Реакции нуклеофильного замещение водорода в азинах с участием литийпроизводных ферроцена и цимантрена тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.03 ВАК РФ

На правах рукописи

МУСИХИНА Александра Александровна

ПРЯМОЕ НУКЛЕОФИЛЬНОЕ ЗАМЕЩЕНИЕ ВОДОРОДА В АЗИНАХ С УЧАСТИЕМ ЛИТИЙПРОИЗВОДНЫХ ФЕРРОЦЕНА И ЦИМАНТРЕНА

Специальность 02.00.03 - Органическая химия

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

Екатеринбург 2013

005545615

005545615

Работа выполнена на кафедре органической химии Химико-технологического института ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина»

НАУЧНЫЕ РУКОВОДИТЕЛИ:

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ:

Чупахив Олег Николаевич

доктор химических наук, профессор, академик РАН

Утепова Ирина Александровна

кандидат химических наук, доцент

Федюшкпв Игорь Лсоввдоввч

доктор химических наук, профессор,

член-корреспондент РАН,

ФГБУН Институт мегаллоорганической химии

имени Г.А. Разуваева РАН,

заведующий лабораторией органических

производных непереходных металлов

Красвов Виктор Павлович

доктор химических наук, профессор,

ФГБУН Институт органического синтеза

имени И.Я. Постовского УрО РАН,

заведующий лабораторией асимметрического синтеза

ФГБУН Иркутский институт химии имени А.Е.Фаворского СО РАН

Защита диссертации состоится «02» декабря 2013 г в 15:00 на заседании диссертационного совета Д 212.285.08 на базе ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина», по адресу: 620002, Екатеринбург, ул. Мира 28, третий учебный корпус УрФУ, аудитория Х-420.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина» Автореферат разослан «¿А октября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат химических наук, доцент

Т.А. Поспелова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Одной из важнейших тенденций развития препаративной и индустриальной химии аренов стали прямые нуклеофильные функционализации С-Н связей. Эти реакции, скорее всего, призваны вытеснить электрофильное замещение водорода 8еАг (более точно а также активированные

нуклеофильные замещения легко уходящих групп, главным образом, хлора (так называемые «хлорные» технологии) как основные промышленные приемы переработки ароматического сырья. Первые (БеАг) связаны с применением агрессивных реагентов (галогены, азотная, серная кислоты и т.д.), тогда как вторые требуют довольно жестких условий и предфункционализации

аренов. Небезупречны в этом смысле и получившие широчайшее распространение С(.уз2}-Х"-Н-У (где X = галоген и т.п., У = гетероатом) кросс-сочетания, катализируемые переходными металлами. Они также требуют присутствия галогена, металлов, дополнительных лигандов.

Оптимизм вызывают разрабатываемые в последние годы прямые нуклеофильные катализируемые металлами замещения водорода в С(^2)-И связях. Особое положение в этом, сегодня уже большом, домене С-Н модификаций посредством нуклеофильной атаки занимают Бц11 реакции - некатализируемая металлами разновидность кросс-сочетаний. Несмотря на заметный прогресс в понимании реакционной способности и механизмов, большого разнообразия этого типа превращений, недостаточно изученными (или неизученными вообще) остаются такие вопросы, как участие в них таких лабильных нуклеофилов как анионы металлоценов - ферроцена, цимантрена. Но именно ценовые структуры представляют серьезный интерес, поскольку имеют жесткий сэндвичевый костяк, который лежит в основе планарно хирапьных лигандов и их метаплокомплексов - катализаторов асимметрического синтеза, а также инициаторов полимеризации.

Об актуальности прямых нуклеофильных С-Н функционализаций свидетельствует тот факт, что в 2007 году шесть глобальных фармацевтических компаний единогласно поставили на 1 место эти реакции в «листе ожидания» в данной отрасли как соответствующие основным принципам «зеленой химии» и атомной экономии.

Цель работы

Основной задачей настоящего исследования была разработка на базе ЗцН реакций синтетических методов получения ансамблей азин-металлоцен с использованием в качестве нуклеофила:

- литийпроизводных ферроцена, в боковую цепь которых предварительно вводятся асимметрические атомы углерода или серы;

- литийпроизводных цимантрена (для них ЭкН реакции не были известны).

В задачи работы входили также получение металлокомплексов биарильных ансамблей и тестирование лигандов и их комплексов с металлами как катализаторов в реакциях асимметрического синтеза и полимеризации.

Научная новизна

Впервые в химии азинов, а также в химии цимантренов, разработаны приемы вовлечения в SnH реакции лигийцимантрена. Это обеспечивает выход к широким рядам азиновых соединений нового типа - цимантренилазинам, обладающим полезными свойствами.

Впервые Б^-методология была успешно применена для синтеза планарно хиральных 1-(гетарил>2-(а-(Л)-дифенилфосфиноэтил)ферроценов и [2-(2-гетарил)-ферроцен-1 -ил]-дифенилфосфинов. Это позволило сократить число стадий в синтезе оптически чистых 1,2-дизамещенных азинилферроценовых катализаторов и сделать их более доступными.

Практическая ценность

Разработаны эффективные методы синтеза гетарялсодержащих цимантреновых и ферроценовых лигандов, в том числе и планарно хиральных. Установлены каталитические свойства азинилцимантренов и азипилферроценов в радикальной полимеризации виниловых мономеров.

Гетарилферроцены и гетарилшшантрены в сочетании с пероксидами позволяют увеличить скорость полимеризации, уменьшить температуру процесса, увеличить выходы полимеров, устранить гель-эффект, регулировать молекулярную массу полимерных продуктов. Гетероциклические производные цимантрена оказывают наибольшее влияние на микроструктуру получаемого полимера.

Установлено, что планарно хиральные гетероциклические ферроцены проявляют высокую каталитическую активность (ее = >99%) в реакции асимметрического аллильного алкилирования по Тсуджи-Тросту.

Публикации н апробация работы

Основные материалы диссертации опубликованы в 6 статьях и 1 патенте. Результаты работы представлены и обсуждены с опубликованием тезисов в рамках XXIV Международной Чугаевской конференции по координационной химии (Санкт-Петербург, 2009 г.); Международного симпозиума по органической химии (Ялта, 2010 г.); XIV и XV Молодежных шкотах-конференциях по органической химии (Екатеринбург, 2011 г.; Уфа, 2012 г.); International congress on organic chemistry (Казань, 2011 г.); XIX Менделеевского съезда по общей и прикладной химии (Волгоград, 2011 г.); Международной конференции «Catalysis in organic synthesis» (Москва, 2012 г.), 18 European Symposium on Organic Chemistry «ESOC-2013» (Marseille, France, 2013 г.); Кластера

конференций <ЮргХим-2013» (Санкт-Петербург, 2013 г.); III Международной научной

конференции «Новые направления в химии гетероциклических соединений» (Ставрополь, 2013 г.).

* * *

Работа выполнена при финансовой поддержке Совета по грантам Президента Российской Федерации (программа государственной поддержки ведущих научных школ, грант НШ 5505.2012.3), ФЦП Министерства образования и науки РФ (Н-68742Г007-12 (per. № 3.22.64.2011); соглашение № 14.А18.21.0830 от 31 августа 2012 г.), Российского фонда фундаментальных исследований (гранты X» 12-03-33144, № 13-03-01271).

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, литературного обзора, обсуждения результатов, экспериментальной часта, выводов и списка цитируемой литературы (113 ссылок). Работа изложена на 136 страницах, содержит 27 рисунков, 13 таблиц, 61 схему.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. Литературный обзор «Синтез п прикладные свойства гетероциклических производных ферроцена и цимантрена»

Литературный обзор включает данные по получению и практическому применению гетарилзамещенных ферроценов и цимантренов.

