Реакции 2-диазо-1,3-дикарбонильных соединений с тиокетонами и ацетиленовыми диполярофилами тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.03 ВАК РФ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

А : 1

Иванов Алексей Владимирович

Реакции 2-диазо-1,3-ДИкарбонильных соединений с тиокетонами и ацетиленовыми диполярофилами: синтез в-, № и О-содержащих гетероциклов

специальность 02.00.03 - органическая химия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

2 г МАЯ 2014

Санкт-Петербург 2014

00554о<*и.

005548481

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет».

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Николаев Валерий Александрович, доктор химических наук, профессор

Берестовицкая Валентина Михайловна, доктор химических наук, профессор, заведующий кафедрой органической химии, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Российский государственный педагогический университет им. А.И. Герцена

Бакулев Василий Алексеевич, доктор химических наук, профессор, заведующий кафедрой технологии органического синтеза, Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт органической химии им. Н.Д. Зелинского Российской академии наук (ИОХ РАН).

Защита состоится «26» июня 2014 г. в 1500 часов на заседании совета Д 212.232.28 по защите докторских и кандидатских диссертаций при Санкт-Петербургском государственном университете по адресу: 199004, Санкт-Петербург, Средний пр., д. 41/43, химический факультет (БХА).

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке им. А. М. Горького, СПбГУ, Университетская наб., д. 7/9 и на сайте www.spbu.ru.

Ведущая организация:

Автореферат разослан "1Ц" апреля 2014 г.

Учёный секретарь диссертационного совета

/В. Н. Сорокоумов/

1. Общая характеристика работы

Актуальность темы. Алифатические диазосоединения давно привлекают внимание исследователей высокой реакционной способностью и широко используются в органическом синтезе. Многочисленные реакции 1,3-Циклоприсоединения диазосоединений позволяют синтезировать самые разнообразные 8-, И- и О-содержащие гетероциклические соединения, в частности - пиразолы, оксатиолы, тиофены, тиазолы и их гидрированные производные. Химия этих соединений бурно развивается в последние десятилетия в связи с их активным применением в медицине и потенциальным использованием в фармацевтической практике. Например, один из недавно предложенных методов синтеза витамина В7 (биотина) в качестве ключевой стадии синтеза включает циклоприсоединение диазоалкана к связи С=Б тиокарбонильного субстрата.

Циклоприсоединение диазоалканов и диазомонокетонов к непредельным соединениям исследовано довольно подробно, тогда как аналогичные реакции с участием 2-диазо-1,3-дикарбонильных соединений (ДДКС) изучены очень мало, а имеющиеся литературные данные в известной мере противоречивы. В то же время использование диазодикарбонильных соединений в аналогичных процессах могло бы привести к созданию разнообразных ацил- и алкоксикарбонилзамещённых гетероциклов, последующая функционализация которых позволила бы получать новые перспективные для практического использования гетероциклические структуры. В связи с этим систематическое изучение основных закономерностей и синтетических возможностей реакций 2-диазо-1,3-дикарбонильных соединений с различными диполярофилами представлялось актуальной и перспективной задачей данного диссертационного исследования.

Цель диссертационной работы заключалась в выяснении условий и возможности циклоприсоединения сравнительно инертных в этих реакциях 2-диазо-1,3-дикарбонильных соединений к наиболее реакционноспособным диполярофилам различной природы - тиокетонам, электроноизбыточными и электронодефицитными ацетиленам, установлении закономерностей этих процессов и разработке на их основе новых методов синтеза тетразамещённых 1,3-оксатиолов, пиразолов и других Б-, № и О-содержащих гетероциклов.

Для достижения поставленной цели в работе были решены следующие задачи:

• оптимизированы методики синтеза исходных диазосубстратов и диполярофилов;

• исследованы реакции диазодикарбонильных соединений с ароматическими и карбоциклическими тиокетонами, электроноизбыточными и электронодефицитными С=С-диполярофилами;

3

• экспериментально и теоретически изучены механизмы этих превращений, направление электроциклизации промежуточных тиокарбонильных илидов, образующихся в ходе реакций диазосоединений с тиокетонами;

• выяснена возможность препаративного синтеза тетразамещённых 1,3-оксатиолов, пиразолов и других 8-, >1- и О-содержащих гетероциклов с помощью циклоприсоединения 2-диазо-1,3-дикарбонильных соединений к тиокетонам и ацетиленовым диполярофилам.

Научная новизна.

• Впервые установлено, что 2-диазо-1,3-дикарбонильные соединения реагируют с ароматическими и алифатическими тиокетонами с образованием в качестве конечных продуктов циклоприсоединения оксатиолов, тииранов или алкенов.

• Разработаны новые эффективные методики синтеза тетразамещённых оксатиолов и пиразолов путём циклоприсоединения диазодикетонов, диазокетоэфиров и диазомалонатов к С=8- и С=С-диполярофилам.

• Механизмы изученных реакций интерпретированы на основе результатов квантово-химических расчётов методом ОРТ РВЕ 1 РВЕ/6-3 Ю(с1).

• Впервые обнаружена и теоретически обоснована обратимость 1,5-электро-циклизации промежуточных тиокарбонильных илидов в оксатиолы.

Практическая ценность работы. На основе циклоприсоединения диазодикарбонильных соединений к С=8- и С=С-диполярофилам разработан новый подход к синтезу пятичленных тетразамещённых 8-, и О-содержащих гетероциклов и установлена область применения этого метода.

На защиту выносятся следующие достижения проведённого исследования:

• Разработка способа получения тетразамещённых оксатиолов путём циклоприсоединения диазодикарбонильных соединений к ароматическим и алифатическим тиокетонам.

• Определение направления и условий электроциклизации промежуточных тиокарбонильных илидов.

• Выяснение условий взаимодействия диазодикарбонильных соединений с различными ацетиленовыми диполярофилами (ДМАД, терминальными и интернальными аминопропинами) и разработка на основе этих реакций общего метода синтеза тетразамещённых пиразолов.

• Квантово-химическая интерпретация механизма изученных превращений, проведённая методом ОРТ РВЕ 1 РВЕ/6-3 Ш(с1).

Апробация работы. Материал диссертации был представлен на 9 всероссийских и международных конференциях. По теме диссертации опубликованы 4 статьи и тезисы 9 докладов.

Объём и структура диссертации. Работа изложена на 129 страницах и состоит из предисловия, литературного обзора, обсуждения результатов, выводов, экспериментальной части, списка цитированной литературы, включающего 130 наименований и приложений, а также списка сокращений и условных обозначений.

В литературном обзоре (глава I) рассмотрена классификация реакций 1,3-диполярного циклоприсоединения и факторы, влияющие на механизм и скорость этих превращений, взаимодействие диазодикарбонильных соединений с различными диполярофилами, химические свойства промежуточных тиокарбонильных илидов и методы их генерирования. В главе II рассмотрены и обсуждены результаты изучения реакций диазодикарбонильных соединений с ароматическими и алифатическими тиокетонами, с различными ацетиленовыми диполярофилами, приводящие к образованию оксатиолов, оксатиинонов, тииранов, алкенов и пиразолов. В экспериментальной части работы представлены методики синтеза, физические характеристики и спектральные данные полученных соединений.

Работа выполнена с использованием оборудования ресурсных центров СПбГУ «Магнито-резонансные методы исследование» и «Методы анализа состава вещества». Рентгеновские исследования проведены в ресурсном центре СПбГУ «Рентгено-дифракционные методы исследования». Автор благодарит сотрудников РЦ за помощь при выполнении работы, а также проф. В.И. Барановского и докторанта А. Мерещенко за помощь в квантово-химических расчётах. Автор признателен проф. Г. Млостону за предоставленную возможность выполнить часть диссертационной работы, посвященной алифатическим тиокетонам, в его лаборатории в университете г. Лодзь (Польша) и проф. Й. Зилеру из университета Лейпцига (Германия) за серию рентгеноструктурных анализов.

