Поведение дилитий(Дикалий) 2,3 , -бихинолилов в реакциях с нуклеофильными и электрофильными реагентами тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.03 ВАК РФ

РОССИЙСКИЙ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

им. Д. И. МЕНДЕЛЕЕВА

На правах рукописи

АКСЕНОВА ИННА ВАЛЕРЬЕВНА

ПОВЕДЕНИЕ ДИЛИТИЙ(ДИКАЛИЙ) 2,3'-БИХИНО ЛИЛОВ В РЕАКЦИЯХ С НУКЛЕОФИЛЬНЫМИ И ЭЛЕКТРОФИЛЬНЫМИ РЕАГЕНТАМИ

02.00.03 — органическая химия

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата химических наук

Научный руководитель: доктор химических наук, профессор

СМУШКЕВИЧ Ю. И. Научный консультант: кандидат химических наук, доцент АКСЕНОВ А. В.

Москва-1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ ........................................................................... 5

Глава 1. ДИАНИОНЫ И АНИОН - РАДИКАЛЫ АРОМАТИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ......................................... 8

1.1. Основные методы генерирования дианионов и

анион - радикалов ароматических соединений... 8 1.1.1. Электрохимическое восстановление ароматических соединений...;....................................... 9

1.1.8. Генерирование дианионов и анион-радикалов

с помощью металлов....................................... 12

1.1.3. Генерирование дианионов и анион-радикалов с помощью дианионов и анион-радикалов других соединений 16

1.1.4. Генерирование анион-радикалов и дианионов

с помощью анионов........................................ 19

1.2. Строение дианионов и анион-радикалов............. 21

1.3. Химические свойства дианионов и анион-радика лов................................................................... 23

1.3.1. Протонирование дианионов и анион - радикалов............................................................. 24

1.3.2. Превращение в а-анион(а-радикал) путем отщепления уходящей группы.................... 26

1.3.3. Олигомеризация........................................... 2?

1.3.4. Реакции с галогенопроизводными и простыми эфирами............................................. 29

1.3.5. Реакции дианионов (анион-радикалов) с карбонильными соединениями..................... 36

1.3.6. Реакции дианионов (анион-радикалов) с диоксидом углерода...................................... 38

1.3.7. Реакции дианионов (анион-радикалов) с водородом ..................................................... 39

Глава 2. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ............................... 40

2.1. Генерирование и протонирование дианионов 2,3'- бихинолилов............................................ 40

2.1.1. Полярографическое восстановление 2,3'- би-хинолила......................................................... 40

2.1.2. Генерирование дианионов 2,3'- бихинолилов

с помощью щелочных металлов.................... 43

2.1.3. Генерирование дианионов 2,3'- бихинолилов

с помощью литий и калий нафталинов.......... 46

2.1.4. Метод синтеза 4'-D-2,3'-бихинолилов............. 49

2.2. Реакции дианиона 2,3'-бихинолила с электро-фильными реагентами........................................ 51

2.2.1. Арилирование и гетарилирование дианиона 2,3'- бихинолила.............................................. 51

2.2.2. Катионозависимость реакции арилирования дианиона 2,3'-бихинолила.............................. 55

2.2.3. Синтез 4'-арил-2,3'- бихинолилов.................... 56

2.2.4. Реакция дианиона 2,3'- бихинолила с ал-килгалогенидами и эфирами фенолов............ 57

2.2.5. Ацилирование дианиона 2,3'- бихинолила..... 60

2.3. Реакция дианиона 2,3'-бихинолила с нуклео-фильными реагентами....................................... 63

2.3.1. Реакция дианиона 2,3'-бихино лила с метал-лоорганическими соединениями.................... 63

2.3.2. Новый механизм ароматического нуклео-фильного замещения....................................... 66

2.4. Установление строения полученных соединений....................................................................... 70

Глава 3. Экспериментальная часть....................................... 72

Выводы..................................................................................... 102

Литература............................................................................... 104

ВВЕДЕНИЕ

На фоне общеизвестных успехов химии ароматических гетероциклических соединений на химию симметричных и несимметричных бисгетероарилов и, особенно, на ее отличия от химии соответствующих гетарилов внимание практически не акцентировалось. Особый интерес представляет взаимное влияние гетероколец.

С другой стороны, стала очевидной важная роль одноэлек-тронного переноса в биологических процессах, таких как работа центральной нервной системы, дыхание, механизм канцерогенеза полиядерных ароматических соединений, механизм действия ряда лекарственных препаратов [1,8].

