Химия возбужденных состояний диазотетрагидрофуранонов тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.03 ВАК РФ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Галкина Олеся Сергеевна

Химия возбужденных состояний диазотетрагидрофуранонов

специальность 02.00.03 — органическая химия

2 8 ОКТ 2015

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

005564010

Санкт-Петербург - 2015

005564010

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего образования «Санкт-Петербургский государственный университет»

Научный руководитель: Родина Людмила Леонидовна,

доктор химических наук, профессор

Официальные оппоненты: Поняев Александр Иванович,

доктор химических наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего

профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)»

Макаренко Сергей Валентинович, доктор химических наук, доцент, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего

профессионального образования «Российский государственный педагогический университет им. А. И. Герцена»

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

учреждение науки Институт органической химии им. Н.Д. Зелинского Российской академии наук (ИОХ РАН).

Защита состоится 17 декабря 2015 г в 1500 часов на заседании совета Д 212.232.28 по защите докторских и кандидатских диссертаций при Санкт-Петербургском государственном университете по адресу: 199004, Санкт-Петербург, Средний пр., д. 41/43, Большая химическая аудитория.

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке им. А. М. Горького, СПбГУ, Университетская наб., д. 7/9 и на сайте www.spbu.ru.

Автореферат разослан "П" октября 2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

/В. Н. Сорокоумов/

1. Общая характеристика работы

Актуальность темы. Фотохимические реакции диазосоединений вошли в синтетическую практику как удобный метод генерирования карбенов и как элегантный метод сужения циклов. Что касается прикладных аспектов, то фотохимическую реакцию диазокетонов — перегруппировку Вольфа - часто используют как в малотоннажном производстве биологически активных веществ, так и для получения компонентов светочувствительных материалов. Другим значимым превращением диазосоединений под действием света является их фотоизомеризация в диазирины — напряженные трехчленные циклы с двумя гетероатомами, которые нашли широкое применение в биомедицинских исследованиях в качестве биомаркеров.

Для селективного получения конечного продукта через электронно-возбужденное состояние необходимо знать длину волны возбуждающего света и уровни энергии, на которых происходит «перестройка» исходной молекулы. Изучение фотохимических реакций обычно сложнее, чем «темновых» процессов, но интерес к этой теме неуклонно растет с внедрением в экспериментальные исследования новых физико-химических методов, в частности - лазерной техники, появляются новые данные о механизмах превращений возбужденных состояний (ВС).

Подобного рода тонкости механизмов фотохимических превращений диазокарбонильных соединений подробно изучены лишь на единичных примерах, в частности — в случае шестичленных циклических диазодикетонов, так что постановка такого исследования в ряду пятичленных диазомонокетонов ряда тетрагидрофурана представляется весьма актуальной.

Цель диссертационной работы заключалась в установлении основных закономерностей и оптимальных условий проведения реакций диазокарбонильных соединений, протекающих при электронном возбуждении без элиминирования азота, на примере диазокетонов ряда тетрагидрофурана.

Для достижения поставленной цели в работе были решены следующие задачи:

• оптимизированы методики синтеза исходных 4-диазодигидрофуран-3(2Я)-онов;

• выявлены направления химических превращений диазокетонов ряда ТГФ под действием лучистой энергии различного диапазона как с элиминированием азота, так и с сохранением азота диазогруппы;

• определены оптимальные условия проведения фотолитических реакций с сохранением азота с целью использования их для Ы-функционализации С-Н-связей простых эфиров и углеводородов с помощью алифатических диазосоединений;

• определены условия изомеризации диазокетонов ряда ТГФ в а-кето-спиродиазирины, синтетически недоступные методами «темновой» химии;

• установлена роль диазиринов как интермедиатов в превращениях 4-диазотетрагидрофуран-3(2//)-онов;

• сформулированы общие закономерности химических превращений диазокетонов ряда ТГФ под действием света различного диапазона и предложена общая схема путей накопления и расходования ВС (возбужденных состояний) 4-диазотетрагидрофуран-3(2Я)-онов.

Научная новизна исследования.

• Разработан новый эффективный вариант синтеза тетразамещенных 4-диазодигидрофуран-3(2Я)-онов.

• Впервые установлены условия двух направлений фотохимических превращений диазокарбонильных соединений ряда ТГФ с сохранением азота: а) дающих Ы-

замещенные гидразоны и Ь) приводящих к а-кето-спиродиазиринам.

• Впервые разработан фотохимический метод Ы-функционализации алифатических С—Н-связей с помощью диазотетрагидрофуранонов.

• Впервые разработан фотохимический способ получения а-кето-спиродиазиринов ряда тетрагидрофурана.

• Впервые сформулированы общие закономерности химических превращений диазокетонов ряда ТГФ под действием лучистой энергии различного диапазона и предложена общая схема путей накопления и расходования ВС диазотетрагидрофуранонов.

Практическая ценность работы.

Разработан улучшенный вариант синтеза тетразамещенных 4-диазодигидрофуран-3(2Я)-онов. Показана возможность и найдены условия введения фуранилиден-гидразинильных заместителей в а-С—Н-связи простых эфиров и углеводородов с помощью диазокарбонильных соединений ряда ТГФ. Продемонстрирована принципиальная возможность простого и эффективного синтеза потенциальных компонентов фотоаффинных меток - а-кето-спиродиазиринов фотоизомеризацией более доступных изомерных а-диазокарбонильных соединений.

На защиту выносятся результаты проведенного исследования, включающие:

• Новый оптимизированный вариант синтеза тетразамещенных 4-диазодигидрофуран-3(2//)-онов.

• Фотохимический способ введения фуранилиденгидразинильных заместителей в а-С-Н-связи простых эфиров и углеводородов с помощью диазотетрагидрофуранонов.

• Синтез а-кето-спиродиазиринов ряда ТГФ под действием света.

• Влияние мультиплетности ВС а-диазокетонов на характер продуктов фотохимических превращений.

Апробация диссертационной работы.

Основные результаты диссертационной работы были представлены на 6-ти Всероссийских и Международных конференциях. По теме диссертации опубликованы 6 статей и тезисы 6 докладов.

Содержание работы.

