Новые синтетические возможности реакции каталитического олефинирования тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.03 ВАК РФ

На правах рукописи

У ¡У

ОРТ

Гольдберг Алексей Андреевич

НОВЫЕ СИНТЕТИЧЕСКИЕ ВОЗМОЖНОСТИ РЕАКЦИИ КАТАЛИТИЧЕСКОГО ОЛЕФИНИРОВАНИЯ

02.00.03 - Органическая химия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

2 6 ДПР

Москва-2012 г

005019255

Работа выполнена на кафедре химии нефти и органического катализа Химического факультета Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова

Научный руководитель: доктор химических наук, профессор

Ненайденко Валентин Георгиевич

Официальные оппоненты: доктор химических наук, профессор

Лукашев Николай Вадимович Химический факультет МГУ имени М.В. Ломоносова, Москва

доктор химических наук, профессор Ракитин Олег Алексеевич Институт органической химии имени Н.Д. Зелинского РАН, Москва

Ведущая организация: Иркутский институт химии СО РАН

имени А.Е. Фаворского, Иркутск

Защита диссертации состоится 25 мая 2012 года в 11 час. 00 мин. на заседании Диссертационного совета Д 501.001.97 при Московском государственном университете имени М. В. Ломоносова по адресу: 119992, Москва, Ленинские горы, д.1, стр.3, Химический факультет МГУ, аудитория 446.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Химического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова.

Автореферат разослан «18» апреля 2012 года

Ученый секретарь Диссертационного Совета, кандидат химических наук

Ю.С. Кардашева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Химия фторорганических соединений является одной из наиболее динамично развивающихся областей органической химии, так как многие фторсодержащие соединения обладают высокой биологической активностью. Кроме того, они все чаще применяются как компоненты жидкокристаллических материалов, что обусловлено их более низкой температурой плавления, широким диапазоном существования мезофаз, хорошими показателями двулучепреломления и диэлектрической анизотропии, по сравнению с нефторированными аналогами. Известные в настоящее время методы прямого фторирования далеко не всегда позволяют ввести атом фтора или перфторалкильную группу в заданное положение целевой молекулы. Синтонный подход, использующий уже готовый фторированный структурный фрагмент, служит прекрасной альтернативой методам прямого фторирования, так как обеспечивает строгий контроль положения атомов фтора или перфторалкильной группы в конструирз'емой молекуле. Реакция каталитического олефинирования с использованием фреонов открывает возможность синтеза широкого спектра фторсодержащих соединений, поэтому исследование новых синтетических возможностей данной реакции является важной и актуальной задачей. Целью работы является изучение синтетических возможностей реакции каталитического олефинирования: увеличение эффективности метода за счет использования гетерогенных катализаторов, разработка способов синтеза труднодоступных (З-фтор-Р-трифторметилстиролов и разработка нового класса жидкокристаллических соединений на основе реакции 1,2-дибромтетрафторэтана и гидразонов ароматических альдегидов с полигалогеналканами.

Научная иовизна и практическая значимость. Впервые на примере ряда моно- и биметаллических Cu-, Au-содержащих гетерогенных катализаторов показана принципиальная возможность протекания реакции каталитического олефинирования в условиях гетерогенного катализа.

Разработан новый эффективный метод стереоселективного получения труднодоступных р-фтор-р-(трифторметил)стиролов реакцией каталитического олефинирования с использованием 1,1-дибромтетрафторэтана. Исследовано влияние природы галогена на протекание реакции нуклеофильного замещения: показано, что замещение винилыюго атома фтора в р-фтор-р-трифторметил-4-нитростироле затруднено, тогда как замещение атома хлора в его p-хлор аналоге протекает значительно легче.

Разработан метод получения сульфидов АгСПзСРгСР^Я из соответствующих бромидов АгСН2СР2СР2Вг. Показано, что реакция нуклеофильного замещения с тиофенолами не приводит к целевым соединениям, однако они могут быть синтезированы взаимодействием дисульфидов 113 ЭК или симметричных тиосульфоновых Э-эфиров Н550211 с анионами, полученными из АгСН2СР2СР2Вг.

Разработан новый класс фторсодержащих жидкокристаллических соединений с четырехатомными «мостиковыми» фрагментами -СН2СР2СР2Х-, -СНСБСЕгХ-, -С=ССР2Х- (X = О, 8). Предложены эффективные стратегии получения этих соединений на основе доступного 1,2-дибромтетрафторэтана и его функциональных производных.

Изучены фазовые характеристики полученных жидкокристаллических соединений. Показано, что некоторые из полученных веществ обладают набором полезных свойств, сравнимых со свойствами известных ЖК соединений. Публикации и апробация работы. По материалам диссертации опубликовано 2 статьи и 4 тезисов докладов. Основные результаты исследования были представлены на конференциях:

• XII Молодежная конференция по органической химии (Россия, Суздаль, 2009);

• Всероссийская молодежная конференция-школа «Идеи и наследие А. Е. Фаворского в органической и метаплоорганической химии XXI века» (Россия, Санкт-Петербург, 2010);

• XVII Международная конференция студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов» (Россия, Москва, 2010);

• Международный симпозиум успехов органической химии (Украина, Мисхор, 2010).

Объём и структура работы. Диссертационная работа изложена на 179 страницах машинописного текста и состоит из введения, обзора литературы, обсуждения результатов, экспериментальной части, выводов. Иллюстративный материал содержит 41 таблицу и И рисунков. Список цитируемой литературы состоит из 358 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ В 1999 году в нашей научной группе была открыта реакция каталитического олефинирования карбонильных соединений: при обработке Л-незамещенных гидразонов альдегидов и кетонов полигалогеналканами в присутствии основания и каталитических количеств солей меди наблюдается образование замещенных

алкенов. Варьирование полигалогеналкана (ПГА) позволяет синтезировать различные функционально замещенные алкены, в том числе и фторсодержащие.

R N2H4*H20 R CHal2XY R X R r

>=0-► >=N ---► >=< + >=N-N=< + N2

r r' NH2 моль% CuCI r' V r' r' '

R,= Ar' Alk Hai = Cl, Br X = F, Cl, Br, H, CF3

R' = Alk' H V = F, Cl, Br, CN, C02Et

1. Использование гетерогенного катализа Ранее реакция каталитического олефинирования проводилась только в условиях гомогенного катализа. Но, как известно, гетерогенный катализ имеет ряд несомненных преимуществ по сравнению с гомогенным, в числе которых легкость отделения катализатора и возможность его многократного вовлечения в каталитический процесс, что повышает экономичность реакции.

Моно- и биметаллические наночастицы меди и золота, полученные путем металло-парового синтеза (МПС), применяются во многих каталитических процессах. В рамках данной работы впервые исследована их активность в реакции каталитического олефинирования. Предполагалось исследовать активность как черни наночастиц, так и систем на основе моно- и биметаллических частиц, полученных методом МПС и нанесенных на носители различной природы - А1203, Si02'.

В реакции каталитического олефинирования были исследованы восемь катализаторов: моно- Au, Ag, Cu и биметаллические Au-Cu наносистемы I-VIII, нанесенные на А1203 и S¡02. Для поиска оптимального катализатора в качестве модельных объектов были выбраны гидразон иара-хлорбензальдегида и два полигалогеналкана - СС13Вг и ССЦ Реакцию проводили в течете 24 ч в этаноле с использованием этилендиамина в качестве основания (Таблица 1). В таких относительно агрессивных условиях мы ожидали частичное вымывание меди с поверхности катализатора.

Наилучшие результаты показали катализаторы VI, VII и VTII, с которыми и проводили все последующие эксперименты. Выходы целевых продуктов реакции в случае СС13Вг и СС14 сравнимы с выходами, полученными при использовании гомогенного катализа. Напротив, катализаторы на основе серебра и золота без меди I, III и IV проявляют заметно меньшую эффективность.

