Синтез и превращения сульфонил-замещенных бицикло[3.1.1]- и трицикло[4.1.0.02,7]гептанов тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.03 ВАК РФ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

РГ5 ОД 2 2 ДПР 1996

На правах рукописи

КОСТРЮКОВ Сергей Геннадьевич

СИНТЕЗ И ПРЕВРАЩЕНИЯ СУЛЪФОНИЛ-ЗАМЕЩЕННЫХ БИЦИКЛО[3.1.1]- И ГРИЦИКЛОИЛ.О.О^ГЕПТАНОВ

02.00.03 - органическая химия

диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

Автореферат

Санкт-Петербург 1996

Работа выполнена на кафедре органической химии химического факультета Мордовского государственного университета имени Н. П. Огарева

Научный руководитель: кандидат химических наук, доцент Васин В. А.

Научный консультанат:

доктор химических наук, профессор Разин В. В.

Официальные оппоненты:

доктор химических наук, профессор Стадничук М. Д. кандидат химических наук, доцент Изыоров A. JL

Ведущая организация: Московский государственный университет

Защита состоится ffi" _ 1996 г. в^Й^часов на за-

седании специализированного Ученого Совета Д 063.57.03 по химическим наукам при С.-Петербургском государственном университете по адресу: i99ow? a-flemepfypz, С/*<?ши 41/43.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке имени A.M. Горького С.-Петербургского государственного университета по адресу: 199164, С.-Петербург, Университетская наб., д. 7/9.

Автореферат разослан <2П/ЬеАЛ 1996 г.

Ученый секретарь специализированого Совета

Ю. П. Арцыбашева

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы определяется повышенным вниманием химиков-органиков к химии малых углеродных циклов. При этом всё больший интерес вызывают различные сверхнапряжённые структуры, включающие бициклобутановый фрагмент. Система бициклобу-тана уникальна благодаря своим специфическим особенностям геометрической и электронной структуры. Вместе с тем, это - перспективный синтон в органическом синтезе. Поиск новых методов создания, а также регио- и стереоселективных реакций раскрытия бицик-лобутановых соединений является в настоящее время приоритетным направлением исследований в этой области химии малых циклов. Среди функциональных производных циклобутана и бициклобутана сульфонилзамещённые соединения являются наименее изученными. В то же время сульфоны известны как одни из активных и широко применяемых в органическом синтезе производных. Особенно эффективны методы получения С - С связей с их участием, разработаны также простые методы трансформации сульфонильных групп.

Цель работы состояла в изучении возможностей получения суль-фонов бицикло[3.1.1]гептанового ряда в реакциях гомолитического сульфонирования производных трициклоЙЛ.О.О^гептана, реакциях присоединения к 1-фенилсульфонилтрицикло[4.1.0.0-'7]гептану, при окислении сульфидов бицикло[3.1.1]гептановой структуры, а также в изучении дальнейших превращений таких сульфонов.

Научная новизна. Впервые осуществлено прямое галоген-, тио-, селено-, циано- и тиоцианосульфонирование производных бицик-ло[1.1.0]бутана в радикальных условиях. Установлена зависимость регио- и стереоселективности раскрытия центральной связи С - С этих соединений от структурных особенностей субстрата и природы сульфонирующего реагента. Показана возможность функционализа-ции бициклобутановых соединений в положении 1 в тандемном процессе галогенсульфонирования - дегидрогалоидирования. Систематически изучены реакции нуклеофильного и радикального присоединения к Ьфенилсульфонилтрицикло^Л.О.О^гептану,

Практическая ценность работы. На основе установленных закономерностей гомолитического сульфонирования бициклобутановых соединений и реакций присоединения к 1-фенилсульфонилтрицикло-[4.1.О.О^гептану разработаны препаративные методы синтеза ранее неизвестных сульфонов бицикло[3.1.1]гептанового ряда. Найдены способы введения сульфонильного заместителя в положение 1 три-цикло[4.1.0.О^гептана. Получено и описано около 90 новых соединений. Результаты их структурных исследований, проведённых с применением методов ЯМР 'Н и 13С, ИК спектроскопии могут быть полезны при идентификации родственных структур.

Положения,выносимые на защиту:

1. Строгая зндо-направленность атаки сульфонильного радикала по стерически доступному незамещённому узловому атому 1-11-три-цикло[4.1.О.О^гептанов.

2. Зависимость стереохимии реакций сульфонирования трицикло-[4.1.0.О^гептановых соединений от характера заместителя в положении 1 и природы реагента.

3. Стереохимический контроль реакций 1,3-дегидрогалоидирования 7-галоген-6-фенилсульфонилбицикло[3.1.1]гептанов.

4. Регио- и стереоселективность реакций нуклеофильного и радикального присоединения к 1-фенилсульфонилтрицикло[4.1.0.02-7]-гептану.

