Суперэлектрофильная активация нафтолов и родственных соединений тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.03 ВАК РФ

На правах рукописи

КОЛТУНОВ КОНСТАНТИН ЮРЬЕВИЧ

СУПЕРЭЛЕКТРОФИЛЬНАЯ АКТИВАЦИЯ НАФТОЛОВ И РОДСТВЕННЫХ СОЕДИНЕНИЙ {РЕАКЦИИ С АРЕНАМИ И АЛКАНАМИ)

(02.00 03 - органическая химия)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора химических наук

Новосибирск - 2008

о 1 ^tO/i 2GG3

003445160

Работа выполнена на кафедре органической химии Факультета естественных наук Новосибирского государственного университета

Официальные оппоненты: доктор химических наук, профессор

Голоунин Александр Васильевич

доктор химических наук, профессор Ненайденко Валентин Георгиевич

доктор химических наук, профессор Штейнгарц Виталий Давидович

Ведущая организация: Институт органической химии им НД

Зелинского РАН, г Москва

Защита состоится 17 октября 2008 года в 9~ часов на заседании диссертационного совета Д 003 049 01 при Новосибирском институте органической химии им Н Н Ворожцова СО РАН - 630090, г. Новосибирск, проспект Академика Лаврентьева, 9

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Новосибирского института органической химии им НН Ворожцова СО РАН

Автореферат разослан « д июля 2008 года

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор химических наук ТД Петрова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы и постановка задачи В последние годы интенсивно развивается новый синтетический подход, основанный на суперэлектрофильной (дикатионной) активации органических соединений Под суперэлектрофильной активацией подразумевают дополнительное протонирование или координацию с кислотой Льюиса монокатионного электрофила, в результате чего, при сохранении целостности исходной структуры, значительно возрастает его реакционная способность (Olah G Л Angew Chem Int Ed Engl 1993, 32, 767) Несмотря на обычно низкую концентрацию таких дикатионных интермедиатов в реакционной среде, их повышенная реакционная способность по отношению к слабым и сверхслабым нуклеофилам (арены, алканы, Нг и др ) нередко позволяет реализовать оригинальные и весьма эффективные синтетические решения

В общем случае, введение в небольшую молекулу каждого следующего положительного заряда осуществляется труднее, чем введение предыдущего * Как правило, это требует применения сильнейших суперкислот (HF-SbF;, CFsSOîH-SbF; и др ), что, учитывая их агрессивность, невозможность регенерации и другие недостатки, может ограничивать широкое практическое применение традиционной методологии суперэлектрофильной активации, особенно в отношении масштабирования Тем не менее, благодаря достижениям ряда научных школ, в том числе возглавляемых такими исследователями, как G A Olah, G К S Prakash, D Klumpp (США), J -С Jacquesy, J -M Coustard, J Sommer (Франция), К Shudo и Т Ohwada (Япония), метод суперэлектрофильной активации полифункциональных соединений приобрел широкую известность и начинает занимать достойное место в органическом синтезе (Olah G А, Klumpp D A Superelectrophiles and Their Chemistry - N Y Wiley, 2008 )

В настоящей работе представлены результаты нашего вклада в данную область исследований, которые автор начал в конце 80-х годов прошлого столетия под руководством И Б Репинской и В А Коптюга, бывших в числе пионеров этого направления К моменту начала работы В А Коптюгом и сотрудниками уже было показано, например, что одно- и многоатомные фенолы, а также 1-й 2-нафтолы легко образуют комплексы таутомерных кето-форм с бромидом или хлоридом алюминия и затем гладко реагируют с аренами С хорошим выходом были получены разнообразные, труднодоступные другим путем продукты конден-

* Например, дипрагонирование нафтолов происходит лишь при значительном усилении кислотности среды - понижении значения Н„ на 5-6 единиц - по сравнению с кислптногтып, необходимой для исчерпывающего монопротонирования нейтрального предшественника [1]

сации - арилциклогексеноны, тетралоны и др Роль генерированных комплексов как ключевых интермедиатов реакций на начальном этапе исследований не вызывала сомнений Однако позднее пришлось искать объяснение ряду непонятных в рамках таких представлений фактов "аномальная" региоселективность реакции 1-нафтола с бензолом, необходимость использования более чем 2-кратного избытка галогенида алюминия, значительное ускорение реакций введением в реакционную среду НС1 или НВг и, наконец, аналогичная реакционная способность фенолов в среде сильнейших протонных суперкислот (НР-ЗЬРв) при полной Инертности в средах несколько менее кистых, но вполне достаточных для исчерпывающего монопротонирования предшественников

Уже в первой совместной публикации нами была показана возможность генерирования в суперкислотах "долгоживущих" С,С-дипротонированных форм производных 1-нафтола [1] Несколько позднее были генерированы дипротонированные формы а,р-непредельных кетонов [2], а также 2-нафтола и его производных [4] Таким образом, были получены веские доводы для рассмотрения дипротонированных форм нафтолов и других предшественников в качестве более вероятных реакционноспособных интермедиатов в реакциях с аренами

Все вышесказанное определило поставленную в диссертации задачу, которая первоначально заключалась в изучении механизма суперкислотной активации нафтолов Затем, по мере решения этой ключевой задачи, работа получила дальнейшее развитие по ряду перспективных направлений

Цель работы 1) Установление механизма реакций 1- и 2-нафтолов с бензолом в суперкислых средах и выявление роли суперэлектрофильных (дикатионных) интермедиатов

2) Расширение круга субстратов, способных активироваться аналогичным образом, желательно за счет доступных, базовых органических соединений, производные которых могут представлять значительный практический интерес

3) > Расширение круга нуклеофилов Наряду с бензолом и некоторыми его монозамещенными предполагалось изучение реакций с неактивированными аренами, а так же алканами и др

4) Изучение возможности теоретического прогнозирования реакционной способности суперэлектрофилов

5) Поиск более приемлемых с практической точки зрения кислот и кислотных систем, способных заменить обычно используемые для инициирования суперэлектрофильной активации суперкислоты

Научная новизна и практическая значимость работы. Впервые показано, что в результате суперэлектрофильной активации такие доступные органические соединения, как дигидроксинафталины, аминонафтолы, гидроксихинолины, гидроксиизохинолины, хинолин, изохинолин, а,р-непредельные кетоны и амиды, а также чалеинимид и фталимид, способны реагировать со слабыми нуклеофилами Это позволило реализовать новые, ранее не говестные для этих соедш сний реакции - конденсации с аренами, а также реакции сечективного ионного гидрирования алканами Многие из них отличаются высокой "технологичностью" - легкостью проведения, на основе доступных реагентов, хорошо воспроизводятся и могут бьггь легко масштабированы с целью получения ряда труднодоступных другим путем полезных промежуточных соединений -(гидрокси)тетралонов, 5,6,7,8-тетрагидро(изо)хинолинов, фталимидина, 3-фенилсукцинимида и др, а также новых перспективных для практического использования соединений

Генерированы "долгоживущие" дипротонированные формы производных 1- и 2-нафтолов, изомерных гидрокси(кзо)хинолинов, а также (^[¡-непредельных кетонов и других предшественников и изучено их строение методом ЯМР 'Н и !3С Показано, что генерированные дикатионы или их аналоги - протонированные комплексы предшественников с галогенидами алюминия могут играть роль ключевых интермедиатов в реакциях со слабыми нуклеофилами

