Нуклеофильное замещение галогена у атома фосфора 4

1.1.1.1. Реакции с образованием связи фосфор-кислород 4

1.1.1.2. Синтез фосфорорганических соединений со связями фосфор-углерод 10

1.1.1.3. Синтез фосфорорганических соединений со связями фосфор-азот 15

1.1.2. Использование галогенидов фосфора в качестве кислот Льюиса 18

1.1.2.1. Ацилирование по Фриделю-Крафтсу 18

1.1.2.2. Формилирование по Вильсмайеру 19

1.1.2.3. Использование в качестве конденсирующих агентов

в синтезе гетероциклов 24

I.2. Электрофильное сульфенилирование олефинов 30

1.2.1. Присоединение дисульфидов к олефинам 30

1.2.2. Присоединение катионоидных соединений серы 31

1.2.3. Присоединение сульфенилхлоридов к олефинам 34

1.2.4. Сульфенилбромиды как реагенты бромсульфенилироания олефинов 37

1.2.5. Электрофильное присоединение производных сульфеновых кислот 39

1.2.6. Сульфенамиды в реакциях сульфенилирования олефинов 39

1.2.7. Реакции дихлорида серы с непредельными соединениями 43

II. Обсуждение результатов 46

11.1. Исследование взаимодействия сульфенамидов,

тиобисаминов и дитиобисаминов с РОВгз или РОСЛ3 49

11.2. Реакции ароматических сульфенамидов с олефинами

в присутствии РОВгз 53

11.3. Реакции алифатических сульфенамидов и

сульфенилимидов с олефинами в присутствии РОВгз 61

11.4. Реакции тиобисаминов с олефинами в присутствии

РОВгз 62

И.5. Реакции дитиобисаминов с олефинами в присутствии РОВгз 67

11.6. Реакции сульфенамидов и тиобисаминов с

олефинами в присутствии РОС1з 70

11.7. Реакции сульфенамидов, тиобисаминов и дитиобисаминов с олефинами в присутствии хлористого тионила и хлористого сульфурила 73

11.8. Реакции сульфенамидов, тиобисаминов и дитиобисаминов с олефинами в присутствии трехбромистого фосфора, пятибромистого фосфора

и трехбромистого алюминия 76

11.9. Синтез несимметричных [3, р ' - д игал о ген - ди ал кил сул ь ф и д о в 79

11.10. Реакции тиобисаминов и дитиобисаминов с диенами

в присутствии оксогалогенидов фосфора 83

III. Экспериментальная часть 89

IV. Выводы 128

V. Литература 129

ВВЕДЕНИЕ

С тех пор, как существует органический синтез, основная его задача -поиск наилучших препаративных методов функционализацции органических соединений. Реакции электрофильного присоединения к кратной связи олефинов (Ас1]н) являются в этом отношении одним из наиболее важных процессов. Введение сразу двух заместителей в молекулу, строгая стереоспецифичность процесса и региоселективность - несомненные плюсы этих реакций. Практически неограниченный выбор олефинов, широкие возможности варьирования набора электрофильных реагентов, а также возможность изомеризации, сопряженного присоединения, постадийного присоединения-элиминирования обеспечивает огромное разнообразие образующихся продуктов. В 40-70-ых годах шел активный поиск новых электрофильных реагентов, способных эффективно присоединяться по С=С связи. В дальнейшем развитие данного направления органического синтеза слегка притормозилось. Ученые в основном занимаются доработкой и небольшими усовершенствованиями созданных методов. Может быть уже все, что можно, придумано? В последние два десятилетия появилось на свет новое научное направление связанное с Ас^-реакциями, девиз которого: главное - не электрофильный реагент, главное - хороший активатор для реагента. В результате активации неорганическими кислотами Льюиса или окислителями, которые, как правило, легко доступны, удалось ввести в реакции электрофильного присоединения такие соединения, которые сами по себе не реагируют с олефинами, например, сульфенамиды, алкилнитраты, алкилнитриты, хлорамины, тиобисамины, дисульфиды и др. Таким образом не только расширился круг используемых реагентов, но были проведены

химические процессы, которые другими способами провести в одну стадию не удавалось.

