Катионы аренония - ключевые интермедиаты анодной функционализации аренов азолами и другими нуклеофилами тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.03 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

ИНСТИТУТ ОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ ИМ НД ЗЕЛИНСКОГО

На правах кописи

Б>расов Александр Валерьевич

Катионы аренония - ключевые интермедиаты анодной функционализации аренов азолами и другими нуклеофилами

02 00 03 - Органическая химия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата химических на} к

ООЗ171859

Москва 2008

г Л,

V

003171859

Работа выполнена в лаборатории органического электросинтеза Института органической химии им Н Д Зелинского РАН

Научный руководитель

Официальные оппоненты

Ведущая организация

доктор химических наук, профессор Петросян Владимир Анушаванович

доктор химических наук Магдесиева Татьяна Владимировна

доктор химических наук Элинсон Михаил Николаевич

Российский химико-технологический университет им Д И Менделеева

Защита состоится " 26 " июня 2008 г в 10 часов на заседании Диссертационного совета Д002 222 01 в Институте органической химии им Н Д Зелинского РАН (119991, Москва, Ленинский проспект, 47, конференц-зал)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИОХ РАН

Автореферат разослан "_2б ' мая 2008 года

Ученый секретарь

Диссертационного совета Д 002 222 01 при ИОХ РАН

доктор химических наук Родиновская Людмила Александровна

Акт\ лльносгь темы

Широкие исследования в области электрохимии органических соединений привели к тому, что с 80-х годов ХХ-го века электросинтез постепенно становится рутинным методом органического синтеза Решающим фактором здесь стало глубокое проникновение в закономерности электрохимического поведения органических веществ и осознание механизмов их электродных превращений В связи с этим наше внимание привлекли реакции анодного замещения аренов Это обширный раздел органического электросинтеза и в то же время одно из перспективных направлений его развития, представляющее очевидный интерес как в ф) ндаментальном, так и в прикладном отношении Вместе с тем, несмотря на подробные исследования реакций анодной функционализации аренов (метоксилирование, галогенирование, цианирование и т п), единый подход к описанию реакций анодного замещения до сих пор отсутствовал

В настоящей работе сделана попытка найти решение этой актуальной задачи Первая часть работы направлена на обоснование факта генерации катиона аренония, как ключевого интермедиата анодного азолирования изомерных диметоксибензолов (ДМБ) Доказательство этого процсса означало бы, что исследуемый процесс, являясь формально процессом электроокислительного н> клеофилыюго ароматического замещения, по сути протекает не через комплекс Мейзенгеймера, а через взаимодействие азольного нуклеофила с электрогенерированным электрофилом (катион-радикал ДМБ) и в итоге приводит к катиону аренония, который по строению идентичен комплеку Уэлланду - ключевому интермедиат) электрофильного ароматического замещения Все это позволило бы с иных позиций рассмотреть процессы анодной функционализации аренов и с учетом закономерностей электрохимического поведения разнообразных пар арен / н>клеофил попытаться найти единый подход к описанию механизма реакций анодного замещения Решению этих вопросов посвящена вторая часть диссертационной работы

Петь работы Исследовать механизм анодной функционализации изомерных диметоксибензолов, используя в качестве нуклеофилов азолы, резко отличающиеся по кислотно-основным свойствам Обосновать электрогенерацию катиона аренония (комплекс Уэлланда) как ключевого интермедиата процесса, определяющего выход и состав продуктов азолирования При сопоставлении этих данных с данными по механизму анодной функционализации различных пар арен / нуклеофил попытаться описать закономерности реакций анодного замещения в ароматическом ряду с позиций единого механизма

Научная иовшна Экспериментально обоснован факт образования аренониевого катиона (комплекс Уэлланда) при анодном азолировании изомерных диметоксибензолов путем

- доказательства важной роли электрофильных компонентов реакционной смеси, оказывающих содействие отщеплению азольных фрагментов от аренониевого катиона при его трансформации в продукт орто-замещения;

- реализации серии примеров синтеза К-(2,5-диметоксифенил)азолоп из 1 1,4 4-тетраметоксициклогексадиена-2,5 Тем самым подтвержден механизм наблюдаемой в ходе электролиза снеси азол / 1,4-диметоксибензол трансформации продуктов ипсо-бисприсоединения в соответствующий продукт cpmo-замещения, которая протекает через образование аренониевого комплекса

- фиксации продуктов нлсо-замещения в ходе анодного азолирования 1,4-диметоксибензола

Установлено, что реакции анодного замещения с участием нуклеофилов, окисляющихся труднее аренов, протекают через взаимодействие неокисленных нуклеофилов с катион-радикалом арена как электрофилом, в случае же легкоокисляющихся нуклеофилов процесс реализуется лишь при условии гемолитического взаимодействия двух электрогенерированных радикальных частиц (арена и нуклеофила) Существенно, что ключевым интермедиатом обеих реакций является катион аренония Это указывает на единство механизмов реакций анодного замещения

Впервые потенциал окисления арена предложен как критерий, позволяющий разделить реакции анодной функционализации аренов на процессы, начальные стадии которых протекают по механизму нуклеофильного и, соответственно, гемолитического взаимодействия с электрогенерированным ароматическим электрофилом Сравнение величины этого потенциала с потенциалом окисления нуклеофила позволяет с успехом предсказать реализацию тех или иных начальных стадий механизма реакции анодного замещения

Апробация работы. Материалы диссертации явились составной частью тезисов докладов на XVIII Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (Москва, 2007)

Публпкащш По результатам диссертационной работы опубликованы статей 3 и 2 направлены в печать, тезисов докладов в трудах конференций - 1

Объем диссертащш Диссертация состоит из введения литературного обзора, обсуждения результатов, экспериментальной части и выводов Список цитируемых работ содержит 155 ссылок Материал изложен на 139 страницах текста, включая 86 схем, 16 таблиц и 10 рисунков

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОСНОВАНИЕ ГЕНЕРАЦИИ КАТИОНОВ АРЕНОНИЯ КАК КЛЮЧЕВЫХ ННТЕРМЕДИАТОВ ПРИ АНОДНОМ АЗОЛИРОВАНИН ИЗОМЕРНЫХ ДНМЕТОкСПБЕШОЛОВ 11-3]

В течение ряда лет в лаборатории «Органического электросинтеза» ИО\ РАН проводили работы по электросинтезу труднодоступных N-арилазолов, обладающих широким спектром биологической активности Модельным процессом был выбран электросинтез N-(2,5-диметоксифенил)азолов в условиях бездиафрагменного гальваностатического электролиза смеси азол / 1,4-диыетоксибензол (1,4-ДМЕ), причем основной задачей было максимально повысить эффективность данного процесса В этих целях развивались и первые представления о закономерностях анодной функционализации 1,4-ДМБ азолами и их замещенными

В результате, нами был предложен [1] механизм процесса (схема 1) с катионом аренония (-4) в качестве ключевого интермедиата, который конкурентно взаимодействует по unco- и орто-позициям с азольным нуклеофилом Первая из этих реакций протекает обратимо, приводя к продукту иисобисприсоединения (3) Мы нашли, что кислые компоненты А-Н реакционной смеси катализируют удаление азольной функции из unco-позиции интермедиата (3'), обеспечивая обратную реакцию превращения 3 в 4 и, как следствие, наблюдаемую в ходе электролиза трансформацию прод> кта 3 в продукт орто-замещения (2)

Схема 1

' f^ ом* " • МеО .

?Ме ОМе МеО Al МеО А* 8- Я- Г) f? J н ¡

ОМе ОМе1 ОМе 4 ¿Me йш

v

s- а+ 1 -ВГГ В

+Ai—Н.В I

АН=АгН, \zH2+,AcOH МеО ^ Ai МеО

, (W- ¡ 0 ОГ

MetJ AÍ [Д^а] МеО 2

Позднее в работах лаборатории была выдвинута гипотеза о том, что кислые компоненты среды могут катализировать также отщепление азольной функции и из гшсо-позиции

3

интермедиата (41) Это обеспечивает реализацию перегруппировки катиона аренония 4 в катион 5 которая протекает необратимо по механизму ямне-замещения, приводя к продукту 2

Такая информация уже выходила за рамки первоначально поставленной чисто утилитарной элекгросинтетической задачи и в фундаментальном тане представляла особый интерес Дело в том, что кислотный катализ, играя приоритетную роль в механизме электросинтеза Ы-(2,5-диметоксифенил)азолов, обосновывает факт промежуточной генерации аренониевого катиона 4 Последнее обстоятельство тем более важно, что по своему строению катион 4 является ни чем иным как о-комплексом или комплексом Уэлланда - хорошо известным ключевым интермедиатом электрофильного ароматического замещения

Это позволяло с иных позиций рассмотреть механизм реакций анодной функционализации аренов широко представленных в органическом электросинтезе Однако прежде всего, мы озаботились получением новых свидетельств, которые подтверждали бы факт генерации комплекса Уэлланда в рассматриваемых реакциях анодного замещения Это и стало основной задачей первой части исследований в рамках диссертационной работы

Т 1 ГОЛЬ ЭЛЕКТРОФГГЛЬНЬК КОМПОНЕНТОВ В МЕХАНИЗМЕ ЭЛЕКТРОСИНТЕЗА N-Q.5-ДНМЕТОКСИФЕШШАЗОТОВ [2, 3]

Одно из свидетельств, подтверждающих факт образования комплекса Уэлланда (катион аренония 4), вытекает из обобщения полученных в работах лаборатории данных по влиянию кислотно-основных свойств среды на выход и соотношение конечных продуктов электролиза.