1 Автор выражает благодарность к.х.н., в.н.с. Александру Юрьевичу Василькову и его научной группе за предоставленные катализаторы, а также к.ф.-м.н. Наумкину Александру Васильевичу за исследование образцов методом РФЭС

^^о 1)Н2Н4-Н20 /^/^.Х ССЦ,Х=У=СКба) ] °_12 4 2_^ [¡ [ Т СВгС13, Х=У=С1 (6а)

2) Катализатор, НН2СН2СН2ЫН2 V СРВг, Х=Р, У=Вг (6Ь)

ЕЮН 6 СНВг3.Х=Н,У=Вг(6с)

Полигалогеналкан (СХУНа!2)

Таблица 1. Гетерогенные катализаторы в реакции каталитического олефинирования

Катализатор Металл/ носитель Содержание металла (%) Содержание металла (ммоль) Выход алкена 6a (%)

Из CCljBr Из ССЦ

I Аи/АЬОз 0.09 0.015 41 2

П Си/А1203 0.23 0.12 58 45

III Ag/Si02 0.16 0.047 65 4

IV Ag/Al203 0.45 0.133 67 6

V Си-Аи/А1203 Cu: 0.033 Au: 0.015 Cu: 0.016 Au: 0.0024 75 42

VI Си-Аи/А1203 Cu: 0.096 Au: 0.023 Cu: 0.048 Au: 0.0037 73 59

VII Cu-AU/A1203 Cu: 0.023 Au: 0.020 Cu: 0.012 Au: 0.0032 81 65

VIII Cu/Si02 0.46 0.23 81 70

Установлено, что активность катализаторов слабо зависит от способа их получения. Последовательное нанесение металлов в случае V дает выходы, сравнимые с полученными при одновременном нанесении, использованном в случае VI.

Для каждого из четырех полигалогеналканов, СС13Вг, ССЦ, СВг3Р, СНВг3, было проведено по три каталитических цикла и наблюдалось уменьшение выхода целевого алкена (Таблица 2).

Таблица 2. Выходы алкенов в зависимости от катализатора (%)

ПГА Целевой алкен VI VII VIII

I II Ш I П III I II Ш

CCl3Br 6a 73 46 35 81 62 40 81 39 35

ССЦ 6a 59 8 5 65 33 16 70 23 8

CBr3F 6b 73 11 8 71 52 17 70 24 10

CHBr3 6c 66 9 3 63 29 11 64 25 11

Существенное снижете каталитической активности может быть связано с потерями катализатора как в ходе реакции (вымывание меди из пор гранул), так и при его регенерации (разрушение самих гранул катализатора в ходе реакции и последующего выделения). Следует отметить, что биметаллическая система Cu-Au VII дает большие выходы во втором и третьем каталитических циклах по сравнению с монометаллической Си системой VIII. Возможным объяснением этого факта может

служить как стабилизирующее действие золота, предотвращающее вымывание меди с поверхности катализатора, так и синергизм действия Си и Аи в каталитической системе.

Таким образом, использование гетерогенных катализаторов в реакции каталитического олефинирования дает в ряде случаев результаты, сравнимые с гомогенным катализом.

2. Олефинироеаниг 1,1-дибромтетрафторэтаном Использование фреона CF3CFBr2 в реакции каталитического олефинирования может открыть путь для получения труднодоступных (3-фтор-р-трифторметилстиролов. Нами было установлено, что CF3CFBr2 реагирует с приготовленными in situ гидразонами ароматических альдегидов с образованием р-фтор-р-(трифторметил)стиролов 7 со средними и хорошими выходами (Таблица 3). Побочными продуктами являются сиим-гатм 8. Данный метод в равной мере подходит как для электронодонорных, так и для электроноакцепторных альдегидов.

V^ EtOH Vv^ CuC! F

R R NH2(CH2)2NH2 R 7

EtOH 33 - 66%

2JE = от 89:11 до 97:3

Таблица 3. Выходы в реакции каталитического олефинирования гидразонсв ароматических альдегидов полигалогеналкаком CF3CFBr2

R Выход 7, % НЕ R Выход 7, % Ш

4-С1 52 93:7 4-NO, 66 90:10

4-Вг 53 _ 92:8 4-«-С4Н,0 49 94:6

2,4-дихлор 53 94:6 4-МеО 47 95:5

4-Ме 61 93:7 4-СООМе 62 97:3

4-Et 51 94:6 4-CF3 33 95:5

3-N02 61 89:11 2-N02 48 91:9

Олефинирование протекает с высокой стереоселективностью и приводит к наименее пространственно затрудненным /Г-изомерам стиролов 7, содержание которых в изомерной смеси составляет 89-97%. Конфигурацию изомеров устанавливали с помощью ЯМР спектроскопии по 'Унт в спектрах 'Н ЯМР фторалкенов: 1/11Г = 32.5 - 36.3 Гц для ^-изомеров и 37н,р = 18.2 - 21.6 Гц для Е-изомеров.

Таким образом, был разработан новый одностадийный метод получения р-фтор-р-(трифторметил)стиролов из гидразонов ароматических альдегидов и фреона

СР3СРВь, достоинствами которого являются простота проведения реакции, высокая стереоселективность и хорошие выходы продуктов.

3. Реакции р-фтор-р-(трифторметил)стиролов с нуклеофилами Для определения способности атома фтора к винильному нуклеофильному замещению и сравнения с хлораналогами были проведены реакции нуклеофилыюго замещения в полученом стироле 7g пирролидином, пара-метилтиофенолом и трет-бутилатом калия. В результате оказалось, что исследуемый стирол менее активен, чем его р-хлор аналог. Так, в реакции с пирролидином и «ара-метилтиофенолом с меньшими выходами (по сравнению с хлорстиролом 8) образуются енамин 9 и винилсульфид 10. Кроме того, наблюдалось образование смеси диастереомеров енамина 9, тогда как в случае хлорстирола 8 получается только ¿'-изомер. Реакция 7g с /ярет-бутилатом калия вообще не дает предполагаемого продукта.

[3 А^-' Г]

Р 7д

Аг=4-М02СвН4

63% 2/Е - 77:23

(ЧвН. КОН.

46% г/Е - 88:12

Г-ВиОК

9

10

Я=4-МеСвН4 ОМЗи

95%

21Е -100:0

^БН, КОН

88%

Ш- 88:12

Г-ВиОК

.Аг-^у' а 8д

СР3

83%

Снижение активности рассматриваемого стирола 7g в реакции винильного нуклеофильного замещения, по сравнению с хлор-производным, по-видимому, объясняется меньшей подвижностью атомов фтора вследствие большей энергии связи С-Р.

4. Синтез ЖК веществ на основе 1,2-дибромтетрафторзтана Известно, что введение в молекулу фторсодержащих «мостиковых» фрагментов СР2-СР2 или О-СРг сильно изменяет ЖК свойства веществ. Так, диапазон существования мезофаз становится значительно шире, повышается значение диэлектрической анизотропии Де, вращательной вязкости уь и т.д. Всё это положительно сказывается на ЖК свойствах и, как следствие, применимости данных материалов в технике.

Для синтеза жидкокристаллических веществ мы использовали С2-строительный блок 1,2-дибромтетрафторэтан и реакцию каталитического

олефинирования в комплексе с другими методами. На основании литературных данных была предложена следующая структура целевых соединений.

Alko-

Варьирование кратности связи

-CH„CF„CF2X

"Мостиковый" фрагмент X = О, S

Выбор обусловлен:

1. Наличием четырехатомного фторсодержащего «мостикового» фрагмента (ранее не описанного в литературе).

2. Наличием бифенильного фрагмента, конформационно закрепляющего молекулу в «палочкообразном состоянии».

3. Ассиметрической структурой (комбинацией алкильного хвоста, «мостиковой части» и замещенного фенильного фрагмента).

При этом определенные синтетические методы позволяют варьировать:

1. Заместитель в «правом» фенильном кольце (R').

2. Кратность связи (одинарная, двойная, тройная).

3. Длину алкильного заместителя (Alk).

4. Атом X.

При рассмотрении различных способов образования связей С-С и С-Х в приведенной выше структуре путем ретросинтетического анализа были установлены возможные исходные соединения2.

All.

1

/ ^

\ //

снг :f„cf: к

Целевая структура

Нуклеофильное Кросс- Реакция \ Н^е°Фи"ьрНов

замещение сочетание каталитического \ ^пользование олефинирования использование

метаплоорганических реагентов и др.

Метод

AlkO $ ^-В(ОН)2 !вг—| BrCF2CF2Brj НХ-н(

<У

X = О, S

Исходные соединения

2 В данной работе на схемах принято общее обозначение кратности связи -СН0СР„-: -СН2СР2- (п=2), -СН=СР- (я=1), -ОС- (п=0).

С учетом того, что образование связи 1 (синтез пара-алкоксиборных кислот) следует проводить в начале синтетического пути, а реакцию каталитического олефинирования до кросс-сочетания (согласно предварительным экспериментам), общая схема синтеза конечных веществ выглядит следующим образом.

Стратегия 1

Элиминирование одной или двух молекул HF из целевых соединений открывает возможность получения фторсодержащих ацетиленов, а окисление сульфидов позволет получить соответствующие сульфоны (X = SO2), расширяя круг синтезируемых объектов.