5. Синтетические возможности использования сульфонилзамещён-ных бицикло[3.1.1]- и трицикло[4.1.О.О^гептанов.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на II и III всероссийских студенческих научных конференциях "Проблемы теоретической и экспериментальной химии" (г. Екатеринбург, 1992-1993 г.), на внутривузовской научной конференции "XXII Огарёвские чтения" (г. Саранск, 1993 г.), международной конференции молодых учёных "Органический синтез: история развития и современные тенденции" (г. С.-Петербург, 1995 г.), симпозиуме по органической химии "Петербургские встречи - 95" (С.-Петербург, 1995 г.), польско-американском симпозиуме по реакционным интермедиатам (г. Закопане, Польша, 1995 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 печатных работ в виде статей и тезисов докладов.

Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, литературного обзора, посвященного анализу данных по основным методам синтеза сульфонов, изложения результатов собственных исследований, экспериментальной части, выводов и списка цитируемой литературы из 214 наименований. Работа изложена на 179 страницах, влючающих 36 таблиц и 1 рисунок.

П. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

1. Направление и объекты исследования

Основное направление исследования было связано с изучением закономерностей раскрытия центральной бициклобутановой связи С1-С соединений трицикло[4.1.0.О^гептанового ряда под действием сульфонильных производных АгБОгХ в условиях гемолитического инициирования. В качестве объектов исследования выбраны субстраты (1) - (9).

А Я = Н (1), Ме (2), ЯМсз (3), С1 (4), Вг (5),

СОзМе (6), РЬ (7), БРЬ (8), БОзРИ (9)

Данные соединения, различающиеся по электронным и стериче-ским характеристикам заместителей в положении 1, позволяли выявить влияние этих заместителей и триметиленового мостика в положениях 2 и 4 на регио- и стереоселективность радикального присоединения к бицикло[1 Л .0]бутану. В качестве сульфонильных производных были использованы различные галогенангидриды, тио- и селеноэфиры, цианиды и тиоцианаты арилсульфокислот, что позволяло выявить влияние на процесс присоединения природы реагента. Кроме того, некоторые из соединений (1) - (9) вводились в реакции гемолитического тиилирования с тиофенолом и дифенилдисульфи-дом, продукты которых были окислены в соответствующие сульфо-ны.

Другим направлением исследования было изучение реакций нук-леофильного и радикального присоединения к 1-фенилсульфо-нилтрицикло^Л.О.О^гептану (9) и его 7-замещённым производным, представляющих интерес с точки зрения поиска новых путей к синтезу сульфонилзамещённых бицикло[3.3.1]гептанов. Некоторые из сульфонов бицикло[3.1.1]гептанового ряда были испытаны к действию нуклеофильных реагентов и оснований, что привело к их модификации в реакциях замещения или, в результате 1,3-элиминирования, - к получению 1-фенилсульфонилтрицикло-[4.1.0.О^гептанов.

2. Присоединение сульфонильных производных АгБОгХ к три-цикло[4.1.0.02-7] гептану (1)

Свободнорадикальное присоединение сульфонильных производных АгБОгХ к алкенам является известным методом синтеза р-Х-замещённых алкиларилсульфонов. Учитывая, что центральная связь С - С в системе бициклобутана по реакционной способности напоминает я-связь в алкенах, можно было предположить, что трицик-ло[4.1.0.О^гептановые соединения, также как и алкены, будут способны присоединять производные АгБОзХ в условиях свободноради-кального инициирования.

Нами изучены реакции соединения (1) с широким набором различных сульфонильных производных, различающихся по прочности связи БОг-Х и по стерическим размерам входящих в их состав заместителей. Реакции проводили при УФ-облучении в кварце в СНгСЬ или бензоле при 20 °С при использовании эквимолярных соотношений реагентов. Во всех случаях наблюдалось раскрытие центральной связи С1- С субстрата (1) и образование сип- и ан/им-аддуктов (10а,б-

18а,б) бицикло[3.1.1]гептановой структуры, содержащих в некоторых случаях в качестве примеси соединение (19а), см. табл. 1.

