Соли 1,3-диоксения - новый класс гетероциклических катионов: синтез, строение, стереодинамика и реакционная способность тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.03 ВАК РФ

Г! Г и

V » 0

у 0 ик?

На правах рукописи

АРСЕНЬЕВ Вячеслав Геннадьевич

СОЛИ 1,3-ДИОКСЕНИЯ - НОВЫЙ КЛАСС ГЕТЕРОЦИКЛИЧЕСКИХ КАТИОНОВ: СИНТЕЗ, СТРОЕНИЕ, СТЕРЕОДИНАМИКА И РЕАКЦИОННАЯ СПОСОБНОСТЬ

02. 00. 03- органическая химия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

Ростов-на-Дону 1997

Работа выполнена на кафедре химии природных и высокомолекулярных соединений Ростовского государственного университета и в отделе химии гетероциклических соединений НИИ физической и органической химии Ростовского государственного университета.

Научные руководители: доктор химических наук, профессор

Олехнович Л.П. старший научный сотрудник Олехнович Е.П.

Официальные оппоненты: доктор химических наук, профессор

Уфлянд И.Е.

кандидат химических наук, доцент Каган Е.Ш.

Ведущая организация - Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова

Защита диссертации состоится " 20 " марта 1997 г. в 14.00 час. на заседании диссертационного совета Д 063.52.03 по химическим наукам при Ростовском государственном университете (344090, г. Ростов-на-Дону, пр. Стачки 194/2, НИИ физической и органической химии).

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке РГУ (ул. Пушкинская 150).

Автореферат разослан: " 18 " февраля 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета,

доктор химических наук,

профессор

И.Д. Садеков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В 1993 г. Е.П. Олехновичем с коллегами была обнаружена новая реакция 1,3-кетоенолов (ацетилацетон, бензоилацетон, дибензоилметан) с кетонами (ацетон, циклогексанон) и безводной 16%-ной хлорной кислотой, ведущая к ранее неизвестным солям 1,3-диоксения. Однако, ранее Г.Н. Дорофеенко в кислотнокатализируемой реакции 1,3-кетоенолов с кетонами получил соли пирилия. Поэтому закономерен вопрос, какие факторы строения реагентов и субстратов или/и условия проведения реакции определяют направление взаимодействия, способствуя образованию солей 1,3-диоксения.

Соли 1,3-диоксения можно отнести к сравнительно малоисследованной области гетероциклических катионов аллильного типа. Наиболее изученные представители этого класса - соли дигидрофурилия и 1,3,2-диоксаборины - показали высокую реакционную способность алкильных групп в положениях 4 (6) кольца в конденсациях с электрофильными реагентами. Многие из полученных при этом соединений проявили ценные физико-химические свойства; некоторые оказались полезными синтонами.

Очевидная аналогия строения 1,3,2-диоксаборинов и катионов 1,3-диоксения (последние формально достигаются заменой тетракоординированного атома бора в диоксаборине изолобальной углерод-центрированной группировкой) требует постановки экпериментов, чтобы выяснить, насколько похожи в действительности их строение и свойства.

Цель работы. Изучение граничных условий образования солей 1,3-диоксения, закономерностей строения и особенностей внутренней динамики их молекул, выявление реакционной способности во взаимодействиях с электрофильными и нуклеофильными реагентами, поиск производных 1,3-диоксения, являющихся высокоуниверсальными синтонами.

Научная новизна и практическая значимость. Выяснены граничные условия реакции образования солей 1,3-диоксения.

Показана предпочтительность образования солей сульфония вместо солей 1,3,2-диоксасульфуриния в аналогичной реакции 1,3-кетоенолов с сульфоксидами.

Выявлена конвертная конформация цикла 1,3-диоксения и близость строения его углеродной триады к аллильным катионам.

Обнаружена энантиотопомеризация спироуглеродного центра в катионах 1,3-диоксения, протекающая по механизму ионной диссоциации-рекомбинации.

Показано превосходство реакционной способности 4(6)-алкилзамещенных солей 1,3-диоксения над другими гетероциклическими катионами в реакциях конденсации с электрофилами.

Обнаружена динамическая 2,Е-изомерия триметинцианинов ряда 1,3-диоксения и установлено решающее влияние на соотношение изомеров противоиона СЮ4" в контактных ионных парах.

Показано, что реакции солей 1,3-диоксения с различными нуклеофилами сопровождаются раскрытием цикла и элиминированием кетонного фрагмента.

Обнаружена рециклизация в пиранилидены диоксенилиденовых азометинов, полученных из иммониевых производных 1,3-диоксения, протекающая, вероятно, через стадию генерирования кетоаллена вследствие термолиза.

Соли этоксивинилдиоксения оказались доступными, устойчивыми и наиболее универсальными синтонами в реакциях с С- и N-нуклеофилами.