4.1 Получение пара-алкоксидрилбовных кислот

Дара-алкоксиарилборные кислоты 18 были синтезированы по литературным методикам в две стадии: алкилированием лора-бромфенола алкилбромидами с последующим литиированием продуктов 17 и взаимодействием с триметилборатом.

к2со3,

ацетон, 48 ч

--65-74%

/=\ ^МИВДА^ /=ч 1) н-BuLi. -78°С, ТГФ______ /=\ „„

Br-<4 /Voh ( +RBr )вг—(ч Vor --- (но^в-Ч Vor

V метод Б У 2) В(ОМв)з ^-J

52-55/. 17 3) НС! (10% aq) 18

ЕЮН 71-88%

3-5 ч

Таблица 4. Выходы иа/м-алкоксибромбензолов и соответствующих борных кислот

R Выход 17, % Метод получения 17 Выход 18, %

Н-С4Н9 65 А 77

H-QH13 74 А 80

Н-С10Н21 67 А 88

н-С15Н31 52 Б 79

Н- С,8Н37 55 Б 71

4.2 Реализация первого стратегического пути синтеза

Реакция гидразонов ароматических альдегидов с 1.2-дибоомтетратторэтаном

Ключевым в синтезе целевых веществ является соедиенение 16а, которое было получено по методике, разработанной ранее в нашей научной группе, с выходом 40%.

—СР2ВгСР2Вг Н СР2Вг

. / -- Аг—^—е-Р

Аг К1Н2СН2СН2МН2 н V

Аг = 4-ВгС6Н4 ЕЮН «а

СиС| 40%

Кросс-сочетание

Хорошие результаты были достигнуты при проведении реакции в 1,2-диметоксизтане в присутствии 1М(РРЬ3)4 (5 мол %). Было установлено, что в реакцию из двух атомов брома в молекуле 16а вступает только арильный, выходы лежат в диапазоне 57-94%.

Вг—6 Ъ—' £ Р 1,2-днметоксиэтан КО' 1Вя Р<КРРПз>4.К2С03|Н20,

4-6 ч, кипячение 19

57-94%

Реакция с тиофенолами и диарилдисулыЬидами

Исследования показали, что соединения 19 не вступают в реакцию с тиофенолами: ожидаемого взаимодействия не происходит, и из реакционной смеси выделяется исходный продукт.

м8-4>"№

19Ь М = К, №

Обращение полярности в рассматриваемом объекте путем его превращения в литийорганическое производное помогло преодолеть это препятствие. Производные АгСН2СР2СР21л оказались достаточно стабильными при температуре -100°С. В качестве литирующего агента лучшие результаты показал жре/я-бутиллитий. Побочным процессом является реакция элиминирования 1лР с образованием соединения 21Ь. Элекгрофильные агенты для данной реакции были синтезированы по литературным методикам: дисульфиды - из соответствующих сульфохлоридов путем восстановления красным фосфором до тиофенолов и дальнейшего количественного окисления иодом в этаноле", симметричные тиосульфоновые Б-эфиры типа К"58021Г'

- из соответствующих сульфохлоридов под действием цинка и ацетилхлорида в этилацетате.

1) Ркр. "г.

•RTT

EtOH

2) Н20 в случае R = 2-нафтил образуется сразу дисульфид, минуя тионафтол

ACCI, _ О

Выход,

Мезитил 4-ОМе 4-F

35 67 62

Выход, % f

2-нафтил 29

4-MeCsH4 81

4-i-Pr 72

Мезитил 46

4-ОМе 85

4-F 66

Если в роли элекгрофила выступает соответствующий дисульфид с заместителем R" и неярко выраженными донорными свойствами, то целевые продукты 20 получаются с выходами 47-68%3. В случае же менее электрофильных дисульфидов R" (мезитил, 4-метокси) целевое соединение не образуется, и после окончания реакции выделяется только побочный продухт 21Ь. Эту проблему удалось решить с использованием симметричных тиосульфоновых S-эфиров R"SS02R", которые обладают заметно большей электрофильностью. Выходы варьировались от 31 до 53%.

X = s, so2

19b

1) R-S-XR" 2) от-100'С до 0"C, 2ч

Таблица 5. Выходы в реакции дисульфидов и симметричных тиосульфоновых S-эфиров R"SSOjR" с литийпроизводным соединения 19Ь

R" Выход 20,% R" Выход 20,%

X=S x=so2 X=S x=so2

Ьа Me 47 bf 2-нафтил 63

bb h-Bu 53 bg 4-шо-Рг 52

be m-Bu 0 - bh Мезитил 0 53

bd Ph 59 ti 4-OMe 0 31

be 4-MeC«H4 68 bk 4-F 0 46

' Кроме необходимых арильных дисульфидов, были рассмотрены также алкильные для более полного понимания возможностей данного метода

Таким образом, были рассмотрены две основные возможности осуществления последней стадии стратегии 1, где Х=8. Положительные синтетические результаты дает использование электрофильных агентов, таких как дисульфиды или соединения типа Я"8802Я", в реакции с литиевым производным соединения 19Ь.

©"""в

АгСН2СР2СР2—Вг МБ-Аг' нет положительных результатов агсн2СР2СР2ВГ ^ —®

АгСН2СР2СР2—и (ГБ-ХК" 31-68%

X = э, эо2

Реакция с Фенолами

В отличие от тиофенолов, фенолы вступают в реакцию с 19а с высокими выходами (Таблица 6). Параллельно нуклеофилыюму замещению протекает элиминирование одной молекулы НР, поэтому в результате образуются алкены 21, представляющие собой чистые 2-изомеры.

К0~О~О"СНгСр2С"2ВГ 5зквкК2СО°ДМС^ К0-О-О-СН=СРСРг0^К'

19 80°С 21

74-97%

Таблица 6. Выходы в реакции замещенных фенолов с соединениями 19

Я Я' Выход 21,% Я Я' Выход 21,%

Ьа «-С6Н,3 4-Ме 85 ЬК н-С6Н13 2-г-Ви 76

ЬЬ н-С6Н!3 З-Ме 80 ЬЬ н-С6Н,з 3,4-(ОМе)2 76

Ьс «-С6Н13 2-Ме 82 ы н-С6Н]3 4-С1 81

ьа «-С6Н„ 4-г-Ви 91 ас! н-С4Н9 4-г-Ви 90

Ье н-С6Н„ 4-Ос1 74 ей К-С10Н21 4-г-Ви 97

М н-С6Н,3 2-Р 92 (1с1 н-С15Н31 4-г'-Ви 87

Таким образом, исходя из 1,2-дибромтетрафторэтана, порд-бромбензальдегида, пара-алкидоксиборных кислот и замещенных фенолов (или дисульфидов) в три стадии с общим выходом до 36% можно получить 20 и 21 с «мостиковыми фрагментами» СН2СР2СР28, СН=СРСР25, СН=СРСР20 и различными заместителями в бензольном кольце. Метод отличается простотой и доступностью реагентов.

Стратегия 1

/=ч NN

1 ВгСР2СР2Вг |

еп, ЕЮН* СиС1 6ч

40%

1,2-диметоксизтан Рс1(РРЬ3)41 К2С03, Н20, 4-6 ч. кипячение ¿7-94%

.«-сьо

=у СР2СР2Вг

А1к - С4НЭ С6Н13 С10Н21 С15Н31 С1ВН3-

1)(-БиЦ ТГФ,-100°С, 2) Я'^-ХК" X = в, ЭОг

1Ч'С6Н4ОН

К2С03, дмсо

80°С

74-97%

Х=5; 20 Х=0; 21

А)кО——^~^-СНпСРпСРгХ—

4.3 Реализация второго стратегического пути синтеза

Общая схема трехстадийной стратегии 2 выглядит следующим образом. Стратегия 2

'2 _

. /=>,* вгСР2СРгвг «-ГУ ода^х- /=Л'К'

Стадия 1

Стадия 1

Нуклеофильное Опи«шдв А R.=4-Me замещение Литерэтуре

Стадия 2'

Окисление в сульфоны X=S

AlkO~^-{>CH„CFnCF2X^J> j ■ ^, ^ R-^CH^SO^J

Кросс-сочетание

Данная схема проигрывает рассмотренной выше, так как для варьирования заместителя R' в бензольном кольце необходимо синтезировать каждое отдельное производное типа А, в предыдущем же случае в реакцию вводили коммерчески доступные фенолы, содержащие требуемый фрагмент R'. В данной стратегии большее внимание было уделено варьированию кратности связи и длины алкилыюго заместителя R при неизменном заместителе R' - иара-метил. Также синтез включает дополнительную стадию (2') окисления соединений Б в соответствующие сульфоны В.

