Отдаленная окислительная функционализация карбонильных соединений тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.03 ВАК РФ

АКАДЕМИЯ НАУК СССР

ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ИНСТИТУТ ОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ им. Н. Д. ЗЕЛИНСКОГО

На правах рукописи УДК 541.515 542.91

МИЗИНЦЕВ Василий Валерианопнч

ОТДАЛЕННАЯ ОКИСЛИТЕЛЬНАЯ ФУНКЦИОНАЛИЗАЦИЯ КАРБОНИЛЬНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

(02.00.03 — органическая химия)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

М о с к п а — 1 9 9 1

Работа выполнена в лаборатории исследования гемолитических реакций ордена Трудового Красного Знамени Института органической химии им. Н. Д. Зелинского АН СССР.

Научные руководители:

член-корреспондент АН СССР Г. И. Никишин,

доктор химических наук Э. И. Троянский.

Официальные оппоненты:

доктор химических наук, ведущий научный сотрудник Л. И. Беленький,

доктор химических наук, главный научный сотрудник А. Б. Терентьев.

Ведущая организация: Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова, химический факультет.

Защита состоится » 1991 г. в ^ча-

сов на заседании специализированного ученого совета К 002.62.02 по присуждению ученой степени кандидата химических наук в Институте органической химии им. И. Д. Зелинского АН СССР по адресу: Москва, 117913, Ленинский проспект, 47, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института органической - химии им. Н. Д. Зелинского АН СССР.

Автореферат разослан «'¿^ » 1991 г.

Ученый секретарь специализированного совета, доктор химических наук

Н. Я- ГРИГОРЬЕВА

Актуальность теш. К одним из наиболее эффективных методов синтеза полифункциональных органических соединений относятся процессы отдаленной функционализации ("remote functionalization"), позволяющие создавать способы региоселективного введения новых функциональных групп к неактивированным атомам углерода субстрата.

В решении этой проблемы ключевую роль играет уникальная его- . собность элементцентрированных органических радикалов с неспаренным электроном на атомах кислорода, азота, серы (в отличие от ионных ивтермедиатов) к изомеризации с 1,5- и 1,6-миграцией атома водорода от углероду к гетероатому, в результате которой собственно я проис^ ходит перенос реакционного центра на неактивированный атом углерода. В последние года в МОХ АН СССР разрабатывается оригинальный подход к отдаленной фунхционализации, согласно которому генерация исходных элементцентрированных радикалов одноэлектронным окислением, их перегруппировка в г(а)-функциональнозамещенные углеродцент-рировашше радикалы и окисление последних происходит в одну химическую стадию ("one-pot" реакции, одностадийная отдаленная фуикцио-нализация).

Успешная реализация этого подхода для одностадийной функциона-лизации карбоновых кислот, карбокс- и сульфонэмидов, аминов сделала актуальным вопрос о возможности вовлечения в такого- рода процессы карбонильных соединений.

Целью настоящей работы , явилось исследование реакций одноэлектронного окисления карбонильных соединений: алканонов, циклоалканонов, алканалей в системах, содержащих легкодоступный окислитель - пероксидисульфат натрия (в сочетании с цианидом натрия или сульфатом железа(II)); изучение влияния природы су"страта на процессы генерирования кислородцентриро в энных катион-радикалов и образующихся из них в результате перегруппировки углеродцентриро-ванных радикалов; разработка новых эффективных методов синтеза ' функциональнозамещегошх карбонильных соединений на основе реакции отдаленной окислительной функционализации.

Научная новизна и практическая ценность работы. Осуществлена одностадийная региоселективная окислительная функционализация алканонов, циклоалканонов, а также алканалей. Основными факторами, определяющими ориентацию этой реакции и ее региоселектквность, являются участие в окислении карбонильной группы субстрата, а также природа окислительной системы. Ключевой стадией процесса служит перегруппировка промежуточных кислородцентрированннх катион-радика-

лов с миграцией водорода в углеродцентрированные г («)-оксоалкильныв или *-оксоциклоалкильше радикалы, последующим окислением которых с переносом лиганда синтезированы цианоке товд, цианкислоты, дгасетоны, (оксоалкил)шфидины.

Разработан новый региоспецифический метод синтеза 4-цкано- ' циклогексанонов окислительным цианированием циклоалканонов системой пероксидисульфат натрия - цианистый натрий. Предложены простые методы получения бифункциональных соединений: цианокетонов, цианкислот, дикетонов.

Публикация и апробация работы. По материалам диссертации опубликовано 6 статей, тезисы стендового доклада Всесоюзной конференции по молекулярным перегруппировкам (Ереван, 1985 г.). Материалы диссертации были также представлены в пленарных докладах по проблеме отдаленной окислительной функционализации на Всесоюзной конференции по молекулярным перегруппировкам (Ереван, 1985), Совещании по асиметрическим реакциям (Батуми, 1986 г.), У1 Международной конф „овации по органическому синтезу ИШАК (Москва, 1986 г.). а также на тематической выставке "Ученые-химики - научно-техническому прогрессу" на ВДНХ СССР (1986 г.).

Объем диссертации. Диссертация изложена на страницах машинописного текста.и состоит аз введения, литературного обзора, обсуждения полученных результатов, экспериментальной части и выводов. Материал иллюстрирован таблицами и I рисунком. Список цитированной литературы включает наименований.