Установлено, что использование относительно несложных теоретических расчетов реакционной способности дикатионных интермедиатов в рамках методов МЫОО или ОРТ приводит к хорошей корреляции с экспериментальными данными по реакционной способности предшественников Это позволяет надеяться на применимость подобных оценок для теоретического прогнозирования реакционной способности широкого круга органических соединений - потенциальных предшественников дикатионов

Выше было отмечено, что для достижения суперэлектрофильной активации субстрата обычно используют протонные суперкислоты, взятые в большом избытке Нами продемонстрированы высокая эффективность и универсальность использования с тою же целью некоторого избытка "безводного" хлорида или бромида алюминия, промотированных следами воды (источник протонной суперкислотности) Это может способствовать более широкому применению метода суперэлектрофильной активации в целом, учитывая как относительную доступность галогенидов алюминия (особенно А1СЬ), так и простоту проведения реакций, поскочьку не требуется применения инертной атмосферы, абсолютирования растворителей, тщательного высушивания реагентов и

специальной защиты от влаги, присутствие которой даже способствует проведению реакций

Более того, впервые показана возможность суперэлектрофильной активации не только в суперкислых средах, но и в присутствии избытка доступных, легко регенерируемых твердых кислот, в том числе таких, кислотные центры которых не являются суперкислотными Показано, например, что на Н-формах цеолитов, кислотность которых сопоставима с кислотностью 70% серной кислоты (Но ~ -6), протекают реакции, реализуемые в гомогенных средах лишь при намного более высокой кислотности (Н0 ~ -18) Это открывает перспективу разработки в будущем каталитического варианта суперэлектрофильной активации органических соединений

Публикации. По теме диссертации опубликовано 32 статьи, тезисы 9 докладов па конференциях и подана 1 заявка на патент

Апробация работы Результаты диссертационной работы докладывались на 15-ой Межвузовской конференции молодых ученых "Современные проблемы синтеза и исследования органических соединений" (Ленинград, 1988), Всесоюзной конференции по химии хинонов и хиноидных соединений (Красноярск, 1991), Первой Всесоюзной конференции по теоретической органической химии (Волгоград, 1991), Первой Всероссийской конференции по химии гетероциклов (памяти А Н Коста) (Суздаль, 2000), Международной конференции "Химия и биологическая активность синтетических и природных соединений" (Москва, 2001), Международной конференции "Современные проблемы органической химии" (Новосибирск, 2001), 5-ом Международном симпозиуме по кислотно-основному катализу (Marnott Casa Magna, Puerto Vallarta, Mexico, 2005)

Объем и структура диссертационной работы Диссертация изложена на 314 страницах и состоит из введения, литературной справки, обсуждения результатов (11 глав), экспериментальной части, обсуждения перспектив развития работы, выводов, списка цитируемой литературы (394 наименования) и приложения При обсуждении результатов использовано 87 схем, 45 таблиц и 13 рисунков

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

К началу исследования было известно, что реакции конденсации 1- и 2-нафтолов с ароматическими соединениями, протекающие в присутствии галогенидов алюминия или в среде HF-SbFj, приводят к получению соответствующих арилзамещенных производных (Коппог В А Карбкатионы Строение и реакционная способность 19641975- М Наука, 2001 (Избранные труды, Т 1, кн 1), Коппог В А Карбкатионы

Строение и реакционная способность 1976-1993 - М Наука, 2002 (Избранные труды, Т 1, кн 2))

Реакции являются удобным методом введения в нафталиновое кольцо арильной группы и представляют несомненный интерес, как в синтетическом, так и в теоретическом плане

А1С13 (А1Вг3) г^

Р(1

Четких представлений о механизме такого взаимодействия не имелось, хотя ранее и было рассмотрено несколько вариантов активации молекулы исходного нафтола. В частности, обсуждалось образование в качестве промежуточных частиц монопротонированных форм нафтолов, комплексов таутомерных кето-форм нафтолов с галогенидами алюминия, комплексов оксониевого типа с одной или более молекулами галогеиида алюминия и катион-радикалов нафтолов, но ни одна из этих гипотез не позволяла объяснить всю совокупность накопленных экспериментальных данных, в том числе - направление реакции и установленную однотипность конденсации в среде протонной кислоты и в присутствии кислот Льюиса. Предпринятое изучение кинетических характеристик реакции позволило установшъ электрофильную, а не радикальную природу интермедиата, атакующего ароматическую мотекулу (В А Коптюг) Кроме того, для аналогичной конденсации ряда производных одно- (Д -С .Тасяиезу) и многоатомных (В А Коптсог) феночов с бензолом была показана возможность суперэлектрофилыюй активации путем О,С- или С,С-дипротонирования предшественников соответственно Можно было полагать, что и нафтолы претерпевают активацию дикатионного типа. Однако необходимые

для проверки этой гипотезы данные о возможности и направлении дипротонирования нафтолов отсутствовали

1. Реакционная способность 1-на<Ьтолов в суперкислых средах Систематическое изучение поведения 1-нафтола и ряда его производных (1а-1к) в трех средах различной кислотности* - Ш0зР-802С1Р (А), Ш03Р-5ЬР5(1 1)**-802С1Р (Б), НР-БЬР5(1 1)-502С1Р (В) выявило следующее При усилении кислотности наряду с генерированием монопротонированных форм 2 и 3 наблюдается преимущественное образование С,С-дипротонированных форм предшественников (структура 4, Табл 1)

Табл 1 Ионы, образующиеся при протонировании производных 1-нафтола при -40 °С

Данные спектров ЯМР 'Н и 13С

+ +

С« ои

— I

X Н X

О0

ояг +

2

Кислотная система

N А Б В

соединения Я X Н503Р-502С1К НР-5ЬЕ5-502С1Р

1а Н н 2а 2а 2а

16 СН3 н 26 26 26,36

1 в Н С1 Зв Зв, 4в 4в

1г сн. С1 Зг 4г 4г

1д н СНз 2д,3д 2д, Зд,4д 4д

1е СНз СНз 2с, Зе 4е 4е

1ж н РЬ 2ж, Зж 2ж, 4ж 4ж

1з СНз РЬ 2з, Зз 2з, 4з 4з

1и н ОН 4 и 4и 4и

1к СНз ОСНз 4к 4к 4к

* Об относительной кислотности указанных сред можно судить по приблизительным оценкам значений Но = -15 1, -20 и <-25 для неразбавленных кислот ШО^, НБОзР-БЬРз (1 1) и НР-БЬР5 (1 1) соответственно

** Здесь и далее указано молярное соотношение компонент

Расчет распределения дефицита я-электронной плотности простым методом МОХ и по данным спектров ЯМР 13С вьивил локализацию положительного заряда на атомах С1 и С4 в дикатионах 4 (я4 = 0 4 - 0 7) Данные МШО и ЭСТ (ВЗЬУР10/6-31 в*) расчетов тоже свидетельствуют о значительной локализации кулоновского заряда на этих атомах (Табл 2) Однахо, на атомы С4 дикатионов к тому же приходятся и максимальные значения с/2 в НВМО

Табл 2 Уровни энергий НВМО (енвмо). значения с(2 в НВМО и зарядов (ц,) атомов С1 и С4 дикатионов 4а, 4в, 4д, 4ж и 4н, рассчитанные методом ММЭО и ОРТ