Реакция гидразонов ароматических альдегидов с BrCF1CF1XR QC=Q, S)

1,2-Дибромтетрафторэтан вступал в реакцию нуклеофильного замещения с лара-метилтиофенолятом натрия с образованием продукта 22а и с пара-метилфенолом (основание - карбонат цезия) с образованием продукта 22Ь. В обоих случаях также образуются побочные продукты восстановления (не более 8%).

/=Ч_SCF CF Br CF2BrCF2Br (1,25 3KB) /=\ XH CF2BrCF2Br(2 зко) /=\

-^-SCF2CF2Br №н(1_5э1а0 XH Cs2C03 (1.5 экв)

223 ДМФ, от -50°C ДО 25°C ДМС0.50°С,5ч

76/° x=S X=0 4

Соединения 22a и 22b далее вводились в реакцию с различными гидразонами ароматических альдегидов приготовленными in situ. Для выяснения оптимальных условий взаимодействия была проведена серия экспериментов. В результате реакции образуется смесь алкана и алкена (24 и 25 в случае X=S и 24' и 25' в случае Х=0 соответственно) с выходами от низких до средних (Таблица 7).

X=S;22a F F F F

Ar^0^£Ar^NNH2 Ar^XXR + ^XR

NH2(CH2)2NH2 (2.2ЭКВ), X=0; 24'; 0-11% X=0; 25'; 0-8%

45°C 5 ч X=S; 24a-g; 15-38% X=S; 25a-g; 9-18% R = 4-MeC6H4

Таблица 7. Выходы в реакции гидразонов ароматических альдегидов с соединениями

22а и 22Ь

Аг X=S х=о

Выход 24, % Выход 25, % (Z/E) Общий выход, % Выход 24', % Выход 25', % (.ZIE) Общий выход, %

а 4-CIQH4 22 14(85:15) 36 - -

Ъ 4-ВгС6Н4 20 18 (97:3) 38 11 5 (Z) 16

с 4-EtC6Ht 14 9(90:10) 23 следы следы следы

Л 4-(н-ВиО)С6Н4 15 10(89:11) 25 - - -

е 4-МеОС6Н4 17 16 (Z) 33 12 8(Z) 20

f 3-N02C6H4 38 0 38 - - -

В 4-N02C6H4 23 14 (72:28) 37 10 8 (88:12) 18

BrCu F Ar-)—(-CF2XR Н F

x = o,s

Ar CF2XR г >=< 25 Н F

Н CF2XR -At ) ( F 24

*- реакцию не проводили Интересен тот факт, что в ходе реакции происходит образование как олефина (классический продукт реакции

каталитического олефинировация), так и алкана. Предложенный ранее механизм реакции включает образование медь-органического интермедиата. В данном случае возможно, что часть такого интермедиата элиминируется, и образуется алкен, а другая часть, напротив, протонируется, давая алкан. Единственным исключением явилось 3-нитропроизводное - в результате реакции был выделен чистый алкан 25Г Полученные алканы 24 сравнительно легко отделяются от соответствующих алкенов 25 методом колоночной хроматографии.

Конфигурацию изомеров алкенов 25 устанавливали с помощью 'Н ЯМР. Соотношение Ж варьируется от 72:28 у 4-нитропроизводного до 97:3 в случае 4-бромпроизводного. Таким образом, в большинстве случаев реакция идет с хорошей стереоселективностью. Константы спин-спинового взаимодействия 3Ун,р равны 34.6 -36.6 и 20.7 - 22.7 Гц для 7 и ^-изомеров соответственно.

Алканы 24' и алкены 25' (Х=Ю) были получены с выходами заметно меньшими, чем в случае серусодержащих аналогов 24 и 25, вероятно, из-за более низкой реакционной способности субстрата 22Ь по сравнению с 22а.

Окисление до сулыЬонов

Окисление полученных соединений 24Ь,с,1 и 25Ь до сульфонов проходит легко под действием 30 % водного раствора перекиси водорода при кипячении в уксусной кислоте. Выходы целевых продуктов составили 75 - 86%.

24Ь,с,Г

к0сн2сргср2зо2-0-

Я Выход, % 1

Ь 4-Вг 86 |

с 4-Е1 75 I

» 3-Ш2 78 |

вг—^^^—сн=срср2б—^ 25Ь

н,о.

АсОН

27Ь

78%

Кросс-сочетание

Реакцию кросс-сочетания проводили в условиях, аналогичным вышеописанным (стратегия 1). Арилоксиборные кислоты вводили во взаимодействие с полученными ранее алканом 24Ь и алкеном 25Ь в присутствии тетракис-(трифенилфосфино)палладия Рс1(РРЬ3)4 в 1,2-диметоксиэтане и водного раствора карбоната калия. Выходы в реакции составили от 71 до 85% (Таблица 8).

Целевые соединения с сульфоновой группой (X = Б02) были синтезированы аналогично: реакцией кросс-сочетания пара-алкоксиарилборных кислот с полученными ранее сульфонами 26Ь и 27Ь (Таблица 8).

Р Х=в; 25Ь; Х=302; 27 Ь

Х=Э; 28; 71-85% Х=302; 30; 81-85%

Таблица 8. Выходы в реакции кросс-сочетания иара-алкоксиарилборных кислот с алканом 24Ь, алкеном 25Ь и соответствующими сульфонами 26Ь и 27Ь

Я Выход 20, % Выход 28, % (2!Е) Выход 29, % Выход 30, % (ЯЕ)

ае Н-С4Н9 81 84 (96:4) 91 85 (100:0)

Ье н-С6Н13 85 82 (91:9) 81 81 (100:0)

се н-СюН21 80 85(99:1) 81 81 (100:0)

¿е и-С|5Н3! 80 76 (97:3) -

ее н-С,8Н37 74 71 (94:6) - -

* - реакцию не проводили

Стратегия 2 также является простой в исполнении и использует доступные исходные реагенты. Однако, помимо необходимости синтеза исходных соединений 22 для каждого заместителя существует еще один недостаток данного метода: на стадии взаимодействия гидразонов ароматических альдегидов с 22 происходит образование двух продуктов. Общий выход не превышает 13%, и, таким образом, очевидно, что предыдущая стратегия 1 более эффективна, ствашгашг ЖНг

НХ/=У BrCF.CF.Br /у , к _У=Ч СНпСРпСРгХ

Й1 = 4-Ме ^^ еп, СиС1, ЕЮН,- ^^

X=S;22s;76% 45°С, 5 ч Х=0; 22Ь; 66%

23-38% [24; п = 2; 15-38% 24Ь; 20% X=S_ 125;_п = 1; 9-18% 25Ь; 18% 0-18% i 24'f п = 2; 0-11% ' Далее' не" " Х=0 125'; n = 1; 0-8% использовали

■¡V Х-8

Ж АсОН

I,,,..,.,.......,,,......- .„„.. ........^ Рй(РРЬ3)4 К2С03 Н20, 26; п = 1;75-86%

20; п = 2; X = Э; 74-85% 29; п = 2; X = Б02; 81-91% 6 ч. кипячение 27Ь; п = £ 78% 28; п = 1; X = Б; 71-85% 30; п = 1; X = Б02; 81-85%

4.4 Получение ацетиленов

Получение соединений с тройной связью представляет большой интерес для изучения влияния «мостикового» фрагмента -С=С-СР2Х- (X = О, Б) на ЖК свойства продукта.

Наиболее эффективными реагентами для элиминирования молекул Ш из -СН2СР2- и -СН=СР- с образованием алкинов являются неорганические основания, третя-бутилат калия в ТГФ и диизопропиламид лития (ЛДА). Использовхше дашп>1Х методов не привело к положительному результату: тиретя-бутилат калия в ТГФ не полностью элиминирует ОТ и довести реакцию до конца не удается, а использование ЛДА приводит к сильному осмолению реакциошюй смеси. Возможно, это связано с присоединением ЛДА по тройной связи (такое его поведение описано в литературе).

Логичным решением являлось использование оснований, обладающих очень низкой нуклеофилыюстыо - гексаметилдисилазидов щелочных металлов. Гексаметилдисилазид лития дает хороший выход в случае пара-бром производного 39Ь (94%), но для остальных соединений выход ацетиленов не превышал 15%. Самые лучшие результаты были получены для гексаметилдисилазида натрия: целевые алкины 39 образуются с выходами от 74 до 86%, при этом в реакционной смеси пе остается промежуточного алкена, что не затрудняет выделение продукта.

