Смешанные фосфониево-йодониевые илиды в синтезе новых гетероциклических систем

Таранова, Марина Александровна

Смешанные фосфониево-йодониевые илиды в синтезе новых гетероциклических систем тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.03 ВАК РФ

Таранова, Марина Александровна АВТОР

кандидата химических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Москва МЕСТО ЗАЩИТЫ

2013 ГОД ЗАЩИТЫ

02.00.03 КОД ВАК РФ

Диссертация по химии на тему «Смешанные фосфониево-йодониевые илиды в синтезе новых гетероциклических систем»

Автореферат диссертации на тему "Смешанные фосфониево-йодониевые илиды в синтезе новых гетероциклических систем"

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М.В. Ломоносова

Химический факультет

На правах рукописи

ТАРАНОВА Марина Александровна

Смешанные фосфониево-йодониевые илнды в синтезе новых гетероциклических систем

02.00.03 - органическая химия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

г 8 НОЯ 2013

Москва - 2013

005539881

Работа выполнена в Государственном учебно-научном учреждении Химический факультет Московского государственного университета имени М.В.Ломоносова

Научный руководитель: доктор химических наук, доцент,

Л1атвеева Елена Дмитриевна

Официальные оппоненты: Пржевальский Николай Михайлович,

доктор химических наук, профессор, Российский государственный аграрный университет - МСХЛ им. К.А. Тимирязева, профессор кафедры органической химии факультета почвоведения, агрохимии и экологии

Козлов Владимир Андреевич,

доктор химических наук, старший научный сотрудник, Институт элементоорганических соединений им. А.Н.Несмеянова Российской академии наук, старший научный сотрудник

Ведущая организация: Институт органической химии имени

Н.Д. Зелинского Российской академии наук

Защита состоится «18» декабря 2013 г. в 11 часов на заседании диссертационного совета Д 501.001.69, созданного на базе Химического факультета Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова, по адресу: 119991, г. Москва, Ленинские Горы, д. 1, стр. 3, Химический факультет, ауд. 446.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова.

Автореферат разослан «15» ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор химических наук, профессор

Магдесиева Т.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы

Соединения поливалентного йода благодаря их уникальным свойствам широко используются в качестве реагентов в органическом синтезе. Среди этих соединений малоизученным классом являются стабилизированные смешанные фосфониево-йодоииевые илиды. Синтетический дизайн илидов, объединяющих в одной молекуле атомы фосфора и йода, осуществленный в настоящей работе, позволяет расширить круг структурных типов смешанных илидов и создать новые реагенты для органического синтеза.

В последнее время показана возможность использования фосфоннево-йодониевых илидов - соединений с несколькими реакционными центрами в молекуле, в фотохимических процессах образования конденсированных гетероциклических систем - Х5-фосфинолинов -аналогов хинолинов, содержащих пятивалентный атом фосфора.

В литературе практически отсутствуют методы синтеза такого рода гетероциклических систем. Расширение арсенала методов синтеза неизвестных ранее гетероциклов открывает возможности для дальнейших исследований как фундаментальной проблемы ароматичности, так и изучения свойств и применения этих гетероциклов в органическом синтезе.

Настоящая работа и посвящена изучению новых горизонтов фотохимических процессов смешанных фосфониево-йодониевых илидов, приводящих к образованию целого ряда новых фосфорсодержащих гетероциклических систем.

Целью работы является: во-первых, создание новых стабилизированных смешанных фосфониево-йодониевых илидов как с различными углерод-, сера- и фосфорсодержащими акцепторными заместителями у илидного атома углерода, так и с гетероароматическими заместителями у атома фосфора; во-вторых, изучение синтетического применения этих реагентов для создания новых фосфорсодержащих гетероциклических систем. Научная новизна

Впервые синтезированы неизвестные ранее смешанные фосфониево-йодониевые илиды с тремя гетероатомными заместителями у илидного атома углерода и с различными ароматическими и гетероциклическими заместителями в фосфониевой группе.

Показано, что фотохимическое взаимодействие илидов с ацетиленами приводит к образованию как новых гетероциклических систем с конденсированным шестичленным фосфорсодержащим циклом, так и новых типов фосфониевых солей.

конденсированным гетероциклическим системам Х5-фосфининопиразола, Is-фосфшшнотиофена и Х'-фосфининофурана.

Проведенное систематическое исследование реакций смешанных илндов с алифатическими, ароматическими и гетероароматическнми ацетиленами позволило установить зависимость направления гетероциклизации как от заместителей при илидном атоме углерода, так и от заместителей в ацетиленах. Установлены пути хемоселективного протекания этих процессов с образованием либо конденсированных гетероциклических систем, либо неизвестных ранее гетарнлдифенилфурилзамещенных фосфониевых солей.

Теоретическая и практическая ценность работы

Разработан общий метод получения новых реагентов для органического синтеза. Эти реагенты представляют собой малоизученный класс стабилизированных фосфониево-йодониевых илндов с различными заместителями как у илидного атома углерода, так и у атома фосфора.

Открыты пути синтеза новых фосфорсодержащих гетероциклических систем, позволяющие исследовать фундаментальную проблему ароматичности гетероциклических соединении.

Изучены фотохимические процессы смешанных фосфониево-йодониевых илндов с различными ацетиленами. Выявлены пути хемоселективного протекания реакции в зависимости от заместителей при тройной связи ацетилена.

Апробацпя работы

Основные результаты диссертационной работы были представлены на 7 международных и российских конференциях, в том числе: на Международных научных конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов», Секция Химия, Москва, 2010, 2011, 2012 гг.; на Международной конференции XIV European Symposium on Organic Reactivity, Prague, Czech Republic, 2013 г.; на V Всероссийской конференции студентов и аспирантов «Химия в современном мире», Санкт-Петербург, 2011.

Публикации

Основное содержание работы изложено в 11 публикациях, включая 4 оригинальные статьи в российских и международных журналах, рекомендованных ВАК, и 7 тезисов докладов.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований - проект № 11-03-00641-а, Гранта Президента РФ для поддержки ведущих научных школ № НШ-65546.2010.3, 6464.2012.3, грантов фундаментальных исследований 1-ОХНМ РАН, 9-ОХНМ РАН.

Структура и объем работы

Материал диссертации изложен на 165 страницах: включает введение, литературный обзор, обсуждение результатов, экспериментальную часть, выводы, список цитируемой литературы, включающий 156 наименований, и приложение на 18 страницах.

Основное содержание работы изложено в разделе «Обсуждение результатов», который состоит из двух частей. Первая часть посвящена синтезу смешанных фосфониево-йодониевых илидов с различными электроноакцепторными заместителями у илидного атома углерода и различными ароматическими и гетероароматическими заместителями у атома фосфора. Во второй части представлены результаты использования смешанных фосфониево-йодониевых илидов как новых реагентов для создания неизвестных ранее аннелированных фосфорсодержащих гетероциклических систем.

Синтез фосфоинево-нодоиневых нлидов

Смешанные фосфониево-йодониевые илиды 1а-о с различными заместителями как у илидного атома углерода, так и у атома фосфора были получены в результате трехстадийного синтеза на основе коммерчески доступного трифенилфосфнна 2 или предварительно синтезированных арил(или гетарил)дифенилфосфшюв 4-9.

Исходные арилдифенилфосфины получали двумя путями: 1) кросс-сочетанием йодзамещённого арена с триметилсилилфосфином в присутствии катализатора на основе палладия (II) (фосфнны 4-7, схема 1); 2) взаимодействием литиевых производных фурана и И-пиразола с дифенилхлорфосфином (фосфины 8-9, схема 2).

