Гомолитическое гидрогермилирование замещенных алкенов как метод синтеза функциональных германийорганических соединений тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.03 ВАК РФ

САРАТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ . ИМ. Н. Г. ЧЕРНЫШЕВСКОГО

На правах рукописи

ГНАТЮК ВАДИМ ПЕТРОВИЧ

УДК 54Т.246

ГОМОЛКТИЧЕСКОЕ ПЩЮГЕРШЛИРОВАНИЕ ЗМИШШХ АЛКЕНОВ ' КАК МЕТОД СИНТЕЗА ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ГЕР1ШКИ0РГАНИЧЕСКИХ • СОЕДИНЕНИИ

Специальность 02.00.03 - органическая химия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

ВОЛГОГРАД - 1992

Работа выполнена в Волгоградском политехническом институте в Институте химических проблем экологии АЕН РФ.

Яаучшй руководитель

- заслуженный деятель .науки техники РФ, академик РАЕН А. И. Рахимов

Официальные оппоненты

доктор химических наук, профессор Л. и. Рожнов

Ведущая организация

кандидат химических наук,- доцент А. Д. Шебалдова

Государственный научно-исследовательский институт химии и технологии элементоорганических соединений, г. Москва.

Защита состоится 24 сентября 1992 года на заседании специализированного совета Д 053.74.04 в Саратовском государственном университете им. Н. Г. Чэрншевского по адресу: 410601, Саратов, ул. Астраханская, д. 83, в Ю9 час.

С диссертацией ьюгшо ознакомиться в библиотеке Саратовского государственного университета им. Н. Г. Чернышевского.

с

Автореферат разослан " Я&уСъв 1992 г.

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат химических наук, доцент - ( 0. В. ФЕДОТОВА

Т

ОБЩАЯ ZAPiKTEPHCTHKA' РАБОТЫ"

Актуальность теш- В последние -два десятилетия отмечается все возрастаний интерес к химия германийорганиче-чшх. соодинэ-ний (ГОС), что вызвано, в частности, открытием у многих из нзх высокой фармакологической активности при крайне малой токсичности. Это делает весьма актуальной разработку методов синтеза • карбофункциональннх ГОС.

Ре'акция присоединения гидридов германия к нэпредольнш соединениям (реакция гидрогериилкрованая) является одним из основных споссЗов получения ГОС. В качестве катализаторов данной реакции используются в основном дорогостояще и не поддающиеся регенерации соединения платаны.

Нам представлялось актуальным изучение возможности протекания данной реакции по свободнор ■.дикальнону механизму к замены платановых катализаторов легкодоступными органическими пер-охотдаыми-соединениями.

Кроме того,химия гемолитических превращений ГОС изучена недостаточно, в то время как отмечается возрастающий интерес к использовании ГОС в органическом синтезе как радикалосбразукда и восстанавливающих реагентов. В связи с этим исследование закономерностей протекания свободнорадикалыых реакций ГОС представляет как теоретический, так и практический интерес, так как реакция гемолитического гндрогермилирозания позволяет не только изучать чисто специфические особенности гермашйсодергащах сво-„ 'одных радикалов, но и является удобной модель» для изучения реакций свободнорадикального присоединения к кратным связям вообще. ••''•.

Несмотря на активный поиск биологически активных ГОС, до настоящего времени описано. лишь несколько гарманийсодерзадих производных аминокислот и ашзносшртов. 3 связи с этим актуальной является задача разработки катодов получения новых, классов данных соединений, весьма перспективных для изучения их фармакологической активности.

• Цель работы состояла в усовершенствовании известных и разработке новых методов синтеза ажилгермано^, изучении bqe:£Cs-ности инициируемого органическими пероксйами гомолитаческогр присоединения триалкилгернанов к олефшам, изучении закономерностей протекызия данных реакций (в т.ч. квавгово-хшяиескгм

методом КГГОО), а также разработке методов синтеза новых классов гермапийсодержащих производных агшгакислот и аминоспиртов.

Научная ьовизна. Усовершенствован (¿дгнийорганический метод синтеза тетраалкилгерманов - предложено проводить реакция - в Созэфирной срвдо, используя в качестве растворителя алифатические углеводорода. Разработан новый способ получения 1 -адампнтилтриалкилгорманов путем присоединения триалкилгерма-нов к 1,3-де гидроадамантану. Установлено, что взаимодействие алкенов с триалкилгерманами протекает по свободнорадикальному механизму с использованием в качество высокоэффективных инициаторов данной реакции легкодоступных органических пероксидов.

Предложены пропарзтивные метода синтеза карбофункцкональ-ных ГОС с высокими выходами.

Изучено свободнорадикальное взаимодействисо триэтилгермана с некоторыми посопряаешшш диеновыми соединениями. Показано, что строение продуктов реакции зависит, главным чбразом, от способности вторичного углеро, .центрированного радикала к внутримолекулярной циклизации.

Методом конкурирующих роакций изучены кинетические закономерности процесса гомолитического гвдрогормилирования. Определены кинотическио и активационзше параметры реакции отрыва водорода н-гексильным радикалом от ряда лриалкилгерманов. Получены данные о реакционной способности ряда алкенол в элементарных стадиях процесса гомолитического гидрогврмилирования. На основании результатов юшетических исследований сделаны предположения о влиянии строония указа1шых роагентов на их реакционную способность.

Впервые для изучения радикальных реакций ГОС применена методы квантовой химии. Методом КИЮ смоделированы элементарные стадам процесса, получены данные об активациошшх параметрах реакций, энергетических и гоометричеашх характеристиках переходных состояний и распредбле1ши в них электронной платности неспарешого электрона.

На основании экспериментальных и рассчотных даш^х предложен механизм свободаорадакалыгой реакции, в котором роль лими-■хирущей играет стадия передачи радикальной цепи..'