Диссертация состоит из введения, литературного обзора, обсуждения результатов, экспериментальной части, списка условных обозначений, выводов, списка цитируемой литературы и приложения. В литературном обзоре рассмотрены новые данные в области фотохимии диазокарбонильных соединений (за последние 10 лет), освещающие как перегруппировку Вольфа и превращения фотохимически генерируемых карбенов, так и реакции без выделения азота, а именно изомеризацию в диазирины и взаимодействие с реагентами — донорами водорода. Во второй части работы обсуждаются результаты оптимизации синтеза исходных диазотетрагидрофуранонов, установление основных направлений превращений этих диазокетонов в возбужденных состояниях, выявление условий синтеза диазиринов и Ы-функционализации С-Н-связей с помощью 4-диазодигидрофуран-3(2//)-онов. В заключение этой части предлагается общая схема превращений диазокетонов ряда тетрагидрофурана в возбужденных состояниях. Третья часть работы включает экспериментальные методики и физико-химические характеристики полученных соединений.

Нумерация соединений в автореферате идентична использованной в диссертации.

Работа выполнена с использованием оборудования ресурсных центров СПбГУ «Магнитно-резонансные методы исследования», «Методы анализа состава вещества», «Оптические и лазерные методы исследования вещества» и «Рентгенодифращионные методы исследования». Автор выражает благодарность сотрудникам РЦ за помощь при выполнении работы, а также к.ф.-м.н. Алексею Валерьевичу Поволоцкому за помощь в проведении лазерных исследований и проф. Виктору Ивановичу Барановскому за помощь в квантово-химических расчетах. Автор признателен проф. Герхарду Маасу за предоставленную возможность выполнить часть диссертационной работы, связанной с фотохимией диазотетрагидрофуранонов, в его лаборатории в университете г. Ульм (Ггрмания).

2. Основные результаты и их обсуждение

Строение полученных в диссертационной работе соединений установлено на основании анализа данных ИК, 'Н и 13С ЯМР спектроскопии и масс-спектрометрии, а их состав в некоторых случаях подтвержден элементным анализом. Строение 9-ти соединений доказано данными рентгеноструктурного анализа.

2.1. Исходные 4-диазодигидрофуран-3(2Н)-оны

В качестве объектов исследования был выбран ряд тетразамещенных 4-диазодигидрофуран-3(2//)-онов с различными алкильными и арильными заместителями 1—10, а именно: тетраалкилзамещенные диазокетоны 1—4 с метальными, трет-бутильными и спироциклоалкильными заместителями; региоизомерные триметилфенилзамещенные диазокетоны 5, 6; региоизомерные диметилди-фенилзамещенные диазокетоны 7а, 8а и их диарилзамещенные аналоги 7Ь-с1, 8Ь-(1 с акцепторными и донорными заместителями в бензольных ядрах; спирофлуоренилзамещенный диазокетон 9 и тетрафенилзамещенный 4-диазодигидрофуран-3(2//)-он 10.

ХоХ -о-

1 23 (иис)

о мг

о. и2 оч м2

оОо смэ

О N3

у—\ N20 Гт«

°

7а-с< \_/ 8э-с>

\ Я

R

И = Н (а). ОМе (Ь), р (с), С1 (й)

О Ы2 ___ О ___^

ХА--0 СХОгО

О 1 / ' / о \ —

о / Ч /7 \

\=/

2

Диазокетоны 1, 3—7, 9 получали посредством прямого диазопереноса на активированную метиленовую группу монокетонов 14 с использованием /л/?ис(изопропил)бензолсульфонилазида в среде диэтилового эфира (вместо бензола).

После обычной обработки реакционных смесей целевые диазокетоны 1, 3—7, 9 были выделены с выходами до 93%.

к"2

к' _ 12* ш я' ___ Аг5°г"а.

„..бензол „„Н^Н Л^

и П и Ь)Е,2°

Ы о2 = Д|к дг ('V) а) ЭеОг, АсгО

* йг ь) шио2гн', тнг

/

N2 О О О О

-_ п'А"2 _ "Ук*2

О (VI) а) НдО, бензол К О К (V) а) М2Н4'НгО К О к

¿2.12 ь) онж3о, Е12о ш = Н) Ь)ТзМНМНг и

И(к' = те)

Диазокетоны 8, 10 были получены с использованием новой методики (путь 6), включающей последовательное проведение реакций нитрозирования монокетонов 14, превращение образующихся а-дикетонов 15 в тозилгидразоны 17 (выходы 44-48%) и реакцию Бамфорда-Стивенса (выходы диазокетонов 8, 10 составили 89-97%).

Новая схема синтеза оказалась непригодной для получения диастереомерных ди-/ире/и-бутилдиметилзамещенных диазокетонов 2а,Ь, поэтому их синтез проводили по классической схеме (путь а), включавшей получение гидразонов 16 (63—88%) из а-дикетонов 15 и последующее окисление их желтой окисью ртути (выходы диазокетонов 2а,Ь составили 67-78%).

2.2. Новая фотохимическая реакция диазокетонов ряда ТГФ без элиминирования азота как способ Н-фунщионализации алифатических С-Н-связей

Ранее в ходе предварительных исследований было установлено, что тетрафенил- и диметилдифенилзамещенные диазодигидрофуран-3(2Д)-оны при электронном возбуждении могут реагировать с тетрагидрофураном давая Ы-замещенные гидразоны, которые формально можно рассматривать как продукты «внедрения» терминального И-атома диазогруппы в а-С—Н-связь тетрагидрофурана.

Цель этого раздела исследования заключалась в выяснении возможности использования в этой реакции других С—Н-субстратов алифатического ряда, определении оптимальных условий их функционализации с помощью диазосоединений, а также в установлении природы интермедиатов и вероятного механизма новой фотохимической реакции диазокетонов.

В качестве объектов исследования, содержащих С-Н-связь, были взяты тетрагидрофуран (23) и его аналоги — диоксан (24) и диэтиловый эфир (25), имеющие в структуре активированные а-С—Н-связи, а также циклогексан (26) с неактивированными С-Н-связями. В качестве диазосоединений использовали диазокетон 1 с алкильными (метальными) группами и региоизомерные диазокетоны 7а, 8а с алкильными (метальными) и арильными (фенильными) заместителями, которые ранее применяли в аналогичных исследованиях.