I. Отдаленное окислительное цианирование карбонильных соединений

1.1. Алканоны

Мы установили, что алканоны 1а~г под действием системы Ма36а08-МаСМ В воде при соотношении субстрат:Ыа-^Од:НаСН = 1:211 превращаются в цианокетоеы 2а-г (таблице I).

■учА «у\А

я " сы

1а-г 2а-г

а. к-й^н; б. л-мв, йЧн» в. ^-н; г. к-^-мв В случав 1а наряду с 2а образуется изомерный 4-циано-2-пентанон 3 и соответствующий циангвдрин - 2-циано-2-пентанол 4а.

При окислительном цианировании 1в наряду с 2в получен изомерный 6-цнано-2-гептанон 5, соотношение 2в:5 = 1:1,5. Побочный продукт окисления 1г - 2,5,5-трим9тил-2-ци8Нотетрагидрофуран 6.

Оказалось, что на эффективность реакции значительно влияют заместители у т-атома С : вклад реакции отдаленного цианирования наименьший, когда этот атом является первичным (в 1а), увеличивается в случае вторичного С-атома (в 16,в) и резко возрастает при окислении 1г, содержащего третичный г-атом углерода.

Таблица I. Окисление алканонов I в системе на2в2о8-насн

субстрат конверсия % продукты реакции,юс выход * на превращенный кетон»

г-цианокетон другие продукты

1а 100 2а, Ю 3, 16 и 4а,20

16 98 26, 35 -

Ь 74 2в, 12 5, 18

1г 88 2г, 70 6, 13

80-90 С, 5 Ч, отношение 1:Наа8208»НаСЯ»НаН80^ - 112(111

С целью оптимизации условий реакции на примере 16 было изучено влияние соотношения реагентов на выход продукта цианирования (таблица 2).

Таблица 2. Влияние соотношения реагентов на окис."<чше 2-гексанона 16.

относительные мольные количества реагентов конвер - СЕЯ 16 * продукты, выход % на пре-ращенный

16 Наем Наа8а°в ЯаН304 кетон*

I I 2 I 96 26, 36

I I 2 - 85 26, 12

I I I I 68 26, 20

I 2 2 2 95 26, 35

I I 0,7 2 2 0,7 90 85 26, 22 В 7, 13 7, 15~ .

*80-90°С, 5 Ч.

"Окислительное цианирование протекает наиболее эффективно при использовании 2 экв. окислителя - ка2з2о0 и I экв. ианзо^. Увеличение количества как насы, так и ыаН8о4 не приводит к повышению эффективности цианирования. При уменьшении количества каси с цианиро-', ванием конкурирует окисление кетона 16 в 2,5-гександаон 7 , который становится единственным продуктом в отсутствие насы.

и Ыа^О.-МаСЫ-НаНЗО,, Я и

Л/\/ —^-^ Л/у + Л/у

сы 0

16 20 7

Мы полагаем, что изученная реакция протекает по двум конкури-рувдим механизмам, относительный вклад которых определяется структурой ою-зляемого субстрата.

Первый из них включает одноэлектронное окисление кетонов 1а-г под действием сульфатных анион-радикалов в О-центрированные катион-радикалы 8а-г й ,1,5-миграцию атома водорода в них, приводящую к радикалам 9а-г, рторые далее окисляются до карбокатионов 10э-г. Циа-нокетоны 2а-г могут/образовываться как при взаимодействии 10а-г с анионом сн", так и путем рекомбинации 9а-г с сн* радикалами, являющимися продуктом окисления сы" действием .ка2з2о8. ^

ыв^о, в1 я 1.5~н я1 0

N0,501), н- м 1.э~п к- н

1а-г -V-» /\Л . > >лА в - я

Ва-г 9а-г ч^си'

«?* Й сы" А А

в "см

. 10а-г 2а-г

Подтверждением этой схемы служит фиксация методом ЭПР-спектро-

скошш при окислении 16 действием ка2в2о8 в присутствии 2-метил-З-

нмтроэопропана (МНП) в качестве спиновой ловушки аддукта радикала

96 с МНП - мвс{о)сн3сн2сн(ио)н(о*)ви-трет (триплет дублетов, значения ан и а^ 14,70 и 1,73 Э для спектра в гептане и 15,20 и 1,67 Э для спектра в этаноле). При распаде МНП образуется ме,сн{о')снв .

1+2

1.Нес(О)СН2СН2СН(Не)Н(О*)Вц-Тр9Т

2.МеэСН(0')СМе3

Рис. Спектр ЭПР (в этаноле) реакционной сшси окисления 2-гексанона 10 с помощью иа^Од.

Доказательством образования в условиях реакции от слуяиг обнаружение в специальном масс-спектромвтрическом модельном опыте дициана <см2) - продукта рекомбинации двух см' радикалов.

сн

СИ'

(СМ),

В случае 8в наряду с 1,5- происходит также 1,6-миграция атома Н, которая после аналогичных превращений приводит к 5. Образование 0-цианокетона 3 вероятно объясняется изомеризацией 10а посредством 1,2 гидридного сдвига в термодинамически более выгодный карбокйтпон П - предшественник 3, преобладающего в смеси с 2а.

