SO3-опосредованное нитрозирование олефинов в синтезе карбонильных соединений тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.03 ВАК РФ

ЮСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. М.В. ЛОМОНОСОВА

____ХИМИЧЕСКИИ ФАКУЛЬТЕТ

ргв

Ой

.т.'-,

, л ^ г С

На правах рукописи УДК 541.571.3+547.057:547.26'122:547.451.5

НЕСТЕРОВ ЕВГЕНИЙ ЕВГЕНЬЕВИЧ

БОз-ОПОСРЕДОВАННОЕ НИТРОЗИРОВАНИЕ ОЛЕФИНОВ В СИНТЕЗЕ КАРБОНИЛЬНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

(02.00.03 - органическая химия)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

Москва - 1996

Работа выполнена на кафедре органической химии химического факультет Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова

Научные руководители: академик РАН, профессор Н.С. Зефиров доктор химических наук, профессор Н.В. Зык

Официальные оппоненты:

доктор химических наук, профессор Л.И. Беленький

доктор химических наук, профессор А.В. Анисимов

Ведущая организация: ИНЭОС РАН

Защита состоится « «¿г» 1996 года в 11 час

на заседании специализированного Ученого Совета Д 053.05.46 по химическим паукам при Московском государственном университете им. М.В. Ломоносова по адресу: 119899, ГСП, Москва, В-234, Воробьевы горы, МГУ, химический факультет, аудитория,

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке химического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова

Автореферат разослан «

мая 1996 года

Ученый секретарь диссертационного Совета,

кандидат химических наук ^ Т.В. Магдесиева

Актуальность проблемы. Реакции электрофильного присоединения к «насыщенным соединениям имеют важное значение в органической химии. 1еослабевающий интерес к ним объясняется как возможностью расширить еоретические представления о самих процессах, так и широким применением тих реакций для решения многочисленных синтетических проблем. Это, прежде сего, разнообразные методы 1,2-дифункционализации олефинов, а также озможности скелетной изомеризации, гидридных сдвигов, сопряженного рисоединения и постадийного присоединения - элиминирования. Однако круг еагентов для электрофильного присоединения довольно ограничен. Вот почему дням из важных направлений современного органического синтеза является оиск и изучение новых электрофильных реагентов, либо путей активации уже звестных соединений, проявляющих слабые электрофильные свойства. На афедре органической химии химического факультета МГУ под руководством кадемика Н.С. Зефирова был предложен ряд новых электрофильных реагентов а основе триоксида серы, которые существенно расширили диапазон интетических возможностей химика-синтетика и углубили теоретические редставления о реакции электрофильного присоединения. В этом аспекте есьма актуальным представляется продолжение работ в данном направлении и аспространение метода вОз-активации на другие субстраты.

Цель работы. Целью работы было изучение найденной нами новой реакции гсектрофильного присоединения этилового эфира азотистой кислоты в рисутствии серного ангидрида к двойным связям олефинов и диенов. При этом панировалось исследовать как регио- и стереохимические закономерности рисоединения, так и синтетические возможности изучаемой реакции.

Научная новизна. Впервые показано, что в результате взаимодействия типового эфира азотистой кислоты с серным ангидридом образуется высоко гакционноспособный реагент нитрозирующего типа - этилсульфат нитрозония. [зучены реакции электрофильного присоединения этого реагента к ряду моно-, я- и полициклических олефинов и диенов, приводящие к образованию этокси-иьфокетонов. Впервые обнаружено протекание скелетных изомеризаций типа грегруппировки Вагнера-Меервейна и / или гомоаллильного участия второй зойной связи субстрата в процессе электрофильного нитрозирования. На основе цательного анализа состава продуктов и строгого доказательства структуры 5разующихся соединений выявлены факторы, определяющие стереохимию

присоединения и направление трансформаций углеродного скелета; обнаруже доводы в пользу участия нитрозогруппы в стабилизации соседн карбкатионного центра. На основании экспериментальных данных предлож( схема образования карбонильной группы в изученной реакции. Исследов; взаимодействие этнлсульфата нитрозония с терминальными олефинами диенами, открывающее доступ к замещенным альдегидам. Впервые показано, 1 этилсульфат нитрозония может быть успешно использован для синт ароматических нитрозосоединений, в реакциях диазотирования ароматичеы аминов и синтеза р-дикарбонильных соединений из алифатических кетонов.

Практическая значимость. Разработан препаративный одностадийный ме-трансформации олефинов в этоксисульфозамещенные кетоны и альдегид Данный метод может быть с успехом использован как в промышлени практике, так и для нужд тонкого органического синтеза. Некоторые синтезированных продуктов могут найти применение в качестве исходи веществ в синтезе природных и биологически активных соединений.