- 80 С

МИТМЭг (3 экв) ТГФ

И Выход 39, %

ШТМЭг №МТМ32

4-С1 15 78

4-Вг 94 86

4-Е1 . 76

4-ОМе 0 74

- 75

39 - —.....................................

Для синтеза целевых соединений 40 и 41 также были успешно применены гексаметилдисилазиды натрия и лития.

Таблица 9. Выходы в реакции элиминирования соединений 20 гексаметилдисилазидами натрия и лития

Я Реагент Выход 40, %

Н-С4Н9 1ЛКТМ32 85

н-СбНп КаОТМЯг 83

к-СюН21 КаКТМЙг 85

И-С цНз7 NaNTMS2 91

Таблица 10. Выходы в реакции элиминирования соединений 21 гексаметилдисилазидом натрия

ТГф №МТМЭ2 -60°С, 3 ч

Я Я' Выход 41, %

н-СбНп 4-Ме 93

н-С6Н13 З-Ме 88

и-С6Н13 2-Ме 95

н-С6Н13 4-изо-Ви 91

и-С6Н13 2-¥ 81

«-С«Н,з 2-трет-Ви 91

Таким образом, был найден эффективный и универсальный реагент для элиминирования ОТ из молекул соединений, содержащих —СН2СР2- фрагменты -гексаметилдисилазид натрия КаМТМЗг. Преимуществами метода являются простота проведения эксперимента и выделения продуктов, отсутствие примесных количеств алхена, высокие выходы, возможность использования реагентов с любыми заместителями в бензольном кольце.

4.5 Исследование жидкокристаллических свойств полученных соединений

Для установления наличия ЖК-свойств полученных соединений были использованы методы поляризационной оптической микроскопии (ПОМ)4 и метод дифференциально-сканирующей калориметрии (ДСК)5 - для определения теплот (энтальпий) фазовых переходов. В случае некоторых синтезированных веществ типа 20,21, 28, 40, 41 при анализе методами ПОМ и ДСК были обнаружены ЖК-свойства.

Таблица 11а. Фазовые характеристики соединений 20, 28

И Кратность связи Тип группы 1Г Фазовое поведение (°С) (КДж/моль)6

20ае НС4Н9 алкан 8 4-МеС6Н4 Мезофазы отсутствуют

20Ьа нС6Н,з алкан в Ме Мезофазы отсутствуют

20Ы) нС6Н,3 алкан 8 н-Ви Мезофазы отсутствуют

20Ь(1 »С6Н,з алкан Я РЬ Сг 82 N 901

20Ьс нС6Н13 алкан в 4-МеС6Н4 Сг 95 (21.79) N 104 (1.37)1

20 М нСбНп алкан в 2-нафтил Сг 115 N 1221

20Ье нС6Н,3 алкан 8 4-/-Рг Сг 73 N 871

20ЬЬ «С6Н!3 алкан Б Мезитил Мезофазы отсутствуют

20Ь] нС6Н13 алкан 8 4-ОМе Сг 82К 971

20Ьк нС6Н,3 алкан Б 4-Р Сг 70 N 93 1

20се иС(оНц алкан Б 4-МеС6Н4 Сг 83 (16.81) N 104 (3.32)1

2Ые нСцНз] алкан Б 4-МеС6Н4 Сг 85 (30.84) N94 (3.33) I*

20ее иС,8Нз7 алкан Б 4-МеС6Н4 Мезофазы отсутствуют

28ае НС4Н9 алкен Б 4-МеС6Н4 Мезофазы отсутствуют

28Ье нС6Н13 алкен Б 4-МеС6Н, Сг 105 (24.3112(1.64)1

28се нС!0Н21 алкен Б 4-МеС6Н4 Сг 95 (28.18) Бв 102 БА110 (4.42)1**

28ёе "С15Нз, алкен Б 4-МеС6Н4 Мезофазы отсутствуют

28ее нС18Н37 алкен Б 4-МеС6Н4 Сг 85 (41.77) Бд 104 (6.54) I

* - при охаждении найдена монотропная фаза (Ба) при 76 °С (теплота 4.42 кДж/моль)

** соответствующие теплоты смектиков БА и Эв не определены (пики не разрешились)

4 Автор выражает благодарность Рябчуну Александру Васильевичу, д,х.н. Бобровскому Алексею Юрьевичу и чл.-корр. РАН, Д.Х.Н. Шибаеву Валерию Петровичу (кафедра высокомолекулярных соединений МГУ) за помощь в проведении поляризационной микроскопии полученных соединений и анализе результатов

5 Автор выражает благодарность Центру коллективного пользования МГУ и доц., к,х.н. Успенской Ирине Александровне, к.х.н Емеяиной Анне Людвиговне, Быкову Михаилу Арнольдовичу (лаборатории химической термодинамики МГУ) за проведение дифференциально-сканирующей калориметрии.

' Обозначения: Сг - кристаллическое состояние, вц - смектичесхая мезофаза (К=А,В,С. - тип), N -тематическая мезофаза, I - изотропный расплав. В скобках приведены значения теплот фазовых переходов.

R Кратность связи Тип группы R" Фазовое поведение (°С) (КДж/моль)7

40ае НС4Н9 алкин S 4-МеС6Н4 Мезофазы отсутствуют

40Ье «Cr,H¡3 алкин S 4-МеСбН4 Мезофазы отсутствуют

40се нСюН21 алкин S 4-МеС6Н4 Сг 67 (33.31) 8А 91 (12.03)1

40ее нСиНзт алкин S 4-МеС6Н4 Сг 76 (52.22) Ба 95 (7.73) I

29 все алкаиы S02 4-МеСсН4 Мезофазы отсутствуют

30 все алкены S02 4-МеС6Н4 Мезофазы отсутствуют

21 41

Таблица 12. Фазовые характеристики в исследуемых соединениях 21, 41 и теплоты

их переходов

R Кратность связи R' Фазовое поведение (°С) (КДж/моль)

21Ьа H-C6Hi3 алкен 4-Ме Сг 78 (15.74) 8а 103 (2.78) N 138 (1.62) I

21bb h-C6HU алкен З-Ме Сг 78 8а 1061

21bc h-C6Hi3 алкен 2-Ме Сг 67 (14.51) Ба 86 (3.59) N 90 (2.47) I

21 bd «-C6Hi3 алкен 4-изо-Вм Сг 78 (12.78) 8С 94 (1.67) N 109 (1.07) I

21be h-C6H13 алкен 4-Oct Сг 65 Бд 85 I

21bf H-C6Hi3 алкен 2-F Сг 70 Ба 1011

21bg H-C6Hi3 алкен 2-трет-Ви Мезофазы отсутствуют

21bh H-C6Hi3 алкен 3,4-(ОМе)2 Мезофазы отсутствуют

21 bi H-C6 Un алкен 4-С1 Сг94 (25.02) ЭА 122 (333) 8с 135 (1.14)К 1561

21ad И-С4Н9 алкен 4-шо-Ви Сг 91N 113 I*

21cd н-Сц>Н21 алкен 4-изо-Ви Сг 71 8а 84 N 95 I*

21dd «-C15H31 алкен 4-изо-Ви Сг 103 Ба 119 I*

41ba н-С6Н,з алкин 4-Ме Сг68 Йа 801*

41bb "-QH.3 алкин З-Ме Мезофазы отсутствуют

41 be »-C6H,3 алкин 2-Ме Мезофазы отсутствуют

41bd H-C6H13 алкин 4-изо-Ви Сг 46 Ба 641*

41bf H-C6H13 алкин 2-F Мезофазы отсутствуют

41bg н-С6Н,З алкин 2-трет-Ви Мезофазы отсутствуют

* - температуры фазовых переходов по данным ПОМ

' Обозначения: Сг - кристаллическое состояние, вц - смектическая мезофаза (Ы=А,В,С.. — тип), N -нематическая мезофаза, I - изотропный расплав. В скобках приведены значения теплот фазовых переходов.

Соединения типа 29, 30. содержащие сульфо-новую группу не проявляют анизотропных свойств, кристаллическая фаза сразу переходит в изотропное состояние (Рис. 1). С появлением двух атомов кислорода в сульфоновой группе, каламитная конформация становится энергетически невыгодной. В доказательство были проведены расчеты оптимальной структуры ряда полученных соединений с помощью программы GAMESS, методом MNDO в среде ChemBio3D Ultra 2010 (Рисунок 1). Как видно из рисунка, каламитная конформация оптимальна для сульфидов, а в случае сульфонов молекула «изгибается» и, чтобы перейти в «палочкообразную» форму, ей необходимо преодолеть энергетический барьер.