♦/\Л

Юа

1.2~Н

ЛА

II

сы

сы о

лл

Что касается цианзамещейного тетрагидрофурана 8, то, скорее всего, промежуточный карбокатион 10г с открытой цепью циклизуется в 2,5,5-триметш1тетрагидрофурил-2-катион, взаимодействие которого с 2-172 5

с»Г и приводят к 6.

о

у^л-. а -

1г

— ЖЛ V * Г X У * Г V ^ "

сы

Ш • 6

Альтернативный путь образования цианокетонов включает гвдроциа-

нирование 1а-г с образованней 1п в!*и циангидринов 4а~г. Последующая окислительная перегруппировка 4а-г с 1,4-миграцией сн-группы приводит к 2а~г.

1а-г уОС— У<ХМ

'» 48-Г .

~ I

i. о* ш ♦ " я я1 он

О—»"

.. ■ " : но 04

Механизм такого -рода перегруппировок был подробно рассмотрен ранее (кв1уоаа а., наувХег к. 8уп«шв1а, 1971, р. 5ог-52б; при инициировании на28а°8 см. Огибин Ю.Н., Махова И.В., Горожанкин С.К., Никишин Г.И. Изв. АН СССР, Сер. хим., 1984, с. 2300-2305).

Вклад второго маршрута реакции подтверждается увеличением выхода 2а-г при добавлении йаН504, способствующего образованию промежуточных циангидринов 4а-г. Возможность получения цианокетовов 2а,б,г, е также 3 и 5 из соответствующих циангидринов, подтверждается модельными экспериментами.

В пользу первого механизма реакции цианирования кетонов говорит также отсутствие цианозамещениого тетрагидрофурана 6 среди продуктов окисления ьшангидрина 4г как в системе на2в2о8-Адно3 (выход 2г 66», конверсия 4Г.75»), так и в системе на282о8-нанзо4 (выход 2г 621, конверсия 4г 100»). 6

1.2. АЛК8НЗЛЯ

Аналогично алканонам, алкэнали 12а,0 также подвергаются окислительному цианированию в системе на2820в-касн-нан504. В результате

реакции били получены и в-цианокислоты 13а,б и 14а,б (таблица 3).

см

^Х/Ч/ "о^О.-НоС^ +

% хн см он

128,6 138.6 146

а. в-и

б. й-ив

15а,б

Таблица 3. Окисление алквналей 12а,б в системе на2а2ов-иасн

субстрат продукты реакции,их выход * на исх.кислоту *

т-циано-кислота г-циано-кислота алкановая кислота

12а** 13а, 60 •15а, &

126" 136, 18 Мб, '36 156, 5

»»

80-90"С, 5 ч., соотношение 12! Ыа^Од:НаСМ:НаНЭ04 - шил "конверсия 100%

Побочно образующиеся алкановыв кислоты 15а,б (выхог - 5%) являются обычными продуктами окисления алканалей пероксидисульфатами.

При переходе от квтонов к альдегидам второй из описанных выше маршрутов реакции окислительного цианирования, вероятно, начинает играть доминирующую роль. Промежуточно образуются циангидрины 16а,б, окислительная перегруппировка которых приводит далее к

13а,б. 12а,0

СМ

\/Ч/ун-, \Х/у° - 146

см чж

16а,б

13а,б

1.3 Циклоалканоны Особый интерес представляет реакция окислительного цианирования применительно к циклическим кетонам.

Под действием системы на2з2о8-насн в присутствии ианзо4 циклоал-каноны 17а,б региоспецифично превращаются в соответствующие 4-цианоциклоалканоны 18а,б (таблица 4).

Ноа8а0в-МоСМ /V

17а,б a. n=i ; б. п»2 18а,б

Таблица 4. Окисление циклоалканонов 17а,б В системе Ha,fe,0o-HaCN

субитрат ■ конверсия % продукт реакции, выход % на превращенный алканон *

17а |7б • 95 85 18а, 30 ** 180, 35

*80-90°С, б Ч, отношение 22!На28208:НаСН - 1:3:1

**образуется также 45% соответствующего циангидрина -1-цивно-1-циклогексанонв 19а.

Следует отметить, что если для циклогептвнона 176 возможны оба маршрута окислительного цианирования, аналогичных рассмотренным ранее для алифатических кетонов, то для 17а образование цианопроиэвод-ного 18а возможно только путем прямого окислительного цианирования.

о н н о но

... .

17а 20

18а

Ранее было показано, что единственным продуктом окисления циангидрина 19а является исходный кетон Г7а. Инертность циангидрина 8

шпслогексанона к перегруппировке, очевидно, обусловлена неспособностью 19а и соответствующего катион-радикала 21, в отличие от катион-радикала 20, принять конформацию с аксиальным расположением атома О, которое необходимо для 1,5-миграции атома II.

: ООС <Хх:-Х- -О-

19а 21 18а

Большое значение дальней константы спин-спинового взаимодействия между атомом С группы сн и аксиальным протоном у С2 (3JCN(H =7,2Гц) в спектре ЯМР 13С подтвервдает значительное преобладание в 19а конформера с экваториальным расположением группы ОН.

Методами ПМР (250 МГц) и хромато-масс-спектрометрии показано, что при взаимодействии циклопентанона с системой Na2s2oß-HacN цианоциклопентаноны не образуются.