Впервые получены новые классы гермашйсодер-'пщих одно- и двухосновных ашшокислот, содержащих триалкилгермильный фраг-

мент вЯ-и О-полохенхях молекулы. Получен рлд новых германий-содархащих аминоспиртов. Синтезированные азотсодерхатга ГОС представляют поте?даалыый интерес для изучения пл фзркзкологи-ческих свойств.

Практическая цпняость работа. Усовершенствовав магнийорга-шгческий м?тод синтеза тетраалкилгорманов. ¿'азработан новий способ получения 1-адамантилтрчзлхилгерланов. Разработанные методы свободнорадикалыюго гидрох'ермилирования алхенов представляют. практический интерес, открывая возкотаость простого получения широкого ряда функциональных ГОС без использования платжюви' катализаторов. Разработаны сопще методы синтеза но-внх классов герпатпйсодоркйэта пу ::.:"одних аминокислот и аминоспиртов, перспективных в плане изучения их биологической активно ти. ®

Апробация работы. Основное разделы дкссортационнгЗ работа докладывались на следущих конференциях: •

- IX Всесоюзной конференции по ими органических и- эле-ь'ентоорганических пзроксидов, г. Горький, 1990 г.

- III Всесоюзной школо-соминаро "Применение ЯМР в а нефтехимии", г. Волгоград, 1990 г.

- Всесоюзном совещании "Кислородсодержащие гетероциклы", г. Краснодар, 1990 г.

- X Всесоюзном совещании по квантовой химии, г. Казань, 1991 г.

- I Всесоюзной конференции пс теоретической органической химии, г. Волгоград, 1991 г.

- Международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы фундаментальных наук", г. Москва, 1591 г.с-

- ежегодных научно-техничес чх конференциях Волгоградского Эрдена Трудового Красного Знамени политехнического института.

Публикации. По результатам диссертационной работы опубликованы 1 статья и 5 тезисов' докладов на кондерециях.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 8 глав, выводов, списка литературы и приложения. Она *з/Фпэна на 115 страницах машкопиегюго текста, содержит 19 таблиц, 3 рисунка, 160 литературных ссылок. В первой главе 1роанализирораны литературные данные по щекщт гвдрогермили-»вания и гоыолитическим реакция?* ГОС Последующие главы соде^-сат обсуждение полу-: энных результатов и экспериментальную рабо-

ту автора. В приложении приве/^н акт фармакологических испытаний синтезированных соединений.

• СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЬР •

1. Усовершенствование магнийорганического метола синтеза тетраалкилгермаяов

Магнийорганический синтез является основным методом получения 10траалкилгерманов R4Gq - исходных для синтеза алхил-германийгалогонидов и гидридов, при этом выход й^Се составляет 70-80 %. Недостатком метода является использование в качества растворителя диэтилового эфира и, как следствие, новозкскность применения более высоких температур синтеза.

В развитие указанного метода нами предложена заменить афир , более высококипящими ароматическими и алифатическими углеводородами:

Solv.

4 RK + 4 Kg + GeClA -► R.Ge + 4 Hg(K)Cl

о 4 *

R=Et, n-Рг, n-Bu, Ph; X=C1, Br, J.

Solv.=Et20, PhH, РШе, n-AlkH.

При использовании в качестве растворителя алифатических углеводородов (н-гексан,.н-октан и т» п.), выходы R^Ge составили 75-85 %. При этом влкилмагнийгалогенида образуются в виде суспензии в углеводороде.

Таким образом, использование алифатичоских углеводородов в качестве растворителя позволяет, не снижая выхода, сократить'-время реакции за счет проведения процесса при более высоких температурах и сделать процесс более технологичным.

2. Синтез 1-триалкилгермиладамантаиов

До настоящего времени лучшим методом синтеза

1-триалкилгершладачантанов (с общим выходом 60-70 является

алкилированне 1-тригалогенгермиладамантанов, в свою очередь, "олучаемых из 1-галогенадамантанов и диоксанатов днгалогенгер-манов (Миронов, Чернышева, 1985 г.).

Нами показана возможность одностадийного синтеза i-AdGeR3

о

путем присоединения триалкилгьрканов к 1.3-детидроадг: : •.тану:

ТИР 1 + НдСеН-► 3

R=Et (32 %); .п-Рг (50 %).

Учитывая, что недавно разработан препаративный метод получения 1,3-дегидроадаманатана, данная реакция открывает путь к простому синтезу алкилгерманов, содержащих гдаманткльшй радикал.

3. Получение алкилгерыашйталоганидэв г алкилгермаяийгйдридов

Алкилгермашягалогенкда быдк получены с рчсокими выходами (90-95 %) бромированиен тетраалкилгерманов в среде растворителя ил. без него: °

Я^е + п Вг2-► Н4_пСеВгп + п НВг °

где П=1: R=Et , п-Рг п=2: Н=:Е1; , РП

В качестве растворителя был использован соответствувддй НВг или 1,2-дибромэтан. Реакция проходит при комнатной темпер:-. -туре за 1-2 суток, при температура кипения растворителя - за 10-12 час. В случае получения дибромидов (п=2) реакция еущест-" венно ускоряется в присутствии 1-2 % А1Вг3.

Трибутилхлоргерман был получен одностадийным синтезом в среде избытка п-ВиС1:

35 %

3 п-ВиС1 + 3 Мв + СеС14-■> п-ВидСеС!