Нумерация соединений, схем и таблиц в автореферате идентична использованной в диссертации.

2. Основные результаты и их обсуждение

Строение полученных в работе соединений установлено на основании анализа данных ИК, 'Н и 13С ЯМР спектроскопии и масс-спектрометрии, а их состав подтверждён элементным анализом. Строение 15 соединений подтверждено данными рентгеноструктурного анализа.

2.1. Исходные диазосоединения и диполярофилы

В качестве диазосубстратов использовали 2-диазо-1,3-дикарбонильные соединения различных типов: ациклические диазодикетоны 1а-е, диазокетоэфиры lf,h и диазомалонат lg, карбоциклические диазодикетоны li-ш, а в качестве диполярофилов были взяты ароматические 2а-с и

5

карбоциклические тиокетоны 2с1,е, электроноизбыточные ацетилены За-Г

электронодефицитные и

и-?

о я, ^

1а: Ме, Ме

1Ь: Ме, Е1

1с: РИ, Р(1

1с): Ме, р-То1

1е: Ме, р-С6Н4Вг

,0

МеОЧ

>=N2

Н: Ме

ОМе СР3

<3*

11-т

£

О

и

^Bu

С :

¿-Ви 1к: цис 11: транс

>с 1]

с

1т

-'Аг,

Ч-Аг'

И

2а: 2Ь: 2с:

Аг-Аг РИ, РЬ РМР, РМР (о-С6Н4)2

«н

МеООС-=—СООМе За

Н-=-СН,ЫМе2 зь

26

2е

Ме

-=-ЫА1к2

Эй: А1к = Е1 ЗГ: /-Рг

Диазодикарбонильные соединения 1а-т синтезировали с помощью реакции диазопереноса из соответствующих 1,3-дикарбонильных соединений 5а-т и арилсульфонилазидов. Ароматические тиокетоны 2а-с получали из соответствующих кетонов и реактива Лавессона по модифицированной нами методике.

Н(Х Вг. ЫА1к2

РВг3 ] 1МНА1к2 ¿-ВиОК.

- Р(ОН)3

Зс,с1: А1к = Е1 Зе^: А1к = /-Рг

-ЫН2А1к2Вг

РМвО

66%

Зс.е: 69-Й2%

Ме-=-ЫА1к2

зсМ: 69-85%

Интернальные аминопропины 36,Г получали из терминальных пропинов Зс,е, которые синтезировали в несколько стадий из пропаргилового спирта.

2.2. Изучение термической устойчивости диазосоединений 1а-т

Взаимодействие диазодикарбонильных соединений с диполярофилами изучали при температурах от 18 до 100°С. Повышение температуры заметно ускоряет циклоприсоединение, однако при этом диазодикарбонильные соединения во многих случаях начинают разлагаться, и в результате присутствующие в реакционной среде диполярофилы могут реагировать не только с диазосоединениями, но и с продуктами их термолиза. В связи с этим одной из дополнительных задач исследования было определение термической устойчивости ряда диазодикарбонильных соединений и установление строения образующихся при этом продуктов термических превращений.

Проведённые исследования показали, что в обычных условиях (18-23°С) все исследуемые диазосоединения вполне устойчивы и не претерпевают существенного разложения в течение нескольких месяцев.

Íp p

N2 < )=N2 « >=N2

R'-i МеОЧ

O O O

1c 1d (p-Tol) < 1b (Et) < 1e (p-BrC6H4) < 1a (Me) 1f

,0

МеОЧ

)=N2

1h

Таблица 1. Термическая устойчивость (т1/2) ациклических ДДКС la-h.

Диазосоединение 1с

Id

Ib

le

la

lf

lh

Tj/2 (50°C), ч 27.4±Ó.4 66±6 41±2.5 90±10 105±5 t1/2 (77°C), ч 0.71±0.01 1.05±0.03 1.5±0.1 1.5±0.1 2.0±0.2 T1/2 (100°C), ч 0.0638a _:__0.26a

> 1 месяца >150 >250 14.2±0.6 27±1

Литературные данные

Однако при повышении температуры до 70-80 °С и выше ациклические la-e и стерически перегруженные циклические диазодикетоны lk,l начинают довольно быстро разлагаться. Карбоциклические диазоциклогександион li и диазодимедон lj примерно на порядок стабильнее ациклических диазодикетонов 1а-е, а диазокетоэфиры lf,h и диазоциклопентандион lm оказались термически наиболее устойчивыми из всех изученных нами диазосоединений la-m.

На основании полученных данных можно заключить, что наличие арильных и объёмистых заместителей в структуре ДДКС значительно снижает, а введение сложноэфирных групп в a-положении к диазогруппе — повышает термическую устойчивость диазосоединений 1 (Таблица 1).

О О

f-Bu О

í-Bu О 1к (цис): 11 (транс)

Ф 1i

«

1j

О 1m

Таблица 2. Термическая устойчивость (Т|/2) циклических диазодикетонов li-m.

Диазосоединение

lk

11

li

lm

т1а(50°С),ч х,д (77°С), ч т|Д(100°С),ч

81±12 1.7±0.1

81±6 1.7±0.1

27±1.5 2.0±0.14

> 1 месяца 52±5 2.1a

>1 месяца >250 ч

"Литературные данные

Циклические ДДКС li,j,m более стабильны, чем их ациклические аналоги 1а-е, причём термическая устойчивость диазоциклопентандиона lm на несколько порядков выше, чем стабильность диазоциклогександионов li-1 (Таблица 2).

■Ч

>=N2 1а-1

А -N2

О

R'V'0

7а-1

.-.О

R R' .

P'^A^cor "R O O 10j-l

D' '^n'^'ri

O^O 11c,i,j

Показано также, что термолиз диазодикарбонильных соединений 1а-1 обычно приводит к образованию 2-ацилкетенов 7а-1, которые дают в качестве конечных продуктов реакции либо олигомеры 8, либо димеры ацилкетенов - пирандионы 10]-1 или изомерные а-пираноны

2.3. Реакции диазосоединений la-m с ароматическими тиокетонами 2а-с

Установлено, что алифатические диазодикарбонильные соединения la-f уже при комнатной температуре (18-23°С) реагируют с тиобензофеноном 2а с образованием в качестве конечных продуктов реакции оксатиолов 12,12'.

1a-f Ar R 12a-f, 13а,b, 14а,b 12 'b-e, 13'b, 14'b

12,12': Ar-Ar = Ph, Ph; 13,13': PMP, PMP; 14,14': (o-C6H4)2

Схема 41. Реакции ациклических ДДКС la-f с ароматическими тиокетонами 2а-с.а)

Диазосоединение 1 ÍR.R') T,°C Время реакции Препаративный выход

1а Me, Me 20 7 дней 36 (12а)

1а --- 20 14дней 81 (12а)"'

Ib Me, Et --- 8 дней 30 (12b+12'b; 1/1.6)

1с Ph, Ph --- 100 дней 40 (12с)

Id Me, p-Tol --- 62 дня 41 (12d+12'b; 2.4/1)

le Me,p-BrC6H4 --- --- 12 (12е+12'е; 1.9/1)

lf Me, OMe --- 111 дней 46 (12f)

la Me, Me 50 24 ч 36 (12а)

Ib Me, Et --- 30 ч 56 (12Ь+12'Ь; 1/1.7)

le Ph, Ph --- 4 дня 31 (12с)

а'В таблице приведены только результаты реакций с тиобензофеноном 2а по причине того, что выходы продуктов реакций с другими тиокетонами незначительны; ^Реакцию проводили при соотношении реагентов 1а:2а = 2:1.

Выходы оксатиолов 13а,Ь и 13'Ь в реакциях диазодикарбонильных соединений 1а,Ь с ди-лара-метокситиобензофеноном 2Ь невелики, по-видимому, из-за низкой активности этого тиокетона, а с тиофлуореноном 2с - из-за неустойчивости последнего.