Получены хиральные 1,3-диоксенилиденовые производные, потенциально перспективные как синтоны и физиологически активные вещества.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на Научной конференции, посвященной 80-ти летию Ростовского госуниверситета (Ростов-на-Дону, 1995), конференции молодых ученых НИИ ФОХ РГУ (Ростов-на-Дону, 1996), 7-ой конференции по стереохимии (Trest Castle, Czech Republic, 1995), 7 Международном Симпозиуме по хиральному дискриминированию (Jerusalem, Israel, 1995).

Публикации. По теме диссертации опубликован 1 обзор, 5 статей, в том числе одна в иностранном журнале, 3 тезисов докладов, в том числе 2 тезисов на международных конференциях.

Объем и структура диссертации. Диссертация изложена на 142 страницах машинописного текста, содержит 15 таблиц и 25 рисунков. Библиография насчитывает 116 ссылок. Диссертация состоит из введения, трех глав, выводов и списка использованной литературы. Первая глава -литературный обзор - посвящена получению и свойствам устойчивых катионов аллильного типа. Во второй главе обсуждаются полученные результаты, третья содержит описание эксперимента.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. СИНТЕЗ СОЛЕИ 1,3-ДИОКСЕНИЯ

Из двух возможных путей реакции А и Б, наиболее вероятным нам представляется путь А, так как он подразумевает активацию протонированием кетоенола, который, как известно, более основен, чем кетон.

1,3-Кетоенол. Установлено, что соли 1 образуют лишь алкил-и/или арил(стирил)-замещенные кетоенолы типа 2 с и-образной конфигурацией кето-енольного звена, где алкильный (арильный, стирильный) заместитель электронейтрален либо донор (к ним относятся 1,3-кетоенолы типа ацетилацетона, а-алкил-бегаоилацетона, 2-ацил-цикланоны и их аналоги). Действительно, лишь названные кетоенолы обладают высокой основностью, эффективно стабилизируют заряд в возникающем при протонировании катионе 1,3-диоксиаллильного типа и в цисоидной конфигурации способны образовать шестичленный цикл с кетонным фрагментом.

В соответствии с вышеизложенным не удалось получить 1 из 1,1,1,5,5,5-гексафторацетилацетона, 1,1,1 -трифторацетилацетона, 1,1-дифторацетилацетона, теноилтрифторацетона, оксалилдиацетофенона. Гигроскопичность же полученных солей 1 понижается при замене 1,3-алкильных групп в 1,3-кетоеноле на фенильные или 4-метоксистирильные.

Из 2-ацилфенолов соли 1,3-диоксения также не образуются. Возможно, известная самоконденсация 2-ацилфенолов в кислой среде в

Схема 1

я

соли 2-(2-гидроксифенил)-1-бензопирилия протекает быстрее, чем образование диоксениевого цикла; причины неудачи также можно искать и в особенностях термодинамически невыгодных промежуточных состояний изучаемой реакции с пониженной ароматичностью бензольного кольца.

Не удалось получить 4-(алк)окси-замещенные соли 1 конденсацией кетонов с ацетоуксусным эфиром, аналогичной синтезу 1,3-диоксен-4-онов 3. Очевидно, вследствие меньшей основности ацетоуксусного эфира по сравнению с 1,3-кетоенолами, образование катиона 1,3-диоксения сильно замедляется.

о'но

(Аг, АгСН=СН)А1к' А1к(Аг, СН=СНАг)

п=0,1,2 (СНЛ/^СН2)„

Я Я

о

я

Кетон. Перхлораты 1,3-диоксения 1 образуют только гомологи ацетона и циклоалканонов типа 4. Ряд кетонов (циклопентанон, метилэтилкетон, диэтилкетон и т.п.) хотя и образуют катионы по Схеме 1, но они плохо кристаллизуются и выделить их не удается. Однако, при добавлении в реакционные смеси 4-метоксибензальдегида, с высокими выходами гладко получаются хорошо кристаллизующиеся стирильные производные 5,6.

ОСН3 Н3СО

ОСНз

5 6

Соли 1 не образуются из алкиларилкетонов и бензофенона -кетонов, мало склонных к образованию циклических ацеталей. В случае ацетофенонов также, вероятно, гораздо быстрее протекают

конкурирующие реакции конденсации: самоконденсация ацетофенона до дипнона с последующим ацилированием до солей 2,4-диарил-6-метил-пирилия и, в меньшей степени, конденсация кетоенола с ацетофеноном также ведущая к солям пирилия.

Аналоги ацетона с заместителями акцепторного типа (ацетоуксусный эфир, диэтиловый эфир ацетондикарбоновой кислоты, ацетилацетон, бензоилацетон, 1,1,3-трихлорацетон) солей 1 также не образуют, так как, вероятно, легко претерпевают конкурентную кротоновую конденсацию вследствие облегчения енолизации ацетонового карбонила.

Таким образом, основное требование к кетону в обсуждаемой реакции - его низкая склонность к енолизации (как у простейших диалкилкетонов) или ее полная невозможность (как у 2-адамантанона) при одновременной низкой основности.