Кремирование 1-три-н-пропиладамантана в среде п-РгВг приводит к 1-ядамантилдипропилбремгер.ману, при этом реакция броми-рования не затрапшает адаманшпьный фрагмент :

п-РгВг

1-А<ЮеРг3 + Вг2---— 1-АЮеРг2Вг + п-РгВг

Относительно невысокая реакционная способность РЩзВг по сравнению с (й=алкил) по отношению к связи

германий-галоген позволила провести фвнилированив только одной связи Се-Вг в даэтилдибромгермане. Так, при соотношении

количества взятых в реакцию реагентов РШвВг: Е^еВ^^ :Т,° проходит замещение тслько одного атома Вт , несмотря на пров&-

Д01Ш9 роыщии в кишиасм толуолр :

Ше

РЫ«Вг 1 т2СеВг2---» РЬГ-.еЕ^Вг + И£Вг2

33 % О

Восстановлолием ' алкилгерманийгалс&енидов ■ в

сродо эфира получены соответствующие алкилгерманийтдрида :

Е1.,0

4 Н^Се^ + п Ш1Н4----- 4 й4_пСеНп

'где п=1: Х=Вг; Н=Ег , п-Рг ; й =РЬЕг , 1-А(1Рг Х=С1; Й=п-Ви п-2: Х=Вг; , Р1г

4. Инициирование органическими пероксидами реакции гемолитического гидрогермилирования

Реакция гвдрогормилирования непредельных соединений является одним из основных мо то до б синтеза функциональны;. ГОС. Реакцию проводя? в присутствии платиносодержаших катализаторов, наиболее часто из которых в настоящее время используется катализатор Спайера Н2РЮ1б.

Нами установлено, что данная реакция может легко протекать •не только по полярному, но и по свободнорадикальному механизму, при этом легкодоступные органические0 пороксидные соединения (ПС) являются высокоэффективными инициаторами тоцесса присоединения триалкилгермана к алкенам. Это дает возможность в сравнительно мягких условиях с высокими выходами получать аддукты 1:1 :

Пероксид

ЙдбеН + СН^СН-И' -► ^СеС^СН^'

где й=Е1:

Н'=п-Ви (96 %); СБ20Н (68 0Е1 (5Т %); ОАс (79 %); СН?ОАс (86 *); СН2СН2С(0)Ме (47 X); СН2Ш2 (95 %); СН20СН2СН-СН2 (84 %); СЕ£ШАс (37 %); 51Ме3 (96 %);

V

Р(0) (0Ме)2 154 %), (84 %).

Й=РЛЕ12: Л^СР^ОАс (45 »1. ^

С выходом 48-56% проходит присоединение ИдСеН (Н=Е-, п-Рг) к циклогексену с образованием триэтил-^и трипропилгермапщпсло-

гексана.

В качество инициаторов данной реакции могут быть использованы различные классы органических ПС. Наиболее охтивкнми инициаторами являются алифатические диацилпероксида и порокси-эфиры.

Выбор инициатора в каждом конкретном слу-:аэ определяется строением алкена, и, как следствие, склонностью его к побочным процессам. Так, пероксиды, содержащие карбоксильную группу (ди-ацилперлксида, пероксиэфиры и пороксидакарбонаты), не могут быть инициаторами гвдрогермилирования алкенов, содержащих аминогруппу, т. к. амины вызывают геторолтгическое разложение указанных ПС . В то хе время, данная роачция могат успешно инициироваться диалишюроксидами, в частности, ди-трет.-бу-члпероксидом (ДТЕП)о

Помимо аддуктов 1:1 реакция приводит к побочным продуктам теломеризации:

КдСей^СНТГ + п-1 СН2=СШГ -► РдСе(СН2СНН')П_,С1^СШ' -•->

И2СеН 0

НдСе^СШИдЬ

-RgGe* •

На выход адцукта 1:1 существенное влияние оказывает соотношение количеств исходных реагентов. Применение избытка германа относительно алкена позволяет подавить образование побочных продуктов теломеризации RgGefCHgCHgR' )ДН и повысить выход целевого соединения. Так, при соотношении гермаагалкен = 5:1 выход эддукта 1:1 приближается к количественному, независимо от строения алкена. Оптимальным является использование двухкратного избытка германа, при эт^л выход продуктов теломериза-_ ции не превышает 3-7 %.

Взаимодействие дкалкилгорманов с алканами проходит с образованием продуктов как moho-, так и диприсоеданения, что позволяет получать функциональнозамощенные германийгидриды :

^ EtgGeHg + CH2=CHSIMeCl2-► EtgGeflfJCHgCTgSlMeOlg +

(50 %)

+ Et2Ge (Cí^CHgSlKeClg (5 35)

В присутствии ПС триалкилгерманы присоединяются к про^ изводным акр" ловой кислоты с образованием производных

7-триажилгершитрспиошвой кислоты:

ПС

Е^веН + СН^С-СООГГ --»^ЕгдСеа^СПСООН^

Ь.'

ГДЗ Е'=К"=Н (44 56)

Н*=Ме; Н"=СИ2СН-СНг (39 Я); СН2СН21Ме2 (36 Ж)

V

Ег3СЗеН + СН2=СЫ-СН --- Е^еа^^-С}! (36 %)

Следует отметить , что далеко не всегда возможно провести свободнорадикалыюе присоединение аддендов к актпшроЕапной двойной связи акрилатов из-за протекания побочных процессов тело- и полимеризации. Возможность присоединения И^СеН можно объяснить высокой активностью связи Се-Н в реаццш отрыва водорода, и, как следствие, высокими скоростями передачи радикальной цеш.

В то же время не удалось осуществить гемолитическое присоединение НдСеН к стиролу дахе при использовании избытка германа. Получены лшь продукты теломеризации.Очевидно, высокая

степень стабилизации образующегося 'аддукт-радикала Е13С -Н2СНРЬ за счет делокализации электронной плотности неспаронного электрона как на ароматическом ядре, так и,-.-.вероятно, за счет сопряжения с вакантными й-орбиталями атсма Се, приводит к неспособности его к отрыву водорода даке от такого активного донора водорода, как РдСеН.

Таким образом, разработанный метод гомолитического гидро-гермилирования олефиновых соединений позволяет получать функ- : циональнозачещенные ГОС с высокими выходами без применения платиносодержащих катализаторов.

5. Изучение механизма гомолитического гидрогерг.нитрования

о

Гомолитичоское гидрогормилированиэ представляет собой слокный процесс, состоящий из нескольких основных ста,"{й.

