Новые аспекты силилирования функционализированных алифатических нитросоединений тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.03 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ.

I. ХИМИЯ СИЛИЛНИТРОНАТОВ

1.1. Введение.

1.2. Получение силилнитронатов

1.2.1. Работа с силилнитронатами.

1.2.2. Силилирование производных нитросоединений.

1.2.3. Получение силилнитронатов через прямое силилирование нитросоединений.

1.2.3.1. Силилирование нитросоединений силильными производными амидов.

1.2.3.1. Силилирование нитросоединений смесью реагента-донора силильной группы и основания.

1.3. Строение и стереодинамика силилнитронатов.

1.4. Реакционноспособность силилнитронатов.

1.4.1. Силилнитронаты как электрофилы.

1.4.2. Силилнитронаты как нуклеофилы.

1.4.2.1. Силилирование силилнитронатов.

1.4.2.2. Силилнитронаты в реакциях Анри.

1.4.2.3. Силилнитронаты в реакциях Манниха.

1.4.2.4. Силилнитронаты в реакциях Михаэля.

1.4.3. Силилнитронаты в реакциях элиминирования.

1.4.4. Силилнитронаты как 1,3-диполи.

1.4.5. Силилнитронаты в радикальных реакциях.

II. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

11.1. Выбор объектов исследования.

11.2. Синтез исходных соединений.

11.3. Силилирование функционализированных нитросоединений как химический процесс

11.3.1. Моносилилирование функционализированных нитросоединений.

11.3.2. 1,3-К,С-элиминирование МезЗЮНот

Р-функционализированных силилнитронатов.

11.3.3. Двойное силилирование функционализированных нитросоединений.

11.3.3.1. Силилирование у-функционализированных силилнитронатов.

Генерирование и фиксация катионных интермедиатов.

11.3.3.2. Синтез функционализированных ЛуУ-бис^илилоксиЗенаминов.

IL3.3.3. Силилирование циклических алкилнитронатов.

11.3.3.4. 1,4-]\Г,С-Элиминирование Мез8ЮН от тУ,тУ-бис(силилокси)енаминов.

11.3.3.5. Глубокое силилирование 5-нитропентан-2-она.

11.4. Силилирование как новая стратегия использования функционализированных нитросоединений в органическом синтезе

11.4.1. Химия метил ß-нитрозоакрилата.

11.4.2. Синтез функционализированных а^-непредельных оксимов.

11.4.3. Некоторые реакции Аг,тУ-бис(силилокси)аминодигидрофуранов и -циклопропанов.

11.4.4. Функционализация циклических алкилнитронатов.

11.5. Инверсия атома азота в МА/-бис(силилокси)аминах. Структура и стереодинамика

ЖД-бис(силилокси)енаминов.

III. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

III. 1. Общая информация.

111.2. Эксперимент к главе II.2.

111.3. Эксперимент к главе II.3.

111.4. Эксперимент к главе П.4.

111.5. Эксперимент к главе II.5.

ВЫВОДЫ.

Для алифатических нитросоединений возможно существование двух таутомерных форм: собственно нитро-формы и ш/и-формы, которая также называется нитроновой кислотой, а её производные - нитронатами (Схема 1).

Схема 1 аци-форма нитроновые кислоты (6 = Н); нитро-форма (нитроновая кислоты) нитронаты (С £ Н)

N NN а-электрофил ловушка для а-нуклеофил 1,3-диполь радикалов

Сами нитроновые кислоты (в = Н) и их производные (в Ф Н) могут обладать рядом интересных химических свойств, что является следствием электронного строения нитронатной группы (Схема 1). Каждая из предельных структур, представленных на Схеме 1, отражает разные виды реакционноспособности, возможные для нитроновых кислот и нитронатов.