2.Стереохимия окислительного цианирования метилцикдогексзнонов

Метилциклогексаноны 22а^-в подобно незамещенному циклогексано-ну подвергаются региоспецифическому окислительному цианированию по С-4 атому под действием системы Ha2s2o8-HaCN с образованием 2-, 3-и 4-метил-4-цианоциклогексэнонов 23а-в. Наряду с 23а-в образуются циангидрины исходных кетонов 24а-в (таблица 5).

ONe1S,0,-NoCN у—V у—ч ПН

22а-в 23а-в 24 а-в

а. R-2-Не; б. R»3-Me; В. R-4-Ma

Лля 2- и 3-метилциклогексанонов реакция окислительного цианирования транс-стереоселективна : соотношение цис:транс 23а,б составляет Ы,5 и 1:2 соответственно.

3-172 .9

СИ

сн» сн, сн,

22а цис-23а , транс-23а

см н

\ Ноа820,-НоСН ^

сн сн3

н н

226 цис-236 транс-23<5

Таблица б. Окисление метилщпаогексанонов 22а-в В системе Ыа^О^аСН

субстрат конверсия * Продукты реакции,их выход % на превращенный кетон*

г-вданокетон другие продукты

22а ' 90 23 , 12 ** 24 , 45

226 95 . 23, 36 *** 24 , 45

22в 90 • 23 , 30 24 , 40

*80-90°С, 5 Ч., отношение 22:На2Б203:ЫаСН = 1:2:1 "смесь цис- и транс-изомеров 1:1,5 ***смесь цис- и транс-изомеров 1:2

Реакция сопровождается частичным осмолением, особенно значительным для 22а.

4-Цианоциклогексаноны 23а-в выделяли в виде смеси цис и транс изомеров препаративной хроматографией на колонке и анализировали методами ГЖХ и спектроскопии ПМР. Форма и ширина мультиплета (и= рш) сигналов групп снсн в цис- и транс-23а (также как и в 4-циа-ноциклогексаноне 18а) указывает на отсутствие вицинального заместителя. Из сравнения с литературными данными по замещенным циклогек-санам и циклогексанонам следует, что группа си в одном из стерео-изомеров 23а занимает преимущественно экваториальное положение (4^^=2,99 м.д., триплет триплетов и = 2x12,25 + 2x3,4 = 31,3 Гц),

Ю

а в другом - преимущественно аксиальное положение («снсн=3,15 м.д., сложный мультиплет, и = 14,8 Гц).

Объемистая группа СН3 предпочтительно занимает экваториальное полоиение (для 2-метилциклогексанона лсС11^=6,3-8,4 кДк/моль), на оспованин чего первому изомеру была приписана цис-, а второму • транс-конфигурация.

Аналогичное сравнение с литературными данными дает возможность приписать транс-конфигурацию изомеру 236 с преимущественно экваториальными группами снэ и си (5СНСН=2,80 м.д., мультиплет, 1,4+10,2+3,2=24,8 Гц; раствор в (со3)2со, т.к. в сос13 сигнал снсн перекрыт другими сигналами) и цис-конфигурацип изомер,, 236 с экваториальной метальной и аксиальной си-группами (5СНСН=3,03 м.д., квадруплет, »1=4x2,85=11,4 Гц).

Установлено, что соотношение цис- и транс-изомеров 23а,б не зависит от времени реакции и не изменяется при нагревании в присутствии На^Од.

Мы полагаем, что механизм окислительного цианирования метил-циклогексанонов аналогичен окислению даклогексанонз и включает од-ноэлвктронное окисление исходных кетонов до кислородцвнтрированных квтион-радикалов 25а-в, с последующими 1,5-миграцией водооода и отщеплением протона, что приводит к 4-оксоциклогексильным'радикалам

26 а-в. 9"»

^н, ———

| см" •

СИ' ) —-

25а-в 263-в 23а-в

Превращение последних в 23а-в, как уже отмечалось выше, может происходить как через окисление до катиона и взаимодействие с см", так и путем рекомбинации радикалов.

Для протекания реакции окислительного цианирования принципи-

22а-в ^ / ' >=о З^и-./ 1 >=о

"-О

альное значение имеет конфэрмация исходного шестичленного цикла. Существуют две конформации, в которых достигается достаточная пространственная сближенность атома О и мигрирующего атома Н в переходном состоянии реакции : это конформация твист-ванны 27 и ванны 28.

Н н'' * 'о

н м о V й

№

нас

27 28

Расчет методом молекулярной механики (к.х.н. В.А.Святкин, ИОХ АН СССР) показал строгую предпочтительность для 22а-в твист-кон-

формации с экваториальной ориентацией метальной группы. Наблюдаемая

<

. транс-стереоизбирательность окислительного цианирования 22а,б (на схеме изображено цианирование 226) согласуется с генерированием катион-радикала 27а и его региоспеци$ической перегруппировкой с 1,5-Н миграцией, приводящей тс радикалу 29а.

Фактором, обуславливающим транс-диастереоселективность, наиболее вероятно является закрепленность конфигурации возникающего радикального центра при С4~атоме благодаря связанности мигрирующего Н в переходном состоянии 29а одновременно с атомами С4 и 0. При этом рекомбинация с сн* проходит с тыла относительно мигрирующего Н до его полного переноса от атома С4 к 0 и приводит к транс-23а.

