Новые реакции функционализации ацетиленов серным ангидридом тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.03 ВАК РФ

На правах рукописи

РОГАЧЕВ ВИКТОРОЛЕГОВИЧ р ¡" £ 0 Д

(ЮНЫЕ Г! ЛКЩШ ФУИКЩЮ1Ь\ЛИЗАЦИИ АЦЕТИЛЕНОВ СЕРНЫМ АНГИДРИДОМ

02 00.03 - органическая химия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

Томск - 2000

Работа выполнена » Томской пилитехническом университете

Научные руководители:

доктор химических наук, профессор Филимонов О. Д. доктор химических наук, профессор Юсубов М.С

Официальные оппоненты:

доетор химических наук, профессор Сироткинл Е. I!. доюор химических наук, профессор Василевский С. Ф.

Ведущая организация: Новосибирский Институт cptsmnecKofi химии СО ГА11

Зашита состойся 27 декабря 2000 г. в И часо« и* заседании диссергаииошюю coserá К 0&3.80.07 в Томском политехническом университете по алрссу. 634034, Томск, пр Леняня 43, 2-й корпус ТПУ, Малая химическая аудитория

С диссертацией можно ознакомится » библиотеке Точсмт i < пикнического уншерсстета.

Учений секретарь

диссертационного овета, к - и, доцент

■/'/i

Краснохутская Е А

ООА —0%А Г)

Общая характеристика работы

Актуальность темы диссертации. На кафедре Органической химии и технологии органического синтеза Томского политехнического университета давно ведутся исследования в области химии производных ацетилена - открыты новые реагенты селективного окисления тройных связей, разработаны многочисленные варианты конденсаций ацетиленов с иодаренами и др.

В продолжение этих исследований представляется актуальным изучить реакции ацетиленов с SOj и его носителями. Серный ангидрид потенциально может проявлять как окислительную так и сульфирующую активность. В то время как сульфирование алкенов и особенно аренов изучено достаточно хорошо, о реакциях серного ангидрида и других сульфирующих агентов с ацетиленами известно довольно мало, а имеющиеся часто противоречивые сведения трудно систематизировать. Об окислительной же способности серного ангидрида по отношению к кратным связям неизвестно практически ничего. Серная кислота как источник серного ангидрида общепризнанно рассматривалась по отношению к ацетиленам только как кислотный гвдратирующий агент. Однако уже в первых экспериментах с фенилацетнленом в серной кислоте мы обнаружили ранее неизвестную реакцию образования непредельного сультона - 4,6-дифенил-1,2-оксатиин-2,2-диоксида.

Таким образом, данные исследования представляют как теоретический, так и прикладной интерес для органической химии.

Диссертация выполнялась на кафедре органической химии и технологии органического синтеза Томского политехнического университета и в Институте органической химии Дрезденского технического университета (Германия) по программам, поддержанным проектами Российского фонда фундаментальных исследований (гранты № 9б-03-33054а и 00-03-32812а), Немецкой академической службы обменов (DAAD), а также является составной частью госбюджетной темы Томского политехнического университета.

Цель работы Изучение новой реакции фенилацепшена с серной кислотой или серным ангидридом с образованием непредельного сультона - 4,б-дифенил-1,2-оксатиин-2,2-диокснда. Исследование препаративных возможностей SO3 как нового окислительного реагента ацетиленов и установление механизма его действия.

Паучная новизна. Открыта и исследована новая реакция образования 6-сультона -4,6-дифенил-1,2-оксатиин-2,2-диоксида из фенилацетилена и серной кислоты или SO3 в

ледяной уксусной кислоте. Предложена схема механизма реакции, включающая стадию образования р-сультона путем циклоприсоединения серного ангидрида к тройной связи с последующим расширением цикла.

Впервые показано, что серный ангидрид является доступным, эффективным и селективным реагентом окисления интернальных алкинов, а также стильбена до 1,2-дикетонов.

Впервые показано, что терминальные ацетилены в уксусной кислоте под действием нитратов щелочных металлов или аммония и серного ангидрида в мягких условиях подвергаются гетероциклизации с образованием 3-ацил-5-арил(алкил)-изоксазолов. Предложен и экспериментально подтвержден механизм этой новой реакции. Открыта неожиданная реакция функционализации толана до хлорметилтио- и диметилтиостильбенов действием ДМС0/803/ССЦ и ДМСО/БОз/СНВгз.

Практическая значимость. Предложен метод синтеза нового 5-сультона диенового сгроения, представляющего общий интерес для органического синтеза.

Предложен новый мягкий и наиболее доступный на сегодняшний день реагент на основе вОз для препаративного окисления интернальных ацетиленов до 1,2- и бис-1,2-дикетонов, являющихся ценными синтонами в тонком органическом синтезе и мономерами для производства полифенилхиноксалинов. Реагент отличается высокой селективностью по отношению к ацетиленовой связи, высокой скоростью окисления, простотой аппаратурного оформления процесса и другими достоинствами.

Найден наиболее простой синтетический подход к 3-ацид-5-арил(алкил)-изоксазолам - реакция гетероциклизации терминальных ацетиленов и нитратов в присутствии серного ангидрида.

Предложен новый простой метод синтеза (Е)-1,2-дифенил-1-метилтио-2-хлорэтена и (Е,2)-1,2-дифенил-1,2-диметилтиоэтена, в результате этот класс соединений становится доступным для практического использования.

Апробация работы и публикации. Результаты настоящей работы представлены на I научно-технической конференции «Фарберовские чтения-96», Ярославль, 1996; на П международной конференции «Когиз-98», Томск, 1998; на международной научной конференции «Органический синтез и комбинаторная химия». Москва, Звенигород, 1999; на научно-практической конференции «Химия и химическая технология на рубеже тысячелетий», Томск, 2000.

По материалам диссертации за период аспирантуры опубликовано 3 статьи и тезисы А докладов, три статьи находятся в печати.