Схема 1. Синтез фосфинов 4-7.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1)1л/ТНР

1-Аг 1\1(СП,СН)2С12

РЬ2Р-Аг

РЬ3Р 2

2) Ме38КГ1

Р112Р81Ме

3 65%

С6Н6, 50-60° С

4-7 40-75%

Ме

Схема 2. Синтез фосфииов 8-9.

1) n-BuLi

Аг-Н -- Ar-PPh,

2) Ph2PCl

8-9 60-70%

Ar = ——

\ // , \ // MeN-N О-^

Алкилированием трифенилфосфина были получены фосфониевые соли 10 а-е с выходами 80-90%. Последующее депротонирование полученных солей 10а-с, е при действии оснований приводило к получению фосфоранов 11 а-с, е, которые были выделены с высокими препаративными выходами — 80-95% (схема 3). При обработке фосфониевой соли 10 d сильным основанием образуется фосфониевый илид 11', который без выделения вводили в последующее взаимодействие с тозилфторидом. Мы использовали двойной эквивалент илида 11' — одна молекула илида в качестве нуклеофила замещает фторид-нон и образуется соль [PhjP^lbSCbp-TollF , которая мгновенно депротонируется этим же илидом 11' с образованием целевого фосфорана lid (схема 3).

Схема 3. Синтез фосфоранов 11а-е на основе трифенилфосфина (2).

Hal-CH2-Z ® е NaOII / II20 ® в Ph3P -Ph3P-CH2-Z Hal -—-»- Ph3P-CH-Z

NaOMe / MeOH

2 10 a,b,c 80-90 % 11 a,b,c 80-95%

a: Z = C(0)Ph, Hal = Br b: Z = COOMe, Hal = Br c: Z = CN, Hal = C1

PhiP

-Ph,PMe I

BuLi

lOd 87 %

® e Ph,P-CH-

11'

F-SCy-Tol 0.5 экв.

в 9

Ph3P—CH—SOjp-Tol lid 70%

Tf0-CH2-P(0)(0Et), ® e NaH ® 9

Ph3P -Ph3P-CHrP(0)(0Et)2 TfO -Ph3P-CH-P(0)(0Et)2

2 10c 82% lie 80%

Неизвестные ранее фосфораны 11 Г-о были получены нами впервые аналогичными методами на основе арилдифенилфосфинов с высокими препаративными выходами — 75-95% (Схема 4).

Схема 4. Синтез фосфоранов И f-o на основе арилдифенилфосфинов (4-9).

. „, „ Br-CII2-Z ® в NaOMe / МеОН ® 9 ArPh2P -ArPh2P-CH2-Z Вг -ArPh2P-CH-Z

4-9 10 f-hj-k,m-o 70-90 % 11 f-hj-k,m-o 75-95%

Z = C(0)Ph: Ar = 2-(COOMe)C6H4 (f), N-индолил-З (g), 1-метил-Ш-пиразолил-5 (h), 2-тиеиил (j), 3-гиенил (m), 2-фурил (n);

Z = COOMe: Ar = 2-тиеннл (к), 2-фурил (о)

TfO-CH2-P(0)(0Et)2 ® е NaH ® в АгРЬ2Р -ArPh2P-CH2-P(0)(0Et)2 TfO -^ ArPh2P-CH-P(0)(0Et)2

6,8 10 i,l 76-90 % 11 i,l 78-80%

Ar = 1-метил-1//-пнразолил-5 (i), 2-тненил (I)

Структуры выделенных фосфонневых солей 10 f-o и фосфоранов 11 f-o были подтверждены методами ЯМР 'н, 13С, 3|Р и ИК спектроскопии, состав был подтвержден элементным анализом.

Смешанные фосфониево-йодониевые илиды 1 а-е с акцепторными группами у алидного атома углерода (бензоил-, карбометокси-, циано-, сульфонил- и фосфорилзамещенные) были получены в виде тетрафторборатов окислением соответствующих фосфоранов 11 а-е диацетоксийодбензолом с последующей обработкой тетрафторборной кислотой (схема 5). Выходы илидов 1 а-е представлены в таблице 1.

Схема 5. Синтез смешанных фосфониево-йодониевых илидов 1 а-е.

Ph,P—С—Z

Ph,P—СИ—Z -- г"зг

2) HBF4,0 °С q ® I

BF4 IPh

11 а-е 1 а-е

Таблица 1. Выходы смешанных илидов 1 а-е.

Z Смешанные илиды 1 а-е

№ Выход,%

C(0)Ph 1а 90

COOMe Ib 85

CN 1с 81

S02p-Tol Id 85

P(0)(0Et)2 le 75

Следует отметить, что сульфонил- и фосфорилзамещенные фосфониево-йодониевые илиды 1 d,e получены впервые и представляют собой новый тип смешанных нлндов с гетероатомными стабилизирующими группами.

Нами было установлено, что для трифенилфосфонийзамещенны.х смешанных илпдов стабильность в зависимости от акцепторной группы у илидного атома углерода уменьшается в ряду: S02p-Tol = СООМе > C(0)Ph > P(0)0Et2 = CN.

Неизвестные ранее смешанные илиды с различными заместителями у атома фосфора 1 f-o были получены аналогичным методом с выходами 45-95 % (Таблица 2).

А1 ®¡Ph0BF4 1 f-o

Таблица 2. Выходы смешанных илидов 1 f-o.

Аг Z Смешанные илиды!f-o

№ Выход,%

2-(СООМе)С6Н4 C(0)Ph lf 65

N-метилиндолил-З C(0)Ph lg 45

1-метил-1 №пиразолил-5 C(0)Pli lh 80

1-метил-Ш-пиразолпл-5 P(0)(0Et)2 li 54

2-тиенил C(0)Ph lj 80

2-тиенил СООМе lk 85

2-тиенил P(0)(0Ht)2 11 65

3-тиенил C(0)Pli lm 85

2-фурил C(0)Ph In 95

2-фурил COOMe lo 74

Полученные фосфониево-йодониевые илиды 1 Г-о с гетероароматическими заместителями по сравнению с трифенилзамещенными аналогами 1 а,Ь,й оказались существенно менее стабильными. Их стабильность в зависимости от заместителя у атома фосфора уменьшается в ряду: РИ > 3-тиенил = 2-тиенил > пиразолил > 2-фурил » 3-индолил > 2-карбометоксифеннл.

Илиды с 3-ипдолильным и 2-карбометоксифенильным заместителями (1 Г,д) настолько нестабильны в растворах, что использовать их в дальнейших превращениях не удалось.

Для подтверждения структуры смешанных илидов (1) была использована ЯМР 'Н, 13С, 31Р п ИК спектроскопия, состав был подтвержден элементным анализом или масс-спектроскопией высокого разрешения.

Сигналы атома фосфора в спектрах ЯМР 3|Р илидов (1) находятся в области 12-32 м.д., положение которых в большей степени зависит от заместителей в фосфониевой группе.

В спектрах ЯМР 'Н и 13С илидов (1) присутствуют наборы сигналов, соответствующие фосфониевым и йодониевым фрагментам, а также стабилизирующим группам у илидного атома углерода. Сигналы илидных атомов углерода удалось зарегистрировать только для илидов 1с, с1, ¡; они находятся при 0.01 м.д. ('./ср = 123.9 Гц), 37.26 ('Уср=95.8 Гц) и 88.67 ('•/ср=87.1 Гц) соответственно. Низкая интенсивность этих сигналов в спектрах ЯМР 13С является следствием высокой степени экранирования илидных атомов углерода.

Ранее при изучении низкотемпературных спектров ЯМР 'н, 13С, 3,Р трифенил-фосфонийзамещенного илида 1Ь с карбометоксильным заместителем у илидного атома углерода было установлено существование динамического равновесия между Х- и Е-нзомерами этого илида в растворе (схема 6, Аг = РЬ).