Р Ph Р Р

Me04^fph + 2а: R' = ОМе Ме0<. +2а; R'= CF3: А , MeO-fPh

МеОЧ S "n2 RH "n2; -S CF3—Ph

0 0 о

15g; 32% 1g,h: R'= OMe (g); CF3 (h) 16h; 45%

В отличие от диазодикарбонильных соединений la-f, диазомалонат lg (при 20°С) и фторалкилзамещённый диазокетоэфир lh (при 80°С) в реакции с тиобензофеноном дают тииран 15g и алкен 16h соответственно.

Реакционная способность карбоциклических диазодикетонов li-1 при 18-23°С оказалась значительно ниже, чем у ациклических аналогов 1а-е. Увеличение температуры до 80°С заметно ускоряет процесс, но при этом наблюдается частичное разложение диазодикетонов li-1 и образование (наряду с оксатиолами 12Í-1) оксатиинонов 17j-l и пирандионов lOi-1. Образование последних в реакциях карбоциклических диазодикетонов li-1 при 80°С, очевидно, вызвано частичным разложением диазосоединений 1 и последующей (4+2)-димеризацией ацилкетенов 7 (lOi-1) или их реакцией с тиобензофеноном (17j-I).

С>> С}

РИ

11-1

121-1°

8-53%

О

+ СХД-рь +

к ° РИ 8-71%

10М

14-50%

Диазосоединение 1 Я, Я' Время, ч Выходы продуктов реакции3', % 121-1 17|-1 ЮМ

И (СН2)3 60 15 (22) - 22 (42)

1] СН2СМе2СН2 100 29 (59) 8(21) 6(13)

1к 1/ме-ди-<-Ви 3 (6) 5(12) 70(76)б>

11 трсшс-ди-/-Ви 3 И 19(71) (14)"

спектроскопии ЯМР 'Н; 'Смесь диастереомеров; "Один диастереомер (по данным спектроскопии Н ЯМР).

В препаративном плане реакции диазодикарбонильных соединений 1а,с,Г с тиобензофеноном 2а, протекающие с выходами до 81%, вполне пригодны для синтеза соответствующих оксатиолов 12а,с,Г

2.4. Реакции диазодикарбоиильныхсоедииений 1а,с,Г-1 с алифатическими тиокетоиами 2(1,е

Взаимодействие диазодикетонов 1а,с,у с тиоксоциклобутаноном 2й аналогично их реакциям с тиобензофеноном 2а, однако скорость этих процессов значительно ниже. При 80°С наблюдается дополнительно образование оксатиинона 21с и тетразамещённого олефина 22с (Схема 46). Стерически перегруженные диазодикетоны 1к,1 и образующиеся при их термолизе ацилкетены 7к,1 с тиокетоном 2й не реагируют.

РЬ

РЬуУуО

2й+ 1а,с,У

А >,

О

20а, с, У

РИ РЬ

о

21с

0>^<0

О

22с

Схема 46. Реакции диазодикетонов 1а,с,у с тиокетоном 2(1. Диазосоединение 1 (Я, Я') Условия, время

Выходы продуктов реакции, % 20 21 22

1а (Ме, Ме) 1с (РЬ, РЬ) 1с (РЬ, РЬ) И (СН2СН2СН2) Л (СН2СН2СН2) 1] (СН2СМе2СН2) 1] (СН2СМе2СН2)

20°С, 31 день 20°С, 70 дней

80°С, 3 ч 20°С, 70 дней

80°С, 72 ч 20°С, 70 дней 80°С, 90 ч

1к,1 цис- и транс-дк-1-Ви 20°С, 70 дней или 80°С, 3 ч

79 (88)

35 (44) - (6)

19(25) (17) (11)

Реакция не идёт (данные ЯМР 'Н) 7(14)

Реакция не идёт (данные ЯМР Н) 18(25)

Реакция не идёт (данные ЯМР 'Н и "С)

Диазоацетоацетат И (вне зависимости от температуры) легко реагирует с тиокетоном 2й и даёт с хорошими выходами (77-78%) соответствующий оксатиол 20Г Фторалкилсодержащий диазокетоэфир 1Ь в тех же условиях реагирует с тиокетоном 2(1 очень медленно (выход оксатиола 20Ь через 3 дня при 80°С составил 24%).

Таким образом, реакции диазодикетонов 1а,с и диазокетоэфира И с алифатическим тиокетоном 2(1, проходящие с выходами до 60-80%, могут быть использованы для препаративных синтезов соответствующих оксатиолов 20а,с,Г

В случае диметилдиазомалоната направление реакции с тиокетоном 2А существенно зависит от температуры (Схема 47). При 20°С наблюдается образование 1,3-оксатиола 20g (65%) и олефина 22g (18%, соотношение 20g/22g~4/l).

п МеО

Я10

о -"

МеО R'

1f-h +

2d

МеО ОМе

20f-h". 24-78%

О

22д:18-81%

Схема 47. Реакции диазокетоэфиров lf,h и диазомалоната Ige тиокетоном 2d.

Диазосоединение 1 (R1) Условия реакции Выходы продуктов реакции, %

температура время 20 22

lf (Ме) 20°C 60 дней 60 (77) -

lf(Me) 80°C 20 ч 64 (78) -

lg (ОМе) 20°C 65 дней 40 (65) 13 (18)

lg (ОМе) 80°C 20 ч (1) 69 (81)

lh (CF,) 20°C 60 дней (4) -

lh (CF,) 80°C 72 ч 16(24) -

В то же время при 80°С в реакционной смеси были обнаружены лишь следы оксатиола 20g (соотношение 20g/22g ~ 1/60).

Наиболее вероятным объяснением зависимости основного направления реакции диазомалоната с тиокетоном 2с1 от температуры является обратимое взаимопревращение оксатиола 20g и тиокарбонильного илида 26g.

МеО-£. Ме%209

1,5-ЕС

■Сз^

©Vs

МеО

МеО-^ 26q О а

1,3-ЕС

МеО-^ ~j—f>C

MeO-^Vr" О 27д

Ме02С Ме02СЬ\

-22д

Ме02С

Ме02С -Ж"

27д еЭ 28д -Бд

Можно предположить, что последний подвергается электроциклизации в

тииран 27g, который элиминирует серу и даёт алкен 22g.

10

Ме02С Ме02С

22д

Для выяснения механизма этой реакции с использованием метода DFT РВЕ 1 РВЕ/6-3 lG(d) в газовой фазе и программы Gaussian 09 были проведены квантово-химические расчёты трансформации оксатиола 20g в алкен 22g (Таблица 6).

Таблица 6. Энергетические профили превращения оксатиола 20g в алкен 22g; _AG (ккал-моль-')._

23.8 15.1 22.7 4.9 ? 30.2 22.7 Ад,* 8.7 41.7 13.4 4.0_?_48.4 29.4

При этом полагали, что исследуемое превращение проходит в 5 стадий: раскрытие оксатиола 20g (стадия 1), 1,3-электроциклизация С=8-илида 26g (стадия 2), диспропорционирование тиирана 27g (стадия 3), разложение 8-сульфида тиирана 28g (стадия 4) и тетрамеризация молекулы с образованием ромбической серы (стадия 5). Для каждой стадии были рассчитаны соответствующие изменения свободной энергии Гиббса (ДО;), а также энергетические барьеры для прямого (ДGi ) и обратного (ДО-| ) процессов. В Таблице 6 приведены также суммарные значения ДО и ДО превращения оксатиола (0—>5) и тиирана 27g (2—>5) в алкен 22g и ромбическую серу.

Данные расчётов позволяют заключить, что преобладание 1,5-электроциклизации С=5-илида 26g при комнатной температуре может быть объяснено значительной разницей в свободных энергиях переходных состояний ТЯ1 и ТБ2 (6.4 ккал-моль-1), тогда как при 80°С основным продуктом электроциклизации С=8-илида 26g становится энергетически более выгодный тииран 27g.