Для определения оптимальных условий проведения реакции и выяснения природы образующихся интермедиатов в работе было предусмотрено изучение влияния длины волны актиничного света, а также кислорода и сенсибилизаторов на эффективность рассматриваемого фотохимического процесса.

2.2.1. Влияние длины волны облучения и атмосферы кислорода на эффективность фотохимической реакции

Облучение тетраалкилзамещенного диазокетона 1 актиничным светом сЯ>210нмв обычных условиях (атмосфера воздуха) приводит только к п. Вольфа, т.е. к образованию оксетанкарбоновой кислоты 27 (Л1, Я2 = Ме) с выходом 85%.

О

НМ Н2М

,М Оч о. О,

Я^о"*^2 ТГФ (23) / н2о к,ХоХк2 н'^о^к2 н'Лз-Ч2 н^с/^2

РИ2СО

1 к1=нг=Мв 21 22 32 35 за

1з Я^Ме, (Ч2=Р|1 23. за 31 М 32 и

аз (ч'=р|,. ^ме 31 и 31

Основным направлением фотохимической реакции изомерных диазокетонов 7а, 8а (Я1, Я2 = Ме, Р11 или РЬ, Ме) в атмосфере воздуха также является п. Вольфа (выходы оксетанкарбоновой кислоты 28 составили 59-67%). Однако при этом параллельно протекают и другие фотопроцессы, приводящие к образованию Ы-замещенных гидразонов 30, 31 (до 13%), кетонов 33, 34 (2.5-8%) и винилкетонов 36, 37 (2-9%). Причем каких-либо существенных различий в фотохимических превращениях региоизомерных диазокетонов 7а и 8а не наблюдается. Наряду с основными продуктами реакции 27—37 по данным вС-МБ анализа в реакционных смесях были идентифицированы также в следовых количествах гидразоны 39, 40.

При облучении диазокетонов 7а, 8а в атмосфере 02 выходы гидразонов 30, 31 и монокетонов 33, 34 по сравнению с реакциями в атмосфере воздуха уменьшаются в 1.5—3 раза (до 4-8%), а выход оксетанкарбоновой кислоты 28 здесь, напротив, несколько увеличивается (до 63—73%). В то же время, в фотореакциях диазокетонов 7а, 8а в атмосфере аргона выходы Ы-замещеиных гидразонов 30, 31 (10-11%) и монокетонов 33, 34 (5-6%), в целом, сопоставимы с результатами, полученными в атмосфере воздуха.

Сравнение результатов фотохимических превращений диазокетона 7а при облучении УФ светом различных длин волн в атмосфере воздуха показывает, что выход оксетанкарбоновой кислоты 28 при длинноволновом (> 310 нм) по сравнению с коротковолновым (>210 нм) облучением уменьшается более, чем на порядок (5 и 59%, соответственно). При этом выход гидразона 30 значительно увеличивается (с 13 до 20%), а обнаружить ненасыщенный кетон 36 в реакционной смеси при облучении в этих условиях не удалось.

2.2.2. Фотохимические реакции диазотетрагидрофуранонов с С-Н-субстратами алифатического ряда

Наиболее эффективным сенсибилизатором фотохимической реакции диазокетонов 1, 7а, 8а с С-Н-реагентами 23—26 в ряду бензол, ацетофенон, бензофенон, тиоксантон, нафталин оказался бензофенон, использование которого позволило синтезировать соответствующие продукты С-Н-внедрения 29—31, 47—50 с выходами до 78%.

Для повышения эффективности этого фотохимического процесса следует минимизировать концентрацию кислорода в реакционной смеси и проводить облучение диазокетонов 1, 7а, 8а длинноволновым УФ светом (Я > 310 нм) в атмосфере аргона.

¿Га. 4а

+ ^-н 2X24,21

р(12со/н2о

н-ы

о.

^сЛл2

29-31. 47-50

С02Н о м о

21.23.

Я "о' К2 32=М

Опыт Диазо- Я1 Я2 С-Н-субстрат А, нм Состав реакционных смесей (%)"

кетон (Я-Н) 27е, 28 29-31,47-50 32-34

1 1 Ме Ме >210 с 29; 71 (65) 32; 4

2 >310 с 29; 78 (69) с

3 7а Ме РЬ ТГФ (23) >210 с 30; 56 (49) 33; 18

4 -"- -"- >310 с 30; 61 (53) 33; 19

5 8а РЬ Ме >210 28; 5 31; 63 (53) 34; 16

6 >310 с 31; 67 (59) 34; 18

7 7а Ме РЬ >210 с 47; 39(31) 33; 33

8 9 8а РЬ Ме Диоксан (24) >310 >210 с с 47; 44 (37) 48; 36 (28) 33; 34 34; 15

10 >310 с 48; 42 (37) 34; 18

11 7а Ме РЬ >210 28; 7 49; 19(11) 33; 19

12 -"- С6Н12 (26) >310 с 49; 22 (16) 33; 23

13 8а РЬ Ме >210 с 50; 23 (16) 34; 9

14 >310 с 50; 25 (18) 34; 15

"Условия реакций: диазокетон (1 ммоль), бензофенон (2.1—2.2 ммоль), НгО (20 ммоль), С-Н субстрат (10 мл), облучение 1—4 часа. ^Выходы определены с помощью 1Н ЯМР спеюроскопии. Значения в скобках относятся к препаративным выходам. Не образуется.

На фоне единообразия реакций с изучаемыми С—Н-реагентами 23, 24, 26 неожиданным оказался результат сенсибилизированной реакции диазокетонов 1, 7а, 8а с диэтиловым эфиром (25).

о нг^мн о 0

......-

Г*1'

_с

1, 7а, Ва

О 21

ЛУ7 Аг

РИ2С0/Н20 К1=Я2=Мв Я'^РЬ, Я2=Ме

51

52 51

32-34

В этом случае, наряду с монокетонами 32—34, в качестве основных продуктов реакции были идентифицированы быс-гидразоноэтаны (аминали) 51—53, которые формально являются продуктами взаимодействия двух молекул диазокетона с одной структурной единицей С-Н-субстрата 25. При коротковолновом облучении аминали 51—53 и монокетоны 32—34 образуются с невысокими выходами (19-28%), однако длинноволновое облучение позволяет увеличить их до 36%.

