Новый метод синтеза циклопропанов реакцией α-олефинов с AlClnEt3-n и RCO2R' под действием катализатора Cp2ZrCl2

Губайдуллин, Ринат Равильевич

Новый метод синтеза циклопропанов реакцией α-олефинов с AlClnEt3-n и RCO2R' под действием катализатора Cp2ZrCl2 тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.03 ВАК РФ

Губайдуллин, Ринат Равильевич АВТОР

кандидата химических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Уфа МЕСТО ЗАЩИТЫ

2012 ГОД ЗАЩИТЫ

02.00.03 КОД ВАК РФ

Диссертация по химии на тему «Новый метод синтеза циклопропанов реакцией α-олефинов с AlClnEt3-n и RCO2R' под действием катализатора Cp2ZrCl2»

Автореферат диссертации на тему "Новый метод синтеза циклопропанов реакцией α-олефинов с AlClnEt3-n и RCO2R' под действием катализатора Cp2ZrCl2"

На правах рукописи

ГУБАЙДУЛЛИН РИ11АТ РАВИЛЬЕВИЧ

НОВЫЙ МЕТОД СИНТЕЗА ЗАМЕЩЕННЫХ ЦИКЛОПРОПАНОВ РЕАКЦИЕЙ а-ОЛЕФИНОВ с А1С1ПЕ^„ и КС021Г ПОД ДЕЙСТВИЕМ КАТАЛИЗАТОРА Ср2ггС12

02.00.03 - Органическая химия

02.00.15 - Кинетика и катализ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

3 ФЕВ 2012

Уфа-2012

005010534

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте нефтехимии и катализа Российской академии наук

Научный руководитель:

кандидат химических наук, доцент Хафизова Лейла Османовна

Научный консультант:

доктор химических наук, профессор, член-корреспондент РАН Джемилев Усеин Меметович

Официальные оппоненты:

доктор химических наук, профессор Куковинец Ольга Сергеевна

кандидат химических наук, доцент Парфенова Людмила Вячеславовна

Ведущая организация: Федеральное государственное

бюджетное учреждение науки Институт органической химии Уфимского научного центра Российской академии наук

Защита диссертации состоится "29" Февраля 2012 года в 16.00 час на заседании диссертационного совета Д.002.062.01 в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте нефтехимии и катализа Российской академии наук по адресу: 450075, Уфа, проспект Октября, 141. Тел./ факс: (347)2842750. E-mail: ink@anrb.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института нефтехимии и катализа РАН и с авторефератом на сайте http://ink.anrb.ru

Автореферат разослан "Ж". Февраля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного 7 //

совета, доктор химических наук Шарипов Г. Л.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы. На сегодняшний день химия циклопропановых соединений является обпнгрной и успешно развивающейся областью химической науки. Это вызвано, в первую очередь, теоретическим интересом химиков к этим весьма напряженным соединениям, возможность существования которых еще в начале прошлого века была под вопросом. Многообразные перегруппировки, легкость раскрытия цикла в изомерные ненасыщенные системы — все это определило широкое применение напряженных циклических систем в качестве сингонов для направленного синтеза органических молекул.

Широкое распространение производных циклопропана в природе и их физиологическая активность побуждают исследователей к поиску новых эффективных методов построения трехчленных карбоциклических соединений.

Известны классические методы построения трехчленных циклов, которые могут быть использованы в качестве эффективных способов получения циклопропанов и их производных, а именно, реакции Вюрца, Перкина, Дикмана, Макоша, а также Симмонса-Смита. В последние 15-20 лет наибольшую популярность и широкое применение в синтезе циклопропанов нашли методы, основанные на использовании диазосоединений, катализируемые комплексами Си, Рс1 и Ш1. Существуют и другие, менее распространенные методы синтеза циклопропансодержащих соединений, но в целом, препаративных способов получения циклопропанов весьма ограничено.

Опираясь на описанные в мировой литературе сведения по синтезу циклопропановых соединений мы попытались разработать новый метод построения циклопропанов, основанный на реакции а-олефинов с алюминийорганическими соединениями и эфирами карбоновых кислот под действием катализатора Ср22гС12, который пополнил бы арсенал известных методов синтеза циклопропанов.

В своих устремлениях мы опирались па известную и широко разрекламированную реакцию Кулинковича1, которая позволяет превращать в одну препаративную стадию эфиры карбоновых кислот с помощью в

1 №о1ап А^БЬсУ. Те1гакес1гоп. 2010,56,15.

присутствии каталитических количеств комплексов ТС в соответствующие циклопропанолы.

Мы предположили, что замена реагентов Гриньяра в этой реакции на промышленно доступные алкилгалогеналаны и введение дополнительно в состав реакционной среды олефинов различной структуры позволит значительно расширить возможности метода Кулинковича и сделает предполагаемый нами способ более эффективным и универсальным в синтезе замещенных циклопропанов.

Пель исследования. Разработка нового однореакгорного каталитического метода синтеза замещенных циклопропанов, основанного на реакции а-олефинов с А1С1ПЕ13.„ (п = 1-3) и эфирами карбоновых кислот в присутствии металлического Mg под действием катализаторов Cp2ZrCl2.

В рамках планируемых исследований намечается изучить влияние природы и структуры исходных а-олефинов, алюминийорганических соединений, эфиров карбоновых кислот, а также природы растворителя на направление и структурную избирательность образования целевых замещенных циклопропанов.

Реализация данного синтетического метода является основой для разработки нового универсального метода циклопропанирования а-олефинов с помощью набора указанных выше реагентов в соответствующие алкоксициклопропаны и циклопропанолы.

Научная новизна. В рамках данной диссертационной работы разработан новый, однореакторный метод циклопропанирования а-олефинов, основанный на взаимодействии последних с А1С1ПЕ13.П, металлическим Mg и эфирами карбоновых кислот в присутствии катализатора Cp2ZгCl2.

Впервые установлено, что при взаимодействии виниларенов с А1С1ПЕ(3_„ в присутствии эфиров алифатических монокарбоновых кислот и металлического М§ под действием катализатора Ср2ггС12 образуются соответствующие стереоизомерные 1<ис/тракс-алкоксициклопропаны с выходами 60-75%.

Обнаружено, что на направление реакции стирола с А1С1ПЕ13_П и эфирами алифатических а,со-дикарбоновых кислот под действием катализатора Ср^/.гСЬ существенно влияет структура исходных сложных эфиров. Так, метиловые эфиры щавелевой (С2), малоновой (СЗ) и янтарной (С4) кислот в выбранных условиях не

образуют соответствующие алкоксициклопропаны, а метиловые эфиры адипиновой (С6) и пимелиновой (С7) кислот приводят к образованию преимущественно фенилзамещенных стереоизомерных цис/транс-спироциклопропиллактонов. Установлено, что реакция лара-метилстирола и винилнафталина в разработанных условиях проходит стереоселекгивно с образованием исключительно /л^анс-арилспироциклопропиллактонов.

Впервые обнаружено, что в отличие от виниларенов алифатические а-олефнны в реакции с алкилгалогеналанами и эфирами монокарбоновых кислот в присутствии катализатора Cp2ZrCl2 образуют исключительно iyuc-замещенные циклопропанолы с выходами ~ 45 %.

Осуществлена реакция 1,7-октадиена и 1,9-декадиена с алкилгалогеналанами и эфирами алифатических монокарбоновых кислот в присутствии металлического Mg и катализатора Cp2ZrCl2, приводящая к образованию моно-цис-

циклопропанолов исключительно по одной двойной связи исходного а,со-диолефина.

Практическая ценность работы. Практическая значимость проведенных исследований заключается в разработке новых перспективных для практического применения эффективных методов синтеза циклопропанолов и алкоксициклопропанов. Разработанные в диссертационной работе методы и подходы к синтезу замешенных циклопропанов обладают широким синтетическим потенциалом для применения не только в лабораторной практике, но и для создания на их основе современных химических технологий получения широкого ассортимента полезных веществ и материалов.

Апробация работы и публикации. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всероссийской конференции по органической химии, посвященной 75-летию со дня основания ИОХ им. Н.Д. Зелинского (Москва, 2009), Международном симпозиуме «Avanced science in organic chemistry» (Miskhor, Crimea, 2010), XIX-Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (Волгоград, 2011), Международном конгрессе по органической химии, посвященном 150-летию создания А.М. Бутлеровым теории химического строения органических соединений (Казань, 2011).