они 0-н..н

см

29а транс-23а

Естественно, что с факторами, обеспечивающими стереоселектив-

ность цианирования, эффективно конкурируют обычные для радикальных и

карбокатионных процессов факторы, благоприятствующие полной эпимери-

зацин и отсутствию стереоизбирательности.

Прямая реакция окислительного цианирования швелогексанонов является необычным примером реакции отдаленной функционализации, когда активатор (группа С=0) и Н-атом, мигрирующий от С-4, принадлежат к одному циклогексановому кольцу.

Полученные по реакции окислительного цианирования цис- и транс--2(3)-4-метил-4-цианоциклогексаноны, наряду с 4-цианщпигогексанонои, стали объектами конформационного анализа. Конформзционные свойства циклогексанонов, имеющих в пара- положении заместители X, относятся к актуальным и интересным проблемам конформационного анализа.

По литературным данным следует, что в отличив от соответствующих моно-замещенных циклогексанов, где доминирует экваториальный конформер, в »информационном равновесии Х-монозамещенных циклогексанонов преобладает аксиальная форма.

Нами были изучены конформзционные равновесия 4-цианоциклогек-санона 18а и его 2- и З-метаппроизводных 23а и 236 в серии растворителей методом ПМР. Метилпроизводные исследовались в виде смесей цис- и транс-изомеров. Положение конформационного равновесия определяли по усредненной ширине сигнала (и=рЩ{) протона геминального к цианогруппе, используя уравнение и=иАпА+"эпэ' гда на и "э " па~ раметры конформеров, а пд и пд - доли этих конформеров в равновесии, пд + пд = I. Для вычисления граничных параметров цис- и транс-236 были использованы константы спин-спинового взаимодействия. Разность свободных энергий конформеров вычислялась по .формуле да=-кт1п(пд/пд).

В случае цис-23а и транс-236 наблюдается преобладание экваториальной формы (95 - 96% и 85 - 92% в зависимости от растворителя) соответственно, а для транс-23а и цис-236 - аксиальной (90 - 96» и 87 - 95%). В случае 4-циано-цшиюгексанона 18а наблюдается сильная зависимость положения конформационного равновесия от растворителя

13

(ОТ 45% В (CDjJjCO ДО 71% В C6D6 ДЛЯ 8КСИ8ЛЫЮГО КОНфОрМвра).

Таким образом на основании проведенного исследования видно, что наиболее интересным, с точки зрения конформационного анализа, представителем 4-38мещвшшх циклогексанонов является 4-цианоцикло-гексанои. Положение его конформационного равновесия в значительной степени определяется дальними орбитальными взаимодействиями заместителей и существенно зависит от полярности и природы растворителя.

3. Отдаленное окисление алканонов и циклоалканонов

Рассмотренный вше механизм одностадийного отдаленного окислительного цианирования алканонов по у(8)-атомам углерода относительно карбонильной функции предполагает универсальный характер первых втдров реакции - одноэлектронного окисления с генерированием кисло-родлептрнроввюгого катион-радикала и перегруппировки с 1,5(1,6) -миграцией водорода в углеродцвнтрированные радикалы

Окисление последних с переносом лиганда предполагает возможное! введения в молекулу таким образом и других иуклеофшэв (ни; отличных от сн-грушш.

Нами установлено, что при окислении кетонов системами, содер жащиш цороксидисульфат натрия в воде, последняя (при отсутстви

в г- и а-дикетоны

Nu

иных нуклеофиюв) может выполнять роль нуклеофмла (ОН), вводимого в окисляемый субстрат. 14

Наш показано, что кетоны 16,в,д под действием различных систем, содержащих пероксидасульфат натрия, превращаются в 1,4-дикетони 306,в,д и 1,5-дикетоны 31в,д.

А/\л, -• /8ч/УЧ" ' А^Л

16,В,Д 306,В,Д Э1в,Д

6. И»Н; В. Й-Мв; Д.

Собственно на252о8, а также в сочетании с ддмо3 или с ддно3-сцзо4 оказался малоэффективным в превращении алханонов в т(8)-дак9Тоиы (таблица 6).

Таблица 6. Окисление алкэнояов 10,р,д под действием систем содержащих на.Б-о.

кетон количество эквивалентов Ка232°в соль конверсия * продукт, выход на превращенный кетон

16. I - 34 306,23

16 2 Адно3** 85 306,15

16 I -95 306,<6

1<3 I Си80., АдНО* -95 306,<6

1в т - 33 30в,14 и 31в,10

*80-85°С, бч;

"отношение I: на23208:адн03-1!1:0,15

***0ТН0ШвНИв 1:ма28208:ади031сиб04-1л:0,15:0,2

Эффективность этой реакции резко увеличивается при использовании для ее инициирования пероксидасульфата натрия в сочетании с сульфатом железа - эффективным катализатором разложения 82°8 до анион-радикалов зо4~'. .

Таблица 7. Окисление квтонов 16,в,д системой на2з208-РвБ0ч

субстрат конверсия % продукты реакции,их выход** на превращенный кетон

1,4-дикетон 1,5-дикегон

16 44 30а, 50

1в 40 306, 23 . 316, 27

и 40 ЗОв, 36 316, 12

16.в.д

60,в,д

80-90°С, 641 соотношение 1!Ма28208!Гв804х7Н20 - 1:1:0,15

Механизм данной реакции, очевидно, аналогичен приведенному для реакции цианирования и включает генерирование на первом этапе кис-лородценгрнрованных катион-радикалов 8, изомеризующихся далее с 1,6- и 1,6-миграцией водорода в С-центрированные радикалы 32 и 33. ДэльноШее окисление последних, скорее всего через промежуточные кетолы 34 и 35 приводит к 1,4- и 1,5-дикетонам 30 и 31.