Таким образом, существование второй таутомерной формы существенно расширяет круг химических превращений, возможных для класса алифатических нитросоединений. Однако в большинстве случаев низкая термодинамическиая стабильность нитроновых кислот смещает таутамерное равновесие в сторону нитро-формы, и концентрация нитроновых кислот в нитросоединениях обычно очень мала.3'4 Время жизни аци-форм нитросоединений обычно измеряется минутами или днями,* что сильно сужает возможности использования нитроновых кислот в органическом синтезе.

Вместе с тем, термодинамическая стабильность аг^-таутамеров для многих производных нитросоединений сильно повышается. Так, большинство солей нитросоединений (в = У, Ыа, К, Т1, ЯзОе, Г^п, ЯзРЬ, К2В, где Я = А1к или Аг), Известны примеры стабильных аци-форм.5 существует исключительно в виде соответствующих нитронатов.* Некоторые из этих элементорганических производных нашли широкое применение в органическом синтезе как а-нуклеофилы (О = 1л, К).1 Вместе с тем, такие соли нитросоединений частично или нацело ионизированы, что не дает возможности использовать эти нитронаты как а-электрофилы или как 1,3-диполи в [3+2]-циклоприсоединении.

7Л

Особое место среди производных нитроновых кислот занимают алкилнитронаты. Эти ковалентные соединения оказались активными 1,3-диполями,10-12 однако малая термическая стабильность и ограниченная доступность алкилнитронатов сильно сужает область применимости этих реагентов в органическом синтезе.

Сообщение о синтезе первого представителя класса силилнитронатов (О = ЭШз, далее 5/)

13 появилось в печати в 1964 году. Автором этого сообщения - Джоан ом Клеббе - был выделен силиловый эфир дг/м-2-(триметилсилилоксимино)-нитроэтана-1 2, образовавшийся при обработке нитрометана Л/-триметилсилил-ЛГ,ЛГ'-дифенил-мочевиной (Схема 2).

Схема 2 н,с

N0,

Н,С

N0,

Н I

I *

РЬ" ^ "РЬ о н I

-ки

РЬ^ ^ о

КаОН

Н2Сч \\

N—О +

Ме35Ю

Н9С

ЫаО

N—0 / + +

N—0Э1Ме,

031Ме3 2

Н I Ж

I 3 О н I

7 6 %

Ткил.4 9-51°С/0.5 Тогг

Н I Ж

РЬГ ^ о ыон метазоновая кислота

Принимая во внимания очевидную аналогию с хорошо известным процессом образования метазоновой кислоты из нитрометана в щелочной среде, Клеббе предположил, что необычный продукт 2 образуется из О-триметилсилил аг/м-нитрометана 1 -первоначального продукта силилирования нитрометана.

Единственным видом элементорганических производных нитросоединений, для которого в определенных условиях детектировалась соответствующая нитро-форма, являются комплексы борных и ртутных производных нитроформа типа Ь-11пМС(ЪЮ2)з (Ь = тиадиазол, тетрагидрофуран, диоксан, К,,М = или Р^В).6

Отдельным экспериментом было показано, что независимо синтезированная метазоновая кислота трансформируется в тех же условиях силилирования в силилнитронат 2, однако о попытках фиксации силилнитроната 1 в указанной работе не сообщалось.

Несмотря на высокий интерес к алкиловым эфирам нитроновых кислот, сообщения о химии силилнитронатов не появлялись в печати до 1972 года.* Возможно, такая задержка связана с тем, что силилирование в то время рассматривалось скорее как способ модификации физико-химических свойств органических соединений, чем как инструмент для изменения реакционноспособности или активации различных производных.**

Первая работа, посвященная целевому синтезу силилнитронатов, была опубликована в 1972 году С. Л. Иоффе (Схема З).16 Схема 3

Н 31Ме, X

Ме02С Ш2 Ад20

С02Ме

-О

Ме02С ^К

ОАд С02Ме

Ме02С

РЬ." Г О

РЬ." о

4 ОЭНУкЭз Т

-ри

Ме35л.С1

3 + 2]