По материалам диссертационной работы опубликованы 2 статьи, тезисы 4 докладов на конференциях, получено 2 патента РФ.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, литературного обзора на тему «Реакция Кулинковича в синтезе циклопропанов и их производных», обсуждения результатов, экспериментальной части и выводов. Материал диссертации изложен на 121 странице компьютерного набора (формат А4), включает 5 таблиц, 14 схем и 4 рисунка.

Работа выполнена в лаборатории каталитического синтеза Бюджетного научного Учреждения Российской академии наук Института нефтехимии и катализа РАН в соответствии с научным направлением Института по бюджетным темам ((Металлокомплексный катализ в химии металлоорганических соединений непереходных металлов» (№ Гос. Регистрации 01.200.2 04378) и «Комплексные катализаторы в химии непредельных, металлоорганических и кластерных соединений» (№ Гос. Регистрации 0120.2 850048), а также в рамках Программы Президиума РАН «Разработка методов получения химических веществ и создание новых материалов».

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. Циклопропанирование арилолефииов с помощью ОцАШз.,, и эфиров карбоновых кислот, катализируемое Ср2ггС12

С целью разработки однореакгорного каталитического метода синтеза замещенных циклопропанов, исходя из а-олефинов, алкилгалогеналанов и эфиров карбоновых кислот, нами впервые на примере модельной реакции изучено взаимодействие стирола с Е1А1СЬ, ЕьМа и А1С13 в присутствии этилацетата и металлического магния (акцептор ионов хлора), катализируемое Ср2ггС12 (10 мол %) в условиях (растворитель ТГФ, 8 ч, 20 °С).

Выдвинутая нами идея опиралась на ранее полученные результаты по циклоалюминированию арилэтиленов с помощью Е1А1С12 в соответствующие алюминациклопропаны под действием комплексов Т12. Ключевой стадией в данной

2 Dzhcmilev U. М., Ibragimov A. G„ Khafizova L. О., Rusakov S. V., Khalilov L. М. Mendeleev Common., 1997,198.

реакции является формирование молекулы 2-фенилтт'акациклопропана, образующегося из титаноцена "СргТС и стирола.

При этом мы исходили из предпосылки, что в выбранных нами условиях, образующийся координационно-ненасыщенныи цирконацен CpjZr , будет координировать молекулу исходного стирола, давая интермедиатный фешшцирконациклопропан 1, перемет ал л ирование которого in situ с помощью алкилгалогеналанов или АЮз приведет к алюминациклопропану 2, который реагируя с R’C02R” по активной Al-С связи через стадию образования интермедиатного 2-оксаалюминациклопентана 3 приведет к получению после гидролиза реакционной массы 1-алкокси-1-алкил-2-фенилциклопропану 4 или 1-гидрокси-1-алкил-2-феншщиклопропану5 (Схема 1).

. Схема 1

- (Et-AiO)

Cp2ZrCl2

.AlEt

R"0

Mg MgCl2 ТГФ, 20°C

R’CH3C02R"

i v H R"0-A]Et,

H30*

Ph R'\ ' ,Ph

"CpjZr”

EtAlC^f

AlEt,

ph^

EtAlCI2 - (Cp2ZrCl2)

Cp2Zr—|f"

l Ph

Cp2Zr<f

Et2AlCl| - (Cp2ZrCl;)

Ph ^AlEtj

R’CO.R"

R'v Ph

Al-OR")

- (EbAlOAlEt,)

R"0 У

А1ЕЦ

Ph "1

В результате проведенных исследований установили, что при взаимодействии стирола с Е1А1СЬ, взятых в соотношении 1:2, под действием катализатора Ср22гСЬ (10 мол %) в присутствии металлического М& играющего роль акцептора ионов

галогена, и этилацетата в условиях (стирол : [Al] : CbhCCbEt : Mg : [Zr] -12:1:2:0.1, ТГФ, 8 ч, -20 °С ) наблюдается образование после гидролиза стереоизомерных цис/транс- 1-этокси-1-метил-2-фенилциклопропанов цис-4(а) и трапс-4{я) в соотношении -1:1 с общим выходом 72% при конверсии исходного стирола 80 % (Схема 2).

Схема 2

EtAlCl2, Mg, [Zr] R

Ph'^5^ + R'CO,R"---------------------*"

- MgCl2 R-0

- EtAlO

a: R' = Me, R” = Et b: R1 = Me, R" = Bu" c: R1 = Me, R" = allyl d: R’ = Et, R” = Am' e: R' = Am, R" = Me

Идентификация выделенных с помощью колоночной хроматографии соединений проводилась с использованием метода одномерной и двумерной ЯМР спектроскопии. В одномерных спектрах ЯМР 'Н и 13С сгереоизомерной смеси цис-4а и транс-4ъ наблюдаются удвоенные сш'налы фенильыой и этоксильной групп, а также два характерных синглета метильной группы (r)(CHj) 1.16 и 1.54 м.д., <5(СН3) 15.74 и 21.61 м.д.). Для надежного отнесения сигналов в спектрах ЯМР и установления структур стереоизомерных соединений проведены гомо- (НН COSY) и гетероядерные (HSQC и НМВС) двумерные эксперименты. В качестве реперных сигналов использованы резонансы протонов метальных групп (5 1.54 м.д), которые коррелируют с сигналами четвертичного атома углерода (<5(С’) 62.89 м.д.), метанового углерода (S(C2) 30.56 м.д.) и метиленовой группы (<5(С3) 20.95 м.д.) в спеетре НМВС, в отличии от метильной группы (<5 1.16 м.д.), резонирующей в более сильном поле и взаимодействующей с другим набором соответствующих сигналов атомов углерода (<5 62.42, 29.70 и 17.57 м.д.). Перечисленные две группы сигналов углеродных атомов соответствуют двум возможным стереоизомерам 1-этокси-1 -метил-2-фенилциклопропана 4а.

Отнесения сигналов ЯМР стереоизомеров 1,1,2-тризамещенных циклопропанов на основании характерных значений вицинальных констант спин-спинового взаимодействия трех протонов является затруднительным, поскольку

trans

4а-е

■ Н R1 Ph

V\h +

каждому из изомеров соответствуют одна цис- (порядка 8-10 Гц) и одна транс-(порядка 3-5 Гц) вицинальные константы. В этой связи мы обратили внимание на весьма необычный характер сигналов метиленовых протонов и этоксильной группы изомеров 4а. Благодоря заторможенности вращения этоксильной группы за счет цис- взаимодействия с объемным фенильным заместителем, обладающим анизотропным экранированием, происходит диастереотопное расщепление сигналов метиленовых протонов (<5(НаНьС-0) 3.04 м.д., квинтет, 'J ~3J= 7.2 Гц; 3.52 м.д., квинтет,27 ~^ = 7.2 Гц). В протонном спектре ЯМР транс-изомера 4а подобного расщепления не наблюдается вследствие свободного вращения транс-этоксильной группы. Для изомера транс-А-л характерно сильнополыюе экранирование метильной группы {5 16.13 м.д.) фенильным заместителем в отличие от СНз-группы 1/ие-изомера (с) 21.69 м.д.). Значение химического сдвига метильной группы г/ис-изомера 4а достаточно близко к значению химического сдвига соответствующей метильной группы цис- 1-гидрокси-1-метил-2-фенилциклопропана (Л 20.61 м.д.), предварительно полученного по реакции Кулинковича.3

С целью изучения влияния температуры, продолжительности эксперимента, влияние природы растворителя и соотношения реагирующих компонентов на выход целевых алкоксициклопропанов, а также разработки оптимальных условий проведения реакции первоначально мы исследовали взаимодействие стирола с ЕьМСЬ и этилацетатом в присутствии С'рпХгСЕ (10 моль %) в различных растворителях. Было установлено, что реакция алкоксициклопропанирования стирола проходит только в эфирных растворителях. Причем, наилучшие результаты получены при проведении реакции в тетрагидрофуране. В среде алифатических (гексан, циклогексан) и ароматических (толуол, бензол) растворителей реакция не идет.

При замене Е1А1С1г на !'Л;А10 или А1С1з выход алкоксициклопропанов практически не изменяется.

Изменение соотношения исходных реагентов в сторону увеличения концентрации А1С1пЕ13-„ или сложного эфира по отношению к исходному стиролу не приводит к увеличению общего выхода целевых алкоксициклопропанов.

3 Corey E.J., Rao S.A., and Noe М.С. J. Am Chem. Soc., 1994, /76,9345.

Из числа испытанных катализаторов (Ср22гС12, ZrCl4, Zr(OBu)4, Ср2НГС12, Ср2Т1С12, И(Рг'0)4, №(асас)-2РЬ3Р, СоС12-2РЬ,Р, Рс1(асас)-2РЬ3Р) наиболее высокую каталитическую активность в реакции образования алкоксициклопропанов из стирола, Е1А1С12 и этилацетата проявляет Ср22гС12. Комплексы №, Со, Рс1, а также 2г(ОВи)4 и 7гС14 совершенно не катализируют данную реакцию. В отсутствии катализатора реакция также не идет.