Кислота. Из испытанных для реакции безводных растворов НСЮ4, H2S04, HBF4, HSbCl6> CF3COOH, HCl, HBr, CF3SO3H в уксусной кислоте наиболее эффективен 16%-ный раствор хлорной кислоты в уксусной. В случае HBF4 образовался 2,2-дифтор-4-метил-6-фенил-1,3,2-диоксаборин. Получены гексахлорантимонат и трифлат (в виде стирилпроизводного) 1,3-диоксения. Таким образом, для синтеза солей 1,3-диоксения пригодны растворы в АсОН сильных протонных кислот со слабо выраженной окислительной способностью и слабополяризующимся анионом.

Дегидратирующий агент. Фосфорный ангидрид и ангидрон оказались неэффективны в рассматриваемой реакции. Напротив, с ацетилхлоридом, ангидридом и хлорангидридом пропионовой кислоты соли 1,3-диоксения образовывались так же легко, как и с АсгО. Возможно, что роль перечисленных веществ в реакции не ограничивается только связыванием образующейся воды, а дополняется ацшшрованием ОН-групп в реагентах или интермедиатах.

Оптимизация условий. Наилучшие выходы 1 наблюдались, когда в синтез вводились эквимольные количества кетоенола, кетона, кислоты и двукратное количество дегидратирующего агента. Чтобы исключить перегрев (а реакция протекает экзотермически) и для успешного выделения продукта, в реакционную смесь вводили сухой Et20. Синтез проводили при температурах от 0 до 10°С. В зависимости от соответствия строения реагентов вышеперечисленным требованиям и растворимости продуктов, выходы солей 1 лежат в пределах от 16 до 90%.

Весьма ценно, что путем данной реакции возможно получение хиральных солей с асимметрическим центром в положении 2 кольца. Эта стереогенность регистрируется в спектрах ПМР, например в случае соли la (R'=CH3, R2=t-Bu, R3+R4=(CH2)3, R5=Ph), где асимметрия окружения углеродного центра 2, вследствие больших размеров трет-бутильной

группы, особенно высока. В спектре различимы сигналы практически всех шести протонов триметиленового мостика (Рисунок 1). Разница хим. сдвигов протонов а и Ь в Г-метилене 0.32 м.д., в 2'- 0.23 м.д., в 3'- 0.20 м.д.

3.6 3.4 3.2 3.0 2.8 2.6 2.4 5, м.д.

1-1--—1—■-1-■ -'-

4.95 4.92 9.68 10.79

Рисунок 1. Фрагмент спектра ПМР 1а мультиплетных сигналов СН2-

групп триметиленового мостика (СБСЬ).

При попытке в сходной реакции 1,3-кетоенолов с гетероаналогами кетонов - сульфоксидами - получить катионы 1,3,2-диоксасульфуриния 7 (К=СН3), из ацетилацетона, диметилсульфоксида, уксусного ангидрида и 16%-ной хлорной кислоты был выделен кристаллический продукт, который по данным спектроскопии ПМР оказался смесью двух веществ; первому могла соответствовать одна из изомерных структур 7-10, второму - 11-13.

Несмотря на резкие структурные отличия изомеров 7-9 от 10, невозможно со 100%-ной уверенностью отнести сигналы в спектрах ПМР к одному из альтернативных вариантов.

Исходя из этого, были проведены детальные квантовохимические расчеты* методом РМЗ участков поверхности потенциальной энергии, прилегающих к минимально энергетическим путям перегруппировок по

к

* Расчеты выполнены к.х.н., доцентом М.Е. Клецким.

Схеме 2 (11=Н) с целью выяснения относительной стабильности всех обсуждавшихся изомеров.

II

Я-8 +

О О

я ^ я н

8

о о

я

я

+ н+

Л

13

я

+.!з-Я о о

о-н-о

я

я

я'^я

11

о о

«V»-- «V

н

* Х+ *

н в-я

I

я 10

о-н-о

я я

Схема 2

я я оХо

Я" у я н

н-0+ о

я

Л 12

Результаты проведенных расчетов для газовой фазы свидетельствуют о том, что в реакции сульфоксидов с кетоенолами наиболее вероятно образование катионов С-сульфопроизводных 10 и 11. Катионы О-сульфопроизводных 7-9 и термодинамически (нециклические изомеры), и кинетически (циклосодержащие изомеры) менее устойчивы. На ППЭ им отвечают либо стационарные точки высоких порядков, либо неглубокие локальные минимумы (Рисунок 2).

Рисунок 2. Сечепия ППЭ вдоль минимальноэнергетических путей газофазных реакций, представленных на Схеме 2.

2. СТРОЕНИЕ КАТИОНА 1,3-ДИОКСЕНИЯ

Рентгеноструктурный анализ перхлората 4,6-бис-(п-метоксистирил)-2,2-пентаметиленспиро-1,3-диоксения 14 (Рисунок 3) показал, что диоксениевый цикл имеет конформацию конверта (двугранный угол вдоль линии 0Г02 равен 40.3°), тогда как 2,2-спироаннелированный циклогексан имеет конформацию кресла.