ЗОЬе

Рисунок 1. Оптимизированные конфигурации молекул сульфидов 20Ье, 28Ье и сульфонов 29Ье, ЗОЬе

Важной особенностью является то, что серусодержащие ЖК-соединения 20 имеют только одну фазу - нематическую. Хорошие результаты были получены в случае соединений (Х=0) с пара-метильным 21Ьа, ларо-(мзо-бутильным) 21Ь<! и пара-хлорным 21Ы заместителями: диапазоны существования мезофазы равны соответственно 50°С, 31°С и 62°С. Среди соединений типа 20 лучшие результаты показало производное 20Ьк с 4-фторфенильным заместителем.

Кратность связи влияет на свойства, но четких закономерностей не прослеживается. В случае серусодержащих соединений наилучшие результаты демонстрируют алкины 40. Для кислородсодержащих алкенов 21 мезофаза наблюдается для всех соединений, кроме 211^ и 21ЬЬ. Это, вероятно, объясняется наличием объемных групп, что делает невозможной реализацию каламитной информации. В случае алкинов 41 мезофаза существует только для двух соединений 41Ьа, 41 Ьс1 с заместителями в иара-положении, а при наличии заместителей в орто-или мета- положениях мезофазы не обнаруживаются, что также связано с искажением «палочкообразной» структуры.

Длина алкильного заместителя также влияет на ЖК свойства. Для соединений с «коротким» С4-заместителем мезофаз не обнаружено. В случае «длинных» С]5 и Си заместителей ЖК свойства также иногда отсутствуют. Объяснением может являться то, что для таких фрагментов существует множество некаламитных конформаций. Помимо этого, может играть роль «эффект четности» углеводородных заместителей. Таким образом, оптимально использование алкильных заместителей средней длины -С6иС10.

В данной работе впервые был получен новый тип соединений с ЖК свойствами с «мостиковыми» фторсодержашими фрагментами -СН2СР2СР2Х- (Х=8), -СН=СРСР2Х- (Х=0,8), -С=ССРаХ- (ХЮЗ). По сравнению с веществами, используемыми в современных ЖК материалах, некоторые из этих соединений обладают сравнимыми температурами плавления и более широким диапазоном существования мезофаз.

Вещества, полуденные в панной работе

Р сзН7.....<х>0- 42 Сг 65 N 941 Р 43 Сг52вв 126 N 1871 44 Сг 57 Зв 70 N 83 1 Г 45 Сг 43 N 106 1 4"1ЬсЛ Сг 46 Эд 64 1 40сеСг 67 Эд 91 I 21ЬаСг78 3д 103 N1381 \_у0НСН 21ЬСг 94 Бд 122 Бс 135 N 156 I

Таким образом, были разработаны подходы к синтезу нового класса фторсодержащих жидкокристаллических соединений, которые не уступают методам, описанным в литературе, по простоте проведения эксперимента, доступности исходных реагентов и суммарному выходу.

Выводы

1. На примере ряда моно- и биметаллических Cu-, Au-содержащих гетерогенных катализаторов показана принципиальная возможность протекания реакции каталитического олефинирования в условиях гетерогенного катализа.

2. Изучена реакция каталитического олефинирования с использованием 1,1-дибромтетрафторэтана, на основе которой разработан эффективный метод стереоселективного получения труднодоступных Р-фтор-Р-(трифторметил)стиролов. Исследовано влияние природы галогена на протекание реакции нуклеофильного замещения: показано, что замещение винильного атома фтора в р-фтор-р-трифторметил-4-нитростироле затруднено, тогда как замещение атома хлора в его [S-хлор аналоге протекает значительно легче.

3. Разработан метод получения сульфидов ArCH2CFjCF2SR из соответствующих бромидов ArCH2CF2CF2Br. Показано, что реакция нуклеофильного замещения с тиофенолами не приводит к целевым соединениям, однако они могут быть синтезированы взаимодействием дисульфидов RSSR или соединений типа RSS02R с анионами, полученными из ArCH2CF2CF2Br.

4. Получен новый класс фторсодержащих жидкокристаллических соединений с четырехатомными «мостиковыми» фрагментами -CH2CF2CF2X-, -CH=CFCF2X-, -C=CCF2X- (X = О, S). Предложены эффективные стратегии получения этих соединений на основе доступного 1,2-дибромтетрафторэтана и его функциональных производных.

5. Изучены фазовые характеристики полученных жидкокристаллических соединений. Установлено влияние длины алкильного заместителя на ширину температурного диапазона существования мезофаз. Для жидкокристаллических соединений, содержащих сульфидную группу (X=S), обнаружено, что наибольший диапазон наблюдается для соединений с одинарной связью. Лучшими характеристиками обладают соответствующие ЖК кислородсодержащие соединения (Х=0) с двойной связью, для них также наблюдаются низкие температуры плавления и широкие диапазоны существования мезофаз. Показано, что некоторые из полученных веществ обладают набором полезных свойств, сравнимых со свойствами известных ЖК соединений.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Goldberg, A. A.; Muzalevskiy, V. М.; Shastin A.V.; Balenkova, Е. S; Nenajdenko V.G. "Novel efficient synthesis of ß-fluoro-ß-(trifluoromethyl)styrenes" // J. Fluorine Chem. 2010,131,384-388.

2. Nenajdenko V.G.; Vasil'kov A. Yu.; Goldberg A.A.; Muzalevskiy V.M., Naumkin A. V.; Podshibikhin V.L.; Shastin A.V.; Balenkova E.S. "Cu and Au nanocomposites in catalytic olefination reaction" // Mendeleev Comm., 2010, 20, 200-202.

3. Гольдберг A.A., Музалевский B.M., Шастин A.B., Ненайденко В.Г. «Новые синтетические возможности реакции каталитического олефинирования: получение фторсодержащих веществ, потенциально обладающих жидкокристаллическими свойствами» И XII Молодежная конференция по органической химии. Суздаль, 711 декабря 2009. Тезисы докладов, с. 240-243.

4. Гольдберг A.A., Музалевский В.М., Шастин A.B., Ненайденко В.Г. «Новые синтетические возможности реакции каталитического олефинирования: получение фторсодержащих веществ обладающих жидкокристаллическими свойствами» // Всероссийская молодежная конференция-школа «Идеи и наследие А.Е. Фаворского в органической и металлоорганической химии XXI века». Санкт-Петербург, 23-26 марта 2010. Тезисы докладов, с. 1-15.

5. Гольдберг A.A. «Новые синтетические возможности реакции каталитического олефинирования» // XVII Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов». Москва, 12 - 15 апреля 2010. Тезисы докладов, с. 1.

6. Гольдберг A.A., Ненайденко В.Г., Музалевский В.М., Шастин A.B. «Получение новых классов фторсодержащих соединений реакцией каталитического олефинирования» // International Symposium on Advanced Science in Organic Chemistry. Украина, Мисхор, 21- 25 июня 2010. Тезисы докладов, с. У-14.

Подписано в печать:

17.04.2012

Заказ № 7199 Тираж -150 экз. Печать трафаретная. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 www.autoreferat.ru

61 12-2/456

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. М.В. ЛОМОНОСОВА

ХИМИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ Кафедра химии нефти и органического катализа

На правах рукописи

(/

ГОЛЬДБЕРГ АЛЕКСЕЙ АНДРЕЕВИЧ

НОВЫЕ СИНТЕТИЧЕСКИЕ ВОЗМОЖНОСТИ РЕАКЦИИ КАТАЛИТИЧЕСКОГО ОЛЕФИНИРОВАНИЯ

02.00.03 - Органическая химия

Диссертация на соискание ученой степени кандидата химических наук

Научный руководитель: доктор химических наук, профессор В. Г. Ненайденко

Москва-2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

1. ВВЕДЕНИЕ.................................................................

2. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР.......................................