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 3 стат и 3 тезисов докладов на международной и всероссийских конференциях.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на конференц молодых ученых кафедры органической химии химического факультета М (Москва, 1994), на 1-ой Международной конференции молодых учен "Органический синтез: история развития и современные тенденции" (Саш Петербург, 1994), на 7-ой Научно-практической конференции стран С] "Перспективы развития химии и практического применения каркасн соединений" (Волгоград, 1995).

Объем и структура диссертационной работы. Диссертационная раб< изложена на страницах машинописного текста и состоит из введен]

литературного обзора, обсуждения результатов, экспериментальной части выводов.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Мы нашли, что этилнитрит реагирует с эквимолярным количеством сернс ангидрида при температуре от -30°С до -55°С в среде хлористого метилена образованием высоко реакционноспособного электрофильного реагента 1:

EtONO + S03

+

BOSO2O' +NO 1

EtO-NO I .

SO3'

Реагент 1 неустойчив при комнатной температуре, и потому используется в реакции с олефинами in situ. Строение его как этилсульфата нитрозония было подтверждено методом низкотемпературного ЯМР 15N\ Отметим, что хотя некоторые соли нитрозония NO+Y" хорошо известны, этилсульфат нитрозония не был ранее описан в литературе. Мы изучили реакции этого реагента прежде всего с олефинами, и обнаружили, что наряду с характерными для других нитрозирующих реагентов свойствами этилсульфат нитрозония проявляет целый ряд уникальных свойств.

1. Реакции этилсульфата нитрозония с циклическими олефинами.

1.1. Реакции с моноциклическими олефинами.

Моноциклические олефины представляют собой весьма удобные модельные :оединения для изучения различных аспектов электрофильного присоединения.

Реакция этилсульфата нитрозония с циклогексеном протекает гладко при температуре -50...-55°С и приводит к образованию этилсульфата 2-жсициклогексанона почти с количественным выходом:

Подчеркнем очень важный факт. Хотя этилсульфат нитрозония - реагент [вно нитрозирующего действия, выделенный продукт реакции не содержит штрозогруппу (или оксимную группировку - продукт дальнейшей изомеризации [итрозогруппы). Вместо нее строго доказано присутствие карбонильной зункции. На первый взгляд напрашивается вывод об образовании карбонила при идролизе оксима. Однако мы предприняли специальные меры по исключению озможности попадания воды в реакционную смесь: весь процесс проводился в

Мы благодарим к.х.н. А.А. Борисенко за помощь в осуществлении этого эксперимента.

2

3, 94%

атмосфере сухого аргона, а все применяемые для реакции растворители и реагенты были тщательно проабсолютированы. В то же время образование кетосульфата 3 фиксировалось методом ТСХ уже в первый момент реакции. Следовательно, нельзя рассматривать гидролиз как основную причину трансформации оксим -> кетон. Возможный путь такого превращения удалось выявить после обнаружения экспериментального факта, что наибольший выход конечного продукта 3 достигается при проведении реакции в условиях двукратного по отношению к взятому олефину избытка этилсульфата нитрозония. При проведении же реакции при соотношении олефин-реагент 1:1 выход конечного продукта был невелик и никогда не превышал 50 %. Это позволило нам выдвинуть гипотезу об образовании карбонильной функции при повторном нитрозировапии оксима вторым молем реагента по схеме:

Мы провели специальное исследование по проверке этой гипотезы, результаты которого изложены в части 2 этого раздела.

С целью определения универсальной общности предложенного метода функционализации мы исследовали поведение в изучаемой реакции близких аналогов циклогексена - циклопентена и циклооктена. Циклопентен легко реагирует в сходных условиях и образует этилсульфат 2-оксициклопентанона 5:

Аналогично предыдущим случаям, реакция циклооктена с этилсульфатом нитрозония также приводит к образованию единственного продукта -этилсульфата 2-оксициклооктанона 7:

03020Е1

4

5, 62%

6

7, 58%

Интересно отметить, что в результате реакции мы получили только продукты 1,2-присоедннения, и отсутствуют продукты присоединения с гидридным сдвигом. Подобная однозначность протекания реакции с циклоалкенами является довольно полезным синтетическим свойством данного метода. 1.2. Реакции с олефинами ряда бнцнкло[2.2.1]геитана.