Таким образом, обратимость 1,5-электроциклизации тиокарбонильного илида 26g в оксатиол 20g, очевидно, является следствием относительно низкого активационного барьера первой стадии процесса (AGi# = 23.8 ккал-моль"1), который медленно преодолевается даже при комнатной температуре, и поэтому при хранении образца чистого оксатиола 20g в нём постепенно накапливается алкен 22g.

Взаимодействие диазосоединений 1 с адамантантионом 2е проводили при комнатной температуре в растворе пентана. По сравнению с тиокетоном 2d адамантантион легко подвергается олигомеризации, поэтому в реакциях с этим диполярофилом были изучены только наиболее реакционноспособные

диазодикарбонильные соединения la,f,g. $

S 2е 0 л Г Sly

+ 5 мес., 20°С, пентан Rvj9 ^^^ и23а (R'= Me): 48%

О ^ RО&СУ _25д 23f (R' = ОМе): 39%

Д S ^^ МеО^О

25М'9 Meet®

О Q S

1a,f,g 24Э: 13%

Согласно полученным данным, реакции диазосоединений la,f,g с адамантантионом 2е при комнатной температуре протекают аналогично превращениям тиобензофенона 2а с образованием соответствующих оксатиолов 23а,f или тиирана 24g.

2.5. О механизме взаимодействия диазосоединений 1 с тиокетонами 2

Таким образом, экспериментально установлено, что основными продуктами реакций диазодикарбонильных соединений la—1 с тиокетонами 2а—е являются 1,3-оксатиолы 12-14,20,23 и тиираны 15,24,27. Образование этих соединений может происходить различными путями:

1) Путь А включает первоначальное 1,3-диполярное циклоприсоединение ДДКС 1 к связи C=S тиокетона 2 с образованием 1,3,4-тиадиазолинов 18,28, элиминирование молекулы N2) генерирование С=8-илидов 19,25,26 и их последующую 1,5- или 1,3-электроциклизацию, приводящую к 1,3-оксатиолам 12-14,20,23 или тииранам 15,24,27.

2) Путь В предполагает первоначальное образование диазониевого цвиттер-иона 29 и его последующее превращение в С=8-илиды 19,25,26, которые дают те же продукты реакции, что и в случае пути А.

3) Наконец, образование тиокарбонильных илидов 19,25,26 возможно и через карбеновый путь С, включающий взаимодействие диацилкарбена 6 с атомом серы тиокарбонильной группы, и последующее превращение этих интермедиатов в оксатиолы 12,14,20,23 или тиираны/алкены 15,16,22,24,27.

Изучение термической устойчивости ДДКС 1 показало, что они вполне стабильны при обычных температурах, и, таким образом, можно заключить, что образование оксатиолов 12-14,20,23 и других продуктов реакции не включает первоначальное разложение диазосоединений 1 с последующим образованием С=8-илидов 19,25,26 из карбенов (путь С). Для проверки цвиттер-ионного механизма (путь В) была предпринята попытка перехватить цвиттер-ионный интермедиат 29 с помощью «ловушки» цвиттер-иона — N-метилмалеимида. Однако в этих условиях, как и в отсутствие N-метилмалеимида, был получен толькоо соответствующий оксатиол 20а (68%).

Для выяснения механизма взаимодействия диазосоединений 1 с тиокетонами 2а,d были проведены квантово-химические расчёты энергетических профилей этого процесса. В таблице 4 приведены расчётные данные по двум первым стадиям процесса (для реакций с участием тиобензофенона 2а учитывался сольватационный эффект, РСМ, бензол). Как видно из приведённых данных, лимитирующей стадией превращения по пути А должна быть первая стадия, поскольку, чем выше энергетический барьер для этой стадии, (AGi"), тем медленнее должна идти реакция (Таблица 4).

1.67А£ 6" /

?—^ дс//

2.42 А; ',2.17 А /

1а-1 + 2а,а

Т31а)

2а,18,19: = 2РИ кос " 18,28

N2

19,26

Таблица 4. Энергетические профили взаимодействия диазосоединений 1 с тиокетонами 2а,й. РРТ РВЕ 1 РВЕ/6-3Ю(<1), 25°С. АО (ккал-моль1).

С=8-илид, (К-Я') ДО," Дв, да,* ДО," Ав2

19а (2Ме) 25.9 3.8 22.1 21.2 -25.1

19с (2РЬ) 29.6 5.8 23.8 - -

19Г (Ме.ОМе) 27.6 4.8 22.8 19.6 -26.0

19g (20Ме) 29.9 5.2 24.6 18.6 -24.0

19Ь (СР3,ОМе) 32.1 7.6 24.5 16.4 -31.3

191 (СН2СН2СН2) 32.7 12.4 20.3 - -

19л (СН2СМе2СН2) 32.4 11.7 20.7 - -

19к (цис- ди-Г-Ви) 31.3 10.7 20.6 - -

26а (2Ме) 30.2 -4.4 34.6 26.0 -12.8

26Г (Ме,ОМе) 30.7 -2.5 33.2 22.6 -14.8

26g (20Ме) 31.0 -1.5 32.4 23.6 -13.3

26Ь (СР3,ОМе) 32.6 -3.8 36.4 24.5 -11.9

"'Приведены численные значения для переходного состояния циклоприсоединения диазокетоэфира 1Г к тиоксоциклобутанону 2й.

Полученные данные ДО]* и экспериментальные результаты о реакционной способности диазосоединений 1а-1 с тиокетонами 2а,с! в целом хорошо согласуются между собой. Таким образом, можно заключить, что диазодикарбонильные соединения при комнатной температуре реагируют с тиокетонами 2а-е по пути А.

2.6. Взаимодействие диазодикарбонильных соединений 1а-ш с ацетиленовыми диполярофилами За,Ь,с1,1"

Немногочисленные литературные данные о взаимодействии диазодикарбонильных соединений с ацетиленовыми диполярофилами довольно противоречивы. В связи с этим нами были предприняты попытки осуществить циклоприсоединение ряда диазодикетонов 1а,с,Г-т к диметилацетилендикарбоксилату За (ДМАД), терминальному ЗЬ и интернальным аминопропинам 3(1,Г

По аналогии с диазомонокарбонильными соединениями, диэтилдиазомалонатом и диазоиндандионом, можно было ожидать, что ДДКС 1а-т будут реагировать с ДМАД За, давая 3#-пиразолы 30 и/или продукты их изомеризации 31. Однако оказалось, что диазодикетоны

1а,с,Г-т при обычных условиях с ДМАД За вообще не реагируют. При повышении температуры (80°С) происходит разложение диазодикарбонильных соединений 1а,с,1-т и, как и в отсутствие ДМАД (раздел 2.2), образуются продукты термолиза ацилкетенов - олигомеры 8а,с и пирандионы ЮН.

0СрС02Ме

да '

30

+ За

■Ч

1а,с,¡$1

-ы,|д

К' о о

10с,М

.Я^АуСОгМе

Я' О С02Ме 32 2

+ За

-X"

Ч -

/=с=о

^ 7а,с,¡-I

Я

Я' 8а,с

В то же время диазосоединения И-Ь, имеющие в своей структуре метоксикарбонильные группы, в качестве основных продуктов реакции дают соответствующие пиразолы 31 (Схема 53).

О

МеО—^ Я'

С02Ме

И,

С02Ме За

Ме02С С02Ме

/Г"

МеОгС^^ м СОЯ'

*

Схема 53. Реакции метоксикарбонилзамещённых диазосоединений К-Ь с ДМАД.

Диазосоединение 1 (Я')

Выход пиразолов ЗН-Ь

при 20°С, 2 мес.

при 80°С

ЩМе) (ОМе) 1Ь (СЕ,)

12% 45% реакция не идёт

64% (34 ч.) 72% (6 ч.) 16% (7 дней)

Наиболее активными здесь были диметилдиазомалонат и

метилдиазоацетоацетат Н, которые реагируют с ДМАД уже при комнатной температуре, однако в этих условиях реакция идёт довольно медленно.