Схема 6. Z, Е-Изомеры смешанных илидов 1 Ь,к,о карбометоксильным заместителем у илидного атома углерода.

АгРЬ2+Р О" АгРЬ2+Рч ОМе

С=С ■ С—С

^ / \ 4- / 4

РЬ+1 ОМе РЬ I О"

ВР,- ВР4"

Уширение сигналов метильных групп в спектрах ЯМР 'Н, |3С и сигналов атомов фосфора в спектрах ЯМР 31Р гетарилдифенплфосфонийзамещенных илидов 1 к,о с карбометоксильными заместителями у илидного атома углерода позволяет предположить существование равновесия между и ¿-изомерами и для этих илидов (схема 6).

Взаимодействие смешанных илидов с ацетиленами

Ранее в нашей лаборатории были открыты фотохимические реакции фосфониево-йодониевых илидов с С=С и С=Ы тройными связями, приводящие к образованию крайне труднодоступных гетероциклических систем Х5-фосфинолинов и фосфонийзамещенных оксазолов соответственно. В настоящей работе осуществлен синтетический дизайн

фотохимического процесса взаимодействия разнообразных по структуре смешанных фосфониево-йодониевых илидов (1 а-о) с различными ацетиленами (12-19).

Мы установили, что смешанные илиды 1 a-e, h-o вступают во взаимодействие с терминальными ароматическими ацетиленами, такими как фенилацетилен, 3-тиенилацетилен, 4-этиниланизол. Терминальные алифатические ацетилены также активно взаимодействуют со смешанными илидами, однако, низкая стабильность продуктов гетероциклизации в некоторых случаях приводила к значительному снижению их выходов. Дизамещенные ацетилены менее реакционноспособны при взаимодействии с фосфониево-йодониевыми илидами, а ацетилены с акцепторными заместителями (например, ДМАД, 2-этинилпиридин, метилпропаргиловый эфир) в реакцию не вступают вовсе.

Взаимодействие илидов 1 а-е с ацетиленами

Взаимодействие бензоил- и карбометоксизамещенных илидов 1 а,Ь с ацетиленами приводит к образованию двух различных гетероциклических систем — Х5-фосфинолинов и фосфонийзамещенных фуранов, и, кроме того, сопровождается образованием фосфониевых солей 10 а',Ь' (схема 7).

Реакции протекают с достаточно высокими суммарными выходами продуктов гетероциклизации (20-30, 35-36) (см. таблицу 3), при этом полная конверсия карбометоксизамещенного илида Ib происходит существенно медленнее (30-90 мин), чем в случае бензоилзамещенного илида 1а (5-15 мин).

Схема 7. Взаимодействие смешанных илидов la, b с ацетиленами.

°л Ph, ,Ph

r'-C=C-R2

CH2CI2

20, 25, 26, 29, 30

10a',b'

BF4-la,b

21-24, 27, 28

31-36

10a',b'

Таблица 3. Выходы полученных Х5-фоефинолинов 20-30 и фосфонийзамещенных фуранов 31-36.*

Ил иды Ацетилены /Лфосфинолины Фосфоний-замещенные фураны

№ Я № Я я2 № Выход,% № Выход,%

12 Н РЬ 20 55 - -

13 н З-Тиенил 21 60 31 7

1а РЬ 14 н 4-Метоксифенил 22 40 32 30

15 н 6-Метоксинафтил-2 23 10 33 60

16 н 9-Фенантрил 24 5 34 80

12 н РЬ 25 75 - -

13 н З-Тиенил 26 50 - -

1Ь ОМе 14 н 4-Метоксифенил 27 50 35 20

16 н 9-Фенантрил 28 10 36 65

17 н н-Октил 29 55 - --

18 РЬ РЬ 30 45 - -

* Выходы фосфониевых солей ТО а',Ь' составляли 15-50%

Как следует из таблицы 3 соотношение продуктов гетероциклизации — ),5-фосфинолинов и фосфонийзамещенных фуранов существенно зависит от природы заместителей у тройной связи ацетилена (схема 7, таблица 3). Выход Х5-фосфинолннов уменьшается в ряду ацетиленов: 13>14>15>16, и в этом же ряду увеличивается выход фуранов.

Заместитель у илидного атома углерода в меньшей степени влияет на соотношение продуктов гетероциклизации. Так, при взаимодействии илида 1а с 4-этиниланизолом соотношение продуктов Х5-фосфинолин : фуран составляло 4 : 3, а для илида 1Ь это соотношение изменилось и составило 5 : 2.

Образование конденсированной гетероциклической системы с шестичленным фосфорсодержащим циклом и фосфонийзамещенных фуранов и может быть представлено следующей схемой.

Схема 8. Предполагаемая схема образования Х5-фосфинолинов и фосфоннйзамещенных фуранов.

Гетеролитнческий разрыв связи С-1 при УФ-облучеиии приводит к образованию электрофильнон частицы А1, которая при взаимодействии с С=С-связью в свою очередь образует карбокатион А2, внутримолекулярная элекгрофильная атака в котором по бензольному кольцу, связанному с атомом фосфора, приводит к образованию шестичленного фосфорсодержащего цикла — Х5-фосфинолина (путь а), а при взаимодействии катионного центра с атомом кислорода карбонильной группы происходит образование фосфоний-замещенного фурана (путь Ь).

Эта схема согласуется с результатами взаимодействия смешанных илидов с ацетиленами, приведенными в таблице 4. Возможность реализации того или иного пути зависит от устойчивости образующегося карбокатиона А2, которая в свою очередь существенным образом зависит от заместителя при тройной связи в ацетилене. Чем больше эффективная электрофильность карбокатиона А2 (т.е. чем меньше заместитель участвует в стабилизации положительного заряда), тем быстрее протекает электрофильное замещение в ароматическое кольцо у атома фосфора.

Для реализации пути Ь карбокатиоиу А2 необходимо принять конформацию, при которой атом кислорода карбонильной группы и катионный центр будут сближены и

замыкание фуранового цикла становится возможным. Стабилизация положительного заряда в вмнилыюм катионе А2 по ароматической системе заместителя увеличивает время жизни этого карбокатпона, и в этом случае реализуется путь Ь.

Однако, нельзя исключать возможность образования фуранового цикла в результате [3+2]-циклоприсоединения смешанного илида к тройной связи ацетилена.

Как уже упоминалось выше, образование гетероцнклов >.5-фосфинолинов и фосфонийзамещенных фуранов при взаимодействии смешанных илидов с ацетиленами всегда сопровождается образованием фосфониевых солей [Р11зРСН2С(0)К)]ВЬУ (10 а',Ь').

Проведенное изучение фотохимического процесса взаимодействия беизоилзамещеиного илида 1а с фенилацетиленом методом стационарного фотолиза и литературные данные по фотоиндуцированному распаду йодониевых солей позволили предположить, что в процессе реакции возможны два пути фотораспада илида 1а: с образованием йодбензола и карбокатпона А1 (путь 1, приводящий к гетероциклам - схема 8) и с образованием радикала В1 и катион-радикала йодбензола (путь 2, приводящий к фосфониевой соли 10 а* - схема 9).

Схема 9. Предполагаемая схема фотоиндуцированного распада илида 1а в присутствии дихлорметана.

® е

Р1,3РХ />

э/=сч

РЫ я

1а,Ь

Ьу

РИзР у

с=с

В1

СН,С1?

•СНС1,

1РЬ

В2

СН2С12

■СПС1, + 1Р1, + н+

II с / н

он

вз

® вр4~

РЬ3РЧ ,0 Н \

10а', Ь'

Радикал В1 может отрывать атом водорода от растворителя с образованием фосфорана В2, последующее протонирование которого приводит к енолу ВЗ, переходящему в кетонную форму фосфониевой соли 10 а' (схема 9).