Олефины ряда бицикло[2.2.1]гептана (норборнана) являются классическими модельными субстратами для изучения тонких закономерностей процесса электрофильного присоединения. Известное и широко используемое свойство норборнена 8 и его производных - образование в реакциях электрофильного присоединения продуктов скелетных перегруппировок. В то же время описанные в литературе реакции нитрозилхлорида NOCI, нитрозоформиата ONOCOH и других известных нитрозирующих реагентов с этими олефинами протекают как э/сзо-/(;/с-присоединение без скелетной перегруппировки. Более того, случаи перегруппировок Вагнера-Меервейна при нитрозировании встречаются крайне редко и наблюдались только для нескольких специфических структур, чрезвычайно склонных к трансформациям углеродного скелета.

Реакция норборнена с этилсульфатом нитрозония проводит к неперегруппированному кетосульфату 9 с эюо-конфигурацией заместителя:

Реакция этипсульфата нитрозония с бензонорборнадиеном 10 приводит уже к смеси перегруппированного 12 и неперегруппированного 11 кетосульфатов в соотношении 2:3:

О

8

9, 56%

Q

О

10

11, 38%

12. 23%

OZ = 0S020Et

В случае же 3,6-днметоксибензонорборнадиена 13 образуется только перегруппированный кетосульфат 14:

Мер

Мер ?

СН2С12, -55 ос

1

.ОЭОгСЖ

МеО

МеО

13

14, 64%

Несмотря на то, что о механизме нитрозирования олефинов существуют разные и даже противоречивые мнения, нет сомнения в том, что реакция начинается с первоначальной электрофильной атаки нитрозоний-катиона, за которой следует атака противопона с образованием 1,2-адцукта, либо участие С-С-связн, приводящее к продуктам скелетной изомеризации. Можно рассматривать также участие в реакции в качестве интермедиата неклассического катиона. Это особенно привлекательно в случае гомобензильного или гомоаллильного содействия. Во всяком случае, ясно, что доля продуктов перегруппировки будет тем больше, чем более стабильным будет промежуточный катион. В нашем случае происходит увеличение стабильности промежуточного катиона в ряду олефинов: норборнен - бензонорборнадиен - 3,6-диметоксибензонорборнадиен. Это приводит к увеличению доли продуктов перегруппировки от 0 до 100 %.

Еще раз остановимся на факте протекания скелетных перегруппировок. Способность этилсульфата нитрозония вызывать перегруппировки углеродного скелета в норборнановых системах - явление уникальное для нитрозирования. Ни один другой известный нитрозирующий реагент таких трансформаций не вызывает. Мы не можем сейчас дать ответ, чем это вызвано, хотя бы на качественном уровне. Ясно, что дело здесь не только в "силе" элекгрофила, поскольку, например, подобные перегруппировки не описаны для борфторида нитрозония ИО+ВЕ)' - явно не менее сильного электрофила. Ответы на эти и другие вопросы могут быть даны после тщательнейшей творческой переработки разрозненных и многочисленных данных по трансформациям углеродного скелета и факторов, от которых зависит способность того или иного электрофильного реагента вызывать подобные трансформации.

1.3. Реакция с норборнадиеном и квадрицикланом.

Норборнадиен и квадрициклан очень близки между собой и являются, по сути, синтетическими эквивалентами одного и того же синтона. Хорошо известно, что при проведении реакции в сходных условиях продукты электрофильного присоединения к норборнадиену и электрофнльного раскрытия трехчленного цикла квадрициклана оказываются одинаковыми. Однако реакция этилсульфата нитрозония с этими субстратами приводит к различному набору продуктов.

В результате взаимодействия 1 с норборнадиеном 15 образуется единственный продукт - нортрициклановый кетосульфат 16:

1

СН2С12, -55 ОС

еюэогс)

15 16, 37%

В случае квадрициклана мы получили смесь продуктов, содержащую, помимо кетосульфата 16, изомерный ему кетосульфат 18 и ненасыщенный кетосульфат 19 - продукт перегруппировки Вагнера-Меервейна:

1

СНгС|2, -55 °С

еюбо2о

17

16

• А

ЕЮБОгО

о

18

16 + 18. 32% 16 : 18 = 1 : 1

,0302ОЕ1

19, 5%

Очевидно, что получение различного набора продуктов в двух изученных реакциях связано с различными механизмами их протекания. Образование в случае квадрциклана двух изомерных кетосульфатов 16 и 18 указывает на обычное для данного субстрата направление протекания реакции. По-видимому, первоначальная атака нитрозоний катиона происходит по вершине

цнклопропанового фрагмента. В дальнейшем образовавшийся карбкатионный центр может быть атакован из тесной ионной пары с эндо-стороны, либо из сольватно-разделенной ионной пары с экзо-стороны.

Несколько неожиданным представляется образование продукта скелетной перегруппировки Вагнера-Меервейна 19. Он не является типичным продуктом для реакций квадрициклана. По-видимому, причина его возникновения, помимо достаточно высокой эффективной электрофильности реагента 1, связана с невысокой нуклеофильностыо среды и этилсульфат-аниона, что позволяет образующемуся на первой стадии реакции карбкатиону прожить достаточно долго, чтобы успеть перегруппироваться.