Таким образом, экспериментально установлено существенное различие реакционной способности диазодикетонов 1а,с,ь1 и диазоэфиров в

реакциях с диметиловым эфиром ацетилендикарбоновой кислоты За. Показано также, что взаимодействие диазосоединений Н1^ с ДМАД при 80°С, может использоваться в качестве препаративного метода получения тетразамещённых пиразолов ЗН^.

В реакциях диазосоединений 1 с терминальным аминопропином ЗЬ можно было ожидать образования соответствующих 3//-пиразолов. Однако оказалось, что при комнатной температуре диазосоединения 1а,с,с 1-(диметиламино)проп-2-ином ЗЬ не реагируют.

В результате исследования реакций диазодикарбонильных соединений la,c,f,g,j,l с интернальными аминопропинами 3d,f было установлено, что первоначально они дают ЗЯ-пиразолы 35, 36. Некоторые из них вполне устойчивы (35g, 36g) и могут быть выделены из реакционной смеси с хорошими выходами, однако ЗЯ-пиразолы 35a,c,f,j,l и 36а,f,!, полученные из диазодикетонов la,c,j,I и диазокетоэфира lf, уже при комнатной температуре претерпевают 1,5-ацильный сдвиг (перегруппировку Ван-Альфена-Хюттеля).

Низкие выходы целевых продуктов циклоприсоединения диазодикетонов la,i-I к аминопропинам 3d,f, по-видимому, обусловлены олигомеризацией ацетиленов 3d,f, инициируемой диазосоединениями. В ряде опытов олигомеры аминопропинов (три- и тетрамеры) были выделены из реакционных смесей, и их структура подтверждена данными спектроскопии ЯМР 'Н и масс-спектрометрии.

1a,c,g,f,j,l __. VS> R,R' = OMe: ..

+ 3d,f ' Y -(80°) MeOzC-^-N-COzMe

'-.FT^ 39a

35: Alk = Et; 36: Alk = /-Pr 37a,c,f,g,j,l: Alk = Et оэа

+ олигомеры аминопропинов 38a,f,l: Alk = /'-Pr

Схемы 55-57. Реакции диазосоединений la,c,f,g,j,I с аминопропинами 3d,f.

Диазосоединение 1 (R,R') Условия реакции (время и выходы)

35g, 39g: Alk = Et 36g: Alk = /-Pr

lg (OMe,OMe) 35g: 20°C, Et20, 16 ч.; 56% (64%) 20°C, Et20, 16 ч.; 52% (65%) 39g: 80°C, без р-ля; 50% (57%)

Диазосоединение 1 (R,R') 37a.c.f.j.l: Alk = Et 38a,f,l: Alk = /-Pr

la: (Me, Me) lc: (Ph, Ph) lf (Me, OMe) 19j (CH2CMe2CH2) 191 (транс-ди-t-Bu) -10°C, без р-ля, 16 ч; 7% (8%) -5°C, гексан, 12 ч; 8% (10%) 20°С, Et20, 8 дней; 40% (47%) 20°С, без р-ля, 72 ч; 52% (56%) 5°С, гексан, 7 дней; 50% (55% 5°С, С6Н6, 48 ч; 10% (13%) 20°С, гексан, 48 ч; 10% (17%)

При повышенной температуре (80°С) ЗЯ-пиразол 35g претерпевает два последовательных 1,5-сдвига метоксикарбонильной группы, в результате которых образуется изомерный пиразол 39g.

Самым реакционноспособным диазосоединением в экспериментах с аминопропинами Зd,f оказался фторалкилсодержащий диазокетоэфир 1Ь, взаимодействие которого с аминопропинами Зd,f (в отсутствие растворителя) протекает экзотермично. В результате реакции диазотрифторацетоуксусного эфира 1Ь с ацетиленами Зd,f с выходами 1969% были выделены /Я-пиразолы 40, 41. Образование последних, очевидно, происходит в результате первоначального (2+2)-циклоприсоединения аминопропинов Зd,f к С=0-группе диазокетоэфира 1Ь и превращением неустойчивых оксетов 42 в пиразолы 40Ь, 41Ь (Схема 58).

Гсп^

РзСОС 1(1 —=-НА1к2

;02Ме

Р3С С02Ме СОЫА1к2

Р3СС02Ме Г3С С02Ме

тЛ -л

_А1к2Ы 42 А1к2М0Й ^

Схема 58. Взаимодействие диазокетоэфира 1Ь с аминопропинами Зс1,Г

40Ь: А1к = Е1 41 И: /'-Рг

А1к

Условия и время реакции

Выход

Е1 /-Рг

20°С, без р-ля, мгновенно от 0 до 20 °С, гексан, 12 ч

40Ь:19% (20%) 41Ь: 64% (74%)

Полученные данные свидетельствуют о том, что диазодикетоны 11,] реагируют с аминопропинами Зс1,1 достаточно энергично, во многих случаях - с заметным выделением тепла, однако соответствующие пиразолы при этом практически не образуются, а выходы пиразолов 37а,с,I полученных из диазодикетонов 1а,с,I, тоже невелики. В то же время, реакции диазосоединений 1Ь,Г-Ь с диалкиламинопропинами Зс!,Г, идущие с выходами до 74%, могут быть использованы для препаративного получения 1Н- и ЗН-пиразолов 35-41.

Для выяснения механизма изученных реакций были проведены квантово-химические расчёты энергетических профилей 1,3-диполярного циклоприсоединения диазодикарбонильных соединений 1а,с,Г-1 к аминопропину Зс! (Таблица 12).

ТЭ1

\ # ТЭ2

ДС// \дс< ^

Е12М,

V

IV--134'

МеОС .........-г

= 1.81 А'

Ё ДГ

' ' 5Г_

и

1а-1 + за

МеОС' '••"""т'иэА ТЭ1 (образование цвиттер-иона 45а)

АС,

©

МЕЬ

II

45

С

}

35а-1

Таблица 12. Энергетические профили взаимодействия диазосоединений 1

1А г^ г.т /г»г>л,п дп -

Диазо соединение 1 (Я— Щ ДО," Дв, ДО/ до2 ДО^

1а (Ме, Ме) 26.3 2.9 9.7 -28.9 -26.0

1с (РЬ, РЬ) 33.6 -33.6

И (Ме, ОМе) 28.3 3.3 12.6 -32.0 -28.7

(ОМе, ОМе) 25.0 2.2 13.9 -33.1 -30.8

ЩСР3, ОМе) 24.0 -26.1

11 (СН2СН2СН2) 24.0 10.6 11.6 33.4 -22.8

1] (СН2СМе2СН2) 24.4 10.2 11.7 30.3 -20.2

11 (транс-ди-/-Ви) 25.9 -23.1

Согласно полученным данным, реакция с электроноизбыточными аминопропинами 3(1,Г проходит по несогласованному механизму: вначале образуется связь терминального атома азота диазогруппы с атомом С ацетиленового диполярофила и образуется цвитгер-ион 45 (лимитирующая стадия), а затем происходит его 1,5-электроциклизация, в результате которой получается ЗЯ-пиразол 35.

Величина барьера циклизации цвиттер-иона 45а в ЗЯ-пиразол 35а (АС2№) составляет 9.7 ккал-моль"1, что существенно меньше барьера первой стадии процесса (образования цвиттер-иона), то есть лимитирующей является именно первая стадия реакции. Несогласованный («ступенчатый») механизм циклоприсоединения в данном случае, вероятно, обусловлен наличием сильных электроноакцепторных заместителей в диполе 1 и высокой нуклеофильностью электроноизбыточных аминопропинов Зс1,Г

По данным квантово-химических расчётов (Таблица 12) самыми активными из нефторированных диазодикарбонильных соединений должны быть диметилдиазомалонат ^ и циклические диазодикетоны Несоответствие экспериментальных и расчётных данных, по-видимому, свидетельствует о наличии конкурирующей с 1,3-циклоприсоединением олигомеризацией аминопропинов 3(1,£ инициируемой диазодикетонами 1, энергетический барьер которой гораздо ниже, чем барьер циклоприсоединения. Взаимодействие наиболее реакционноспособного фторалкилсодержащего диазокетоэфира 1Ь с диалкиламинопропинами Зс1,Г идёт по другому пути, и преобладание (2+2)-циклоприсоединения над (3+2)-циклоприсоединением, очевидно, также объясняется меньшим энергетическим барьером первой стадии этого процесса.

