Реакции α-фосфорилстабилизированных карбонионов с арилгалогенидами и активированными алкенами в условиях металлокомплексного и межфазного катализа тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.08 ВАК РФ

.л

{ / , /_ у /

/ / / { > / \ '

Ь ) '' ' гу ,

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. М.В. ЛОМОНОСОВА

ХИМИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ Кафедра Органической Химии

На правах рукописи

УДК 547.1+547.241+542.971.2

ТАРАСЕНКО Елена Александровна

РЕАКЦИИ а-ФОСФОРИЛСТАБИЛИЗИРОВАННЫХ КАРБАНИОНОВ С АРИЛГАЛОГЕНИДАМИ И АКТИВИРОВАННЫМИ АЛКЕНАМИ В УСЛОВИЯХ МЕТАЛЛОКОМПЛЕКСНОГО И МЕЖФАЗНОГО КАТАЛИЗА

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата химических наук 02.00.08 - химия элементоорганических соединений

Научные руководители: академик РАН, профессор

Белецкая Ирина Петровна

кандидат химических наук, доцент Лукашев Николай Вадимович

Москва -1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ......................................................................................................................................................................................................................................6

Глава 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

Методы модификации фосфонатов на основе реакций

а-фосфорилстабилизированных карбанионов................................................................................................................9

1.1. Методы а-алкилирования фосфонатов....................................................................................................................9

1.2. Методы а-ацилирования фосфонатов........................................................................................................................23

1.3. Методы а-арилирования фосфонатов........................................................................................................................33

1.4. Методы присоединения а-фосфорилстабилизированных карбанионов к кратным связям................................................................................................................................................................................................................37

1.4.1. Присоединение к производным а,р-непредельных карбоновых и фосфоновых кислот и к некоторым другим активированным алкенам................37

1.4.2. Присоединение к а,Р-ненасыщенным кетонам..........................................................................45

1.4.3. Присодинение по связи С=И......................................................................................................................................49

1.5. Получение а-элементзамещенных алкилфосфонатов....................................................................51

1.6. а-Фосфорилирование фосфонатов..................................................................................................................................56

1.7. а-Галогенирование фосфонатов..........................................................................................................................................59

1.7.1. а-Фторирование................................................................................................................................................................................59

1.7.2. а-Хлорирование и а-бромирование................................................................................................................61

1.7.3. а-Йодирование....................................................................................................................................................................................63

Глава 2. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ...............................................................................................................65

2.1. Реакции кросс-сочетания медьорганических производных эфиров и тетраметилдиамида метилфосфоновой кислоты с арил- и

гетероарилйодидами в условиях катализа комплексами палладия........................................65

2.2. Нуклеофильное ароматическое замещение в пергалогенароматических соединениях карбанионами а-замещенных диалкилметилфосфонатов........................80

2.3. Присоединение фосфорзамещенных СН-кислот по Михаэлю в межфазных условиях..............................................................................................................................................................................................89

Глава 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ..........................................................................................................................100

3.1. Синтез исходных соединений..................................................................................................................................................101

3.1.1. Синтез исходных фосфонатов..................................................................................................................................101

3.1.1.1. Диэтилйодметилфосфонат..............................................................................................................................101

3.1.1.2. Диэтилметилфосфонат..........................................................................................................................................101

Тарасенко ЕЛ. Реакции а-фосфорилстабилизированных карбанионов с арилгалогенидами и

активированными алкенами в условиях металлокомтексного и межфазного катализа 3

3.1.1.3. Диизопропилметилфосфонат......................................................................................................................102

3.1.1.4. Тетраметилдиамид метилфосфоновой кислоты..........................................................102

3.1.1.5. Триэтиловый эфир фосфонуксусной кислоты..............................................................102

3.1.1.6. Тетраэтилметилендифосфонат..................................................................................................................103

3.1.1.7. Диэтилцианометилфосфонат......................................................................................................................104

3.1.2. Синтез палладиевых катализаторов................................................................................................................104

3.1.2.1. Дихлоробис(трифенилфосфин)палладий (II)..................................................................104

3.1.2.2. Тетракис(трифенифосфин)палладий (0)..................................................................................104

3.1.2.3. Ацетат палладия (II)....................................................................................................................................................105

3.1.2.4. Бис(дибензилиденацетон)палладий (0)......................................................................................105