Объем н структура работы. Работа изложена на 80 страницах машинописного текста. Работа состоит из введения (часть I), литературного обзора, посвященного

реакциям серного ангидрида с непредельными соединениями (часть П), четырех глав (части Ш-У1), в которых излагаются и обсуждаются результаты собственных исследований, экспериментальные подробности, а также кратко приводятся необходимые дополнительные литературные данные. Диссертация завершается выводами и списком литературы.

Для доказательства строения синтезированных соединений использованы методы ИК, ЯМР 'Н и 13С-спектроскопии, хроматомасс-спектрометрии, элементного анализа (С, Н), а также данные тонкослойной хроматографии и измерений температур плавления полученных соединений при сравнении с аутентичными образцами.

Основное содержание работы I. Исследование новой реакции гетероциклизации фенилацетилена с серной кислотой пли серным ангндрндом.

Мы впервые показали, что при нагревании фенилацетилена (1) в уксусной кислоте в присутствии концентрированной серной кислоты, наряду с ожидаемым продуктом гидратации фенилацетилена (1) -ацетофеноном (2) (выход 38%), образуется 4,6-дифенил-1,2-оксатиин-2,2-диоксид (3) с выходом до 20% (выход по серной кислоте 61%).

РЬ

1 3 2

Как было установлено, мольное соотношение фенилацетилена (1) к серной кислоте влияет на выход сультона (3). Так, при мольном соотношении субстрата и реагента, равном. 4.4:1, выход сультона (3) максимален. При меньшем количестве серной кислоты выход сультона (3) резко падает (4,5%), а ацетофенона (2) увеличивается (60%). В то же время при двукратном увеличении количества серной кислоты наблюдается сильное осмоление реакционной массы и сультон (3) образуется только в следовых количествах(1%), но наряду с ацетофеноном (2) (22%) были выделены 1,3,5-трифенилбензол (4) (6%) и дипнон (5). Важно отметить, что в тех же условиях ацетофенон не превращается в сультон (3), но из реакционной массы , наряду с исходным кетоном (2), выделены 1,3,5-трифенилбензол(4) (6%) и дипнон (5) (5%), известные продукты кислотной конденсации ацетофенона. Эти

эксперименты показывают, что ацетофенон (2) и сультон (3) образуются из фенилацетилена (1) в результате двух параллельных реакций.

Дальнейшие исследования показали, что реакция образования сультона (3) очень чувствительна к присутствию влаги в исходнйх компонентах. При использовании для синтеза недостаточно обезвоженных исходных веществ выход сультона (3) резко снижается до следовых количеств, а ацетофенона (2) - увеличивается.

Был проведен ряд экспериментов, подтверждающих, что в данном случае имеют место по крайней мере две параллельные конкурирующие реакции и что содержание

Диаграмма 1. Зависимость выхода сультона (3) от'количества серной кислоты или олеума в реакционной смеси

! 1 -

1 ; -......"V И

/¡Р ^ ^ ^—

к • Г*1

>7/ !

/Ж г с

Г Г - ) 1 • "1 -

0.2 03 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8

серная кислота (олеум), мл

Примечание к дошрамме I: Феткацетиден (I) 5 мл (45.6 ммоль), ледяная уксусная кислота 20 мл, серная кислота (1=1.836 г/мл (кривая I); добавка уксусного ангидрида 0.4 мл (кривая II); добавка оксида фосфора (V) 200 мг (кривая Ш); замена серной кислоты 15%-ныы олеумом (кривая IV).

воды в реакционной среде оказывает решающее воздействие на соотношение продуктов реакции. При введении в реакционную смесь таких водооткимающих агентов как уксусный ангидрид и оксид фосфора (V), а также свободный серный ангидрид в виде олеума, наблюдалось увеличение и стабилизация выхода продукта (3) (26-30%). Результаты этих исследований представлены диаграммой 1.

Наиболее вероятный по нашему мнению механизм образования сультона (3) включает стадию циклоприсоединения БОз к фенилацетилену с образованием соответствующего р-сультона, который в результате последующих превращений дает целевой продукт (3).

БО,

Р1)

РЬ-

\

О-БОг

Для доказательства возможности этого механизма мы провели реакцию фенилацетилена с комплексом серного ангидрида с диоксаном (БОз-ИО) в различных средах: уксусная кислота, хлороформ, хлороформ-дяоксан, диоксан. Сультон (3) получен при этом с препаративным выходом до 65%.

Обращает на себя внимание тот факт, что выход целевого продукта (3) наиболее высок при избытке серного ангидрида (мольное соотношение фенилацетилен (1):БОз 1:2), в то время как при соотношении фенилацетилегсБОэ 2:1 процесс идет с неполной конверсией исходного фенилацетилена, а увеличение времени реакции не ведет к повышению конверсии. Это свидетельствует о том, что расширение цикла при образовании продукта (3) происходит не через присоединение свободной молекулы фенилацетилена к образовавшемуся р-сультону. Наиболее вероятным путем процесса представляется образование пиросультона при избытке серного ангидрида (подобные процессы характерны для реакций алкенов с серным ангидридом) и последующее циклоприсоединение второй молекулы фенилацетилена с выделением одной молекулы ЭОз.

Показано, что сультон (3) легко бромируется действием брома в бензоле, при этом образуется с препаративным выходом 85 % 4,6-дифенил-5-бром-1,2-оксатиин-2,2 диоксид.

Нагревание сультона (3) в кислотной или основной средах приводит к гидролитическому распаду исходного соединения до ацетофенона.

О

на.лсон //

-- 2 РЬ-+Н2504

РЬ

Обобщая сведения, имеющиеся в литературе, и полученные в ходе данной работы экспериментальные данные, можно сделал, вывод о том, что процесс сульфирования ацетиленов протекает через стадию образования Р-сультонов, при этом в зависимости от условий проведения реакции могут быть получены как сульфокислоты, так и другие продукты превращения Р-сультонов, в частности, 5-сультоны.

Строение сультона (3) дает основания полагать, что он может являться удобным силоном 1,3-дифенилбутадиена и вступать в реакции диенового синтеза. Однако предварительные эксперименты показали, что при взаимодействии с рядом диенофилов (малеиновая кислота, малеиновый ангидрид, акриловая кислота) сультон (3) либо превращается в ацетофенон, либо остается инертным.