2. Обсуждение результатов

Глава «Обсуждение результатов» включает данные по синтезу гетарилзамещенных производных цимантренов и планарно хиральных азинилферроценов путем некатализируемых металлами Snh реакций литийпроизводных цимантрена и ферроцена с азинами. Исследование каталитических свойств гетарилцимантренов и гетарилферроценов в комплексно-радикальной полимеризации виниловых мономеров, а также планарно хиральных азинилферроценов в Pd-катализируемой реакции аллильного алкилирования.

2.1. Smh Реакции литпйироизводпых металлоценов с азннами

В настоящее время для получения гетероциклических производных циклопентадиенильных комплексов переходных металлов используются два основных синтетических подхода. Первый основан на построении гетероциклической субъединицы с использованием группировок, заранее введенных в структуру субстрата, второй - на прямом включении гетероциклического фрагмента в структуру металлоцена. На сегодняшний день чаще всего используются катализируемые палладием реакции кросс-сочетания, дающие возможность построения разнообразных С-С и С—X (X = гетероатом) связей. Однако, для синтеза молекулярных ансамблей цимантрена и ферроцена с к-дефицитными гетероциклами может быть успешно использована синтетическая стратегия

окислительного нуклеофильного замещения водорода в азинах по схеме «присоединение -окисление» [8мН(АО)].

2.1.1. Получение гетероциклических производных цимантрена

Реакции циклопентадиенилмарганецтрикарбонила (цимантрена) с гетероаренами не были известны, тем самым, практически отсутствовали сведения о гибридных структурах «азин -цимантрен». Было обнаружено, что литийцимантрен 2, полученный при литиировании цимантрена н-ВиЫ (30 мнн.), способен вступать в реакции нуклеофильного замещения водорода в азинах 1 в ТГФ при -78 °С в течение 1.5 часов с образованием устойчивых гетарилцимантренов 4а-и. Исследовано поведение в этих превращениях моно-, да- и триазинов с различивши расположениями гетероатома в цикле, замещенных и незамещенных, а также бензоаннелированных систем.

Согласно существующим представлениям о механизме 5м"-реакций, на первой стадии процесса происходит присоединение литийцимантрена к азину с образованием а"-аддуктов А, которые гидролизуются под действием воды из растворителя (или из воздуха) до дигидросоединений 3. Данная реакция протекает без дополнительной активации гетероарена. На второй стадии процесса происходит ароматизация дигидроазинов 3. Окисление о"-аддуктов моно-и диазинов происходит спонтанно при контакте За-и с воздухом (Схема 1). Однако, использование такого мягкого окислительного реагента, как 01X5 (2,3-дихлор-5,6-дицианобензохинона), вместо кислорода воздуха позволяет увеличить выход продуктов в среднем на 20%.

Все полученные производные представляют собой кристаллические вещества от светло-желтого до светло-коричневого цвета. Выходы соединений варьируются от 40% до 80% (табл. 1). Низкий выход производных 4а,б,и обусловлен протеканием побочной реакции бутшшрования азинов 1а,б,и. Наблюдается образование небольшого количества побочных продуктов (в среднем 5%), для исключения образования которых, в качестве литиирующего агента для цимантрена в этих случаях был использован трет-ВцЫ.

Схема 1

Г-и

со

А

Таблица 1 - Выходы азинилцимантренов 4а-к

-О Выход, % ТпЛ.э С Я Выход, % т °г 1 пл.) ^

X) ^ 4а 40 20 ^м-Ч л N 4е 50 109

46 45 96 Гз ^м 4ж 51 93

56 90 ЯО „ 60 139

Ч^ 4г 50 52 45 164

^ 4. 54 156 ^Г^РЬ 4к 80 165

Строение всех синтезированных в диссертационной работе гетероциклических производных цимантрена и ферроцена соответствует данным ЯМР 'Н и 13С и ИК спектроскопии, масс-спектрометрии и элементного анализа.

Молекулярная структура соединения 4з была подтверждена при помощи рентгеноструктурного анализа (рис. 1 и 2). Кристалл был получен при перекристаллизации 4з из смеси диэтиловый эфир-метанол.

, си с15,

. 'ГЛ

с13 /\ си • - >,

' — а n4

Рис. 1. Молекулярная структура хиноксалинилцимантрена 4з в тепловых эллипсоидах 50% вероятности

Рис. 2. Фрагмент молекулярной упаковки хиноксалинилцимантрена 4з

В отличие от нестабильных ан-адцуктов моно- и диазинов с литийцимантреном, использование 1,2,4-триазина в качестве высокоэлектрофильного реагента позволило нам выделить и охарактеризовать устойчивый аддукт Зк. Так, литийцимантрен легко реагирует с азином 1к с образованием соответствующего стабильного соединения Зк. Ароматизация адцукта Зк также может быть осуществлена в ТГФ в присутствии DDQ при комнатной температуре до триазинилцимантрена 4к с количественным выходом (Схема 2).

Схема 2

ос-"£со со

PY'N _J_.

-78°С—Тк

А Зк 4«

На основании комбинации двумерных гетероядерных экспериментов 'Н-"С HSQC и 'Н-13С НМВС однозначно установить положение протона при N-атоме в данных соединениях невозможно. За счет прототропной таутомерии он может находиться как при атоме N(2) (Структура АЗк), так и при N(4) (Структура БЗк) (Схема 3). В 2D спектрах НМВС Зк присутствуют кросс-пики данного протона только с сигналами атомов С(3) и С(6). Синглетная структура Н(5) в спектре ЯМР 'н соединения Зк, в свою очередь, позволяет утверждать, что в растворах CDC13 и ацетона-г/й при 25 °С атом водорода находится при N(2) атоме (рис. 3). Снижение температуры до -75 "С не дает значительного изменения в спектре ЯМР 'Н. При проведении ЯМР экспериментов в диапазоне температур от 25 °С до -75 °С через каждые 10 °С в спектрах наблюдается лишь сдвиг протонов NH-групы в более слабое поле, в то время как уширения самого сигнала не происходит, не наблюдается и коалесценция (рис. 4).

Схема 3

АЗк БЗк

>1

ос-^-со со

ПЛ.

±

и

11

Ш

11Л 11Л ЫЫ в.1 ».о ел

Рис 3. Спектры ЯМР 'Н аддукта Зк СОС13 (1) и в ацетоне-(/б (2)

У-..

Д1

Ши

1

хЗ

(3)

•(2)

-(П

11л ш ш ш »л и 15 и /Л 7Д ¡л 6.9 и 4л 4.1 1-5 и 15 и ! 5 ,,

Рис 4. Спектры ЯМР 'Н аддукта Зк в ацегоне-</0 при 25 °С (1), -60 °С (2) и -75 "С (3)

Однако, алкилированне производного Зк проходит по N(4), что подтверждает существование второго таутомера БЗк. Производное 6 было получено при взаимодействии натриевой соли 5 о11-аддукта Зк с йодистым этилом (Схема 4).

Схема 4

-О

.МП НГ^РЬ ос-,осо н

тк. тгф

и

ос ¿осо

Ыа

_ кд

ГмГ нГ^Р!,

ос'г'со е1 со

Строение соединения 6 было подтверждено при помощи РСА (рис. 5). Кристалл был получен при перекристаллизации 6 из смеси хлористый метилен-гептан.

Таким образом, предложен эффективный имеющий общий характер некаталитический способ синтеза неизвестных ранее монозамещенных азинилцимантренов.