х

1 сий-10а-18а анти-Ш-Ш 19а

X = С1 (10), Вг (11), I (12), СЫ (13), БеРЬ (14), БРЬ (15), БСК (16), БСШРЬ (17), БМе (18); Аг = РЬ (10-15,17-19), />-То1 (16)

Таблица 1

Условия получения, выход и состав продуктов реакций трициклогептана (1) с сульфокнльными производными АНЗСЬХ

Время Про- Выход, Содержание в смеси, %

Реагент реак- дукт % аюпи- сын- (19а)

ции, ч изомер изомер

РЬЭСШ 12 10 78 54 42 4

РЬБОгВг 9 и 92 58 42 -

РЬБСЫ 20 12 94 50 50 _

РЬБОяСЫ 10 13 75 60 40 -

РЬБО^еРЬ 20 14 92 64 36 _

РЬБОгвРИ 12 15 95 63 37 -

р-ТоШгБСХ' 2 16 89 61 39 -

РЬБОзБСНгРИ 10 17 90 56 32 12

РЬЗО^Ме 10 18 89 59 35 6

РЬ80г50гРЬ 25 19 45 - - 98

Соединения (10а-18а), (106-186) и (19а) выделены в индивидуальном виде колоночной хроматографией на АЬОз. Их строение подтверждается данными элементного анализа, спектрами ЯМР 'Н и 13С. При отнесении конфигурации стереоизомеров были учтены особенности тонкой структуры сигналов протонов В6 и Н в этих соединениях. На основании литературных данных экдо,эндо-конфигурация заместителей приписана тем сульфонам, в спектрах ЯМР 'Н которых сигналы указанных протонов являются триплетами с I 6 Гц. У соединений (106-186) в спектрах ЯМР !Н для протонов В6 и Н7 наблюдаются соответственно триплетный и синглетный сигналы.

Гемолитический характер взаимодействия сульфонильных производных РЬБОзХ с трициклогептаном (1) подтверждён нами методом ЭПР при использовании спин - ловушки - 2,4,6-трибромнитрозобен-зола. Предварительно было установлено, что спин - ловушка при контакте с РИБОгХ парамагнитных продуктов не даёт. В то же время, при смешении трициклогептана (1), 2,4,6-трибромнитрозобензола и РЬБОгХ в бензоле в дегазированных стеклянных ампулах наблюдается интенсивный сигнал ЭПР нитроксильного радикала (ам 11.8 и ан 5.8 Гс), образующегося при фиксации промежуточного короткожи-вущего бицикло[3.1.1]гептильного радикала спин - ловушкой.

Анализ данных табл. 1 позволяет констатировать, что в рассмотренных реакциях раскрытие трициклогептановой системы по связи С- С7 инициируется атакой арилсульфонильного радикала. Такая акака оказывается строго эм^о-направленной. В то же время стадия переноса частицы X на промежуточный бицикло[3.1.1]гептильный радикал не является стереооднородной, причём степень её селективности мало зависит от природы реагента.

Образование незначительных количеств соединения (19а) с некоторыми из реагентов можно объяснить тем, что эти реагенты, благодаря большей прочности связи БОг-Х, оказываются менее эффективными в переносе цепи, из-за чего возможна конкурентная реакция отрыва атома водорода радикальным интермедиатом из молекул субстрата или растворителя. В случае а,сс-дифенилдисульфона путь, ведущий к соединению (19а), становится основным.

Нами установлено, что трибромметилфенилсульфон в реакции с трициклогептаном (1) образует единственный продукт - анти-аддукт (20).

+ РЬКОгСВг3 Ь у »

РЬКОгВг2С

1

Такой результат объясняется тем, что, согласно литературным данным, для этого реагента характерен разрыв не связи сера - заместитель, а связи С - Вг.

3. Присоединение бензолсульфобромвда к 1-монозамещённым три-цнкло^Л.О.О^гептанам

Для того, чтобы получить информацию о влиянии заместителя в положении 1 на регио- и стереохимию раскрытия бициклобутановой связи С1- С7в реакциях сульфонирования, мы изучили взаимодействие трициклогептанов (2) - (9) с бензолсульфобромидом. При УФ-облучении эквимолярных смесей реагентов в СШСЬ получены аддук-ты (21а,б-28а,б), см. табл. 2.

РЬ802Вг -£-»-

РЬО

смн-21а-28а

Вг

ашш-216-286

Таблица 2

Условия получения, выход и состав продуктов присоединения бензолсульфоброми-да к трициклогепганам (2) - (9)

Трицикло-гептан, (Я) Время реакции, ч Продукт реакции Выход продукта, % Содержание син-аддукта, %

2 (Ме) 9 21 87 13

3 ф'Мез) 10 22 86 58

4(С1) 7 23 89 8

5(Вг) 8 24 88 — И

б (СОаМе) 12 25 83 36

7(РЬ) 486 26 51 17

8 (ЭРЬ) 3 27 98 >95

9 (ЭОгРИ) 12 28 85 93

Примечание." Структуры син- и анти-аддуктов идентичны. 6Реакция проводилась

без облучения

Методами колоночной хроматографии на АЬОз и дробной кристаллизации в индивидуальном состоянии получены соединения (216266). Этими же методами были выделены в виде препаратов 82-90 % стереохимической чистоты и соединения (22а,25а). Соединение (27) из-за его лёгкого гидролиза под действием влаги воздуха в чистом виде выделить не удалось, и оно было охарактеризовано в реакционной смеси по спектрам ЯМР, а также получено встречным синтезом -ддаш-стереоселективным присоединением РЬБОзБРЬ к трициклогеп-тану (5).