Анализ [2, 3] механизма процесса позволил заключить (схема 1), что конкурирующие стадии unco- и сртио-взаимодействия катиона аренония 4 с азольным m клеофилом (определяют соотношение продуктов 2 и 3 в конечной реакционной смеси) весьма чувствительны к любым факторам, изменяющим кислотно-основные свойства среды

Так, добавки основания - коллидина (KJI) при электролизе смеси азол / 1,4-ДМБ всегда увеличивают содержание продукта 3 (табл 1, опыты 2, 6, 10, 14, 17) При этом, в электролизе с участием основных азолов рост содержания 3 за счет добавок KJI был невелик (до 15%, опыты 2 6, 10) а при участиии кислых азолов выход возрастал до 52% в случае НП и до 28% в случае Т Одновременно до 4 и 50% выростало содержание продукта 2 (опыты 14,17, соответственно)

Дело, по-видимому, в том, что использование системы азол / KJI (3 1) при электролизе с участием наиболее кислых азотов обеспечивает, с одной стороны, присутствие относительно активного нуклеофила Azs~ II5^ КЛ за счет ослабления связи Az-H данного комплекса под

4

действием КЛ'1, а с другой - кислотный катализ под действием самих А/И

Таблица 1

Втияние природы добавок на выход и состав продуктов бездиафрагменного электролиза смеси 1,5 моля азола на моль ДМБ (РЬэлектроды, ВщХСЛС^ в МеСЛ, I = 50тА, = 2Н на моль ДМБ)

№ РК,1'1 Добавка, Выходы продуктов по

п/п Азол Шифр м01ы1л 1 току, °/о

(рКа") моль ДМБ 2 3

1 - 28 30

2 3.5-диметил пиразол дмп 15,0(4,1) КЛ, 0,5 15 42

3 АсОН, 1,5 38 14

4 7.пП, 43 0,0

5 - 2 23

6 пиразол п 14,2(2,5) КЛ, 0,5 2 38

7 АсОН, 1,5 13 17

8 гпСЬ <0,5 8 9

9 - 7 40

10 1,2,4-триазол ТА 10,4(2,5) КЛ, 0,5 2 56

11 АсОН, 1,5 8 33

12 гпСЬ. <0,5 4 24"

13 4-нитропиразол НП 9,6 (-2,0) - 2 -

14 КЛ, 0,5 4 52

15 АсОН, 1,5 - -

16 - 4 00

17 тетразол Т -1,9 (-2,7) КЛ, 0,5 50 2«

18 АсОН, 1,5 <2 0,0

19 гпС12. <0,5 3 0,0

см [1], где рК,1 (Лх~ + II* АгН) , рК,п (АгН + 1Г «=£ АгН;4) , имеется 2 % проду кта ил со-замещения

С этих позиций вполне объяснимо и влияние добавок АсОН на состав продуктов электролиза Из результатов опытов 14 и 17 следует, что такие добавки практически полностью подавляют нуклеофильные свойства наиболее кислых азолов, ингибируя, тем самым, процесс их функционализации Что касается наиболее основных азолов, то эффективность добавок АсОН растет с ростом их основности (ср опыты 3,7, 11)

Очевидно, это определяет баланс между способностью азолов к нуклеофильной атаке в условиях эксперимента и, одновременно, способностью АсОН облегчать отщепление азольных функций за счет реализации кислотно-катализируемых стадий 3-»3' и 4-»5 (схема 1)

*) Роль нуклеофща выполняет ненонизированная форма азолов [2] Присутствует в виде образующихся за счет водородных связен комплексов Д/Т1*В|2|. где В — основание, которым, наряду с майку ими наиболее основных азолов, могут служить молекулы добавляемого в электролизу емын раствор КЛ

Если развиваемые представления корректны, то роль интермедиата 3' может выполнять ассоциат с любой частицей, способной электрофильно содействовать отщеплению азольной функции Корректность этой гипотезы мы проверили специально, добавляя при электролизе кислоту Льюиса (2пСЬ) вместо кислоты Бренстеда (АсОН)

Как мы и ожидали, добавки 7мСЪ действовали столь же эффективно (см опыты 8, 12, табл 1), что и добавки АсОН Этот результат подтвердил наличие эффекта электрофильного содействия отщеплению азольных функций и позволил внести некоторые коррективы в написание представленных на схеме 2 маршрутов а и Ь механизма процесса

В принципе можно было допустить, что в качестве кислоты Льюиса способен выступать и катион-радикал 1', причем взаимодействие 1' в ходе электролиза с продуктом ипсо-бисприсоединения 3 могло приводить к образованию аренониевого катиона 4 (см схему 2 маршрут с) Экспериментальное обоснование такого взаимодействия стало бы еще одним подтверждением генерации аренониевого катиона 4 в ходе электролиза

В этих целях была поставлена серия экспериментов, суть которых состояла в том, что на стадии а) такого эксперимента проводили электролиз в стандартных условиях (3 ммоля азола, 2 ммоля 1,4-ДМБ, 0,1 ммоль Га.,КСЮ,, 45 мл \feCN, О = 2К на моль ДМБ, I = 50 мА), по окончании которого реакционную смесь тщательно анализировали, в том числе, определяя

Схема 2

} ' и ¿г,

количество непрореагировавших азола и 1,4-ДМБ Для реализации стадии Ь) в полученную после стадии а) реакционную смесь добавляли 1,4-ДМБ в целях компенсации израсходованной части от его исходного (2 ммоля) содержания Затем электролиз продолжали, пропуская еще 2? на моль 1,4-ДМБ электричества, полагая при этом, что в условиях недостатка исходного азола процесс на стадии Ь дотжен, в основном, протекать за счет взаимодействия катион-радикала 1' с продуктом ¡¿«ео-бисприсоединения 3 В результате было показано, что электролиз, например, смеси ДМП / 1,4-ДМБ приводил на стадии а) к ожидаемым продуктам 3 и 2, однако продолжение электролиза на стадии Ь (после компенсации 1,4-ДМБ, израсходованного на стадии а), сопровождалось ростом выхода проду кта 2 и падением выхода проду кта 3

Отсюда следует, что в условиях, когда исходный ДМП, в основном, выработан, а генерация каг ион-радикала 1' (за счет окисления 1,4-ДМБ) продолжается столь же интенсивно, интермедиат I* атакует №атом пиразольной группы продукта 3 с образованием интермедиатов 1" и 4, как это показано на схеме 2, маршрут с Другими словами, взаимодействие 1' с 3 обеспечивает в ходе этектролиза постоянную регенерацию аренониевого катиона 4 часть которого все время необратимо перегруппировывается в аренониевый катион 5 и далее превращается в продукт 2 (см схему 2, маршрут Ь) В результате, выход продукта ипсо-бисприсоедииения 3 снижается, а выход продукта о^шо-замещения 2 растет

Таким образом, доказана важная роль электрофнльных компонентов среды (кислоты Бренстеда, Льюиса, катион-радикалы арена), катализирующих трансформацию продукта

3 (схема 2) в продукт 2 Тем самым подтвержден (схема 2) механизм процесса, где ключевым пнтермедиатом выступает катион ареношш -4 или комплекс > ».панда.