Дикатион Я X Енвмо. эВ с/ с/ Ф <\4

4а Н Н -И 24 0 149 0 282 0411 0 304

-12 94* 0 45* 0 46*

4в Н С1 -113 0 123 0317 0 410 0 279

4д Н СНз -11 07 0 149 0 296 0 410 0 277

4ж Н РЬ -11 19 0 159 0 274 0 398 0288

4и Н ОН -10 7 0 226 0 226 0 398 0 398

' Данные ОГТ расчетов

-0 301 "°222

_ I 0 386

-о 348 Щ Уо7471 НВМО дикатиона 4а

(МШО) 0 423

Учитывая близость энергетических уровней НВМО дикатионов 4 (бнвмо) и ВЗМО таких нуклеофилов, как бензол и циклогексан (евзмо з -9 -=- -10 эВ, ОРТ, МЫОО), именно орбитальный контроль реакции с нуклеофилом может преимущественно опредепять региоселективносгь реакции - получение продуктов взаимодействия 1-нафтолов исключительно по атому С4 Действительно, согласно МЖО оценкам, атака бензопа атомом С4 дикатиона 4а - процесс экзотермический (ААН/ = -93 9 кДж/моль), тогда как альтернативный путь - атака бензола атомом С1 - оказывается на 1162 кДж/моль менее выгодным и является эндотермическим процессом

С ключевой ролью дикатионов 4 в реакциях с аренами согласуются результаты непосредственного "наблюдения" взаимодействия дикатионов типа 4 с ароматическим соединением Например, дикатионы 4г и 4е, генерированные в системе В, даже при низкой температуре (-30 °С) достаточно быстро - за несколько минут - реагируют с бензолом с образованием ожидаемых продуктов конденсации

Взаимодействие 1-нафтола с таким лезяктияипппяннии ареноч, о-дихлсрбег'зсл, с хорошим выходом приводит к получению тетралона А, который является важным

интермедиатом в синтезе антидепрессанта Sertraline (Zoloft), производимого компанией Pfizer Очевидно, что реакция оказывается возможной вследствие высокой электрофильности интермедиатов 4а или аналогичных протонированных комплексов 1-нафтола с AlHah

CI

1 AICI3 (А1Вг3)

2 Н20

80%

Обнаружено также, что 1-нафтол и его производные реагируют с алканами (за исключением метана и этана) при комнатной температуре в кислотных системах А1На1з-СН2На12, СР350зН-5ЬР5 или в присутствии А1С1з при нагревании до 80 °С (без растворителя) Это приводит к селективному восстановлению 1-нафтолов до 1-тетралонов На примере реакции 4-метил-1-нафтола с дейтероциклогексаном показана региоселективность реакции (атака атомом С4), совпадающая с таковой в реакциях с аренами

ОН

О

X

1 AICI3 или AIBr3 или

CF3SQ3H-SbF5

2 Н20

40-75%

'X

Механизм реакции

+ Alk+ МкИ ■ Alk-Alk

Н3С D

2 Реакционная способность 2-паФтолов в суперкислых спелах При растворении 2-нафтола и его производных (5а-к) в суперкислотах при -40 °С, согласно данным спектров ЯМР 'Н и 13С, наряду с монопротонированными формами б образуются дикатионы 7 в виде пар 2,Е-изомеров (Табл 3)

Табл 3 Ионы, образующиеся при протежировании 2-нафтола и его производных

+

Н+ (^Г^-0^ н+

+

о-и

х

г,Е-6а-к

Г

х

г,Е-7а-к

Кислотная система

N Л X Б В

соединения Н803Р-5ЬР5-802С№ НР-5ЬР5-502СШ

5а Н Н ба ба, 7а

56 СНз н бб 66,76

5в н С1 бв бв, 7в

5г СНз С1 бг бг, 7г

5д Н СНз 6д 7д

5е СНз СНз бе 7е

5ж н РЬ 6ж 7ж

5з СНз РЬ бз,7з 7з

5и Н ОН 7и 7и

5к СНз ОСНз 7к 7к

В отличие от этого, протонирование 2-нафтола и некоторых его производных в системе В при -80 °С приводит к другому направлению дипротонирования - генерированию О.С-дипротонированных форм 8а-д

X

8

Я = У = X = Н (а), Я = СНз, У = X = Н (б), Я = СНз, У = Н, X = С1 (в), К = СН3,У = С1,Х = Н(г),К = СН31У = ОСНз,Х = Н(д)

Оценка реакционной способности дикатионов 7а,в,д,и-м и монокатиона 6а методом МЬ'РО, а также дикатиона 7а и катиона ба методом ОРТ (ВЗЬУРЮ/б-ЗЮ*) показывает, что дикатионы 7 намного более этектрофилыш, чем монокатионы б (Табл 4) Примечательно, что предсказанный совокупный зарядовый и орбитальный контроль

должен направлять реакцию 7 с нукпеофилом только по атому С4 и лишь в исключительном случае - при X = ОН или ОСНз - по атому С2 (Рис

Табл 4 Уровни энергий НВМО (енвмо), значения с,2 в НВМО и зарядов (ц,) атомов С2 и С4 дикатионов 7а,в,д,л,м и монокатиона 6а, рассчитанные методом ШЛЮ и ОРТ _ м Н Н РЬ

Ион Енвмо, эВ с/ с/ Чг Ч*

7а -10 617 0 010 0 365 0 382 0 198

-12 244* - 0 64* - 0 38*

6а -6 376 - - - -

-7 402* - 0 53* - 0 26*

7в -1076 0 004 0 382 0 384 0 192

7д -10 49 0 025 0 386 0 385 0 190

7и -10 57 0 721 0 000 0 395 0 349

7к -9 83 0 699 0 000 0 398 0 395

7л -10 24 0 001 0 367 0 380 0 196

7м -10 55 0 005 0 364 0 386 0 199

К X У

ОК а Н Н Н в Н С1 Н Д Н СНз Н У и Н ОН Н к СНз ОСНз Н

* Данные ОРТ расчетов

Емо> ЭВ

НВМО 7а,вл^1,м НВМО + 1 7и,к

НВМО 7и,к НВМО + 1 7а,вд^1,м

-10-

-11-

Рис 1 Строение НВМО и НВМО+1 дикатионов 7а,вУт,и-м и их энергетические уровни, рассчитанные методом ШГОО

Действительно, направление (региоселективность) реакции 2-нафтолов с бензолом и циклогексаном согласуется с таким прогнозом

1л,м

>70%

1 - У=Н Х=ОН (л), ОСИ, (и)

7 - Х=Я=Н У=Н (я), РЬ (л), СН, (м), У=Я=Н, Х=ОН (и), Я=СН3, У=Н, Х=ОСН, (к)

8 - К=А1Ла1)„" Х=У=Н (а), У=РЬ, Х=Н(6), У=СН3, Х=Н (в), У=Н, Х=ОЛ1„На1з,Г (г) 9- Х=У=Н (а), Х=Н У=€Н3(б), У=РЬ(в)