411)

Рисунок 3. Структура катиона 4,6-бис-(4-метоксистирил)-2,2-пснтамет11ле11спиро-1,3-диоксе11ия 14.

Длины связей 0^2=1.377(5) А и С2С3=1.391(7) А практически равны в пределах ошибки эксперимента, также как С,01=1.348(5) А и С302=1.343(5) А. Значения длин связей С1С2 и С2С3 близки к расчетным значениям длин СС связей в аллильном катионе: 1.385 А (БТО-Зв) и 1.372 А [6-31 И-Юф])], что свидетельствует об их родстве.

3. СТЕРЕО ДИНАМИКА

В несимметричных катионах 1 (Я'^Я5, например, когда 113=РЬ, Я5=Ме или СН=СНС6Н40СН3-4, к'+к2=(сн2)п, п=5,6) протоны метиленовых групп спироаннелированного циклоалканового кольца химически попарно неэквивалентны, что проявляется в спектрах ПМР дополнительным расщеплением их сигналов. На Рисунке 4 изображена температурная эволюция усложнённого вицинальным спин-спиновым взаимодействием АВ-квартетного сигнала а-метиленовых протонов в

перхлорате 2,2-пентаметиленспиро-4-фенил-6-(4-метоксистирил)-1,3-диоксения 15:

2Ллв=14.0 Нг; %Г6.5 Нг 28 2 4 2 0 5-М Рисунок 4. Часть спектра ПМР 15, изображающая сигналы а-у метиленовых протонов и температурнозависпмый спектр а-метиленовых протонов (С^ГЧОг).

Спектры динамического ПМР а-метиленовых протонов проявляют отчетливую тенденцию к вырождению в обычный триплетный сигнал, что, однако, не достигается вследствие разложения изучаемых соединений при температурах выше +140г160°С.

Схема 3

о о

я2

сХ

5

я -с о о

ЯШ

оХо я"

М8)

Очевидно, что обнаруженный обменный процесс обусловлен инверсией тетраэдрической конфигурации прохирального спироуглеродного центра. Полученные путем полного компьютерного анализа формы линии параметры энантиотопомеризации наилучшим образом соотносятся с диссоциативно-рекомбинационным механизмом инверсии, показанным на Схеме 3 и аналогичным ранее изученному механизму инверсии конфигурации стереогенных борных центров в 1,3,2-оксазаборинах.

4. СВОЙСТВА СОЛЕИ 1,3-ДИОКСЕНИЯ 4.1. Реакции с электрофилами

Реакции с ароматическими альдегидами. Установлено, что в очень мягких условиях (при 20-30°С) протекает реакция с электронообогащенными ароматическими и гетероциклическими альдегидами, которая приводит к стир ил производным 16 и 17 . Выходы солей 16 и 17 лежат в пределах 40-90%.

В более жестких условиях (кипячение в нитрометане) удалось получить стирильные бис-катионы 18 реакцией с терефталевым альдегидом.

Электронные спектры поглощения соединений 16 и 17 характеризуются длинноволновым поглощением с максимумом в области 462-633 нм и высокими значениями молярного коэффициента экстинкции - 2.7-г13.7хЮ4 см."1-моль"1-л. Увеличение донорных свойств стирильного заместителя ведет к батохромному сдвигу максимума поглощения.

т.1 т.2

Аг(Нй)

При взаимодействии солей 1 с 2-гидроксибензальдегидами, с целью дальнейшего выхода к фотохромным спиропиранам, вместо ожидавшихся стирильных производных 19 были выделены 1-бензопирилиевые соли 21.

Схема 4

сно

R'v r2

1 +

он

СНС1,

о о он 19 R

r'v r2 сю;

нч +Х

о

Ph

о р

-r'r2co r

сю;

20

21

21: а, R=6-OCH3; б, R=6-Br; в, R=5,6-HC=CH-HC=CH

Реакции с формамидами. При исследовании реакций катионов 1,3-диоксения с формамидами в качестве активаторов использовались уксусный ангидрид либо РОС13.

Взаимодействием 1 и ДМФА в уксусном ангидриде соответствующее аминовинильное производное получить не удалось: был выделен смолообразный продукт неустановленного строения. Однако, в тех же условиях из N-метилформанилида и Ы,№дифенилформамида с низкими выходами (17% и 10% соответственно) были получены соответствующие соли 22. Неудачу реакции с ДМФА можно объяснить высокой основностью и низкой электрофильностыо амида.

Использование более электрофильных амидов - форманилидов -повышает выходы искомых продуктов до 20-75%. Наиболее легко, уже при температуре 30-40°С, реакция протекает в случае донорных заместителей в форманилиде (Alk, AlkO).

При взаимодействии 1 и ТЧ-(2-карбоксифенил)-формамида в тех же условиях был получен триметинцианин 25 с выходом 39%.