Стадия инициирования радикальной реакции:

Кц

1п. + ЯдСеН--► ЕдСе-- + 1пК' (1)

где Щ. -радикал инициатора

Стадии присоединения гермильного радикала по двойной свя-

зя:

йдСе. + СН^СН-Е'--» КзСС'СИ2С;Г-П' (2)

Стадия передачи радикальной цеш:

КВ

Р,(5еСН2СН-Р.' + В^СсЯ---> ЯзСеСНзСГ^-Г/ + ИдСе- (3)

Кроне того, протекают побочные реакции теломерязации.

Представлялось интересны!;) изучить вклад трех осноеных элементарных стадий в общую скорость процесса.

5.1 Кипэтика отрыва водорода с* алкчлгар.машйгидридов йдСеН^^д н-гексильшлл радикалом >

Методом конкурирующих реакций получены данные о реакционно-. способности ряда Германов в реакции отрыва атома зодорода н-гексилышм радикалом, который генерировался термическим разложением энантоилпороксида :

70-90 °С

(СбН13С00)2--► 2 п-СбН13- +■ 2 С02

Используя литературные данные по кинетике отшва водорода от п-ВидСеН и практически идентичные н-гексильному радик^.^у

СЕ-,=СН(СН2)зСН0, получены абсолютные значения констант скоро«;-, тей и активационных параметров реакции отрыва водорода от ряда органилгерманийгидридов (табл. 1).

Облегчение отрыва водорода с уменьшением размера радикала Е в ряду п-Ви^еН, п-РГдОеН, Е1,СеЯ связано,очевидно, с уменьшенном сгерических препятствии. Замена алкильного заместителя в молекуле триэтилтермана на фокальный не оказывает существенного влияния на ого реакционную слосоГюсть, что , очевидно, можно связать с отсутствием, в отличии от углеродных аналогов, стабилизации образующегося гермилького радикала з? счет делокализации кеспаренного электрона на бензольном ядре.

Более высокая скорость реакции з случае Г^Ое!^ обусловлена, Бндамо, снижением пространственных затруднений и наличием да.'"? возможных реакционных центров. К^омэ того, электроноакцеп-торнсе действие двух фекильных. радикалов способствует снижения полярности связи йе-Н и, следовательно, обсэ&эзию отрыва атома водорода. °

Напротив,- существенное усиление действия пространственного

фактора при вводоют объемисто адаманшшюго заместителя, обладающего, креме того, сильными электронодоноргшми свойствами, уменьшает реакционную способность гетмана. -

с Табл. 1

Кинетические данные отрава водорода от Г^П'СеП н-гексильным радикалом

Герман Кн«10"*, л-моль"'-с"' 1ов А р акт, ккал/моль

70 °С 80 °С ) 90 °С

Ег3сен 3.19 З.бб 4.13 7.54 3.19

п-Рг3СеН 2.88 3.44 4.09 8.22 4.33

п-Ви^еН* 2.77 3.36 4.05 8.4-Ь 4.70

Р1гЕ1;2СеН 3.10 З.бб 4.28 8.04 3.99

РЬрСеК^ 3.46 4.03 4.79 7.88 3.67

А(1Рг2СеН 1.44 -О— 1.75 2.10 8.15 4.69

"Литературные данные для СН^-ОЩаузСй,

Для более подробного изугения факторов, влияющих на прочность связи ве-Н и, как следствие, на реакционную способность в роакции гомолитического отрыва водорода, прогэдено квантово-химическое изучение модельной реакции ряда германов с штильным радикалом.

Впервые для изучения свободнорадикальных превращений ГОС использован метод ЮГОО, сравнительно недавно применяющийся для квантово-химичвекше расчетов ГОС .

Методом ЮГОО получены данные об энергии активации Е^кт. тепловом э^Хекте Ор, энергии связи Се-Н в переходном состоянии для ряда модельных реакций отрыва водорода мотальным радикалом СЯ^- от Е^СеН (табл. 2) : °

Е^СеН + СН3' -► ГЕ,Н,Се...Н...СН3Г'г--►

-, Вдй'Се- + СН4

Согласно результатам расчета, постепенная зш..лна птильно-го радикала в молекуле (СН3)3СеН на г^гом хлора приводит к некоторому снижении энергии активации за счет уменьшения общей

-и-

энергии связи йе-Я, а также за счет увеличения доли ковалентной

•Табл. 2

Расчетные значения параметров переходного состояния реакции отрыва водорода метальным радикалом от алкилгерманий-гидридов Й^Н'СеН

RgR'

GeH

Еакт' ккал/моль

Расстояние H...Cttj, А

E^CGe-H), зВ

e(cov) e(lon) e(total)

V

ккал/молъ

EjGeH 21.79 1.50 -3.33 -1.8Т -5.20 16.06

(Cttj)3GeH 21.21 t.55 -4.17 -3.76 -7.93 18.59

CKCHgJgGeH 20.90 1.55 -3.69 -2.06 -5.95 :, 20.29

С1г(СНз)СеН 20.65 a1*60 "?-82 ~2-34 ~6»16 23-56

ClgGeH 20.74 1.65 -4.40 -3.10 -7.50 о 27.42

РМСНз)2СеН 21.84 1.55 -4.36 -2.59 -6.95 18.23

CB^CHtCE^gGeH 21.43 1.55 -4.07 -2.29 -6.36 18.20

где e(lon), e(cov) - ионная и ковалентвая составляющие энергии

CL.I3H Ge-H; e(total) - полная энергия связи Ge -Н.

составляпцей в ней, что облегчает протекание радикальной реакции. Этому же способствует стабилизация образующихся герыильных" радикалов за счет делокализации электронной плотности неспарзн-ного электрона на атомах С1, обнаруженная при расчете . Так, известно, что алкилгалогенгерманы баз катализатора присоединяйся к этиленовым соединенна'.! по радикальному механизму

Напротив, более высокая общая энергия связи в. (CEg)gGeH и ClgGeH и значительный удельный вес в ней е{1оп) способствует возможности протекания реакции как по радикальному, так а по полярному механизму, что и имеет место в действительности.