1 А)С13-СН2С12 или А1С13-НС1-СН2С12 или А1Вг3-СН2Вг2,

саон —* со*0 + рст0+ свн„-сени

С6Нц

30 - 40%

3 Реакционная способность днгидроксинафталипов в суперкислых средах Изучение реакций 1,5-, 1,6-, 1,7-, 2,6- и 2,7-нафталиндиолов с аренами показало, что все перечисленные предшественники относительно легко и "чисто" реагируют с бензолом при комнатной температуре в присутствии АШгз с образованием соответствующих гидроксифенилтетралонов При 3-3 5 кратном избытке бромида алюминия реакция полностью завершается за 20-48 ч, что сопоставимо с реакционной способностью 1- и 2-нафтолов Однако в присутствии А1С1з при комнатной температуре аналогичное взаимодействие протекает гораздо медленнее, и в общем случае требуется нагрев до температуры кипения реакционной смеси (80 °С)

5-ОН, 6-ОН, 7-0Н

Ph

85-95%

но-oa 1)А.'в.гз,СбНб- нп

2) Н20

Ph

6-ОН, 7-0Н

Ключевые интермедиа™

+

ОХ

10

-да

+

ох

X = Н или А1пС1зп (AlnBr3n), Y=OH или ОНХ

Особый интерес представляло изучение реакции дигидроксинафталинов с о-дихлорбензолом, поскольку в случае успеха можно было "выйти" к кислородсодержащим производным антидепрессанта Sertraline (см выше) Оказалось, что 1,5-, 1,6- и 1,7-нафталиндиолы реагируют с о-дихлорбензолом аналогично незамещенному 1-нафтолу - в присутствии 2 5-кратного мольного избытка А1С1з и А1Вгз при 100-120 °С и комнатной температуре соответственно При этом были получены пары 5-, 6- и 7-гидроксизамещенных 4-(3,4-дихлорофенил)-1-тетралонов и 4-(2,3-дихлорофенил)-1-тетралонов с суммарным выходом около 95% (соотношение 4 1, соответственно) Это сопоставимо с аналогичным изомерным составом для реакции 1-нафтола с о-дихлорбензолом По-видимому, ключевыми интермедиатами этой реакции, так же как и в случае приведенной выше реакции с бензолом, являются дикатионные (или трикатионные) комплексы 10

ОН

AICI3 или

А1Вг3 Н+

10

1) o-C6H4CI2l

2)Н20

CI

В отличие от указанных выше диолов, 2,6- и 2,7-нафталиндиолы (так же как и родственные им 2-нафтолы) оказались инертны по отношению к о-дихлорбензолу

Реакции нафталиндиотов с другим нукпеофилом - циклогексаном - тоже протекают с высоким выходом и чистотой конечных продуктов - изомерных гидрокси-1- и 2-тетралонов

ОН

1) А1Вг3, СН2Вг2, циклогексан, 25 °С или

А1С13, циклогексан, 120 -130 °С

О

2) Н20

5-0Н, 6-ОН, 7-ОН

1)А1ВГ3,СН2ВГ2, циклогексан, 25 °С или

АЮ13, циклогексан, 120 - 130 °С

80 - 95%

.ОН

2) Н20

6-ОН, 7-ОН

Учитывая относительную труднодоступность и значительную стоимость последних и вместе с тем их высокую востребованность для синтеза аналогов морфина, стероидов, анальгетиков н антидепрессантов, разработанный нами сравнительно простой способ селективного восстановления дигидроксинафталинов (стоимость которых на один-два порядка ниже) представляется особенно перспективным для практического использования

4 Реакционная способность 5-амино-1-нафтола в суперкислы! средах Успех вовлечения нафтолов с одной стороны, и нафталиндиолов с другой, в реакции с аренами и алканами побудил нас исследовать возможность реализации подобных реакций в ряду аминонафтолов В качестве модельного соединения был выбран 5-амино-1-нафтол, поведение которого могло оказаться сходным с поведением 1-нафтота с активными интермедиатами типа 4 (10, по аналогии с дигидроксинафтапинами) Альтернативная дикатионная активация мопа бы достигаться путем генерирования катионов типа 2 или 3, дополнительно активированных К-протонированием

Оказалось, что 5-амино-1-нафтол легко подвергается К,С-дипротонированию в суперкислотах с образованием дикатиона А и в то же время способен реагировать с бензолом и циклогексаном в присутствии галогенидов алюминия при повышенной температуре (41) - 110 X)

СР3803Н

СРзЭОзН-ЗЬРб 25 °С

МН3

С8Н12

А1С13 или А1Вг3,

с6н6

N Н2 80%

Учитывая направление реакции с бензолом и в целом умеренную реакционную способность 5-амино-1-нафтола, ключевыми интермедиатами реакций с нуклеофилами, по-видимому, являются дикатионы (комплексы) А-С (Диаграмма 1, данные для близких протонированных форм 1-нафтола и 5-гидроксихинолина (см ниже, раздел 5) приведены для сравнения)

Диаграмма 1 Заряды СН групп ц. дикатионных форм 5-амино-1-нафтола (структуры АС), рассчитанные методом БИТ

5 Реакционная способность гид покентшо чинов и гндрокснизохинолииов в суперкислых средах

Успех вовлечения нафтолов, дигидроксинафталинов и 5-амино-1нафтола в реакции со слабыми нуклеофилами в присутствии кислотных агентов стимулировал дальнейший поиск субстратов, способных претерпевать сходную суперэлектрофильную активацию Логичным развитием работы виделось изучение реакционной способности ароматических гидроксичсодер^ащих гетероцнклез, в первую очередь такого доступного "аналога" 1-нафтола, как 8-гидроксихинолин

Оказалось, что в кистотной системе СРзБОзН-ЭЬр! последний даже при комнатной температуре образует М,С-дипротонированную форму (структура 11), которая быстро и региоселективно взаимодействует с циклогексаном Аналогичная реакция протекает и в присутствии избытка А1С1з при надевании Образующийся 5,6,7,8-тетрагидрохинолин -важный промежуточный продукт, обычный метод синтеза которого (каталитическое гидрирование хинолина в трифторуксусной кислоте) неселективен и отличается трудоемкостью выделения конечного продукта путем перекристаллизации его сернокислой соли

С6Н12 или С6012

^схр

со

70%

N

■100%

ОН

А1С13 циклогексан

>90 °С

00

>90%

(селективность ~ 100%)

Реакция 8-гидроксихинолина с бензолом приводит к получению соединений 12 и 13, кптппыр пясс«атр"В2Ютс° "'"!! кат герсчетп'::::!. г ргаге::ть. для получены; новых

лигандов (комплексонов) и создания на их основе полезных (в т ч хиральных) каталитических систем

С6Нв, А1Вг3 или А1С13, 80 °С

ОН

СеН6, А1Вг3-НВг 20 °С, 24 ч

68%

40 - 85%

СР3503Н 20 °С, 1ч

- 100%

Рис 2 Молекулярная структура соединения 13, установленная методом РСА

Аналогичную реакционную способность проявили и другие изомерные гидрокси(изо)-хинолины, в которых атом азота и гидроксильная группа расположены в разных кольцах Они легко подвергаются М,С-дипротонированию

5Н

ОН

Однако, при этом их реакционная способность по отношению к бензолу и циклогексану заметно ниже, чем у 8-гидроксихинолина

со

нет реакции

оо оа

С другой стороны, это хорошо согласуется с теоретической (ОРТ) оценкой относительной эдекгрофильности соответствующих >},С-дипротнонированных форм