3. Выводы

1. Диазодикарбонильные соединения различных типов реагируют с тиокетонами, ДМАД и 1-(диалкиламино)проп-1-инами по-разному:

• диазомалонаты и диазокетоэфиры легко дают (3+2)-циклоаддукты с кратными связями этих диполярофилов;

• ациклические диазодикетоны эффективно взаимодействуют с тиокетонами, но с трудом реагируют с электроноизбыточными ацетиленовыми диполярофилами;

• карбоциклические диазодикетоны практически не дают циклоадцуктов

с тиокетонами, ДМАД и аминопропинами.

2. Циклоприсоединение диазомалоната к ДМАД и электроноизбыточным аминопропинам, диазотрифторацетоуксусного эфира к аминопропинам, диазоацетилацетона и диазоацетоуксусного эфира к тиобензофенону и тиоксоциклобутанону, протекающие с выходами 50-90%, может служить

препаративным методом синтеза соответствующих пятичленных S-, N- и О-содержащих гетероциклов — тетразамещённых пиразолов и оксатиолов.

3. Циклоприсоединение диазодикарбонильных соединений к связи C=S тиокетонов происходит по согласованному механизму, тогда как взаимодействие с электроноизбыточными диалкиламинопропинами протекает по несогласованному пути. Образование оксатиола из тиокарбонильного илида в реакции диазомалонатов с тиокетонами является обратимым процессом.

4. Наличие а-алкоксикарбонильных групп в структуре диазодикарбонильного соединения существенно повышает, а введение арильных и объёмистых заместителей значительно снижает термическую устойчивость этих диазосоединений. Циклические диазодикетоны (С-6, С-5) термически более стабильны, чем их ациклические аналоги, а устойчивость диазоциклопентандиона существенно выше, чем шестичленных диазодикетонов.

5. В реакциях диазодикарбонильных соединений с 1-(диалкиламино)-проп-1-инами в отсутствие растворителя наряду с циклоприсоединением наблюдается олигомеризация этих ацетиленовых субстратов. Наиболее эффективно олигомеризацию инициируют карбоциклические диазодикетоны.

Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях: Статьи:

1. Николаев В. А., Иванов А. В., Шахмин А. А., Schulze В., Родина Л. J1. Реакции 2-диазо-1,3-дикарбонилъных соединений с ароматическим тиокетонами ("супердиполярофилами") II ЖОрХ. 2011. Т. 47, № 12. С. 1873-1875.

2. Nikolaev V. A, Ivanov А. V, Shakhmin А. А., Sieler J., Rodina L. L. The first examples of cycloadditions of 2-diazo-l,3-dicarbonyl compounds to aromatic thioketones И Tetrahedron Lett. 2012. Vol. 53. № 24. P. 3095-3099.

3. Иванов А. В., Mlostoñ G., Николаев В. А. Тетразамещенные оксатиолы и олефины на основе циклоприсоединения 2-диазо-1,3-дикарбонильных соединений к алифатическим тионам И ЖОрХ. 2013. Т. 49. № 7. С. 10941096.

4. Ivanov А. V., Rodina L. L., Nikolaev V. A., Mlostoñ G. Less reactive dipoles of diazodicarbonyl compounds in reaction with cycloaliphatic thioketones — First evidence for the 1,3-oxathioIe-thiocarbonyl ylide interconversion // Beil. J. Org. Chem. 2013. Vol. 9. P. 2751-2761.

Тезисы докладов и сообщений:

5. Ivanov А. V., Shakhmin A. A., Korneev S. М., Nikolaev V. A. First [3+2]-cycloadditions of diazodiketones with aromatic thiones and subsequent reactions of cycloadducts II 5-th International Youth Conference on Organic Chemistry (InterYCOS-2009) — Санкт-Петербург, Россия, 2009. P. 132.

6. Иванов А. В. Циклоприсоединение диазодикетонов к ароматическим тиокетонам и синтез S- и О-содержащих гетероциклов на основе этой реакции II IV научная конференция студентов и аспирантов химического факультета СПбГУ — Санкт-Петербург, Россия, 2010. Р. 118.

7. Иванов А. В, Шахмин А. А., Родина JT. JI. Николаев В. А. Оксатиолены и оксатиины на основе реакций 2-диазо-1,3-дикетонов с ароматическими тиокетонами // Ш-я Международная конференция «Химия гетероциклических соединений» (КОСТ-2010) — Москва, Россия, 2010. С. У26.

8. Ivanov А. V. Cycloadditions of diazodiketones to aromatic thiones and subsequent reactions И 7th Annual PhD Students Conference „Current Trends in Science (Physics and Chemistry)" — Санкт-Петербург, Россия, 2010. P. 6.

9. Ivanov A. V, Nikolaev V. A, Mloston G. Reactions of Diazodicarbonyl Compounds with Aromatic and Aliphatic Thioketones И XIV Ogolnopolskie Sympozjum ,,Post?py w Chemii Zwi^zkow Heteroorganicznych" — Lodz, Польша, 2011. P. P-61.

10. Ivanov A. V., Nikolaev V. A. Thermal Reactions of Diazodicarbonyl Compounds with Superdipolarophiles II International Congress of Young Chemists ,,YoungChem2011" — Krakow, Польша, 2011. P. 98.

11. Ivanov A. V, Rodina L. L., Nikolaev V. A. Thermal Stability and Reactions of Diazodicarbonyl Compounds with Aromatic Thiones И V-th International Symposium „Chemistry of Aliphatic Diazo Compounds: Advances and Outlook" (Diazo-2011) — Санкт-Петербург, Россия, 2011. P. 63-64.

12. Иванов А. В., Шахмин А. А. Взаимодействие диазодикарбонипъных соединений с супердиполярофилами II V всероссийская конференция студентов и аспирантов «Химия в современном мире» — Санкт-Петербург, Россия, 2011, —С. 304-305.

13. Ivanov А. V., Nikolaev V. A., Mloston G. Reactions of Different Thioketones with Diazodicarbonyl Compounds II International Conference of Young Chemists „1СYC" —Amman, Иордания, 2012. P. 32.

Молекулярные структуры некоторых синтезированных соединений по данным рентгенострукгтурного анализа_

Оксатиол 12Г

Оксатиол 12|

Тииран 15й

V

Н-.

у Д ху ■

ч/ °

Оксатиинон 17]

Оксатиинон 17к

Оксатиол 20Г

/- / У / I

- /

Подписано к печати 15.04.14. Формат 60x84 'Лв . Бумага офсетная. Гарнитура Тайме. Печать цифровая. Печ. л. 1,00. Тираж 100 экз. Заказ 6025.

Отпечатано в Отделе оперативной полиграфии химического факультета СПбГУ 198504, Санкт-Петербург, Старый Петергоф, Университетский пр., 26 Тел.: (812) 428-4043, 428-6919

Санкт-Петербургский государственный университет

На правах рукописи

Г)Л*ЭГИ /.¿ллс? ит ¡.Ъ 1 тиии^г.

Иванов Алексей Владимирович

Реакции 2-диазо-1,3-дикарбонильных соединений с тиокетонами и ацетиленовыми диполярофилами: синтез Б-, 1М- и О-содержащих гетероциклов

02.00.03 - Органическая химия

Диссертация на соискание учёной степени кандидата химических наук

Научный руководитель: д.х.н., проф. Николаев В.А.