1 2 Р4ШГГ11Е НОВОГО ПОДХОДА К СИНТЕЗУ \'-(2.5-Я! 1М КТОКСИФ Н Ш Г) МО ТО В [1,21

Другое подтверждение факта генерации аренониевого катиона 4 (схемы 1, 2) вытекает из полученных нами ранее [1] результатов по азолированию 1,4-ДМБ в МеСХ и МеОН, которые отчасти были развиты в других работах лаборатории и заметно дополнены в наших недавних [2] исследованиях

В целом общие закономерности Ы-диметоксифенилирования азолов в нейтральных (МеСХ) и в нуклеофильных (МеОН) средах можно описать принципиальной схемой 3 [2] Из схемы видно, что конкурирующие реакции орто- и кисо-взаимодействия аренониевых катионов

4 и 6 с азольным нуклеофилом являются ключевыми стадиями процесса и в той, и в другой среде и вносят определяющий вклад в образование продукта орню-замещения 2

7

Схема 3

Следует обратить внимание, что за исключением начальных (1->4 или 1->6) стадий процесса все остальные - чисто химические Это означает, что если предложенные стадии (включая генерацию аренониевых катионов 4, 6) корректны, то, убрав электрохимические стадии мы получаем (как это показано на схеме 4) чисто химический путь синтеза целевого продукта 2 из бискеталя хинона 7 через стадии 7—>7'—»6—>6'-»5->2, или же из продуктов ипсо-бисприсоединения 3 через стадии 3->3'-»4-»4'->5->2

Схема 4

МсОН

М:С1 дгн 1 А \ МсО а,

V з> МеО. А2 ( и.....1......! Уз МсО Аг

ЕПк

Принципиальная возможность реализации чисто химической трансформации продукта 3 (Аг = тетразолат) и бискеталя 7 (более доступен, по сравнению с 3) в целевой продукт орто-

замещения 2 уже была отмечена нами ранее [1] на примере электролиза с участием наиболее кислых азолов (3-нитро-1,2,4-триазол и тетразол) Этот результат создал предпосылку получения К-арилазолов новым двухстадийным методом Его первая стадия отвечает электроокислению 1,4-ДМБ в среде МеОН по известной методике с получением хинондикеталя 7, тогда как вторая - чисто химическому взаимодействию полученного 7 с азолами

Проведенные опыты по взаимодействию хинондикеталя 7 с азолами путем их сплавления при 110° в течение 5ч показали, что состав образующихся продуктов и их выход зависят от кислотно-основных свойств как азолов, так и среды Поэтому при необходимости в реакционную смесь делали добавки КЛ или АсОН и при варьировании таким путем условий эксперимента получили те же проду кты, что и при электролизе смеси азол / 1,4-ДМБ в МеОН

Таблица 2

Значения выхода (на загруженный ДМБ) продукта срт/озамещения 2 при реализации одностадийного и двухстадийного методов электросинтеза

Азолы Выход, Ч о

Одностадийный Двухстадииныи

электросинтеза электросинтез"

дмп 57 55

п 18 46

ТА 10 50

НП 0 31

НТА 18 48

Т 52 46

а) ,

максимальным выход, полечен при испочыованин наиоолее удачном комоинацнн состава

аюл/ДМБ/добавка КЛ «ли АсОН, 6 су ммарный выход с учетом 70% выхода 7 на первой стадии

Полученные результаты указывают на очевидное сходство механизма электросинтеза Ы-диметоксифенилазолов (схема 3) и представленного на схеме 4 механизма их химического синтеза, свидетельствуя, тем самым, в пользу промежуточной генерации соответствующего комплекса Уэлланда (катионы аренония 4 или 6)

Следует отметить, что метод двухстадийного электросинтеза М-(2,5-диметоксифенил)-азолов имеет очевидные преимущества, поскольку выход продуктов 2 оказался сравним или выше, чем при использовании одностадийного чисто электрохимического метода (см табл 2)

Таким образом, получил развитие новый метод синтеза N-(2,5-днметокснфенил)азолов и на широком круге примеров подтверждена 12] отмеченная ранее [1] возможность получения этих веществ путем химического взаимодействия

хинондиксталя 7 с ¡полами Экспериментально обоснован вывод о том, что механизм химического процесса (см схему 4), является составной частью механизма электросинтеза 1Ч-(2,5-диметоксифеиил)азолов (схема 3), тем самым подтвержден факт генерации катиона ареноння (комплекс Уэлланда) при протекании исследуемой реакции анодного замещения

1 3 PFAJnn АШ1Я нисо-ЗАМЕЩЕНИЯ ПРИ АНОДНОМ АЗОЛНРОВАШПГ 1.4-ДПМЕТОКСИБЕтоЛА

Для реакционной способности комплекса Уэлланда в электрофилыюм ароматическом замещении характерно образование в некоторых случаях продуктов гшсо-замещения 8 Интересно, что и при электролизе 1,4-ДМБ или 4-метоксифенилацетата в присутствии таких азолов как ТА, НИ НТА и Т в ряде случаев наряду с продуктами ортозамещения 2 и ипсо-бисприсоединения 3, образовывались также продукты ¡шсозамещения метокси- или ацетокси-групп в исходном арене на азольный нуклеофил Заметим, что несколько сходных примеров кпсо-замещения с участием других пар сореагентов уже были описаны ранее

Проведенный анализ всех имеющихся данных показал, что при анодной функционализации аренов продукты нисо-замещения, в основном, образуются в тех случаях, когда замещаемая группа способна уходить в виде достаточно устойчивых катионов (протон, шреш-бутильный катион и т п ) Например, отщепление трудноуходящей метокси-группы реализуется за счет ее распада на протон и формальдегид Здесь важна роль цианид-аннона, катализирующего (схема 5) отщепление протона (S Andreades, Е. W Zahnow, J Ат Chem. Soc., 1969, 91, 4181)

Можно допустить реализацию того же механизма замещения метокси группы и при анодном азолировании 1,4-ДМБ Однако при замещении ацетокси-группы группы ее уход в виде катиона маловероятен также как и распад на СОг и малоустойчивый метальный катион

Более разумным представлялось отщепление ацетокси-группы в виде радикала, который мог стабилизироваться по хорошо известному механизму Кольбе Например, такое

Схема 5

превращение, вероятно, реализуется при азолировании 4-метоксифенилацетата (схема 6) На схеме показано, что ацетокси-группа отщепляется от аренониевого катиона в виде ацетоксильного радикала, а в качестве второго продукта образуется катион-радикал 1-азолнл-4-метоксибензола, который может стабилизироваться за счет окисления молекулы исходного арена (или ацетат-иона)

Схема 6

Н3С-СН3

N11-^ ^-ОМе

Особый интерес вызывали данные элемротша смеси 1,4-ДД1Б / ТА, согласно которым пропускание Шмоль электричества приводит к смеси продуктов За и 8л (схема 7) Однако длительный электролиз (2Г/моль) дал возросшее количество лишь одного продукта ипсо-замещения 8л Этот хорошо воспроизводимый результат позволил заключить, что продукт ипсо-бисприсоединения За является предшественником продукта готсо-замещения 8л Единственно возможным путем такой трансформации нам представляется реакционный маршрут (схема 7), где г/исо-биспродукт За теряет одну из триазольных функций, превращаясь в аренониевый катион 4л (ср схема 1), который стабилизируется далее с выбросом молекулы формальдегида и протона, как это описано выше (см схему 5)

Схема 7

Г >

За

МеО

О — 6

><»-! .»Ч У-

О

/ \\ -{ N

V Т

-Н+, -СН20

Таюш образом, факт обрлзовлшш продуктов шко-замешшия в ходе электролшл смеси лзол / арен н, особенно последний эксперимент с участием пары 1,4-ДМБ / ТА, свидетельствуют о протекашш исслс.тусмых реакций анодного злмещенпя через обр лзовлние лренонневого катиона ипсо-птл (комплекс > элллнда)

1 4 ЗАКОНОМЕРНОСТИ АНОДНОГО АЗОЛНРОВАННЯ 1.2- и 1-КТП1МГТОКСШ;Е1ПО ТОП

В предыдущих разделах были рассмотрены данные по экспериментальному обоснованию факта генерации аренониевого катиона при электрохимическом азолировании 1,4-ДМБ Предполагая распространить развиваемые нами представления о механизме этого процесса на другие арены, в качестве первых объектов мы выбрали 1,3- и 1,2- ДМБ, изомерные 1,4-ДМБ

Оказалось что бездиафрагменный гальваностатический электролиз смеси тех же, что и выше (см табл 1) азолов с 1,3- и 1,2-ДМБ протекает с образованием единственно продуктов ертю-замещения Нами установлено, что отсутствие иисо-биспродукгов отнюдь не означает сколь либо серьезного изменения механизма процесса, но лишь свидетельствует, что промежуточный катион аренония расходуется по иным каналам

Так, образующийся при электролизе с участием 1,3-ДМБ катион аренония ипсо-типа содержит в л«гта-положении вторую метокси-группу, электронная пара которой не участвует в делокализации положительного заряда, что делает образование продукта ипсо-бисприсоединения энергетически невыгодным В результате, этот катион вместо присоединения второй молекулы нуклеофила трансформируется в орто-продукт согласно схеме 8 по хорошо известному из реакций азолирования 1,4-ДМБ (схема 1) механизму кипе-замещения

Схема 8

з

АН=АгН, АхН2+, АСОН

Этот чрезвычайно важный вывод подтверждает тот факт, что добавки кислот при электролизе, как и следовало ожидать, резко повышают выход оршо-проду кто в (см табл 3 ) за счет электрофильного содействия перегруппировке катиона 4' в катион 5 (ср раздел 1 1)

Анодное азолирование 1,2-ДМБ отличается от аналогичных процессов с участием 1,4- и 1.3-ДМБ интенсивным осмолением реакционной смеси Причем азолирование реализуется лишь при использовании Т - наиболее кислого азола, который в присутствии КЛ дает высоконуклеофильный анион При этом селективно реализуется иара-замещение и образуется смесь двух >1-изомеров с умеренным выходом по току Интенсивное смолообразование

относительно низкий выход по току целевого продукта, очевидно обусловлены высокой нуклеофилыюстью положения 4 в 1 2-ДМБ которое успешно конкурирует с другими азолами за право взаимодействия с катион-радикалом 1 2-ДМБ