3.1.2.5. Дихлоробис(ацетонитрил)палладий (II)..................................................................................106

3.1.2.6. Транс-комплекс (PPh3)2Pd(I)[CH2P(0)(0Et)2]..................................................................106

3.1.3. Триметилфенилстаннан........................................................................................................................................................106

3.1.4. Синтез активированных алкенов..........................................................................................................................107

3.1.4.1. Диэтиловый эфир винилфосфоновой кислоты............................. • 107

3.1.4.2. Диэтил-а-карбэтоксивинилфосфонат..........................................................................................107

3.1.4.3. Этиловый эфир этилиденмалоновой кислоты................................................................108

3.2. Взаимодействие PhM (М= ZnCl, SnMe3) с диэтилйодметилфосфонатом в присутствии палладиевых катализаторов..........................................................................................................................108

3.2.1. Взаимодействие PhZnCl с ICH2P(0)(0Et)2..........................................................................................108

3.2.2. Взаимодействие PhSnMe3 с ICH2P(0)(0Et)2....................................................................................108

3.2.3. Взаимодействие PhSnMe3 с TpaHc-(PPh3)2Pd(I)[CH2P(0)(0Et)2]....................109

3.3. Взаимодействие ClZnCH2P(0)Z2 (Z= OEt, NMe2) с арилгалогенидами в присутствии палладиевых катализаторов..........................................................................................................................109

3.3.1. Взаимодействие ClZnCH2P(0)(0Et)2 с йодбензолом и 4-нитройодбензолом......................................................................................................................................................................................109

3.3.2. Взаимодействие ClZnCH2P(0)(NMe2)2 с арилйодидами..............................................109

3.4. Реакции кросс-сочетания медьорганических производных эфиров и амидов метилфосфоновой кислоты с арил- и гетероарилйодидами в условиях катализа комплексами палладия (общая методика)..........................................................................................110

3.4.1. Тетраметилдиамид бензилфосфоновой кислоты (Ilia)..................................................Ill

3.4.2. Тетраметилдиамид 4-нитрофенилметилфосфоновой кислоты (Шг) •• 111

3.4.3. Тетраметилдиамид 4-этоксикарбонилфенилметилфосфоновой

кислоты (Шд)............................................................................................................................................................................................................111

Тарасенко Е.А. Реакции а-фосфорилстабилизированных карбанионов с арилгалогенидами и

активированными алкенами в условиях металлокомплексного и межфазного катализа 4

3.4.4. Тетраметилдиамид 2-этоксикарбонилфенилметилфосфоновой

кислоты (Ше)............................................................................................................................................................................................................112

3.4.5. Тетраметилдиамид 4-цианофенилметилфосфоновой кислоты (Шж) • 112

3.4.6. Реакция CuCH2P(0)(NMe2)2 с 1,4-дийодбензолом................................................................112

3.4.7. Тетраметилдиамид 4-метилфенилметилфосфоновой кислоты (Ши) •• 113

3.4.8. Тетраметилдиамид 4-метоксифенилметилфосфоновой

кислоты (Шк)...................................................................................................... 113

3.4.9. Тетраметилдиамид 2-тиенилметилфосфоновой кислоты (111л).......... ИЗ

3.4.10. Тетраметилдиамид 3-пиридилметилфосфоновой кислоты (Шм)..... 113

3.4.11. Термическое разложение CuCH2P(0)(NMe2)2...................................... 114

3.5.Взаимодействие натриевого производного диэтилэтоксикарбонил-метилфосфоната с йодбензолом в присутствии Cul и 4 мол% Рс1(РРЬз)4.......... 114

3.6. Реакции нуклеофильного ароматического замещения в пергалоген-ароматических соединениях карбанионами а-замещенных

диалкилметилфосфонатов....................................................................................... 115

3.6.1. Реакции цианометилфосфоната и диэтилэтоксикарбонилметил-фосфоната с пентафторпиридином и октафтортолуолом в присутствии фторида цезия или карбоната калия (общая методика).................................. 115

3.6.1.1. Диэтил(тетрафторпиридин-4-ил)цианометилфосфонат (Via)...... 115

3.6.1.2. Диэтил(тетрафторпиридин-4-ил)этоксикарбонилметил-

фосфонат (VI6)............................................................................................... 115