Санкт-Петербург 2014

Оглавление

Список условных обозначений и сокращений........................................................4

Предисловие................................................................................................................5

Глава I. Литературный обзор.................................................................................6

1.1. Введение.............................................................................................................7

1.2. Определение и основные закономерности реакций

1,3-цикл ©присоединения..................................................................................8

1.3. Диазосоединения в реакциях циклоприсоединения....................................12

1.3.1. Относительная активность диазосоединений и диполярофилов..................................12

1.3.2. Реакции диазодикарбонильных соединений с углерод-углеродными кратными связями............................................................................................................15

1.3.3. Реакции диазодикарбонильных соединений с тиокарбонильными соединениями... 19

1.4. Заключение......................................................................................................28

Глава II. Обсуждение результатов......................................................................29

Введение....................................................................................................................30

2.1. Цели, задачи и объекты исследования..........................................................32

2.1.1. Синтез исходных диазосоединений...............................................................................33

2.1.2. Синтез тиокетонов...........................................................................................................34

2.1.3. Синтез аминопропинов....................................................................................................35

2.2. Изучение термической устойчивости диазодикарбонильных соединений.......................................................................................................36

2.2.1. Определение термической устойчивости диазодикарбонильных соединений..........37

2.2.2. Разложение термически лабильных диазодикетонов...................................................39

2.3. Реакции диазосоединений с ароматическими тиокетонами.......................41

2.3.1. Результаты экспериментальных исследований.............................................................41

2.3.2. Квантово-химические расчёты реакций диазодикарбонильных соединений

с тиобензофеноном..........................................................................................................46

2.4. Реакции диазодикарбонильных соединений с алифатическими тиокетонами.....................................................................................................48

2.4.1. Основные направления реакций ДДКС с тиокетонами...............................................48

2.4.2. Квантово-химические расчёты.......................................................................................54

2.5. О механизме взаимодействия ДДКС с тиокетонами..................................59

2.6. Взаимодействие диазодикарбонильных соединений с ацетиленовыми диполярофилами ............................................................................................62

2.6.1. Взаимодействие диазодикарбонильных соединений с ДМАД...................................62

2.6.2. Взаимодействие диазодикарбонильных соединений с терминальным 1-(диметиламино)проп-2-ином.......................................................................................66

2.6.3. Реакции диазодикарбонильных соединений с интернальными

1 -(диалкиламино)проп-1 -инаминами.............................................................................66

2.6.4. Квантово-химические расчеты реакций ДДКС с аминопропином 3d........................71

2.7. Данные рентгеноструктурного анализа........................................................75

2.8. Выводы.............................................................................................................77

Глава III. Экспериментальная часть..................................................................78

3.1. Синтез исходных соединений........................................................................80

3.1.1. Синтез диазодикарбонильных соединений.....................................................................80

3.1.2. Синтез тиокетонов.............................................................................................................85

3.1.3. Получение и очистка ацетиленовых диполярофилов....................................................86

3.2. Изучение термической устойчивости диазодикарбонильных соединений.......................................................................................................88

3.2.1. Определение термической устойчивости диазодикарбонильныхсоединений...........88

3.2.2. Разложение термически лабильных диазодикетонов...................................................89

3.3. Реакции диазосоединений с ароматическими тиокетонами.......................92

3.3.1. Реакции диазосоединений с тиобензофеноном............................................................92

3.3.2. Реакции диазосоединений с 4,4'-диметокситиобензофеноном................................100

3.3.3. Реакции диазосоединений с тиофлуореноном............................................................101

3.4. Реакции диазосоединений с тиоциклобутаноном 2d................................102

3.5. Реакций диазосоединений с адамантантионом..........................................107

3.6. Реакции диазосоединений с ацетиленовыми диполярофилами...............109

3.6.1. Взаимодействие диазодикарбонильных соединений с ДМАД..................................109

3.6.2. Взаимодействие диазодикарбонильных соединений с терминальным 1-(диметиламино)проп-2-ином.....................................................................................111

3.6.3. Реакции диазодикарбонильных соединений с интернальными 1-(диалкиламино)проп-1-инаминами...........................................................................112

3.7. Данные рентгеноструктурного анализа......................................................118

Список литературы..............................................................................................121

Список условных обозначений и сокращений

ЯМР - ядерный магнитный резонанс;

РМР - иора-метоксифенил;

Аг - арил;

Ас - ацетил;

Me - метил;

ВЗМО - высшая занятая молекулярная орбиталь;

НСМО - низшая свободная молекулярная орбиталь;

ДМАД - диметилацетилендикарбоксилат;

ДДКС - диазодикарбонильные соединения;

DBU - 1,8-диазабицикло-[5.4.0]-ундец-7-ен;

ТГФ - тетрагидрофуран;

ПЭ - петролейный эфир;

МТБЭ - метил-трет-бутиловый эфир;

ДМСО - диметилсульфоксид;

м.д. - миллионные доли;

ТСХ - тонкослойная хроматография;

ЭЦ - электроциклизация;

РСМ - сольватационная модель поляризуемого континуума (polarizable continuum model).

Предисловие

Реакции (3+2)-диполярного циклоприсоединения широко используются в органическом синтезе для получения разнообразных гетероциклических соединений. Впервые превращение этого типа было осуществлено в 1888 г на примере диазоуксусного эфира и ацетилендикарбонового эфира Эдуардом Бюхнером. В настоящее время алифатические диазосоединения следует отнести к наиболее изученному классу 1,3-Диполей, хотя это касается, в основном, диазоалканов. Диазокарбонильные соединения проявляют гораздо меньшую активность при взаимодействии с этиленовыми и ацетиленовыми диполярофилами. Что же касается 2-диазо-1,3-дикарбонильных соединений, литературные данные свидетельствуют об их инертности по отношению к большинству диполярофилов, однако эти данные весьма немногочисленны и довольно противоречивы.

В представленной работе предпринята попытка систематического изучения реакционной способности диазодикарбонильных соединений с наиболее активными диполярофилами - тиокетонами («супердиполярофилами»), а также с электроноизбыточными и электронодефицитными ацетиленами.

Глава 1

Алифатические диазодикарбонильные соединения в реакциях с диполярофилами (литературный обзор)

1.1. Введение

Изучение реакций диазоалканов с карбонильными и тиокарбонильными соединениями началось в конце XIX - начале XX века. В результате этих исследований было установлено, что реакция с карбонильными соединениями приводит к образованию оксиранов [1,2], а при взаимодействии алифатических диазосоединений с реагентами, содержащими кратную связь С=8, образуются соответствующие тиираны (Схема 1) [3,4]. Однако механизм этих превращений в то время не изучался.

Схема 1. Общая схема взаимодействия диазосоединений с кратными связями С=0 и С-Б

В настоящем обзоре рассматриваются, главным образом, реакции диазосоединений с тиокарбонильными соединениями, и в небольшой степени приводятся некоторые сведения о взаимодействии диазосоединений с другими диполярофилами.

В результате ранних исследований X. Штаудингера было показано, что диазоуглеводороды, такие как фенилдиазометан, дифенилдиазометан и диазофлуорен, очень легко вступают в эту реакцию. Диазокарбонильные соединения - диазоуксусный эфир и бензоилфенилдиазометан - реагируют гораздо медленнее, а диазодикарбонильные соединения, такие как диазомалоновый и бензоилдиазоуксусный эфиры, в реакцию вообще не вступают. Также было установлено, что тиобензофенон намного активнее, чем его ди-ияра-метоксизамещённый аналог, а тиокетон Михлера реагирует крайне медленно даже с дифенилдиазометаном [4].

В середине прошлого века А. Шенберг исследовал реакции 18-ти диазоалканов с 32-мя тиокарбонильными соединениями. В зависимости от условий, конечными продуктами этих реакций оказались либо тиираны, либо дитиоланы, однако их никогда не удавалось обнаружить в одной и той же реакционной смеси [5]. Впоследствии образование дитиоланов из алифатических диазосоединений и тиокарбонильных соединений было названо реакцией Шенберга [6,7]. Механизм этого процесса был позднее изучен Р. Хьюзгеном, который установил, что первой стадией взаимодействия алифатических диазосоединений с тиокетонами является 1,3-диполярное циклоприсоединение, в результате которого образуются тиадиазолины. Основные

N

X = О, Б

Я

карбонильных и тиокарбонильных соединений.