II. Новая реакция интервальных ацетиленов с серным ангидридом: окисление до 1,2-дикетонов.

Мы показали, что интернальные ал кипы в реакции с БОз ведут себя иначе, чем алкины терминальные. Так, впервые показано, что комплекс серного ангидрида с дкоксаном способен окислять интернальные ароматические алкины 7а-с до 1,2-дикетонов 8а-с.

а: Я=Н; Ь: Я=Ме; с: Я=И02

Реакция окисления толаиа (7а) протекает в мягких условиях и с высоким выходом, что делает ее интересной не только с теоретической, но и с практической точки зрения (табл. 1). Установлено, что реакция дает высокий выход продукта при двукратном избытке диоксансульфотриоксида (мольное соотношение субстрагБОз 1:4).

Толан 7а количественно окисляется диоксансульфотриоксидом в диоксане до бензила 8а за 15 минут при температуре 60 °С. При этом серный ангидрид восстанавливается до диоксида серы (выделение БОг было зафиксировано с помощью стандартной качественной реакции по обесцвечиванию иода в присутствии воды). Примерно ту же активность показал л-метилтолан 7Ь, но л-нитротолан 7с окисляется намного медленнее и с меньшим выходом продукта окисления - п-нитробензила 8с (см. табл. 1). Резкое замедление реакции под действием электроноакцепторной нитро-группы свидетельствует об электрофильиой природе первичного взаимодействия вОз с исследуемыми алкинами.

Аналогично окисляются диоксансульфотриоксидом диадетиленовые производные. При этом в зависимости от условий реакции могут быть получены продукты окисления как одной, так и двух ацетиленовых связей.

РЬ-

О

7а-с

8а-с

Так, соединения 7С-Ь под действием двукратного избытка комплекса ЗОз -00 количественно окисляются до соответствующих бис-1,2-дикетонов 9Г-Ь. Эти продукты являются мономерами для получения термостойких полимеров полифенилхиноксалинов и поэтому представляют особый интерес.

БО^НвОг

9(141

М-д

\

I Аг=

9 н

Если ацетиленовые группы в молекуле субстрата расположены достаточно близко друг к другу, то эффективность окисления диацетиленового соединения диоксансульфотриоксидом до бис-1,2-дикетона существенно снижается. Так, 1,4-бис-(фенилэтинил)бензол 76 не окисляется полностью до соответствующего бис-1,2-дикетона, а всегда образуются смеси продуктов окисления как одной, так и двух ацетиленовых групп 8с1 и 9(1 при низком общем выходе этих продуктов. Аналогично ведет себя и производное дибензофурана 7е. Это явление можно объяснить дезактивирующим влиянием электроноакцепторной дикетогрушпл, образующейся при окислении одной из тройных связей и понижающей электронную плотность на второй ацетиленовой группе, что препятствует дальнейшему окислению. Тем не менее, при определенных условиях во многих случаях могут быть получены с достаточно высокими выходами продукты окисления только одной из двух ацетиленовых связен. Так, при недостатке серного ангидрида соединение 7(1 окисляется до 1-{фенилглиоксалоил)-4-(фенилэтинил)бензола (8<1) с выходом 70%.

С более низкими выходами продукты окисления одной из двух ацетиленовых связей (8е-{;) были получены при действии серного ангидрида на соединения 7е-ц. Последнее обстоятельство связано, по-видимому, с ослаблением влияния дикетогруппы. Соедннення 8 е-§ получены впервые.

Таблица 1.

Окисление интернальных ацетиленов комплексом серного ангидрида с диоксаном.

Субстрат Температура реакции ("С) Соотношение БОз/субстрат, моль/моль Время реакции, мин. Продукт Выход,0/»

7а 20 4 150 8а 57

7а 60 2 120 8а 48

7а 60 4 15 8а 99

7а 100 4 5 8а 76

7Ь 60 4 10 8Ь 92

7с 60 4 120' 8с 19

1А 60 2 90 8(1 70

9<1 5

7е 60 2 90 8е 37

9е 16

И 60 8 30 97

п 60 2 90 81 26

9Г 12

и 60 8 30 Ч 98

7е 60 2 90 Ч 40

Ч 7

7Ь 60 8 30 911 95

Приемуществами новой реакции являются не только мягкие условия окисления, высокие выходы и доступность реагентов, но и селективность окисления ацетиленовой связи. Так, система серный ангидрид-диоксан, обладающая высокой окислительной активностью по отношению к ацетиленовой связи, не окисляет такие чувствительные к окислению центры как активированная метиленовая группа дифенилметана и этиленовая связь. Например, (Е)-стильбен устойчив к действию реагента в условиях реакции и выделяется из реакционной смеси в неизменном виде.

Диоксансульфотриоксид не вызывает полного разрыва С-С связей субстратов (среди продуктов реакции не обнаруживается бензойная кислота и ее производные), что отличает его с положительной стороны от большинства других окислительных реагентов.

Мы полагаем, что первой стадией взаимодействия комплекса серного ангидрида с интериальными ацетиленами, как и в рассмотренном выше случае с терминальными алкинами, является образование соответствующего (5-сультона, обладающего высокой реакционной способностью и претерпевающего в зависимости от строения

Я'-РЬ, я-н

ацетиленового производного, основания, связанного с серным ангидридом и условии проведения реакции дальнейшие превращения.

Так, в соответствии с предлагаемой схемой, при взаимодействии терминального ацетилена (фенилацетштена 1) с 50з образующийся р-сультон переходит далее в 5-сультон, при этом происходит расширение цикла с выделением молекулы БОз. В случае интернальных ацетиленов подобный процесс затруднен, по-видимому, стерическим фактором, поэтому при избытке серного ангидрида вероятно присоединение по ацетиленовой связи двух молекул БОз с образованием соответствующего пиросультона Разложение пиросультона с выделением диоксцда серы приводит к конечным продуктам - 1,2-дикетонам.