Наиболее высокий выход циклопропана 4а наблюдается при концентрации катализатора, равной 10 мол.% Ср^гСЬ при 20 С. В этих условиях выход алкоксициклопроиана 4а составляет -72 %. С уменьшением концентрации катализатора до 1 мол.% выход алкоксициклопропана 4а снижается до 30%, что связано, вероятно, с уменьшением концентрации каталитически активных центров в реакционной массе.

Динамика накопления алкоксициклопропана 4а свидетельствует о том, что реакция завершается практически за 7-8 часов при комнатной температуре.

При пониженной температуре ~0°С (10 мол. % Ср2/гС12, стирол : [А1] : СН3С02Е1: М8 : [2г] = 1:2:1:2:0.1, ТГФ) скорость реакции замедляется и конверсия исходного стирола не превышает 15% за 15ч. При увеличении температуры до ~ 65° С реакция завершается практически за 1,5-2 часа. В связи с этим последующие эксперименты проводились при комнатной температуре.

Полученные результаты позволили сделать вывод, что реакция циклопропанирования стирола с помощью А1С1„Е13_„ и этилацетата следует проводить при соотношении исходных реагентов стирол:[А1]:СН3С02Е1:Мд:[2г], равной 1:2:1:2:0.1 в ТГФ в течении 8 часов при температуре 20-22 °С.

В разработанных условиях осуществлены реакции циклопропанирования стирола с помощью других алкилкарбоксилатов (н-бутилацетат, аллилацетат, изоамилпропионат, метилкапронат) с получением соответствующих алкоксициклопропанов /(ИС-4Ь—е и транс-4Ъ-е (—1:1) с выходами 60—70 % (Схема 2).

Разработанный способ получения алкоксициклопропанов взаимодействием стирола с /\1С]пЕ1з_п (п = 1-3) и эфирами карбоновых кислот в присутствии катализатора Ср22гС12 имеет общий характер и позволяет наряду со стиролом вовлечь в реакцию другие арилолефины, например, орто-, мета-, пара-метилстиролы, орто-аяюоп, 4-фенилстирол, а также винилнафталин с

образованием соответствующих стереоизомерных арилзамещенных алкоксициклопропанов 6-9 (Схема 3).

Схема 3

сіл7ггдя$(1:1)

і: Е(А1С12> М& Ср,гга2 Аг = а: о-МеРЬ, Ь: т-МсРЬ, с: />-МеРЬ

Таким образом, нами разработан общий универсальный метод синтеза арилзамещенных алкоксициклопропанов взаимодействием арилолефинов с А1 С1ПН(Э_1 и эфирами карбоновых кислот в присутствии катализатора Ср2ггС12, что открывает новые перспективы однореакторного получения алкоксициклопропанов, исходя го арилолефинов, А1СЗ„Е1з^1 и эфиров карбоновых кислот с участием катализатора Ср27гС12.

2. Взаимодействие стирола с А1С1ПЕ{3.П и эфирами алифатических и циклоалканкарбоновых кислот, катализируемое Ср2ХгС12

В продолжение исследования реакции стирола с А1С1пЕ1з-п и простейшими

эфирами алифатических карбоновых кислот, а также изучения влияния структуры исходных эфиров на выход и стереохимию образования алкоксициклопропанов, мы выбрали ряд алифатических и циклоалканкарбоновых кислот и вовлекли последние в упомянутую выше реакцию.

В качестве объектов исследования мы выбрали борнилацетат, ментилацетат, циклогексилацетат, метиловый эфир циклопропанкарбоновой кислоты, а также метиловые эфиры адамантан-, циклогексан-, циклопентан-, циклобутан- и циклопропануксусной кислоты.

В результате проведенных исследований установлено, что независимо от структуры исходных сложных эфиров в каждом опыте образуются

алкокси(циклоалкокси)циклопропаны с достаточно высокими выходами. Например, при взаимодействии стирола с ЕІАІСЬ и боршшацетом 10 в присутствии ЬЛg и катализатора Ср/гСЬ в условиях (Р1іСН=СН2:[А1]:борнилацетат (С12Н20О2) :М§: рг] = 1:2:1:2:0.1, ТГФ, 8ч, 20-22 °С) образуется стереоизомерная

смесь (іуис/тра«с)-1.7.7-триметилбицикло[2.2.1]гептанокси-1-метил-2-фенилциюю-

пропанов 11 в соотношении 1:1с общим выходом 76% (Схема 4).

С целью идентификации структуры цис/трапе-1 -метил-1 -боршшокси-2-

фенилциклопропанов 11 проведены ЯМР исследования данного образца.

Отнесение сигналов в спектре ЯМР сделаны с использованием ряда

корреляционных методов (HSQC, НМВС и НН COSY).

Спектры ЯМР ‘Н и ,3С характеризуются двойным набором сигналов, что

позволяет предположить наличие цис- и транс-изомеров. Так, в спектре ЯМР С

соединения 11 имеются сигналы в ооласти ё 61.87(62.89) м.д., которые в

эксперименте HSQC коррелируют с синглетным сигналом протона д 1.49 м.д., что

обусловлено взаимодействием тетразамещеного углеродного атома С1

„ п10

циклопропанового кольца при атоме кислорода с протонами углеродного атома метальной группы. Сигналы углеродных атомов С11 д 81.76(83.60) м.д. дают кросспики с мультиплеными сигналами протонов S 1.04 м.д., а также с синглетом в области <5 0.48 м.д. в результате взаимодействия норборнанового углеродного атома С11 с протонами как метиленового С13, так и метального С20 углеродных атомов. Сигнал углеродного атома С4 при <5 138.34 м.д. коррелирует с

Схема 4

cis/trans (1:1) 76%

і: EtAlCl,, Mg, Cp2ZrCl,

мультипленым сигналом протона при <5 1.34 м.д., что, вероятно, можно объяснить спин-спиновым взаимодействием четвертичного атома углерода С4 фенильного заместителя с протонами углеродного атома С циклопропанового кольца. Интенсивные сигналы углеродных атомов С5 и С9 3 128.92(129.01) м.д. дают кросспики с мультиплеными сигналами <5 1.96 м.д. за счет взаимодействий С5 и С протонированных углеродных атомов фенильного кольца с протонами метановой группы С2 циклопропанового фрагмента молекулы.

Полученные спектральные данные позволили предложить для синтезированного соединения структуру цис/ транс-1 -метил-1 -борнилокси-2-фенилциклопропанов 11.

Циклопропанирование стирола с ЬЛЮг и указанными выше эфирами карбоновых кислот 12-17 проходит с образованием соответствующих стереоизомерных замещенных циклопропанов 18-23 с выходами 60-76% (Схема 5).

Таким образом, в каждом опыте независимо от структуры исходных сложных эфиров образуется смесь цис/транс-замещекных алкокси- или циклоалкоксициклопропанов в соотношении 1:1.

Схема 5

Получив положительные результаты по циклопронанированию стирола с участием сложных эфиров алифатических карбоновых кислот мы изучили

возможность проведения данной реакции с ацетатом холестерина с целью выяснения влияния объемного полициклического заместителя в эфирном субстрате на выход и стереохимию циклопропанирования. Полученные результаты в данном эксперименте позволили сделать вывод, что даже такие объемные заместители в молекуле исходного сложного эфира мало влияют как на выход целевого замещенного циклопропана, так и стереохимию образующихся в этой реакции 1-метил-1-холестерил-2-фенилциклопропанов 25 (Схема 6). Выход целевого циклопропана 25 составляет -60% при соотношении цис/транс-изомеров 1:1.

Схема 6

I: Е1А1С12, М& Ср2ггС12 Таким образом, эфиры карбоновых кислот, содержащие в своей структуре циклические и полициклнческис заместители, достаточно гладко реагируют с арилолефинами и ЕШСЬ в присутствии катализатора Ср2ггС12 с образованием соответствующих стереоизомерных замещенных циклопропанов.

3. Эфиры а,со-дикарбоновых кислот в циклопропанироваиии арилолефинов с помощью А1С1„Е13.П под действием катализатора Ср2ггС12

Полученные в предыдущих главах результаты по изучению катализируемого Ср2ггС12 циклопропанирования арилолефинов с помощью А1С1,,Е1,.„ и эфиров алифатических карбоновых кислот различной структуры с получением в одну препаративную стадию арил замещенных алкокси(циклоалкокси)циклопропанов., стимулировали проведение исследований с использованием эфиров а,со-дикарбоновых кислот, надеясь на возможность синтеза а,ш-бис-циклопропанов заданной структуры.