Предложенная схема образования соли подтверждена результатами облучения раствора смешанного илида 1а в дейтерированном растворителе (СЭ^СЬ) - образовавшаяся в этих условиях соль в метиленовон группе содержала атомы дейтерия и в спектрах ЯМР 'Н не имела характерного дублета в области 4.5-5.5 м.д. В спектрах ЭПР илида 1а при УФ-

облучении присутствуют сигналы сложной структуры, которые свидетельствуют о существовании относительно долгоживущих радикалов, что косвенно подтверждает предложенную схему 9.

Рис. 1. Спектры ЭПР смешанного илида 1а при УФ-облучении.

При замене карбонилсодержащих стабилизирующих групп у илидного атома углерода в фосфониево-йодониевых илидах на нитрильную, сульфонильную или фосфорильную группы исключается возможность реакции по пути Ь (см. схему 8) и реакция с ацетиленами должна была приводить к образованию только фосфорсодержащих шестичленных гетероциклов.

Действительно, мы показали, что в результате реакций илидов I с,с1,е с ацетиленами получаются исключительно Х'-фоефино.чины (термин «исключительно» касается альтернативы образования фуранов) (схема 10). Результаты взаимодействий илидов 1 с,11,с с ацетиленами представлены в таблице 4.

Схема 10. Взаимодействие смешанных илидов 1с, с1, е с ацетиленами.

Р11,Р\е с—ъ ®/ ры е

1 с,(1,е

Я'-С^с-Я2 1] у

СН,С1,

® в РЬ,РЧ ВР4

"Зг\

,с—ъ

37-53

10с',с1\е'

Таблица 4. Выходы циано-, сульфонил- и фосфорилзамещенных Л5-фосфинолннов 37-53.*

Илиды Ацетилены Х5-Фосфинолины

№ Ъ № Я1 я2 № Выход,%

12 н РЬ 37 35

13 н З-Тиенил 38 40

1с СИ 14 н 4-Метоксифенил 39 40

17 н н-Октил 40 15

19 н (СН2)4ОСН 41 20

12 н РЬ 42 25

13 н З-Тиенил 43 15

1(1 502р-То1 14 н 4-Метоксифенил 44 <5

16 н 9-Фенантрил 45 20

18 РЬ РЬ 46 <5

12 н РЬ 47 60

13 н З-Тиенил 48 55

14 н 4-Метоксифенил 49 50

1е Р(О)(ОЕ02 15 н 6- 50 55

16 н 9-Фенантрил 51 65

17 н н-Октил 52 75

18 РЬ РЬ 53 40

* Выходы фосфониевых солей 10 с',(Г,е' составляли 25-90%

Как видно из таблицы 4 выходы Х5-фосфинолпнов 37-46 при взаимодействии циано- и сульфонилзамещенных илидов 1 с,(1 с ацетиленами снижаются до 15-40%. При этом увеличиваются выходы фосфониевых солей [Р11зР+-СН2^]ВР4" (10 с',(1'). В то же время, фосфорилзамещенньш илид 1е позволяет хемоселективно получать Х5-фосфинолины 47-53 с высокими выходами (до 75%).

Все полученные бензоил-, карбометокси-, циано-, сульфонил- и фосфорилзамещенные фосфинолины 21-30,37-53 и трифенилфосфонийзамещенные фураны 31-36 не описаны в литературе. Их структуры были подтверждены данными ЯМР 'н, |3С, 3|Р и ИК спектроскопии, а состав - масс-спектрами высокого разрешения.

Взаимодействие пираюлил замещенных илидов /Л,/ с ацетиленами. Введение гетероциклических заместителей к атому фосфора в смешанных илидах позволило получить новые типы гетероциклических систем.

Мы показали, что взаимодействие бензоилыюго пиразолилзамещенного илида 1Ь с 9-этинилфенантреном в условиях УФ облучения, так же как и в случае с его трифенилфосфоний замещенным аналогом 1а, приводит к хемоселективному образованию фосфонийзамещенного фурана 54. В результате взаимодействия этого илида 1Ь с фенилацетиленом был выделен /Лфосфинолип 55 с пиразолильным заместителем у атома фосфора (схема 11).

Схема 11. Реакции пиразолилзамещенного илида 1Ь с 9-этинилфенантреном и фенилацетиленом.

В результате циклизации фосфорилзамещенного илида П с 4-этиниланизолом наряду с Х5-фосфинолином 56 была получена новая гетероциклическая система Х5-фосфининопиразола 57. В данном случае этот факт свидетельствует о сравнимых скоростях электрофильного замещения в бензольное и пиразольное кольцо у атома фосфора илида П (схема 12).

Схема 12. Реакция пиразолилзамещенного илида И с 4-этиниланизолом.

®Вр4 Р(0)(0Е1)2 <^ЧГМс

Ме к С6Н4-яОМе С6Н4-р ОМе

11 56, 5% 57, 10%

Для гетероциклизации фосфорилзамещенного плида И наилучшим растворителем оказался ацетонитрил. Это связано, во-первых, с лучшей растворимостью плида И в ацетонитриле, а, во-вторых, разложение фосфорилзамещенных илидов в ацетонитриле протекает существенно медленнее, чем в хлористом метилене. Поэтому реакции гетарилзамещенных илидов с фосфорилыюй группой у илидного атома углерода 1 ¡,1 проводили в ацетонитриле.

Структуры ?Лфосфинолинов 55-56, Х5-фосфишшопиразола 57 и фурана 54 были подтверждены методами ЯМР 'Н, 13С, 31Р спектроскопии, а состав методом масс-спектроскопии высокого разрешения.

Взаимодействие тиепилшмещенных илидов 1 у'-ш с ацетиленами.

При введении электроноизбыточного тиофенового кольца в фосфониевую группу плида создаются условия преимущественного протекания гетероциклизации по кольцу тиофена.

Наши исследования показали, что направление процесса, как и в описанных выше примерах, существенно зависит от заместителя в ацетилене.

Следует отметить, что 2-тиенилзамещенные илиды с бензоильным (1,)') и фосфорильным (II) заместителями у илидного атома углерода значительно быстрее реагируют с ацетиленами, чем их трифенилфосфонийзамещенные аналоги 1 а,е. При взаимодействии с фенилацетиленом и З-этинилтиофеном илиды 1 ¿,1 хемоселективно образуют Х5-фосфшшнотиофены 58-59 и 65-66 (схема 13, таблица 5). Реакции 2-тиеннлзамещенного илида 1] с 4-этиниланизолом (14) и 9-этинилфенантреном (16) протекают тоже селективно, но с образованием фосфонийзамещенных фуранов 71-72 (см. таблицу 5).

2-Тиенилзамещенный иЛид 1к с карбометоксилыюй группой у илидного атома углерода реагирует с ацетиленами очень быстро (несколько секунд) и это сказывается на хемоселективности процесса (схема 13). В результате взаимодействия илида 1к с ацетиленами 12,13,17,19 образуются изомерные Х5-фосфининотиофены 60,61,63,64 и Х'-фосфинолины 67-70, выходы которых представлены в таблице 6. Реакция илида 1к с ацетиленом 14 приводит к образованию смеси )Лфосфининотиофена 63 и фосфонийзамещенного фурана 73, а с ацетиленом 16 процесс протекает селективно только с образованием фосфонийзамещенного фурана 74.

Схема 13. Взаимодействие 2-тиенплзамещенных смешанных илидов 1 с ацетиленами.