В то время как реакция 1 с квадрицикланом характеризуется отсутствием стсреоспсцифичности конечной атаки сульфат-аниона, образование только одного продукта в реакции с норборнадиеном выглядит несколько удивительным. С целью объяснения подобного результата можно предположить атаку нитрозоний-катиона с эпдо-стороны. Такая атака не очень выгодна по стерическим причинам, однако вполне вероятно, что проигрыш в энергии может компенсироваться за счет выигрыша, полученного при взаимодействии нитрозоний-катиона одновременно с двумя двойными связями. В дальнейшем образуется циклический интермедиат 20, нуклеофилъное раскрытие которого сульфат-анионом возможно только с э/сзо-стороны:

При изучении этой реакции мы впервые столкнулись с фактом участия атома кислорода нитрозогруппы в стабилизации карбкатиона. Вначале это выглядело для нас совершенно невероятным (в литературе нет ни одного примера подобного явления, хотя, с другой стороны, описан ряд синтезов N-0-

содержащих гетероциклов при нитрозировании сопряженных диенов), однако при изучении следующей реакции мы неожиданно получили подтверждение этой гипотезы.

1.4. Реакция с бензобицикло[3.2.1]окта-2,6-диеном.

Бензобицикло[3.2.1]окта-2,6-диен 21 - интересное соединение для изучения электрофильного присоединения. Он является изомером дигидробензобаррелена и поэтому в реакциях с эффективно сильными электрофилами дает продукты скелетной изомеризации в бензобаррелановые производные. Для нас этот олефин представлял интерес прежде всего с точки зрения изучения способности реагента 1 вызывать скелетные перегруппировки.

В результате реакции с этилсульфатом нитрозония мы получили два изомерных кетосульфата в соотношении примерно 1:1 с углеродным скелетом бензобарреланового типа:

/Г^

1

СН2С|2, -55 ОС

!p0S020Et BOSO2O

ryfv> + г4

21 22. 27% 23,21%

Отметим, что и в этом случае этилсульфат нитрозония оказался способным вызывать скелетную перегруппировку субстрата. Однако самым интересным для нас оказалось даже не это, а то, что в результате реакции образуются два стереоизомерных соединения. Известно, что в реакциях олефина 21 с сильными электрофильными реагентами (в реакциях хлорирования, бромирования, хлорсульфаминирования и т.п.) наблюдается образование только одного продукта, например:

/Л

к

0S02NEt2

а

CI0S02NEt2

21 24

Следовательно, в нашем случае реализуется особенный путь реакции. Мы полагаем, что он выглядит следующим образом (схема 1). В результате первоначальной атаки ЬЮ+-катиона образуется достаточно устойчивый за счет гомобензильной стабилизации промежуточный катион 25. Нуклеофильная атака

Схема 1

n0

+

Ь

■О

21

25

27

а "ОЭОгОЕ!

ОЭОгСе

-ОЭОгОЕ! ^N0

рпчп-п

■ыо

26

28

22

23

противоиона на карбкатионный центр происходит с "тыла" уходящей о-С-С-связи и приводит к нитрозосульфату 26 - предшественнику кетона 22. Для образования продукта 23 с эндо-расположением этилсульфатной группы из катиона 25 необходима атака нуклеофила с "фронта" разрывающейся а-свлзи, вероятность которой крайне невелика. Мы считаем, что в качестве альтернативного направления возможна внутримолекулярная нуклеофильная атака атомом кислорода нитрозогруппы, несущим неподеленные электронные пары, Это приводит к образованию циклического интермедиата 27. Именно из него и образуется нитрозосульфат 28 - предшественник эндо-супьфатокетона 23.

С гипотезой об участии нитрозогруппы в стабилизации карбкатионного центра хорошо согласуются вышеупомянутые данные по реакциям олефина 21 с другими электрофильными реагентами. Образование в этих случаях только одного продукта типа 24 объясняется невозможностью стабилизации с участием циклического интермедиата, аналогичного 27, и потому реализуется только нуклеофильная атака по пути а (см. схему 1).

При описании реакции норборнадиена с этилсульфатом нитрозония нам уже приходилось постулировать стабилизацию промежуточного карбкатиона

нитрозогруппой (ср. с интермедиатом 20). В данной реакции мы также столкнулись с такой необходимостью. Мы полагаем, что данное явление носит достаточно общий характер и может быть обнаружено и при исследовании реакций других бициклических субстратов. В любом случае, для окончательного подтверждения такой гипотезы требуется дальнейшее изучение с целью получения дополнительного фактического материала.