2.2.3. Интерпретация результатов фотохимических реакций диазокетонов ряда ТГФ с С-Н-субстратами в различных условиях

Суммируя результаты проведенных экспериментов, можно сказать, что новая фотохимическая реакция диазокетонов, в принципе, может быть использована для Ы-функционализации активированных а-С-Н-связей циклических и ациклических простых эфиров, а также неактивированных связей циклоалканов. Наиболее эффективно реакция идет с тетрагидрофураном (23), где выходы продуктов внедрения достигают 78%, у

диоксана (24) эффективность этого процесса в полтора раза ниже, а в случае циклогексана (26) выходы продуктов С-Н-внедрения не превышают 20-25%. С учетом существенного различия в энтальпии диссоциации а-С-Н-связей эфиров (23—25) по сравнению с циклогексаном (26) (91-93 и 103 ккал/моль, соответственно) эффективность взаимодействия диазокетонов 1, 7а, 8а с а-С-Н-связями эфиров должна быть существенно выше, чем с С-Н-связями углеводорода (26), что и наблюдается на самом деле. Более высокие выходы И-замсщенных гидразонов 29—31, 47—50 при длинноволновом (>310 нм) по сравнению с коротковолновым (>210 нм) облучением, очевидно, обусловлены неустойчивостью продуктов С-Н-внедрения в коротковолновом диапазоне, что подтверждается их быстрым фотохимическим разложением при продолжительном облучении УФ светом с Л > 210 нм.

В реакции с ациклическим диэтиловым эфиром (25) первоначально возникающие обычные продукты С-Н-внедрения претерпевают дальнейшие превращения и в качестве конечных продуктов фотохимической реакции в этом случае были получены бис-гидразоноэтаны 51—53. Образование последних может быть интерпретировано на примере диазокетона 7а и аминаля 52 следующим образом:

>-н /> о м ,

Н-Ы N чУНЬ-И! А

о м, о м о VI о нм^мн О

^Р^СО Е1го \Н.РН__ и . '"

А/^ -ЕЮН АэХРИ

1з. на рь рк

¡2

На первой, фотохимической, стадии процесса происходит внедрение терминального 1\[-атома диазогруппы в а-С-Н-связь диэтилового эфира (25) с образованием обычного продукта реакции — М-замещенного гидразона 54. Последний элиминирует молекулу этанола, образуя азин 55, который реагирует далее с присутствующим в реакционной среде гидразоном 39, что в итоге приводит к аминалю 52.

Преобразования первоначальных аддуктов С-Н-внедрения 54 (а-аминоэфиров) в ходе реакции, по-видимому, связаны с их неустойчивостью и носят темновой характер. Появление же гидразона 39, как уже отмечалось ранее, наблюдается в результате фотохимического процесса — двойного отрыва водорода молекулой диазокетона 7а в триплетном ВС от молекулы С-Н-субстрата 25.

Как было установлено в предыдущих работах и в рамках данного исследования, при прямом УФ облучении диазокетонов 1, 7а, 8а образуются четыре первичных продукта реакции: оксетанкарбоновые кислоты 27, 28, винилкетоны 35—37, М-замещенные гидразоны 29-31, 47—50 и кетоны 32—34. Образование продуктов п. Вольфа 27, 28 и винилкетонов 35—37 обычно относят на счет перегруппировок, протекающих из синглетных ВС диазокетонов и/или, соответственно, синглетиых а-оксокарбенов. Что же касается продуктов С-Н-внедрения 29—31, 47—50 и кетонов 32—34, в качестве интермедиатов указанных продуктов фотохимических превращений предполагаются триплетные ВС диазокетонов 1, 7а, 8а и соответствующие паритетные а-оксокарбены. Основные аргументы в пользу этого следующие:

а) сравнительное изучение прямой и сенсибилизированной реакций диазокетонов 1, 7а, 8а показывает, что в первом случае наблюдается в основном п. Вольфа, протекающая из синглетных ВС диазокарбонильных соединений; в то же время в оптимальных условиях сенсибилизированной реакции, генерирующей триплетные ВС диазокетонов, реализуется практически только С—Н-внедрение (с образованием гидразонов 29—31, 47—50) и типичный для триплетных карбенов двойной отрыв водорода (с образованием

монокетонов 32—34);

b) результаты фотохимических реакций диазокетонов 7а, 8а в атмосфере кислорода показывают, что выходы И-замещенных гидразонов 30, 31 в этих условиях заметно уменьшаются, а продуктов п. Вольфа 28 существенно увеличиваются; эту тенденцию можно рассматривать как типичный пример и доказательство частичного тушения триплетных ВС диазокетонов 7а, 8а кислородом, которое приводит к снижению выходов «триплетных» продуктов реакции 30,31,33,34.

c) присутствие кислорода в реакционной среде не сказывается на результатах прямого фотолиза тетраметилзамещенного диазокетона 1, поскольку в этом случае наблюдается только п. Вольфа, протекающая через синглетные ВС диазокетона 1.

Таким образом, общая схема прямых и сенсибилизированных фотохимических реакций диазокетонов 1, 7а, 8а, приводящих к образованию различных продуктов реакции 27—40, 54, может быть представлена следующим образом:

2а*Ва.

hv

1Оа,аз)

■ С(2)Ме2

Прямой

- Ме (РЬ)

22

п. Вольфа

Ж 21

1,2-А!к(Аг) сдвиг

Ыа^Ва. ■

№

РЬ2СО

ИКК

У

м'

О. N О* г/ О. . N1'

_& \=/ V4'

.. "О' к2 (

о

^с/Ч2

Зк

29-31. 47-50. 54

С-Н-внедрение

38-40

Двойной отрыв водорода

■ Н-донор

32-34

Двойной отрыв водорода

Сенсибилизированное бензофеноном облучение диазокетонов 1, 7а, 8а генерирует их триплетные ВС 3(1, 7а, 8а), электронные структуры которых можно представить в виде совокупности резонансных бирадикальных форм II, I и Х Эти ВС при межмолекулярном взаимодействии с С-Н-реагентами 23—26 (Я5—Н) дают в одну или несколько стадий продукты С—Н-внедрения 29—31, 47—50, 54, а также гидразоны 38—40 — в результате двойного отрыва водорода. Параллельно, определенная часть диазокетонов 3(1, 7а, 8а) в триплетном ВС отщепляет молекулу азота, давая триплетные а-оксокарбены 3К, которые, путем двойного Н-отрыва, стабилизируются в среде Н-доноров с образованием монокетонов 32—34.