Наиболее высока доля • ионной составляющей энергии связи

(52.6 %) в случае триметилгермана (CH3)3GeH. Этим, видимо, объясняется хорошо известная склонность триалкилгерманов к реакциям 1£олярного гидрогермилирования в присутствии платиговых катализаторов, что, однако, не исключает возможности свободаорада-кального пути реакции. Увеличение реакционно^ способности Германов при переходе от (CHg/gGeH к Cl3GeH йглядно характеризуй егся увеличением теплового эффекта реакции Ор почта на 10 ккал/ моль. Максимальный Qp соответствует наиболее реакционноспособ-

ному трихлоргерману.

Электрово акцеп торным характером фенильного и винильногс

заместителей можно объяснить снижение <35щей энергии связи Се-1

о

в соответствующих германах и уменьшение удельного веса в не! ионной составляющей, что должно увеличить вероятность протекания свободнорадикальной реакции при практически равных значениях Е^кт и Ор для изученных триорганилгерманов. Квантово-химичаские расчеты образующихся свободных радикало! РМСНд)Се- и СН2=СН (СИд^Се*, являющихся гермильными аналогами бензильного в аллильного радикалов, показали полное отсутствие делокализацин электронной плотности наспареного электрона не ненасыщенном фрагменте, имеющей место для углеродных аналогов.

В результате этого реакционная способность указанных Германов практически равна реакционной способности триалкилгерма-нов.

5.2 Влияние строения непредельного соединения на скорость стадий присоединения и передачи цепи

С целью оптимизации условий синтеза и сравнения реакционной способности ряду оле$ннов изучена формальная кинетика гемолитического гидрогермилирования методом ПНР спектроскопии. За ходом реакции следили по уменьшению концентрации алкена в реакционной масоэ, которую определяли то интегральной интенсивности сигналов протонов при двойной связи в режиме многократного прохождения сигнала. В случае алкенов, содержащих ацетильную группу (СН^СН-Х-ССОСНд, где Х=0. СН 0, СЕуШ, С^СЕ,) за ходом реакции удобно следить по изменению соотношения интенсив-ностей синглетных сигналов протонов ацетильной группы в исходном алкене и в вддукте, в котором соответствующие сигналы смещены в сторону сильного поля на 0.03-0.14 м. д. относительно сигналов тг-х же протонов в исходных алкенах.

В табл. 3 представлены относительные скорости реакции в начальный период времени, определенные как тангенс угла наклона касательной к кривой расхода алкена в момент- времени т=0 . Температура реакции 70 °С , концентрация алкена 2.0 моль/л, энантоилперохеида - 0.02 моль/л.

Для более детального изучения кинетических закономерностей элементарных стадий гемолитического гидрогермилирования методом конкурирующих реакций получены данные об относительных константах скорости реакций присоединения Е^Се- го двойной связи Кд™

-•и-

(реакция 2)и скорости передачи радикальной цепи Кдга (реакция 3) при 70 °С В качестве объекта сравнения был выбран ге::сен-1.

Реакция проводилась до малых (5-10 %) степеней превращения исходных алкенов в присутствии 0.01 моль/л энангоклпероксида в течение 5-25 мин, после чего реакция останавливалась быстрым охлаждением до -20-25 °С. Реакционная смесь анализировалась ГЯХ ч содержала Е^еН, исходные алкенн и образовавшиеся продукты гидрогермилирования.

При малой степени превращения :

йотн;

[сн2=снн]0» [сн^сн-сднд]

ССН2=СН-04Н5]о» [СНЁСШИ

.дв 1СН2=СНЙ]0 , [СН^=СН-С4Нд10 - начальные концентр: щи , [СН^СНЯ] , [С^=СН-С4Нд] - текущие концентрации олефа-на и гексена-1 (объект сравнения). '

Известно, что в общем случае при малых начальных, концентрациях влкена в реакционной смеси скорость процесса лимитируется стадией присоединения радикала по двойной связа . Для изучения стадии присоединения триэтилгзрмильного р.дакала к алкенпь наш были использованы начальные концентрации олвфшов 0.05 моль/л. При этом принято, что Кстн=Кд'га. Напротив, при проведении реакции при начальник концентрациях олефинов сопоставимых или больших концентрации германз (>4.0 моль/л), скорость процесса долина лимитироваться стадией передачи радикальной цепи, т. е. Кота = К2та. Полученные данные представлены в табл. 4.

оТП

Согласно данным о К^, электронодонорныо заместители И в алкене, способствуя повышению электронной шготн&сти двойной связи, увеличивают реакционную способность алкена (Н=0С2%), э то время кяк электроноакцепторные - уменьшают (й=0С(0)£Ге , ' СН2~0^ , СН20С(0)Ке ) „ Это свидетельствует об алектрофкльнок характере триэтилгермильного радикала, который можно объяснить электрсноакцепторным повод/-тем алкильных групп за счет более высокой электроотрицательности углэрода по сравнению с гэряанз-ем.°Крош того, при присоединении триэтилгермильного радикала к винилэтиловому эфиру образующийся вдцукт-радикал, очевидно, стабилизируется за счет сопряжения несп^рйшого электрона и неподе ленной электронной пари эфирного атома кислорода. 3& приводит к относительному повышению реакционней способности

Табл. 4

Относительные константы скорости элементарных стадий гомолити-чекого гццрогурмилирования триэтилгерманом для С^СНЙ. __ •_о_

. и «отн о А »отн КВ

0С(0)СН3 0.62 1.57

С^-О-С^ 0.71 1.66

СН20С(0)СНз 0.99 0.78

П-С^Нд 1.00 1.00

СН2С^С(0)СНз 1.01 0.95

СН2КНС(0)СНз 1.05 1.02

°-С2Н5 1.14 О.бб

СН2=СН-0-Е1; на стадии присоединения, и, в то кэ время, снижает его реакционную способность н^ стадии передачи цепи.

