Новые окислительные фторирующие агенты на основе соединений Se(IV), Se(VI) и Te(VI) тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.03 ВАК РФ

А '7 ' с» ц

ИНСТИТУТ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

На правах рукописи УДК 546.23+547.539

Бахтин Илья Валерьевич

НОВЫЕ ОКИСЛИТЕЛЬНЫЕ ФТОРИРУЮЩИЕ АГЕНТЫ НА ОСНОВЕ СОЕДИНЕНИЙ 8е(1У), 8е(У1) И Те(У1)

(02.00.03 - органическая химия)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата химических наук

Научный руководитель: кандидат химических наук,

старший научный сотрудник С. А. Лермонтов

Черноголовка - 1999

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ......................................................................................................3

СОВРЕМЕННЫЕ РЕАЕЕНТЫ ДЛЯ ФТОРИРОВАНИЯ ДВОЙНОЙ СВЯЗИ (Литературный обзор)........................................................................5

1. Дифторид ксенона.......................................................................................7

2. Гипофториты..............................................................................................21

3. Электрофильные МБ-фторирующие агенты............................................38

НОВЫЕ ОКИСЛИТЕЛЬНЫЕ ФТОРИРУЮЩИЕ АГЕНТЫ НА ОСНОВЕ СОЕДИНЕНИЙ 8е(1У), Бе(У1) И Те(У1)

(Обсуждение результатов).............................................................................48

1. Фторирование олефинов с помощью фторидов 8е(1У) и Те(1У) ...........48

2. Фторирование олефинов с помощью фторидов 8е(У1) и Те(У1) ...........67

3. Окислительное фтордеселенирование 2-э/сзо-фенилселено-З-э/сзо-фторбензонорборнена................................................................................78

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ.............................................................83

ВЫВОДЫ......................................................................................................106

ЛИТЕРАТУРА..............................................................................................107

ВВЕДЕНИЕ

Фторированные соединения представляют значительный интерес для неорганической, органической, полимерной и медицинской химии и находят широкое применение в медицине, промышленности и сельском хозяйстве. Однако прямое введение фтора в органические молекулы сопряжено со значительными трудностями. Разработаны методы фторирования с помощью переносчиков фтора, в основном неорганических фторидов (таких как фтористый водород, фториды щелочных металлов, фторхлориды сурьмы, высшие фториды никеля, кобальта и т.д.). Фторирующими агентами являются фториды галогенов, ксенона, кислорода, высшие фториды элементов V, VI групп, но методы селективного фторирования органических соединений с их помощью разработаны лишь сравнительно недавно.

Ныне известные методы фторирования могут быть разделены на три группы: а) нуклеофильное замещение подходящей уходящей группы фторид-анионом; б) электрофильное замещение в ароматических субстратах; в) электрофильное присоединение по углерод-углеродной кратной связи. Подавляющее большинство фторирующих агентов являются нуклеофильными, т.е. служат источниками фторид-аниона Б". Это вполне объяснимо, т.к. наиболее электроотрицательный элемент -фтор - трудно заставить выступать в роли электрофила. Примерами таких нуклеофильных фторирующих агентов, используемых в лабораторной практике, являются комплекс пиридина с НР, Ви4М+НР2~, активированные фториды щелочных металлов и т.д., а также БР4 и диэтиламиносератрифторид Е12К-8Р3, который заменяет связь С-0 на связь С-Р. Однако фторирование электроноизбыточных центров обычно

невозможно осуществить с помощью источников фторид-аниона, для этой цели требуются источники радикального либо электрофильного фтора. Фторирование с помощью элементарного фтора в условиях радикальных реакций сопряжено с большими трудностями и протекает неселективно, поэтому для селективного и мягкого фторирования электроноизбыточных субстратов используют источники электрофильного фтора Р+. Обычно используемые электрофильные фторирующие агенты включают сам Г2, ХеР2, РЫР2, гипофториты и 14-фторамины или амиды. К сожалению, данные реагенты имеют различные недостатки и ограничения, такие как опасность при работе (Р2, ЯСООР), низкую селективность (ХеР2) или слабую способность ко фторированию (РЫР2, 1Ч-фторамины).

Таким образом, очень важны и актуальны новые фторирующие реагенты, которые позволяют селективно вводить атом фтора в мягких условиях в такие электроноизбыточные субстраты, как олефины. В данной работе мы представляем различные окислительные фторирующие агенты, представляющие собой соединения четырех- и шестивалентных селена и теллура, способные присоединяться к олефинам.