Если не учитывать вторичные фотохимические превращения (распад в условиях фотолиза оксетанкарбоновых кислот), генерирующие сенсибилизатор — бензофенон, то образование «триплетных» продуктов реакции 30, 31, 33, 34 при прямом облучении диазокетонов 7а, 8а, очевидно, можно объяснить быстрой интеркомбинационной конверсией (ИКК) 5/—»Г/ возникающих синглетных ВС соединений *7а и '8а и последующими реакциями С-Н-внедрения ВС диазокетонов 37а, 38а или двойного отрыва водорода кетокарбенами (из них) в триплетном ВС. С другой стороны, при сенсибилизированном облучении этих диазокетонов образование «синглетных» продуктов реакции 28 и 36,37 практически не наблюдается.

В отличие от диазокетонов 7а, 8а, при прямом фотолизе диазокетона 1 триплетные ВС не накапливаются, т. к. возникающие в этих условиях синглетные ВС сразу претерпевают п. Вольфа по согласованному механизму: выходы оксетанкарбоновой кислоты 27 очень высоки. Каких-либо других продуктов в случае диазокетона 1 выделено не было.

2.3. Фотохимический синтез диазиринов из диазотетрагидрофуранонов и изучение их фотохимических и термических превращений

Одним из основных способов получения диазиринов является окисление соответствующих диазиридинов, образующихся, в свою очередь, в результате последовательного оксимирования и тозилирования в присутствии аммиака исходных кетонов. Однако этот метод синтеза оказывается непригодным в случае а-кето-диазиринов, получение которых до сих пор осуществляется исключительно фотохимическим путем из соответствующих линейных изомеров - диазокетонов. В то же время примеры использования этого метода пока единичны.

Для развития и совершенствования фотохимического варианта получения подобного типа диазиринов следовало бы реализовать его на большем числе примеров. Кроме того, решение этой синтетической проблемы связано и с вопросом фундаментального характера - о роли диазиринов как интермедиатов в фотохимических и термических превращениях линейных диазосоединений.

В качестве объектов исследования нами были выбраны семнадцать 4-диазодигидрофуран-3(2//)-онов 1-10 с заместителями различной природы в тетрагидрофурановом кольце.

2.3.1. Фотохимический синтез спироциклических а-кето-диазиринов ряда

тетрагидрофурана

Фотолиз диазокетонов 1—10 проводили в кварцевых пробирках, закрытых корковыми пробками, при температуре 30-35 °С в растворе циклогексана. Облучение осуществляли с использованием двух светодиодных ламп UV LED Spotlight 3W (395-405 нм) в течение (50-263)±1 часов.

V/2 VvN

R1hv (395 - 405 нм) RlT^R* =

R^o R2 ^ R o R2 R' ■

5-10 56-61

Полученные результаты указывают на прямую зависимость возможности фотохимического образования диазиринов от природы заместителей в тетрагидрофурановом кольце. Так, при наличии как одного фенильного заместителя в структуре исходных диазокетонов (соединения 5, 6), так и нескольких арильных групп (соединения 7—10), образование соответствующих диазиринов 56-61 протекает гладко с выходом до 52%. Эффективность этого фотопроцесса оказывается в 2-3 раза выше, чем для большинства описанных в литературе а-кето-спиродиазиринов.

Тетраалкилзамещенные диазокетоны 2Ь, 3, 4 наряду с изомеризацией претерпевают и другие фотохимические превращения - п. Вольфа и 1,2-нуклеофильную миграцию заместителя. В случае тетраметил- и i/нс-ди-треж-бутилдиметилзамещенных диазокетонов 1, 2а выделены лишь оксетанкарбоновые кислоты (продукты п.Вольфа) и винилкетоны, образующиеся в результате 1,2-миграции метальных групп.

2,3.2. Предполагаемая схема образования спироциклических а-кето-диазириновряда

тетрагидрофурана

Механизм образования диазиринов при облучении диазокарбонильных соединений окончательно не установлен. Мы предлагаем следующую интерпретацию механизма фотохимического образования диазиринов ряда тетрагидрофурана.

Общеизвестно, что атом углерода диазогруппы находится в состоянии ер2, а атомы азота — в состоянии Бр гибридизации, при этом перекрывание атомных орбиталей диазогруппы приводит к образованию трехцентровой кх и двухцентровой Ку молекулярных орбиталей. Это означает, что электронная плотность в виде неподеленных электронных пар, изображенная на атомах азота, на самом деле может быть делокализована по всем трем центрам, что отражают четыре резонансные структуры. Пятую (нейтральную) можно назвать Л^-нитреновой. В ней терминальный атом азота, имеющий секстет электронов, является аналогом карбена.

а)

Ь)

N..

ГЧ Г\

•и

■л к-

Процессы, происходящие в диазогруппе при ее возбуждении, схематично можно представить следующим образом. (Хотя предложенная схема является в большой степени спекулятивной, а распределение электронов по атомным орбиталям носит вероятностный характер, предварительные квантово-химические расчеты не противоречат высказываемым представлениям).

н! м

¿К и

я2

диазирин

Можно предположить, что при возбуждении светом один из электронов пары, расположенной на яу орбитали, переходит на разрыхляющую п' орбиталь соседнего атома азота. Оставшийся неспаренный ру электрон находится вне общей плоскости гс„ вследствие чего должен проявлять повышенную реакционную способность в реакциях с Н-донорами. Другим вариантом стабилизации такого бирадикала с электронными центрами на атоме углерода и терминальном атоме азота может быть внутримолекулярная рекомбинация с образованием диазиринового цикла.

2.3.3. Изучение фотохимических реакций а-кето-спиродиазиринов ряда тетрагидрофурана

С целью выяснения возможности обратного фотохимического превращения диазиринов ряда ТГФ в их валентные изомеры — соответствующие диазокетоны — и возможного участия этих диазиринов как интермедиатов в п. Вольфа нами были

проведены фотолизы соединений 58а и 59а с использованием твердотельного лазера COHERENT UV (266 нм). Облучение проводили при 30-35 °С в растворе тетрагидрофурана, мониторинг образования продуктов реакций и распада диазиринов проводили с помощью ИК спектроскопии.