1.5. Реакция с диметиловым эфиром трицикло[4.2.2.02>5]дека-3,7-диен-9,10-цис-зяйо-дикарбоновой кислоты.

До сих пор мы рассматривали реакции, результаты которых довольно однозначно согласовывались с общей концепцией о высокой способности этилсульфата ннтрозония вызывать скелетные перегруппировки в реакциях электрофильного присоединения (или, иначе говоря, о достаточно высокой эффективной электрофильности реагента 1). Однако в процессе изучения реакций этого реагента мы столкнулись с некоторыми фактами, которые не совсем вписываются в рамки этой схемы. Таким примером является реакция этилсульфата нитрозония с диметиловым эфиром трицикло[4.2.2.02>51дека-3,7-диен-9,10-1(кс-знс)о-дикарбоновой кислоты 29. Известной особенностью этого олефина является его способность давать продукты сопряженного кросс-присоединения в реакциях с сильными электрофилами. С другой стороны, известно много примеров, когда процесс реализуется только как 1,2-присоединение по более активной циклобутеновой двойной связи. Обычно так обстоит дело в случае слабых электрофильных реагентов, таких, как сульфенхлориды в неполярных растворителях.

В результате взаимодействия олефина 29 с этилсульфатом нитрозония был выделен единственный продукт - кетосульфат 30.

ЕЮБОгО

СООМе СООМе

СН2С12. -55°С

СООМе СООМе

29

30. 76%

Таким образом, в данной реакции образовался только продукт 1,2-присоединения. Такое направление, как уже указывалось, характерно для слабых (точнее, для эффективно слабых) электрофилов. С другой стороны, это определение противоречит всем предыдущим результатам, убедительно свидетельствующим, что этилсульфат нитрозония является достаточно сильным электрофилом, чтобы вызвать, например, перегруппировку Вагнера-Меервейна и гомоаллильное участие второй двойной связи (в случае норборнадиена). 1.6. Реакция с пентеном-2

Все предыдущие разделы охватывают реакции этилсульфата нитрозония с циклоолефинами. Однако это вовсе не означает, что возможности этого реагента ограничены только такими субстратами. С целью продемонстрировать это мы изучили реакцию этилсульфата нитрозония с пентеном-2 - представителем класса ациклических соединений. Реакция протекает довольно легко и с выходом 45 % дает смесь двух изомерных кетосульфатов 32 и 33:

СН3СН2СН=СНСН3 ---- СН3СН2СН—С—СН3 +

СНгС12, -55 ос |||

Et0S020 О

31 32

+ СН3СН2С-СН-СН3 32 + 33.45%

О 0S020Et 32 : 33 = 2 : 1

33

Кстосульфат 32 является продуктом присоединения по правилу Марковни-кова, а кетосульфат 33 - против правила Марковникова. Соотношение марковни-ковского и антимарковниковского изомеров составляет 2:1.

Таким образом, взаимодействие этилсульфата нитрозония с ациклическими олефинами ничем не отличается err взаимодействия его с циклоолефинами. Следовательно, можно считать, что реакция реагента 1 с олефинами, приводящая к образованию этоксисульфокетонов, носит достаточно общий характер.

2. Реакции этилсульфата нитрозония. приводящие к образованию нитрозосульфатов.

В части 1 предыдущего раздела мы уже обсудили такую особенность изучаемой реакции, как образование в качестве продукта с циклоолефинами кетонов, а не нитрозосоединений. Из анализа условий проведения реакции мы

предполагаем, что кетонная группа образуется при нитрозировании оксима вторым молем этилсульфата нитрозония.

Следовательно, при условии, что наша гипотеза верна, на первой стадии реакции должны образовываться нитрозосоединения, которые можно было попытаться выделить. Ясно, что для этого нужно проводить реакцию в условиях, исключающих повторное нитрозирование уже образовавшегося нитрозосоединения (или оксима). Самый простой путь реализации таких условий - это проведение реакции в значительном по отношению к реагенту избытке олефина. В реакции этилсульфата нитрозония с 10-кратным избытком циклогексена 2 и норборнена 9 нам удалось выделить и охарактеризовать

малоустойчивые нитрозосульфаты 34 и 35, кристаллизующиеся в виде димеров:

?_\

от)

'ОБОгСе ¡2 34,13%

¿Ь

избыток

9 35, 71%

Таким образом, результаты этих двух реакций подтверждают двух стадийный характер образования кетонов. Рассмотрим теперь возможный механизм превращения оксим -> кетон. Анализ литературных данных показывает, что образование карбонильных соединений при нитрозировании оксимов в неводных средах вполне возможно (хотя и не всегда с удовлетворительными выходами). В то же время этилсульфат нитрозония уникален тем, что образует исключительно карбонильные соединения и с высоким выходом. Для подтверждения этого вывода мы изучили нитрозирование оксима адамантанона 36 реагентом 1. В результате реакции мы с количественным выходом выделили адамантанон 37:

?