Схема 5

он

к'ч и2

<Л

н,с сн,

о^о

сю4"

23

"зС СМ, С) о

-нсю4

сю;

я4

N

я3

Я\ ^

А,

й-"'

Ш3

+ сю; со,н

Я я

22

Н,С СН3

сю; о о 4

25

+НСЮ4

Н3С СН3 0^0

Реакцией соли 1 с ДМФА по методу Вильсмайера-Хаака с применением Р0С13 в СН2С12 были получены N,>1-диметиламиновинильные производные 22. Нагревание раствора 22 (К.'=112=115=К6=К7=СНз, Я3=К4=Н) в иитробензоле-05 до 140°С не привело к коалесценции сигналов Ы-СН3 - групп; более того, отсутствует их заметное обменное уширение. Это свидетельствует о достаточно высоком (> 25 ккал/моль) барьере Е,2-изомеризации по С=Ы связи и о практически полном сдвиге строения в сторону иммониевой резонансной формы. Последняя, очевидно, наиболее адекватна при описании всех солей 22. В пользу локализации заряда говорит и тот факт, что из 2,2,4,6-тетраметил-1,3-диоксения с формамидами были получены лишь продукты реакции по одной из активных метальных групп, вторая же метальная группа после образования иммониевой структуры стала неактивной. Подобной дезактивации не наблюдалось при реакциях вышеназванной соли 1 с ароматическими альдегидами.

Реакции с триэтилортоформиатом. При взаимодествии перхлората 2,2,4-триметил-6-фенил-1,3-диоксения 16, уксусного ангидрида, и 16%-ной хлорной кислоты с избытком триэтилортоформиата, образуется перхлорат 2,2-диметил-4-(2-этокси)-винил-1,3-диоксения 26 ; в отсутствие кислоты получается смесь 26 и триметинцианина 27а (идентичного 25). Последний является основным продуктом, когда взаимодействие проводится в уксусной кислоте в присутствии триэтил амина.

Схема 6

Н3С СН3 сю;

о-^о

РЬ-^СНз

НС(ОЕ03

16

НС(ОЕ03

Н,С СН,

нею. з \у о о

26

сю;

Н,С СН, Н,С СН,

У У

о^о сю4 о^о

27а

(Ж

Триметинцианипы. Бьши получены триметинцианины из метил(ен)замещенных солей диоксения и триэтилортоформиата по методике, разработанной для синтеза 27а.

С помощью метода ПМР-спектроскопии и квантово-химических расчетов была изучена конфигурационная 2,Е-изомерия относительно центральной трехуглеродной метиновой цепочки триметинцианина 27а и его структурных аналогов.

сн

СН,

Обнаружено, что в растворах (СБСЬ, С605М02) стерически незатрудненные цианины 27 существуют в виде равновесной смеси трех конфигурационных 2,Е-изомеров. С помощью квантовохимических расчетов (в приближении изолированного катиона и контактной ионной пары) проведена селекция трех наиболее предпочтительных 7,Е-форм среди различных вариантов конфигурационных изомеров 27а. Выявлено существенное влияние кулоновского взаимодействия с противоионом С104' на относительную устойчивость (заселенность) изомеров катиона цианина. На основе результатов расчетов проведено отнесение сигналов в спектрах ПМР к конкретным г,Е-изомерам. В спектрах динамического ПМР цианина 27а регистрируются два обменных процесса, которые обусловлены относительно низкобарьерными (-15.5+17.2 ккал/моль)

взаимопревращениями в результате единичнои и концертной двукратной 2,Е-конверсии метановой цепочки.

Электронные спектры поглощения цианинов 27 характеризуются длинноволновым поглощением с максимумом в области 611-696 нм и исключительно высокими значениями молярного коэффициента экстинкции 1.4хЮ5 - 2.1х105 см"' моль"1-л .

Реакции с сульфоксидами. В реакции 1 с сульфоксидами получены сульфониевые соли 29. Реакция, очевидно, протекает через промежуточное образование диоксениевого производного 28, которое неустойчиво и легко гидролизуется до 29 даже следами воды. При действии на соль 29а (К=СН3) карбонатом калия в ацетоне получен 5-фенил-2,3-дигидрофуран-3-он 30.

Реакции с солями диазоиия. Взаимодействие метилзамещенных солей 1,3-диоксения 1 с тетрафторборатами катионов диазония приводит к соответствующим гидразо-производным 31, являющимся аза-аналогами иммониевых солей диоксения 22.

Схема 7

16

я^о

н3с сн3 сю; о^о я

28

я'ч я2 сю<

У

оо + Аг^вр.

РЬ^^СНз

н,0

-(н,с)2со 29: а, Я=СН3; б, Я=РЬ

сю;

сю; о'н о я

А. АсОН, Е^ Яч Я Б. Ас,О

О О

1 31: а, я'+я2={сн2)5, аг=рь; 31а,б

б, я'=я2=сн3> аг=4-вГ-с6н4

29

(я=сн3) \ к2с°3'

чснлв уснз)2СО Н 30

Все изученные взаимодействия солей 1 с электрофилами протекают в мягких условиях и демонстрируют превосходство их реакционной способности над другими устойчивыми солями гетероциклических катионов.