СОВРЕМЕННЫЕ РЕАГЕНТЫ ДЛЯ ФТОРИРОВАНИЯ ДВОЙНОЙ СВЯЗИ (Литературный обзор)

В последние десятилетия химия фтора активно развивается и многие ученые предсказывают данному направлению блестящее будущее [1]. Так, например, в начале 90-х годов более 6% всех соединений, упоминавшихся в Chemical Abstracts, содержали связь C-F [2].

Хорошо известно, что наличие атомов фтора в лекарственных средствах и соединениях, применяющихся для защиты растений, сильно влияет на их биологическую активность. Необходимость региоселективного введения фтора в эти и другие, часто комплексные, органические соединения стимулировала развитие новых синтетических методов, в которых используются множество фторирующих агентов. Эти реагенты можно разделить на три группы: соединения, являющиеся источниками фторид-ионов (Р), радикалов фтора F и источники электрофильного фтора (F+).

Большинство фторсодержащих веществ и полимеров синтезируют с использованием фтористого водорода или иных источников фторид-ионов. Примерами таких нуклеофильных фторирующих агентов, применяемых в лабораторных условиях или в промышленных синтезах, являются комплекс пиридина с HF, Bu4N+HF2~, активированные фториды щелочных металлов и т.д., а также SF4 и его аналог -диэтиламиносератрифторид (ДАСТ), переводящие связь углерод-кислород в связь углерод-фтор.

Однако область применения подобных нуклеофильных реагентов ограничена. Фторирование электроноизбыточных центров и в особенности прямую замену связи С-Н на связь C-F провести с их помощью не удается, для данных целей необходимо наличие источников радикального или электрофильного фтора. Применение элементарного

фтора - простейшего источника радикалов фтора - сопряжено с большими трудностями. При температурах, близких к комнатной, когда фтор является источником радикалов Р, он разрушительно действует на органические соединения. Однако при тщательном подборе условий фтор все же может быть использован в качестве фторирующего агента [3-5]. Региоселективное ограниченное введение атомов фтора прямым действием элементарного фтора может быть, в принципе, осуществлено для многих органических соединений, включая карбанионы, еноляты, олефины и некоторые ароматические соединения. Реакции проводят при разбавлении азотом, при низких температурах, иногда в присутствии растворителей, поляризующих связь Б-Б [3-7], при этом возникают большие трудности в достижении высоких выходов реакций. Показателем данных трудностей является малое количество промышленных методов синтеза, базирующихся на применении элементарного фтора, примером которых может служить синтез 5-фторурацила [8].

Ключом к селективному введению фтора в органические молекулы является использование реакционных систем — источников электрофильного фтора (Р+).

Трудности, связанные с прямым фторированием, стимулировали развитие альтернативных источников Р+ - электрофильных реагентов, которые можно легко и безопасно применять в органических синтезах. В настоящем обзоре будут рассмотрены наиболее часто используемые и перспективные фторирующие агенты, способные присоединяться по двойной углерод-углеродной связи: дифторид ксенона, гипофториты и КР-реагенты.

ДИФТОРИД КСЕНОНА

Известно три бинарных фторида ксенона (ХеР2, ХеР4 и ХеР6), из которых наиболее изучен дифторид. Описано довольно много способов получения дифторида ксенона с использованием разнообразных фторирующих агентов: например, фотохимический способ - УФ-облучение смеси ксенона и фтора [9] и каталитическое фторирование ксенона трифторидом хлора [10]. Сравнительная доступность дифторида ксенона позволяет применять его для получения фторорганических веществ в мягких условиях. Авторы обзора по использованию дифторида ксенона в органическом синтезе, опубликованного в 1987 году [11], отмечают, что своеобразие ХеР2 заключается в том, что с его помощью удается проводить «электрофильное» фторирование органических соединений, т.е. присоединение атомов фтора происходит так, как если бы атакующей частицей являлся «Р+». При этом реакционная способность Хе?2 резко возрастает в присутствии кислот Льюиса. В то же время в определенных условиях (в газовой фазе или при облучении) ХеР2 способен выступать как радикальный фторирующий агент.

Впервые использовать Хер2 для синтеза <?ш<-дифторалканов из алкенов предложено в 1964 году в работе [12]. Это сообщение сразу привлекло внимание исследователей, поскольку до этого времени не существовало метода прямого фторирования алкенов. Дифторид ксенона при комнатной температуре реагирует с этиленом, образуя смесь 1,2-дифторэтана (45%), 1,1-дифторэтана (35%) и 1,1,2-трифторэтана (20%) [13]:

СН2=СН2 + ХеР

2

СН2Р-СН2Р + СНР2-СН3 + СН^-СНР

3

2

25°С, 4дня

Фторирование пропилена ХеР2 приводит к образованию смеси 1,2-дифторпропана (12%), 1,1-дифторпропана (46%), 2-фторпропана (24%) и 1,1-дифторэтана (9%). Авторы работы [13] полагают, что сложный состав реакционных смесей, в частности наличие геминальных дифторидов, обусловлен радикальным характером реакции фторирования. Однако нельзя исключить того, что в ходе реакции может происходить изомеризация <ш^-дифторидов путем отщепления-присоединения НР. Указывает на это появление продукта присоединения НР к пропилену (2-фторпропана) при взаимодействии пропилена с ХеР2.