Бицикло[3.1.1]гептановая структура соединений (21а,б-28а,б) подтверждается наблюдением с спектрах ЯМР 13С в сильнопольной области пяти сигналов с ожидаемыми относительными интенсивностя-ми, принадлежащих норпинановому остову молекулы. То, что атом галогена, а не сульфонильная группа занимает геминальное положение к заместителю Й., следует из величин химических сдвигов ядер С6, которые находятся в близком сходстве с соответствующей характеристикой 6-эндо-фенилсульфонилбицикло[3.1.1]гептана (5с 61,9 м, д.) и заметно отличаются от химического сдвига для 6-эндо-бромбицик-ло[3.1.1]гептана [например, для соединения (11а) 5с7 50,8 м. д.]. эндо-Ориентация фенилсульфонильной группы при атоме С6 рассматриваемых соединений вытекает из наблюдения в спектрах ЯМР 'Н три-плетного сигнала с I 6 Гц для протона Нб, см. выше. Определение конфигурации при атоме С7в соединениях (21а,б, 22а,б,24а,б) лроиз-

ттб

водили путем сравнения химических сдвигов протонов Н в стерео-изомерной паре. Больший химический сдвиг протона Нй связывали с экзо-ориентацией атома брома при С7, для которого известно сильное разэкранирунмцее влияние, например:

б

3

рьо2

59.4 м. д.

г

РЮ2& 61.7 м.

®

Ме

3.49 т

4.33 т

Для определения конфигурации диастереомеров (23а,б) были сопоставлены величины Л5с атомов С2'4 или С7 в этой паре с таковыми в парах моногалогендов (10а,б) и (11а,б). Оказалось, что в анти-аддуктах (106,116) по сравнению с сш-аддуктами (10а,11а) сигналы этих атомов смещены в слабое поле, причём разница АЗс в паре хлоридов (10а,б) была больше, чем в паре бромидов (11а,б). Это обстоятельство позволяет ожидать при использовании аддитивной схемы большего химического сдвига для атомов С2,4 и С7 у изомера (236) по сравнению с изомером (23а), что является основанием для конфигурационного отнесения.

Для подтверждения конфигурации заместителей в соединениях (266) и (28а) мы использовали метод химической корреляции. С этой целью они были подвергнуты гидродегалоидированию (трифенило-ловогидрид в бензоле или цинк в метаноле), что привело к соответствующим сульфонам, полученным также независимым способом. Восстановление согласно литературным данным по модельным соединениям, происходит с сохранением конфигурации.

Анализ данных табл. 2 по стереоселективности присоединения бензолсульфобромида к трициклогептанам (2) - (9) свидетельствует о том, что раскрытие центральной бициклобутановой связи С1- С инициируется эндй-направленной атакой фенилсульфонильного радикала по стерически доступному незамещённому положению субстрата. В то же время стадия переноса атома брома на радикальный интер-медиат не является стереооднородной. Степень же её селективности зависит от природы заместителя К, а именно: в то время как трицик-логептаны (2,4-7) проявляют отчётливо выраженную анти-стереоселективность присоединения, триметилсилильное производное (3) показывает умеренную смн-стереоселективность, а серосодер-

жащие субстраты (8,9) - высокую сш-стереоселективность присоединения. Причиной наблюдаемых, различий в стереохимических результатах присоединения, по нашему мнению, могут быть различия в конформационной устойчивости соответствующих промежуточных частиц. В каждой из реакций в результате стереонаправленной атаки на трициклогептановую систему первоначально образуется бицик-ло[3.1Д]гептильный радикал (А) с эмдо-расположением полузанятой лр3-гибридной орбитали реакционного центра, и позтому в условиях медленной инверсии этого центра [случай триметилсилильного производного (3), сульфида (8) и сульфона (9), обусловленный, по-видимому, ¿-орбитальными эффектами атомов кремния и серы] рекомбинация с атомами брома приводит к сш-аддуктам.

2-9

РЬБО,*

РЬСЬБ

РЬ02§,

А й

Вг' сш-аддукт

Я

Вг'

дшш-аддукт

В условиях быстрой инверсии [случай остальных 1-монозаме-щённых трициклогептанов (2,4-7)] стереохимический состав продукта присоединения будет определяться скоростью переноса цепи, которая по стерическим причинам (влияние триметиленового мостика) выше для интермедиата (Б) с экзо-расположением гибридной орбитали, что приводит к преобладанию анти-аддукта.