4.2. Реакции с нуклеофильными реагентами

Соли 1,3-диоксения 1 подвержены гидролизу. При этом регенерируются исходные кетон, 1,3-кетоенол и хлорная кислота, использовавшиеся при синтезе 1. Стирилпроизводные 16 и 17 гидролизуются несколько труднее - при смешении водного раствора триметиламина с метанольным раствором соли.

Взаимодействие 16 с фенилгидразином в АсОН привело к соли пиразолия 32. Аналогично, при взаимодействии 16 с о-фенилендиамином в АсОН образуется соль 1,5-бензодиазепиния 33 (Схема 8).

При кипячении 16 с резорцином в нитрометане была синтезирована 1-бензопирилиевая соль 34.

Таким образом, в реакциях с нуклеофилами соли 1,3-диоксения 1 проявляют высокую реакционную способность в сочетании с лабильностью 1,3-диоксенового цикла.

Схема 8

^Л С,04

н

рь^-^сн

сю,

АсОН

Н.С СН.

иА^сн,

РЬ

н

сю;

33

сю

но

РШНШ,

АсОН

Ы-Ы +

сн,

32

34

4.3. Производные солей 1,3-диоксения в реакциях конденсации и

рециклизации

При действии на соли 22 (116=Н) оснований (водного Ме3>Т, №ОН, К2С03 в ацетоне) получены 4Н-диоксенилидено-арилиминоэтаны 35.

А гтк ?Уг' п*5

я3 я4 я3 я4 н а, К1=К.2=СН3; Я3=К4=Н; Я5=Вг;

б, Я'+112=(СН2)3; Я3+К"=(СН2)2; Я5=Вг; 35а-в 36а'в в, К|=К2=СН3; К3=К4=И; Я5=СОСН3.

Соединения 35 являются первыми несолевыми производными катионов 1,3-диоксения 1, в которых сохранен диоксеновый цикл. Они перспективны для дальнейших превращений, а также интересны как потенциально физиологически активные вещества, аналоги которых - 1,3-диоксен-4-оны - широко исследуются в настоящее время.

Азометины 35 легко превращаются в исходные иммониевые соли 36 при действии различных кислот, например, водного раствора НВг.

При кипячении растворов 35а в циклогексаноне или ацетилацетоне, образуются 4Н-пиранилидено-арилиминоэтаны 39а и 396 соответственно.

Данное превращение аналогично превращению 1,3-диоксен-4-онов в сходных условиях в 4Н-пиран-4-оны (у-пироны). Реакция, вероятно, протекает через промежуточное образование кетоаллена 37 (Схема 9), генерируемого в результате термического элиминирования молекулы ацетона. Далее происходит присоединение циклогексанона или ацетилацетона по Михаэлю к кетоаллену с образованием 38, циклизация и дегидратация последнего.

Схема 9

н,с сн,

X о^о

38

39а,б

Вышеописанная рециклизация представляется весьма перспективной синтетически, поскольку вполне реальны широкие вариации строения субстратов 35 и карбанионного нуклеофила.

Реакции перхлората 2,2-диметил-4-(2-этокси)-винил-6-фенил-1,3-диоксения 26. Бьшо обнаружено, что соль 26 взаимодействует с N,>1-диметиланилином и 2-метилиндолом с образованием соответствующих (гет)арил-винильных производных диоксения 40а,б. Однако, реакция не

идет с анизолом, 1,3-диметоксибензолом, 2-нафтолом - традиционно активными в реакциях электрофильного замещения - даже при проведении ее в жестких условиях.

С С-Н - активными соединениями типа R'-CH2-R2, где R1 и/или R2 - электроноакцепторные группы CN, COR и др., а именно: малононитрилом, индандионом-1,3, барбитуровой кислотой, перхлоратом 2-метил-4,6-ди-(4-толил)-пирилия, йодидом 1-этил-хинальдиния, перхлоратом 1,3-диэтокси-5,5-диметилциклогексения - получены диоксенилиденовые производные 41.

Эти превращения аналогичны реакциям катиона этоксивинилпирилия, описанным Вицингером. Однако, следует отметить, что превращения катиона этоксивинилпирилия осуществляются при продолжительном кипячении реакционных смесей, тогда как с синтоном 26 взаимодействия легко протекают уже при температурах растворения реагентов (60-80°С).

Из этоксивинильных солей с хиральным 2-углеродным центром (получаемых в виде масла) синтезированы производные 42а,б. Соединения 42а,б являются первыми несолевыми производными катиона диоксения, в которых имеется стереогенный центр - положение 2 диоксенилиденового кольца.