РЬч<е,РЬ

в р'-г=г-т?2

сг;

чв Я'-сгс-Я' с—г -

/ СН,С]

РК

ВР/

1],к,1

РЬ. ,РЬ

РЬЧ©/РЬ Н ^

ИГ,-

к2

60, 61, 62, 64

РЬ РЬ „Б

РЬ. ® РЬ

СГ

Я2 67-70

10 к'

РЬЧ®.РЬ р^

рЭ-СГ^СГй

Я2 ВЕ." 11

—ъ

ВИд-

10 к'

РЬЧ®,РЬ

У-Б Н

Ю^.к'

вн4-

Таблица 5. Выходы Х5-фосфининотиофенов 58-66, >Лфосфиполинов 67-70 и фосфонийзамещенных фуранов 71-74.*

Илиды Ацетилены Х5-Фосфини-нотиофены >.5-Фосфи-нолины Фосфонийзаме-щенные фураны

№ Ъ № я' я2 № Выход,% № Выход,% № Выход,%

12 н РЬ 58 30 - - - -

Ч С(0)РЬ 13 н З-Тненил 59 30 -- - -- -

14 н 4-Метоксифенил - - - - 71 40

16 н 9-Фенантрил - - -- - 72 70

12 н РЬ 60 20 67 20 - -

13 н З-Тненнл 61 20 68 20 -- -

1к СООМе 14 н 4-Метоксифенил 62 15 - - 73 35

16 н 9-Фенантрнл -- - -- - 74 60

17 н н-Октнл 63 14** 69 25 - -

18 РЬ РЬ 64 40 70 10 - -

11 Р(0)(0Е1); 12 н РЬ 65 15 - - -

13 н З-Тиенил 66 10 - - - -

* Выходы фосфониевых солей 10 составляли 30-80%

** По данным спектра ЯМР 31Р реакционной смеси.

Очевидно, что при гетероциклизации карбометоксилыгаго 2-тиенилзамещешюго илида 1к скорости электрофилыюй реакции в тиофеиовое и бензольные кольца сопоставимы, в результате чего и образуются два изомерных фосфорсодержащих конденсированных гетероцикла Х'-фосфининотиофены 60,61,63,64 и >Лфосфинолииы 67-70 (схема 13).

2-тиенилдифенилфосфониевой группе илида 1к имеется четыре орго-положения двух фенильных групп и одно положение у тиофена для электрофильного замещения. Экспериментально установленные соотношения для илида 1к отличаются от статистического в пользу фосфининотиофенов (см. таблицу 5), что свидетельствует о преимущественном направлении гетероциклизации по электроноизбыточному тиофеновому кольцу.

Выше изложенные результаты вполне согласуются с предложенной схемой процессов, протекающих при взаимодействии смешанных илидов и замещенных ацетиленов (см. схему 8).

Строение Х5-фосфшшнотиофенов 58-66, Х5-фосфинолинов 67-70 и фуранов 71-74 было подтверждено методами ЯМР 'Н, 13С, 31Р и ИК спектроскопии, а состав - методом масс-спектроскогши высокого разрешения.

Реакция гетероциклизации 3-тиенилзамещенного илида с бензоильным заместителем у нлидного атома углерода 1т с фенилацетпленом протекает с образованием двух новых изомерных конденсированных фосфор- и серасодержащих систем — ^'-фосфининотиофенов 75 и 76, образующихся в соотношении 4 : 5, определенному из соотношения сигналов в спектре 31Р (схема 14).

Схема 14. Реакция смешанного илида 1т с фенилацетпленом.

Статистическое соотношение продуктов гетероциклизации фосфининотиофен: фосфинолин должно быть 1 :4,

поскольку

изомеров

76, 15%

Образование гетероциклических соединений 75 и 76 объясняется протеканием процесса электрофилыюго замещения по а- и Р-положениям тиофеного кольца в фосфониевой группе илнда 1т. Хроматографическая подвижность таких изомеров одинакова и их структуры были подтверждены данными спектроскопии ЯМР 'Н, |3С и 31Р в смеси. ЯМР спектры регистрировали в режиме монорезонанса, двойного Н-Н резонанса и гетероядерного двойного резонанса с подавлением спин-спинового взаимодействия с ядром фосфора.

Взаимодействие фурилзамещенных илидое 1п,о с ацетиленами

Гетероциклизация фурилзамещенных смешанных илидов 1 п,о с ацетиленами позволила получить новую гетероциклическую систему Х5-фосфининофурана в результате протекания электрофильного замещения по электроноизбыточному фурановому кольцу (схема 15).

Реакционная способность фурилзамещенных илидов с бензопльным (1п) и карбометоксильным (1о) заместителями оказалась намного более высокой по сравнению с реакционной способностью выше описанных илидов 1 а-е, Ь-ш. Реакции этих илидов 1 п,о с ацетиленами экзотермичны и происходят мгновенно при дневном свете.

Влияние заместителей в ацетиленах сказывается на направлении процесса для фурилзамещенных смешанных илидов 1 п,о. Так, взаимодействие илида 1п с ацетиленами 12, 13 протекает хемоселективно с образованием только Х5-фосфининофуранов 77, 78, а взаимодействие с ацетиленами 14 и 16 приводит только фосфонийзамещенным фуранам 85, 86 (таблица 6).

Хемоселективно с образованием только Х5-фосфининофуранов 79,80, 83,84 протекает реакция фурилзамещенного илида 1о с ацетиленами 12,13, 17,18. В то время как с ацетиленами 14 и 14 плид 1о образует смесь Х5-фосфининофуранов 81,82 и фосфонийзамещенных фуранов 87, 88. Выходы полученных соединений 77-88 представлены в таблице 6.

Схема 15. Взаимодействие фурилзамещеииых смешанных илидов 1 п,о с ацетиленами.

МеО

/е К

СН2С12

РК

ВР4-

П, О

77 - 80,83,84

10п',о'

РЬ ч ©/ РИ к,

81, 82.

Юн',о'

Таблица 6. Выходы Х:-фосфишшофуранов 77-83 и фосфонийзамещенных фуранов 85-88.*

Илиды Ацетилены /Лфосфншшо- Фураны

№ Ъ № Я' я2 № Выход,% № Выход,%

1п С(0)РЬ 12 Н РЬ 77 50 - -

13 Н З-Тиенил 78 65 -- ~

14 н 4-Метоксифенил ~ ~ 85 40

16 н 9-Фенантрил ~ ~ 86 50

1о СООМе 12 Н РЬ 79 45 ~ ~

14 н З-Тиенил 80 40 ~ -

15 Н 4-Метоксифенил 81 30 87 15

17 Н 9-Фенаитрил 82 30 88 20

18 н н-Октнл 83 10** - ~

19 РЬ РЬ 84 40 - -

* Выходы фосфониевых солей 1 п\о' составляли 30-60 %

** Низкий выход фосфининофурана 83 объясняется его нестабильностью,

содержание 83 в реакционной смеси по данным ЯМР 11Р составляло 40%.

Структуры соединений 77-88 были подтверждены методами ЯМР 'Н, 13С, 31Р и ИК спектроскопии, а состав - методом масс-спектроскопии высокого разрешения.

Приведенные данные показывают, что направление реакций гетарилзамещенных фосфоние'во-йодониевых илидов с ацетиленами зависит от заместителей у атома фосфора и у илидного атома углерода, но гораздо большее влияние оказывает заместитель в ацетиленах.

Структуры цианозамещенного Х5-фосфинолина 37 и фосфорилзамещенного >Лфосфинолина 47 были установлены методом рентгеноструктурного анализа (рисунок 2).

Рис. 2. Структуры Х.5-фосфинолинов 37 и 47.