4. Получение сульфонилзамещёных бицикло[3.1.1]- и трицикло-|4.1.0.02'7|гептанов в реакциях элиминирования и нуклео-фильного замещения

Аддукты трицикло[4.1.О.О^гептанов (1) - (9) с бензолсульфо-бромидом, представляют интерес для синтеза новых сульфонов би-цикло[3.1.1]- и трицикло[4.1.0.О^гептанового ряда. Прежде всего, нами было изучено их отношение к действию сильных оснований. Оказалось, что только сш-аддукты (21а-28а) подвергаются лёгкому 1,3-дегидробромированию в сравнительно мягких условиях (трет.-бутилат калия при О °С или гидрид натрия при 35 °С в ТГФ, 2-5 ч ). Продуктами этих реакций являются соответствующие трициклогеп-таны (29-36), см. табл. 3.

рьсьз

I. Ви1Л

■В г

син-21а-28а 29-36 2,3,7

Я = Ме (29), ЯМез (30), С! (31), Вг (32), СОгМе (33), РЬ (34), БРИ (35), БОгРЬ (36)

Таблица 3 Условия 1,3-депздрогаповдированин аддуктов (21) - (28) н выход трициклогептанов (29) - (36)

Аддукт Основа- Температура Время реакции, Продукт Выход, %

ние реакции, "С ч реакции

21а Г-ВиОК 0 3 29 89

22а МаН 35 5 30 87

23а ?-ВиОК 0 3 31 97

236 г-ВиОК 0 3 32 90

24 /-ВиОК 0 2 32 94

25а ИаН 35 5 33 88

26а (-ВиОК 0 2 34 90

266 Г-ВиОК 50 4 34 63

27а Г-ВиОК 0 4 35 79

28а Г-ВиОК 0 4 36 84

В аналогичных условиях анти-аддукт (236) испытывает 1,3-дегидрохлорирование, в результате которого образуется трицикло-гептан (32). Из других ашии-аддуктов только соединение (26б) образует соответствующий трициклогептан (34), но в гораздо более жёстких (г-ВиОК в ТГФ при 50 °С, 4 ч) по сравнению с с«н-аддуктом (26а) условиях.

Строение соединений (29) - (36) доказано с помощью спектров ЯМР 'Н и пС. Кроме того, некоторые из них были синтезированы иными способами. Например, при получении сульфонов (29,30,34) исходили из соответствующих трициклогептанов (2,3,7), которые обрабатывали бутиллитием в гексане, а затем - бензолсульфофтори-дом.

Резкое различие эпимерных бромидов в отношении к 1,3-дегид-робромированию находит вполне приемлемое объяснение. Это превращение, по-видимому, следует трактовать как внутримолекулярное согласованное замещение галогенид-ионов в бицикло[3.1.1 рептильном карбанионе, возникающем при отрыве протона из а-положения к фенилсульфонильной группе. Так как нуклейфильная атака в таком случае должна осуществляться "с тыла", то она может реализоваться только при эндп-ориентации уходящей группы, как в карбанионе (В). В эту схему укладывается поведение дн/им-аддукта (246), где роль уходящей группы выполняет хлорид-анион.

РЬО

X

В".

№0

РЬО,

д

■я

X = С1, Вг

Обнаруженная нами реакция 1,3-дегидробромирования анти-аддукгга (266) представляется аномальной с позиций механизма Е1сВ, так как требовала бы осуществления стадии внутримолекулярного нуклеофильного замещения с сохранением конфигурации. Мы полагаем, что в этом случае реализуется Е1 - механизм с промежуточным образованием карбениевого иона (Г). Лёгкое образование иона (Г) объясняется стабилизирующим влиянием ароматического кольца. Этот же ион, по-видимому, является интермедиатом при метанолизе соединения (266), который происходит с сохранением конфигурации и приводит к эфиру (37).

Ыи = ОМе (38), 5РЬ (39)

Такой результат свидетельствует в пользу представленной на схеме конформации карбкатиона (Г), в котором триметиленовым мостиком создаются стерические препятствия для эндо-подхода нуклео-фила. Конфигурация заместителей у атома С7 соединения (37) выводится из наблюдения в спектре ЯМР 'Н однопротонного сильно-польного сигнала (5 0.65 м. д.) отвечающего эндо-Н3 атому, попадающему под экранирующее влияние фенильного ядра.

Аддукт (27) при метанолизе образует эфир (38). В данном случае имеет место полное обращение конфигурации при атоме С7, поскольку здесь в интермедиате, подобном по строению карбкатиону (Г) и стабилизированном фенилтио-группой, стерическая роль триметиле-нового мостика аналогична. В реакции соединения (27) с тиофеноля-том натрия получен дитиокеталь (39), образующийся также при фотохимическом присоединении РЬБОгБРЬ к трициклогептану (8). При кипячении соединения (27) в водном ТГФ в качестве единственного продукта получен кетон (40).