Выделение БСЬ возможно в принципе уже в момент образования пиросультона при внедрении второй молекулы вОз по связи О-БОг Р-сульгона:

О—302

•БО,

сг-

во.

Г*1

И2

А

-бо.

По-видимому, предполагаемые превращения могут происходить как с циклической, так и с цвитгер-ионной формами Р-сультона, поэтому речь может идти лишь о вероятном

преобладающем пути процесса. Однако достаточно определенно можно предположить, что первая стадия реакций ацетиленов с серным ангидридом - образование ß-сультона -является электрофильной атакой триоксида серы по тройной связи. Об этом свидетельствует резкое падение активности SO3 по отношению к дезактивированной ацетиленовой группе.

III. Новая.реакция терминальных ацетиленов с нитратами в уксусной кислоте в присутствии серного ангидрида*.

Ранее в работах кафедры ОХОС 111У (1997-1999) было показано, что нитраты щелочных металлов в присутствии иода или KI приводят к мягкому иоднитровашно тройных связей. Мы впервые показали, что при совместном действии серного ангидрида и нитратов щелочных металлов или аммония на терминальные ацетилены (1,10) образуются производные изоксазола (11 а,Ь).

S03*C4H802, NaN03, АсОН, RT, 3h

R.

1,10

R = Ph (1, Ua); R = л-Ви (10, lib).

Оптимальными условиями являются проведение реакции в уксусной кислоте при комнатной температуре, время около 3 часов. Выход продуктов (11а,Ь) в этих условиях достигает 55%. Дальнейшее увеличение времени реакции не влияет на выход целевых продуктов (11а,Ь).

При использовании нитрата кальция образование изоксазола (11а) наблюдалось только в следовых количествах методом ТСХ, реакция сопровождалась значительным смолообразованием и из реакционной смеси не было выделено индивидуальных продуктов. Реакция с нитритом натрия также приводит к изоксазсшу (11а), но со значительно более низким выходом (23%) (табл.2).

Серный ангидрид вводился в реакционную смесь в виде комплекса с диоксаном и в виде раствора в серной кислоте (олеума). Проводились также эксперименты с серной кислотой. Было установлено, что диоксансульфотриоксид является оптимальным реагентом в рассматриваемой реакции, поскольку в его присутствии изоксазолы (11а,Ь) были получены с наиболее высокими выходами (до 55%) и в мягких условиях. При замене

* Данная часть работы выполнялась совместно с аспиранткой Ю.Ю.Кулманаховой, кафедра ОХОС 111/.

Таблица 2.

Исследование образования нюксазолов 11а,Ь

в различных системах.

Субстрат Источник нитрат- или нитрит-аннона Форма вводимого серного ангидрида Растворитель Время, ч Температу Ра, С Продукт, выход, %

1 NaN03 Олеум АсОН 0.5 120 11а(44)

1 NaNO, БОз-ОО АсОН 3 25 На (55)

1 KNO3 БОз-ОО АсОН 3 25 11а (50)

1 NH4NO3 БОз-ОО АсОН 3 25 11а (52)

1 Ca(N0,)j*4H20 БОз-ОО АсОН 3-24 25 11а следы

1 NaNOj БОз-ОО CAOj 2 100 11а (14)

1 NaN03 БОз-ОО CHCI3/ С4Н8021:1 2 60 11а (30)

1 NaNOj БОз-ОО СЛОг 3-20 25-100 11а следы

1 NaNOj Олеум АсОН 3 70 11а (23)

1 NaN02 - АсОН 3-20 25 -120 11а следы

10 NaNÛ3 БОз-ОО АсОН 6 25 11b(53)

10 NaNO, Олеум АсОН 0.5 120 11Ь(26)

Примечания: Субстрат (1,10) 4.55 ммаль, ледяная уксусная кислота 6 мл, олеум (15%) 0.1 мл, комплегс серного ангидрида и диоксана (содержите S03 34-36%) 4.7 ммоль, NaNOj, KNOj, NHjNOj, NaNO: 9.1 ммаль

на олеум продукт (11а) был получен с выходом 44% при повышении температуры реакции до 120 °С. При проведении реакции в присутствии серной кислоты соединение (11а) из реакционной смеси препаративно выделено не было и наблюдалось только хроматографически.

Уксусная кислота, очевидно, не принимает непосредственного участия в реакции (с образованием интермедиатов путем ацилирования и т.п.). Это подтверждается тем, что продукт (11а) был получен с выходом 30% в смеси диоксана с хлороформом под действием диоксансульфотриоксида на фенилацетилен и нитрат натрия в отсутствии уксусной , ;, кислоты. Уксусная кислота является, по-видимому, средой, обеспечивающей оптимальные условия для образования изоксазолов в исследуемой реакции.

На основании полученных данных мы полагаем, что механизм образования производных изоксазола из терминальных ацетиленов под действием системы MNO3/SO3 (M = Na, К, NH«) включает в себя стадию образования нитрилоксида, который в свою очередь вступает в реакцию 1,3-циклоприсоединения со следующей молекулой ацетилена с образованием изоксазольного цикла. Подтверждением этой гипотезы является наличие в хроматомасс-спектрах реакционых смесей пиков нитрилоксидов и продуктов их димеризации - соответствующих окисей фуразанов.

ОН'

я-

он

О"

.р

о

N

О

Очевидно, что к шприлоксцдам может в принципе приводить как нитрование, так и нитрозирование ацетиленов. Мы нашли, что продукт (11а) образуется при действии как нитрата, так и нитрита натрия, однако в последнем случае выходы целевого изоксазола не превышают 23% (см. табл. 2.). Образование продукта На в данном случае может протекать через окисление в условиях реакции нитрита до нитрата. В связи с этим более вероятным представляется процесс присоединения катиона нитрония к ацетилену с последующим превращением продукта в нитрилоксид:

Таким образом, гетероцихлизация ароматических или алифатических терминальных производных ацетилена с нитратами под действием серного ангидрида является новым удобным методом синтеза З-ацил-5-арил (алкил) изоксазолов.