В заключите отмстим, что анодное азотировать изомерных 1,3- н 1,2-ДМБ, как н азолпропапие 1,4-ДМБ, протекают по одному мехашвм}, включающему образова1ше катиона ареношш клсо-типа на ключевой стадш процесса Справедливость этого вьшода подтверждает зависимость выхода продуктов орто-замещення от добавок кислот При этом особенности строешш аренов несомненно влияют на направлешге и эффектность реакции функцноиатвпацни

2 РАЗВИТИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ О МЕХАНИЗМЕ РЕАКЦИИ АНОДНОГО ЗАМЕЩЕНИЯ В АРОМАТИЧЕСКОМ РЯДУ (2,4-6]

Рассмотренные в разделе 1 реакции азолирования изомерных ДМБ чрезвычайно интересны в том отношении, что использованные в них азолы обпадают кистотно-основными свойствами, изменяющимися в довольно широком диапазоне (см табл 1) Мы полагаем, что в силу этих причин реакции азолирования в известной мере моделирмот анодную функционализацию ДМБ с участием различных нуклеофилов как это условно изображено на схеме 9

Схема 9

Во всяком случае, из литературы следует что реакции анодного замещения

представляющие большой раздел электроорганической химии, обычно приводят к образованию от одного до трех представленных на схеме 9 проду ктов (2, 3, 8) и можно поэтому допустить, что процесс функционализации протекает через образование катиона аренония 4

Заметим, что реакции анодного замещения аренов широко изучались, особенно интенсивно в 60-70-е годы XX века, однако до сих пор не предпринималось попыток описать их с позиций единого механизма Можно отметить лишь представление об окислении арена до соответствующего катион-радикала, как начальной стадии этих реакций Такая концепция, например, развита в известной монографии (К Есида, «Э^ектроокисление в органически химии» Под редакцией IIИ Белецкой, Москва, Мир, 1987)

Заметим, что механизм азолирования 1,4-ДМБ, который, кстати, окисляется легче любого азольного нуклеофила, также не противоречит данной идее Это навело нас на мысль, что, в принципе, анодное замещения аренов можно разделить на две группы реакций с участием нуклеофилов, окисляющихся труднее аренов и, соответственно, окисляющихся легче аренов При этом мы полагали, что изучение механизмов протекания каждой из этих групп реакций позволит в конечном итоге описать процессы анодного замещения с единых позиций

Конечно, полная реализация столь масштабной задачи связана с затратами слишком больших экспериментальных усилий и времени Однако мы рассчитывали в рамках настоящей диссертационной работы обосновать корректность и значимость предложенной идеи

Таблица 3

Потенциалы окисления (ЕрОК, ото нас к э ) исследованных аренов и нуклеофилов по данным циклической вольтамперометрии (И, МеСМ)

АРЕН ЕДв НУКЛЕОФНЛ Ерок, В

бензол 2,30 3-11итро-1Д,4-триазол >2,5

4-броманщол 1,80 тетразол >2,5

аннзол 1,75 1,2,4-триазол -2,4

4-ыетоксифеннлацетат 1,65 пиразол 2,0

4-мет1паннзол 1,60 3,5-дмчетнлп11разол 1,8

М-днметокспбензол 1,50 ЕиЮАс 1,6

1,2-днметоксибензол 1,40 ЕО'СХ 1,0

1,4-диметоксибензо 1 1,30 \leONa 09

антрацен 1,25 Й,ШО, 0,8

днфеннлампн 0,90 KSCN 0,7

В этих целях, опираясь на данные циклической вольтамперометрии (ЦВ\) для исследования были отобраны серия аренов и серия нуклеофилов потенциалы окисления которых плавно изменялись в довольно широком диапазоне (см табл 3)

При этом в качестве модельного арена для изучения механизмов функционализации был выбран 1,4-ДМБ с «удобным» потенциалом окисления (табл 3), по отношению к которому часть нуклеофилов окисляется легче а другая часть — труднее Кроме того 1,4-ДМБ уже был изучен в реакции азолирования. что делало его удобным объектом для сравнения

Следует отметить также, что при проведении исследований мы опирались не тотько на собственные результаты но и на известные из литературы данные по механизмам взаимодействия 1,4-ДМБ (и иных аренов см раздел 2 3) с различными нхклеофитами

2 1 РЕАКШШ. ПРОТЕКАЮЩИЕ ЧЕРЕЗ ШТСТЕОФИЛЬНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ С Э1ЕКТРОГЕНЕРИРОВАННЫМ АРОМАТИЧЕСКИМ Э ТЕТСГРОФИЛОМ

Приступая к обсуждению взаимодействия модельного 1 4-ДМБ с трудноокисляющимися нуклеофилами, отметим, что из приведенных в табл 3 к ним относятся все ранее исследованные азоты, а также ацетат-ион Принимая во внимание результаты изложенные в разделе 1 можно заключить, что первые стадии взаимодействия таких нуклеофилов с ДМБ протекают согласно механизму, представленному на схеме 10 Так, присоединение нуклеофила к катион-радикалу 1' дает радикал 1", который сразу же окисляется на аноде до аренониевого катиона 4 (дальнейшие превращения этого катиона подробно обсуждались выше см разделе 11) Справедливость такого механизма подтверждают данные циклической вольтамперометрии (ДВА)

Схема 10

МеОч^Г^и

О а

Дело в том, что при таком механизме добавка трудноокисляемого нуклеофила в раствор 1,4-ДМБ должна приводить к увеличению высоты первого пика окисления 1,4-ДМБ на ЦВА кривой Именно это было обнаружено при исследовании методом ЦВА смеси 1,4-ДМБ с 2,5-диметилпиразолом и 1,2,4-триазолом В то же время добавки более киелого и менее нуклеофильного 3-нитро-1,2,4-триазола никак не влияли на форму кривой окисления 1,4-ДМБ на ЦВА, свидетельствуя о том, что этот азот в реакцию с 1,4-ДМБ не вступает Приведенные данные ЦВ Л измерений полностью согласуются с результатами электролиза смесей 1,4-ДМБ с ДМП, ТА и HTA

В целом, данные, приведенные в разделе 1, с учетом результатов вышеописанных ЦВА измерений позволили нам впервые квалифицировать процессы функционализации, описываемые схемами типа 12, как протекающие через образование комплекса Уэлланда процессы анодного замещения, первые стадии которых отвечают нуклеофильному взаимодействию с электрогенерированным ароматическим электроФилом

В развитие этих работ мы хотели показать, что данный механизм характерен для взаимодействия 1,4-ДМБ не только с азолами В общем случае (см схему 9) такое взаимодействие должно приводить к образованию продуктов 2, 3 и 8, причем образование только одного продукта, в частности, 2 очевидно отражает (см раздел 1 4) объективные ограничения реакционной способности катиона аренония 4

Именно такая ситуация реализуется при анодном ацетоксилировании 1,4-ДМБ, которое обычно проводят в среде АсОН, добавляя AcONa или же в среде MeCN, добавляя EttNOAc и АсОН Как оказалось (см табл 4, опыты 2,3), такие эксперименты приводят исключительно к прод) ктам opwo-замещения (типа 2)

Таблица 4

Выход продуктов срню-ацетоксилирования 1,4-ДМБ при их электролизе на Pt-аноде в системах, содержащих смесь АсОН/соль АсОН или же смесь ZnCli/соль АсОН

№ Арен Системы, содержащие смесь АсОН/соль АсОН № MeCN, содержащий смесь ZnCb",/Et4NOAc

среда нуклеофил 1 Выход, °а Выходс), %

1 1,4-ДМБ MeCNC| 11,!\0\с 0 1' 0С>

2 1 4-ДМБ MeCN"' HtiNOAc 21 2' 70

3 1,4-ДМБ АсОН AcONa 68 3' 70

менее 1,0 моля на мо п. арена,^в-за аю\ой растворимости в 1,5-2,0 моля на моль арешГ

с' без добавок АсОН или ZnCl2, ' с добавкой 1,5 моля АсОН на моль арена

При этом следлет подчеркнуть, что в MeCN, содержащем лишь EtiNOAc как нуклеофил (см опыт 1) продукты ацетоксилирования вообще не образуются Однако, при добав тении в эту систему АсОН (см опыт 2) продукт ацетоксилирования был получен уже с выходом 21°о (опыт 2) А при замене АсОН на кислоту Льюиса (ZnCh) выход этого продукта резко возрос и составил уже 70° ó (опыт 2')

Эти результаты приводят к выводу, что в цетом процесс ацетоксилирования протекает через образование аренониевого катиона типа 4 (схема 10), который скорее фрагментирует чем взаиуюдействует по opino- или unco- позициям с таким слабым пуклеофитом как АсО По этой причине без добавок кислот не образуются не только продукты типа 8 но даже продукты типа 2 Добавки же кислот, никак не способствуя нисоатаке нуклеофила. электрофильно содействуют(ср раздел 1 1) отщеплению ацетатных функций от аренониевого катиона типа 4 в результате он гладко перегруппировывается в катион 5 как следствие приводя к проду ктам 2

Этот результат можно рассматривать как подтверждение факта образования аренониевого катиона тшсо-типа.