В качестве объектов исследования выбрали эфиры щавелевой, малоновой, янтарной, адипиновой, пимелиновой, пробковой и азелаиновой кислот.

Предварительными экспериментами установили, что эфиры щавелевой, малоновой и янтарной кислот в выбранных нами условиях не вступают в реакцию со стиролом и А1С1ПЕ13.П в присутствии катализатора Cp2ZrCl2. Все наши попытки осуществить данную реакцию путем изменения условий, соотношения исходных реагентов и концентрации катализатора не привели к успеху. По всей вероятности, указанные эфиры дикарбоновых кислот, выступают в качестве бидентантных лигандов, образуя весьма прочные молекулярные комплексы с исходными А1С1ПЕ13_П и центральным атомом катализатора, блокируя, тем самым, формирование молекул соответствующих циклопропанов.

Мы обнаружили, что с увеличением углеводородной цепочки между двумя карбоксильными группами в эфирах дикарбоновых кислот наблюдается образование замещенных циклопропанов. Так, при проведении реакций диметилового эфира глутаровой кислоты со стиролом и Е1А1С12 под действием катализатора Ср2ггС12 в условиях (стирол : эфир : [А1]: Mg: [гг], равный 2 : 1 :4 : 4 : 0.1, ТГФ, 20 °С, 8 час) наблюдается образование смеси стереоизомерных цис- и тра//озамещеш1ых циклопропанов 26 в соотношении 1:1с общим выходом ~43 % (Схема 7).

Схема 7

+МеСОО(СН2)3СООМе ■

15 ,4

г: Е1А1С12,М& Ср2/гС12 т/(гагг£ (1:1)

Как видно, с увеличением расстояния между двумя карбоксильными группами в дикарбоновых кислотах до трех углеродных атомов происходит образование циклопропанов в разработанных для данной реакции условиях.

Структуру полученного замещенного циклопропана установили с применением современных спектральных методов - ИК, УФ и ЯМР 13С и 'Н, а также масс-спектрометрии.

Полученные результаты свидетельствуют о том, что при минимальном удалении двух карбоксильных групп в дикарбоновых кислотах в три углеродных атома, что соответствует глугаровой кислоте, происходит образование стереоизомерных замещенных циклопропанов 26, как и в случае монокарбоновых кислот.

В одномерных спектрах ЯМР |3С соединения 26 наблюдается два набора сигналов, что объясняется наличием цис- и транс-изомеров в соотношении 1:1. Мы попытались увеличить выход 26 за счет изменения природы растворителя, структуры АОС и концентрации катализатора, а также условий реакции. Однако, во всех опытах не наблюдалось заметного повышения как общего выхода 26, так и изменения соотношения стереоизомеров.

Последующие наши исследования были направлены на изучение обнаруженного нами эффекта влияния структуры эфиров дикарбоновых кислот на направление образования замещенных циклопропанов в реакции последних с А1С1„Е13.П и стиролом под действием катализатора Ср22гС12.

При замене диметилового эфира глутаровой кислоты на диметиловый эфир адипиновой кислоты в указанной выше реакции обнаружили, что основным продуктом взаимодействия является смесь стереоизомерных спироциклопропилзамещенных лактонов 27 (Схема 8). В этой реакции в минорных количествах образуется ожидаемая смесь стереоизомерных замещенных циклопропанов 28 в соотношении 1:1.

Схема 8

12 п 7 8

+МеСОО(СН2)4СООМе -5^

і: ЕіА1С12, М& Ср22ги2

Ме

ш'Лпии (1:1) 27

азійтз (1:1) 28

Необходимо отметить, что спектры ЯМР ’н и 13С полученного спироциклопропанзамещенного лактона 27, так же как и в предыдущих случаях, характеризуются двойным набором сигналов в соотношении 1:1. Данные

результаты указывают на то, что всех опытах наблюдается образование цис- и транс-изомеров образовавшегося соединения. Ключевые отнесения протонных и углеродных сигналов в ЯМР спектрах соединения 27 выполнены с использованием метода НМВС. Так, сигналы С2 углеродных атомов 5 176.08(176.14) м.д. дают кросс-пики с протонными мультиплетными сигналами 5 1.56, 2.23. 2.67 и 2.78 м.д, что обусловлено спин-спиновым взаимодействием между карбонильным С2 углеродным атомом и протонами С3 и С4 метиленовых групп. Кросс-пики сигналов атомов углерода С9 8 136.33(136.85) м.д., интенсивность которых сопоставима с интенсивностью карбонильных углеродных атомов, с мультиплетными сигналами протонов 3 1.33 и 1.55 м.д., обусловлено взаимодействием посредством химических связей между четвертичным С9 углеродным атомом фенильного заместителя и метиленовыми С7 протонами цшелопропанового кольца. Корреляция углеродных сигналов <5 65.50(65.75) м.д. с мультиплетами протонов <5 1.54, 1.88, 2.25 н 2.67 м.д. позволяют установить взаимодействия между четвертичным С1 спиро-углеродным атомом и протонами С7 и С6 метиленовых групп как циклопропанового, так и лактонового циклов данной молекулы. Наконец, углеродные сигналы <5 128.42(128.53) м.д. имеют кросс-пики с мультиплетными сигналами протонов <5 2.23 и 2.67 м.д, что, вероятно, можно объяснить как взаимодействием между симметрично расположенными по отношениям к четвертичному С9 углеродному атому Сш и С14 фенильных углеродных атомов и протонами метиновой С2 групп циклопропанового кольца.

Полученные, таким образом, спектральные характеристики позволили установить для лактона 27 структуру 1/ыс/т/мнс-1-фенил-4-оксаспиро[2.6]-нонан-5-она.

В дальнейшем мы установили, что данная реакция имеет общий характер, поскольку наряду со стиролом подобным образом реагируют иа/м-метилстирол и винилнафталин, образуя с ЕШСЬ и метиловым эфиром адипиновой кислоты спирозамещенные лактоны 29, 31 (Схема 9).

Однако, в отличие от стирола образование спироциклопропанзамещенных лакгонов 29, 31, полученных из иара-метилстирола и винилнафталина, проходит стереоселективно с образоваш1ем лишь одного стереоизомера трансконфигурации, что, возможно, связано с влиянием стерических факторов.

Схема 9

Структура спироциклопропанзаметценных лаптопов 29, 31 была установлена спектральными методами анализа. 7ранс-конфигурация 29, 31 подтверждена методом двумерной ЯМР-спектроскопии, а именно, Ж)Е8У экспериментом. Наличие интенсивного кросс-пика в спектре МОЕБУ для соединения 29 между протонами 8 На!ггаС7 = 1.28 м.д. и дублетным сигналом ср/ио-протона <5 НС10 или НС14) = 7.07 м.д. свидетельствует об их анти-расположении относительно сложноэфирной группы. Аналогичная картина наблюдается для соединения 31, для которого также наблюдался ТЧОЕБУ кросс-пик между <5 НС10 = 7.21 м.д. и сигналом апти-ориентированного относительно карбонильной группы протона й НС7 = 1.47 м.д. Наличие сильной анизотропной нафтильной группы в молекуле соединения 31 приводит к существенному усилению диастереотопных эффектов для метиленовых протонов (ДдиасНАНвС6 = 0.95 м.д.) в отличии от менее анизотропного толильного заместителя в 29 (ДдгасНлНвСб = 0.29 м.д.), что дополнительно подтверждает анты-расположение ароматических заместителей в молекулах соединений 29 и 31 относительно карбоксильной группы.

Мы предположили, что образование спирозамещенных лактонов 27, 29, 31 осуществляется по схеме 10. Первоначально формируется 2-арплзамещенный цирконациклопропан 1, который с помощью Е с А1С 1з переметаллируется в соответствующий алюминациклопропан 2. Взаимодействие последнего со сложным эфиром приводит к образованию оксаалюминациклопентана 33. Последний в результате внутримолекулярной перегруппировки трансформируется с образованием двух циклопропанов 34 и 35 с преимущественным образованием

циклопропана 35. После гидролиза реакционной массы интермедиат 35 превращается в циклопропанол 36. Внутримолекулярная этерификация последнего приводит к элиминированию ЯОН и замыканию цикла с образованием спироциклопропанзамещениых лактонов 27, 29, 31.