'ОЭОгОЕ!

£Г

1

СН2С12. -55 ОС

36 ' 37, 100%

Следовательно, можно считать вполне достоверным предположение об образовании кетогруппы при взаимодействии циклических олефинов с реагентом 1 за счет двух последовательных актов нитрозирования. На основании наших исследований и литературных данных мы предлагаем следующую схему этого процесса:

■Н

н

-N=0 -03020Е1 38

г=Ы-ОН ОЭОгОЕ!

39

-Н

\

1=0

\

Т—Ы—N=0

-03020Е1 - N20

О 1+

-ОвОгОЕ!

-ОБОгОЕ!

41 40

Первоначально образующееся нитрозосоединение 38 превращается в оксим 39, повторное нитрозирование которого приводит к конечному кетону, возможно, через нитрозооксим 40 »1 нитрозооксазиридин 41.

Кратко оценивая результаты данной части исследования, необходимо выделить, на наш взгляд, очень важную особенность взаимодействия этилсульфата нитрозония с циклическими олефинами: в зависимости от условий проведения процесса можно получать как продукты обычного нитрозирования -нитрозосоединения, так и продукты более глубоких превращений - кетоны. Помимо теоретического интереса это может иметь и практическое значение в органическом синтезе.

3. Реакции с терминальными олефинами и диенами.

Предыдущие разделы были посвящены реакциям этилсульфата ннтрозония с олефинами с дизамещенной двойной связью Я-СН=СН-11', приводящим к образованию кетонов. По аналогии с ними реакции с терминальными олефинами должны приводить к образованию альдегидов. Нам было интересно изучить возможность такого превращения, поскольку прямой синтез альдегидов (и, особенно, а-замещенных альдегидов) - довольно непростая задача. 3.1. Реакции с терминальными олефинами.

Простейший представитель ряда олефинов - этилен - особенно интересен с точки зрения его широкого промышленного использования. При пропускании газообразного этилена в раствор этилсульфата нитрозония с выходом 40 % образуется этилсульфат гликолевого альдегида 43:

1

сн2=сн2 -- еюзо2осн2сно

СНгС12, -55 ОС 42 43, 40%

Отметим, что невысокий выход данной реакции связан с тем, что она проводится в гетерогенных условиях. Если же аналогичная реакция проводится в гомогенных условиях (см. ниже), то выход конечных альдегидов оказывается более высоким.

Гексен-1, гептен-1 и октен-1 реагируют аналогично и образуют (с довольно высоким выходом) альдегиды 47-49:

1

Р!-СН=СН2 -- я-сн-сно

СНгС.,-550С ¿50г0а

р = с4н9 44 47, 70%

с5н11 45 48,75%

с6н,2 46 49-70%

Довольно высокие выходы альдегидов свидетельствуют в пользу хорошей региоселективности начальной атаки электрофила (присоединение протекает по правилу Марковникова).

Таким образом, можно считать, что возможности этилсульфата нитрозония в синтезе алифатических а-замещенных альдегидов достаточно большие. Если же учесть, что этилсульфатная группа обладает хорошими нуклеофутными

свойствами, то посредством этой реакции открывается доступ к а-оксиальдегидам н а-оксикислотам, а также к а,р-непредельным альдегидам и кислотам. Однако эти возможные трансформации не являются предметом изучения данной работы и требуют специального исследования. 3.2. Реакция с изопреном.

Реакции с сопряженными 1,3-диенами - производными бутадиена -представляют особый интерес, поскольку для них возможна реализация 1,4-присоединения. Кроме того, фрагменты с аналогичным углеродным скелетом входят в состав большого числа различных природных веществ, что позволяет использовать их в качестве "строительного материала" для синтеза этих соединений. Одним из самых интересных в этом плане является изопрен 50. Мы изучили реакцию этилсульфата нитрозония с изопреном. При проведении этой реакции в условиях, аналогичных условиям для реакции с терминальными олефинами 44-46, образуется смесь двух изомерных непредельных у-оксиальдегидов 51 и 52:

1)1 НОСН2ч ^СНО НОСН2ч СН3 1н3 2>Нг° + Н^СНО

50 51 52

51 + 52,42%; 51:52 = 6:1 Оба соединения являются продуктами 1,4-присоединения этилсульфата нитрозония. Образование вместо сульфатов соответствующих спиртов происходит, по-видимому, вследствие легкости гидролиза этилсульфатной группы, находящейся в аллильном положении к двойной связи.