IV. Новая реакция толаыа с диалкилсульфоксидами в присутствии серного ангидрида и галогенуглеводородов.

Известно, что БОз образует комплексы с ДМСО, нараду с другими нухлеофилами. Можно было ожидать, что при действии активированного серным ангидридом диметилсульфоксида на ацетилены будет протекать более или менее быстрое окисление тройной связи до 1,2-дикетонов, подобно тому, как это происходит в системах Ь/ДМСО, РсЮУДМСО (открыты ранее на кафедре ОХОС ТПУ), а также в описанной выше новой окислительной системе БОз/диоксан. В этом случае мог бы возникнуть вопрос о том, что является окислителем в рассматриваемой системе: диметилсульфоксид или серный ангидрид в виде комплекса с ДМСО.

Однако при попытке окисления талана серным ангидридом в смеси ДМСО и ССЦ при 70°С мы нашли, что использованный как инертный разбавитель 50з четыреххлористый

углерод проявил неожиданную активность, и наряду с ожидаемым продуктом окисления -бензилом (8а) (26%), в качестве основного продукта образуется (Е)-1,2-дифенил-1-метилтио-2-хлорэтен (12) с выходом до 68 %:

РЬ-

_РЬ 30з,РМ30.сс.4) +Рь-/Ме

0У- у™

7а

8а

12

Известно, что ДМСО в присутствии многих электрофильных агентов, в том числе и ЭОз, способен частично распадаться до СНзБН и СН2О. Для меркаптанов, в свою очередь, характерны процессы свободнорадикального присоединения к ацетиленам. Очень вероятно, что образующийся в данном случае метилмеркаптан по свободнорадикапьному механизму присоединяется к тройной связи талана с последующим отрывом винильным интермедиатом радикала хлора от ССЦ, как в обычных реакциях теломеризации в присутствии галоидуглеводородов:

Н3С

СНзвН

/Чн,

БО,

СН,5 +Н

СНр + СНзБН

ИЛИ

СН^Н + ССП, -СН3Э + СС13 +НС1

БСН3

С1Ь\ РЬ-\ СС14

РЬ-

СС!3 +Н

СНС1,

вен,

РЬ

РЬ

+ СС13

То, что процесс присоединения элементов МеБ и хлора в системе БОз/ДМСО/ССЦ к тройной связи не носит электрофильного характера, косвенно подтверждается тем обстоятельством, что (Е)-стильбен (13) остается в условиях реакции инертным, а повышение температуры до 100°С приводит лишь к его окислению с образованием бензила (8а) (выход 51%), что является первым примером окисления двойной связи под действием серного ангидрида. При реакции 50з/ДМС0/СС1< с 4-нитротоланом (7с) происходит только окисление тройной связи с образованием 4-нитробензила (8с) с выходом 71%.

Препаративно в реакции толана с системой БОз/ДМСО/ССЦ выделен только (Е)-изомер соединения (12), однако это обстоятельство еще не позволяет утверждать, что реакция носит стереоспецифичный характер, поскольку реакционная масса до очистки продуктов детально не исследовалась.

Для изучения препаративных возможностей и механизма новой реакции мы исследовали действие на толан систем БОз/ДМСО/СНВгз, БОз^РИСНгЬЗО/ССЦ, и БОз/^ЬСНз^О/СНВгз.

При замене четыреххлористого углерода на бромоформ конечным продуктом реакции ДМСО оказался не ожидаемый аналог продукта (12) - 1-бром-2-метилтио-1,2-дифенилэтен, а продукт присоединения к толану двух мегилтиогрупп - смесь Е- и Ъ-изомеров 1,2-диметилгио-1,2-дифенилэтена (14) в соотношении диастерсомеров 1:1 с общим выходом 40%.

БОз-ОО, Ме^О, СНВг3

ри :-: РИ

Ю0°С,6Ь

14

При этом серный ангидрид вводился в реакционную смесь в виде комплекса с диоксаном, а реакция протекала при более высокой температуре (100-110 °С). Возможно, что метилтиорадикал вытесняет более подвижный бром в промежуточном 1-бром-2-метилтио-1,2-дифенилэтене, что приводит к диметилтиозамещенному производному (14).

Было отмечено, что на соотношение образующихся в ходе реакции продуктов окисления (бензила 8а) и присоединения (метилтиостильбенов 12,14) существенное влияние оказывает соотношение ДМСО и галогенуглеводорода в исходной смеси. Увеличение количества ДМСО по отношению к галогелпроизводному ведет к увеличению выхода продукта окисления, и наоборот, при избытке СС14 или СНВгз наблюдается увеличение выхода продуктов присоединения. Эта тенденция более выражена в системе БОз/ДМСО/СНВгз.

Описанные реакции характерны не только для ДМСО, но, по-видимому, и для других алкилсульфоксидов. При реакции толана в системе БОз/^ЬСНг^БО/ССЦ образуется сложная смесь продуктов, среди которых методами тонкослойной, колоночной и газовой хроматографии, а также при помощи хроматомасс-спектрометрии были идентифицированы продукты распада дибензилсульфоксвда (бензальдегид), окисления толана (бензил 7а), а также продукт присоединения к толану бензилтиольной группы и хлора - 1-беизилтио-2--

хлор-1,2-дифенилэтен (15) и вторичные продукты распада дибензилсульфоксида -дибензилсульфид (16), дибензилдисульфид (17) и дибензшприсульфид (18). Продукт (15) в чистом виде препаративно выделить не удалось, поскольку он образует неразделимую смесь с дибензилсульфидами 16-18, выделенную в виде отдельной фракции с содержанием продукта (15) 25%. Однако он хорошо проявляется на газовой хроматограмме методом хроматомасс-спектрометрии, а масс-спектр содержит пик достаточно большой интенсивности (17%), соответствующий молекулярному иону 1-бензилтио-2-хлор-1,2-дифенилэтена (15).