5

2.1. Синтез ПГА типа ХСТгСВД СТзСХУг и ВгСБ^СЕгШ* (Х= С1, ВгД; W = 0,N, в, Р)...........5

2.2. Химические свойства ПГА типа ХСГ2СР2Х, СЕ3СХУг и BrCF2CF2WR (X = С1, Вг,1; \¥ = 0,1Ч, 8,Р).......................................................................................................................................7

2.2.1. Реакции, протекающие с образованием свободных радикалов......................................................8

2.2.1.1. Присоединение по кратным связям.........................................................................................8

2.2.1.2. Реакции конденсации ПГА с карбонильными соединениями, проходящие по радикальному механизму...........................................................................................................................29

2.2.1.3. Другие реакции........................................................................................................................30

2.2.2. Реакции с участием карбанионов ПГА............................................................................................32

2.2.2.1. Литийорганические интермедиаты........................................................................................32

2.2.2.2. Магнийорганические интермедиаты......................................................................................36

2.2.2.3. Цинкорганические интермедиаты и интермедиаты на основе лругих переходных металлов.........39

2.2.2.4. Использование тетрадиметиламиноэтилена (ТДАЭ) в различных реакциях иодперфторэтана.........................................................................................................................................43

2.2.2.5. Реакции с использованием электролиза................................................................................44

2.2.2.6. Реакции с фосфорорганическими реагентами.......................................................................45

2.2.3. Реакции с нуклеофилами..................................................................................................................47

2.2.3.1. Реакции с азотсодержащими нуклеофилами.........................................................................47

2.2.3.2. Реакции с Р-, Ав- и БЬ-нуклеофилами....................................................................................48

2.2.3.3. Реакции с кислородсодержащими нуклеофилами................................................................49

2.2.3.4. Реакции с серусодержащими нуклеофилами........................................................................51

2.2.3.5. Реакции с С-нуклеофилами.....................................................................................................55

2.2.4. Олефинирование карбонильных соединений.................................................................................56

2.2.4.1. Олефинирование по реакции Виттига...................................................................................56

2.2.4.2. Олефинирование по методу Фуджиты-Хиямы.....................................................................57

2.2.4.3. Реакция каталитического олефинирования...........................................................................58

2.2.5. Реакции восстановления...................................................................................................................60

2.2.6. Введение брома с помощью 1,2-дибромтетрафторэтана...............................................................64

2.2.7. Комплексообразование 1,2-дииодтетрафторэтана.........................................................................65

2.2.8. Соединения поливалентного иода на основе иодперфторэтана...................................................65

2.2.9. Реакции с Б03С1Г, (Р8020)2 и СР3803С1........................................................................................66

2.2.10. Другие реакции.............................................................................................................................68

3. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ.....................................................................................71

3.1. Использование гетерогенного катализа...........................................................................75

3.2. Олефинирование с использованием CF3CFBr2...............................................................78

3.3. Реакции Р-фтор-р-(трифторметил)стиролов с нуклеофилами.....................................80

3.4. Современные аспекты химии жидкокристаллических соединений...........................81

3.5. Использование 1,2-дибромтетраторэтана в качестве С2-строительного блока.......84

3.5.1. Синтез ЖК веществ на основе 1,2-дибромтетрафторэтана...........................................................85

3.5.2. Получение пара-алкоксиарилборных кислот..................................................................................87

3.5.3. Реализация первого стратегического пути синтеза........................................................................88

3.5.4. Реализация второго стратегического пути синтеза........................................................................91

3.5.5. Получение ацетиленов......................................................................................................................96

3.5.6. Исследование жидкокристаллических свойств полученных соединений.................................100

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ...............................................................................110

4.1. Использование гетерогенного катализа.........................................................................111

4.2. Олефинирование с использованием CF3CFBr2.............................................................112

4.3. Реакции Р-фтор-Р-(трифторметил)стиролов с нуклеофилами...................................117

4.4. Использование 1,2-дибромтетраторэтана в качестве С2-строительного блока.....117

4.4.1. Получение пара-алкоксиарилборных кислот................................................................................117

4.4.2. Реализация первого стратегического пути синтеза......................................................................119

4.4.3. Реализация второго стратегического пути синтеза......................................................................131

4.4.4. Получение ацетиленов....................................................................................................................147

5. ВЫВОДЫ..........................................................................................................................155

6. СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ...............................................................................................156

1. ВВЕДЕНИЕ

Химия фторорганических соединений является одной из наиболее динамично развивающихся областей органической химии, так как многие фторсодержащие соединения обладают высокой биологической активностью. Кроме того, они все чаще применяются для производства жидкокристаллических материалов, что связано с более низкой температурой плавления, широким диапазонам существования мезофаз, хорошими показателями двулучепреломления и диэлектрической анизотропии по сравнению с нефторированными аналогами. Однако известные на настоящее время методы прямого фторирования далеко не всегда позволяют ввести атом фтора или перфторалкильную группу в заданное положение целевой молекулы. Синтонный подход, использующий уже готовый фторированный структурный фрагмент, является прекрасной альтернативой методам прямого фторирования, так как позволяет строго контролировать положение фтора или перфторалкильной группы в конструируемой молекуле. Непредельные соединения, содержащие атомы фтора или перфторалкильные группы при двойной (тройной) связи, являются перспективными реагентами для синтеза разнообразных фторсодержащих соединений.

Реакция каталитического олефинирования с использованием фреонов позволяет синтезировать широкий спектр фторсодержащих соединений. Так, при использовании СР3СРВг2 могут быть получены трифторметилфторстиролы. Функционализация доступного и дешевого фреона ВгСГ2Ср2Вг позволяет вводить фрагмент -СРгСРг- в органические соединения, что особенно интересно для получения жидкокристаллических веществ с фторсодержащими «мостиковыми» фрагментами. Учитывая особенность химических свойств 1,2-дибромтетрафторэтана, именно реакция каталитического олефинирования может быть наиболее эффективна в такой функционализации.

Логичным развитием реакции каталитического олефинирования может быть также использование гетерогенных катализаторов, что позволяет сделать реакцию более экономичной.

Настоящая работа посвящена исследованию реакции каталитического олефинирования в присутствии гетерогенных катализаторов, синтеза труднодоступных р-фтор-р-трифторметилстиролов и разработке методов получения жидкокристаллических соединений на основе функционализации 1,2-дибромтетрафторэтана и реакции каталитического олефинирования.

2. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

Фторорганические соединения являются предметом пристального изучения современной химии благодаря уникальному комплексу физико-химических и биологических свойств, предопределивших их широчайшее использование в медицине и технике. Как следствие разработка новых удобных и дешевых методов синтеза фторорганических соединений остаётся одним из актуальных направлений современной органической химии.

Наиболее удобным подходом к синтезу фторорганических соединений является синтонный подход, позволяющий осуществлять синтез молекул с заданным положением фтора или фторированного заместителя. Сочетая в себе доступность и многообразие химических свойств, фторированные полигалогеналканы (ПГА) представляют особый интерес в качестве очень удобных «строительных блоков» для получения более сложных фторированных структур. В данном литературном обзоре мы рассмотрели ПГА вида ХСР2СР2Х, СР3СХУ2, где галогены, а также ряд производных 1-бромтетрафторэтана вида ВгСр2СР2\\Щ = О, И, 8, Р), содержащих связь углерод-элемент. Отдельно рассмотрены синтез и химические свойства этих ПГА.

2.1. Синтез ПГА типа ХС¥2С¥2Х, С ГзСХУг и ВгСР2СР2\УК (X = С1, ВгД;

\¥ = О, N. 8, Р)

При работе с литературными источниками нами было найдено значительное число работ (около 60), так или иначе затрагивающих синтез рассматриваемых ПГА. Из всего этого многообразия данных мы выбрали те методы, которые имеют препаративную ценность.

Впервые соединение типа ХСР2СР2Х (1,2-дихлортетрафторэтан) получили и описали Хенн и сотр. в 1934 году [1]. Следует отметить, что СР2С1СР2С1 был всего лишь одним из многих продуктов фторирования гексахлорэтана.

Синтез симметричных ПГА вида ХСР2СР2Х осуществляют присоединением молекулы галогена к тетрафторэтилену - продукту крупнотоннажного синтеза. Присоединение брома протекает легко даже при низких температурах. Так, для получения 1,2-дибромтетрафторэтана (хладон 114В2) тетрафторэтилен сжижают с избытком брома и медленно нагревают до комнатной температуры [2, 3]. Для эффективного присоединения хлора используют катализ сильными кислотами, такими как Н80зР/8ЬР5. В похожих условиях (в присутствии кислоты без 8ЬРз) можно присоединять бром. Выход ВгСР2СР2Вг достигает 82%, С1СР2СР2С1 - 70% [4]. Побочно образуются ХСР2СР20802Р (X = С1,Вг) с выходом 7-8%. Для получения 1,2-дииодтетрафторэтана данный способ неприменим. Присоединение йода к тетрафторэтилену осуществляют при длительном (912 дней) УФ-облучении [5] и получают 1,2-дииодтетрафторэтан с выходом 90-94%; при нагревании (175°С) реакция протекает быстрее, но с более низким выходом [6].