Данная работа - еще один пример исследования, посвященного активации слабых электрофилов. Впервые были открыты и исследованы реакции электрофильного сульфенилирования, активируемые соединениями фосфора, в частности РОВгз и РОС1з- Мы использовали в качестве реагентов арилсульфенамиды Ат-Б-ЫИ-г тиобисамины ЯгК-Б-НЯг и дитиобисамины КгК-Б-Б-ККг. Низкая реакционная способность этих веществ обусловила то, что они известны лишь узкому кругу специалистов. Тем не менее, учитывая возможности их активации, эти соединения являются прекрасными реагентами сульфенилирования. В нашей работе путем одностадийного синтеза, присоединяя к олефинам эти реагенты в присутствии оксогалогенидов фосфора, мы получали соответственно (3-галогенсульфиды, (3,(3'-(дигалогендиалкил)сульфиды и р,р'-(дигалогендиалкил)дисульфиды. Мы не будем здесь указывать все достоинства реакций, отметим лишь, что высокие выходы (75-99%), синтетическая важность сульфидной группы и потенциальная биологическая активность соединений, содержащих На1-С-С-8 фрагмент, позволяют нам считать, что время на исследование потрачено не зря.

Обсуждению результатов предшествует литературный обзор, состоящий из двух частей. Первая часть посвящена использованию в органическом синтезе галогенидов и оксогалогенидов фосфора. Во второй части рассматриваются реакции электрофильного сульфенилирования олефинов, приводящие к продуктам, сходным с получаемыми в исследованных нами реакциях.

I ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1. Галогениды фосфора как электрофилы в органическом синтезе

К настоящему моменту накоплено огромное количество литературного материала по использованию галогенидов фосфора в органическом синтезе. В подавляющем большинстве работ они применяются как электрофилы или кислоты Льюиса. Однако, в научной литературе нет ни одного обзора, который бы охватывал все основные направления их применения. Наша работа является первой попыткой систематизировать литературные данные, относящиеся к этой научной области. Мы воспользовались электронной базой данных «ВеЙ81ет», и результатом поиска по ключевым словам (РОСЬ, РОВгз, РСЬ, РВгз, РСЬ, РВгэ) явилось более 400 ссылок за последние десять лет. Мы не ставили перед собой задачу осветить в полном объеме все, что было создано в органической химии с участием галогенидов фосфора. Мы решили представить здесь главные направления использования данных соединений как электрофильных реагентов: напомнить классические примеры, а также уделить внимание новым методикам и современным методам использования уже известных реакций.

Для удобства рассмотрения электрофильные реакции галогенидов фосфора систематизированы нами по двум основным (наиболее часто исследуемым) научным областям:

а) Использование всех галогенидов фосфора в качестве электрофильных реагентов в реакциях нуклеофильного замещения, а также в синтезе фосфорорганических соединений и в химии гетероциклических соединений.

б) Применение галогенидов фосфора в качестве кислот Льюиса (в частности, реактив Вильсмайера) применительно к самым разным соединениям.

1.1.1. Нуклеофильное замещение галогена у атома фосфора.

Классификация данного раздела проводилась по характеру нуклеофильных реагентов, участвующих в замещении галогена. Чаще всего происходит образование связи фосфор—кислород. Сюда относятся такие важные реакции, как замещение гидроксильной группы на галоген в спиртах, получение галоген ангидридов карбоновых кислот, синтез алкилфосфитов, алкилфосфатов, хлорирование гетероциклов. Взаимодействие галогенидов фосфора с реактивами Гриньяра, ведущее к образованию связи фосфор-углерод, является основным методом синтеза алкилфосфинов и других фосфорорганических соединений. Образование связи фосфор-азот в органическом синтезе встречается реже, главным образом при синтезе амидов фосфористой и фосфорной кислот и в случае получения фосфазенов.

1.1.1.1. Реакции с образованием связи фосфор-кислород._

Замещение гидроксильной группы в спиртах и синтез алкилфосфитов.

Действием на спирты галогенидов фосфора осуществляется замещение гидроксильной группы на галоген. Механизм этой реакции во всех подробностях не установлен, однако можно считать, что промежуточно образуются эфиры галогенфосфорных кислот в результате нуклеофильного замещения при атоме фосфора, которые в случае первичных и вторичных

спиртов только во второй стадии иуклеофильио атакуются анионом галогена [1]. Процесс взаимодействия пентахлорида фосфора с первичными спиртами изображен на следующей схеме:

^ /ОН С Н0

РС1.

(-НС1)

С1

1К

к

О I С1 С1

+ Р0С13

н.