ОН

Рост реакционной способности

нхд

<у= 0 22 Ь

ЕНВМ0= -12 2 эВ

03

-.00 но-^^ы":

и

-12 0 эВ

-12 0 эВ

-12 16 зВ

+ОН Н -12 26 эВ

Рост электрофильности дикатиона

аналогичные данные расчетов для С-монопротонированных форм нафтолов (приведены для сравнения)

Реакционная способность и-чомепныу гилпп*ги(мзп)уинппииов, в «"оторых атом азота и гидроксильная группа расположены в одном кольце, оказалась заметно выше

Примечательно, что региоселективность взаимодействия как с циклогексаном, так и с бензолом во многих случаях зависит от условий (время, температура, природа кислоты) или определяется обратимостью реакций

Ниже представлены схемы превращений 1- и 3-гидроксиизохинолинов Препаративные выходы продуктов, как правило, высокие (70 - 95%)

А1С13, 90 °С

ОСГ-^

МН 94% ,он

СР3ЗС)3Н-ЗЬР5 Г^тГ^Г

"" чДч^И 67%

Свн»

А1С13 или А1Вг3

> 95%

Реакционную способность 1- и 3-гидроксиизохинолинов можно интерпретировать участием дикатионов А -С и Э-Г соответственно (или аналогичных С-протонированных комплексов с А1На1з) в качестве ключевых интермедиатов (Диаграмма 2) На диаграмме показана локализация кулоновского и орбитального зарядов на электрофильных центрах дикатионов

Диаграмма 2 Заряды СН групп q., (значения с.2 в НВМО) и /отн энергии, ккал моль"1/ дипротонированных форм 1-й 3-гидроксиизохинолинов, рассч1тганные методом БИТ

О 38 (0 43)

13^^ 0 43(0 14) 0 30(015^^ 0 42(0 23) 039(04Л. ^

.Уу^н а в

0 35(0 52) /2 2/

оо

он /8 7/*

0 41 (0 50) он /6 6/'

0 4 (0 58)

Н

О?

0 65 (0 74)

/16 1/ °Н 0 27 (0 25^ ^ 0 28 (0 09)

¡2(019) 5н° 69 (°58'

0 22(0 19)

/37 5/

Л

034(0 54) 043(018) 101

0 28 (0 05) ^ +

ССС«

О 42 (0 6) 0 55 (0 37) ¡51

ОН

Ын

О 52 (0 53)

/6 6/

.он ЙН2

/37 5/

О 43 (0 5)

Енвмо — от -12.3 до-12.7 эВ

В похожие реакции вступают и хинолинолы с гидроксильной группой в гетероциклическом кольце Примечательно, что только 3-гидроксихинолин подвергается дипротонирванию в кислотной системе СРзБОзН-БЬР} при комнатной температуре, тогда как остальные предшественники образуют лишь М-протонированные формы Однако именно они, продуцируя менее стабильные, зато более активные дикатионные интермедиаты, проявляют более высокую реакционную способность

Ниже представлены схемы реакций 2-, 3- и 4-гидроксихинолинов с бензолом и циклогексаном

+

,0-Н

Н

А1С13, 90 °С

СР3803Н-ЗЬР5

Н

> 80%

:3803Н-ЗЬР5

РЬ

Н

РЬ

С6Н12, СРзЭОзН-ЗЬРв

ОН

или А1С13

С6Н6, НВг-А1Вг3

РЬ О

РК

~ 90%

Реакционная способность 2-, 3- и 4-гидроксихинолинов интерпретирована участием дикатионов А-С, И-Г и С,Н, соответственно, в качестве ключевых интермедиатов (Диаграмма 3)

Диаграмма 3 Заряды СН групп ч», (значения с.2 в НВМО) и /отн энергии, ккал моль" / дипротонированных форм 2-, 3- и 4-гидроксихинолинов, рассчитанные методом ОРТ

0 35 (0 БЗ)

0 38 (0 27)

до

5н 0

О 38 (0 09)

0 36(0 53) ЯН05<0 08)

Ш о

0 37 (044) н 067(0 1) 0 28(0 44) ' 044(014) 038(042) Й /П П/ ---Н /0 0/

/0 0/ 0 39 (0 52)

ОН

/0.8/ " 0 7(0 22)

N ^ОН /6.2/ Н 0 77 (0 06)

/7 9/

^^ ОН о 40 (0 46)

,ОН

Е

0 42 (0 56) ОН

(V/ -чу ||

Сб"

/11.1/

и;

0 31(012) Н

/1.7/

0 39 (0 58) ^Х^ОН Р +

с ,^ао61<оз)

^"^М^ОН 0 32 (0 4) 0 49 (0 25) ЦД, ^

" " /12 9/ " .......

0 52(0 29) /4.1/ н

ост

/22.3/ Н

ОН

0 55 (0 29)

I Т о «> Л /Л

-- -- «V/

Таким образом, ионное гидрирование может быть использовано как удобный метод селективного восстановления гидрокси(изо)хинолинов и их производных Модельные реакции с бензолом представляют простой и эффективный путь синтеза арил(изо)хинолинонов Обратимость некоторых из этих реакций может оказаться полезной для синтеза самих гидрокси(изо)хинолинов или их производных из соответствующих ариламидов (такая возможность была продемонстрирована нами на ряде примеров)

В целом, способность модельных изомерных гидрокси(изо)хинолинов претерпевать дикатионную активацию под действием сильных кислот позволяет рассматривать подобные соединения как перспективные реагенты, способные сохранять относительно сложный гетероциклический остов и давать полезные продукты в реакциях типа Фриделя-Крафтса.

6 Реакционная способность хинолина и нзохинолина в суперкислых спедах

Следует отметить, что успешное вовлечение гидрокси(изо)хинолинов и 5-амино-1-нафтола в реакции с бензолом и циклогексаном было во многом обязано относительной легкости генерирования в суперкислотах соответствующих М.С-дипротонированных форм, значительно стабигазированных электронодонорной гидроксигруппой Тем не менее, принимая во внимание практическую важность соединений хинолинового и изохинолинового ряда, мы попытались распространить наше исследование на более доступные родоначальники ряда-хинолин и изохинолин с целью вовлечь их в модельные реакции с бензолом и циклогексаном

Попытки генерировать дипротонированные формы для этих соединений, даже используя такие сильные кислоты как Ш03Р-5ЬР5-502С1Р и НР-5ЬР5-502С1Р при низких температурах, привели лишь к получению их И-монопротонированных форм Однако наши теоретические оценки показали, что, во-первых, изохинолин должен легче подвергаться НС-дипротонированию, а, следовательно - быстрее реагировать с нуклеофилами Во-вторых, учитывая трудность такой активации, наиболее вероятными интермедиатами должны быть наиболее стабильные дикатионы А и В с электрофильными центрами С7 (или С5) и С6 (или С8) соответственно (Диаграмма 4) Последующие эксперименты показали полное соответствие экспериментальных данных таким прогнозам Изохинолин действительно оказался активнее хинолина по отношению, как к бензолу, так и циклогексану, а региоселективность реакций с бензолом соответствовала ключевой роли дикатионов А и В

Диаграмма 4 Заряды СН групп (значения с.2 в НВМО) и /отн энергии, ккал моль'1/ днпротоннрованных форм хинолина и изохинолина, рассчитанные методом БИТ