В качестве основных продуктов фотохимических превращений диазиринов 58а и 59а в этих условиях были идентифицированы диазокетоны 7а, 8а, кислота 28 и N-замещенные гидразоны 30,31.

hv

^^_____

'-^-1 HN

О N„n О N2 С02Н О /N

R'JvR2 hv(266 нм) R'JTr! hv, \ R.H,

R^-O R2 -™ ~ R' o rZ A0Ap„ +

£2a R1, R2 = Me, Ph Za 2B. 22

ill R1, R2 = Ph, Me la 11

Для всех описанных веществ предварительно были получены индивидуальные ИК спектры. Их анализ позволил выявить полосы характеристических колебаний, по которым в дальнейшем производили идентификацию соединений, содержащихся в реакционных смесях. Отнесение полос поглощения тому или иному колебанию было сделано на основании анализа литературных данных.

Таким образом, была получена база данных ИК спектров возможных продуктов фотолиза, а также самих диазиринов 58а, 59а, которую использовали для контроля хода реакции путем отбора аликвот реакционной смеси через определенные промежутки времени и их анализа с помощью ИК спектроскопии. Стоит отметить, что отбираемая аликвота имела крайне малый объем (5 рл) по сравнению с объемом реакционной смеси (2 мл), что не вносило ощутимой погрешности в концентрацию последней. Кроме того, измерение спектров проводили на приставке неполного внутреннего отражения (НПВО) в тонкой пленке, что не требовало какой-либо пробоподготовки. Все это делает описанный метод чрезвычайно удобным, информативным и экспрессным при анализе состава реакционных смесей, а также позволяет довольно успешно исследовать кинетику происходящих процессов.

Содержание компонентов определяли по интегральной площади соответствующей полосы поглощения в спектре реакционной смеси. В качестве характеристических были выбраны следующие полосы: а) диазирин 58а (1754 см"1, С=0), диазокетон 7а (2083 см"1, C=N2), оксетанкарбоновая кислота 28 (1722 см"1, С=0) и гидразон 30 (1535 см"1, C=N); b) диазирин 59а (1749 см"1, С=0), диазокетон 8а (2089 см'1, C=N2) и гидразон 31 (1537 см"1, C=N).

На основании набора ИК спектров реакционных смесей, полученных по ходу фотолиза, рассчитаны относительные значения содержания компонентов в определенные моменты времени (в среднем, каждые 10 минут). Эти данные использовали для построения кинетических кривых превращений диазиринов 58а, 59а под действием света с Я 266 нм.

Из полученных зависимостей видно, что в первые 10-15 минут фотолиза происходит разложение исходных диазиринов 58а, 59а и активное накопление диазокетонов 7а, 8а, при этом образование каких-либо других продуктов зафиксировано не было.

0

Далее процесс разложения диазокетонов начинает доминировать над процессом их образования, а в реакционных смесях стремительно накапливаются Ы-замещенные гидразоны 30, 31 и оксетанкарбоновая кислота 28. Это свидетельствует в пользу того, что п. Вольфа и образование гидразонов происходит из возбужденных молекул диазокетонов 7а, 8а, тогда как диазирины 58а, 59а в этих условиях (Я 266 нм) претерпевают лишь изомеризацию.

2.3.4. Изучение термических превращений а-кето-спиродиазиринов ряда тетрагидрофурана

Термические реакции а-кето-спиродиазиринов практически не изучены, что связано, в первую очередь, с трудностью их получения. Практически все известные термические превращения таких диазиринов указывают либо на их изомеризацию в соответствующие диазокарбонильные соединения, либо на отщепление молекулы азота и образование а-оксокарбенов. В литературе известно лишь несколько упоминаний о термической п. Вольфа, протекающей непосредственно из а-кето-спиродиазиринов.

Для выяснения закономерностей термического разложения исследуемых диазиринов нами был проведен термолиз диазирина 58а. Термолиз проводили при 102 ± 4 °С в ДМСО-Л) с добавлением капли воды в качестве ловушки для продукта п. Вольфа -соответствующего кетена.

По окончании термолиза (полное исчезновение исходного диазирина 58а; мониторинг с помощью ТСХ) реакционную смесь анализировали с помощью ЯМР 'Н спектроскопии. В качестве продуктов реакции были идентифицированы диазокетон 7а, оксетанкарбоновая кислота 28 и винилкетон 36.

Д

V/2 Г2Н

.7-Х ри 102 ± 4 °С ^Т^РИ 102 ± 4 "С -^/Ч^ -^О^РЬ ДМСО-С6 ^О^РЬ дмсо.„6 -^о^РЬ -^о-^РЬ га, 25% н2о ¿2а н2о ¡3,56% Зй, 15%

Принимая во внимание тот факт, что диазокетон 7а абсолюно устойчив в условиях эксперимента, можно сделать вывод, что все продукты термолиза образуются исключительно из самого диазирина. Это означает, что, в отличие от фотохимических условий, в условиях термолиза диазирин 58а претерпевает два параллельных процесса -изомеризацию в соответствующий диазокетон и отщепление азота с образованием как продукта п. Вольфа, так и продукта 1,2-арильной миграции из а-оксокарбена.

2.4. Интерпретация результатов превращений возбужденных состояний диазотетрагидрофуранонов

На основании анализа спектров поглощения, флуоресценции и фосфоресценции диазокетона 7а были рассчитаны времена жизни ВС этого диазокетона и построена диаграмма их энергетических уровней для интерпретации наблюдаемых превращений ВС 4-диазодигидрофуран-3(2//)-онов.

л Е, ккал/моль

Из полученной диаграммы следует, что диазокетон 7а при облучении может переходить, по крайней мере, в три синглетных ВС; при этом из верхних ВС возможен процесс внутренней конверсии сначала во второе №), а затем и в первое синглетное состояние Пользуясь литературными аналогиями, можно представить, что процессы с участием синглетных ВС протекают, в основном, на уровне за время их жизни 11.6«10"9 сек. К ним относятся быстрые внутримолекулярные (мономолекулярные) реакции - п. Вольфа и 1,2-нуклеофильная миграция в промежуточном карбене (т.е. образование продуктов 28 и 36, соответственно).