Ср2ггС1,

Ме м§сіг

V У

ТИР, 20 °С

Схема 10

"Ср2гг"

Аг"^

шос(н,с),

'2СЧ/ \

Аг/Л1‘к

яо °

КС02(СН2)4С02К

Е1А1

ЕІАІСІ,

- (Ср22гСІ2)

- (ЕіА1=0)

ІЮОСССНД

‘V

' Ср2ь<]

Аг

27,29,31

Аг

+ X

ЕіАЮ ' (СН3)4С'ООЯ

(Н,0*)

<ж

-ЯОН

(СН^СІ

Последующие исследования в данном направлении показали, что с увеличением расстояния между карбоксильными группами в эфирах а,ш-дикарбоновых кислот более пяти углеродных атомов, например, в случае метиловых эфиров пробковой и азелаиновой кислот, не позволяет получать спироциклопропиллактоны, а образуются соответствующие замещенные цис/трстс-циклопропаны, как и в случае монокарбоновых кислот.

Так, при взаимодействии метиловых эфиров пробковой и азелаиновой кислот со стиролом и А1С1ПЕ13.„ в присутствии катализатора СргХгОг в условиях (стирол:эфир:[А1]:1\^:[гг] равный 2:1:4:4:0.1, ТГФ, 8ч) получены соответствующие стереоизомерные моно-циклопропаны (цис/транс 1:1) с выходами ~ 40 %.

На основании полученных результатов сделан вывод, что структура исходных эфиров дикарбоновых кислот существенно влияет на избирательность изучаемой реакции циклопропанирования виниларенов. Так, образование

спироциклопропиллактонов наблюдается лишь в узком интервале эфиров в которых расстояние между двумя а,ш-дикарбоксильными группами составляет четыре и пять углеродных атомов. С увеличением расстояния между двумя карбоксильными группами более пяти углеродных атомов в каждом опыте независимо от условий проведения реакции образуются исключительно стереоизомерные цис/траис-дтлиещетте циклопропаны, как и в случае монокарбоновых кислот.

Кроме того, в реакцию циклопропанирования вовлекается лишь одна из карбоксильных групп в а,ш-дикарбоновых кислотах, а вторая остается незатронутой.

С целью распространения разработанного нами способа получения арилзамещенных алкоксициклопропанов на алифатические я-олефины мы исследовали взаимодействие окт-1-ена, дец-1-ена, окта-1,7-диена, дека-1,9-диена, аллилбензола, аллилнафталина и 4-винилциклогекс-1-ена с А1С1ПЕ13.„ и эфирами карбоновых кислот, катализируемое Ср22гС12, в условиях, разработанных для циклопропанирования арилолефинов.

Неожиданно для нас, реакция окт-1-ена с этилацетатом и двухкратным избытком Е1А1С1г (или Е12А1С1) в сочетании с эквимольным количеством А1С13 в присутствии и катализатора Ср2%гС\г (10 моль %) в ТГФ при О "С и последующем нагревании реакционной массы до комнатной температуры (~ 20 °С) за 10 ч. привела после гидролиза к образованию цис-} -метил-2-гексилциклопропанола 37а с выходом —42 % (Схема 11).

4. Циклопропанирование алифатических а-олефинов с помощью Л1С1ПЕ(3.„ и КС0211’ под действием катализатора Ср27-.гС12

Схема И

Я'.

[&] = Ср22гС12; п = 1,2

37а-8

а. К = Нех, Я’ = Ме, К" = Е1; Ь: Я = Ой, IV Ме, И" = с: Я = Вп, Я' = Ме, Я” = ё: Я = 1 ■ КарЬ'ЬМс. Я' = Ме, Я" = Г,:, е: Я = Сус1оЬех-3-епу1, Я1 - Ме, Я” = Г.1;

Л Я = Нех, Я' = Гл, Я" = Ат; g: Я = Нех, Я' = Ат, Я" = Ме.

Как видно, при замене стирола на окт-1-ен, вместо ожидаемого соответствующего алкоксициклопропана, мы получили 1-метил-2 -гексилциклопропанол 37а, структура которого доказана спектральными методами и сравнением с известными образцами. Так, в спектре ЯМР ’Н наблюдались характерные сигналы циклопропанового кольца в области 0.04 м.д., а также синглетный сигнал в области 1.34 м.д., относящийся к метильной группе. Для надежного отнесения сигналов в спектрах ЯМР и установления структуры полученного соединения проведены гомо- (НН COSY) и гетероядерные (HSQC и НМВС) двумерные эксперименты. На основании спектра НМВС углеродные сигналы д 55.50, 25.58 и 20.17 м.д., кореллирующие с синглетным сигналом протонов метильной группы S 1.34 м.д., отнесены к четвертичному С1, метановому С2 и метиленовому С3 углеродным атомам, соответственно. Сигналы 8 22.64, 29.15, 29.64, 29.89, 31.83 м.д. отнесены к метиленовым, а <5 14.06 м.д. - к метальному атомам углерода гексильного заместителя при С атоме циклопропанового кольца, //не-конфигурация гидроксильной группы и С2 заместителей в циклопропановом фрагменте молекулы 37а установлена на основании характерного слабопольного углеродного сигнала метильной группы <5 20.46 м.д. и сравнением

соответствующих данных с литературными. В ИК-спектре соединения 37а имеются полосы поглощения, обусловленные валентными колебаниями связей С-Н циклопропанового кольца в области 3070 см 1 и гидроксильнои группы в области 3360 см"1.

Аналогичным образом вступают в катализируемую CP2Z1CI2 реакцию с алкилгалогеналанами и этилацетатом дец-1-ен, аллилбензол, аллилнафталин и 4-винилциклогекс-1-ен с образованием соответствующих замещенных циклопропанолов 37Ь-е (Схема 11).

Структура полученных соединений 37Ь-е доказана спектральными методами анализа. В спектре ЯМР 13С циклогексенового производного 37е наблюдаются диастереомерные расщепления ряда сигналов как циклопропанового фрагмента (<5(С‘)=55.57(55.34), <5(С2)=29.28(28.01) м.д.), так и заместителей

(<5(СНз)=20.63(20.48), <5(С5)=31.07(31.17), <5(СУ 126.87(126.95), <5(С7)=126.22(126.52) и <S(C9)=31.38(32.05)), обусловленные появлением дополнительного хирального

центра С4 в циклогексенильном фрагменте молекулы, что предполагает образование двух диастереомеров.

Рис. 1. Структура соединения 37е

Образование циклопропанолов из а,са-диолефинов (1,7-октадиен и 1,9-декадиен) под действием ЕШа2(Е12А1а), металлического Mg и эфиров карбоновых кислот в присутствии каталитических количеств Срі2гС12 осуществляется исключительно по одной концевой двойной связи (Схема 12).

Схема 12

і.мв,ср2ггсі2

•^г=:ГЧч'(СН2)а'/^ +2 МеСО-З + 4 Е1АІС1, + 4 А1С13

2. Н.О1

- мгсі2

Ме,

НО

;сн2)п-

38а (45%) п = 4 38Ь (42%) п = 6

Увеличением концентрации Е1А1С12 и сложного эфира в реакционной массе не удается вовлечь в реакцию вторую двойную связь. Возможно, я-взаимодействие между двойной связью и атомом А1, образующегося на промежуточной стадии алюминий органического соединения, исключает возможность участия второй двойной связи в данной реакции.

Следует отметить, что стереохимической особенностью этих реакций является преимущественное образование циклопропанов с цис- расположением углеводородных заместителей в циклопропановом кольце.

В ходе разработки оптимальных условий проведения реакций циклопропанирования а-олефинов с помощью Е1А1С12 (Е12А1С1) в присутствии А1С13 и эфиров карбоновых кислот установлено, что реакция осуществима только в эфирных растворителях. Наилучшие результаты получены при проведении реакций в ТГФ. В диэтиловом эфире, 1,4-диоксане или в диметоксиэтане выходы

целевых циклопропанолов значительно ниже. В алифатических и ароматических растворителях реакция не вдет.

Выходы продуктов циклопропанирования остаются практически неизменными при замене Н1Л1 С1г на Е1гА1С1. Увеличение времени реакции более чем 10 ч. не приводит к повышению выхода гидроксициклолропанов.

Из числа испытанных катализаторов наиболее высокую каталитическую активность в реакции гидроксициклопропанирования а-олефинов с помощью Е1А1С12 и эфиров карбоновых кислот проявляет Ср22гС12.