Схема 10

н,с сн,

а, Аг=4-диметиламинофенил;

б, Не1=2-метил-индол-3-ил. О О сю "

Ph

сю; 40

Ar(Het)

Ar(Het)H

R'-NH-R2

26

О

<o>

R'-NH-R2: а, трет-бутиламин; б, морфолин; в, 4-аминоацетофенон; г, 2-аминобензойная кислота;

д, 2-амино-4-нитро-6-хлор-фенол;

е, 2-амшю-5-бром-пиридин;

ж, N-ацетил-М-фенил-гцдразин;

з, аминоуксусна* кислота;

и, 4-толуамид; к, 4-анисогидразид; л, карбамид

н,с СН,

2СЮ4-

а, R,=R2=CN; б, R'+R2-о н

в, R'+R2=^_n>=0 ; г, К'=4,6-ди-(4-толил)

о н

-пирилий-2-ил перхлорат, R2=H; д, R1=1 -этштхшюлииий-2-ил перхлорат, R2=H;

н,с СН3 0^0

С104"

ОАс

O-^CHjOAc ОАс °

Н3С СН3

Наибольшее разнообразие продуктов показали реакции 26 с М-Н -активными субстратами. Взаимодействием с алифатическими и (гетеро)ароматическими первичными и вторичными аминами, фенилгидразином, гидразином, глицином, амидами, гидразидами кислот и Б-глюкозамином были получены 43а-л, 44 и 45.

Схема 11

Н.С СН,РЬ

X

о о

к' а2о- "ы' -о

I

н

42 а, К'=К2=Н; б, Я|+Я2=(СН2)2

27а

2 н-1^_о

ЧН3с)2со

сю;

н 4—'

С°)

О N

46

Н,С сн,

X о о

Еще одним подходом к диоксенилиденовым производным оказались реакции триметинцианинов 27 с нуклеофилами. Так при взаимодействии 27а с морфолином произошло раскрытие одного из двух диоксеновых циклов цианина и образовался продукт 46. Очевидно, существует возможность получения в этой реакции других гетероциклов в результате рециклизации продуктов типа 46 при использовании бифункциональных нуклеофилов.

Изученные конденсации и рециклизации производных 1,3-диоксения демонстрируют высокий синтетический потенциал последних. При этом в реализованной цепочке превращений (соль 1,3-диоксения 1—»этоксивинильное производное типа 26->диоксенилиденовое производное типа 41-»новый илиденовый гетероцикл типа 39) каждое из промежуточных соединений представляет самостоятельный интерес и, несомненно, может вступать в другие реакции, способствуя трансформации вышеприведенной цепочки в широко ветвящееся дерево синтетических потенций солей 1,3-диоксения.

ВЫВОДЫ

1. Обнаружена реакция цисоидной конфигурации кетоенолов с кетонами в присутствии сильных кислот, приводящая к образованию неизвестных ранее солей 1,3-диоксения. Исследованы граничные условия протекания реакции и разработаны оптимальные способы ее проведения.

2. В синтетических экспериментах и квантовохимических расчетах по методу РМЗ оценена возможность получения солей 1,3,2-диоксасульфуриния в аналогичной реакции 1,3-кетоенолов с сульфоксидами. Установлена предпочтительность образования нециклических солей сульфония.

3. С помощью рентгеноструктурного анализа выявлена конвертная конформация цикла диоксения в перхлорате 4,6-бис-(4-метоксистирил)-2,2-пентаметиленспиро-1,3-диоксения и аналогичность его углеродной триады аллильным катионам.

4. Посредством спектроскопии динамического ПМР обнаружен процесс вырожденной энантиотопомеризации спироуглеродного центра в несимметрично замещенных катионах диоксения 1 который осуществляется по механизму ионной диссоциации-рекомбинации.

5. Взаимодействием метил(ен)замещенных солей 1,3-диоксения с (гет)арилальдегидами, формамидами, триэтилортоформиатом, диметилсульфоксидом, солями диазония получены соответствующие производные. В подобных реакциях катион 1 проявляет большую реакционную способность, чем другие устойчивые гетероциклические катионы.

6. Обнаружено, что в растворах (СБС13, Сб05Ж)2) стерически незатрудненные цианины - производные 1,3-диоксения - существуют в виде смеси трех конфигурационных 2,Е-изомеров. С помощью квантовохимических расчетов (в приближении изолированного катиона и контактной ионной пары) проведена селекция трех наиболее предпочтительных 2,Е-форм. Выявлено существенное влияние кулоновского взаимодействия с противоионом СЮ4" в контактных ионных парах на относительную устойчивость (заселенность) изомеров катиона цианина. На основе результатов расчетов проведено отнесение сигналов в спектрах ПМР к конкретным 7,Е-изомерам. В спектрах динамического ПМР цианина 27а регистрируются два обменных процесса, которые обусловлены относительно низкобарьерными взаимопревращениями изомеров в результате единичной и концертной двукратной г,Е-конверсии метановой цепочки.

7. Реакции солей 1,3-диоксения с различными нуклеофилами сопровождаются раскрытием цикла и элиминированием кетонного фрагмента. Особенно легко протекает взаимодействие с катионами, не имеющими стабилизирующих (арильных, стерильных) заместителей. При использовании амбидентных нуклеофилов типа фенилгидразина,

о-фенилендиамина, резорцина происходит рециклизация в соли пиразолия, бензодиазепиния и 1-бензопирилия соответственно.