З^Вп

503, Вп250, СС14

РЬ-

-РЬ

РИ

70"С, 12Ь

+ Вп-Б-Вп + Вп-(3)2-Вп + Вп-(8)3-Вп ----РЬ

7а

С1

15

16

17

18

Еще более сложной оказалась смесь, полученная при взаимодействии толана с дибензилсульфоксидом и бромоформом под действием 50з и проанализированная методом хроматомасс-спектрометрии. Наряду с основными продуктами реакции - сульфидами 16, 17 и 18 - были зарегистрированы заметные количества дифенилметана (19), а также продукта присоединения бензилмеркаптана к толану (7а) - 1-бензил-1,2-дифенилэтена (1-бензилстильбена) (20).

РП-

-РП

вОз, ВП280, СНВГ3

70 "С, 12Ь

РЬ-

-Вп

.....Р|1

+ Вп-Э-Вп + Вп-(3)гВп + Вп-(5)з-Вп + РЬСН2РЬ

7а

20

Выводы

1. Открыта новая реакция гетероциклизацни фенилацетилена с серной кислотой или серным ангидридом, приводящая к неизвестному ранее сультону диенового строения - 4,6-дифенил-1,2-оксатиин-2,2-диоксиду. Детально изучены условия протекания реакции и факторы, влияющие на образование целевого продукта.

\

2. Открыта новая реакция интернальных ацетиленов с серным ангидридом -окисление до 1,2- и бис-1,2-дикетонов. Установлено, что реакция имеет электрофильный характер.

3. Предложен и экспериментально обоснован общий механизм сульфирования ацетиленов, предполагающий в качестве первой стадии электрофильную атаку серного ангидрида по тройной связи с образованием ß-сультонов, претерпевающего в зависимости от условий реакции и природы субстрата дальнейшие превращения.

4. Открыта новая реакция гетероциклизации терминальных ацетиленов с нитратами под действием серного ангидрида, приводящая к З-адил-5-арил (алкил) изоксазолам, которая является наиболее удобным сшгтетическим подходом к этому классу гетероциклов.

5. Открыта новая реакция диарилацетиленов с диалкилсульфоксидами и галогенуглеводородами в присутствии серного ангидрида, приводящая к 1-алкилтио-2-хлорстильбенам и диалкилтиостильбенам. Получены экспериментальные данные, указывающие на свободнорадикальный характер реакции.

Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях:

1. М.С.Юсубов, В.Д.Филимонов, В.О.Рогачев Новая реакция фенилацетилена с серной кислотой - гетероцикпизация с образованием 4,6-дифенил-1,2-оксатиин-2,2-диоксида II Журнал органической химии. 1996, Т.32, № 8, С. 1272-1273.

2. В.О.Рогачев М.С.Юсубов, В.Д.Филимонов Реакция фенилацетилена с серной кислотой или серным ангидридом как метод синтеза 4,6-дифенил-1,2-окса-тиин-2,2-диоксида Н Журнал органической химии, 1999, Т. 35, № 3, С. 439-442.

3. В.О.Рогачев, М.С.Юсубов, В.Д.Филимонов, В.Д. Огородников. Неожиданное образование (Е)-1-метилтио-1,2-дифенил-2-хлорэтена в реакции дифенилацетилена с ДМСО в присутствии серного ангидрида и ССЦ. // ЖОрХ. 2000. Т. 36. Вып. 2. С. 312.313.

4. В.Д.Филимонов, М.С.Юсубов, Е.А.Краснокутская, RA-Передерина, В.О.Рогачев. Реагенты на основе ДМСО, серной кислоты, нитратов в новых синтезах поликарбоннльньк соединений, нитроолефинов, сультонов. Тезисы докладов Первой научно-технической конференции Фарберовские чтения-96. Ярославль, 1996. С.64-66

5. V.O. Rogachev, M.S. Yusubov, V.D. Filimonov. New Reaktions of Acetylenes. // The Second Russian-Korean International Symposium of Science and Technology. Abstracts.1998. P. 142.

6. В.Д Филимонов, M.C. Юсубов, E.A Краснокутская, Ю.Ю. Кулманакова, RA. Передерина, В.О. Рогачев. Новые методы функционализации алкенов, апкинов,

I. Введение.

Актуальность темы диссертации.

Цель работы.

Научная новизна.

Практическая значимость.

II. Литературный обзор. Триоксид серы в реакциях с алкенами и алкинами.

III. Исследование новой реакции гетероциклизации фенилацетилена с серной кислотой или серным ангидридом.

III. 1. Результаты и их обсуждение.

III.2. Экспериментальная часть.

IV. Новая реакция интернальных ацетиленов с серным ангидридом - окисление до 1,2-дикетонов.

IV. 1. Результаты исследований.

Экспериментальная часть.

V. Новая реакция терминальных ацетиленов с нитратами с образованием 3-ацил-5-алкил (арил)-изоксазолов.

V. 1. Методы синтеза изоксазолов.

V.2. Результаты исследований реакции образования изоксазолов из терминальных ацетиленов.

V. 3. Экспериментальная часть.

VI. Новая реакция толана с диалкилсульфоксидами в присутствии серного ангидрида и галогенуглеводородов.

VI. 1. Результаты исследований.

VI.2. Экспериментальная часть.

1. Gilbert Е.Е. Sulfonation and Related Reactions / 1.terscience, New York, 1965.

2. Зык H.B., Белоглазкина E.K., Зефиров H.C. Триоксид серы: реагент, кислота, катализатор. //ЖОрХ, 1995. Т. 31. С. 1283-1319.

3. Общая органическая химия. / Под ред. Д. Бартона, У. Д. Уоллиса. Т. 5. М: Химия, 1983. 720 с.

4. Auger Y., Delesalle G., Fisher J.S., Wortel M. // J. Electroanal. Chem. 1980. Vol. 106. P. 149-159.

5. Шустарева Т.К., Дружинина B.E. // ХГС. 1986. №1. С. 34-39

6. Planche J.P., Revillon A., Guyot A. Chemical modification of polynombornene. I. Sulfuration in dilute solution. // J. Polym. Sei. Part A: Polym. Chem. 1988. Vol. 26. N 2. P. 429-444.