На основании имеющихся литературных данных, а также собственных экспериментальных результатов мы предположили, что вероятный механизм гидроксициклопропанирования а-олефинов с помощью Е(А1С12, эфиров карбоновых кислот в присутствии металлического и катализатора Ср^гС12 включает первоначально генерацию цирконацена "Ср2гг" из Ср2гтС12 под действием магния (акцептора ионов галогена), координацию а-олефинов с центральным атомом катализатора с одновременным образованием 2-алкшзамещенных цирконациклопропанов 39. В случае с алифатическими а-олефинами, вероятно, образующиеся 2-алкилцирконациклопропаны 39 не переметаллируются в присутствии Е1А1С12 в 2-алкилалюминациклопропаны из-за низкой их устойчивости в отличие от 2-арилцирконациклопропанов. В этих условиях происходит реакция между алкилзамещенным цирконациклопропаном 39 и сложным эфиром, что способствует осуществлению реакции по механизму, предложенному для реакции со сложными эфирами в присутствии

катализатора ТЦОРг').,, приводящей к образованию циклопропанолов (реакция Кулинковича)4. Образовавшиеся региоизомерные оксацирконийцнклопенганы 40 трансформируются в (3-цирконакетоны 41, которые далее изомеризуется в циклопропанолят циркония 42. При переметаллировании последнего с помощью Е1А1СЬ образуется циклопропанолят алюминия 43 с одновременной регенерацией Ср2ггС}2. Гидролиз 43 приводит к образованию гидроксициклопропанов 37,38 (Схема 13).

4 Уип-Оог^ \Уи аж! ХЫ-Хтод Уи, I. Ат.СЪет. Бос., 2001,123, 5777.

Схема 13

Таким образом, проведенные нами исследования позволили разработать новый эффективный однореакторный метод каталитического синтеза арилзамещенных алкоксициклопропанов из виниларенов и алкилгалогеналанов в присутствии катализатора Срз^гОг, а также расширить границы приложения реакции Кулинковича, позволяющей получать гидроксициклопропаны, используя ашоминийорганические соединения и цирконивый катализатор вместо реагентов Гриньяра и титанового катализатора.

Выводы

1. Выполнена программа исследования по разработке нового, перспективного для практического применения однореакторного метода синтеза функционально-замещенных циклопропанов, основанного на взаимодействии ароматических и алифатических а-олефинов с А1С1„Е13.„ и эфирами моно- и а,со-дикарбоновых кислот под действием катализатора Ср22гС\2.

2. Впервые установлено, что виниларены (стирол, орто-, мета-, пара-метилстиролы, иард-фенилстирол и винилнафталин) реагируют с А1С1„Е[5_„ и эфирами алифатических монокарбоновых кислот в присутствии катализатора

CP2Z1CI2 в условиях (виниларен : [А1] : эфир : Mg : [Zr] = 1:2:1:2:0.1, ТГФ, 8 ч, ~20 °С) с образованием смеси стереоизомерных цис!трапе-\-алкокси-1 -алкш-г-арилциклопропанов в соотношении 1:1с достаточно высокими выходами 60-75%.

3. Впервые установлено, что направление реакции стирола с AlClnEt3.n и эфирами алифатических а,со-дикарбоновых кислот под действием катализатора Cp2ZrCl2 зависит от структуры исходных сложных эфиров, а именно, метиловые эфиры щавелевой (С2), малоновой (СЗ) и янтарной (С4) кислот в выбранных условиях не образуют соответствующие алкоксициклопропаны, а метиловые эфиры адипиновой (С6) и пимелиновой (С7) кислот реагируют с AlClnEt3ll и стиролом под действием катализатора Cp2ZrCl2 с образованием преимущественно фенилзамещенных стереоизомерных !(мс/транс-спироциклопропиллактонов с выходами 52-62%.

4. Впервые показано, что -метил стирол и винилнафталин взаимодействуют с AlClnEt3.n и эфирами карбоновых кислот под действием катализатора Cp2ZrCI2 с образованием исключительно шракс-арилспироциклопропиллакгонов. С увеличением расстояния между карбоксильными группами в исходных а,со-дикарбоновых кислотах более пяти углеродных атомов наблюдается образование стереоизомерных цис!тронс-арилзамещенных алкоксициклопропанов по одной из карбоксильных групп.

5. Впервые найдено, что алифатические а-олефины в отличие от виниларенов вступают в реакцию с AlClnEt3.n и эфирами монокарбоновых кислот в разработанных условиях (ТГФ, 10 ч, -20 °С) с получением исключительно цис-замещенных циклопропанолов с выходами ~ 45%.

6. Впервые обнаружено, что при реакции 1,7-октадиена и 1,9-декадиена с EtAICl2(Et2AlCl) и эфирами алифатических монокарбоновых кислот в присутствии металлического Mg (акцептора ионов галогена) под действием катализатора Cp2ZiCl2 в условиях (ТГФ, 10 ч, -20 °С) наблюдается образование моно-г^ие-циклопропанояов исключительно по одной двойной связи исходного а,ш-диолефина.

Материалы диссертации изложены в следующих публикациях:

1. Usein М. Dzhemilev, Leila О. Kliafizova, Rinat R. Gubaidullin, Leonard M. Khalilov, and Askhat G. Ibragimov. The first one-pot synthesis of alkoxycyclopropanes via

cyclometalation of styrene with ClaAlEt3^ and RCO2R' mediated by Cp2ZrCl2 . Tetrahedron Letters, 2009, 50, 7086.

2. Leila O. Khafizova, Rinat R. Gubaidullin, Usein M. Dzhemilev. Zirconium catalyzed cyclopropanation of a-olefins mediated by R'C02R" and Cl„AlEt3.n. Tetrahedron, 2011,67,9142.

3. У.М.Джемилев, А.Г.Ибрагимов, Л.О.Хафизова, Р.Р.Губайдуллин, Л.М.Халилов, Л.И.Хусаинова. Способ получения 1-этил-1-алкокси-2-арилциклопропанов. Заявка № 2009117344 (полож. реш. от 06.05.09). Патент РФ № 2417215. Зарегистрирован 27.04 2011. Бюл. № 32.

4.У.М.Джемилев, А.Г.Ибрагимов, Л.О.Хафизова, Р.Р.Губайдуллин. Способ получения 1-алкил-2-алкил(циклоалкенил, бензил)циклопропанолов. Заявка № 2009145317 (полож. реш. 07.12.2009). Патент РФ № 2433990. Зарегистрирован 20.11 2011. Бюл. №32

5. Р.Р.Губайдуллин, Л.О.Хафизова, АГ.Ибрагимов, У.М.Джемилев. Новый метод синтеза замещенных циклопропанов взаимодействием стирола с алкилгалогеналанами и сложными эфирами под действием катализатора Cp2ZrCl2- Всероссийская конференция по органической химии (к 75-летию со дня основания Института органической химии им. Н.Д. Зелинского РАН), 25 - 30 октября 2009 г., стр. 157.

6. Л.О. Хафизова, P.P. Губайдуллин, У.М. Джемилев. Циклопропанирование а-олефинов с помощью Cl„AlEt3_n и RC02R' под действием катализатора Cp;ZrCl2. International Symposium on Advanced Science in Organic Chemistry. Michor, Crimea, June 21-25,2010, с.У-54.

7. Хафизова Л.О., Губайдуллин P.P., Джемилев У.М. Циклопропанирование арилодефинов с помощью EtAlQ2 и эфиров карбоновых кислот под действием катализатора Cp2ZrCl2. XIX-Менделеевский съезд по общей и прикладной химии (Волгоград, 2011), с.609.

8. Dzhemilev U.M., Ramazanov I.R., Khafizova L.O., Dil'muhametova L.K., Yaroslavova A.V., Gubaidullin. R.R., Nefedov O.M. Organoaluminums in cyclopropane synthesis. Butlerov congress. Kazan, Russia, 2011, c. 408.

Лицензия №0177 от 10.06.96 г. Подписано в печать 27.01.2012 г.

Бумага офсетная. Отпечатано на ризографе. Формат 60x84 1/16. Усл.печ.л. 1,5. Уч.-изд.л.1,5. Тираж 130 экз. Заказ №115.

450000, г. Уфа, ул. Ленина, 3 ГОУ ВПО «Башгосмедуниверситег РОСЗДРАВА»

Текст научной работы диссертации и автореферата по химии, кандидата химических наук, Губайдуллин, Ринат Равильевич, Уфа

61 12-2/255

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ НАУКИ ИНСТИТУТ НЕФТЕХИМИИ И КАТАЛИЗА РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

На правах рукописи

ГУБАЙДУЛЛИН РИНАТ РАВИЛЬЕВИЧ

НОВЫЙ МЕТОД СИНТЕЗА ЦИКЛОПРОПАНОВ РЕАКЦИЕЙ а-ОЛЕФИНОВ с А1С1пЕ13п и ИСОзЯ' ПОД ДЕЙСТВИЕМ КАТАЛИЗАТОРА Ср2ХгС12

02.00.03 - Органическая химия 02.00.15 - Кинетика и катализ

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата химических наук

Научный руководитель: кандидат химических наук, доцент Хафизова Л.О.