закономерности процессов этого типа рассмотрены в следующем разделе (см. также раздел 1.3.3.а).

1.2. Определение и основные закономерности реакций

1,3-ЦИКлоприсоединения

Согласно определению ИЮПАК [8], циклоприсоединением называется взаимодействие двух ненасыщенных молекул (или двух частей одной молекулы), в результате которого образуется циклический аддукт, и при этом происходит уменьшение кратности связей. (3+2)-Циклоприсоединение - это реакция, в ходе которой две молекулы (диполь и диполярофил) предоставляют для образования пятичленного циклоадцукта цепи из трёх и двух соединённых атомов, концы которых в результате циклоприсоединения оказываются связанными двумя новыми а-связями.

Диполи - это электронейтральные молекулы, имеющие положительный и отрицательный заряды в резонансных структурах, отражающих их строение. Системы Х-У-2, где X имеет электронный секстет и несёт формальный положительный заряд, а Ъ имеет неподелённую электронную пару и является анионным центром, по Р. Хьюзгену, называют 1,3-Диполями, а их присоединение к кратным связям диполярофилов -1,3-циклоприсоединением^ (Схема 2) [9,10].

Реакции этого типа играют огромную роль в органическом синтезе и представляют собой один из наиболее широко используемых способов получения пятичленных гетероциклов [11-14]. Чаще всего они протекают по согласованному механизму, т.е. без

Таким образом, 1,3-циклоприсоединение - это обозначение реакций (3+2)-циклоприсоединения по классификации Хьюзгена [8-10].

образования промежуточных интермедиатов, а в ходе взаимодействия реагентов происходит перераспределение электронов в многоцентровом переходном состоянии, что позволяет отнести их к так называемым перициклическим реакциям [15,16р.

Согласованное циклоприсоединение является многоцентровым процессом, поэтому партнеры по взаимодействию должны быть очень строго ориентированы в пространстве для создания возможности максимального перекрывания взаимодействующих орбиталей, участвующих в формировании новых связей. Следовательно, свойства симметрии молекулярных орбиталей исходных реагентов должны играть в этих реакциях первостепенную роль.

Значительны также и стерические факторы - ведь для успешного перекрывания взаимодействующих орбиталей несколько реакционных центров должны находиться на определенном и достаточно близком расстоянии. Так что для согласованных процессов характерны высокие отрицательные значения энтропии и небольшие положительные значения энтальпии активации. Другими важными свидетельствами в пользу согласованного механизма циклоприсоединения являются стереоселективность или стереоспецифичность этих реакций, а также, как правило, отсутствие зависимости скорости реакции от полярности растворителя [17].

Закономерности обсуждаемых превращений, выраженные правилами Вудворда-Гоффмана, проще всего объясняются на основании теории возмущения молекулярных орбиталей (ВМО). Согласно этой теории, для оценки возможности протекания согласованных реакций необходимо учитывать все попарные взаимодействия занятых и незанятых молекулярных орбиталей (МО). Для реализации циклоприсоединения взаимодействующие орбитали должны обладать одинаковой симметрией, а эффективность этого взаимодействия будет определяться «энергетическим зазором» между взаимодействующими орбиталями: чем ближе две орбитали по энергии, тем более эффективным оказывается их взаимодействие. При этом возникают две новые орбитали -связывающая и разрыхляющая [18,19] (Схема 3).

Согласно определению ИЮПАК [8], перициклическими называются такие реакции, в ходе которых согласованная реорганизация связей происходит через циклическую последовательность непрерывно связанных атомов. Следовательно, их можно рассматривать как реакции, происходящие через полностью сопряженное циклическое переходное состояние.

M M

разрыхляющая орбиталь ! \ разрыхляющая орбиталь

Я 2 ^ ^ Ш —< \jL

» Ч /НСМО (диполярофил) Л \ ~

ВЗМО (диполь, н-0 ВЭМ° (Я—ярофил,

jÇ^ связывающая орбиталь ^^ связь1вающая орбиталь

Схема 3. Взаимодействие орбиталей реагентов при циклоприсоединении.

Очевидно, что основной вклад в энергию возмущения должны вносить высшие занятые МО (ВЗМО) и низшие свободные МО (НСМО) реагентов, т.к. они ближе всего друг к другу по энергии (вот почему их и называют фронтальными, или граничными). Приближение будет тем точнее, чем ближе по энергии ВЗМО и НСМО, поэтому все закономерности процессов 1,3-диполярного циклоприсоединения, в основном, объясняются на основании рассмотрения свойств симметрии ВЗМО и НСМО орбиталей исходных соединений - диполя и диполярофила, ибо взаимодействие между ними должно происходить путем перекрывания заполненных орбиталей диполя с незаполненными (вакантными) орбиталями диполярофила или наоборот. Также возможны случаи, когда легко реализуется и тот, и другой вариант взаимодействия. Результатом взаимодействия является стабилизация заполненных орбиталей [18]. Энергия стабилизации АЕ описывается уравнением (1):

Д£ _ 2 1е* ACXPAX+CBCZPbz]2 2 с Х 2 PBZÎ*

БНО MOtXYZ} ~ELUM О (as) ЕНОМО(АВ) ~ELUMO {Xi'Z)

где Сд и Cb - коэффициенты атомных орбиталей атомов А и В на ВЗМО, C'a и С'в -коэффициенты тех же атомов на НСМО, р - интеграл взаимодействия, зависящий от расстояний между реакционными центрами в переходном состоянии и от природы новой а-связи, Ehomo(xyz) - Elumo(ab) - разность энергии между взаимодействующими фронтальными орбиталями партнёров реакции [20].

Из уравнения (1) очевидно, что чем ближе взаимодействующие орбитали реагентов по энергии, тем более эффективным оказывается их перекрывание. В случае, если оба партнёра реакции содержат неидентичные 71-центры, предпочтительным региоизомером

будет тот, в котором соединяются атомы, несущие орбитали с большими коэффициентами, т.е. «большой-большой + маленький-маленький» коэффициенты -лучше, чем «большой-маленький + маленький-большой» [21].

Рассмотрим теперь влияние заместителей при реакционных центрах партнёров 1,3-циклоприсоединения. Классификации К. Хоука [22] и Р. Зустмана [23,24] согласованных процессов 1,3-диполярного циклоприсоединения основаны на оценке тех или иных орбиталей диполя, принимающих участие в образовании циклического переходного состояния. По этой классификации взаимодействие между диполем и диполярофилом подразделяется на три типа: тип I (ВЗМО диполя-контролируемые), тип II (ВЗМО-НСМО-контролируемые) и тип III (НСМО диполя-контролируемые) (Схема 4).

диполь диполярофил диполь диполярофил диполь диполярофил

НСМО НСМО НСМО НСМО

немо f- g-8 п"СМО ^ у

(Н)

ЧЬ взмо^ ВЗМО "V

ВЗМО

ВЗМО

ВЗМО взмо

Тип I Тип 11 Тип III

ВЗМО диполя-контролируемые ВЗМО-НСМО-контролируемые НСМО диполя-контролируемые

Схема 4. Классификация реакций циклоприсоединения.

Отнесение реакции к тому или иному типу определяется, прежде всего, заместителями при реакционных центрах компонентов, участвующих в реакции. Донорные заместители повышают энергию всех орбиталей, в особенности ВЗМО, акцепторные заместители понижают энергию всех орбиталей, в особенности НСМО. Заместители, способные к сопряжению, повышают энергию НСМО и понижают энергию ВЗМО.

Кинетические исследования показали, что циклоприсоединение диазометана и его арилзамещённых производных ускоряется введением электроноакцепторных заместителей в сопряжение с кратной связью диполярофила и замедляется введением электронодонорных [25], что позволяет отнести диазоуглеводороды к I типу диполей по классификации Зустмана [23].

1.3. Диазосоединения в р