В связи с этим цель настоящей работы - исследование реакций дилитийСдикалий) 8,3'-бихинолила с различными электро-фильными и нуклеофильными реагентами.

В процессе выполнения работы нами последовательно решались следующие задачи:

1) Исследование одноэлектронного восстановления 8,3'- бихиноли-ла (глава З.1.).

8) Исследование реакции дилитий (дика лий) 2,3'-бихино л ила с га-логенопроизводными (главы 2.2.1. и 2.2.4.).

3) Исследование реакции дилитий (дика лий) 2,3'-бихинолила со сложными эфирами (глава 2.2.5.).

4) Исследование реакции дилитий (дика лий) 2,3'-бихинолила с ме-таллоорганическими соединениями (глава З.З.).

Проведенное исследование позволило получить следующие результаты:

1) Установлено, что реакция 2,3'-бихинолила со щелочными металлами (Li, К) приводит к образованию его дианиона (глава 2.1.).

2) Показано, что электрофильные реагенты реагируют с дианионом 2,3'-бихинолила региоспецифично по положению 4' (глава 2.2.).

3) Разработаны методы синтеза 4'-арил(гетарил)-1',4'- дигид-ро-2,3'-бихинолилов и 1'-алкил-4'-арил(гетарил)-1',4'-дигидро-2,3'- бихинолилов, основанные на реакции арилиравния дианиона 2,3'-бихинолила (глава 2.2.1.).

4) Показана катионозависимость реакции арилирования дианиона 2,3'-бихинолила (глава 2.2.2.).

5) Разработаны методы синтеза 4'-алкил-1',4'- дигидро- 2,3'- бихинолилов и 1'-алкил-4'-алкил-1',4'-дигидро- 2,3'-бихинолилов,

основанные на реакции алкилирования дианиона 2,3' - бихино-лила алкилгалогенидами (глава 2.2.4.).

6) Разработан метод синтеза 4'-ацил-1',4'- дигидро-2,3'- бихино-лилов, основанный на реакции дианиона 2,3'-бихинолила со сложными эфирами (глава 2.2.5.).

7) Открыта реакция алкилирования (арилирования) дианиона 2,3'-бихинолила металлоорганическими соединениями, что позволило разработать метод синтеза 2'-алкил-1',2'- дигидро-2,3'-бихинолилов (глава 2.3.).

8) Разработаны методы синтеза 4' -R-2,3'-бихинолилов, основанные на окислении соответствующих дигидропроизводных иодом в пиридине или диоксидом марганца (главы 2.1, 2.2.).

9) Предложен новый механизм нуклеофилъного замещения, включающий синхронный с атакой нуклеофилъного реагента перенос электронов с молекулы субстрата на молекулы растворителя (SnET). (Глава 2.3.)

ГЛАВА 1. ДИАНИОНЫ И АНИОН-РАДИКАЛЫ АРОМАТИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ (ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР)

1.1. Основные методы генерирования дианионов и анион - радикалов ароматических соединении

Основные методы генерирования рассматриваемых в данном обзоре дианионов и анион - радикалов заложены в их определении, так согласно [3] данные частицы представляют собой продукты химического, электрохимического или фотохимического восстановления ароматических соединений.

АгН - 6 * [АгН]--

Хорошо известны следующие типы реакций переноса элек-торона с участием органических акцепторов [4]:

1. Одноэлектронное восстановление нейтральных молекул, приводящее к относительно стабильным анион-радикалам.

2. Перенос электрона на органические катионы, приводящий к соответствующим "сопряженным" радикалам.

3. Захват электрона свободными радикалами (образование карбанионов) и анион-радикалами (образование диамагнитных дианионов).

В общем случае все эти реакции обратимы [4].

^[Дгн] 2-

1.1.1. Электрохимическое восстановление ароматических соединений.

Электрохимическое воостановление ароматических соединений имеет как прикладное [5-7], так и теоретическое значение [68].

Легкость определения полуволновых восстановительных потенциалов делает полярографический метод в настоящее время, пожалуй, основным для количественной оценки электроноакцеп-торных свойств гетероциклических соединений. При этом, естественно, полагают, что электрон направляется на НСМО, в пользу чего говорит существование хорошей линейной зависимости между величинами полуволновых восстановительных потенциалов и энергией НСМО, рассчитанной с помощью различных квантово-механических методов [9].