Научный консультант: доктор химических наук, член - корреспондент РАН Джемилев У.М.

Уфа-2012

Оглавление

Введение..................................................................................................................................................................3

Глава 1. Литературный обзор..........................................................................................................7

Реакция Кулинковича в синтезе циклопропанов и их производных.. 7

1.1 Реакции с эфирами карбоновых кислот........................................................................8

1.2 Циклопропанирование амидов карбоновых кислот............................................30

1.3 Трансформация карбоксимидов............................................................................................38

1.4 Реакция с карбонитрилами........................................................................................................40

Глава 2. Обсуждение результатов................................................................................................46

2.1. Циклопропанирование арилолефинов с помощью А1С1ПЕ13.П и эфиров карбоновых кислот, катализируемое Ср22гС12........................ 46

2.2. Циклопропанирование арилолефинов с помощью А1С1ПЕ1;3.П и циклоалкановых эфиров алкилкарбоновых кислот или алкиловых эфиров циклоалкилкарбоновых кислот в присутствии катализатора Ср2ггС12.................................................................................. 53

2.3. Циклопропанирование арилолефинов с помощью А1С1ПЕ1;3.П и эфиров а,со-дикарбоновых кислот под действием катализатора Ср22гС12. 58

2.4. Циклопропанирование а-олефинов с помощью А1С1ПЕ13.П и ЯССЬЯ' под действием катализатора Ср22гС12........................................... 66

Выводы.....................................

Глава 3. Экспериментальная часть Литература.................................

72 75 111

Введение

Актуальность работы. На сегодняшний день химия циклопропановых соединений является обширной и успешно развивающейся областью химической науки. Это вызвано, в первую очередь, теоретическим интересом химиков к этим весьма напряженным соединениям, возможность существования которых еще в начале прошлого века была под вопросом. Многообразные перегруппировки, легкость раскрытия цикла в изомерные ненасыщенные системы - все это определило широкое применение напряженных циклических систем в качестве синтонов для направленного синтеза органических молекул.

Известны классические методы построения трехчленных циклов, которые могут быть использованы в качестве эффективных способов получения циклопропанов и их производных, а именно, реакции Вюрца, Перкина, Дикмана, Макоша, а также Симмонса-Смита. В последние 15-20 лет наибольшую популярность и широкое применение в синтезе циклопропанов нашли методы, основанные на использовании диазосоединений, катализируемые комплексами Си, Рё и Шл. Существуют и другие, менее распространенные методы синтеза циклопропансодержащих соединений, но в целом, препаративных способов получения циклопропанов весьма ограничено.

действием катализатора Cp2ZrCl2, который пополнил бы арсенал известных методов синтеза циклопропанов.

В своих устремлениях мы опирались на известную и широко разрекламированную реакцию Кулинковича [1], которая позволяет превращать в одну препаративную стадию эфиры карбоновых кислот с помощью в присутствии каталитических количеств комплексов Т1 в

соответствующие циклопропанолы.

Мы предположили, что замена реагентов Гриньяра в этой реакции на промышленно доступные апкилгалогеналаны и введение дополнительно в состав реакционной среды олефинов различной структуры позволит значительно расширить возможности метода Кулинковича и сделает предполагаемый нами способ более эффективным и универсальным в синтезе замещенных циклопропанов.

Цель исследования. Разработка нового однореакторного каталитического метода синтеза замещенных циклопропанов, основанного на реакции а-олефинов с А1С1ПЕ13.П (п = 1-3) и эфирами карбоновых кислот в присутствии металлического М^* под действием катализаторов Cp2ZrCl2.

Научная новизна. В рамках данной диссертационной работы разработан новый, однореакторный метод циклопропанирования а-олефинов,

основанный на взаимодействии последних с А1С1ПЕ13.П, металлическим и эфирами карбоновых кислот в присутствии катализатора Ср2ХгС12.

Впервые установлено, что при взаимодействии виниларенов с А1С1пЕ1:з_п в присутствии эфиров алифатических монокарбоновых кислот и металлического М§ под действием катализатора Cp2ZrCl2 образуются соответствующие стереоизомерные г/ис/гаранс-алкоксициклопропаны с выходами 60-75%.

Обнаружено, что на направление реакции стирола с А1С1ПЕ13.П и эфирами алифатических а,со-дикарбоновых кислот под действием катализатора Cp2ZrCl2 существенно влияет структура исходных сложных эфиров. Так, метиловые эфиры щавелевой (С2), малоновой (СЗ) и янтарной (С4) кислот в выбранных условиях не образуют соответствующие алкоксициклопропаны, а метиловые эфиры адипиновой (С6) и пимелиновой (С 7) кислот приводят к образованию преимущественно фенилзамещенных стереоизомерных ^мс/шранс-спироциклопропиллактонов. Установлено, что реакция яаря-метилстирола и винилнафталина в разработанных условиях проходит стереоселективно с образованием исключительно транс-арилспироциклопропиллактонов.

Впервые обнаружено, что в отличие от виниларенов алифатические а-олефины в реакции с алкилгалогеналанами и эфирами монокарбоновых кислот в присутствии катализатора Ср22гС12 образуют исключительно цис-замещенные циклопропанолы с выходами ~ 45 %.

Осуществлена реакция 1,7-октадиена и 1,9-декадиена с алкилгалогеналанами и эфирами алифатических монокарбоновых кислот в присутствии металлического и катализатора Cp2ZrCl2, приводящая к образованию моно-г/ис-циклопропанолов исключительно по одной двойной связи исходного а,со-диолефина.

Практическая ценность работы. Практическая значимость проведенных исследований заключается в разработке новых перспективных

для практического применения эффективных методов синтеза циклопропанолов и алкоксициклопропанов. Разработанные в диссертационной работе методы и подходы к синтезу замещенных циклопропанов обладают широким синтетическим потенциалом для применения не только в лабораторной практике, но и для создания на их основе современных химических технологий получения широкого ассортимента полезных веществ и материалов.

Апробация работы и публикации. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всероссийской конференции по органической химии, посвященной 75-летию со дня основания ИОХ им. Н.Д. Зелинского (Москва, 2009), Международном симпозиуме «Avanced science in organic chemistry» (Miskhor, Crimea, 2010), XIX-Менделеевском съезде no общей и прикладной химии (Волгоград, 2011), Международном конгрессе по органической химии, посвященном 150-летию создания A.M. Бутлеровым теории химического строения органических соединений (Казань, 2011).

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

Реакция Кулииковича в синтезе циклопропанов и их производных

Синтез циклопропанолов с использованием магнийорганических реагентов впервые осуществил в 1942 году Cottle с сотрудниками. Так, взаимодействие эпихлоргидрина 1 с магнийбромидом или 1-бром-3-хлор-2-пропанола 2 с алкилмагнийбромидом приводит к образованию алкоксида магния 3, обработка которого с помощью EtMgBr позволяет получать циклопропанол 4 [2, 3].

С1СНХН-СН, + MgBr -

V 1

С1СН2СН -CH2Br + RMgBr-

ОН 2

С1СН2СН-СН2Вг

MgBr

EtMgBr^

35%

ОН

В 1963 г. М.Е. Вольпиным было высказано предположение, что соединения двухвалентного титана при взаимодействии с олефинами и ацетиленами могут проявлять карбеноидные свойства и образовывать трехчленные металлоциклы [4], однако, синтезировать и охарактеризовать эти соединения удалось значительно позже.

Спустя двадцать лет в ходе изучения реакций алкилмагнийгалогенидов с производными карбоновых кислот в присутствии каталитических систем типа Циглера-Натта, например, триизопропоксититан бутирата 5, неожиданно было обнаружено, что при взаимодействии последнего с трехкратным мольным избытком этилмагнийбромида в диэтиловом эфире наряду с З-этил-З-гексанолом и другими неидентифицированными веществами с выходом 20% образуется 1-пропил-1-циклопропанол 6 [5].

РгпСО(Ш(ОРг')з

EtMgBr, Н,0

ОН

чРгп

20%

ОН

Эта реакция положила начало развитию нового направления исследований, а именно, построению циклопропанов, исходя из эфиров карбоновых кислот и магнийорганических реагентов в присутствии комплексов титана, которую теперь называют реакцией Кулинковича.