0 37(0 52) 0 41 (0 41) 0 42(0 53) 0 41 (0 56)

£0 СО СО С*? оф

040(045) Н 031 (046) Н н+ 034(041) Н Н

А /3.0/ /3.9/ /6.0/ /10.6/ /12.1/

О 43 (0 44)

0 41 (0 48) 0 35(0 45) Ж^ 0 64(0 44)

СО; Ш-ифОн ООнОДн

035(05) 043(044) 0 43(0 56) 0 5(0 42)

В /0.0/ /2.9/ /6.9/ /11.9/ /16.0/

Енвмо = от -12 8 до -13.2 эВ

с6н12,

СР3803Н-5ЬР5, 25 °С, 24 м или

А1Вг3-СН2ВГ2

С6Н5,

НВг-А1Вг3, 25 °С, 10 ч или

НС!-А1С13,100 ч

00

N 50%

75%

6

Рис 2 Молекулярная структура гидрохлорида цис-5,7-дифенил-5,6,7,8-тетрагидро-хинолина, установленная методом РСА

СРзБОЗН-БЬРБ, 25 °С, 2 ч

СвН12,

или

А1ВГ3-СН2ВГ2

С6Н6,

НВг-А1Вг3, 25 °С, 1 ч

или

НС1-А!С13, >24 ч

Рис 3 Молекулярная структура гидрохлорида транс-6,8-дифенил-5,6,7,8-тетра-гидроизохинолина, установленная методом РСА

В итоге следует отметить, что хинолин и изохинолин, несмотря на отсутствие возможности дополнительной стабилизации электронодонорными заместителями, оказались, тем не менее, способны претерпевать суперэлектрофильную (дикатионную) активацию в суперкислотах с повышенной протонной кислотностью (Н0 ~ < -17) Это позволило вовлечь их в реакции с циклогексаном и бензолом Полученные экспериментальные данные нашли успешное объяснение лишь с принятием предположения о дикатионной активации предшественников и хорошо согласуются с данными теоретических расчетов их М,С-дипротонированных форм В целом, выявленная реакционная способность хинотина и изохинолина представляется перспективной для практического применения Аналогичный подход, по-видимому, может быть использован для реализации сходных модификаций широкого круга ароматических гетероциклов

7. Реакционная способность и,В-ненясыщенпых кетонов в суперкислых средах Известно, что а,р-еноны (альдегиды, кетоны, карбоновые кислоты), а также 0,0-непредельные оксимы, нитросоединения, нитрилы, сульфоны и т п соединения вступают в реакцию конденсации с ароматическими соединениями в присутствии галогенидов алюминия или в среде сильных протонных кислот Реакции с енонами, например, приводят к образованию Р- (в некоторых случаях у- и 5-) арилсодержащих альдегидов и кетонов Раньше полагали, что ключевыми интермедиатами рассматриваемых реакций являются комплексы (монокатионы) 14 Однако, учитывая данные, полученные для

производных нафточов, возможность эффективной монокатионной активации для а,0-енонов, особенно в случае электронодонорных (алкильных и арильных) заместителей Я, представляется маловероятной

А1На13 (Н+)

^Н, А1к, Аг

О-АЖа^Н)

Н+

14

О-Н

15

АгН

+ Аг

н-о-н

,, 7 дикатионы,

<£=> постулированные

,2

К 5(1ис1о и Т ОИ\тас1а

С целью установления реального пути активации а,р-непредельных кетонов в (супер)кислотах на примере модельных 4-фенш1-3-бутен-2-она и окиси мезитшта было изучено их поведение в суперкислой системе НР-5Ы:5(1 ^-БОгСШ при низких температурах Показано, что кетоны подвергаются О,С- (данные ЯМР *Н и 13С), а не 0,0-дипротониро-ванию, как было предложено ЭЬиск) и Ohwada для реакций енонов с бензолом в СИзБОзН

РК

Н3С, Н3С'

СН3

СИ,

НР-5ЬР6-502С1Р или Н303Р-ЗЬР5-302С1Р

-60 °С

НР-5ЬРГ502С1Р -60 °С

РК

+

О-Н

сн3

РК

+

н-о-н

СНз

АНу= 431 ккал/моть, д4 = ДН^= 459 ккал/моль, с\4 = О 154, енвмо = -10 45 эВ 0 093, енвмо = -10 82 эВ (№N00)

НзК+ Н3С"

-40 °С

+

о-н

сн.

циклизация, -Н+

перегруппировка

+

О-Н

I

СН,

К тому же МЛЕЮ расчеты свидетельствуют о большей стабильности О,С- по сравнению с 0,0-дипротонированными формами кетонов, при их сопоставимой электрофильности

В продолжение исследований реакций чен2сып;е:\.кх соединений со слабыми нукпеофилами в присутствии сильных кислот, мы обратились к рассмотрению

взаимодействия а,р-енонов с алканами Ранее уже сообщалось о возможности восстановления метилциклопентаном сопряженной с СО группой связи С=С в соединениях стероидного ряда при использовании суперкислоты НР-5ЬРз (7 -С Jacquesy) Нашей целью было систематическое изучение взаимодействия а,Р-ненасыщенных кетонов с циклогексаном в присутствии галогенидов алюминия Результаты исследования суммированы ниже

О О

1) С6Н12, А1На!3, СН2На12, 20 °С

2) Н20 о2 "

Кетон Кислотная система Время реакции, ч Выход продукта, %

К'=Н, Я2=РЬ, К3=СН3 А1С13, СН2С12 1 18

ЯЧК-Ч^Нз А1С13, СН2С12 1 65

К'=С3Н7, К2=Н, Яз=СНз А1Вг3, СН2Вг2 40 70

К'=Я'=СН3, А1С1з, СН2С12 3 95

Я'=Н, К'=2,4-С12СбН3, Я3=СНз А1С13, СН2С12 30 87

К-Н, К2=4-НОС6Н4, Я3=СНз А1С13, СН2С12 15 95

К'=Н, К2=4-СН3ОС6Н4, Л3=СН3 А1С13, СН2С12 3 90

Я'=Н, К2=2-НОС6Н4, Я3=СН3 А1Вг3, СН2Вг2 3 60

11'=Н, яМ-сн3ос6н4> Я3=С6Н5 А1С13, СН2С12 3 95

К'=Н, К2=4-(СНз)2НС6Н4, Я3=СНз А1Вгз, СН2Вг2 135 97

Аналогичные реакции с алканами реализованы нами и при использовании кислотной системы СРзБОзН-ЗЬРз (Но ~ -18), но не СРзБОзН (Н0 = -14), достаточно сильной для исчерпыващего О-монопротонирования предшественников Наиболее вероятно, ключевыми интермедииатами изученных реакций, как и в реакциях енонов с аренами, являются дикатионы типа 15 или аналогичные протонированные комплексы с галогенидами алюминия

8 Реакционная способность а.В-неиасыщенных амидов в суперкислых средах Несмотря на важность и широкое использование амидов в органической химии,

неоправданно мало внимания было уделено изучению их реакционной способности по

отношению к слабым нуклеофилам, таким, как неактивированные арены и алканы В ряду