Аналогично, но с еще большей легкостью реагирует пентабромид фосфора. Таким же образом происходит замещение гидроксильной группы на хлор при действии на первичные и вторичные спирты оксотрихлоридом фосфора [1].

При обработке первичных спиртов (вторичные спирты при этом в основном дегидратируются) трихлоридом фосфора образуются соответствующие диалкилфосфиты, и лишь одна молекула спирта превращается в алкилхлорид:

ЗС2Н5ОН + РС13 (С2Н50)2Р0Н + С2Н5С1 + 2НС1

Полагают, что сначала образуется соответствующий триалкилфосфит, который только частично расщепляется выделяющимся хлороводородом [1]. В присутствии основания (чаще всего третичного амина), т.е. в условиях, когда связывается выделяющийся хлороводород, образуются полные эфиры фосфористой кислоты:

3 КСН2ОН + РС13 (°2Н5^ ^ р(0СН2Н)з

При использовании бромида фосфора (III) промежуточно образующийся триалкилфосфит расщепляется полностью, так как в протонной среде (спирт) бромид-анион является более сильным нуклеофилом, чем хлорид-анион.

Реакция заканчивается полным превращением триалкилфосфита в соответствующий алкилбромид [1].

Из третичных спиртов под действием трихлорида (и тем более пентахлорида или трибромида) фосфора соответствующие алкилгалогениды получаются достаточно легко. Реакция, очевидно, протекает как SnI замешение [1].

Можно упомянуть множество случаев применения в современном органическом синтезе галогенидов фосфора для замещения гидроксильной группы на галоген. Одним из примеров является публикация [8], авторы которой получали метиловый эфир Г-(хлорметил)ферроценкарбоновой кислоты из метилового эфира Г-(гидроксиметил)ферроценкарбоновой кислоты оброботкой последнего РСЬ-

Синтез алкилфосфатов.

Реакции фосфорил- и тиофосфорилгалогенидов Р(Х)СЬ и Р(Х)Вгз (X = О, S) со спиртами протекает как ступенчатое нуклеофильное замещение галогенов на алкоксигруппы при атоме фосфора, и в этом они сходны с соответствующими реакциями галогенидов фосфора (III) [2].

При взаимодействии первичных спиртов с фосфорилхлоридом первоначально образуются дихлорфосфаты, затем хлорфосфаты, причем на этих стадиях не обязательно присутствие агента, связывающего хлорводород. Третья стадия, приводящая к фосфату, значительно ускоряется в присутствии оснований: триэтиламина или пиридина.

О

О

ROH

II

ROH

II

ROH

C13P=0

ROPCl2

>- (RO)2PCl

> (R0)3P = 0

Реакции с вторичными и третичными спиртами могут осложняться образованием значительных количеств алкилхлоридов и алкенов.

Соответствующие бромфосфаты получаются из РОВгз, а тиоаналоги -при взаимодействии алкантиолов и тиофенолов с оксогалогенидами фосфора.

Синтез галогенангидридов карбоновых кислот

Галогенангидриды (галоген - хлор и бром) карбоновых кислот легко образуются при взаимодействии карбоновых кислот с пентагалогенидами, тригалогенидами и оксогалогенидами фосфора [3]. На первой стадии промежуточно образуется смешанный ангидрид фосфорной и карбоновой кислот в результате нуклеофильного замещения при атоме фосфора. Затем происходит нуклеофильная атака галогена по карбонильной группе, которая может происходить как внутри- так и межмолекулярно.

о О О

'/ "НС1 о /7 С1 - ЮС13 ^ * V

к-с + РС,5 -► г -* К-С.Г]

он ухо-Р-сл С1

ЧС1 С1 ы

В настоящее время для получения хлор ангидридов карбоновых кислот в лабораторных условиях чаще используют хлористый тионил, так как в этом случае помимо ожидаемого органического вещества образуются только газообразные продукты. Однако в промышленном производстве до сих пор используется реакция трихлорида фосфора с натриевыми солями монокабоновых кислот:

О - ШзРОз у

+ РС13 -► зя-с

ОЫа С1

Синтез геминальных дигалогенидов из карбонильных соединений

В результате реакции хлорида фосфора (V) с альдегидами и кетонами могут быть получены дихлориды геминального строения [1]. В этом случае карбонильная группа активируется, координируясь с РСЦ+, а в качестве нуклеофила выступает хлорид-анион. Эти частицы содержатся в равновесной смеси, которая образуется из хлорида фосфора (V):

2 РС15 ^ РС14+ + РС1б"

РС1б~ ^ РС15 + СГ

Кч + " С1" Кч П

= О + РС14 + С1 РС14 -►

К/ Я/ С1

С1

Следует, однако, отметить, что эта реакция протекает не всегда достаточно гладко и ее сравнительно редко применяют для препаративных целей[1].