В настоящее время реакция Кулинковича получила широкое распространение в органическом синтезе, как удобный и весьма эффективный метод синтеза циклопропанолов.

Например, при взаимодействии эфиров карбоновых кислот с тремя эквивалентами алкилмагнийгалогенида и стехеометрических количеств тетраизопропоксититана в диэтиловом эфире при - 78 °С образуются 1,2-дизамещенные циклопропанолы 7 с выходом до 90 % [5]. Авторам удалось осуществить каталитическую версию данного превращения [5, 6]. Было установлено, что при изменении порядка смешения реагентов, а именно, добавлении алкилмагнийгалогенида к раствору сложного эфира и каталитических количеств тетраизопропоксититана также удается получить целевой циклопропанол.

a. Я1 = С3Н7, Я2 = СН3, Я3 = СН3 7

b. Я1 = СН3, II2 = СН3, Я3 = С2Н5

c. Я1 = С2Н5, Я2 = С2Н5, Я3 = С4Н9

1. Я2(СН2)^Вг (3 экв.), Т1(ОРг')4 (1 экв.), Е^О, -78 °С - 0 °С; 2. НэО+ 1. Я2(СН2)2МеВг (2 экв.), ТКОРг1), (0.1 экв.), ЕЦО, 20 °С; 2. НэО+

1.1 Реакции с эфирами карбоновых кислот

Я1 СОЯ3

Характерной чертой процесса циклопропанирования является его высокая диастереоселективность в отношении образования циклопропанолов [7-10].

В работах [11-13] было осуществлено циклопропанирование а, (3-ненасыщенных ациклических эфиров карбоновых кислот 8 с помощью Е11У^Вг и и-ВиЛ^Вг в присутствии Т](ОРг')4 Несмотря на многочисленные попытки изменения экспериментальных условий, реакция проходит с низким выходом (15-20 %) с образованием 1-(1-алкенил)циклопропанолов 9.

25%

.он

b. Я-Рг"

c. Я=СбН5

1. Е1М§Вг или п-ВиМ§Вг (2.5 экв.), Т1(ОРг')4 (0.2-1.1 экв.), Еф, 20 °С; 2. НэО+

Авторами [14] было показано, что взаимодействие эфиров (3, у — ненасыщенных кислот с Е1М^Вг и Т1(ОРг')4 сопровождается образованием продуктов восстановительного этилирования двойной связи. Например, реакция этилпент-3-еноата 10 с избытком этилмагнийбромида и тетраизопропоксититана с высоким выходом приводит к 1-(3-метилпентил)циклопропанолу 12. Стадия этилирования в этом превращении включает образование бициклического оксатитанациклопентана 11 в качестве промежуточного продукта.

Е1М§Вг,Т1(ОРГ')4

ОЕ1

ОТ1(ОРг%

он

н3о+

ОРг' '-О

12 ' 11

1. EtMgBr (2 экв.), Т1(ОРг')4 (1.1 экв.), Е^О, -20 °С - О °С; 2. Н30+

По предположению авторов механизм этой реакции [5, 10, 15] включает образование диэтилтитанового интермедиата 13, который образуется при взаимодействии Т1(ОРг')4 с Е1М^Вг и далее в результате элиминирования этана трансформируется в диалкоксититанациклопропан 14. Взаимодействие последнего со сложным эфиром приводит к образованию оксатитанациклопентана 16. Далее происходит миграция алкоксидной группы в оксатитанациклопентановом интермедиате 16 к оксофильному атому титана с синхронным образованием трехуглеродного цикла 17. Образующиеся циклопропанолят титана 17 в некаталитическом варианте реакции после гидролиза приводит к соответствующему 1-замещенному циклопропанолу, тогда как в каталитическом варианте он превращается в магниевый циклопропанолят 18, регенерируя диэтилтитановый интермедиат 13 - предшественник ключевого диалкоксититанациклопропана 14.

Необходимость использования дополнительного эквивалента Гриньяра для получения высоких выходов продуктов в некаталитической версии

реакции циклопропанирования сложных эфиров

диалкоксититанациклопропаном позволило выдвинуть предположение [16] об инициировании дополнительным эквивалентом реагента Гриньяра ключевой стадии формирования ковалентной связи между атомом С титанциклопропанового фрагмента и атомом С карбонильной группы в комплексе 15. Действительно, если алкоксидные группы рассматривать как бе-лиганды, то 18е-комплекс титанациклопропана со сложным эфиром при присоединении этилмагнийбромида может превращаться в 18е-ат-комплекс 19, тогда как оксатитанациклопентан 16 является металлоорганической частицей с незавершенной 1 бе-оболочкой. Эта гипотеза позволяет объяснить существенное увеличение выхода продукта при использовании дополнительного эквивалента магнийорганического соединения в случае, когда алкоксид титана и сложный эфир присутствует в эквимольных количествах. В каталитической же версии реакции магнийорганическое соединение по отношению к алкоксиду титана находится в заведомом избытке и, таким образом, отсутствует необходимость расходования его дополнительного эквивалента на стадию образования оксатитанациклопентанового ат-комплекса 19. Отщепление алкоксимагнийбромида от оксатитанациклопентанового ат-комплекса 19 приводит к (3-титанокетону 20, изомеризующемуся в циклопропанолят 21. При алкилировании последнего, как и в первоначально предложенном механизме, происходит регенерация диэтилтитанового производного 13 и высвобождение циклопропанолята магния 18 [16].

Позже китайскими исследователями было проведено детальное теоретическое изучение механизма модельной реакции 1,1-диметоксититанациклопропана с метилформиатом. Согласно расчетам оксатитанациклопропановый интермедиат образуется из комплекса метилформиата с диметоксититанациклопропаном (соединения отвечающие структурам 15 и 16 на схеме при Я = Н, Я' = Я" = Ме) в экзотермическом

процессе с низкой энергией активации, тогда как формирование трехуглеродного цикла энергетически значительно менее выгодны и их скорости сопоставимы [17]. Ниже приведена схема механизма модельной реакции метилформиата с диметоксититанациклопропаном, предложенный китайскими авторами [16] на основании квантово-химических расчетов.

ТКОЯ)4 + 2Пг?%

Наряду с алифатическими эфирами карбоновых кислот в реакцию циклопропанирования были вовлечены и эфиры циклоалифатических карбоновых кислот [11, 18, 19]. Например, эфир циклопропанкарбоновой кислоты 22 при взаимодействии с Е11У^Вг и Т1(ОРг')4 образует 1-циклопропилциклопропанол 23, который далее может быть превращен в бициклопропилиден 24 и их олигоциклопропановые гомологи 25 [20, 21].

84%

a. 1. Е1М§Вг (2.1 экв.), Т1(ОРг% (0.25 экв.), Е^О, 20 °С; 2. Н30+

b. РРЬ3Вг2, пиридин, СН2С12, -10 - 20 °С.

c. 1-ВиОК, БМ80, 20 °С.

<1. К2СНС02Е1, [ЯЬ(ОАс)2]2 (1% экв.), СН2С12, 0 °С.

Также успешно были вовлечены в реакцию циклопропанирования метиловые эфиры циклопент-1-ен- 26 и циклогекс-1-енкарбоновых кислот 27 [22-24].

В аналогичных условиях приводит к образованию циклопропанолу 29 [20].

триэтилциклопропанкарбоксилат 28, 1,2,3-трициклопропилзамещенному

С02Е1

^ .'ОН

Е1М§Вг, П(ОРг% НО

80%

ЕЮ,С4 'СО,Д

2 2 47 НО

28 29

1. Е1М§Вг (2 экв.), Т1(ОРг')4 (0.1 экв.), Е120 20 °С; 2. НэО+

В работе авторов [20] был осуществлен синтез бисциклопропанола 31с помощью диэфиров карбоновых кислот из диметилсукцината 30 в присутствии Е1;М^Вг и каталитических количеств Т1(ОРг1)4.

ОН

Е1М§Вг, Л(ОРг')4

Ме02С ^^ С02Ме

30 80%

1. EtMgBr (2 экв.), П(ОРг% (0.1 экв.), ЩО 20 °С; 2. НэО+

Реакция циклопропанирования эфиров ненасыщенных кислот с удаленной от сложноэфирной группы двойной связью происходит без осложнений [25]. Так, метиловый эфир гептадец-16-еновой кислоты 32 в стандартных условиях каталитического циклопропанирования превращается в 1-гексадец-15-ен-1-илциклопропанол 33.

О ОН

Е1М§Вг, Т|(ОРг,))