В целом, полеченные резу платы позволяют заключить, что реакции анодного ацетоксилирования 1,4-ДМБ, как и реакции его анодного изолирования протекают по единому механизму через образование ареношгсвых катионов 4 как ключевых интермедиатов Наблюдаемые же различия в результатах эксперимента обл ставлены различиями в реакцношгон способности таких катионов

2 2 РЕЛКТППТ. ПРОТЕКАЮЩИЕ 4EPF3 rOMOTimPTFCKOF Hi VirVlO.lH'lfTTOTF С ЭЛЕКТРОГЕНЕ-PIIPOВАННЫМ АРОМАТИЧЕСКИМ Э ТЕКТРОФПЛОМ

Переходя к рассмотрению данных по функционализации 1 4-ДМБ более легко окисляющиушся нуклеофилами (табл 3), мы прежде всего изучили процесс роданирования С одной стороны, SCN" ион, как самый легко окисляющийся среди отобранных нуклеофилов (табл 3), представлял некий граничный случай и а с другой анодное роданирование в отличие от, например, метоксилирования - процесс мало изученный

В принципе можно представить два возможных маршрута реализации первых стадий функционализации 1 4-ДМБ с участием легкоокисляющихся нуклеофилов (см схему 11) Так, можно допустить прямое взаимодействие радикала образующегося на аноде из легкоокисляемого анионного ну клеофила, с нейтральной молекулой 1 4-ДМБ (маршрут 1 схема

П)

Схема 11

МеО. .N11

[Ё+№*?/ом;

ОМе

ОМе

ОМе

-Е1Уц

ОМе § ОМе 2]

[Ц

ОМе

Е=АгН, 4сОН.гпС1т

Такая реакция при ведет к радикалу 1", который должен сразу окисляться, поэтому высота первого пика окисления иуклеофила на ЦВ А кривой в случае добавки в раствор 1,4-ДМБ должна возрастать Однако в реальности добавки 1,4-ДМБ не оказывают влияния на форму кривой окисления вСЫ" иона, что указывает на отсутствие взаимодействия между 5>СМ -радикалом и нейтральным ареном Таким образом, маршрут 1, на схеме 11 должен быть отвергнут

Кроме того, возможен маршрут 2, согласно которому аренониевый катион 4 образуется лишь при условии взаимодействия дау х радикальных частиц катион-радикала арена и радикала нуклеофита В этом случае добавки 1,4-ДМБ не должны оказывать никакого влияния на форму ЦВА кривой легкоокисляемого анионного нуклеофила, что согласуется с данными ЦВА измерений роданид-иона в присутствии и в отсутствие 1,4-ДМБ Таким образом, данные вольтамперометрических исследований адекватны маршруту 2 (схема 11), включающему взаимодействие вСЛ -радикала с катион-радикалом арена

Выводы, сделанные на основе вольтамперометрических исследований, подтверждают и данные электролиза Так, электролиз смеси КвСЛ / 1,4-ДМБ при низкой плотности тока (1,3 мА'см2), что, как показали специальные измерения, соответств) ет потенциалу анода 0,8 В (отн нас к э), не привел к образованию продуктов роданирования Однако они образуются с выходом 15% при использовании более высоких плотностей тока (6,7 мА/см2), которые соответствуют потенциалу анода 1,2 В

В сопоставлении с вышеприведенными данными ЦВА измерений такой эффект вполне очевиден и объясняется тем, что при низкой плотности тока в условиях гальваностатического

режима электролиза происходит лишь не приводящее к образованию целевых продуктов окисление иона SCN" до соответствующего радикала Однако при пятикратном увеличении плотности тока на аноде начинает разряжаться и арен приводя к образованию продуктов роданирования по механизму (см маршрут 2 на схеме 11) гемолитического взаимодействия с электрогенерированным электрофилом (катион-радикал 1 4-ДМБ)

Этот вывод полностью согласуется с концепцией К Есиды (К Ёсща, «Эiектроокиаение в органической химии» Под ред-жцнен IIП. Бетецкой, Москва, Мир, 1987) согласно которой электролиз при потенциалах легкоокисляемого нуклеофила не дает продуктов ф}пкционализации однако они образуются, если электролиз вести при потенциалах окисления трудноокисляемого арена

Все это позволило нам описать механизм процесса схемой 11 2, согласно которой взаимодействие двух электрогенерированных радикальных частиц приводит к катиону аренония Однако далее предстояло уточнить, приведет ли такое взаимодействие к аренониевому катиону нлсо-типа, как это имеет место при азолировании 1 4-ДМБ ити же данный процесс протекает с образованием катиона аренония орто-типа

Из данных по закономерностям азолирования 1 4-ДМБ, изложенным в разделе 11а также его ацетоксилирования (см раздел 2 2) следует, что электрофилыюе содействие, которое оказывают кислоты Бренстеда и Льюиса при отщеплении нхклеофильных фрагментов от катиона аренония 4 (см схемы 2 и 10) является важным аргументом в пользу его гшсо-строения В тех же целях были проведены электролизы смеси KSCN / 1 4-ДМБ без и в присутствии кислоты Льюиса (ZtiCb) При этом оказалось, что добавка ZnCb повышает выход продукта роданирования с 13°одо38% Данный результат можно рассматривать не только как аргумент в пользу нлсостроения промежуточно образующегося катиона аренония, но и как дополнитетьный аргумент в пользу электрофильного катализа, содействующего превращению катиона аренония 4 в целевой сртю-проду кт 2 (схема 11) По всей видимости SCN~ ион как и ион АсО~ (см раздел 2 1) - относительно слабые нуклеофилы которые (при роданировании 1 4-ДМБ, как и при его ацетоксилировании) не способны атаковать промежуточные катионы аренония по ипсо-позиции с образованием соответствующих продуктов нгссо-бисприсоединения и лишь электрофильный катализ в присутствии кислот Бренстеда или Льюиса усиливает направление реакции в сторону образования оршо-продукта

Другое важное свидетельство в пользу образования аренониевого катиона ипсо-типа было получено при дополнительном изучении многократно исследованной реакции анодного метоксилирования 1 4-ДМБ, которую обычно реализуют проводя электролиз 1 4-ДМБ в метаноле Здесь принципиально важен вопрос о природе нуклеофила является ли им сам

метанол (Е выделен™ —1,7 В отн нас к э ) или это легкоокисляющийся (Еп°к = 0 9 В ) метилат-ион, который образу ется в бездиафрагменной ячейке за счет катодного депротонирования МеОН

Практически однозначный ответ на этот вопрос нами получен при попытке осуществить метоксилирование 1,4-ДМБ в анодном пространстве диафрагменной ячейки, где единственным нуклеофилом мог служить используемый в качестве среды метанол Оказалось, однако, что продукты метокснлирования в реакционной смеси после электролиза отсутствуют По существу это означало, что описанный в разделе 2 1 механизм анодной функционализации, основанный на взаимодействии катион-радикала 1,4-ДМБ с нуклеофилом (молекулы МеОН в нашем случае) не реализуется Таким образом, легкоокисляемый метилат анион - единственный нуклеофил, несущий ответственность за образование продуктов метокснлирования 1,4-ДМБ Особенность этой реакции заключается в том, что она с хорошим выходом (см раздел 1 2) приводит к продукту кисо-бисприсоединения, единственным возможным путем образования которого является илсо-взаимодействие метилат-иона с аренониевым катионом 6 (схема 3)

В заключение отметим, что если сравнить описанный в разделе 2 1 механизм реакций анодного замещения 1,4-ДМБ с участием трудноокислиющихся иуклеофилов с рассмотренным выше механизмом той же реакции, но с участием легкоокиеляющнхся иуклеофилов, то вполне очевидно, чго оба механизма идентичны, за исключением стадии, предшествующих образованию аренонневого катиона Так, в случае трудноокисляющихся иуклеофилов происходит взаимодействие неокисленного нуьлеофнла с электрогенерировашилм клтион-раднкалом 1,4-ДМБ как электрофилом, а в случае легкоокнеляющнхея иуклеофилов реализуется гемолитическое взаимодействие двух электрогенернрованных радикальных частиц. Ключевой особенностью процесса является то, что обе реакции протекают через образование аренош1евого катиона ннсо-строения, что указывает на единство механизмов реакций анодной функционалнзащш 1,4-ДМБ

2 3 ЛОТН11Ц1А1 ОКИС 1ПН1Я ХРЕНА КАК КРИТЕРИЙ. ОПРЕДЕЛЯЮЩИЙ МЕХАНИЗМ РЕАКЦИИ АНОДНОГО ЗАМЕЩЕНИЯ В АРОМАТ1Р1ЕСКОМРЯЛУ

В разделах 2 1 и 2 2 на примере 1,4-ДМБ установлено, что начальные стадии механизма его функционализации зависят от того, насколько легко окисляется нуклеофил Так, с трудноокисляющимися нуклеофилами 1,4-ДМБ реагирует по механизму нуклеофильного взаимодействия а с легкоокисляющимися - по механишу гемолитического взаимодействия с катион радикалом 1 4-ДМБ. как электрогенерированным электрофилом