7. Shimura T. Manda E. // Nippon Kagaku Kaichi. 1978. N 11. P. 1532-1536.

8. Quaedvlieg M. , in "Methoden der Organischen Chemie"(Houben-Weyl), ed. E.Mueller, Thieme Verlag Stuttgart, 4 th edn., 1955 vol IX , chapter 14.

9. Boyer J.L., Canelier J.P., Castro V. Analysis of S03-sulfonation products of 1-alkines by spectrometric methods. // J. Am. Oil Chem. Soc. 1982. Vol. 59. N 10. P. 458-464.

10. Безъязычная JI.А., Перов П.A. // Нефтеперер. Нефтехим. 1982. № 4. С. 42-43.

11. Bordwell F.G., Suter С.М., Webber A.G. // J. Am. Chem. Soc. 1945. Vol. 67. N 5. P. 827838.

12. Терентьев А.П., Домбровский A.B. //ЖОХ. 1949. Т. 19. Вып. 8. С. 1467-1471.

13. Терентьев А.П., Грачева P.A. Сульфирование соединений RiR2C=CH2 Геометрическая изомерия непредельных сульфокислот. // ЖОХ. 1960. Т. 30. Вып. 11. С. 3663-3667.

14. Kelly К.К., Matthews J.S. The use of lewis base sulfur trioxide complex as reagents for the Beckmanns rearrangement of ketoximes. // J. Org. Chem. 1971. Vol. 36. N 15. P. 21592161.

15. Попкова Т.В.ДЦастин A.B., Баленкова Е.С. // ЖОрХ. 1987. Т. 23. Вып. 8. С. 17961797.

16. Попкова Т.В.,Шастин A.B., Баленкова Е.С. Взаимодействие комплекса диметилсульфид-сульфотриоксид с диенами. // ЖОрХ. 1988. Т. 24. Вып. 6. С. 11601172.

17. Попкова Т.В.,Шастин А.В., Лажко Э.И., Баленкова Е.С. // ЖОрХ. 1986. Т. 22. Вып. 11. С. 2460-2461.

18. Bakker B.N., Cerfontain Н. // Tetrahedron Lett. 1987. Vol. 28. N 15. P. 1699-1702.

19. Roberts D.W., Jakson P.S., Saul C.D., Clemett C.J. NMR evidence for p-sultones as initial products in reactions of olefins with sulphur trioxid. // Tetrahedron Lett. 1987. Vol. 28. N 29. P. 3383-3386.

20. Nagayama M., Okumara O., Noda S., Mandai H., Mori A. // Bull. Chem. Soc. Japan. 1974. Vol. 57. N9. P. 2158-2161.

21. Knunyants I.L., Sokolski G.A. // Angew. Chem. 1972. Bd 84. N 13. S. 623.

22. Мацулевич Ж.В., Борисов A.B., Бодриков И.В. Реагенты селективного сульфирования стирола в Р-сультон // ЖОрХ. 1994. Т. ЗО.Вып. 6. С.948-949.

23. Boyer J.L., Giot В., Canselier J.P. // Phosphorus, Sulful. 1984. Vol. 20. N 3. P. 259-271.

24. Bordwell F.G., Rondestwedt J.C.S. // J. Am. Chem. Soc. 1948. Vol. 70. N 7. P. 2429-2433.

25. Bordwell F.G., Osborne C.E. Sulfonation of olefins. IX. Sulfonation of 1,1-diphenylethene. //J. Am. Chem. Soc. 1959. Vol. 81. N 8. P. 1995-2000.

26. Bordwell F.G., Peterson M.L. Sulfonation of olefins. VI. Stereochemistry of the reaction with cyclopentene and cyclohexene. // J. Am. Chem. Soc. 1954. Vol. 76. N 15. P. 39573961.

27. Roberts D.W., Williams D.L., Bethell D. // J. Chem. Soc. Perkin Trans. II. 1985. P. 389394.

28. Джильберт Э.Е. Сульфирование органических соединений. М.: Химия, 1969. 414 с.

29. Breslow D.S., Hough R.R. The synthesis of sodium ethylene sulfonate from ethylene. // J. Am. Chem. Soc. 1957. Vol. 79. N 18. P. 5000-5002.

30. Weinreich G.H., Jufresa M. Sulfonates of carbohydrates C2. // Bull Soc. Chim. 1965. N 3. P.787-749.

31. Sheehan J.C., Zoller U. // J. Org. Chem. 1975. Vol. 40. N 8. P. 1179.

32. Weil J.K., Stirton A.J., Smith F.D. Sulfonation of hexadecene-1 and octadecene-1. // J. Am. Oil Chem. Soc. 1965. Vol. 42. N 10. P. 873-875.

33. Bakker B.N., Cerfontain H. // Tetrahedron Lett. 1987. Vol. 28. N 15. P. 1703-1706.

34. Schonk R.M., Bakker B.H., Cerfontain H. // Rec. Trav. Chim. 1992. Vol. 111. N 1. P. 4955.

35. Truce W.E., Gunberg P.F. // J. Am. Chem-. Soc. 1950. Vol. 72. N 6. P. 2401-2403.

36. Домбровский A.B., Прилуцкий Г.М. Сульфирование ацетиленовых углеводородов. О механизме сульфирования диоксансульфотриоксидом. // ЖОХ. 1955. Т. 25. № 10. С. 1943-1947.

37. Шастин A.B., Вельский В.К., Бондарева H.A., Попкова Т.В., Баленкова Е.С. Структура продуктов сульфирования непредельных углеводородов комплексом серного ангидрида с диметилсульфидом. // Докл. АН СССР. 1988. Т. 302. № 6. С. 1425-1428.

38. Шастин A.B., Попкова Т.В., Баленкова Е.С, Вельский В.К., Лажко Э.И. Реакция комплекса серного ангидрида с диметилсульфидом с олефинами и ацетиленами. // ЖОрХ. 1987. Т. 23. Вып. 11. С. 2313-2319.

39. Марч Дж. Органическая химия. М.: Мир, 1988. Т. 3. С. 165.