Данные РСА свидетельствуют о суперпозиции илидной и ароматической структур для фосфинолинов 37 и 47 (длина связи СИЯ1Ц-Р равна 1.721-1.724 А, что соответствует илидной связи).

Конформации фосфининовых циклов фосфинолинов 37 и 47 были определены с помощью программы МСОК Ниже приводятся значения торсионных углов (см. таблицу 7).

Таблица 7. Значения торсионных углов фосфининового фрагмента

^-фосфинолинов 37 и 47.

>.5-Фосфинолин 37 Х3-Фосфинолин 47

Атом Значение торсионных углов, 0 Атом Значение торсионных углов, °

Р 20.7 Р1 10.6

С1 5.1 С8 3.5

С4 -15.5 С9 -8.6

С5 -1.1 С1 -0.9

С26 21.7 С2 12.2

С21 -30.3 СЗ -16.1

Как видно из приведенной таблицы конформация шестичленного цикла фосфинолина 37 представляет собой искаженную ванну, а конформация шестичленного цикла фосфинолина 47 более плоская - ближе к «1,3-дипланарной».

Т.о. структурная модификация смешанных фосфониево-йодониевых илидов и изучение их реакций с ацетиленами позволило открыть методы синтеза новых классов аннелированных фосфорсодержащих гетероциклических соединений и, кроме того, получать неизвестные ранее фосфонийзамещенные фураны, которые представляют собой труднодоступный класс гетарилзамещенных фосфониевых солей.

ВЫВОДЫ

1. Разработан единый подход к синтезу стабилизированных смешанных фосфониево-йодониевых илидов с акцепторными заместителями, в том числе неизвестных ранее смешанных илидов с тремя гетероатомными заместителями у илидного атома углерода.

2. Разработан метод синтеза неизвестных ранее смешанных фосфониево-йодониевых илидов с различными ароматическими и гетероароматическими заместителями у атома фосфора.

3. Установлено влияние ароматических заместителей в фосфониевой группе и заместителей у илидного атома углерода на направление гетероциклизации 1 смешанных фосфониево-йодониевых илидов с ацетиленами.

4. Открыты пути синтеза новых фосфорсодержащих конденсированных систем - X5-фосфининопиразола, Х5-фосфининотиофена и Х5-фосфининофурана и неизвестных ранее фурил(тиенил, ииразолил)дифенилфурилзамещенных фосфониевых солей. Установлено, что заместители у атома фосфора определяют тип образующейся конденсированной фосфорсодержащей гетероциклической системы, а участие атома кислорода бензоилыюго и карбометоксильного заместителей у илидного атома углерода смешанных илидов определяет образование фурилзамещенных фосфониевых солей.

5. Проведено систематическое сравнительное исследование фотохимических реакций смешанных илидов с различными ацетиленами и установлена зависимость направления процесса от природы заместителя в ацетилене.

6. Показано, что одна из стадий процесса гетероциклизации смешанных фосфониево-йодониевых илидов с ацетиленами имеет электрофильный характер.

Основное содержание работы изложено в следующих публикациях:

в изданиях, рекомендованных ВАК для публикации результатов

диссертационного исследования

1. Matveeva Е. D., Podrugina Т. A., Taranova М. A., Borisenko A. A., Mironov А. V., Gleiter R., Zefirov N. S. Photochemical Synthesis of Phosphinolines from Phosphonium-Iodonium Ylides // J. Org. Chem. - 2011. - V. 76. - P. 566-572.

2. Matveeva E. D., Podrugina T. A., Taranova M. A., Ivanova A. M„ Gleiter R., Zefirov N. S. Hetaryl-substituted phosphonium-iodonium ylides in synthesis of heterocycles // J. of Org. Chem. - 2012. - V. 77. - P. 5770-5774.

3. Некипелова Т. Д., Таранова М. А., Матвеева Е. Д., Подругина Т. А., Кузьмин В. А., Зефиров Н. С. Механизм и необычные особенности реакции фотоиндуцированного циклоприсоединения фенилацетилена к смешанному фосфониево-йодониевому илиду //Докл. Акад. Наук.-2012.-Т. 447.-С. 296-299.

4. Matveeva Е. D., Podrugina Т. A., Taranova М. A., Melikhova Е. Yu, Gleiter R., Zefirov N. S. Annelated P-containing heterocycles from aryl- and hetaryl-substituted phosphonium iodonium ylides with a methoxycarbonyl-group // Tetrahedron. - 2013. - V. 69. - P. 73957402.

в других изданиях

5. Таранова М. А., Матвеева Е. Д., Подругина Т. А., Зефиров Н. С. Бензоил- и цианозамещенные смешанные фосфониево-йодониевые илиды в фотохимической реакции гетероциклизации [Электронный ресурс] // Материалы Международного молодежного научного форума «ЛОМОНОСОВ-2010», 12-15 апреля 2010 г. - Москва, 2010. - 1 электрон, опт. диск (CD-ROM).

6. Таранова М. А., Матвеева Е. Д., Подругина Т. А., Зефиров Н. С. Диэтоксифосфорилзамещенный смешанный фосфониево-йодониевый илид в фотохимической реакции гетероциклизации [Электронный ресурс] // Материалы Международного молодежного научного форума «ЛОМОНОСОВ-2011», 10-15 апреля 2011 г. — Москва, 2011. — 1 электрон, опт. диск (CD-ROM).

7. Таранова М. А., Балыгина А. М., Матвеева Е. Д., Подругина Т. А., Зефиров Н. С. Синтез и реакционная способность новых смешанных фосфониево-йодониевых илидов // V Всероссийская конференция студентов и аспирантов «Химия в современном мире», 18-22 апреля2011 г.: сб. тез. докл. - Санкт-Петербург, 2011.-С. 301-302.

8. Nekipelova Т. D., Matveeva Е. D., Taranova М. A., Kuzmin V. A., Zefirov N. S. Photoinduced Addition of Acetonitrile and Acetylenes to Mixed Phosphonium-Iodonium

Ylides // XIII European Symposium on Organic Reactivity, 11-16 September 2011: Book of Abstracts. - Tartu, Estonia, 2011. - P. 75.

9. Nekipelova T. D., Matveeva E. D., Taranova M. A., Kuzmin V. A., Zefirov N.S. Light vs. proton initiation of cycloaddition reaction between phenylacetylene and mixed phosphonium-iodonium ylide // Central European Conference on Photochemistry, 5-9 February 2012: Book of Abstracts. - Bad Hofgastein, Austria, 2012.

10. Тарамова M. А., Матвеева E. Д., Подругина Т. А., Зефиров H. С. Гетарилзамещенные фосфониево-йодониевые илиды в синтезе новых гетероциклов [Электронный ресурс] // Материалы Международного молодежного научного форума «ЛОМОНОСОВ-2012», 9-13 апреля 2012 г. — Москва, 2012. — 1 электрон, опт. диск (CD-ROM).

11. Nekipelova Т. D., Taranova М. A., Matveeva Е. D., Kuzmin V. A., Zefirov N. S. Unraveling the Mechanism of Photocycloaddition of Phenylacetylene to Mixed Phosphonium-Iodonium Ylide // XIV European Symposium on Organic Reactivity, 1-6 September 2013: Book of Abstracts, SC31. - Prague, Czech Republic, 2013. - P. 58.