. , *он о

/ч/Ч/\ —» Л/у\ 2

320,В,Д 346,8,Д "" *он о он

А/\Лд —* Ау\/\ - у

1 • б~Н

ЗЗв.д 35в,д

Зависимость ориентации окисления 2-гоптанона 1в от присутствия ионов хелеэа - преобладание 2,5-гептандиола ЗОв при окислении в отсутствии г«во4 - связана, скорее всего, с влиянием комплексообра-эоввния ионов г*г+(г«5*) с катион-радикалами 8 на реакционную способность, в частности, на перегруппировки с миграцией водорода.

Легкое выделение 2,5-гександиона 300 или смесей т- и «-дикетонов ЗОв,31в в ЗОд.ЗГд из реакционной смоси обычной перегонкой позволяет рассматривать данную реакцию как эффективный метод синтеза дикетонов прямым окислением алканонов. С помощью колоночной хроматографии выделены индивидуальные 2,5- и 2,6-гептандионы зов и 31 в. 16

В случав б-мвтил-2-гвксанона 1г образование г-дикетона невозможно из-за наличия только одного Н-атома у г-атома углерода, и основными продуктами окисления в системе ыа282о8-кезо4 являются 2,2,5-тримэтал-2,3-дигидрофуран 36 и г-кетол - 5-гидрокси-5-матил-2-гексанон 37 с выходом около 30 и 15» соответственно на превращенный 1г, конверсия 36%. Определение точных количеств продуктов 36 в 37 затруднено из-за легкой циклизации с последующей дегидратацией 37 в 36 и высокой летучести и нестабильности последнего. Превращение г-кетол <—► 2,3-дигидрофуран является обратимым; гидратация 36 в 37г легко протекает уже при наличии следов воды, тем более, что реакционная среда в процессе окисления становится кислой.

Л/х>— Л/ч< -

• 32г

37г он зб

Ал< __I

10Г

Идентификация кетола 37 в реакции 1г в системе на2в2ов-гвво4 подтверждает. рассмотренный вше механизм окисления I в днкетонн 30 И 31 .

Одной из основных причин неполного материального баланса в окислении I является, на наш взгляд, конкурирующая с перегруппировками в С-центрированные радикалы 32 и 33 р-фрагментвция катион-радикалов 8 по связям'С-С(О).

1° —»А^/ 86

г-2-» СН, —> СН»

си И»

С,Н, * С]Н|

При газохроматографическом анализе газообразных продуктов окисле 1шя 2-гексанона 16 обнаружены метан, бутан и 1-бутен как

17

первичные продукты фрагментации 80, а также атан и этилен - продукты дальнейшего расщепления бутильного радикала.

Для цикловлканонов данная реакция менее эффективна и, главное, менее селективна, чем для алифатических кетонов. Наиболее избирательно процесс протекает в случае циклогептанона 176. Выход 1,4-циклогептандиона 386 достигает 30% на превращенный кетон, при конверсии 66%.

Из цнклогексанона и циклопентанона 17а,в, кроме дикатонов 38а,в, образуется алкановые кислоты 39а,в - продукты расщепления цикла, о о

/Лен.) А^

) у»'«» --♦ гу»'п «• рг(сна)псоон

а.п-а» б.п-1; в.п-1 17а-в 38а-в 39а,в

Соотношение 38в:39в и 38з;39а равны 1:8 и 1:10, суммарный выход 20 ш 25%. Среди продуктов реакции были также идентифицированы непредельные соединения: в окислении 17в - циклопент-2-ен-1-он 40в, а в случае 17а - смесь циклогекс-2-ен-1-она 40а и изомерного цикло-гвкс-З-вн-1-она.

Окисление цикловлканонов 17а-в в системе На282°в~г*304 С0ПР°~ вождаатся осмоленяем, связанным как с обычными в кислой среде реакциям» конденсации, так к с ¿-фрагментацией промежуточных катион-радикалов. Последняя, скорее всего, ответственна за дециклиэацга 17в,в с образованней 39а,в.

о»

17в.в_^_ ГуЛ --/\У\(сы,)пст)*-- 39а.в

| х. гидролиз |г.диыеризация

продукты осмолокия

Таким образом, исследованная реакция прямого окисления кетоно:

в дикетоны демонстрирует возможность применения одноэлектронноп 18

окислителя для отдаленной функционализ ации ке тонов по неактивированному атому углерода.

4. Прямое окислительное оксоэлкилирование пиридинов Взаимодействие нуклеофильных радикалов с протонированными гетероциклическими основаниями пиридинового ряда, протекающая как ароматическое замещение, (т.н. реакция Миниши), является удобным методом получения различных замещенных гетероциклов.