Для Кдта наблюдается противоположная зависимость,которая качественно совпадает с рядом реакционной способности, полученным по данным формальной кинетики (табл. 3), что позволяет • сделать предположение о лимитирующем характере стадии передачи цепи в процессе гомолитического гидрогормилирования в случае проведения процесса при технологически приемлемых начальных концентрациях алкенов.

Методом ЮГОО проведен расчет энергетических параметров стадий присоединения гермильного радикала по двойной связи

олефина и передачи цепи для ряда модальных соединений :

%

НдСе- * СН2=СН-Н-»Н3СеСН2СН-Н

НзСеСН2СН-й + НСеНд---» ^СеС^С^-И + Е^е-

О

Определялись энергии активации Е^кти тепловой б^фэкт реакции для стадии присоединения и передачи цепи е|кти 0? (таСл. 5). в качестве варьируемой координаты реакции при поиске переходного "■остояния для реакции присоединения принято расстояние между атомом ве и а-углеродным атомом при двойной свя~а. Для реакции передачи цепи - между углеродом, имещим неспареылй электрон, и водородом германа.

-1-е-

В процесса расчета реакции присоединения гермильного рада-кала по двойной связи ряда модельных олефкнов не обнаружено наличия на пути реакции максимума энергии, соответствующего переходному состоянию Это свидетельствует о практическом отсутствии энергии активации у данного процесса, ч/о в сочетании с данными о наибольшей среди элементарных зтадий гомолити-ческого гидрогермилировзяия величине теплового эффекта реакции, отражает высокую реакционную способность гермяльных радикалов по отношению к алхенам.

г Табл. 5

Рассчетнкз значения энергетических параметров реакций присоединения и передачи цепи

и "акт ' ккал/моль ккал/моль Е3 акт > ккал/моль 0В , кр.ал/моль

СНз - 23,1 35.07 2.42

0С(0)СНз - 20.3 27.41 6.00

СН20С(0)СЯ3 - 29.0 53.70 19.57

осн3 - 13.7 30.63 7.24

сн2-о-сн3 - 12.51 35.05 11 .83 -

Согласно квантово-химическим расчетам, наибольшая энергия активации среди трех основных стадий процесса гемолитического гидрогеруилирования требуется на стадии передачи цепи, в то гремя как на-стадии присоединения гермильного радикала по двойной связи энергии активации не требуется вообще. В то го время, стадия передачи цепи имеет наименьший' тепловой эффект (табл. 2 и 5).

Таким образом, результаты квантово-химичэских расчетов элементарных стадий процесса гемолитического гядрогермиларова-ния подтЕврздают вывод о лимитирующем характере стадии передачи цепи, сделанный на основанш: экспериментальных данных.

0 Для объяснения относительно высокой реакционно? способности -в реакции отрыва водорода от германа аддукт-радикалов еенют-ацетата и аллилэтилового эфира в качестве одного из факторов ее определяющих было выдвинуто предположение О возможности oбpaзoJ вания облегчающих передачу цепи пяти- и пестичленных циклических радккалььлх структур на стадии переходного состояния за

л

счет неоднократно шаюанного в литературе координацио?шого взаимодействия кеподоленной слэктронной&пары эфирного или карбонильного атомов кислорода и вакантных ^1-орбиталэЯ атома германия :

Н

й , И

9е.С

н

: о а"'

ЯдСеС^СН

А

V ЧСНз

1?!

й+

-СеГЦ

НоСоСН9СП О ? 2 \ / \

СНо

Полный квантово-химический расчет данного взаимодействия не представляется возможным гчиду отсутствия в методе МКРО параметров й-орбиталей атома Се. Однако, при расчете модельного переходного состояли реакции отрыва водорода для аддукт-радикалов винилацетата и аллилметилового эфира обнаруже- о Дальнее электростатическое взаимодействие германия и карбонильного

кислорода, несущих частичные противоположные заряды(расстояние

©

Се...О равно 4.18 и 4.25 А), что не противоречит выдвинутой гипотезе.

б. Гемолитическое гидрогермилирование некоторых диеновых соединений

Известно, что гидрогермилирование несопряженных диенов б присутствии Н^СЦ приводит к продуктам присоедашения одной и двух молекул германа. Более слокно протекает данная реакция по свободнорадикалыюму механизму в присутствии ГГ.. Нами изучено взаимодействие триэтилгермача с диаллильными соединениями типа (СН2=СНСН2)2Х , где Х=0 , Ш. Установлено, что состав и строение продуктов реакции зависит от группы X.

Так, в случае диаллилового зфира (Х=0)(ДАЭ)-и выходом 822 образуется исключительно продукт внутримолекулярной "иклиза-

ции

Et3Ge> + СН2=СЯ СН=СН2 -» EtgGeCHgCH СП=СН"2

¿я, ¿а, ¿tt, ¿S

U СН2 Шг СН2

V [А] V

EtgGeCHgCH—СШГ2 Et3GeH E^GeCHgCH-

—СПСНд

-Et3Ge-

При изучении строения продукта циклизации методом пмр спектроскопии высокого разрешения (рабочая частота прибора 2CQ МГц) обнаружены два дублетных сигнала (,7¡¿--G Гц) с 5=0.81 и 5=0.86 м. д., соответствующие транс- и цис-изомзрам. ооотнопюние цис-и т^анс-изомеров равно л 8 : 1.. .