3.6.1.3. Диэтил(4-перфтортолил)цианометилфосфонат (Vir)................... 116

3.6.1.4. Диэтил(4-перфтортолил)этоксикарбонилметилфосфонат (У1ц) - 116

3.6.2. Получение тетраэтил(тетрафторпиридин-4-ил)метил-

дифосфоната (VIb).............................................................................................. 116

3.6.3. Взаимодействие диэтилцианометилфосфоната с 3,4,5,6-тетрахлор-2-цианопиридином в присутствии гидрида натрия............................................ 117

3.6.4. Этиловый эфир бис(тетрафторпиридин-4-ил)уксусной

кислоты (1X6)...................................................................................................... 117

3.6.5. Трис(тетрафторпиридин-4-ил)метан (X)................................................ 118

3.6.6. (Тетрафторпиридин-4-ил)ацетонитрил.................................................. 118

3.7. Присоединение фосфорилзамещенных СН-кислот по Михаэлю в межфазных условиях............................................................................................... 119

Тарасенко Е.А. Реакции а-фосфорилстабилизированных карбанионов с арилгалогенидами и

активированными алкенами в условиях металлокомплексного и межфазного катализа 5

3.7.1. Пентаэтиловый эфир 2-фосфон-З-карбоксиглутаровой

кислоты (XIII)..................................................................................................... 119

3.7.2. Тетраэтиловый эфир 2-фосфонглутаровой кислоты (XVa).................. 119

3.7.3. Пентаэтиловый эфир 4-карбокси-4-фосфонпимелиновой

кислоты (XVIa)................................................................................................... 119

3.7.4. Пентаэтиловый эфир 1,4-дифосфонмасляной кислоты (XV6)............. 120

3.7.5. Гептаэтиловый эфир 3-карбокси-1,3,5-пентантрифосфоновой

кислоты (XVI6)................................................................................................... 120

3.7.6. Триэтиловый эфир динитрила 4-карбокси-4-фосфонпимелиновой кислоты (XVIb)................................................................................................... 120

3.7.7. Этиловый эфир 2-диэтилфосфон-4-метоксикарбонилвалериановой кислоты (ХУг)..................................................................................................... 121

3.7.8. Гексаэтиловый эфир 2,4-дифосфонглутаровой кислоты (ХУд)........... 121

3.7.9. Пентаэтиловый эфир 2-фосфон-3-метил-4-карбоксиглутаровой кислоты (XVe)..................................................................................................... 121

3.7.10. Гексаэтиловый эфир 4,4-дифосфонпимелиновой кислоты (ХХа)..... 122

3.7.11. Гексаэтиловый эфир 1,1-дифосфонпропан-2,3-дикарбоновой

кислоты (XVIII).................................................................................................. 122

ВЫВОДЫ...................................................................................................................... 123

ЛИТЕРАТУРА.............................................................................................................. 124

ВВЕДЕНИЕ

Эфиры и амиды функциональнозамещенных метилфосфоновых кислот являются перспективными реагентами в органическом синтезе как субстраты в реакциях Хорнера и Михаэля, а также как исходные соединения для получения новых типов фосфоновых кислот, многие из которых представляют большой интерес в качестве селективных комплексообразователей и биологически активных препаратов. Поэтому, несмотря на широкий спектр разнообразных методов синтеза производных фосфоновых кислот, не пропадает интерес к поиску новых синтетических возможностей в этой области. Одним из удобных методов получения таких производных является фосфонметилирование - введение в различные органические молекулы фрагмента Z2P(0)CHY- (Z=OR, NR2; Y=H, EWG). При этом в зависимости от характера реагента указанный фрагмент может выступать и в качестве нуклеофила, и в качестве электрофила. Этот метод прежде всего важен для образования связи С-С между атомом углерода, находящимся в а-положении к фосфорильной группе, и атомом углерода субстрата. В случае, когда фрагмент Z2P(0)CHY- выступает в качестве нуклеофила, а субстрат содержит

'У

sp -гибридизованный атом углерода, в зависимости от природы субстрата возможны два основных пути образования связи С-С: по реакции замещения, если у

C(sp2)-aTOMa находится заместитель, способный быть уходящей группой, и по

2 2 реакции присоединения, если у C(sp )-атома и (или) у соседнего C(sp )-атома

находится электроноакцепторная группа типа CN, C02R, P(0)(0R)2, N02 и т.п. К

первому типу относятся реакции кросс-сочетания, где в качестве субстрата могут

выступать неактивированные и слабоактивированные арилгалогениды, и реакции

нуклеофильного ароматического замещения, где в качестве субстрата могут

использоваться сильноактивированные арилгалогениды (например, перфтор-

ароматические соединения). Ко второму типу относятся реакции присоединения по

Михаэлю а-фосфорилзамещенных СН-кислот к активированным алкенам.