2.1.2. Синтез планарно хиральных производных ферроцена

Одной из важных задач современной синтетической органической химии является поиск методов получения новых типов лигандов, входящих в состав высокоэффективных катализаторов асимметрического синтеза, применение которых приводит только к одному стереоизомеру в реакциях, что особенно важно для синтеза лекарственных средств. Планарно хиральные производные ферроцена в последние десятилетия привлекают к себе особое внимание, среди них известны Р,0-\ Р,Р-\ />,ЛГ- бидентатные лиганды с комбинированным сочетанием

центральноатомной и планарной хиральности для Рс1-катализируемого алкилирования циклических и ациклических аллильных ацетатов нуклеофильными реагентами, гидрирования, гидроборирования, циклоприсоединения и др.

Для получения планарно хиральных ферроценовых соединений в качестве исходных чаще всего используются вещества с предварительно введенными асимметрическими фрагментами. В настоящей работе удалось осуществить синтез хиральных лигандов на основе ферроценов, содержащих асимметрические атомы углерода ((Я)-а-гидроксиэтил)ферроцена) и серы ((.У)-ферроценил-и-толилсульфоксида) в боковой цепи.

2.1.2.1. Получение планарно хиральных 1-(гетарил)-2-(а-(й)-

дифенилфосфиноэтил)ферроценов

Было показано, что хиральный спирт 7 в качестве литийпроизводного 8 способен вступать в Б]«/1 реакцию в азинах с образованием соответствующих 1,2-дизамещенных 1-гетарил-2-(о-(Л)-гидроксиэтил)ферроценов 11. Так, хиральные гетероциклические производные 11а,б были синтезированы при взаимодействии алкоголята 8, полученного в результате реакции а-гидроксиэтилферроцена 7 и н-Ви!л при -20 "С в сухом эфире, с азинами: хинолином и

сг

Рис. 5. Молекулярная структура 6 в тепловых эллипсоидах 50% вероятности

хиноксалином. Данное превращение, вероятно, проходит в две стадии через образование интермедиатов 9 и 10 до продуктов 11 (Схема 5).

Схема 5

но

- п НО

1 J—

Fe у U О ^ г HzO

-78 "С

. 8 9

Hg Ас§

[О] 1) АсОН, HPPh2.60°С ^

^ВНз

Р(1гР

-НгО

КНЕ|г 50 •С

N 2) BHj-SMe2, ТГФ, Т< N

1Эа,б

о-*оо.<о

14а,б

Традиционным приемом замещения гидроксильной группы при асимметрическом атоме углерода дифенилфосфиновым фрагментом является взаимодействие сложных эфиров 12 с дифенилфосфином. Поэтому предварительно были получены полупродукты 12. Последующее нагревание 1-гетарил-2-(а-(Л)-ацетоксиэтил)ферроценов 12а,6 с дифенилфосфином при 60 °С в уксусной кислоте приводит к ЛЛЧпигандам, которые при обработке BH3-SMe2 in situ, с целью повышения их устойчивости к действию влаги и воздуха, были переведены в борановые комплексы 13 (Схема 5).

и «А Ы V щ %

в * И rs ' .4 & ;

Рис. 6. Хроматограмма (Яа)-Кхинолш1-2-1га)-2-(а-(Д)-гидроксиэтал)ферроцена 11а

Выход, % de, %

11a 78 >99

116 75 41

12a 100 >99

126 100 55

13a 100 >99

136 99 56

Кристаллические продукты 11, 12 и ХЗ от оранжевого до темно-красного цвета (Тпл. = 20 -140 °С) были получены с хорошей стереоселективностью (рис. 6), выходами 75-99% и выделены при помощи колоночной хроматографии (табл. 2). Что касается борановой защиты, то она была удалена непосредственно перед использованием лиганда в реакции асимметрического аллилыюго алкшшрования при обработке производных 13 диэтил амином до соединений 14а и 146 с количественным выходом.

2.1.2.2. Получение планарно хиральных [2-(2-г«тарил)-ферроцен-1-ил]-дифеннлфосфпнов

Планарно хиральные производные ферроцена могут быть также получены, исходя из соединения 18. Так, литийферроцен 16, синтезированный из бромферроцена по известной методике1, при -78 "С реагирует с (5)-(-)-ментил-п-толилсульфинатом 17 до ферроценилсульфоксида 18 (Схема 6). Реакция идет стереоселективно (образуется 5-изомер) с хорошим выходом (80%, ее > 99%). Ранее Каганом2 было показано, что ферроценилсульфоксид 18 вступает в реакцию прямого 1,2-литиирования с ЛДА в сухом ТГФ в течение 40 минут с образованием интермедиата 19 с диастереомерным избытком 99%.

1 Drouin B. J., Lavaty T. G., Cassak P. A., Kukolieh S. G. Measurements of structural and quadrupole cooplmg parameters for bromoferrocene using microwave spectroscopy//J. Chem. Phys. 1997. V. 107. № 17. P. 6541.

2 Rabiere F., Riant O., Ricard L., Kagan H. B. Asymmetric synthesis and highly diastereoselective ort/io-lithiation of ferrocenyl sulfoxides. Application to the synthesis of ferrocenyl derivatives with planar chirality // Angew. Chem. Int. Ed. 1993. V. 32. № 4. P. 568

Соединение 19, в свою очередь, легко вступает в реакцию с азинами 1в,з при -78 "С, что приводит к соответствующим шганарно хиральным производным 22 (Схема 7).

При использовании Эк" подхода в синтезе лигандов 14 и 26 нам удалось исключить стадию трансметалл ировання (обмена атома 1л на или йп). Сокращение числа стадий, проведение процедуры в однореакторном режиме, а также отсутствие катализа металлами и атомов галогена в гетероциклических субстратах дают явные преимущества при решении данной синтетической задачи.

Мы предполагаем, что образование соединений 22 также происходит в соответствии с общепринятой сегодня схемой для 5цН реакций: с присоединением литийпроизводного 19 к азину, образованием с"-эддуктов 20, их гидролизом до дигидросоединений 21 на первой стадии и быстрой спонтанной ароматизацией дигидроазинов 21 до продуктов реакции 22 под действием кислорода воздуха как окислителя на второй.

С целью синтеза эффективных лигандов-комплексообразователей для катализа, сульфоксиды 22 были использованы нами как исходные соединения (Схема 7). Обмен сульфоксидной функциональной группы на литий позволил получить бидентатные лиганды Р,Л-типа. Так, в сухом ТГФ при -78 "С РЫл реагирует с гетарилферроценил-п-толилсульфоксидами 22 в течение 10 мин. с образованием литийпроизводных 23, взаимодействие которых с РРЬгСЬВНз (24) приводит к образованию комплексов 25. Продукты 25 были выделены с хорошими выходами и стереоселективностью (табл. 3). Как и в случае соединений 13а,б борановая защита снимается при обработке диэтиламином. Все соединения представляют собой кристаллические вещества красного цвета с температурами плавления от 100 до 145 °С.

ТГФ.Л

ЧнТ^

Р1 -НзО

Хх

СИ

о

. 19

РШЛГФ/ВгО

и—Ч

о

и Г

НгО

.»Ч о -4н Г

-Э.

-78 °0

гза,б

р»

о

РРЬгСГВН) (24) ШВ2

------^ВН, -- Р»

РРЬг

Ге

2ВД

50 °С

26а,б

о-«сх>со

Оптическая чистота всех хиральных 1,2-дизамещенных гетарипферроценов определена при помощи ВЭЖХ на колонке с оптически активным сорбентом СЫга1се1 ОБ-Н (рис. 6, рис. 7, табл. 2, табл. 3).