Хлорирование и бромирование гетероциклов

Оксохлорид фосфора часто используется для хлорирования гетероциклических соединений. С его помощью получают, например, хлорпроизводные хинолинов из хинолонов [4, 5] хлорпиридины [6] ( см. схему (1)) и хлордиазины [7] из соответствующих гидроксипроизводных. Хлорированию (гидрокси)пиразолопиридазинов посвящена также работ [ 9].

я

я

ч-►

о

РОСЦ

-НС1

я

С1

х^

он

н

х^

ОРОС12

и

■С1

■ НОРОС12

ОРОС12

С1

+

Хлорирование пиридинов проходит особенно легко в случае 2- и 4-гидроксипроизводных. Реакция проходит как ароматическое нуклеофильное замещение гидроксильной группы .

Авторы [10] впервые сообщают о хлорировании дигидропиримидинонов 1.1 посредством РОСЬ, продуктами которого являются хлордигидропиримидины 1.2

Данный метод применим при наличии электронакцепторной группы в дигидропиримидиновом кольце. В противном случае дигидроформа нестабильна и легко окисляется кислородом воздуха.

Для бромирования гидроксипроизводных азотсодержащих гетероциклических соединений используется РОВгз [11].

Для ускорения процесса галогенирования часто применяют смесь РОСЬ/РСЬ или РОВгз/РВгз. Так хлорирование 2-гидроксипиримидина с чистым хлороксидом фосфора заканчивается за 12 ч, при добавлении РОСЛз -за 1ч [12].

Использование чистых пентагалогенидов фосфора проводится редко, поскольку при этом часто в значительных количествах образуются продукты более глубокого галогенирования [13]. Как правило эти реагенты применяются, если реакция идет особенно трудно или с малой скоростью.

1.1.1.2. Синтез фосфор органических соединений со связями фосфор-углерод.

к

Взаимодействие галогенидов фосфора с реактивами Гриньяра

Большинство работ, посвященных взаимодействию тригалогенидов фосфора с реактивами Гриньяра, опубликованных до 1950 г., собраны в обзоре [14]. Выходы продуктов в этих реакциях сильно изменяются в зависимости от алкильной группы магнийорганического реагента.

Использование тригалогенидов фосфора в реакциях Гриньяра имеет определенные ограничения. Реакцию трудно остановить на стадии замещения одной или двух молекул галогена. Выходы

(алкил)дигалогенфосфинов и (диалкил)галогенфосфинов низки, несмотря на использование одного или двух молей реактива Гриньяра на один моль тригалогенида фосфора [15]. (Алкил)дигалогенфосфины обычно получают обработкой первичного фосфина фосгеном или восстановлением магнием интермедиата, полученного в реакции фосфобората диазония и трихлорида фосфора [16]).

Замещение хлора в РСЬ до сих пор остается лучшим методом получения третичных фосфинов. К примеру в реакции хлорида фосфора (III) с тремя эквивалентами бензилмагнийхлорида при комнатной температуре образуется трибензилфосфин с выходом 69% [17]:

РСЬ + ЗС6Н5СН21У^С1 ^ (СбН5СН2)3Р

Обычно фосфорсодержащие соединения добавляют к реактиву Гриньяра, чтобы поддерживать избыток последнего в реакции. Наилучшие выходы триарилфосфинов получаются при соотношении реактива Гриньяра кРС13=4:1 [18].

4АгМ§Х+РС1з -> АгзР

Некоторые авторы указывают на расщепление углерод-фосфорной связи в водных растворах под действием щелочей и кислот [19, 20]. Окисление также является побочной реакцией, особенно при получении триалкилфосфинов. Однако отделение фосфинов от оксофосфинов часто возможно посредством перегонки или газовой хроматографии [21, 22].

Очевидно, стерический фактор предупреждает образование три-трет-бутилфосфина в реакции