Развивая эти представления, мы пришли к довольно важному заключению механизм реакции в каясдем конкретном случае совершенно не зависит от типа и строения самого арена но зависит лишь от соотношения его потенциала окисления с потенциалами окисления нуклеофилов Так, из схемы 12а видно, что в случае тегкоокисляемого арена реакция его функционализации с участием большинства нуклеофилов дотжно протекать по механизму нуклеофильного взаимодействия В то же время с трудноокисляемым ареном (схема 126) большинство нуклеофилов дотжно реагировать по механизму гомолитического взаимодействия с электрогенерированным этектрофилом

Схема 12

а)

б)

легко-

Таким образом, в рамках этой модели реакции анодного замещения можно, в основном, классифицировать по одному из двух предложенных механизмов В целях экспериментального обоснования данного вывода были рассмотрены данные по фу нкционализации свыше 40 различных пар арен / иуклеофил с привлечением как литературных, так и специально полученных нами данных Как и следовало ожидать легкоокисляемые ну клеофилы вст\ пали в реакцию фу нкционализации в том случае когда этектролиз проводили при одновременном окислении арена и нуклеофила Для наглядности ряд данных приведен в табтице 5 из которой видно что вне зависимости от легкости окисления ну клеофила ф\ нкционализация протекает с образованием продукта ортео-замегцения что не удивительно поскольку катион аренопия является ключевым интерметиатом вне зависимости от механизма первых стадий процесса.

Резюмируя вышеизложенное, можно заключить, что реакции анодного замещения аренов с участием трудно- и легкоокисляющихся нуклеофилов протекают по единому механизму представленному схемой 13

Таблица 5

Потенциалы окисления аренов и нуклеофилов, а также выход продуктов оршо-замещения при их соэлектролизе (14-электроды, 1 = 50 мА, МеСЫ, Е В отн нас к э )

№ опыта Арен / нуклеофил Ер1а, В, Ер1а, В, арена нуклеофила Выход,

Нуклеофнлы, окисляющиеся труднее арена

1 Бензол / Еи^-соль 3-нигро-1,2,4-гриазола 2,3 < (>2,5) 45

2 Анизол / 3,5-диметилпиразол 1,75 < 1,8 13

3 1,3-диметоксибензол / Е14Ы+ОАс~ (добавлена АсОН) 1,5 < 1,6 19

4 2,5-диметилфуран / ЫаСЛ (в среде МеОН) 1,0 < 1,4 70

Ну клеофнлы, окисляющиеся легче арена

5 Анизол / Е^Т^ОАс (добавка АсОН) 1,75 > 1,6 30

6 Анизол / К^СГГ (добавка 2пСЬ) 1,75 > 0,7 45

7 1,3-ДМБ / К^СЛ" (добавка гпСЬ) 1,5 > 0,7 69

8 антрацен / Ag+N02~ 1,25 > 0,8 28

Согласно этой схеме образующийся при окислении арена катион-радикал взаимодействует либо непосредственно с нуклеофилом (когОа тот труоно окисляется), приводя к аренониевому катиону, либо с радикалом (образуется из ческоокисчяющесося нуклеофта), приводя к рздикал-адцукту, присоединяющему еще один электрон с превращением в тот же аренониевый катион иисо-типа

Схема 13

При наличии в реакционной смеси электрофичьных частиц реализ\ется перетру ппировка этого катиона по механизму к»не-замещения, приводящая (маршрут а) к образованию соответствующего сртмо-продукта (в счучаях как чегко- так и тру днокисчяющихся ну клеофичов, например, природанироеанин, ацетоксичировании, азочировании 1 4-ДМВ)

В зависимости от активности нуклеофила и стабильности катиона аренония последний может присоединить еще одну молекллу нуклеофила (маршрут б) образуя продукт ипсо-бисприсоединения (например метошаироеание 1 4-ДМБ или его азотробанне) либо вообще не приводить к целевым продуктам если скорость фрагментации катиона аренония стишком высока (маршрут г) (ацетокстирование или роданпроеание 1,4-ДМБ в нейтрачъных или основных средах) Наконец гшсо-замещение (маршрут в) наблюдается гораздо реже (реализуется при цианнроьании 1,4-ДМБ, и дчя некоторых реакций его азолирования)

В заключение отметим, что в резу тьтате проведенных исследований впервые выдвинута н экспериментально обоснована идея о том, что шнрокш1 комплекс реакцш"| анодного замещения в ароматическом ряду можно свести к двум типам реакшш, различающихся лишь способом реализации первых стадии процесса, тогда как их общим признаком является образование комплекса А'этлацда, как ключевого интермедиата Следует особо отметить, что именно потенциал окисления арена является критерием, определяющим возможность протекания реакции анодного замещения ареной по тому или иному мехашгзму

выводы

1 Развито новое представление о закономерностях азолирования 1,4-диметоксибензола (ДМБ) в условиях гальваностатического бездиафрагменного электролиза и получен ряд дополнительных свидетельств, подтверждающих факт образования катиона аренония ипсо-сгроения (1) [катион 1,4-диметокси-1-(азолил-1)аренония], как ключевого интермедиата исследуемого процесса, который обладает тем же строением, что и комплекс Уэлланда (ключевой интермедиат электрофильного ароматического замещения) Так

1 1 экспериментально обоснована важная роль электрофильных компонентов среды (кислоты Бренстеда, Льюиса катион-радикалы арена), катализирующих в ходе электролиза превращение прод}кта ««¿ю-бисприсоединения (2) [1,4-диметокси-1,4-диазолилциклогекса-2,5-диена] в катион 1, а также последующее превращение этого кагиона в продукт о/шю-замещения (3)[ 1 -(азолил-1 )-2,5-диметоксибензол]

1 2 упомянутая способность продуктов 2 превращаться по ходу электролиза в продукты 3 трансформирована в новый способ получения продуктов 3 путем взаимодействия 1,1,4,4-тетраметоксициклогексадиена-2,5 с азолами, протекающего в условиях кислотно-основного катализа через промежуточное образование катиона 1

1 3 экспериментально доказано, что в ряде случаев азолирование 1,4-ДМБ приводит к продуктам ¡шсо-замещения (4) [1-азолил-4-метоксибензолам], образование которых в некоторых случаях характерно для реакций электрофильного ароматического замещения Этот факт является прямым свидетельством генерации катиона 1 (комплекса Уэлланда) при анодном азолировании 1,4-ДМБ

1 4 на примере анодного азолирования изомерных 1,2- 1,3- и 1,4-ДМБ установлено, что этот процесс протекает по единому механизму, через образование аренониевых катионов ипсо-типа, как ключевых интермедиатов Реакционная способность частиц типа 1 зависит от их строения и определяет состав продуктов в реакционной смеси после электролиза

2 На примере реакций анодного замещения 1,4-ДМБ с различными нуклеофилами установлено, что этот процесс с участием нуклеофилов, окисляющихся легче 1,4-ДМБ, протекает только при взаимодействии катион-радикала 1,4-ДМБ с радикалом нуклеофила, а в случае трудноокисляющихся нуклеофилов путем их взаимодействия с катион-радикалом 1,4-ДМБ Существенно, что оба процесса приводят к комплексу Уэлланда 1, как ключевому интермедиату

3 Развит общий подход к механизмам реакций анодного замещения Впервые потенциал окисления арена предложен в качестве критерия, позволяющего раздеигть реакции анодной функционализации аренов на процессы, протекающие по механизму н\клеофилыюго и соответственно гомочитического взаимодействия с электрогенерированным ароматическим электрофилом Сравнение величины этого потенциала с потенциалом окисления нуклеофила позволяет предсказать реализацию того или иного механизма реакции анодного замещения

Основное содержание длссертащш ощбтнковано в следующих работах

1 В А Чаузов В 3 Парчинский, Е В Синельщикова \ В Бурасов Б И Уграк. H H Парфенов В 4 Петросян «N-Арилирование низкоосновных азолов 1 4-диметоксибензолом в условиях бездиафрагменного электролиза» Изв 4Н, Сер Хкм , 2002, 1402

2 В А Петросян, А В Бурасов «Аренониевый катион - ключевой интермедиат электросинтеза Ы-(2,5-диметоксифенил)азолов Новый подход к получению N-(диметоксифенил)азолов» ¡he .АН, Сер Ани 2007, 2101

3 В А Петросян, А В Бурасов «Роль кислотного катализа при электросинтезе N-(2 5-диметоксифенил)азолов», ¡he АН Сер xilm 2008, 285

4 А В Бурасов, В А Петросян «Роль этектрофильных компонентов среды при электрохимическом ацетоксилирования замещенных аренов», Mend Commun 2008 № 4 (в печати)

5 А В Бурасов В А Петросян «Электрохимическое роданирование замещенных аренов» Нэв АН, Сер А'им , 2008 № 6 (в печати)

6 В А Петросян А В Бурасов, «Электрохимически индуцированное этектрофильное ароматическое замещение», Will Менделеевский съезд по общей и прикладной химии Москва, Тезисы докладов 2007 5, 483

Подписано в печать 24 05 2008 г Уел печ л 2 0 Тираж 130 экз Заказ № 1385 Отпечатано в типографии «АллА Принт» Тел (495) 621-86-07, факс (495) 621-70-09 www allaprmt ru

Введение.