Полярография является весьма эффективным методом при выяснении природы и последовательности стадий сложной реакции электрохимического восстановления [10,11], которая часто протекает аналогично реакциям химического, каталитического и биохимического восстановления; для нахождения приближенных значений коэффициентов диффуции органических молекул; при подборе условий для электрохимического синтеза органических соединений, при подборе условий для электрохимического генерирования свободных ион-радикалов, изучение которых далее при помощи спектроскопии ЭПР дает уникальную информацию о распределении неспаренного электрона в частице [12]; для аналитического определения милли- и микроконцентраций органических веществ. Кроме того, полярография позволяет решать множество специфических проблем электохимии органических соединений,

таких, как определение констант скорости переноса электрона, определение константы скорости сверхбыстрой реакции протони-зации, определение адсорбционных характеристик органических молекул на заряженной поверхности электрода, изучение эффектов двойного электрического слоя.

Большое значение имеет циклическая полярография в неводных средах, которая позволяет оценить устойчивость продуктов восстановления (анион-радикалов, дианионов и т. д.) [13].

Гетероароматические соединения могут быть подразделены на 71-дефицитные и л-избыточные системы. Из них первые поляро-графически активны, так как вследствие недостатка л;-электронов в каком-либо положении цикла молекулы подвергаются нуклео-фильной атаке электрона, т. е. первичному акту электрохимического восстановления, легче, чем бензол и соответствующие ароматические углеводороды. К тому же в соединениях этого типа ге-тероатом способен протонироваться, алкилироваться и т. д., приобретая тем самым положительный заряд, что существенно облегчает электрохимическое восстановление [14,15]. Такими поляро-графически активными гетероциклами являются шестичленные азотсодержащие гетероциклы типа пиридина, хинолина, пиримидина и т. д. [15].

При электровосстановлении гетероароматических систем более значительную, чем при электровосстановлении ароматических систем, роль приобретает повышенная способность гетероароматических систем (или продуктов их электрохимического превращения) адсорбироваться на поверхности электрода, что зачастую существенно меняет их полярографическое поведение по сравнению с аналогами бензольного ряда. Не менее важным фактором является способность азотсодержащих (а иногда и кислород- и серусо-

держащих) гетероциклов к протонированию в неадсорбированном или адсорбированном состоянии. С одной стороны, приобретение положительного заряда может облегчить электровосстановление гетероцикла, но более часто возможность протонирования приводит к образованию каталитической волны водорода, что является характерной особенностью полярографического поведения азотсодержащих гетероциклов [15].

4,4'-Дипиридил дает две волны, из которых первая соответствует переносу одного электрона и приводит к образованию свободного радикала, окрашенного в синий цвет. Изомерные дипири-дилы также восстанавливаются в последовательности: 4,4'>2,2'>3,3' [16].

Хинолин и его производные в водных нейтральных, слабощелочных и водно-органических средах восстанавливаются в доступном районе потенциалов (от —1,4 до —1,6 В) с затратой двух электронов до 1,2- или 1,4-дигидрохинолинов. В кислой среде на эту волну накладывается каталитическое выделение водорода. Хинолин в 100% ДМФ дает две последовательные 1 е-ступени в интервале потенциалов от —2,5 до —2,8 в. [13, 15].

В ряду ароматических углеводородов способность к од-ноэлектронному восстановлению возрастает при переходе от бензола к конденсированным ароматическим системам:

бензол < дифенил < нафталин < антрацен < тетрацен

[8]; в том же направлении действует и введение электроноакцеп-торных заместителей.

Аналогичные закономерности были установлены и для производных пиридина [15]. Особенно сильное влияние на легкость

одноэлектронного восстановления оказывают заместители, находящиеся в положениях 4 и 2 пиридиновой системы [16].

1.1.2. Генерирование дианионов и анион-радикалов с помощью металлов

Тот факт, что расплавленный калий образует ярко окрашенный аддукт с нафталином, был известен уже Вертело (1867 г.) [3, 4], однако первую попытку детально изучить природу этого взаимодействия предпринял только Шленк (1910 г.) [4]. Он установил, что в среде диэтилового эфира антрацен и фенантрен образуют со щелочными металлами сильно окрашенные аддукты, обладающие свойствами свободных радикалов. Кроме того, внимание привлекли открытые Шленком аддукты с кетонами — кетилы, свободно-радикальная природа которых была однозначно доказана Сегденом, обнаружившим их парамагнетизм. В то же время, Скотт [19] показал, что и присоединение щелочных металлов в среде диметоксиэтана к ароматическим углеводородам является достаточно общей реакцией.