I >ыУ и»

:1

Рве. 7. Хромагограмма боранового комплекса (&с,5Н2Ч2-хивсшшИ-ил)-ферроцен-1-ил]-дифенилфосфида25я Таблица 3 - Выходы азинилферроценов 22 и 25

Выход, %

22а 70 >99

226 75 51

25а 72 >99

256 68 74

Строение соединения 25а было подтверждено при помощи РСА (рис. 8). Кристалл был получен при перекристаллизации 25я из смеси хлористый метилен-гептан.

Рис. 8. Молекулярная структура 25а в тепловых эллипсоидах 50% вероятности Полученные гомоаннулярно 1,2-днзамещенные планарно хнральные гетероциклические производные ферроцена представляют интерес в качестве потенциальных катализаторов асимметрического синтеза.

2.2. Исследование каталитических свойств гетероциклических производных металлоценов

Катализ металлоценами, содержащими переходные металлы и имеющими строго определенную каталитическую поверхность наряду с простой молекулярной структурой, -интенсивно развивающаяся область исследований на протяжении уже более 20 лет.

2.2.1. Каталитическая активность лигандов в реакциях свободно-радикальной полимеризации виниловых мономеров3

Немаловажную роль каталитические процессы играют в синтезе полимеров. Получение полимерных материалов с заданными свойствами является одной из главных задач химии высокомолекулярных соединений, решить которую, например, в рамках радикальной полимеризации можно путем проведения процесса в присутствии модифицирующих добавок, роль которых могут выполнять металлоценовые соединения, имеющие выраженную редокс-активность. Потенциал использования я-комплексов переходных металлов и их производных на сегодняшний день далеко не исчерпан.

Гетероциклические производные ферроцена были синтезированы по разработанному ранее на кафедре органической химии УрФУ методу4. В настоящем исследовании было показано, что азинилферроцены 29а-д в сочетании с пероксидом бензоила (ПБ) или динитрилом гао-бис-изомасляной кислоты (ДАК) образуют высокоэффективные инициирующие смеси для полимеризации виниловых мономеров в массе (Схема 8).

3 Выражаю искреннюю признательностьГакалемику К).К Монакову! д.х.н. P.M. Исламовой за неоценимую помощь при выполнении исследований по разделу 2.2.1.

4 Chupakhin О. N., Utepova I. A., Kovalev I. S, Rusinov V. L., Starikova Z. A. Direct C-C coupling of ferTocenyllithium and azaheterocycles by nucleophilic substitution of hydrogen - synthesis of mono- and 1,1'-diazinylferrocenes // Eur. J. Org. С hem. 2007. P. 857.

Ph

ph 0 Y илиДАК

29а 296 29е 29г 29д

Применение в инициированной пероксидом бензоила полимеризации метилметакрилата (ММА) при 60 "С гетероциклических производных ферроцена 29а-д в качестве модифицирующих добавок приводит к резкому увеличению общей скорости процесса (рис. 9а). Это обусловлено, вероятно, формированием in situ высокоэффективных инициирующих систем за счет координации гетарилферроценов с пероксидом бензоила, о чем свидетельствуют и спектроскопические

исследования.

Кин версия. ¥

'ъг'

ГУ

(а)

к««>

В|*«я. мин (б)

Рис. 9. Зависимость конверсии от времени полимеризации ММА в присутствии ПБ (/) и инициирующих систем ПБ с соединениями 29а (2), 296 (3), 29в (4), 19т (5), 29д (6), пиридином (7), ферроценом (8) и смесью ферроцена и пиридина (У), а) при 60 °С, б) при 30 °С

Влияние гетарилферроценов на начальную и общую скорости полимеризации при 60 °С уменьшается в ряду: 29в > 29д > 29г > 29а > 296. При понижении температуры полимеризации до 30 "С предельная конверсия ММА в присутствии комплексов 29а-д наблюдается при более длительной экспозиции реакционной массы, а по степени влияния на кинетические зависимости ферроцены располагаются в ряд 29а > 296 > 29в > > 29г » 29д (рис. 96). Это обусловлено, вероятно, зависимостью констант образования и устойчивости комплексов пероксида бензоила с замещенными ферроценами от температуры. При инициировании полимеризации метилметакрилата с использованием ДАК и гетарилферроценов 29а-д, независимо от структуры последнего, происходит увеличение общей скорости процесса.

Следует отметить, что гетероциклические производные ферроцена значительно активнее систем на основе только металлоцена или пиридина и влияют как на кинетику процесса, так и на молекулярно-массовые характеристики синтезируемого ПММА (полиметилметакрилата).

Было проведено исследование радикальной полимеризации ММА, инициированной ПБ или ДАК в присутствии циклопентадиенилтрикарбонил марганца (31, ЦМТ) и его гетероциклических производных 46,4в, 4з и 4и (Схема 9).

Схема 9

о

" 0 I или ДАК О

28_

31,46, 4в, 4з, 4и

СООМе

ОС'^П'СО N СО

ОС-^'СО N СО

46 4в 4з 4и

Использование гетарилцимантренов 46, 4в, 4з и 4и в полимеризации ММА при 60 °С приводит к увеличению общей скорости процесса (рис. 10).

..{Г.

□ • А 4 Д ■

№

Рис. 10. Зависимость степени превращения от времени полимеризации ММА > присутствии систем 4в-ПБ (/), 4з-ПБ (2), 46-ПБ (3), 4и-ПБ (•*), 31-ПБ (5) и ПБ (б). [ПБ] = [28] = [4в] = [4з] = [46] = [4и] = 1.0 ммоль/л

Но среди всех изученных в этой работе металлокомплексных соединений гетероциклические производные цимантрена оказывают наибольшее влияние на микроструктуру получаемого полимера. Это происходит, вероятно, за счет координации замещенного цимантрена с мономером и/или растущим макрорадикалом. Так, микроструктура ПММА, полученного при использовании инициирующих систем на основе гетарилцимантренов с пероксидным или азо-инициатором, отличается более высокой стереорегулярностью.

Наиболее вероятным механизмом полимеризации виниловых мономеров в массе в присутствии гетарилферроценов и гетарилцимантренов является комплексно-радикальный.

Применение азинильных производных 29 и 4 позволяет увеличить скорости полимеризации и инициирования, уменьшить температуру полимеризации, увеличить выходы, получать более стереорегулярные полимеры, уменьшить гель-эффект.

2.2.2. Каталитические свойства планарно хиральпых фсрроценовых лигаидов в реакциях асимметрического синтеза

В работе было установлено, что соединения 14а и 26а могут быть использованы как лиганды в Pd-катализируемом аплильном замещении (Схема 10). Реакция 1,3-дифенил-2-пропиенилацетата 32 с диэтилмалонатом как нуклеофильным реагентом (реакция Тсуджи-Троста) была проведена в присутствии димера аллилпалладийхлорида (II), лиганда, Л',0-бис(триметилсилил)ацетамида {N,0-БСА) и каталитических количеств КОАс. Реакцию проводили при комнатной температуре в различных растворителях (ТГФ, толуол, СН2СЦ. Комплекс был приготовлен in situ из аллилпалладийхлорида (II) и соответствующего лиганда (14а, 26а) в соотношении 1:2. Синтезированные металлокомплексы 14а-Рс1(СзН5) и 26а-Р<1(СзН5) образуют в реакции промежуточные соединения с дифенилаллилом, которые, вмешиваясь в переходное состояние, контролируют регио- и стереоселективность атаки нуклеофильного реагента. В отсутствие хиральных лигандов в таких реакциях аллильного алкилирования стереоселективность не наблюдается.

Схема 10

CH2(C02Et2fe (2 экв.) 9Ас N.O-BCA (2 экв.)