Глава 1. Реакции анодного и электрофильного замещения в ароматическом ряду (литературный обзор).

1.1 Реакции анодного замещения аренов.

1.1.1 Алкоксилирование.

1.1.2 Цианирование.

1.1.3 Ацилоксилирование.

1.1.4 Другие реакции анодного замещения и возможный механизм их реализации.

1.2 Электрофильное ароматическое замещение: «обычный» и «необычный» пути реакции.

1.2.1 Реакции электрофильного ароматического замещения «обычного» типа

1.2.2 Реакции электрофильного ароматического замещения «необычного» типа.

Глава 2. Экспериментальное обоснование генерации аренониевого катиона как ключевого интермедиата при анодном азолировании изомерных диметоксибензолов (обсуждение результатов).

2.1 Роль электрофильных компонентов в механизме анодного азолироваиня

1,4-диметоксибензола.

2.2 Развитие нового подхода к синтезу 1Ч-(2,5-диметокснфенил)азолов.

2.3 Реализация ипсо-замещения при электросинтезе N-(2,5-диметоксифенил)азолов.

2.4 Закономерности анодного азолирования 1,2- и 1,3-диметоксибензолов

Глава 3. Развитие представлений о механизме реакций анодного замещения в ароматическом ряду.

3.1 Реакции, протекающие через нуклеофильное взаимодействие с электрогенерированным ароматическим элекгрофилом.

3.2 Реакции, протекающие через гомолитическое взаимодействие с электрогенерированным ароматическим электрофилом.

3.3 Потенциал окисления арена как критерий, определяющий механизм

Глава 4. Экспериментальная часть.

Выводы.

Широкие исследования в области электрохимии органических соединений привели к тому, что с 8 Ох годов XX века электросинтез постепенно становится рутинным методом органического синтеза. Решающим фактором здесь стало глубокое проникновение в закономерности электрохимического поведения органических веществ и осознание механизмов их электродных превращений.

В связи с этим наше внимание привлекли реакции анодного замещения аренов. Это обширный раздел органического электросинтеза и в тоже время одно из перспективных направлений его развития, представляющее очевидный интерес, как в фундаментальном, так и прикладном отношении. Вместе с тем, несмотря на подробные исследования реакций анодной функционализации аренов (метоксилирование, галогенирование, цианирование и т.п.), единый подход к описанию механизма реакций анодного замещения до сих пор отсутствовал.

В настоящей работе сделана попытка найти решение этой актуальной задачи. Отправной точкой наших исследований послужили результаты работ по механизму азолирования 1,4-диметоксибензола, которые в лаборатории «Органического электросинтеза» ИОХ РАН проводили в последние годы в качестве составной части исследований по электросинтезу труднодоступных N-арилазолов, обладающих широким спектром биологической активности. Причем электросинтез N-(2,5-диметоксифенил)азолов в условиях бездиафрагменного гальваностатического электролиза смеси азол / 1,4-диметоксибензол (1,4-ДМБ) был использован в качестве модельного процесса.

В результате был предложен механизм процесса, ключевым интермедиатом которого рассматривался катион аренония 1,4-диметокси-1-(азолил-1)аренония. Последнее обстоятельство тем более важно, что по своему строению этот катион является ни чем иным, как ст-комплексом или комплексом Уэлланда - хорошо известным ключевым интермедиатом электрофильного ароматического замещения. По этой причине мы прежде всего озаботились получением новых свидетельств, которые подтверждали бы факт генерации комплекса Уэлланда в рассматриваемых реакциях анодного замещения. Это и стало основной задачей первой части исследований в рамках диссертационной работы.

Доказательство факта генерации комплекса Уэлланда означало бы, что исследуемый процесс, являясь формально процессом электроокислительного нуклеофильного ароматического замещения, по сути протекает не через комплекс Мейзенгеймера, а (в соответствии с предполагаемым механизмом) через взаимодействие трудноокисляемого азольного нуклеофила с электрогенерированным электрофилом (катион-радикал ДМБ) и в итоге приводит к катиону аренония. Таким образом, состав и соотношение продуктов функционализации (в частности процесса азолирования ДМБ) определялись бы в первую очередь реакционной способностью комплекса Уэлланда.

Все это позволило бы с иных позиций рассмотреть процессы анодной функционализации аренов и путем сопоставлении специально полученных нами и заимствованных из литературы данных по механизму анодного замещения в ароматическом ряду разнообразных пар арен / нуклеофил, попытаться найти единый подход к описанию механизма протекания этих реакций. Решению таких вопросов посвящена вторая часть диссертационной работы.

выводы

1. Развиты новые представления о закономерностях азолирования 1.4-диметоксибензола (ДМБ) в условиях гальваностатического бездиафрагменного электролиза и получен ряд дополнительных свидетельств, подтверждающих факт образования катиона аренония ипсо-строения (1) [катион 1,4-диметокси-1-(азолил-1)аренония], как ключевого интермедиата исследуемого процесса, который обладает тем же строением, что и комплекс Уэлланда (ключевой интермедиат электрофильного ароматического замещения.) так:

1.1 экспериментально обоснована важная роль электрофильных компонентов среды (кислоты Бренстеда, Льюиса, катион-радикалы арена), катализирующих в ходе электролиза превращение продукта гшсо-бисприсоединения (2) [1,4-диметокси-1,4-диазолилциклогекса-2,5-диена] в катион 1, а также последующее превращение этого катиона в продукт орто-замещатя (3)[ 1 -(азолил-1 )-2,5-диме гоксибензол]

1.2 упомянутая способность продуктов 2 превращаться по ходу электролиза в продукты 3 была трансформирована в новый способ получения продуктов 3, путем взаимодействия 1,1,4,4-тетраметоксициклогексадиена-2,5 с азолами, протекающего в условиях кислотно-основного катализа через промежуточное образование катиона 1.

1.3 экспериментально доказано, что в ряде случаев азолирование 1,4-ДМБ приводит к продуктам гшсо-замещения (4) [1-азолил-4-метоксибензолам], образование которых характерно для реакций электрофильного ароматического замещения. Этот факт является прямым свидетельством генерации катиона 1 (комплекс Уэлланда) при анодном азолировании 1.4-ДМБ.

1.4 на примере анодного азолирования изомерных 1,2- 1,3- и 1,4-ДМБ установлено, что этот процесс протекает по единому механизму, через образование аренониевых катионов мясо-типа, как ключевых интермедиатов. Реакционная способность частиц типа 1 зависит от их строения и определяет состав продуктов в реакционной смеси после электролиза

2. На примере реакций анодного замещения 1,4-ДМБ с различными нуклеофилами установлено, что этот процесс с участием нуклеофилов, окисляющихся легче 1,4-ДМБ протекает только при взаимодействии катион-радикала 1,4-ДМБ с радикалом нуклеофила, а в случае трудноокисляющихся нуклеофилов путем их взаимодействия с катионрадикалом 1,4-ДМБ Существенно, что оба процесса приводят к комплексу Уэлланда 1, как ключевому интермедиату.

3. Развит общий подход к механизмам реакций анодного замещения. Впервые потенциал окисления арена предложен в качестве критерия, позволяющего разделить реакции анодной функционализации аренов на процессы протекающие по механизму нуклеофильного и, соответственно, гомолитического взаимодействия с электрогенерированным ароматическим электрофилом. Сравнение величины этого потенциала с потенциалом окисления нуклеофила позволяет предсказать реализацию того или иного механизма реакции анодного замещения.

1. К. Ёсида, Электроокисление в органической химии, Москва, Мир, 1987.