а,р-непредельных амидов, реакции, подобные представленным выше для а,р-

28

непредельных кетонов, ранее не были изучены Тем не менее, суперкислотная активация амидов мопа бы привести к их О-протоннрованию или образованию О-комплексов с кислотами Льюиса, с последующим дополнительным протонированием сопряженной связи С=С (или СгС)

Ниже схематично представлены резутьтаты наших исследований реакционной способности непредетьных амидов, активированных суперкислотами, по отношению к бензолу, о-дихлорбензолу и циклогексану Пр""!ечательно, что реакции с бензолом в О

о

=л

и

ын2 о

NH2

РИ

РИ

О

X

Свнв (С6Н4С12) 25 °С, 0 5-2 ч

РК

-

А1С13

(А!Вг3, СРзБОзН)

циклогексан

Аг

1 О

МеОС6Н4

о

N№11

о

РК

РЬ-^г NHPh

о

СЯзЗОзН (А1С13) 100 ч, 25 "С

С6Н6,А1С13

2 ч, 25 °С

N^0

С^ОзН [

4 ч, 20 °С Ч^у^

РИ

80%

07

РЬ

97%

РИ

риЛ-^ ЫН2 Рп

55%

присутствии хлорида алюминия протекают быстро даже при комнатной температуре, к тому же исключительно чисто и для многих предшественников с "с":г:ггтпсгтыч выходом

Ключевыми реакционноспособными интермедиатами реакций являются, по-видимому, моно- и дикатионы 16-18, в зависимости от природы (наличия) заместителя R монокатионы 16 - в случае акрил- и метакриламида, с трудом реагирующих с о-дихлорбензолом и циклогексаном даже при нагревании, для остальных предшественников, реагирующих с этими нуклеофилами почти так же быстро, как и с бензолом, - дикатионы 17 или 18

о-х

i

NR';

+

о-х

и

'NR',

о-х

NR',

16

17

R = Alk, Аг, X = Н или AlnHal3q

О-Х

Ph

NHR

18

О реальности генерирования в реакционной среде дикатионов типа 17 свидетельствует возможность генерирования О.С-дипротонированной формы 4-метоксикоричной кислоты и ее амида в суперкистотах средней силы (Н0 —14, -15) Следует отметить, что согласно схеме на предыдущей странице, этот амид быстро реагирует с бензолом, о-дихлорбензолом и циклогексаном при комнатной температуре, в том числе и в среде СИзБОзН

О

Н3СО'

NH2 (ОН)

HS03F, -80 °С или

CF3SO3H, -30 "С

НзС-

9. Реакционная способность мялснпимнда. Фталнмида и 1 Л-инланлиппа в суперкислых средах Имид малеиновой кислоты (малеинимид) и фталимид - легкодоступные и широко используемые реагенты в различных синтетических приложениях, таких, например, как синтез пептидов, первичных аминов по Габриэлю, реакции Дильса-Альдера, полимеризации и др Однако реакции, в которых бы они выступали в качестве высокоактивных электрофилов, до настоящего времени не были извсстны В связи с этим важно отметить, что возможность 0,0-дипротонирования малешшмида, фталимида и его

карбоциклического аналога - 1,3-индандиона в суперкислотах уже была ранее показана (G A Olah et all, JACS, 1968, D Bruck et all, Tetrahedron Lett, 1978), но как метод активации для синтетических целей это не использовали

Имиды, в дополнение к экспериментально наблюдаемым дикатионам 19а и 20а, при проектировании в сильных кислотах гипотетически могли бы подвергаться О,С- и O.N-дипротонированию с образованием изомерных дикатионов 196, 19в и 206 соответственно Однако расчеты показали, что связь C-N в дикатионах 19в и 206 при оптимизации геометрии расщепляется Это может привести к появлению соответствующих продуктов ацилирования нуклеофила в случае реализации такого направления активации (О.Ы-дипротонирование)

.ОН NH2

ОН

О 19в

при оптимизации на уровне B3LYP/6-31G*

¡f^NH2

О +

.ОН

nh2-

он

NH,

206

О +

Энергии НВМО (енвмо). квадраты коэффициентов атомов углерода в НВМО (с.2), заряды атомов углерода или СН групп (ц.) дикатионов 19а,б и 20а, рассчитанные методом ОРТ

Дикатион,

q. и (с .)

0 17(0 14) 0 79 (0 41

,ОН NH

)/ он ' +

19а

О 63 (0 92)'

РН 'NH

о

196

ОН NH

О 78 (0 38) ОН +

20а

£нвмо> эВ

-14 93

-16 46

-13 00

Эксперименты показали, что для малеинимида реакционная способность в суперкислых средах согласуется с ключевой ролью дикатионов 19а или 196 в зависимости от условий реакции

о

кн

о

,0

Ы-РИ

о

,0 мн о

циклогексан, СР3803Н-ЗЬР6 25 °С,1ч

циклогексан, А1С13-СН2С12

А!Вг3-СН2ВГ2

С6Нв, СРзвОзН

20 °С, 40 ч

АгН

(5

.0

р

М-РЬ

о

70 - 80%

(Ъ

П 78%

ГЛн

А1С13 или А1Вг3 А^/

3 3 Аг 1

Ключевой интермедиат .Р-н

N4

19а о-н

+

(ОХ 1+ -М-Р»!

,0-Н

19а °Н

Г

1+

196 о

о 40-95%

Аг = РЬ, 4-С6Н4СН3, 3,4-С6Н3С12 X = Н, А1пНа13п

В сходных реакциях фталимида ключевую роль играют дикатионы 20а (или аналогичные комплексы с галогенидами алюминия)

циклогексан, СР3303Н-8ЬР5, 25 °С

или А1С13, 100°С

С6Нв, СРзЭОзН, 25 °С или

А1С13 или А1Вг, > 80 °С

С6н5

Оедует отчет!пъ практическую важность призводных 3-арилсукцинимида, а также фталимидина, полученных нами в результате одностадийных синтезов при использовании доступных реагентов (имиды, бензол, циклогексан, А1С1з)

Оказалось также, что 1,3-индандион реагирует с бензолом и циклогексаном аналогично фталимиду, что контрастирует с инертностью по отношению к этим нуклеофилам днкатиона 4и и соответствующего предшественника - нафталиндиола-1,4 (1и)

+ +

80 - 95%

X = Н или А^С1з„ (А1пВг3п)

10. Супепэлектрофильняя активация органических соединений твердыми кислотами

Идея заменить традиционно используемые суперкислоты регенерируемыми твердыми кислотами для достижения суперэлектрофильной активации ранее высказывалась в литературе, но до сих пор не была реализована. Например, G А Olah и D Klumpp поетагяпи использовать с зтсй целью N<ifiori-H (Асс Chem Res 2004 37 (4), 211) Вдохновляющий пример представляла ферментативная реакция восстановления

гетероциклического катиона молекулярным водородом, протекающая за счет протонирования этого катиона, те в результате суперэлектрофильной активации (Berkessel А, Thauer RK Angew Chem Int Ed Engl 1995 34 (20) 2247), что свидетельствовало о решающем влиянии структурного фактора кислоты

Выше было показано, что суперэлектрофильная активация ряда предшественников -нафтолов, а,р-енонов и гетероциклических соединений - достигается в суперкислотах не менее сильных, чем трифторметансульфокислота (Но - -14 1) Более того, для инициирования большинства изученных нами реакций потребовалась еще более высокая кислотность (Но < -17), что достигалось лишь при использовании комплексных протонных суперкислот, таких как HF-SbFj, CF3S03H-SbFj, A1C13-HC1(II20) и А1Вг3-НВг(Н20)