Возбужденное состояние имеет значительно меньшее время жизни - 3.5*10" сек, что связано, очевидно, с интенсивной ИКК в триплетное ВС (Г,) (разница энергий 5, и Т, около 2-4 ккал/моль). Так что за это время может произойти лишь какой-то внутримолекулярный процесс, например, циклизация предполагаемого интермедиата -бирадикала — с образованием диазирина 58а.

Значительно более долгоживущее состояние Т,, обладающее временем жизни 24» 10"6 сек, способно участвовать в межмолекулярных реакциях и давать в результате продукты взаимодействия с реагентами - донорами водорода (т.е. образовывать Ы-замещенные гидразоны 30, 47,49, 54).

В случае тетраметилзамещенного диазокетона 1 п. Вольфа протекает очень быстро и эффективно с выходом 85%, поэтому во всех последующих процессах может участвовать значительно меньшее число ВС (концентрация потенциальных реагирующих частиц очень мала). Если учесть, что время жизни состояния Я, в случае тетраметилзамещенного диазокетона 1, по-видимому, еще меньше, чем 3.5«10'9 сек (очень слабая фотолюминесценции этого диазокетона не позволила определить время жизни его ВС), то образование диазирина из диазокетона 1 становится вообще маловероятным. Те же рассуждения справедливы и для объяснения отсутствия гидразона 29 в условиях прямого фотолиз диазокетона 1. Однако М-замещенные гидразоны могут быть получены из тетраметилзамещенного диазокетона 1 в условиях сенсибилизированного фотолиза. В этом случае накопление триплетных ВС происходит по другому каналу.

Приведенные выше данные позволяют понять, почему из тетраметилзамещенного диазотетрагидрофуранона 1 не удается синтезировать диазирин. По-видимому, примерно такая же картина наблюдается и в случае ^нс-ди-тре/л-бутилдиметилзамещенного диазокетона 2а, однако в этом примере существенную роль должны играть и стерические факторы.

2.5. Общая схема превращений диазокетонов и диазириновряда тетрагидрофурана

Исходя из экспериментально определенных энергетических уровней ВС диазокетона 7а и диазирина 58а, их времени жизни, а также электронных энергий (с поправкой на нулевые колебания) основных состояний реагентов и продуктов реакций, рассчитанных с использованием пакета программ Gaussian 09 методом DFT B3LYP/6-31 lG(d,p) с учетом эффекта сольватации в модели поляризованного континуума для ТГФ, мы можем предложить следующую общую диаграмму наблюдаемых превращений исследуемых соединений:

А Е, ккал/моль

При прямом фотолизе диазотетрагидрофуранонов образуются синглетные ВС (8П,...83) 82, Б]), обладающие большой энергией и легко отщепляющие азот, претерпевая быструю внутримолекулярную перегруппировку по согласованному механизму. Небольшая часть молекул дает кетокарбен, для которого характерна 1,2-нуклеофильная миграция заместителя из 5-го положения тетрагидрофуранового кольца к карбеновому центру.

Электронное строение диазогруппы в ВС, как уже было сказано, можно представить в виде бирадикального интермедиата, стабилизация которого может осуществляться в результате внутримолекулярной рекомбинации, что приводит к циклизации с образованием диазирина.

Возникающие диазирины могут переходить из ВС в основное состояние ^ сохраняя избыточную энергию, т.е. попадая на высшие колебательные уровни Яд*. Последующая стабилизация этих «горячих» состояний а-кето-спиродиазиринов может происходить тремя путями: I) дезактивация и переход в 5а диазирина, 2) большая потеря энергии с образованием исходного диазокетона и 3) элиминирование азота и согласованные или карбеновые перегруппировки с образованием кетена или винилкетона. Подтверждением этому служат результаты термолиза диазирина, который дает продукты п. Вольфа и 1,2-миграции 5-го заместителя к карбеновому центру.

Следовательно, этот путь превращений ВС диазиринов представляет собой типичный диабатический процесс, протекающий сначала на потенциальной поверхности ВС и переходящий (без эмиссии света) на потенциальную поверхность основного состояния.

Что касается изомеризации диазокетонов в кетодиазирины, то она может быть осуществлена только фотохимически.

Та часть молекул диазокетонов, которые, находясь в состоянии претерпевают ИКК в состояние Т1, будут иметь значительно большее время жизни (отличающееся от времени жизни синглетных ВС на три порядка), что позволяет бирадикальным интермедиатам реагировать с присутствующими реагентами — Н-донорами. Этот путь ведет к образованию Ы-замещенных гидразонов.

Таким образом, для тетразамещенных 4-диазодигидрофуран-3(2Н)-онов впервые определены основные закономерности химических превращений их ВС в зависимости от диапазона используемой для возбуждения лучистой энергии:

• установлены условия двух направлений фотохимических превращений диазокарбонильных соединений ряда ТГФ, протекающих с сохранением азота и приводящих к неизвестным а-кето-спиродиазиринам, а также к Ы-замещенным гидразонам, что позволяет для реализации каждого направления подбирать соответствуюгцие источники лучистой энергии;

• показано, что характер образующихся продуктов фотолиза диазотетрагидрофуранонов (производных оксетана, ненасыщенных кетонов, насыщенных кетонов, гидразонов, спироциклических а-кето-диазиринов), определяется, в первую очередь, мультиплетностью интермедиатов;

• установлено, что для накопления триплетных ВС диазотетрагидрофуранонов лучшим сенсибилизатором является бензофенон;

• триплетное ВС диазотетрагидрофуранонов обладает достаточным временем жизни для участия в межмолекулярных реакциях, например, с реагентами -донорами водорода.

3. Выводы

1. При прямом облучении монохроматическим светом с X 395—405 нм тетразамещенные 4-диазодигидрофуран-3(2//)-оны изомеризуются в соответствующие диазирины с выходами до 52%, что позволяет рассматривать эту реакцию возбужденных состояний названных диазокетонов как способ получения а-кето-спиродиазиринов ряда ТГФ.

2. Взаимодействие диазокетонов ряда ТГФ с циклогексаном, тетрагидрофураном, диоксаном и диэтиловым эфиром в условиях сенсибилизированного фотолиза протекает с сохранением азота диазогруппы и представляет собой фотохимический метод N-функционализации алифатических С-Н-связей с помощью диазокарбонильных соединений ряда ТГФ. Этот процесс обусловлен участием бирадикальных триплетных ВС диазокетонов, накопление которых наиболее эффективно происходит в бескислородной атмосфере при облучении светом с X > 310 нм, и его можно использовать для идентификации триплетных состояний этих диазосоединений.