20 °С

СО?Ме \

Ме02С'

4 ОБ±Ме3 X

90 % в обоих случаях

С02Ме С02Ме

•О' "081Ме3

1 изомер X = С02Ме, РЬ. Стоит упомянуть, что в сборнике трудов Международного симпозиума по нитросоединениям в Варшаве в 1963 году появилось сообщение о получении силильных производных нитроалканов, однако никаких конкретных экспериментальных данных приведено не было.14 Также без экспериментальных подтверждений образование Мез81 эфира яг/и-нитрометана постулировалось при обработке МеЫОг триметилхлорсиланом в пиридине.15

Например, силилирование амино-групп, амидных фрагментов и спиртовых функций в различных органических соединениях приводит к производным, обладающим большим давлением насыщенного пара, что широко использовалось в то время для облегчения разделения соединений указанных классов методами фракционной перегонки и газовой хроматографии. и

В работе сообщалось, что силилирование диметил нитромалоната Л^-триметилсилил-Л^'-ди фенил-мочевиной или обработка его серебряной соли Мез81С1 приводит с высокими выходами к силилнитронату 4, который существенно стабильнее аналогичного алкилнитроната, но также вступает в [3+2]-циклоприсоединение с метилакрилатом и стиролом.

В дальнейших работах С. Л. Иоффе и сотрудников, а также Д. Зеебаха, К. Торсселла, Ч. Паломо и некоторых других исследователей было показано, что силиловые эфиры могут быть получены из широкого круга алифатических нитросоединений. Кроме того, было изучено строение силилнитронатов и присущая им стереодинамика, показано, что помимо участия в реакциях 1,3-диполярного циклоприсоединения, силилнитронаты могут выступать как формальные а-электрофилы при действии нуклеофилов, как ловушки для свободных радикалов и как формальные а-нуклеофилы при действии электрофилов (Схема 1,0 = 5/').

Таким образом, среди устойчивых производных нитроновых кислот, наиболее полным спектром реакционноспособности обладают именно силилнитронаты. Кроме того, стабильные силилнитронаты могут быть получены из большинства нитросоединений, что делает силиловые эфиры нитроновых кислот важными интермедиатами для органического синтеза.

187 ВЫВОДЫ

1. Систематизированы и объяснены закономерности силилирования функционализированных АНС. Обнаружен ряд превращений, ранее не наблюдавшихся в химии АНС и их производных. Большинство найденных реакций высокоселективны, структура выделяемого продукта в каждом конкретном случае определяется природой исходного нитросоединения, силилирующего агента или условиями процесса.

2. На примере Ы-оксидов 5,6-дигидро-4Я-оксазинов впервые реализовано силилирование алкилнитронатов. Показано, что его результат зависит от природы заместителя в третьем положении. Ы-оксиды 3-метил-замещенных оксазинов после элиминирования протона от Ме-группы, дают новый тип енаминов - М-силокси-3-метилен-5,6-дигидро-4Я-оксазины, в то время как Ы-оксиды незамещенных оксазинов после отщепления протона из 4-ого положения и элиминирования атома углерода, находившегося в шестом положении, дают силильные производные соответствующих сопряженных еноксимов.

3. В процессе силилирования функционализированных нитросоединений и циклических нитронатов обнаружены следующие новые реакции: а) отщепление МезЭЮН от ряда силилированных продуктов и интермедиатов: 1,2-ДС-элиминирование от силилированных альдоксимов, 1,3-А^,С-элиминирование от Р-функционализированных силилнитронатов, 1,4- и 1,6-#,С-элиминирование от некоторых БЕНА; б) внутримолекулярные циклизации Р-замещенных у-нитрокетонов и р-нитроалкил малонатов с образованием К,К-бис(силилокси)амино-дигидрофуранов и -циклопропанов; в) быстрая /?ешро-[4+2]-циклофрагментация 2-(силокси)-3,4-дигидро-6Я-оксазинов; г) так называемое "глубокое силилирование" 1-нитро-пентанона-4 - новый каскадный ЯесЮх-процесс, в котором нитрогруппа восстанавливается до нитрильной при одновременном окислении углеродного скелета исходного ФАНС и стереоселективном силилировании его р-углеродного атома.