и

I(C3H5)PdClb (4 мол.%), 14а или 26а (4 мол.%) КОАс (4.7 мол.%)

Оба лиганда (14а, 26а) проявили высокую каталитическую эффективность (ее >99%). В таблице 4 показано влияние растворителей на селективность реакции. Наиболее высокие выходы (5>диэтил-2-(1,3-дифенилаллил)малоната были получены при проведении реакции в СНгСЬ и толуоле. В случае 14а самая высокая стереоселективность была получена в ТГФ, а для лиганда 26а - в СН2С12.

Таблица 4 - Влияние растворителей на селективность и выход реакции аллильного алкилирования

Лиганд Растворитель Выход (%) Энантиоселективность (%ее)

1 Толуол 99 94

3 14а СН2С12 99 95

2 ТГФ 45 >99

4 Толуол 99 94

5 26а CH2CI2 99 >99

6 ТГФ 85 98

Оптическая чистота продукта алкилирования 33 определена при помощи ВЭЖХ на колонке с оптически активным сорбентом СЫга1сс1 ОП-Н (рис. 11).

Í*

> J Т J Т

Рис. П.Хроматограыма соединения 33

Строение комплексов Pd с лигандами было установлено при помощи ЯМР спектроскопии. На рисунках 12, 13 показаны спектры ЯМР *Н и 31Р для боранового комплекса 13а (1), лигадца Х4а (2) и комплекса 14а-Рс1(СзН5) (3), а на рисунках 14, 15 - спектры ЯМР 'Н и 31Р для боранового комплекса 25а (1), лиганда 26а (2) и комплекса 26a-Pd(C3H5) (3) в CDCb. В спектрах лигандов 14а и 26а регистрируется смещение сигналов протонов ферроценовой и алифатической частей соединений в более сильное поле, сигналов протонов гетероциклического фрагмента в слабое поле (рис. 12(2), рис. 14(2)) по сравнению с исходными борановыми производными 13а и 25а (рис. 12(1), рис. 14(1)), а в спектрах 31Р комплексов наблюдается слабопольный сдвиг сигнала (рис. 13(3), рис. 15(3)).

При снятии борановой защиты с лиганда 13а в спектрах ЯМР 'Н и 31Р соединения 14а в течение 15 минут наблюдается появление сигналов другого диастереоизомера в соотношении 80:20 (рис. 12(2)). Такое же соотношение сигналов присутствует и в спектре 3|Р (рис. 13(2)). Однако, при

добавлении к свежеприготовленному соединению 14а аллилпалладийхлорида (II) в спектрах был зафиксирован только один набор сигналов комплекса (рис. 12(3), рис. 13(3)).

Ма-РсЩНз)

-М-о

14а

„8Н,

13а

I И Я? ?

9 33 3

и м

м и и и м и и

Рис. 12. Спектры ЯМР 'Н соединений 13а (1), 14« (2) и комплекса 14а Р<1 (3)

14а-Ра(С3Н5)

■43)

14а

-(2)

13а

'(1)

-и и

Рис. 13. Спектры ЯМР "Р соединений 13а (1), 14а (2) и комплекса 14аРс1 (3)

и М М и и » и и II о и м м и и

ПЫ

Рис. 14. Спектры ЯМР 'Н соединений 25а (I), 26а (2) и комплекса 26а РА (3)

26а-Р(КСз115) Н

Рв 26а

гт 25а г. '"вч> О

I « а я и я и и 5 о ^ -т -и -аа -и -за ОМ

Рис. 15. Спектры ЯМР "Р соединений 25а (1), 26а (2) и комплекса 26аР<1 (3)

В случае снятия борановой защиты соединения 25а и при образовании комплекса был зарегистрирован только один набор сигналов в ЯМР 'Н и 31Р спектрах (рис. 14 и 15).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Впервые предложен простой основанный на методологии нуклеофильного замещения водорода метод прямой С-Н функционализации я-дефицитных гетероциклов цимантренил-анионом. Были подобраны условия синтеза неизвестных ранее цимантренилазинов, получены данные по механизму реакции. Впервые выделен и охарактеризован стабильный интермедиат - 0й-аддукт цимантрениллития с 1,2,4-триазииом.

2. Впервые S м"-методология применена для получения неизвестных ранее планарно хиральных гетарилферроценов, содержащих асимметрические атомы серы и углерода в боковой цепи.

3. Установлено, что гетероциклические производные ферроцена и цимантрена являются высокоэффективными компонентами инициирующих смесей для полимеризации метилметакрилата и стирола, позволяющих существенно влиять на процесс в целом, мольно-массовые характеристики синтезируемых полимеров, а также, в случае гетарилцимантренов, на их микроструетуру.

4. Показана каталитическая эффективность синтезированных оптически чистых 1-(гетарил)-2-(аЧ^)-дифенилфосфиноэтил)ферроценовых и [2-(2-гетарил)-ферроцен-1-ил]-дифенилфосфиновых лигандов в реакции Pd-каггализируемого асимметрического аллильного алкилирования по Тсуи-Тросту.

Основные результаты исследований изложены в следующих работах: Статьи в рецензируемых паучпых журналах п изданиях, определенных ВАК:

1. Монаков Ю.Б., Исламова P.M., Головочесова О.И., Утепова И.А., Мусихина A.A., Чупахин О.Н. О комплексно-радикальной полимеризации метилметакрилата в присутствии гетероциклических производных ферроцена//Докл. АН. - 2010. - № 2. - С. 195 - 198.

2. Утепова И.А., Мусихина A.A., Чупахин О.Н., Слепухин П.А. Синтез гетероциклических производных цимантрена // Сборник научных статей «Актуальные проблемы органического синтеза и анализа». - 2010. - С. 136 - 142.

3. Исламова P.M., Головочесова О.И., Монаков Ю.Б., Утепова И.А., Мусихина A.A., Чупахин О Н. Влияние гетероциклических производных ферроцена на процесс радикальной полимериззции метилметакрилата и стирола // Высокомолекуляр. Соединения, Сер. А. - 2010. - № 12. - С. 2184 -2194.

4. Utepova I.A., Musikhina A.A., Chupakhin O.N., Slepukhin P.A. New approach to the synthesis of azinylcymantrenes II Organometallics. - 2011. - V. 30. - P. 3047 - 3053.

5. Исламова Р.М., Назарова С.В., Утепова И.А., Мусихина А.А., Чупахин О.Н. Гетероциклические производные цимантрена в радикальной полимеризации метилметакрилата // Докл. АН. - 2012. - Т. 446,№6.-С. 637 - 641.

6. Мусихина А.А., Утепова И.А., Серебренникова П.О., Чупахин О.Н., Чарушин В.Н. Синтез хиральных ферроценилазинов. Кросс-сочетание по Негиши или SnH реакции? // Журн. орган, химии. - 2013. -Т. 49, № 8. - С. 1207 -1210.

Патенты:

7. Исламова Р.М., Головочесова О.И., Монаков Ю.Б., Чупахин О Н., Утепова И.А., Мусихина А.А., Русинов В.Л. Способ получения полиметилметакрилата радикальной полимеризацией в массе метилметакрилата //Патент РФ № 2412950. Зарегистрирован 27.02.2011.

Прочие издания:

8. Мусихина А.А., Утепова И.А., Чупахин О.Н., Русинов В.Л. Прямое С-С сочетание цимантрениллития и азагетероциклов, основанное па методологии нуклеофильного замещения водорода // XXIV Международная Чугаевская конференция по координационной химии: Тез. докл. - Санкт-Петербург, 2009. - С. 182.