Не обнаружено продуктов линейного строения даже рри использовании избытка германа , что объясняется, очевидно, высокой скоростью реакции внутримолекулярной циклизации аддукт-радикала CAI по сравнению со скоростью отрыва им водорода от германа. с

Напротив, в случае дааллиламина (Х=ЫН) 'ДАА) образуется только продукт присоединения по двойной связи :

ДТБП

EtgGeH + СЯ2=СН СН=СН2--ъ—» EtgGe (Cil2 )3Í<1ICH2CH=CH2

сн2 ¿Hg 1 °

XNH/

Для объяснения разница в поведении ДАЭ и ДАА методом конкурирующих реакций получены данные о сравнительной реакционной способности модельных соединений CH2=CHCH2-0-Et и Cfi2=CECH2NEt2 в условиях проведения реакций ги»,жюгермилирования дааллилового эфира и дааллиламина.' При 135°С данные соединения обладают практически равной реакционной способностью в стадиях присоединения радикала и передачи цепи (реакции 1 и 3), что не позволяет объяснить разницу в поводэнии ДАЭ и ДАА различием констант скоростей передачи цепи. Высокая реакционная способность CE2-SHCH2KHEt2 в реакции передачи цеш может быть объяснена, как и в случае дааллилового эфира, образованием на стадии переходного состояния циклического комплекса ¿¿Р счет координации атома германия с неспаренными электронами азота aiacro группы,0 которое имеет г^сто ь ряде ГОС.

В литература описаны слу'аи внутримолекулярной циклизации с образованием трехчленного цикла. При взаимодействии Е^ОеН с дир.шшловым эфиром , учитиг.ап ковисокук;роакцно1шую способность

СН2?СН-0-Е1-в ггородаче цени (табл. протекания реакции по следутацой схеме

4) ,0 логично

било ожидать

Е^СеН + СН2=СН-0-СН-СН2

Е13СеСН2СН'0-СН--СН2 (В)

СВ1-

Е13Се(С112)2-0-СН=СН2 ч Е^Са(СН2)2-0-(СН2)2СеЕг3 (С} (0)

Е13СеСН2СН-СНСН2-

V

EtзGeH

-Е^Се- ?Е) 2\0/ 3

Е13СеСН2СКСН=СН2-

г

Ег3сесн2сни1=сн2«

Е^еН

ЕР1

он

-Ег3Се-

Однако, в реакционной массе не обнаружены ожидав...ые про-'дукты циклизации и последующего р-распада радикала (ВЗ эпокид СЕ) и сгирт Ш.Получены исключительТю продукта присоединения Е^СеН по одной и двум кратным связям [С] и [Ш.

Полученные эксперименталыше данные позволяют сделать вывод, что строение продуктов реакции гидрогершлирования изученных даонов определяется, главным образом, способностью к циклизации промежуточного адцукт-радикала, и в меньшей степени зависит от ого реакционной способности в реакции отрыва водорода от Е^еН.

7. Гомолитический сштез германийсодеркащих производных азотсодержащих соединений

Несмотря на активный поиск в последнее десятилетие биологически активных ГОС, до настоящего времени описано лишь несколько германийсодеркащих производных аминокислот. на основе сесквпоксидов 7-гермилпропионовой кислоты иобла-задих, в частности, противоопухолевой активностью , Большой :-чтер^с представляет также разработка методов синтеза новых германийсодеркащих аминоспиртов.

-2и-

Используя разработанный наш метод свободнорадикалыюпэ гидрогврмилирования, с целью поиска биологически активных соединений наш впервые получены производные некоторых одно- и двухосновных аминокислот, в которых тризтилгермильный фрагмент находится в Н- и 0-положешшх молекулы .

Взаимодействием яллилового эфира глицина с (Me3SI)2KH и последующим гидрогермилированиемв присутствии ДТБП с выходом 65 % получено соединение , легко отщепляющее тримегаясилилъную группу и переходящее в водорастворимый хлоргидрат при обработке сухим HCl в гексане :

(Iie3Si)2NH

H?NCHpC(0}0CH?CH=CH------MeoSüffiCf,С(0)ОСН9СН=СН —»

2 Me3SiCl 3 - 2

EtgGeH ° HCl

ДГБП

Me3SlNaCH2C(0)0(CH2)3GeEt

HCl-EgKCHgC (OOfCBg )3СеЕ1з

Присоединением EtgGeH к N-аллилпроизводным глицина и ß-алашгаа получены соответствующие германийсодержащие производные (выход 80 и 68 %) и их хлоргидраты :

КОН

CH^CHCHgBr + NHgCHgCiOJOEt > CH^CHCHgNHCHgC (Q)OEt, -

EtOH

CH^CHCHgHHg + CH2=CHC(O)0Et -► CH2=CHCH2NH(CH2)2C(0)0St

ЩПеЕ

CH2=CHCH2KH(CH2)nC(0)OEt -► Et3Gs(CH2)3NH(CH2):iC(0)0Et —>

R=1,2

HCl

-- CEt3Ge(Ctt2)3lia(CH2)nC(0)pEt].HCl

Большое количество азотсодержащих ГОС синтезировано на оснозе т-глицидоксипропилтргэтилгермана (I), полученного присоединением Et3UeH к аллилглицкдиловому эфиру в присутствий энасгоилпероксвда. Конденсацией (I) с DL-ьспар. лшоеоЯ к ВЬ-гдугамииовой кислотами в ДОМ с выходами 75-82 % получены соответствующие производные :

Д5ЙА

Et3Ge (CHg )30СН2СН-СН2 + EOOCiCHg^CECOOH-g—►

j V ¿Hg 160 °

-» К^Се (СН2 )30СН2С;1СК20С (0) (СН2 )пСНС00Н п=1,2

¿Н о ¿Но

^ о

Реакция протекает по свободной карбонильной груше, не затрагивая аютокислотннй фрагмент.