Таким образом, аддукты трициклогептанов (2) - (9) с бензолсуль-фобромидом являются удобными синтонами в синтезе сульфонов бицикло[3.1.1]- и трицикло[4.1.0.О^гептанового ряда.

4. Реакции присоединения к 1-фенилсульфонилтрицикло[4.1.0.02>71гептанам

ЬФенилсульфонилтрицикло^Л.О.О^гептан (9), являющийся своеобразным аналогом винилсульфона, сравнительно легко присоединяет по центральной связи С - С7 различные нуклеофильные реагенты. Нуклеофильная атака происходит в Р-положение к активирующей 1руппе с внутренней стороны бициклобутанового мостика и приводит к адцуктам (13,15,18,19,41-44) бицикло[3.1.1]гептановой структуры, см. табл. 4.

&02Р11

9 эндо.эндо- экзо.эндо-

1 За,15а,18а,19а,41 а-44а 13в,15в,18в,196,416-446

Таблица4

Условия получения и выход продуктов (13,15,18,19,41-44) присоединения нуклеофиль-ных реагентов к трициклогеигану (9)

Раствори- Температу- Время Про- Выход продук-

Реагент тель ра реакции, °С реакции,ч дукт та, %

КСЛЧ ДМСО 90 17 13 72

РЬБКа МеОН 0 45 15 86

Ме^а МеОН 20 22 19 75

Ь'АШ* ТГФ 0 3 20 76

РМЖа МеОН 100 20 42 85

МеСШа МеОН 100 20 43 77

о-МОгСЛ^а МеОН 20 30 44 80

Ме^Н Ме№Г 100 44 45 97

Примечание. а В реакционную смесь "соединение (9) + РЬ(Жа" добавляли эквимолярное феноляту натрия количество фенола для связывания метилата натрия, который мог бы накапливаться в ней в ходе процесса присоединения и конкурентно реагировать с соединением (9).

В индивидуальном состоянии экзо,эндо-изомеры (13в,15в,18в, 196,416-446) были получены в результате практически полного превращения двухкомпонентных препаратов в однокомпонентные при нагревании в запаянной ампуле с метилатом натрия при 100 °С. эндо,зндо-Изомеры (13а,18а,44а) выделены колоночной хроматографией. Соединения (15а,19а) идентифицированы в реакционных смесях сравнением с заведомыми образцами. Изомеры (41а-43а) в индивидуальном состоянии из-за их малого содержания в реакционных смесях выделить не удалось, и они зафиксированы лишь методами ГЖХ и ТСХ, а их структура предположительно установлена на основании указанного выше теста на эпимеризацию.

Аналитические данные по стереоселективности нуклеофипьного присоединения к трициклогептану (9) представлены в табл. 5. Здесь же для сравнения помещены литературные данные по аналогичным реакциям соединения (6).

Табл и ца 5

Содержание зкзо,эидо-изомера (в %) в продуктах реакций трициклогептанов (6) и (9) с нуклеофильными реагентами*

Трицикло-гептан МеОИа \leSNa РЬОИа РИБШ <3-Ж>2. 14А!Ш КСЫ МегШ

(6) 15 18 26 19 - - - -

(9) 76 80 91 83 90 80 55 58(636.53>)

Примечание. • При взаимодействии соединения (9) с метилатом натрия параллельно с реакцией присоединения идёт процесс катализируемого основанием превращения стереоизомера (42а) в стереоизомер (426). В связи с этим для установления стереоселективности здесь была использована экстраполяция данных ГЖХ по составу смесей на нулевое время. Стерео-химический состав продуктов присоединения других нуклеофилов к сульфону (9) в ходе реакции практически не менялся и его можно считать кинетически контролируемым.6 В метаноле. * В бензоле.

Можно заметить, что присоединение анионных нуклеофилов к соединению (9) в протонном растворителе - метаноле, в отличие от соединения (6), протекает с высокой эндо,сш-стереоселективностью, что свидетельствует о сильном влиянии на стереохимию присоединения природы активирующей группы в субстрате. Мы полагаем, что причина различий в поведении сульфона (9) и эфира (6) состоит в различии конфомационной устойчивости соответствующих карба-нионов. Первоначально в реакциях образуется карбанион (Д), и в условиях медленной карбанионной инверсии [сульфон (9)] протони-рование приводит к сш-аддукту. В условиях быстрой карбанионной инверсии [эфир (6)] в соответствии с принципом Кёртина - Гаммета стереохимический состав продуктов присоединения будет определяться скоростью протонирования, которая по стерическим причинам выше для карбаниона (Е). Аргументом в пользу большей скорости карбанионной инверсии для эфира (6) по сравнению с сульфоном (9) можно рассматривать различие в величинах ак-/от-, которые для группы СОгК и БОзЯ составляют 1.6 и 1.1 соответственно.