ArH + Met

В настоящее время данный метод наиболее широко используется для генерирования дианонов и анион-радикалов ароматических соединений [20-28].

Наиболее изучены так называемые «стабильные» анион- радикалы и дианионы, не содержащие способных к отщеплению атомов или функциональных групп. В этом случае перенос электрона обычно не сопровождается побочными процессами, а образующиеся парамагнитные частицы легко идентифицируются методами ЭПР или УФ-спектроскопии. В том случае, когда донором неспаренного электрона является щелочной металл, энергетический баланс реакции:

ArH + Met [АгН] ' Met +

приближенно описывается следующим соотношением [4]: АН = Ъ + I — Е — Б + — Б .—О

АгН М АгН - ^

где АН — энтальпия реакции;

Ь — теплота сублимации металла;

I — потенциал его ионизации;

Е^ — сродство молекулы АгН к электрону;

Бм+ — теплота сольватации образующегося катиона М+;

— анион-радикала АгН--; Q — энергия кулоновского взаимодействия ионов М+ и АгН ■

Образование анион-радикала может идти и в том случае, если молекула углеводорода имеет отрицательное сродство к электрону: Е^ бензола равно -0,54 эВ, однако в среде диметоксиэтана бензол также дает анион-радикал С6Н6-~ при действии зеркала щелочного металла. Теплота реакции бензола с калием в диметоксиэтане составляет «20 ккал/моль [4].

Чаще всего для получения анион-радикалов используют щелочные металлы или их амальгамы, но при достаточно высоком сродстве акцептора к электрону в роли донора могут выступать тяжелые металлы. Так, тетрацианэтилен образует анион-радикал при восстановлении порошком меди [30]:

N0 СК

>=< + Си

КС СК

N0 СИ >=<

КС СК

Си

+

В ряду щелочных металлов лучшим донором нередко оказывается литий. Взаимодействие дифенила с натрием (в диметоксиэтане) равновесно (К « 102) [31], тогда, как замена натрия литием приводит к дианиону [32]:

Ч\ ГЛ //

+ Иа

\\ /ГЛ //

Ч /

+ 2 и

\\ /

2-

2 и

+

Это можно объяснить большей сольватацией катиона 1л+ по сравнению с его аналогами по группе [33]. Равновесная концентрация анион-радикала бензола (в диэтоксиэтане) при использовании лития почти на два порядка выше, чем при использовании натрия [34]. Именно в случае лития, обладающего минимальным ионным радиусом (0,78 А против 0,98 уЖи 1,33 у К), в наибольшей степени проявляется действие сольватирующего

растворителя [35]. Если в отсутствие специфически действующего сольватирующего растворителя с нафталином и дифенилом реагирует только калий [36], то в среде тетрагидрофурана наиболее активным оказывается литий, это соотношение меняется при переходе к другим растворителям [4].

Так, если в диметоксиэтане нафталин восстанавливается натрием до анион-радикала С10Н8-~, то в жидком аммиаке обрара-зуется диамагнитный дианион С10Н82- [37]. Тримезитилборнатрий, существующий в бензольном растворе в виде диамагнитного диме-ра, диссоциирует на анион-радикалы [(СдНп)зВ] при добавлении тетрагидрофурана [38].

Металлические соли дианионов могут быть получены для болыненства аренов и гетаренов [8]. Чем более низким электродным потенциалом обладает исходный арен, тем легче он образует дианион. В частности, получены литий, натрий, калий и рубидий-органические соединения антрацена [39, 40]. Бифенил образует дианион с литием [41], натрием [42] и калием [43]. Литиевые соли наиболее стабильны, что связано с длиной связи в данных соединениях. Калиевые соли разлагаются в диметоксиэтане так, что после 4 часов (комнатная температура) разрушается 90% от первоначальной концентрации [43].

Об образовании дианиона нафталина впервые сообщил Шатенштейн и др. [44]. Только дилитиевая соль была получена в значительной концентрации [45]. Взаимодействие нафталинида калия с металлическим калием в диметоксиэтане приводит к образованию 1,4-дигидронафталина [47], вероятно, нафталин восстанавливается калием до дианиона, который протонируется ди-метоксиэтаном.

2-

2К

+

/

+ МеОК + /

1.1.5. Генерирование дианионов анион-радикалов с помощью дианионов и анион-радикалов других соединении

Кроме щелочных металлов источником электрона для образования дианонов и анион-радикалов могут служить анион-радикалы и дианионы. Напр