В соответствии с высказанными ранее соображениями о возможности введения в перегруппированные 4-оксоалкильные радикалы 9, генерируемые одноэлектрошшм окислением кетонов I, различных нуклесхХа-лов, мы исследовали инициируемую окислительной системой на2з2ов-газо4 реакцию 2-гексанона 16 с пиридином 41а, 4-метил- и 4-цианош-ридинами 410,в в присутствии I мольного эквивалента н2зо4 (соотво-шение 1:41:нааз2о8:гв504а1:1:1:о.15), с целью изучения возможности использования алкановов в качестве алкилирувдих агентов в реакции

Нами, установлено, что окисление 2-гексанона 16 в присутствии пиридина 41а, протонированного серной кислотой, системой На282°8~ гвзо4 приводит к образованию 2- и 4-(4-оксо-1-метилпентил)пиридинов 42а,а и 2-(3-оксо-1-этилбутил)пиридина 44а, конверсия кетона 16 в пиридина 41а - 65 и 60%, выход изомерных (оксоалкил)пиридинов 42а, 43а, 44а - соответственно 4, 10 и 3% на превращенный кетор.

аъздск.си.ск, ♦ А '

„ У ЦУ-^сн.ссн,

16 " и СН, о

41а 42а

I СНгСН.ССН] н

й

сн, о

43а 44а сна

, В аналогичных условиях из г-пиколина 416 образуются 2-(4-оксо-1-«етилпвнтил)-4-метил- и 2-(3-оксо-1-этилбутил)-4-метил-пиридины 426 в 446, конверсия кетона 16 и г-пиколина 416 - 60 и 65*. выход продуктов оксоалкилирования 426 и 446 - соответственно 10 и 7* на превращенный 16.

16 ♦ г п ——-^

-^нсн,сн,ссн, сн, о

416 420 _

При окислении 16 в присутствии 4-цианопиридина 41в получены 2-(4-оксо-1-метилпентил)-4-цивно- и 2-(Э-оксо-1-этилбутил)-4-циано-шгг'мины 42в и 44в, конверсия кетона 16 - 50%, пиридина 41в - 70%, выход продуктов оксоалкилирования 42в и 44в - 22 и 8 % на превращенный 16.

сн, о

«в 42в

Полученные результаты показывают, что в пиридине 41а, в кото-рои свободны все три различные положения (относительно атома азота), оксовлкнлированве преимущественно происходит по с-4 атому и преобладает соогввтсгвущиЯ продукт 43а. При этом 3 положение в гетероциклическом основания не затрагивается. В г-пиколине 416 и 4-цианопиряднне 41в, где 4 положение занято заместителем, оксоалки-лнрованнв избирательно протекает по С-2 атому с образованием 426, 446 в 42в, 44в. При атом 4-ЦИвНОШфИДИН 41в. судя по выходу продук-20

44в

тов, наиболее легко вступает в реакцию оксоалкилирования.

' В отличие от ранее рассмотренных процессов региоспецифической функционализации 2-гексанона 16 по »-положению с образованием 5-ци-ано-2-гексанона 26 в система на2Б2о8-насн (раздел 1.1) и 2,5- гек-сандиона 30а в системе ма2з2о8-гв8о4 (раздел 2.3), а также идентификации при исследовании методом ЭПР только г-оксозамещенных 1-м9тил-4-оксопентильных радикалов МеСНСН2СН2С(0)М9 96, изученная реакция введения пиридиновых остатков в молекулу 2-гексанона 16 протекает неселективно и наряду с продуктами функционализации по т-положанЕЮ - 5-(к-пиридил)-2-гексанонами 42а-в, 43, образуются также 4-(4-н-пирид-2-ил)-2-гексаноны 44а-в (и=н, ме, сн) - продукты алкилирования пиридинов 41а-в /з-оксозамещенными 1-зтил-З-оксобу-тильными радикалами 45. С другой стороны, как отмечалось выше, результаты других изученных реакций окислительной функционализации 16 соответствовали генерации из него только одного типа радикалов -7-оксоалкильных 96. Скорее всего, неселективность функционализации обусловлена участием азотцентрированных катион-радикалов 46а-в в реакции передачи цепи на исходный кетон 16. Эта реакция подчиняется, как и другие реакции, инициированные аминиевыми катион-радикалами, полярному контролю; отрыв водорода от СН2 в а-положении к карбонилу дезактивирован последним, причем эта дезактивация резко ослабляется при отрыве водорода от более удаленных метальных групп.. Наиболее легко происходит отрыв от так называемого (ы-1) -.положения соседнего с СНд-группой, но при этом генерируется радикал 96, получающийся и при перегруппировке с миграцией водорода кислород-центрированного катион-радикала 86. В целом, генерацию изомерных оксоалкильных радикалов 96 и 45 и образование конечных продуктов реакции оксоалкилирования можно представить следующей схемой »

• . 1.6-и

16 -- м.ссн,сн,сн,м. ——» м.сси,сн,снм»

~ «♦. -н К в

0 86 0 96

о

^н, о си,

44а-в

41 а-в

• "-1

м.ссн.снсн.и» 45

« • —

0 ♦

м*ссн.си.сж* 9 II

О

»0й н

n «*> 8 -Н*

| 2. подщелачиваете 42а-в

Таким обрезом, исследованная реакция демонстрирует возможность прямого окислительного оксоалкилирования про тонированных пиридино-аыг основания алканонами.

С другой стороны показано, что органические нуклеофилы - пири-дкны подобно неорганическим нуклеофиам (цианид-иону, гидроксилу (воде)) могут Сыть введены в алкаионы по реакции отделенной окислительной функцяоналнэацни.