Дальнейшее изучение этой реакции показало, что стереохимическая направленность ее очень сильно зависит от условий проведения. Оказалось, что если несколько изменить эти условия, в частности, проводить реакцию при более низкой температуре, то с выходом 78% образуется только ¿'-изомер 52.

Объяснение столь удивительной чувствительности данной реакции к изменению условий не является простой задачей. Выполненный нами методом МИБО компьютерный расчет показал несколько большую устойчивость Е-изомера (разница в энергиях образования составляет примерно 2 ккал/моль). Возможно, что в зависимости от условий реакция подчиняется либо

кинетическому, либо термодинамическому контролю. Во втором случае условия более благоприятны для термодинамического контроля и способствуют образованию термодинамически более стабильного £-изомера 52. В первом же случае реакция контролируется кинетически и причину преимущественного образования менее термодинамически выгодного изомера нужно искать в строении переходного состояния.

Изучение реакции реагента 1 с изопреном дало нам очень интересную (особенно в практическом плане) возможность синтеза одностадийным методом по желанию любого из двух изомеров у-оксиальдегида 51 и 52. Оба эти соединения являются важными полупродуктами в синтезе разнообразных природных веществ. В частности, ацетат £-изомера 52 является одним из ключевых соединений в промышленном синтезе витамина А. ¿'-изомер 51 представляет особую ценность как источник аналогично замещенной цис-двойной связи в синтезе феромонов, простагландинов и т.п.

В предыдущих трех разделах мы рассматривали реакции электрофильного присоединения этилсульфата нитрозония к различным ненасыщенным субстратам. Однако имеется еще одна область возможного применения этого реагента - реакции электрофильного нитрозирования ароматических соединений. Обычно для этой цели используется водная HNO2 (например, NaN02 в растворе HCl). Круг субстратов, которые вступают в эту реакцию, ограничен, как правило, наиболее активными, а именно, эфирами фенолов и замещенными анилинами:

Это связано с малой активностью нитрозониевого катиона (известно, что активность 1ЧО+ в 1014 раз меньше, чем активность Ж)2+). Существенным недостатком известных методов нитрозирования ароматических соединений является возможность дальнейшего окисления нитрозосоединений избытком азотистой кислоты, а также часто наблюдаемое деалкилирование субстрата.

4. Реакции с ароматическими соединениями.

Мы изучили возможность нитрозирования некоторых ароматических субстратов этилсульфатом нитрозония. В качестве объектов для изучения нами были выбраны анизол, фенетол и Н.Ы-диметиланилин. В случае фенетола реакция приводит к //-нитрозофенетолу 54:

од се

6 ф N0

53 54.30%

Реакция не сопровождается деалкилированием и окислением. Неожиданны!! результат был получен при изучении нитрозирования этилсульфатом нитрозония анизола. Оказалось, что в реакции образуется смесь л-нитрозоанизола 56 и п-нитрозофенетола 57. Последний продукт является результатом переалкилирования анизола. Механизм этого процесса остается непонятным, однако весьма вероятно, что он может происходить каким-то образом за счет этнльной группы, содержащейся в этилсульфат-анионе самого этилсульфата нитрозония. Тем не менее, основным продуктом и в этом случае является л-нитрозоанизол:

ОМе ОМе С®

55

минорным продукт

Взаимодействие этилсульфата нитрозония с ИДЧ-диметиланилином протекает легко и приводит к почти количественному образованию гидросульфата п-нитрозо-М,М-диметиланилина 59. Эта соль, будучи нерастворимой в хлористом метилене, выпадает в осадок и может быть легко выделена из реакционной среды. При последующей обработке соли 59 водным раствором Иа2С0} можно выделить чистый /ыштрозо-^Ы-диметиланилин 60.

ЫМе2

"озогсе

ЫМе2

Ыа2С03

58 59, 94% 60, 100%

Подводя итоги этой части работы, отметим, что реагент 1 может быть с успехом использован для синтеза ароматических нитрозосоединений вместо традиционных нитрозирующнх реагентов. Его явное преимущество возможность избежать побочного окисления нитрозогруппы.

Важным процессом, включающим в себя на основной стадии нитрозирование, является диазотирование ароматических аминов. С целью исследования возможности применения для этой реакции этилсульфата нитрозония мы осуществили его взаимодействие с л-толуидином. Оказалось, что при соотношении реагентов 1:1 диазотирование идет гладко и приводит к образованию устойчивого этилсульфата л-толуилдиазония 62:

Ме-н^Л-ыН2 ---- Ме—<ГЛ-Н2+ "ОЭОгОЕ!