40. Menashe N., Reshef D., Shvo Y. // J. Org. Chem. 1991. Vol. 56. N 8. P. 2912-2914.

41. Elderfield R.C., King T.P. // J. Am. Chem. Soc. 1954. Vol. 76. N 21. P. 5437-5439.

42. Словарь органических соединений. Ред. И. Хейльборн, Г.М. Брэнбери / М: Издательство иностранной литературы. Т. 1. С. 15.

43. Филимонов В.Д., Юсубов М.С., Чи Ки-Ван. Окислительные методы в синтезах вицинальных ди- и поликарбонильных соединений // Успехи химии, 1998, 67, 803826.

44. Юсубов М.С., Филимонов В.Д. Бромистоводородная кислота и перекись водорода в диметилсульфоксиде новый удобный реагент окисления стильбенов до 1,2-диарил-1,2-дионов. // ЖОрХ, 1989. Т. 25. № 2. С. 218.

45. Yusubov M.S., Krasnokutskaya Е.А., Vasilyeva V.P., Filimonov V.D., Chi K.-W. // Bull. Korean. Chem. Soc., 1995. Vol. 16. P. 86.

46. Юсубов M.C., Чи K.-B., Краснокутская Е.А., Васильева В.П., Филимонов В.Д. Использование новых реагентов на основе ДМСО в окислении двойных и тройных связей в синтезе 1,2-дикетонов. //ЖОрХ.1995. Т. 31. С. 1675.

47. Chi K.-W., Yusubov M.S., Filimonov V.D. Palladium Catalyst in DMSO for the oxidation of tolans to benzils. // Synthh. Commun. 1994. Vol. 24. P. 2119-2122.

48. Yusubov M.S., Filimonov V.D, Vasilyeva V.P., Chi K.-W. Chemoselective Oxidation of Carbon-Carbon Double or Triple Bond to 1,2-Diketone with DMSO-Based Reagents // Synthesis, 1995, Vol. 9 , PJ234

49. Физер JI., Физер M. Реагенты для органического синтеза. Под ред. акад. И.Л. Кнунянца и д.х.н. Р.Г. Костяновского. / М: «Мир», 1970. С. 281, 282.

50. Suter С., Evans P., Kiefer J. // J. Am. Chem. Soc. 1938. Vol. 60. N 3. P. 538-540.

51. Общая органическая химия. / Под ред. Д. Бартона, У. Д. Уоллиса. Т. . М: Химия, 1983. Т. 3. С. 496-501.

52. Five- and Six-Membered Compounds with Nitrogen and Oxygen. Chemystry of Heterocyclic Compounds. Ed. A. Weissberger. / Interscience, New York, 1962.

53. N.K. Kochetkov, S.D. Sokolov. // Adv. Heterocyclic Chem. 1963. Vol. 2. P. 365-369.

54. The Chemistry of Heterocyclic Compounds, ed. R. C. Elderfield, Wiley, New York, 1956, Vol.5 (Гетероциклические соединения. Под ред. Р. Эльдерфилда / М: Издатинлит, 1961, Т. 5).

55. Верещагин Л.И. и др. // ЖОрХ, 1975. № 11. С. 47-52. (Vereshagin L.I. et.al. // J. Org. Chem. USSR (Engl. Transl.), 1975. Vol. 11. P. 44-48)

56. P. A. Lowe. // Aromatic and Heteroaromatic Chemistry (Spezialist Periodical Reports), The Chemical Society, London, 1974, 2, ch. 3.

57. Grundmann C., Grunager P. The Nitrile Oxides / Springer-Verlag, Berlin, 1971.

58. Дыбова Т. H., Юрченко О. И., Грицкий Н. В., Комаров Н. В. Взаимодействие ацетиленовых углеводородов с димедоном и некоторыми а-нитрокетонами. // ЖОрХ, 1998, 34, 684-687.

59. Wieland Н. // Ber. 1907, 40, 1667.

60. Wunsch К.-Н., Boulton A. J. Isoxasoles and anthranils. // Adv. Heterocycl. Chem. 1967. Vol. 8. P. 277-379.

61. Dal Piaz V., Pinzauti S., Lacrimini P. 4-nitro-l,2-oxazoles from hydroximic acid chlorides. // Synthesis, 1975. P. 664-665;

62. Shvekhgeimer G.A., Baranski A., Grzegozek M. Reaction of Benzonitrile oxides with conjugated nitroalkenes. // Synthesis, 1976. P. 612-614.

63. Gasparini F., Giovannoli M., Misiti D., Natile G., Calmieri G., Maresca L. Gold(III)-Catalyzed One-Pot Synthesis of Isoxazoles from Terminal Alkynes and Nitric Acid. // J. Am. Chem. Soc., 1993. Vol. 115. P. 4401-4402.76

64. Somerville A.W. Intramolekular cyclisations. // Aromatic and Heteroaromatic Chemistry (Spezialist Periodical Reports), The Chemical Society, London, 1974, Vol. 2, ch. 2. P. 66105.

65. Sandifer R.M., Shaffer L.M., Hollinger W.M., Reames D.C., Beame C.F. // J. Heterocyclic Chem., 1976, 13, 607.

66. Шевчук М.И., Шпак C.T., Домбровский A.B. Получение изоксазолов реакцией (5-оксоароилфосфоранов с хлорангидридами а-оксогидроксимовых кислот. // ЖОХ, 1975. №12. С. 2609-2614.

67. Юсубов М.С., Передерина И.А., Кулманакова Ю.Ю., Филимонов В.Д., Чи К.-В. Реакция алкинов с иодом и иодидом калия в присутствии нитратов в уксусной кислоте и простой синтез 1-иод-2-нитроалкенов. // ЖОрХ. 1999. Т. 35. № 9. С. 12961304.

68. Oki М., Nakamura A., Kobayashi К. Reaktion of trans-Stilbene with Methanesulfenil Chloride. // Bull. Chem Soc. Jap. 1973. V. 46. P. 3610-3611.

69. Tidwell T.T. // Synthesis. 1990. N 10. P. 857-870.

70. Оаэ С. Химия органических соединений серы. М: Химия, 1975. 512 с.