1н

сш-ардукт сшти- аддукт

Ы = СОаМе, БОзРЬ 12

Присоединение диметиламина и ЮЗМ в ДМСО к трициклогептану (9) показывает малую стереоселективность, так как из-за уменьшения протонирующих свойств среды увеличивается время жизни карба-ниона (Д) и вероятность его инверсии в карбанион (Е) возрастает. По этой же причине доля смн-аддукта в смеси несколько увеличивается при разбавлении (1 : 1) диметиламина метанолом, и наоборот, уменьшается при его разбавлении бензолом в тех же пропорциях.

Трицикло[4.1.0.02-7]гептан (9) присоединяет по центральной связи С1 - С7 галогены и, в условиях УФ инициирования, - некоторые радикальные реагенты, табл. 6.

у «О,™

9 анти-14-л,18а,45а,47а ем«-14в,18в,45б,46,47б

Таблица 6

Условия получения, состав и выход продуктов присоединения радикальных реагентов к

трициютогептану (9)

Реагент Растворитель Время реакции, ч Продукт Выход, % «ш-Аддукт, %

РЬЗеН СбШ 6 14 96 70

МеБН СНгСЬ 12 13 92 66

ВизйпН С£н6 16 45 65 85

Ь эфир 24 46 90 95

Вп диоксан сси 4 47 81 75

Присоединение метанола в присутствии метилата натрия, ацетата ртути или минеральной кислоты к трициклогептану (34) также происходит по центральной связи С1 - С7. Центральная бициклобутано-вая связь раскрывается и в реакции соединения (35) с метанолом при катализе ШБО*, его кислотной гидратации и бромогидроксилирова-нии (Вг2 / Н20).

5. Получение сульфоннлзамещённых бицикло[3.1.1]- и трицик-лоНЛ.О.О^гептанов в реакциях окисления сульфидов

Нами установлено, что окисление сульфидов (48-54) смесью N3104 - КМп04 в водном ацетоне при 20-40 °С приводит с хорошими выходами к соответствующим сульфонам (55-60). Сульфиды (48-54) получены при гемолитическом тиилировании трициклогептанов (2,3,7,8) тиофенолом или дифенилдисульфидом при 20 °С в пентане.

Таблица 7

Условия получения и выход фенилтио- и фенилсульфонилз&чещённых бицикло-13Л.1|гептанов (49-61)

Трицик- Тиилирование Окисление

логептан Реагент Вре- Продует анти- Время, ч Продукт

(Ю мя. ч (выход, %) Адяукт,% (1. °С) (выход, %)

2 (Ме) РЬБН 24 48(78) 83 10(20) 55 (79)

2(Ме) (РЬБ) 2 18 48 (16), 52 (63) 95(52) 20 (20) 59 (80)

3 ф'Мез) РЬБН 40 49(75) 72 10 (20) 56 (68)

3 фМез) (РЬБ) г 18 49 (20), 53 (62) 45(53) - -

7(РЬ) РЬБН 24 50(84) 83 10(20) 57 (73)

8 (БРЬ) РЬ5Н 10 51 (96) 78 20 (10) 58(75)

8 (ЭРЬ) (РЬБ) г 15 51 (25). 54 (54) - 20(40) 60 (70)

Трициклические сульфиды (8) и (35) при обработке КаЮ4 -КМпС>4 превращаются соответственно в сульфоны (9) и (36), т.е. напряжённый бициклобутановый фрагмент молекул не подвергается расщеплению при действии используемого окислителя.

га. выводы

1. Изучено фотохимическое присоединение сульфонильных производных АгёОзХ к трицикло[4.1.0.О^гептану. Показано, что раскрытие центральной бициклобутановой связи С1- С7 субстрата инициируется строго эндо-направленной атакой сульфонильного радикала. В то же время стадия переноса частицы X на промежуточный бицик-ло[3.1.1]гептильный радикал не является стереооднородной, причем степень её селективности мало зависит от природы реагента.

2. В фотоинициируемых реакциях присоединения бензолсульфоб-

/ у

ромида по центральной связи С - С 1-11-замещённых производных трицикло^Л.О.О^гептана фенилсульфонильный радикал регио-специфично атакует субстрат по стерически доступному незамещённому положению с внутренней стороны бициклобутанового мостика. Последующая стадия переноса атомов брома на бицикло[3.1.1 рептильный радикал не является стереооднородной, а степень её селективности зависит от природы заместителя Я.

3. смн-Аддукты бензолсульфобромида с 1-11-замещёнными три-цикло[4.1.О.О^гептанами под действием сильных оснований испыты-

вают 1,3-дегидробромирование, приводящее к получению 1-фенил-сульфонил-7-11-трицикло[4Л .О.О^гептанов. Это превращение можно рассматривать как внутримолекулярное согласованное нуклеофиль-ное замещение бромид-иона в бицикло[3.1.1]гептильном карбанионе, возникающем при отрыве протона из а-положения к фенилсульфо-нильной группе.