9. Мусихина А.А., Утепова И.А., Чупахин О.Н. ан-Аддукты в реакциях цимантрениллития с азинами // Международный симпозиум по органической химии: Тез. докл. - Ялта, Украина, 2010. -С. 156.

10. Угепова И.А., Мусихина А.А., Чупахин О.Н. с^-Аддукты в реакции цимантрениллития с азинами // XIV Молодежная школа по органической химии: Тез. докл. - Екатеринбург, 2011. - С. 434.

11. Utepova I.A., Musikhina A.A., Shcherbakova М.А., Chupakhin O.N. The methodology of nucleophilic substitution of hydrogen (Sn11) as a tool for introduction of the transition metal cyclopentadienyl complexes into heterocycles // International congress on organic chemistry: Abstracts. -Kazan, 2011.-C.475.

12. Утепова И.А., Мусихина A.A., Щербакова M.A., Чупахин О.Н. SnH Реакции циклопентадненильных комплексов переходных металлов // XIX Менделеевский съезд по общей и прикладной химии: Тез. докл. - Волгоград, 2011. - С. 604.

13. Мусихина А.А., Утепова И.А., Чупахин О.Н., Исламова Р. М., Головочесова О.И., Назарова С.В. Высокоэффективные добавки для полимеризации виниловых мономеров в массе // XV Молодежная школа-конференция по органической химии: Тез. докл. - Уфа, 2012. - С. 80.

14. Чупахин О.Н., Утепова И.А., Серебренникова П.О., Мусихина А.А., Тресцова М.А. Synthesis of planar chiral ferrocenes // Международная конференция «Calalysis in organic synthesis»: Тез. докл. -Москва, 2012. - С. 146.

15. Chupakhin О., Utepova I., Charushin V., Musikhina A., Serebrennikova P. The synthesis of planar chiral ferrocenes and their use for an effective asymmetric catalysis // XVIII European Symposium on Organic Chemistry. «ESOC-2013»: Abstracts. - Marseille, France, 2013. - P. 224.

16. Утепова И.А., Мусихина А.А., Серебренникова П.О., Вараксин М.В., Чупахин О.Н., Третьяков Е.В., Овчаренко В.И. Синтез каталитических систем и магнитно-активных соединений // Кластер конференций «ОргХим-2013»: Тез. докл. - Санкт-Петербург: Сборка, 2013. - С. 285.

17. Чупахин О.Н., Серебренникова П.О., Утепова И.А., Мусихина А.А., Чарушин В.Н. Новый подход к получению планарно хиральных катализаторов реакции Тсуи-Тросга // Кластер конференций «ОргХим-2013»: Тез. докл. - Санкт-Петербург: Сборка, 2013. - С. 261.

18. Серебренникова П О., Утепова И.А., Мусихина А.А., Чупахин О.Н., Чарушин В.Н. Синтез хиральных ферроценилазинов. Кросс-сочетание по Негиши или SnH реакции? // III Международная научная конференция «Новые направления в химии гетероциклических соединений»: Тез. докл. -Ставрополь: Изд-во СКФУ, 2013. - С. 270.

Подписано в печать 22.10.2013. Формат 60x84 Ш6 Бумага офсетная. Усл. печ. л. 1,4 Тираж 150 экз. Заказ № 2S82.

Отпечатано в типографии ИПЦ УрФУ 620000, Екатеринбург, ул. Тургенева, 4

Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина

04201450707 МУСИХИНА Александра Александровна

На правах рукописи

РЕАКЦИИ НУКЛЕОФИЛЬНОГО ЗАМЕЩЕНИЯ ВОДОРОДА В АЗИНАХ С УЧАСТИЕМ ЛИТИЙПРОИЗВОДНЫХ ФЕРРОЦЕНА И ЦИМАНТРЕНА

Специальность 02.00.03 - Органическая химия

Диссертация на соискание ученой степени кандидата химических наук

Научные руководители:

доктор химических наук, профессор, академик РАН Чупахин Олег Николаевич кандидат химических наук, доцент Утепова Ирина Александровна

Екатеринбург -2013

СОДЕРЖАНИЕ

СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ................................3

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

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР. СИНТЕЗ И ПРИКЛАДНОЕ ПРИМЕНЕНИЕ ГЕТЕРОЦИКЛИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДНЫХ ФЕРРОЦЕНА И ЦИМАНТРЕНА 8

1.1. Гетероциклические производные ферроцена: синтез и свойства.................8

1.1.1. Синтез лнгандов для металлокомплексов...................................................8

1.1.2. Синтез катализаторов....................................................................................23

1.1.3 Синтез сенсоров................................................................................................27

1.1.4. Синтез молекулярных устройств................................................................32

1.1.5. Синтез физиологически активных соединений........................................37

1.2. Гетероциклические производные цимантрена: синтез и свойства.............44

1.2.1. Синтез лнгандов для металлокомплексов.................................................44

1.2.2. Синтез молекулярных устройств................................................................44

1.2.3 Синтез материалов и различного рода платформ.....................................48

Заключение....................................................................................................................52

2. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ.............................................................................53

2.1. вн" реакции литийпронзводных циклопснтадиснильных комплексов металлов с азннами......................................................................................................53

2.1.1. Получение гетероциклических производных цимантрсна....................53

2.1.2. Синтез плаиарно хиральных производных ферроцена..........................65

2.2. Исследование каталитических свойств гетероциклических производных циклопентадиенильных комплексов переходных металлов...............................74

2.2.1. Каталитическая активность лнгандов в реакциях свободно-радикальной полимеризации виниловых мономеров.......................................74

2.2.2. Исследование каталитических свойств планарно хиральных ферроценовых лнгандов в реакциях асимметрического синтеза...................82

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ.........................................................................89

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..............................................................................................................108

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК.......................................................................109

ПРИЛОЖЕНИЯ.............................................................................................................121

СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ

Ас - ацетил; Аг - арил; Ви - бутил;

BSA - бычий сывороточный альбумин; CIPE - complex-induced proximity effect; Ср - циклопентадиенил; cod - 1,5-циклооктадиен; Cym - цимантрен;

DDQ - 2,3-ДИХЛор-5,6-дициан-1,4-бензохинон;

de - диастереомерный избыток;

dioxane - диоксан;

DME- 1,2-диметоксиэтан;

DMSO - диметилсульфоксид;

Et- этил;

dppf -1,1 '-бис(дифенилфосфино)ферроцен; ее - энантиомерный избыток; Fc - ферроценил;

НМВС - Heteronuclear Multiple Bond Correlation; HSQC - Heteronuclear Single Quantum Coherence; Me - метил;

MIC - минимальная концентрация ингибитора;

nbd - норборадиен;

ppy - 2-фенилпиридин;

Pr - пропил;

Ph - фенил;

Py -пиридил;

tf - трифторметансульфонат;

tpy - терпиридин;

tht - тетрагидротиофен;

QUINAP - 1-(2-дифенилфосфино-1-нафтил)изохинолин; N,0-БСА - Лг,0-бис(гриметилсилил)ацетамид; ВЭЖХ - высокоэффективная жидкостная хроматография; ВИЧ - вирус иммунодефицита человека;

ДАК - динитрил азо-бнс-изомасляной кислоты;

ДИГТА - диизопропиламин;

ДНК - дезоксирибонуклеиновая кислота;

РЖ - инфракрасный;

ЛДА - лития диизопропиламид;

ММ А - метилметакрилат;

ММ - молекулярная масса;

МТТ - бромид 3-(4,5-диметилтиазол-2-ил)-2,5-дифенилтетразолия, желтый тетразол;

ПБ - пероксид бензоила;

ПММА - полиметилметакрилат;

РСА - рентгеноструктурный анализ;

ТГФ - тетрагидрофуран;

УФ - ультрафиолетовый;

ЦМТ - цимантрен;

ЯМР - ядерный магнитный резонанс.