4. Показано, что ФАНС могут являться удобными предшественниками целого ряда интермедиатов и продуктов, таких как 1Ч,]М-бис(силокси)имминиевые катионы, Р-функционализированные а-нитрозоалкены, БЕНА с функционализированной С=С-связью, ]4,]М-бис(силилокси)амино-циклопропаны и -дигидрофураны, а также

1. R. Ballini Synthesis of natural products via aliphatic nitro derivatives в кн. Structure and Chemistry (Part E), под ред. A. U. Rahman, Elsevier Science Publ В V, Amsterdam, стр. 117.

2. С. Л. Иоффе, И. М. Ляпкало, Л. М. Макаренкова, Журн. Орг. Хим., 1998, 34, 1141.

3. Смотри, например, D. Turnbull, S. Н. Maron, J. Amer. Chem. Soc., 1943, 65, 212.

4. М. I. Konowalow, Chem. Ber. 1896, 29, 2193.

5. Смотри, например, Е. В. Hodge, J. Amer. Chem. Soc., 1951, 73, 2341.

6. С. Л. Иоффе, Л. М. Леонтьева, В. А. Тартаковский, Успехи Химии, 1977, 1658.

7. N. Kornblum, R. A. Brown, J. Am. Chem. Soc., 1963, 85, 1359.

8. N. Kornblum, R. A. Brown, J. Am. Chem. Soc., 1964, 86, 2681.

9. А. Т. Нильсен, в кн. Химия нитро- и нитрозогрупп, под ред. Г. Фоера, Мир, Москва, 1973,1, с. 314.

10. В. А. Тартаковский, И. Е. Членов, С. С. Смагин, С. С. Новиков, Изв. Акад. Наук СССР, Сер. хим. 1964, 583.

11. В. А. Тартаковский, И. Е. Членов, С. С. Смагин, С. С. Новиков, Изв. Акад. Наук СССР, Сер. хим., 1965, 552.

12. И. Е. Членов, В. И. Худак, В. А. Тартаковский, Изв. Акад. Наук СССР, Сер. хим., 1972,579.

13. J. F. Klebe, J. Am. Chem. Soc., 1964, 86, 3399.

14. Z. Nowak, T. Urbanski, Международный симпозиум по нитросоединениям, сб. рефератов, Варшава, 1963, стр. 96.

15. J. Manzur, W. Zamudio, J. Organometall. Chem., 1972,44, 107.

16. С. Л. Иоффе, М. В. Кашутина, В. М. Шиткин, А. 3. Янкелевич, А. А. Левин, В. А. Тартаковский, Известия АН СССР, Сер. хим., 1972, 1341.

17. Е. W. Colvin, А. К. Beck, В. Bastan, D. Seebach, У. Kai, J. D. Dunitz, Helv. Chim. Acta, 1980, 63, 697.

18. E. W. Colvin, A. K. Beck, B. Bastan, D. Seebach, Helv. Chim. Acta, 1981, 64, 2264.

19. Получен в процессе выполнения диссертационной работы.

20. Е. W. Colvin, D. Seebach, J. Chem. Soc. Chem. Commun., 1978,16, 689.

21. R. Oehrlein, V. Jaeger, Tetrahedron Lett., 1988, 47, 6083.

22. O. R. Martin, F. E. Khamis, S. P. Rao, Tetrahedron Lett., 1989, 30, 6143.

23. J. M. Aizpurua, M. Oiarbide, C. Palomo, Tetrahedron Lett., 1987, 28, 5361.

24. G. A. Olah, B. G. B. Gupta, S. C. Narang, R. Malhotra, J. Org. Chem., 1979, 44, 4272.25,26