выводы

I. Разработан новый подход к направленной трансформации карбонильных соединений - одностадийная отдаленная функционэлизацая влкавовов, циклаалхавонов. алквналей по не активированному атому углерода в системах ва основе пероксидисульфвта натрия.

. 2. Цра одяоалектронвом окисления пероксядясульфатом натрия в сочетании с цианидом натрия алканоны превращаются в у- и «-цианоал-канонн, в алсавшв - в г- к а-цианоалкановые кислоты со значительным преобладанием продуктов »-цианирования.

3. На осяовавии изучения зависимости протекания этих реакцй

гг

от структуры исходных субстратов, данных ЭПР, а такса иодалыш экспериментов по поведет® циангидринов соответствующих карбонильных соединений в условиях реакции установлено, что реакция происходит по двум механизмам, относительный вклад которых определяется структурой карбонильного соединения. Первый из них (прямое цианирование) включает одаоэлектронное окисление по группе С=0 с генерированием кислородцентрированных катион-радикалов, их перегруппировку с 1,5(1,6)-миграцией водорода в углеродцентрированные радикалы я превращение последних с переносом циано-группы в конечные продукты реакции - цианокарбонильные соединения. Второй маршрут предполагает промежуточное образование in situ цианогидринов и их последующую окислительную перегруппировку.

4.' Открыта новая региоспецифическая реакция окислительного цианирования циклогексанонов по С-4 атому - необычная реакция отдаленной функционализации, когда активатор (группа С=0) и Н-атом, мигрирующий от С-4, принадлежат к одному циклогексановому кольцу.

5. Установлено, что окислительное цианирование 2- и 3-метил-циклогексанонов по атому' С-4 является транс-стереоизбирательной реакцией. Стереоселективность процесса согласуется с непосредственным участием карбонильной группы в определении ориентации и стереохимии функционализации неактивированного атома водорода.

6. Показано, что под действием системы пероксидисульфат натрия - сульфат железа (II) алканоны и циклоалканоны превращаются.в 1,4 -(или 1,4- и 1,5) - дикетоны.

7. При одаоэлектронном окислении злканонов в системе перокси-дисульфат натрия - сульфат железа (Ч) в присутствии протонирован-ных пиридиновых оснований происходит 7-оксоалкилирование последних по атомам С-2 и С-4, что согласуется с промежуточным генерированием 4-оксоалкильных радикалов при окислении злканонов пероксидисульфз-

23

том.

8. На основе разработанного подхода к одностадийной отдаленной окислительной функштонализвции карбонильных соединений предложены простыв препаративные методы синтеза г(з)-цианоалканонов, *(«)-циан8Лкановых кислот, 4-цианоциклогексанонов, 1,4- и 1,5-ди-квтонов.

Основное содержание диссертации изложено в следующих'работах:

1. Троянский Э.И., Мизинцев В.В., Молоканов А.Н., Огибин D.H., Никишин Г.И. Прямой метод введения цианогруппы в кетоны // Изв. АН СССР. Сер.ХИМ.-1986.-НЭ.- С.729-730.

2. Hlklshin а.Г., Troyansfcy E.I., Mieinteev V.V., Holokanov A.N., Ogibin V.M. // Remote oxidation of Carbonyl Compounds in HSjSjOg-HaCN:EBBonttally Simple Approach to y- and 6-Cyano-dortvatives.//Tetrahedron Lett. - 1986. - V.27.-H 35.-P. 4215-4216.

3. Троянский Э.И., Мизинцев B.B., Молоканов А.Н., Огибин D.H., Никитин Г.И. Одностадийное удаленное окислительное цианирование кетонов и альдегидов // Изв. АН СССР. Сер.хим.-1986.-Н12.- С.2725-2734.

4. Троянский Э.И., Мизинцев В.В., Самошин В.В., Луценко А.И., Свят-кин В.А., Никишин Г.И. Стереохимия отдаленного окислительного цианирования иетилциклогексанонов// Изв. АН СССР. . Сер.хим.-1989,-HZ.-С.344-351.

5. Зейиров Н.С., Самошин В.В., Троянский Э.И., Мизинцев В.В., Свят-кин В.А., Луценко А.И., Хартумов И.Ш. Стереохимические исследования. XXXvlI. Конформационные свойства 4-цианоциклогексанона и его метилпроизводных'.// I.Орг.химии, T.XXIIKI987).,-н.11, С. 2338-2344,

6. Троянский Э.И., Мизинцев В.В., Лазарева М.И., Демчук Д.В., Никишин Г.И. Отдаленное окисление кетонов в *- и e-дикетоны.// Изв. АН СССР. Сер.хим.-1989.-нб,-С. 2044-2049.

7. Троянский Э.И., Мизинцев В.В., Молоканов А.Н., Огибин D.H. Гомо-лигические перегруппировки в реакции одностадийного окислительного цианирования карбонильных соединений.// Тезисы докладов Всесоюзной конференции по молекулярным перегруппировкам. - Бревен.-1985.-С.46 6. Троянский Э.И., Мизинцев В.В., Самошин В.В., Никишин Г.И. Диа-стареосвлектнвные реакции окислительной функционзлиэации // Тезисы докладов I республиканского совещания по асимметрическим реакциям. Батуми.-1986.-С.43.