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы

Одной из важнейших тенденций развития препаративной и индустриальной химии аренов стали прямые нуклеофильные функционализации С-Н связей. Эти реакции, скорее всего, призваны вытеснить электрофильное замещение водорода ЭпАг (более точно вп'Аг), а также активированные нуклеофильные замещения легко уходящих групп, главным образом, хлора (так называемые «хлорные» технологии) как основные промышленные приемы переработки ароматического сырья. Первые (8еАг) связаны с применением агрессивных реагентов (галогены, азотная, серная кислоты и т.д.), тогда как вторые (Зм'^Аг) требуют довольно жестких условий и предфункционализации аренов. Небезупречны в этом смысле и получившие широчайшее распространение С(др2)-Х----Н-У (где X = галоген и т.п., У = гетероатом) кросс-сочетания, катализируемые переходными металлами. Они также требуют присутствия галогена, металлов, дополнительных лигандов.

Оптимизм вызывают разрабатываемые в последние годы прямые нуклеофильные катализируемые металлами замещения водорода в С(лр2)-Н связях. Особое положение в этом, сегодня уже большом, домене С-Н модификаций посредством нуклеофильной атаки занимают реакции — некатализируемая металлами разновидность кросс-сочетаний. Несмотря на заметный прогресс в понимании реакционной способности и механизмов, большого разнообразия этого типа превращений, недостаточно изученными (или неизученными вообще) остаются такие вопросы, как участие в них таких лабильных нуклеофилов как анионы металлоценов - ферроцена, цимантрена. Но именно ценовые структуры представляют серьезный интерес, поскольку имеют жесткий сэндвичевый костяк, который лежит в основе планарно хиральных лигандов и их металлокомплексов -катализаторов асимметрического синтеза, а также инициаторов полимеризации.

Об актуальности прямых нуклеофильных С-Н функционализации свидетельствует тот факт, что в 2007 году шесть глобальных фармацевтических компаний единогласно поставили на 1 место эти реакции в «листе ожидания» в данной отрасли как соответствующие основным принципам «зеленой химии» и атомной экономии.

Цель работы

Основной задачей настоящего исследования была разработка на базе Бы" реакций синтетических методов получения ансамблей азин-металлоцен с использованием в качестве нуклеофила:

- литийпроизводных ферроцена, в боковую цепь которых предварительно вводятся асимметрические атомы углерода или серы;

- литийпроизводных цимантрена (для них Бн15 реакции не были известны).

В задачи работы входили также получение металлокомплексов биарильных ансамблей и тестирование лигандов и их комплексов с металлами как катализаторов в реакциях асимметрического синтеза и полимеризации.

Научная новизна

Впервые в химии азинов, а также в химии цимантренов, разработаны приемы вовлечения в вы" реакции литийцимантрена. Это обеспечивает выход к широким рядам азиновых соединений нового типа - цимантренилазинам, обладающим полезными свойствами.

Впервые в^'-методология была успешно применена для синтеза планарно хиральных 1-(гетарил)-2-(а-(Л)-дифенилфосфиноэтил)ферроценов и [2-(2-гетарил)-ферроцен-1-ил]-дифенилфосфинов. Это позволило сократить число стадий в синтезе оптически чистых 1,2-дизамещенных азипилферроценовых катализаторов и сделать их более доступными.

Практическая ценность

Разработаны эффективные методы синтеза гетарилсодержащих цимантреновых и ферроценовых лигандов, в том числе и планарно хиральных. Установлены каталитические свойства азинилцимантренов и азинилферроценов в радикальной полимеризации виниловых мономеров.

Гетарилферроцены и гетарилцимантрены в сочетании с пероксидами позволяют увеличить скорость полимеризации, уменьшить температуру процесса, увеличить выходы полимеров, устранить гель-эффект, регулировать молекулярную массу полимерных продуктов. Гетероциклические производные цимантрена оказывают наибольшее влияние на микроструктуру получаемого полимера.

Установлено, что планарно хиральные гетероциклические ферроцены проявляют высокую каталитическую активность (ее = >99%) в реакции асимметрического аллильного алкилирования по Тсуджи-Тросту.

Публикации и апробация работы

Основные материалы диссертации опубликованы в 6 статьях и 1 патенте. Результаты работы представлены и обсуждены с опубликованием тезисов в рамках XXIV Международной Чугаевской конференции по координационной химии (Санкт-Петербург, 2009 г.); Международного симпозиума по органической химии (Ялта, 2010 г.); XIV и XV Молодежных школах-конференциях по органической химии (Екатеринбург, 2011 г.; Уфа, 2012 г.); International congress on organic chemistry (Kazan, 2011 г.); XIX Менделеевского съезда по общей и прикладной химии (Волгоград, 2011 г.); Международной конференции «Catalysis in organic synthesis» (Москва, 2012 г.), 18 European Symposium on Organic Chemistry «ESOC-2013» (Marseille, France, 2013 г.); Кластера конференций «ОргХим-2013» (Санкт-Петербург, 2013 г.); Ill Международной научной конференции «Новые направления

в химии гетероциклических соединений» (Ставрополь, 2013 г.).

* * *

Работа выполнена при финансовой поддержке Совета по грантам Президента Российской Федерации (программа государственной поддержки ведущих научных школ, грант НШ 5505.2012.3), ФЦП Министерства образования и науки РФ (Н-68742Г007-12 (per. № 3.22.64.2011); соглашение № 14.А18.21.0830 от 31 августа 2012 г.), Российского фонда фундаментальных исследований (гранты № 12-0333144, № 13-03-01271).

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, литературного обзора, обсуждения результатов, экспериментальной части, выводов и списка цитируемой литературы (113 ссылок). Работа изложена на 136 страницах, содержит 27 рисунков, 13 таблиц, 61 схему.

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР. СИНТЕЗ И ПРИКЛАДНОЕ ПРИМЕНЕНИЕ ГЕТЕРОЦИКЛИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДНЫХ ФЕРРОЦЕНА И ЦИМАНТРЕНА

1.1. Гетероциклические производные ферроцена: синтез и свойства

Гетероциклические производные ферроцена могут образовывать различные по архитектуре металлокомплексы с ионами металлов, проявляя свойства электрохимических сенсоров, среди гетарилферроценов найдены магнитно-активные производные, соединения с каталитической и редокс-активностыо, комплексы с Р1(П), Рс1(Н), 1г(П), 1111(11), проявляющие физиологическую активность, лиганды для построения молекулярных машин.

Синтез гетероциклических производных ферроцена может быть осуществлен двумя основными приемами:

- методом прямого введения гетероциклических фрагментов в структуру ферроцена, осуществленным в каталитическом (реакции кросс-сочетания) и некаталитическом вариантах (Бы11 реакции как разновидность прямой функционализация С-Н связи в гетероциклах);

- «построением» гетероциклических фрагментов на ферроценовой матрице с использованием различных ферроценилсодержащих синтонов.

В предлагаемом обзоре сделана попытка рассмотреть свойства и методы синтеза гетероциклических производных ферроцена. Особое внимание уделено практическому применению гетарилферроценов.

1.1.1. Синтез лигандов для металлокомплексов

1.1.1.1. Получение лигандов методом прямого введения гетероциклических фрагментов в структуру ферроцена

В настоящее время большинство методов получения гетероциклических производных ферроцена основано на реакциях кросс-сочетания элементоорганических (В-, Хп-, 8п-, 81-, М§ и др.) соединений ферроцена с гетероциклическими галогенпроизводными или трифлатами.