8. Обнаружена рециклизация диоксенилиденовых азометинов, полученных из иммониевых производных 1,3-диоксения, в пиранилиденовые производные, протекающая, вероятно, через стадию термического генерирования кетоаллена.

9. Соли этоксивинилдиоксения оказались доступными, устойчивыми и наиболее универсальными синтонами в реакциях с различными С- и N-нуклеофилами.

10. Получены различные 1,3-диоксенилиденовые производные, в том числе хиральные, которые представляют интерес как синтоны и потенциальные физиологически активные вещества.

Основное содержание диссертации изложено в следующих

работах:

1. Olekhnovich Е.Р., Arseniev V.G., Kompan О.Е., Borodkin G.S., Struchkov Yu.T., Olekhnovich L.P., and Minkin V.I. 1,3-Dioxenium Cations: Synthesis, Structure and Topomerization. // J.Phys.Org.Chem.-1996.-Vol. 9.-P. 129-136.

2. Клецкий M.E., Олехнович Е.П., Арсеньев В.Г., Колпиков А.Н., Олехнович Л.П., Минкин В.И. Структурная и конфигурационная изомерия катионов О- и С-сульфопроизводных 1,3-кетоенолов. Необычный механизм топомеризации циклических сульфуранов. // Ж. Общей химии,-1996.-Т. 66,-Вып. 2-С. 293-300.

3. Олехнович Е.П., Арсеньев В.Г., Олехнович Л.П., Минкин В.И. Катионы 1,3-диоксения: синтез и свойства (обзор). // Химия гетероцикл. соединений.-1996.-№ 11/12.-С. 1445-1471.

4. Арсеньев В.Г., Олехнович Е.П., Олехнович Л.П. Реакции алкильных заместителей в солях 1,3-диоксенилия. // Научной конференция, посвященная 80-летию Ростовского госуниверситета (Тезисы докладов), Ростов-на-Дону, 26-28 апреля, 1995, с.69.

5. Kletskii М.Е., Arsen'ev V.G., Olekhnovich Е.Р., Olekhnovich L.P. Chiral discrimination in the acid catalyzed reaction of 1,3-ketoenol and dialkyl sulfoxide: Is It possible ? // The 7th Meeting on Stereochemistry (Coll. of abstracts), Trest Castle, Czech Republic, April 23-26,1995, pp. 118-119.

6. Kletskii M.E., Arsen'ev V.G., Olekhnovich E.P., Olekhnovich L.P. Theoretical Investigation of Chiral Discrimination in the Acid Catalyzed Reaction of 1,3-Keto-Enol and Dialkyl Sulfoxide. // The 7th International

Symposium on Chiral Discrimination (ISCD 7)( Book of abstracts), Jerusalem, Israel, November 12-16,1995, p. 45.

7. Олехнович Е.П., Арсеньев В.Г., Бородкин Г.С., Коробка И.В., Олехнович Л.П. Ацетали и виниловые эфиры непредельных альдегидов и кетонов в новых синтезах гетероциклических соединений. VII. Граничные условия образования солей 1,3-диоксенилия. // Ж. Орган, химии.-1996.-№ 9 (в печати).

8. Арсеньев В.Г., Олехнович Е.П., Бородкин Г.С., Метелица A.B., Олехнович Л.П. Ацетали и виниловые эфиры непредельных альдегидов и кетонов в новых синтезах гетероциклических соединений. VIII. Реакции катионов 1,3-диоксенилия с ароматическими альдегидами и формамидами. // Ж. Орган, химии. -1996.-№ 11 (в печати).

9. Арсеньев В.Г., Олехнович Е.П., Бородкин Г.С., Глебова З.И., Минкин В.И., Олехнович Л.П. Ацетали и виниловые эфиры непредельных альдегидов и кетонов в новых синтезах гетероциклических соединений. IX. Катионы этоксивинилдиоксешшия: синтез, реакции с нуклеофилами. // Ж. Орган, химии.-1996.-№ 12 (в печати).

10. Олехнович Л.П., Олехнович Е.П., Арсеньев В.Г., Метелица A.B., Бородкин Г.С., Жданов Ю.А. Ацетали и виниловые эфиры непредельных альдегидов и кетонов в новых синтезах гетероциклических соединений. X. Конфигурационная изомерия диоксенилиевых цианинов. // ЖОрХ.-1997 (представлено в печать).

Работа выполнена благодаря финансовой поддержке Российского Фонда Фундаментальных Исследований (Гранты № 94-03-09256 и 96-03-33360), Международного Научного Фонда и Правительства Российской Федерации (Грант № JCY 100), а также Международной Соросовской Программы Образования в Области Точных Наук Института Открытого Общества (персональные Гранты Соросовского Аспиранта № al399 и а96-2315).