Подписано в печать 15.11.2013 Формат 60x84/16 Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,5 Тираж 130 Экз. Заказ № 11562 Типография ООО "Ай-клуб" (Печатный салон МДМ) 119146, г. Москва, Комсомольский пр-кт, д.28 Тел. 8-495-782-88-39

Текст научной работы диссертации и автореферата по химии, кандидата химических наук, Таранова, Марина Александровна, Москва

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М.В. Ломоносова

Химический факультет

На правах рукописи ТАРАНОВА Марина Александровна

Смешанные фосфониево-йодониевые илиды в синтезе новых

гетероциклических систем

02.00.03 - органическая химия

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата химических наук

Научный руководитель: д.х.н., доц. Е.Д. Матвеева

Москва - 2013

Оглавление

Введение..................................................................................................................................................4

1. Литературный обзор..........................................................................................................................7

1.1. Методы получения йодониевых илидов...................................................................................8

1.2. Свойства йодониевых илидов..................................................................................................14

1.2.1. Трансилидирование............................................................................................................14

1.2.2. Реакции циклоприсоединения йодониевых илидов к кратным связям.........................16

1.2.3. Реакции внедрения по связям С-Н и С-С.........................................................................29

1.2.4. Реакции кроссочетания......................................................................................................33

1.2.5. Перегруппировки йодониевых илидов.............................................................................35

1.2.6. Реакции нуклеофильного замещения................................................................................37

1.3. Смешанные фосфониево-йодониевые илиды.........................................................................41

2. Обсуждение результатов.................................................................................................................44

2.1. Синтез и установление структуры смешанных фосфониево-йодониевых илидов.............44

2.1.1. Синтез фосфониево-йодониевых илидов 1 а-о................................................................44

2.1.2. Физико-химические характеристики смешанных илидов 1 а-о.....................................49

2.2. Взаимодействие фосфониево-йодониевых илидов с ацетиленами......................................51

2.2.1. Спектрофотометрическое исследование реакции илида 1а с фенилацетиленом.........52

2.2.2. Взаимодействие трифенилфосфонийзамещенных илидов 1 а-е с ацетиленами..........56

2.2.3. Взаимодействие пиразолилзамещенных илидов 1 h,i с ацетиленами...........................61

2.2.4. Взаимодействие тиенилзамещенных илидов 1 j-m с ацетиленами...............................62

2.2.5. Взаимодействие фурилзамещенных илидов 1 п,о с ацетиленами.................................66

2.2.6. Физико-химические характеристики гетарилдифенилфурилзамещенных фосфониевых солей......................................................................................................................68

2.2.7. Физико-химические характеристики аннелированных фосфорсодержащих гетероциклов..................................................................................................................................69

3. Экспериментальная часть................................................................................................................79

3.1. Общие сведения.........................................................................................................................79

3.2. Синтез исходных соединений..................................................................................................82

3.2.1. Синтез арилдифенилфосфинов 4-9...................................................................................83

3.2.2. Синтез фосфониевых солей 10 а-о....................................................................................85

3.2.3. Синтез фосфоранов 11 а-о.................................................................................................91

3.2.4. Синтез фосфониево-йодониевых илидов 1 а-о................................................................96

3.3. Взаимодействие смешанных илидов la-e, h-o с ацетиленами............................................102

Выводы................................................................................................................................................133

Список цитируемой литературы.......................................................................................................134

Приложения.........................................................................................................................................148

Введение

Актуальность работы

Соединения поливалентного йода благодаря их уникальным свойствам широко используются в качестве реагентов в органическом синтезе. Среди этих соединений малоизученным классом являются стабилизированные смешанные фосфониево-йодониевые илиды. Синтетический дизайн илидов, объединяющих в одной молекуле атомы фосфора и йода, осуществленный в настоящей работе, позволяет расширить круг структурных типов смешанных илидов и создать новые реагенты для органического синтеза.

В последнее время показана возможность использования фосфониево-йодониевых илидов - соединений с несколькими реакционными центрами в молекуле, в фотохимических процессах образования конденсированных гетероциклических систем - ^5-фосфинолинов - аналогов хинолинов, содержащих пятивалентный атом фосфора.

Целью работы является: во-первых, создание новых стабилизированных смешанных фосфониево-йодониевых илидов как с различными углерод-, серо- и фосфорсодержащими акцепторными заместителями у илидного атома углерода, так и с гетероароматическими заместителями у атома фосфора; во-вторых, изучение синтетического применения этих реагентов для создания новых фосфорсодержащих гетероциклических систем.

Научная новизна

Установлено, что процесс образования фосфорсодержащего шестичленного кольца носит электрофильный характер. Участие гетероароматического заместителя у атома фосфора в электрофильном процессе циклизации открывает пути к новым конденсированным гетероциклическим системам Х5-фосфининопиразола, Л5-фосфининотиофена и Xs-фосфининофурана.

Проведенное систематическое исследование реакций смешанных илидов с алифатическими, ароматическими и гетероароматическими ацетиленами позволило установить зависимость направления гетероциклизации как от заместителей при илидном атоме углерода, так и от заместителей в ацетиленах. Установлены пути хемоселективного протекания этих процессов с образованием либо конденсированных гетероциклических систем, либо неизвестных ранее гетарилдифенилфурилзамещенных фосфониевых солей.

Теоретическая и практическая ценность работы

Разработан общий метод получения новых реагентов для органического синтеза. Эти реагенты представляют собой малоизученный класс стабилизированных фосфониево-йодониевых илидов с различными заместителями как у илидного атома углерода, так и у атома фосфора.

Открыты пути синтеза новых фосфорсодержащих гетероциклических систем, позволяющие исследовать фундаментальную проблему ароматичности гетероциклических соединений.

Изучены фотохимические процессы смешанных фосфониево-йодониевых илидов с различными ацетиленами. Выявлены пути хемоселективного протекания реакции в зависимости от заместителей при тройной связи ацетилена.

Апробация работы

Prague, Czech Republic, 2013 г.; на V Всероссийской конференции студентов и аспирантов «Химия в современном мире», Санкт-Петербург, 2011.

Публикации

Структура и объем работы

1. Литературный обзор

Органические соединения, содержащие поливалентный йод, являются активно используемыми и эффективными реагентами в органическом синтезе благодаря их уникальным свойствам [1, 2, 3, 4].

Среди соединений трехвалентного йода можно выделить следующие группы: (1) йодониевые соединения с двумя неуглеродными лигандами - производные йодозоаренов Аг1Х2 (X = Н1ё, ОСОСНз, ОСОСРз, ОСОСРз), (2) соединения с двумя углеродными лигандами -йодониевые соли Яг^Х" (Я = арил, алкил, алкенил и алкинил), (3) йодониевые илиды М^СЯг и (4) йодониевые имиды Аг1=ЫЯ.

Производные йодозоаренов Аг!Х2 нашли широкое применение в качестве эффективных окислителей в органическом синтезе благодаря их легкой доступности и низкой токсичности. Так, например, диацетоксийодбензол и его производные являются эффективными реагентами для окисления фенолов [5, 6], сульфидов в сульфоксиды [7], используются для синтеза бипирролов и бииндолов [8].

Йодониевые соли успешно используются в разнообразных реакциях кросс-сочетания и позволяют получать различные замещенные ароматические соединения [9, 10, 11], олефины [12, 13], широкий круг ароматических, гетероароматических и а,р-непредельных кетонов [14, 15, 16], производные урацила [17], гетероциклические и карбоциклические соединения [18]. Йодониевые соли являются удобными субстратами в реакциях нуклеофильного замещения [19, 20,21].

Использование йодониевых имидов открывает широкие возможности для получения азиридинов из алкенов [22,23,24].

Особый интерес сосредоточен на йодониевых илидах из-за многообразия путей их синтетической модификации, что определяет активное изучение их свойств и поиск методов синтеза новых производных. Они находят применение во многих областях органического синтеза: вступают в реакции нуклеофильного замещения, служат источниками карбенов, вступают в реакции циклоприсоединения, используются в синтезе природных соединений.