В мягких условиях протекает взаимодействие (I) с этиловым бфчром глицина :

ЕЮН

Е130е(СН2)30СН2СН-СН2 + Н£МСН2С(0)0Е1 ......^ ^-»

-. Ег3Се(СН2)30СН2СН(0Н)СН2ШЮН2С(0)0Еи

Водорастворимые германийсодеркащие производи о двухосновных аминокислот получены с выходом 60-54 % реакцией их триме-'

тилсилилпроизводных с (I) и последующим гидролизом :

о

(Ме3Б1)2№

НООС(СН?)ПСНСООН-► М е-зЗЮ (О) С (СНо) „СНС(О)иЗИГе, --

П1 Ме^КЯ 13 * 151

Ш2 ^ 1ШБ1Ме3

1. (I) °

Е^Се (СН2 )30СН2СНСН2ШСН (СН2 )пС00Н !00Н

2. ЕШН ° I I

ОН С

п=1,2 иис. На основе (I) получены тииран и ряд герчанийсодержащих аминоспиртов (53-92 2):

(Ш2)2 СБ

(I)-

Е13Се(СБ^)30СН2СН-СН2

V

Н№Ш*

Е^ве (СНз )3ОО^СНС^ШШ' ¿Н

Е=Н'=1£е ; СН^ОН НН'=-(СН2)г-Х-(СН2)2-: Х=0 ; СН2 Н=Н, НМ-Ай.

Синтезированные азотсодержащие ТОО представляют потенциальный интерес для изучения их биологической активности, в частности, противоопухолевой, противовирусной и ноотропной.

о

8. Противовирусная активность некоторых синтезированных ГОС

Изучена токсичность для клеток к противовирусная активность на вирусе гриппа А и В ряда получанных соединений во ВНИИ гриппа Минздрава СССР.

Установлено, что соединения, содержащие эпоксидную, ткира-новую и фэсфорильнум группы являются бысокотогскчныш для клеток. Производные аминсспиртов и двухосновных аминокислот нетоксичны и* незначительно подавляют репродукции вируса гриппа, но практического ингибирующего действия но оказывают.

Хлоргадрат Е^СеСН2СН(СН3)С(0)С ;СП2)2Н(СН3)2-НС1 по уровню безвредности для клеток сопоставим с ремантадином и подавляет репродукцию вируса гр1шпа Л и Б. Однако, ег хпмиотерапевти-ческий индекс ХТИ=1, ч^о не позволяет считать препарат активным. На основе данного"соединения возможно дальнейшее продолже-"ше поиска противогриппозных препаратов. °

ВЫВОДЫ

.1. Усовершенствован метод получения тетраалкилгерманов магшхй-оргакическим синтезом в среде углеводородни., растворителей.

2. Разработан одностадийный синтез 1-триалкилгермиладаыантанов присоединением триалкилгерманов к 1,3-дегидроадамалтану.

3. Разработан препаративный метод синтеза карбофункционалышх ГОС гемолитическим присоединением триалкилгерманов к олефи-нвм в присутствии органических перокевдов.

4. Изучены кинетические закономерности протекания элементарных стадий реакции гемолитического гвдрогермюшрования. Получены кинетические и актзшацисшше параметры для отрыва атома водорода от К3СеН н-гексильншл радикалом. Выявлена относительная реакционная способность различных алкенов в элементарных реакциях присоединения и передачи цепи.

5. Впервые для изучения свободнорадикалыых превращений ГОС применены метода квантов-- "'■ химик. Методом МНВО получены дан. ные об особенностях и ;оергвтичоских характеристиках элементарных стадий процесса на примере р,;да модельных соединений. На основании расчетных и экспериментальных дашшх предложен механизм процесса, в котором роль лимити^'Эщей играэт стадия передачи цепи. с

^Изучено гемолитическое гвдрогермилирование песопряженных

диеиошх соединений на примерз диаллилоЕого эффа, диаллил-амина и дищяилового зфира. Установлены факторы, влияющие на направление протекания реакции. о

7. Разработаны методы синтеза новых г^рмапийсодерзаида производных аминокислот и амгаюспиртов. Полученные соединения представляют потенциальный интерес для биологических исследований.

Основное содержание работы изложено в следущих публикациях:

1. Рахимов А. И., Гнатюк В. П., Зинчихина H. Н. Органические пероксиды - инициаторы гемолитического гидрогерчилирэвания алкенов //Тез. докл. IX Всесовзн. кокфер. гю химии орган, и элемонтоорган. пероксидов. Горький, 1990. С. 109.

2. Рахимов А.И., Гнатюк В.П. Реакция СЕободнордакалыгаго ги-дрогормилировалия и ее использование для синтеза функцио-налышх гврманий0ргаш!40ских соединений //Тез. докл. Mo аду -нар. научно-технич. конфзр. "Актуальные проблемы Фувдамен-тальных наук". Москва, 1991. С. 94.

3. Рахимов А.И., Знаток В.П., Озерова Т.П., Зинчихина H.H. Изучение методом ПМР спектроскопии реакции гомолит .ческого гидрогормилирования //Тез. докл. III Всесоюзн. школы-семинара "Применение ПМР в у!мии и нефтехимии". Волгоград, 1990. С. 96.

4. Рахимов А.И., Гнатюк В.П. Гомолитичоский синтез германий-ор1"анических производных тетрагидрофурана //Тез. докл. Всесоюзн. совещ. "Кислородсодержащие гетероциклы". Краснодар, 1990. С. 101.

5. Рахимов А.И., Литинский А.О., Гнатюк В.П., Толстоногое В.А. Квантовохимический анализ стадии передачи цепи в реакции гомологического гидрогериилирования //Тез. докл. X Всесоюзн. совещ. по квантовой химии. Казань, 1991. 0.83.

6. Рахимов А.И., Литинский А.О., Гнатюк В.Н., Толстоногие В.А. Реакционная способность функциональных алкенов в реакции гомолитического гидрогермилирования //Тез, докл. I Всесоюзн. конф. по теоретич. органкч. химии. Волгоград, 1991. С. 354.

7. Рахимов А.И., Гнатюк В.П., Путилин В.л. Новь-:^ германийсо-деркащие производные аминокислот //Ыеталлоорган. химия.-1992.-Г. 5, N 2.-С. 488-4?*,