\=/ СН2С12. -45°с

61 62, 90%

Эта соль, будучи нерастворимой в хлористом метилене, выпадает в осадок. Она весьма устойчива и разлагается лишь при нагревании до 107 °С. Диазонивая соль легко растворяется в воде и не растворяется в органических растворителях, что подтверждает ее ионную природу. Она достаточно легко разлагается водой:

Ме—•03020Е1 —Нг° - Ме—<^>-ОН

62 63, 100%

Соль 62 легко вступает в реакцию азосочетания с К,Н-диметиланилином:

62 + Ме°Н' Ме-^>— N=14—

64, 100%

Благодаря своей устойчивости при хранении, диазониевая соль может быть успешно использована в лабораторной практике. Несомненно, что эта возможность требует проведения специального исследования.

Синтез 1,2-дикетонов - еще одна важная область применения реакцш нитрозирования. Обычно процесс проводится в водном растворе азотистой кислоты в присутствии сильной минеральной кислоты. Мы показали, чтс этилсульфат ннтрозония также способен реагировать с кетонами, В реакции с метилэтнлкетоном образуется днацетил:

СН3ССН2СН3 1 ,40ОС' СНзС-ССНз

о о о

65 66, 35%

Реакция проводится при двукратном избытке этилсульфата нитрозония. Механизм образования карбонильной группы здесь, по-видимому, такой же, как и в случае циклоолефинов.

ВЫВОДЫ.

1. Впервые показано, что в результате взаимодействия этилового эфира азотистой кислоты с серным ангидридом образуется высоко реакционно-способный реагент нитрозирующего типа - этилсульфат нитрозония.

2. Изучены новые реакции электрофильного присоединения этилсульфата нитрозония к ряду моно-, би- и полициклических олефинов и диенов, приводящие к этоксисульфатным производным оксикетонов. На основании экспериментальных данных предложена схема образования карбонильной группы.

3. Впервые найдено, что электрофильное присоединение этилсульфата нитрозония сопровождается изомеризациями углеродного скелета субстрата типа перегруппировки Вагнера-Меервейна и / или гомоаллильного участия второй двойной связи. На основе тщательного анализа состава продуктов и строгого доказательства структуры образующихся соединений выявлены факторы, определяющие стереохимию присоединения и направление трансформаций углеродного скелета; обнаружены доводы в пользу участия нитрозогруппы в стабилизации карбкатионного центра.

4. Исследовано взаимодействие этилсульфата нитрозония с терминальными олефинами и диенами, открывающее доступ к замещенным альдегидам.

5. Установлено, что этнлсульфат нитрозония может быть использован для нитрозирования ароматических соединении, в реакциях диазотирования и в синтезе р-дикарбонильных соединений из алифатических кетонов.

Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях:

1. Н.С. Зефиров, Ю.А. Лапин, Е.Е. Нестеров, Н.В. Зык Скелетные перегруппировки в реакциях электрофильного нитрозирования. Ж. Орг. Хим. 1993. Т. 29. Вып. 7. С. 1489-1490.

2. N.S. Zefirov, N.V. Zyk, Yu.A. Lapin, Е.Е. Nesterov, B.I. Ugrak Transformation of cyclooiefins into a-ethoxysulfo-substituted ketones via S03-mediated nitrosation. J. Org. C/iem. 1995. Vol. 60. No. 21. P. 6771-6775.

3. Н.В. Зык, Е.Е. Нестеров, A.H. Хлобыстов, Н.С. Зефиров Новый одностадийный метод синтеза этилсульфатов а-оксиальдегидов из терминальных олефинов. Изв. АН, Сер. хам. 1996. Вып. 5. С. 1322-1323.

4. Е.Е. Нестеров, АЛО. Гаврилова Этилсульфат нитрозония - новый нитрози-рующий реагент. Междунар. конф. молодых ученых "Органический синтез: история развития и современные тенденции". С.-Петербург, 1994. Тезисы докл., с. 113-114.

5. Н.В. Зык, Е.Е. Нестеров, Н.С. Зефиров Новый способ получения а-замещенных альдегидов. 19-ая Всероссийская конф. по химии и техпол. орг. соединений серы. Казань, 1995. Тезисы докл., с. 59.

6. Н.В. Зык, Е.Е. Нестеров, АЛО. Гаврилова, Н.С. Зефиров БОз-опосредо-ванное электрофильное нитрозирование и нитрование полициклическнх олефинов. 7-ая Научно-практ. конф. стран СНГ "Перспективы развития и практического применения каркасных соединений". Волгоград, 1995. Тезисы докл., с. 94-95.

Зак. 77 Тир. 100 Отпечатано ПП "Патент" Бережковская наб., 24, стр. 2