Частично строение и свойства йодониевых илидов описаны в обзорах 2002 и 2008 г.г., посвященных соединениям гипервалентного йода [1, 4], однако в них нет полного изложения материала по синтезу и свойствам этого класса соединений.

Настоящий обзор посвящен современным аспектам развития химии йодониевых илидов и, в основном, охватывает литературу за последние 15 лет.

Методы синтеза йодониевых илидов можно разделить на три основные группы -модифицирование йодониевых солей [25, 26, 27, 28], окисление активированной метиленовой группы с использованием соединений трехвалентного йода [29, 30] и трансилидирование галогенониевых илидов [31, 32].

Метод модифицирования йодониевых солей используется для получения in situ нестабильных йодониевых илидов. В литературе описано два типа таких илидов - алкилиден-йодониевые [27, 33] и илиды, имеющие одну электроноакцепторную группу у илидного атома углерода [25, 28]. Такие илиды относительно стабильны только при низких температурах, и в дальнейших превращениях их используют без выделения, а факт их образования постулируется на основании анализа образующихся соединений.

Алкилиденйодониевые илиды удается получить при депротонировании алкенильных йодониевых солей действием сильного основания. При наличии в реакционной смеси соединений с электрофильным центром (например, альдегидов) илид успевает выступить в роли С-нуклеофила [27]. В таких процессах происходит образование вторичного спирта, в котором сохраняется йодониевая группа (схема 1)

Схема 1. Взаимодействие нестабильного йодониевого илида с альдегидами.

1.1. Методы получения йодониевых илидов

LDA

ТГФ

IPh

R-HCO

©RP ®

4 iph

С10Н21 ОН

R = Ph, Et, lBu

В отсутствии электрофильного агента эти илиды претерпевают потерю группы Phi и образуют карбен, дальнейшее внедрение которого по С-Н связи собственного алифатического радикала приводит к циклоалкену [34]:

Схема 2. Внутримолекулярная циклизация нестабильных йодониевых илидов.

г-ВиОК

=\ф ВР4 СН2С12 Р 1РЬ

Я = АсО-(СН2)6 (68%), С1-(СН2)6 (64%), Г-ВиСО-(СН2)6 (71%)

Алкилиден-йодониевые илиды можно генерировать и из алкинильных солей присоединением к последним таких нуклеофилов как Ы-оксид пиридина или азид-аниона [33, 35] (схемы 3 и 4). Факт образования йодониевого илида в этих случаях подтверждается выделением в результате реакции продуктов протонирования илидного атома углерода -йодониевых солей (схема 3 [33]) или продукта внутримолекулярного внедрения карбена по СН-связи (схема 4 [35]).

Схема 3. Нуклеофильное присоединение И-оксид пиридина к алкинильным йодониевым солям.

Ч:

м' ¿в

РЬ—С=С—I—РЬ

(Ж

ц©

ОТв

О,

РК

ч в ©

С=С—I—РЬ

ОТэ

ТвОН

МеОН, комн. темп.

Я = Н (78%), Ме (84%), ОМе (72%), С1 (21%)

Схема 4. Нуклеофильное присоединение азид-аниона к алкинильным йодониевым солям.

еОТБ п-С6Н13С=С1РЬ

№N3

п-С6Н13,

ПЪ

комн.темп. п-СбН1з, N3

-РЫ

с-н

"внедрение

N3'

Ме

Введение в молекулу йодониевых илидов одной акцепторной группы существенным образом не влияет на их стабильность, но снижает нуклефильность илидного атома углерода. Так, например, монокарбонилзамещенные йодониевые илиды удается генерировать действием этилата лития на ацетоксизамещенные алкенильные йодониевые соли. В присутствии альдегидов такие илиды не вступают в реакции нуклеофильного присоединения по карбонильной группе, а претерпевают отщепление йодбензола, превращаясь в карбены. Дальнейшее присоединение карбена к С=0 двойной связи альдегидов приводит к образованию оксиранового цикла [25,28,36]:

Схема 5. Образование оксиранов из монокарбонилзамещенных йодониевых илидов.

X ЕЮЫ

АсО

Л©

1РЬ

-их

Ме У=

ЕЮ-

-О

\© 1РЬ

\ 0

-АсОЕг / \®

О 1РИ

Я'

,Л

К = Ме, Я-С8Н17, /-Ви, РЬ(СН2)3, ОВп X = Вг, ВР4

Я' = РЬ,р-МеС6Н4 о-МеС6Н4 ¿?-ВгС6Н4 р-С1С6Н4 р-РС6Н4 р-М02С6Н4 С2Н5, и-С9Н19, Ме2СНСН2, Ме2СН, МеСН=СН'

Я О.

51-92%

Введение в молекулу йодониевого илида второй акцепторной группировки приводит к существенному увеличению его стабильности, и именно такой класс стабилизированных йодониевых илидов является наиболее изученным. Для синтеза стабилизированных илидов используется два из перечисленных выше подходов - окисление активированной метиленовой группы соединениями трехвалентного йода и трансилидирование галогенониевых илидов.

Наиболее универсальным методом синтеза стабилизированных йодониевых илидов с момента их открытия О.Нейландом в 1957 г. [37] является окисление активированной метиленовой группы соединениями трехвалентного йода.

Субстратами для данного окисления являются 1,3-дикарбонильные соединения и их производные [29, 30, 38, 39], сульфоны [40], фенолы и хиноны [41], нитросоединения [42], а также некоторые пиримидоны [43].

Схема 6. Получение стабилизированных йодониевых илидов.

\ СН2С12 \ + СН2 + РЫ(ОАс)2 -- у— I

И' Я' РЬ

Я, Я' = С(0)Я1, СОСЖ2, СН 802Я3

о о

N ^ Ка2С03,Н20 Аг1^

ii ' агкл2 ---и

. N комн. темп. ||

Ме'^!^ Ме Ме^Т* Ме

Аг = РЬ, 4-ВгС6Н4 3-МеООСС6Н4

В качестве окислителей используют йодозобензол и его производные: РЫНа12 РЫ(ОАс)2; РЫ(СРзСОО)2. Наиболее широко из вьппе перечисленных реагентов окисления применяются фенилйодозодиацетат и фенилйодозоди(трифторацетат) в присутствии КОН, поскольку сам РЫ=0 плохо растворим в большинстве используемых растворителей, а в случае РЫНа12 может происходить частичное или полное замещение РЫ группы образующегося илида на галоген. Оба этих фактора существенно влияют на выход йодониевых илидов [43]. Введение в ароматическое кольцо йодозобензола заместителей различной природы позволяет существенным образом влиять на растворимость получаемых илидов [30, 39].

Помимо используемого окислителя на выходы целевых йодониевых илидов влияет характер заместителей в субстрате. Наилучшие результаты показывают малоновые эфиры с объемными заместителями в сложноэфирных группах [29], 1,3-дикетоны с ароматическими заместителями [38], а также циклические дикарбонильные соединения (димедон и др.) [30].

Схема 7. Синтез йодониевых илидов на основе 1,3-дикарбонильных соединений.

О О

и и

я/Лг Кз

° ° РЫ(ОАс), КОН

И/ ^ к2

1РЬ

Таблица 1. Выходы йодониевых илидов на основе эфиров малоновой кислоты.

Выход илида Литературный источник

ОМе ОМе 25 [29]

Ме ОМе 76 [29]

1-ВиО 1-ВиО 75 [29]

ЕЮ 1;-ВиО 73 [29]

РЬ РЬ 100 [38]

Ме--^ Ме 70 [30]

Немаловажную роль в синтезе йодониевых илидов играет растворитель. Так, например, фенилйодониевый илид диизопропилмалоната, который не удается получить в метаноле или ацетонитриле, в хлористом метилене получается с выходом 76% [29].

Вторым