3. При коротковолновом облучении (266 нм) происходит обратимая изомеризация диазирина в диазокетон с его последующими перегруппировками. Независимо от длины волны возбуждения диазирин не является интермедиатом на пути от исходного диазокетона к продуктам его фотохимических перегруппировок.

4. Фотохимическая изомеризация диарил- и тетраарилзамещенных 4-диазодигидрофуран-3(2//)-онов в а-кето-спиродиазирины протекает через бирадикальные интермедиа™ в первом синглетном ВС. Возбужденные состояния тетраметилзмещенного диазотетрагидрофуранона практически количественно расходуются в верхних синглетных состояниях, претерпевая перегруппировку Вольфа и/или 1,2-миграцию, и не дают диазирин.

5. Термолиз а-кето-спиродиазирина ряда ТГФ приводит, с одной стороны, к 1,2-нуклеофильным перегруппировкам, а с другой - вызывает его изомеризацию в диазокетон, стабильный в условиях термолиза.

6. Использование новой последовательности реакций нитрозирования, тозилирования и щелочного гидролиза, а также отказ от использования токсичных реагентов и растворителей при получении тетразамещенных 4-диазодигидрофуран-3(2//)-онов позволяет повысить выход целевых диазокетонов и сделать методику их синтеза экологически более безопасной.

Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях: Статьи:

1. Rodina, L.L.; Malashikhin, S.A.; Galkina, O.S.; Nikolaev, V.A. Photochemical Reactions of Regioisomeric 2,2-Dimethyl-5,5-diphenyl- and 5,5-Dimethyl-2,2-diphenyl-Substituted Diazo Ketones of a Tetrahydroforan Series // Hetv. Chim. Acta - 2009. - Vol. 92. - № 10. - P. 19901998.

2. Nikolaev, V.A.; Galkina, O.S.; Sieler, J.; Rodina, L.L. Surprising secondary photochemical reactions observed on conventional photolysis of diazotetrahydrofùranones // Tetrahedron Lett. —2010. - Vol. 51, —№ 20, —P. 2713-2716.

3. Родина, JUL; Галкина, О.С.; Супургибеков, М.Б.; Григорьев, Я.М.; Утсаль, В.А. Фотолиз региоизомерных а,а-дифенилзамещенных диазотетрагидрофуранонов: первичные и вторичные фотохимические процессы // ЖОрХ— 2010. — Т. 46. — № 10. — С. 1536-1539.

4. Тоногина, H.JL; Галкина, О.С.; Родина, JI.JI. Химия возбуждённых состояний диазокарбонильных соединений алифатического ряда // Вест. СПбГУ. Сер. 4: физ. и хим. -2014.-Т. 1.-№3.-С. 371-393.

5. Rodina, L.L.; Medvedev, J.J.; Galkina, O.S.; Nikolaev, V.A. Thermolysis of 4-Diazotetrahydrofuran-3-ones: Total Change of Reaction Course Compared to Photolysis // Eur. J. Org. Chem. -2014. - Vol. 2014. -№ 14. -P. 2993-3000.

6. Galkina, O.S.; Maas, G.; Rodina, L.L.; Nikolaev, V.A. Eco-Friendly Approach to Tetrasubstituted Diazodihydrofuranones: Valuable Precursors of Oxetane Derivatives and Other Heterocyclic Compounds // Synthesis - 2015. - Vol. 47. - № 10. - P. 1469-1478.

Тезисы докладов и сообщений:

1. Galkina, O.S.; Nikolaev, V.A.; Rodina, L.L. Primary and secondary photochemical processes during photolysis of regioisomeric a,a-diphenylsubstituted diazotetrahydrofuranones // XV-th International Conference on Organic Chemistry for Young Scientists "Universities Contribution in the Organic Chemistry Progress" (InterYCOS-2009), RUSSIA, St. Petersburg, June 22-25, 2009, Book of Abstracts - P. 70.

2. Galkina, O.S.; Utsal, V.A.; Grigor'ev, I.M.; Rodina, L.L. Chemical product studies, GCMS, and IR monitoring the photochemical processes occurred upon UV irradiation of a,a-diphenylsubstituted diazotetrahydrofuranones // XV-th International Conference on Organic Chemistry for Young Scientists "Universities Contribution in the Organic Chemistry Progress" (InterYCOS-2009), RUSSIA, St. Petersburg, June 22-25, 2009, Book of Abstracts - P. 125.

3. Rodina, L.L.; Galkina, O.S.; Supurgibekov, M.B.; Nikolaev, V.A. Primary and secondary photochemical processes observed during conventional photolysis of diazofuranidones // International Symposium on Reactive Intermediates and Unusual Molecules (ISRIUM-2009), CZECH REPUBLIC, Prague, Liblice, July 5-10,2009, Book of Abstracts - P. 152.

4. Галкина, O.C., Родина, JI.JI. Первичные и вторичные фотохимические превращения диазокетонов ряда тетрагидрофурана // 12-ая Молодежная Конференция по Органической Химии, РОССИЯ, Иваново, 7-11 декабря, 2009, Сборник тезисов - С. 52.

5. Галкина, О.С., Родина, JI.JI. Химия триплетных возбужденных состояний фенилзамещенных диазотетрагидрофуранонов (диазотетрагидрофуранонов) // Кластер Конференций по Органической Химии «ОргХим-2013», РОССИЯ, Санкт-Петербург, Репино, 17-21 июня, 2013, Сборник тезисов - С. 523.

6. Rodina, L.L.; Galkina, O.S.; Tonogina, N.L.; Povolotskiy, A.V. Features in chemistry of excited states (ES) of diazocarbonyl compounds - new data // 6-th International Conference of Young Scientists on Organic Chemistry «InterCYS-2014», RUSSIA, St. Petersburg, September 23-25, 2014, Book of Abstracts - P. 13.

Подписано в печать 06.10.2015. Формат 60 х 84 Vls. Бумага офсетная. Гарнитура Times. Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,00. Тираж 100 экз. Заказ № 068.

Отпечатано в Издательстве ВВМ . 198095, Санкт-Петербург, ул. Швецова, 41.