2. S. Torii, Electro-Organic Syntheses: Methods and Applications, Tokyo, KODANSHA, 1984.

3. B. Belleau, N. L. Weinberg, J. Am. Chem. Soc., 1963, 85, 2525.

4. P. Margaretha, P. Tissot, Org. Synth., 1977, 57, 92.

5. N. L. Weinberg, B. Belleau, Tetrahedron, 1973, 29, 279.

6. D. R. Henton, R. L. McCreery, J. S. Swenton, J. Org. Chem, 1980, 45, 369.

7. A. Nilsson, U. Palmquist, T. Pettersson, A. Ronlan, J. Chem. Soc., Perkin Trans. I, 1978, 696.

8. A. Nilsson, U. Palmquist, T. Pettersson, A. Ronlan, J. Chem. Soc., Perkin Trans. I, 1978, 708.

9. P. Margaretha, P. Tissot, Helvetica Chimica Acta, 1975, 58, 933.

10. S. Andreades, E. W. Zahnow, J. Am. Chem. Soc., 1969,91,4181.

11. L. Eberson, B. Helgee, Acta Chem. Scand., 1975, B29, 451.

12. L. Eberson, B. Helgee, Acta Chem. Scand., 1977, B31, 813.

13. L. Eberson, B. Helgee, Acta Chem. Scand. ,1978, B32, 313.

14. K. Koyama, T. Susuki, S. Tsutsumi, Tetrahedron Lett., 1965, 627.

15. K. Koyama, T. Susuki, S. Tsutsumi, Tetrahedron, 1967, 23, 2675.

16. V. D. Parker, В. E. Burgert, Tetrahedron Lett., 1965,4065.

17. V. D. Parker, L. Eberson, J. Chem. Soc., Chem. Commun., 1972, 441.

18. T. Susuki, K. Koyama, A. Omori, S. Tsutsumi, Bull. Chem. Soc. Japan, 1968, 41,2663.

19. K. Yoshida, T. Fueno, J. Chem. Soc., Chem. Commun., 1970, 711.

20. L. Eberson, A. Nilsson, Discuss. Faraday Soc., 1968, 45, 242.

21. S. Tsutsumi, K. Koyama, Discuss. Faraday Soc., 1968, 45, 247.

22. K. Yoshida, T. Fueno, Bull. Chem. Soc. Japan, 1968, 42, 2411.

23. K. Yoshida, T. Fueno, Chem. Commun., 1970, 711.

24. K. Yoshida, T. Fueno, J. Org. Chem, 1972,37,4145.

25. N. L. Weinberg, D. H. Marr, C. N. Wu, J Am. Chem. Soc., 1975, 97,1499.

26. K. Yoshida, M. Shigi, T. Fueno, J. Org. Chem, 1975, 40, 63.

27. K. Yoshida, J. Am. Chem. Soc., 1977, 99,6111.

28. Д. Марч, Органическая химия. Реакции, механизмы и структура, М.: Мир, 1987.

29. A. Zweig, W. G. Hodgson, W. Н. Jura, J. Am. Chetn. Soc., 1964, 86, 4124.

30. К. Коуаша, К. Yoshida, S. Tsutsumi, Bull. Chem. Soc. Japan, 1966, 39, 516.

31. L. Eberson, J. Am. Chem. Soc., 1967, 89, 4669.

32. L. Eberson, K. Nyberg, J. Am. Chem. Soc., 1966, 88, 1686.

33. G. Manning, V. D. Parker, R. N. Adams, J. Am. Chem. Soc., 1969, 91,4584.

34. V. D. Parker, Acta Chem. Scand., 1970, 24, 3151.

35. K. Yoshida, M. Shigi, T. Kanbe, T. Fueno, J. Org. Chem, 1975, 40, 3805.

36. В. А. Петросян, Т. С. Вахотина, А. В. Бурасов, Изв. АН. Сер. хим., 2005,1534.

37. Z. Blum, L. Cedheim, К. Nyberg, L. Eberson, Acta Chem. Scand., 1975,29B, 715.

38. G. Bockmair, H. P. Fritz, H. Rebauer, Electrochim. Acta, 1978,23, 1978.

39. Y.-H. So, L. L. Miller, Synthesis, 1976, 468.

40. N. L. Weinberg, H. R. Weinberg, Chem. Rev., 1968, 68, 449.

41. Y.-H. So, J. Y. Becker, L. L. Miller, J. Chem. Soc., Chem. Commun., 1975, 262.

42. O. Hammerich, V. D. Parker, J. Chem. Soc., Chem. Commun., 1974, 245.

43. V. D. Parker, L. Eberson, J. Chem. Soc., Chem. Commun., 1969, 451.

44. V. D. Parker, В. E. Burgert, Tetrahedron Lett., 1968,3341.

45. A. Laurent, E. Laurent, P. Locher, Electrochim. Acta, 1975, 20, 857.

46. J. P. Millington, J. Chem. Soc. B, 1969, 982.

47. L. L. Miller, B. F. Watkins, J. Am. Chem. Soc., 1976,98,1515.

48. В. А. Петросян, M. E. Ниязымбетов, M. С. Певзнер, Б. И. Уграк, Изв. АН СССР. Сер. хим., 1988, 1643.

49. М. Е. Ниязымбетов, JI. В. Михальченко, В. А. Петросян, Всесоюзн. конф. "Ароматическое нуклеофильное замещени", 1989, Новосибирск, 91.

50. Н. Kai, М. Е. Niyazymbetov, D. Н. Evans, Tetrahedron Lett., 1995,36, 7027.

51. В. А. Чаузов, В. 3. Парчинский, Е. В. Синелыцикова, Н. Н. Парфенов, В. А. Петросян, Изв. АН Сер. хим., 2002, 917.

52. В. А. Чаузов, В. 3. Парчинский, Е. В. Синелыцикова, В. А. Петросян, Изв. АН. Сер. хим., 2001, 1215.

53. В. А. Чаузов, В. 3. Парчинский, Е. В. Синелыцикова, А. В. Бурасов, Б. И. Уграк, Н. Н. Парфенов, В. А. Петросян, Изв. АН. Сер. хим., 2002, 1402.

54. В. А. Петросян, Электрохимия, 2003, 1353.

55. J. Catalan, J. L. М. Abbaud, J. Elguero, Adv. Heterocycl. Chem., 1987, 250.

56. В. А. Петросян, А. В. Бурасов, Т. С. Вахотина, Изв. АН. Сер. хим., 2005, 1166.

57. А. В. Бурасов, Т. С. Вахотина, В. А. Петросян, Электрохимия, 2005, 1014.

58. S. R. Hartshorn, Chem. Soc. Rev., 1974,3,167.

59. Ф. Кери, Р. Сандберг, Углубленный курс органической химии, М.: "Химия", 1981.

60. Haberman, Chem. Ber., 1878,11, 1036.

61. F. Korte, Tetrahedron Suppl., 1966, 8, 93.

62. S. Sankararaman, W. A. Haney, J. K. Kochi, J. Am. Chem. Soc., 1987,109, 5235.

63. N. Iranpoor, H. Firouzabadi, R. Heydari, M. Shiri, Synth. Commun., 2005,35, 263.

64. K. Tanemura, T. Suzuki, Y. Nishida, K. Satsumabayashi, T. Horaguchi, J. Chem. Res. Synop., 2003, 8, 497.

65. M. Shi, S.-C. Cui, Adv. Synth. Catal., 2003, 345, 1197.

66. M. Shi, S.-C. Cui, W.-P. Yin, Eur. J. Org. Chem., 2005, 11,2379.

67. A. R. Hajipour, A. E. Ruoho, Tetrahedron Lett., 2005, 46, 8307.

68. M. Nose, H. Suzuki, Synthesis, 2000,11,1539.

69. Noelting, Werner, Chem. Ber., 1890, 23, 3255.

70. Ungnade, Hein, J. Org. Chem., 1949,14, 911.

71. F. A. Davis, W. Han, С. K. Murphy, J. Org. Chem., 1995, 60, 4730.

72. A. S. Cantrell, P. Engelhardt, M. Hoegberg, S. R. Jaskunas, N. G. Johansson, J. Med. Chem., 1996,39,4261.

73. M. C. Carreno, J. L. G. Ruano, G. Т. M. A. Sanz, A. Urbano, Tetrahedron Lett., 1996, 36,4081.

74. J. Pavlinac, M. Zupan, S. Stavber, J. Org. Chem., 2006,3, 1027.

75. О. V. Branytska, R. Neumann, J. Org. Chem., 2003, 64, 9510.

76. S. Adimurthy, G. Ramachandraiah, P. K. Ghosh, A. V. Bedekar, Tetrahedron Lett., 2003, 44, 5099.

77. S. G. Yang, Y. H. Kim, Tetrahedron Lett., 1999, 40, 6051.

78. F. Kauffmann, Chem. Ber., 1908,41,4424.

79. H. Brockmann, H. Vorbrueggen, Chem. Ber., 1962, 95, 810.

80. K. Orito, T. Hatakeyama, M. Takeo, H. Suginome, Synthesis, 1995,10, 1273.

81. I. N. Rozhkov, N. P. Gambaryan, E. G. Galpern, Tetrahedron Lett., 1976,4819.

82. И. H. Рожков, Yen. хим., 1956, 45, 1222.

83. I. N. Rozhkov, I. Y. Alyev, Tetrahedron, 1975,31, 977.

84. Органическая электрохимия/пор,, ред. M. Бейзера, X. Лунда. Химия, Москва, 1988.

85. S. Ellis, D. Pletcher, W. Brooks, J. Appl. Electrochem., 1983,13, 735.

86. Baker, Evans, J. Chem. Soc., 1938, 372, 374.

87. Gallent, J. Org. Chem., 1958, 23, 75.

88. I. Iovel, K. Mertins, J. Kischel, A. Zapf, M. Beller, Angew. Chem. Int. Ed., 2005, 44, 3913.89.