ВгСР2СР2Вг -100% 2

1СР2СР21

90-94% 6

ПГА типа СБзСХУг получают

ВгСР2СР2Вг + ВгСР2СР20802Р 82% 7%

Вг2^ 2 3

НЭОзР

р нвО^ЭЬР СЮР2С|Г2С1 + С1СР2СР20302Р 3 ' 5 70% 8%

4 5

ЮР2СР21

70% 6

изомеризацией различных двухуглеродных фторсодержащих ПГА. Так, из 1,2-дибромтетрафторэтана при катализе кислотами Льюиса (А1С13, А1Вг3) получают СР3СВг3 и СР3СРВг2 [7, 8, 9]. Движущей силой реакции является большая стабильность СР3-группы по сравнению с СР2Х.

А1С13 (10 мол %)

СР3СВг3 41% 7

1 мол-%А1Вг3

«- СР2ВгСР2Вг

кипячение 2

22 ч

22 ч

1 мол-% А1Вг3

СР3СРВг2 50% 8

кипячение 6,5 ч СР3СРВг2 68% 8

Аналогично ползают 1,1,1-трихлортрифторэтан с выходом 45-50 %, изомеризуя 1,1,2-трихлортрифторэтан с А1С13 [10]. При использовании у-А1203 и 8Р4 при 320°С можно получить смесь полигалогеналканов, в которой СР3СС13 будет около 62% СР3СС13 или СР3СРС12 - 35% [11].

А1С13 55°С, 5 ч

45-50%

СР3СРС12 35% 10

а1203

СС12Р2 440°С

СС!2РСР2С1 9

А12ОЗ

бр4

320°С

Для получения СР3СС1Вг2 самым лучшим способом является изомеризация СР2ВгСРС1Вг (получить данное вещество можно присоединением брома к хлортрифторэтилену [12]) при комнатной температуре в течение 2 ч под действием А1С13. Выход продукта составляет 83% [7].

А1С13

СР2ВгСРС1Вг 12

25°С, 2 ч

СР3СС1Вг2 83% 13

Иодперфторэтан может быть получен с количественным выходом из тетрафторэтилена и иода при 200°С в течение суток взаимодействием с пентафторидом иода [6]. По сути в данной

реакции сначала образуется 1,2-дииодтетрафторэтан, который и вступает в дальнейшую реакцию с

|р5

СР2=СР2 + 12 -1СР2СР21 -- СР3СР21

1 200°С, 24 ч 91% 990/о

6 14

Использование метилиодида в реакциях с галогенидами алюминия позволяет получать полигалогеналкены. Механизм данной реакции можно кратко изобразить двумя стадиями: замена фтора на иод в полигалогеналкане и 1,2-элиминирование соединений типа 17.

—С-С-Р + А1С13 + СН31 -»► ""¿"С-1 А|С|2р + СН3С1

15 16

У |

' I , \ /

-С-С- + АЮ13 + СН31 -^ С=С + А1С12Р + СН3С1 + VI

' р

У = I, Вг 17

/ \

1,2-Дибромтетрафторэтан при действии А1С13 и метилиодида (200°С) приводит к смеси продуктов, в которой продукты элиминирования составляют основную часть. Аналогично, в случае 1,2-дииодтетрафторэтана и иодперфторэтана получается смесь продуктов с невысокими выходами [13].

А1С13 СН31

СР2ВгСР2Вг -1-СР3СВг3 + СР2=СВг2 + СВг2=СР1 + СС1Вг=СРВг

2 200°С, 6 ч 14% 31% 11% 13%

7 18 19 20

СВгР2СР2Н + СС12Вг-СВгР2 + СВг2СЮР3 4% 2% 4%

21 22 13

ЮР2СР21 + Ме1 + А1С13 -Р2С=СР1 + 1С1С=СР2 + Р2С=С12 + СР3СН12

6 6 10 : 1 52°С, 1,8 ч 33о/о 05о/о 14о/о 61о/о

23 24 25 26

АЮ13 СН31

СР3СР21 -:-^ СР2=С12 + ССН=СР2

14 200°С, 5 ч 40% 60%

25 24

2.2. Химические свойства ПГА типа ХС¥2С¥2Х, С¥3СХ\Ъ и ВгСГзСГгЛУИ (X = С1, Вг,1; W = О, N, 8, Р)

Сравнительная дешевизна и доступность 1,2-дибромтетрафторэтана делает его наиболее изученным и востребованным веществом из всего ряда ХСР2СР2Х. Так, он легко присоединяется по кратным связям, вступает в реакции нуклеофильного замещения, изомеризуется под действием кислот Льюиса. 1,2-Дибромтетрафторэтан мягко бромирует металлоорганические соединения с

заменой атома металла на атом брома, что широко используется как метод введения брома в молекулы органических соединений.

Из-за низкой температуры кипения (4 °С, [14]) 1,2-дихлортетрафторэтан используется гораздо реже в сравнении с 1,2-дибромтетрафторэтаном (реакции проводят в запаянной ампуле), при этом их химическое поведение принципиально не отличается.

2.2.1. Реакции, протекающие с образованием свободных радикалов

Реакции, протекающие с образованием свободных радикалов, для рассматриваемых ПГА очень распространены. Так, присоединение этих ПГА по углерод-углеродным кратным связям, как правило, инициируется и проходит по радикальному механизму. Кроме того, в данный раздел мы решили включить реакции образования металлоорганических реагентов на основе ПГА, в основе которых лежит радикальный механизм.

Образование свободных радикалов характерно также и для реакций этих ПГА с серусодержащими нуклеофильными реагентами. Однако, в связи с тем, что реакции ПГА с различными нуклеофильными реагентами являются важной частью химических свойств рассматриваемых ПГА, мы решили рассмотреть реакции с серусодержащими нуклеофилами в разделе «Реакции с нуклеофилами».

2.2.1.1. Присоединение по кратным связям

Присоединение полигалогеналканов XCF2CF2X, CF3CXYZ (X, Y, Z -галогены) по кратным связям достаточно широко представлено в литературе. Реакции протекают по радикальному механизму в присутствии различных инициаторов: окислительно-восстановительные системы, соли переходных металлов, дитионит натрия, УФ-облучение, радикалы, генерируемые из АИБН, перекисные соединения, алкильные соединения бора.

Катализ переходными металлами

Для инициирования присоединения по кратным связям часто используют галогениды меди (CuCl, Cul и др.). Впервые для присоединения к алкенам комбинацию полигалогеналкан (СС14), хлорид меди, гидрохлорид диэтиламина использовали Ассчер и Вофси [15, 16]. Ими так же впервые был введен термин «redox-transfer» для объяснения наблюдавшихся отличий от реакции, инициируемых радикальными инициаторами. Метод присоединения полигалогеналканов к алкенам, катализируемый смесью хлоридов меди (CuCl + CuCl2-2H20) с этаноламином в качестве лиганда, был предложен Бартоном и Кехом в 1970 году [7]. Взаимодействие хлорида меди (I) с 1,2-дибромтетрафторэтаном приводит к образованию радикала CF2BrCF2', который далее атакует двойную связь. Использование солей меди в данной реакции очень удобно по причине образования только аддуктов 1:1 [17]. В частности, для 1,1,1-трихлортрифторэтана, 1,1,1-трибромтрифторэтана и 1,1-дибром-1-хлортрифторэтана описана реакция присоединения к 1-октену [7].

Ван дер Пей в 1993 году [18] изучил эту реакцию подробнее. Было показано, что оптимальным является использование этаноламина в качестве лиганда. Использование других аминов уменьшало выход продуктов. Присоединение радикала СР3СХУ" по двойной связи идет строго с наименее замещенной стороны даже при наличии сильных электроноакцепторных групп. Конверсия исходных олефинов в продукты в данном случае практически полная. В случае лимонена, содержащего и эндо- и экзо-циклическую двойную связь, наблюдается присоединение только к экзоциклической связи.

Также описаны аналогичные реакции присоединения, катализируемые только СиС1, без СиСЬ [19, 20]. В некоторых случаях основание не используется: реакцию проводят в автоклаве в течение 24 ч при 140°С [20].

Р.

27

Механизм:

М+ + ОСРзСХУг

О = Р, Вг; X, У, г =На1 28

СиС1, СиС12

или СиС1

И

СХУСР20 40-98% 29

м+г

+

28

<ЭСР2СХУ 30

М = Си

ОСР2СХУСР?2СР'2г 29

+ М+

СИ2—СР'2

ОСР2СХУСР2СК'2 31

Таблица 1. Присоединения полигалогеналканов к различным алкенам

ПГА Алкен 27 Продукт Условия Выхо