Бидентатные РЛЧ-лиганды заслуживают особого внимания в области катализа

переходными металлами, в том числе и в Рс1- и М-катализируемых реакциях

олигомеризации и полимеризации этилена. Лиганды Л5 могут быть синтезированы

согласно Схеме 1. Гидрофосфинирование 2-бром-б-винилпиридина Л1

дифснилфосфином с последующим окислением дает 2-бром-б-[2-

(дифенилфосфино)-этил]пиридин Л2, который является исходным соединением для

ферроцензамещенного фосфинового оксида Л4. Фосфиновый оксид Л4 может быть

8

получен сочетанием Негиши-Такахаши с ферроценилцинкхлоридом. Дальнейшее его восстановление фенилсиланом приводит к фосфину Л5 с хорошим выходом. Полученное соединение способно образовывать комплексы с солями N1 и Р<1 Несмотря на то, что комплекс с N1 образуется достаточно просто при взаимодействии с (ОМЕ)№СЬ, в реакции лиганда с (сос!)Рс1(СНз)С1 образуется смесь неустановленного строения, при обработке которой ЫаВАг'д был выделен комплекс Л8 [1].

Схема 1

1) HPPh2, KOtBu, тгф 60 °С, 16 ч

2) Naci04, Н20, CH2CI2

Тк, 1 ч

ZnCI

Fe

Л1

Л2 (91%)

лз

Pd(PPh3)4, ТГф 60 °С, 24 ч

Ph2 NiCI2-P^

(DME)N¡CI2

CH2CI2, ТК, /р=5\ 16-48ч

/(COD)Pd(CH3)CI СН2С12,Тк, 16 ч

Л7

Л8

Смесь неустановленного Строения

Моно- и дизамещенные пиримидиновые, пиразиновые и пиридиновые фрагменты также могут быть включены в ферроцен путем кросс-сочетания по Негиши. Так, взаимодействие ЛЗ, Л13 с галогеназагетероциклами Л10а-г при комнатной температуре в ТГФ позволяет получить гетарилферроцены ЛИ и Л15 (Схема 2). Гетарилферроцены часто используются для получения металлоорганических ферроценилсодержащих дендримеров с ионами Ag(I), Co(II), Cu(ll), Mn(II), Ni(II), Pt(II), Zn(II) [2, 3]. Синтезированные лиганды ЛИ, Л15 были использованы как конструкционные блоки в синтезе координационных полимеров,

металломакроциклов и металлоорганических дендримеров с солями Ag(I), Co(II), Cu(I), Cu(ll), Mn(II), Ni(II), Pd(II), Pt(II) - потенциальных элементов молекулярных квантовых устройств [3 - 7].

Схема 2

вгО

,L¡ ^^ ZnCI N ^ -.-y-,

ре Znc,2 ^ Л10а-г ^f^N

ТГФ ^^ PdCI2(PPh3)2

Л9 ЛЗ ТГф Л11а-г 6Ч5%

F " 2Z„C,2 «"N.

Fe 2 , Fe __ , Fe v N

^Sl ТГФ ^.znci PdC'fPh3)2 )

Л12 Л13 ТГ* Л15а.в ^

O O ™ í> 1>=1> :

Пиридилдифенилфосфиноферроцен Л18 - аналог известного лиганда 1,Г-бис(дифенилфосфино)ферроцена, может быть также синтезирован путем Р<1-катализируемого кросс-сочетания Негиши 2-бромпиридина с Г-(дифенилфосфино)-1-(хлорцинк)-ферроценом Л17, образованным при литиировании Г-(дифенилфосфино)-1-бромферроцена Л16 с последующим трансметаллированием с [гпСЬ^НзСЬ)], с выходом 50% (Схема 3). Полученные в результате пиридилферроцены Л18 способны образовывать комплексы разнообразного строения с такими металлами, как Сс1, Н§, Ад, Аи и Рс1 [8 - 10].

Схема 3

Вг N

[Г /сацрж

и-Вии, 2пС1,.С4Н802 ЛЮг

Ре _ 4 в г Ре -„

Вг

гпс\

Л16 Л17

Другим примером катализируемых металлами кросс-сочетаний,

применяющихся в синтезе гетарилферроценов являются реакции Сузуки. Такого

рода превращения применяются для синтеза лигандов, содержащих в своей

структуре, с одной стороны, несколько фрагментов ферроцена в одном

Ю

азагетероцикле, а с другой - два гетероциклических заместителя в одном металлоцене. Так, при взаимодействии 3-(бром)-5-йодпиридина Л20а с ферроценметилборной кислотой Л19 (при обработке реакционной массы микроволновым излучением) были получены следовые количества 3,5-диферроценилпиридина Л22 и основное монопроизводное Л21. При замене 3-(бром)-5-йодпиридина на 3,5-дибромпиридин Л206 выход соединения Л22 заметно увеличился (48%) (Схема 4). 3,5-Диферроценилпиридин легко реагирует с бис(ацетонитрил)дихлорпалладием (II), образуя комплекс Л23. Было установлено, что окисление полученных ферроценовых производных химически обратимо, а в комплексе Л23 отсутствует редокс взаимодействие между отдельными блоками, разделенными ионом Р(1 [11].

Схема 4

Вг.

,В(ОН)2

Л20а,б

Ма2С03, диоксан

ЫаОН, [Р^рр^С!,] л19 диметоксиэтан

Синтез дизамещенных гетероциклических производных ферроцена по реакции Сузуки может быть осуществлен двумя возможными вариантами. В первом случае превращения протекают в диоксане, а галогенгетероциклы вводятся в процесс в виде гидрохлоридов [12] (Схема5).

MW 20мин.

В(ОН)2

Fe

Л24

В(ОН)2

R1Br*HCI

4%PdCI2(dppf)

57%

Тк, 48ч

Fe

R1 R2Br

PdCI2(dppf) pe

Л25

R1

Л27а-в

Fe Л26а-в

б>0: "ОЮ-

Второй вариант представляет собой разновидность топохимических реакций, является экологически более приемлемым, так как не требует присутствия растворителя в системе [13] (Схема 6).

Схема 6

KF

В(ОН)2

R1Br Л28а,б

Fe Л24

PdCI2(dppf) В(ОН)2 ю-20%

57%

KF, КОН

Fe

В(ОН)2

Л25а,б

R1

Fe

R2Br 57% /Щ^к^

Л27

КОН

R1 R2 =;

R2

Fe

Л 26a, б

Оба процесса проходят в присутствии PdCl2(dppí). Данные приемы могут быть использованы также для синтеза несимметричных 1,1-дизамещенных ферроценов Л25, Л27. Исследованы комплексообразующие свойства синтезированных лигандов Л25 - Л27 с различными металлами Ni(II), Ag(I), Cd(II), Zn(II), Cu(II) [14, 15], изучены их электрохимические свойства [16].

С помощью реакций кросс-сочетания Соногаширы могут быть получены гетероциклические соединения, в которых заместители связаны с ферроценом посредством тройной связи (Схема 7). Изучены электрохимические,

спектрофотометрические, фотофизические свойства, а также редокс-активность комплексов лиганда JI30 с Ru(II), Fe(II), Zn(II) [17, 18].

Схема 7

so2cf3

Л28

6% Pd(PPh3)4

толуол, ДИПА 60°С, 14ч. Л30 70%

Би- и полидентатные лиганды, в которых хелатообразующий гетероароматический заместитель соединен с металлоценовым фрагментом с помощью ацетиленового спейсера JI34 и JI35, можно получить в результате реакции Соногаширы с выходом 19-30%. Так при использованием в качестве исходного соединения 1,Г-дийодферроцена были синт