Фторирование алкенов дифторидом ксенона заметно облегчается, если реакции проводить в присутствии эфирата трехфтористого бора в хлористом метилене [14]. Размораживание смеси 1-децена, ХеР2, ВР3 ОР12 и СН2С12 от -78 до 20°С с последующим перемешиванием в течение 20 часов приводит к образованию 1,1-дифтордекана (26%) и смеси изомерных 1-фтордеценов (48%). Однако 2-фтор-2,2-динитроэтилвиниловый эфир в тех же условиях превращается только в Г,2'-дифторэтил-2-фтор-2,2-динитроэтиловый эфир с выходом 79% [14]:

ВР3-ОЕуСН2С12

Довольно подробно изучено действие ХеР2 на фенилзамещенные алкены. Фенилзамещенные алкены часто используют в качестве модельных субстратов для изучения реакций электрофильного присоединения. Их преимуществами перед другими алкенами являются

(1\Ю2)2СРСН2ОСН=СН2 + ХеР

2

20°С, 20час

(1М02)2СРСН20СНРСН2Р

региоселективность реакций и стабильность образующихся продуктов в сочетании с широкими возможностями варьирования электронных и стерических эффектов путем замены заместителей.

Показано, что обработка 1,1-дифенилэтилена ХеР2 при комнатной температуре в присутствии НР быстро приводит к образованию 1,2-дифтор-1,1-дифенилэтана и небольшого количества дезоксибензоина. Аналогично реагируют с ХеР2 1,1-дифенил-2-фтор-этилен и 1,1-дифенилпропен-1 [15]:

НР/СН2С12

Р119С=СНР + ХеР9 --^ РЬХР-СНРР + РИСОСНРРИ

25°С, 20мин

65-95%

К=Н, \=, Ме

Если в качестве катализатора использовать трифторуксусную кислоту, то вместо дезоксибензоина появляется 1-трифторацетокси-1,1-дифенил-2-фторэтан, но и в этом случае основным остается продукт 1,2-присоединения фтора к олефину.

Цис- и /ядояс-стильбены в тех же условиях фторируются с образованием диастереомеров 1,2-дифенил-1,2-дифторэтана [16]. При этом фторирование т/>янс-стильбена протекает стере о селективно, что указывает на предпочтительное яноти-присоединение фтора к алкену:

РЖС=СНРИ + ХеР2 НР/СН2С|2-^ РЬСНР-СИРРИ

20°С, ЗОмин .

^ис-стильбен эритро:трео =53:47,

транс- стильбен эритро:трео =62:38

Как и в случае 1,1-дифенилэтилена, фторирование стильбенов ХеР2 в присутствии трифторуксусной кислоты сопровождается их

фтортрифторацетоксилированием. Подробнее картина взаимодействия ХеР2 с фенилзамещенными этиленами под действием СРзСООН проанализирована в работах [16-18].

Для кислотно катализируемого фторирования фенилзамещенных алкенов было предложено два возможных механизма реакции: 1) электрофильное присоединение, 2) одноэлектронный перенос (ЕТ) [19]. Основная проблема этого спорного вопроса такова: протекают ли реакции через прямой перенос фтора или путь реакций является двухстадийным, в котором образованию связи С-Р предшествует перенос электрона с алкена на молекулу реагента:

Аг

Аг ХеР \ +

ХеР2, НЯ

Аг К2

Е.Т.

Аг И2

\ +

+ РХе' + НР,

ХеР2 или РХе-

Аг

-Хе

Ч1 я,

я

? р

Р" или НР,

Аг-

1 Я,

-я.

При этом электрофильная атака может происходить как атомом фтора, входящим в молекулу ХеР2, так и атомом ксенона, например, как ранее было показано для катиона ХеР+ [20]. В последнем случае образующийся органоксенониевый катион в дальнейшем распадается с образованием карбокатиона.

Прямой перенос фтора или, иными словами, нуклеофильная атака Б^-типа электроноизбыточным центром атома фтора, считается авторами маловероятной по многим причинам [21], но в основном из-за очень высокой теплоты образования частиц Р+. Путь же реакций через

я

ь<

электронный перенос был предложен ранее для фторирования алкенов некоторыми № [22,23] и ОБ [24-26] реагентами.