В последние годы очень широкое применение в органическом синтезе нашли такие методы, как металлокомплексный и межфазный катализ. Однако их применение для получения фосфорорганических соединений все еще ограничено. В

частности, недостаточно внимания уделено использованию а-фосфорсодержащих карбанионов в реакциях кросс-сочетания с арилгалогенидами в присутствии катализаторов на основе переходных металлов. В литературе известны лишь отдельные примеры реакций кросс-сочетания карбанионов фосфонатов, содержащих у а-атома углерода электроноакцепторную группу, дополнительно стабилизирующую карбанион. Реакции кросс-сочетания с участием а-фосфорилзамещенных карбанионов, не содержащих таких дополнительно стабилизирующих групп не были известны. Данные о методах синтеза фосфорорганических соединений с использованием межфазного катализа практически не содержат сведений о применении этого метода в реакциях Михаэля и ароматического нуклеофильного замещения, где в качестве источника карбанионов используются эфиры замещенных фосфоновых кислот.

В связи с этим целью настоящей работы являлось изучение реакций а-фосфорилстабилизированных карбанионов (фрагмент 22Р(0)СНУ как нуклеофил) с субстратами, содержащими ер -гибридизованный атом углерода, с использованием методов металлокомплексного и межфазного катализа, а именно: реакций кросс-сочетания с арилйодидами, катализируемых комплексами палладия; реакций нуклеофильного замещения в пергалогенароматических соединениях и присоединения по Михаэлю к активированным алкенам в условиях межфазного катализа. Практическая важность исследования заключается в создании на основе изученных реакций новых подходов к синтезу эфиров и амидов функциональнозамещенных метилфосфоновых кислот. Разработанные методики открывают путь к реализации новых возможностей в области направленного синтеза полифункциональных фосфорорганических соединений.

В литературном обзоре рассмотрены реакции а-фосфорилстабилизированных карбанионов с различными электрофилами, приводящие к образованию связей С-С С-Э: алкилирование, ацилирование, арилирование, присоединение к кратным связям, галогенирование и получение а-элементзамещенных фосфонатов. Присоединение к карбонильным соединениям относится к этой же группе реакций, однако, число публикаций, посвященных этой теме столь велико, что они не могли быть рассмотрены в рамках данной работы. В частности, по реакции Хорнера опубликовано два подробных обзора [1,2].

Основное содержание работы изложено в публикациях [3-10]. Материалы диссертации докладывались на XI Международной конференции по химии фосфорорганических соединений (Казань, 1996 г.), Международном симпозиуме по межфазному катализу (Санкт-Петербург, 1997 г.), Симпозиуме по химии и применению фосфор-, сера- и кремнийорганических соединений (Санкт-Петербург, 1998 г.), на У Международной конференции по химии гетероатомов (Канада, 1998 г.) и на XIV Международной конференции по химии фосфора (США, 1998 г.).

Работа выполнена при финансовой поддержке ЮТА8 (грант N 93-1482-ех1:) и Российского фонда фундаментальных исследований (грант N 98-03-32973а).

Глава 1. Методы модификации фосфонатов на основе реакций а-фосфорилстабилизированных карбанионов (литературный обзор)

1.1. Методы а-алкилирования фосфонатов.

Подвижность атомов водорода в метиленовой группе триэтилового эфира фосфонуксусной кислоты была впервые отмечена А.Е.Арбузовым и А.И.Разумовым еще в 1929 году [11]. Они показали, что фосфонуксусный эфир ведет себя в реакциях алкилирования подобно малоновому и ацетоуксусному эфирам. Натриевые и калиевые производные эфиров фосфонуксусной кислоты, образующиеся при действии металлических Ыа и К на упомянутые фосфонаты, реагируют с различными алкилгалогенидами при нагревании в толуоле, бензоле или эфире, давая моноалкилированные продукты [11-16]. При этом в случае алкилхлоридов выходы существенно