4. анти- Аддукт бензолсульфобромида и 1-фенилтрицикло-[4.1.0.О^гептана подвергается 1,3-дегидрогалоидированию и соль-волизу с сохранением конфигурации при атоме углерода, несущем бром, что находит объяснение в участии карбениевого иона в этих превращениях.

5. 1-Фенилсульфонилтрицикло[4.1.0.0'7]гептан присоединяет ме-тилат, метантиолят, фенолят, тиофенолят, о-нитротиофенолят натрия в метаноле, алюмогидрид лития в ТГФ, цианид калия в ДМСО, диме-тиламин, иод и бром, а также в условиях фотолиза метантиол, трибу-тилоловогидрид и фенилселенол, исключительно по центральной бициклобутановой связи С^ - С7 субстрата, раскрытие которой инициируется строго эндо-направленной нуклеофильной или радикальной атакой по стерически доступному положению. Присоединение анионных нуклеофилов в метаноле и галогенов происходит с высокой сш-стереоселективностью. Для диметиламина установлено влияние растворителя на стереоселективность присоединения.

6. В ходе работы получено множество новых сульфонов бицик-ло[3.1.1]- и трицикло[4.1.0.О-^гептанового ряда, представляющих интерес в качестве удобных синтонов для тонкого органического синтеза и веществ с потенциально высокой биологической активностью.

Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях:

1. Васин В. А., Кострюков С. Г., Болушева И. Ю. О стереоселек-тивности присоединения бензолсульфобромида к производным три-цикло^Л.О.О^гептана// Проблемы теоретической и экспериментальной химии: Тез. докл. II Всерос. студ. науч. конф., 23-24 апр. 1992 г. -Екатеринбург, 1992.-С. 3.

2. Васин В. А., Болушева И. Ю., Кострюков С. Г. О взаимодействии Ьфенилсульфонилтрицикло^Л.О.О^гептана с нуклеофилами // Проблемы теоретической и экспериментальной химии: Тез. докл. III Всерос. студ. науч. конф., 23-24 апр. 1993 г. - Екатеринбург, 1993. - С. 77.

3. Васин В. А., Болушева И. Ю., Кострюков С. Г. Гомолитическое сульфонирование трицикло[4.1.0.О^гептана // XXII Огарёвские чтения: Тез. науч. конф.,6-11 дек. 1993.-Саранск, 1993. -С. 90.

4. Васин В. А., Болушева И. Ю., Кострюков С. Г., Разин В. В. О стереохимии реакций нуклеофильного присоединения к 1-фенилсуль-фонилтрицикло^Л.О.О^гептану // Журн. орган, химии. - 1993. - Т. 29,вып. 7. -С. 1349-1357.

5. Васин В. А., Кострюков С. Г. Фотохимическое тиосульфониро-вание трицикло[4.1.0.0-7]гептана II Журн. орган, химии. - 1993. - Т. 29,вып. 7.-С. 1497-1498.

6. Васин В, А., Разин В. В., Кострюков С. Г., Зефиров Н. С. Фотохимическое сульфонирование трицикло[4.1.0.О^гептана II Журн. орган, химии. -1994. - Т. 30, вып. 5. - С. 680-685.

7. Васин В. А., Разин В. В., Кострюков С. Г. Синтез новых сульфо-нов - производных бицикло[3.1,1]- и трицикло[4.1.0.О^гептана И Органический синтез: история развития и современные тенденции: Тез. докл. междунар. конф. мол. учёных, 6-10 сент. 1994 г. - С.Петербург, 1994. - Ч. 1. - С. 37-38.

8. Васин В. А., Разин В, В., Кострюков С. Г., Болушева И. Ю., Зефиров Н. С. Функционализация производных трицикло^Л.О.О2-7]-гептана в реакциях бензолсульфобромирования - дегидробромиро-вания // Журн. орган, химии. - 1994. - Т. 30, вып. 9. - С. 1351-1359.

9. Васин В. А., Кострюков С. Г., Романова Э. В., Танасейчук Б. С., Разин В. В. 1 -Фенилтиотрицикло[4.1.0.О^гептан - синтон в синтезе 7-эндо-замещённых производных бицикло[3.1.1]гептанона-6 // Петербургские встречи - 95: Материалы симп. по орган, химии, 21-24 мая 1995 г. - С.-Петербург, 1995. - С. 26.

10. Rasin V. V., Vasin V. A., Kostrykov S. G. Two mechanisms of 1,3-dehydrobromination in 6-arylsulfony!-7-bromobicyclo[3.1.1]heptane derivatives // Polich-american workshop on reaction intermediates (PAWRI): Abstracts of papers., august 13-18, 1995. - Zakopane, Poland, 1995.- P. 13.