На основании предложенного механизма авторами было предсказано, что с увеличением электронной плотности (т.е. уменьшением потенциала ионизации) связи С=С в алкенах должна увеличиваться скорость реакции электрофильного присоединения. Если определяющая скорость процесса стадия включает перенос электрона от алкена к реагенту, то должна наблюдаться прямая зависимость между потенциалом ионизации 1Р и логарифмом относительной скорости реакции 1о§Кге1 (если не учитывать стерические затруднения переходного состояния для электрофильной атаки). Результат, полученный для фторирования дифторидом ксенона серии фенилзамещенных алкенов в присутствии НР, совпал с предсказанным. Однако, основываясь на результатах, авторы не смогли отдать предпочтения какому-либо одному из двух постулированных путей реакции. Данное фторирование протекает нестереоспецифично и не идет в отсутствие кислотного катализа (НР или ВРз); таким образом, возможно, реализуются оба пути.

В отличие от углеводородных фенилзамещенных алкенов соединения, содержащие при двойной связи атомы галогена, реагируют с ХеР2 медленно. Так, для полного фторирования 1Д-дифенил-2-На1-этилена (На1=Р,С1,Вг) необходимо 25-часовое перемешивание при комнатной температуре в присутствии НР [27]:

НР/СН?С1?

РЬ2С=СННа1 + ХеР2 —->- РИ2СР-СНРНа1

25°С, 25час

На1=Р, 01, Вг

В работе [28] исследовано взаимодействие циклических алкенов с фенильным заместителем при двойной связи с дифторидом ксенона и показано, что соотношение выходов образующихся цис- и транс-дифторидов зависит от размеров цикла. По мнению авторов, увеличение выхода ^ис-дифторидов по отношению к транс-изомерам при переходе от 1-фенилциклопентена к 1-фенилциклогептену обусловлено стерическими причинами. На стереохимическом результате фторирования не сказывается ни замена фенильного радикала при двойной связи на п-анизильный, ни введение в положение 4 объемного т/>ет-бутильного заместителя [29].

(СН2)п

НР/СН2С12

25°С, 30-40мин (сн2;

п=1 (94%) п=2 (81%) п=3 (91%)

■РИ

•н

(СН2)п

р

79 50 35

21 50 65

Изучено действие Хер2 на аценафтилен, инден, 1,2-дигидронафталин и 1,4-дигидронафталин [30,31]. Продуктами фторирования индена являются цис- и /и/?дяс-1,2-дифторинданы. Аналогично происходит присоединение атомов фтора к 1,2-дигидронафталину:

+ ХеЯ^

(СН2)п

НР/СН2С12

25°С, ЗОмин

(СН2)п

(СН2)п

п=1 (72%) п=2 (70%)

30 26

70 74

+

Обработка аценафтилена ХеР2 в тех же условиях, что индена и 1,2-дигидронафталина, приводит к осмолению реакционной смеси. Избежать этого удается проведением реакции в разбавленном растворе в течение 5 минут. Выход 1,2-дифтораценафтена составляет 68% (цис:транс= 16:84).

Взаимодействие ХеР2 с 1,4-дигидронафталином вместо ожидаемого 2,3-дифтор-1,2,3,4-тетрагидронафталина привело к образованию смеси нафталина, 1- и 2-фторнафталина и 2-фтор-1,2,3,4-тетрагидронафталина. По мнению авторов, это обусловлено неустойчивостью 2,3-дифтортетралина в условиях реакции [31]:

15%

30% 9%

В присутствии спиртов реакция ХеР2 с фенилзамещенными алкенами идет по другому пути. Так, например, инден реагирует с метанолом и ХеР2 в присутствии НР с образованием двух Марковниковских диастереомерных продуктов метоксифторирования I и 2, а также небольшого количества вицинального дифторида 3 [32,33]. Если же в качестве катализатора вместо НР использовать ВР3Е1:20, основными продуктами реакции становятся анти-Марковниковские фторметоксипроизводные 4 и 5, хотя в небольших количествах образуются и соединения КЗ и 6:

1 2

В обоих случаях авторами постулировано начальное образование

нестабильной электрофильной частицы СНзОХеР. Авторы считают, что в

реакциях, катализируемых НР, данный интермедиат является источником

электрофильного фтора (РЕ), тогда как в присутствии ВРз Е120 данное

соединение реагирует как источник электрофильного кислорода (ОЕ): н

I + НХ ВР, 5+ 5"

НЯ + Н3с—О—Хе— ? СН3ОН + ХеР2 Н3С—О—Хе— -ВР3 + НР

Х-

Исследователи предпол