Нами была исследована возможность инициирования этих же реакций такими кислотами как Nafion-H (Но ~ -12), гетерополикислоты (Но ~ -12 - -15), сернокислый оксид циркония (Zr02/S04"\ -16 1 < Но < -12) и Н-формы цеолитов (Н0 ~ -6 - -8) * Следует отметить, что первые попытки в данном направлении были совершенно неудачными, т к твердые кислоты использовались в каталитических количествах и при умеренных температурах При этом предпочтение заранее отдавалось более сильным кислотам, таким как Nafion-H, гетерополикислоты и сернокислый оксид циркония Однако систематический поиск условий проведения реакций превзошел первоначальные ожидания - для многих предшественников были воспроизведены превращения, протекающие в суперкислотах или в присутствии галогенидов алюминия Более того, неожиданно наиболее "удачной" твердой кислотой оказалась наиболее слабая кислота -протонная форма цеолитов

Ниже схематично представлены некоторые инициированные твердыми кислотами реакции электрофильного ароматического замещения - внутримолекулярная циклизация и межмолекулярное взаимодействие с бензолом и о-дихлоробензолом Реакции выполнены при несколько повышенном давлении, позволяющем поддерживать температуру реакции выше температуры кипения бензола на 50°С

♦Известные оценки протонной кислотности твердых кислот в шкале значений функции кислотности Гаммета крайне противоречивы и иногда сильно расходятся у разных авторов Нет общепринятой точки зрения об их корректности и сопоставимости с таковыми для гомогенных растворов Лишь гетерополикислоты и сернокислый оксид циркония однозначно считаются твердыми суперкислотами

РИ

II

н

РИ

Юо н

о

РК

РК

о

он

ОН

С1

ж 1

бензол (о-дихлорбензол)

Н-ивУ цеолит или

гюг/э о4-2

120- 130 °С 1-40 ч

Р(1

N О Н

РИ

N О Н

РЬ. РК

1

О

УА

ЫЕЬ

О

РИ ОН

РИ

Пмн

Р1п

ч 4«

РИ

О

\cl2cgH3

О

РК РИ

Следует отметить, что использование регенерированных цео читав и сернокислого оксида циркония не выявило снижения их активности

Результаты реакций (состав и выход продуктов) инициированных твердь:—! кислотами и аналогичных реакций, инициированных протонными суперкислотами или избытком

галогенида алюминия, имеют значительное сходство Примечательна реализация реакции М,Ы-диэтиламида с о-дихлорбензолом (дезактивированный арен, как правило, не реагирущий с монокатионными электрофилами и даже с некоторыми дикатионами) Это может служить веским доводом в пользу дикатионной активации на цеолите Отметим, что решающим условием достижения успеха во всех случаях было использование значительного мольного избытка кислотных центров - обычно не менее 5-10

Способность цеолитов и сернокислого оксида циркония инициировать реакции оказалзсь сопоставимой и заметно превышает таковую для Nafion-SAC, который был успешно применен лишь в случае циклизации довольно реакционноспособного в суперкислых средах анилида 3-фенилпропиновой кислоты Из цеолитов хорошую активность показал коммерчески доступный ультрастабильный деалюминированный Y-цеолит (USY), диаметр (размер) пор которого равен ~7 5Á В отличие от этого, цеолит Н-ZSM5 с относительно меньшим диаметром отверстий (~5 5Á) оказался абсолютно неактивным, что свидетельствует о протекании реакций внутри пор HUSY Следует также отметить, что более высокую активность проявили цеолиты HUSY с соотношением Si/Al ~2 5, т е с максимально возможной плотностью кислотных центров, хотя и с несколько пониженной кислотностью отдельных центров Попытки использовать HUSY с Sí/Al = 15 и HUSY с Si/Al = 40, те с более разреженными кислотными центрами (несмотря на относительно более высокую кислотность), приводили к худшим результатам

Поскольку сила твердых кислот, особенно цеолитов, значительно ниже кислотности задействованных нами суперкислот, предположение о возможности генерировании аналогичных дикатионов на поверхности твердой фазы на первый взгляд не выглядит реалистичным Тем не менее, строение этих кислот, с достаточно плотным расположением кислотных центров, может способствовать дипротонированию активируемой молекулы или ее координации с Льюисовым кислотным центром и последующему протонированию комплекса (цеолиты и ZrO^/SO/" обладают значительной Лырисовой кислотностью) К тому же, на цеолите возможна некоторая компенсация недостающей протонной кислотности за счет а) эффекта тесного пространства (confinement effect) и б) концертного механизма протонирования монокатиона (комплекса) за счет нуклеофильного содействия атомов кислорода на поверхности цеолита в переходном состоянии протонирования В качестве близкой аналогии можно сослаться на пример резкого ускорении H/D обмена в бензоле на D-цеолите при достижении температуры 120 °С (температурный скачок) именно за счет концертного механизма, в согласии с теоретическими расчетами (Haw J F Phys Chem Chem Phys 2002,4,5431) В связи с этим важно отметить, что в растворах протонирование бензола (генерирование

бензолониевого иона или H/H, H/D обмен) при низкой и комнатной температуре происходит лишь в сильнейших суперкислотах

Далее бьпа изучена возможность циклизации 1-фенил-2-пропен-1-онов (А-Е) в 1-инданоны (21) в присутствии твердых кислот Обычно эта реакция протекает только в суперкислых средах (Т Ohwada, К Shudo) или в очень жестких условиях, поскольку ключевыми интермедиатами являются дипротонированные формы предшественников

Нами установлено, что циклизация успешно реализуется при температуре около 130 "С в присутствии HUSY или сутьфата оксида циркония, а также с незначительным выходом при использовании гетеропочикислот Примечательно, что кетоны А и В подвергаются циклизации даже в присутствии каталитических количеств кислоты, тогда как кетоны С-Е реагируют только при >2 5-кратном избытке кистотных центров Полученные данные можно интерпретировать участием в качестве ключевых интермедиатов моно- и дипротонированных форм предшественников соответственно

HUSY 130 °С

А-Е

(Zr02 / SO4 ) растворитель

S-H

21

(С6Н6, CCI4, ) 70-95%

ключевые интермедиа™

Ph

Ph

С6Н4ОМе

<1 >2 5

необходимый избыток кислотных центров по отношению к субстрату

Аналогично можно обосновать и необходимость использования значительного - 10-кратного избытка кистотных центров для превращения кротоновой кистоты в соответствующие инданоны в реакции с толуолом или бензолом в присутствии [ШБУ

ООН

Циклизация фенилвинилкето нов в инданоны на цеолитах представляется перспективной для практических приложений Необходимость использовать в ряде случаев избыток кислотных центров на наш взгляд не является случайной и в соответствии с аналогичной закономерностью, отмеченной выше для других реакций, может быть интерпретирована с точки зрения ключевой роли дикатионной активации

Далее, на примере использования цеолита Н115У удалось показать, что в определенных условиях (более чем 5-кратный избыток кислотных центров) а,р-еноны и другие соединения способны подвергаться селективному ионному гидрированию в присутствии твердой кислоты, причем в строгом соответствии с результатами реакций, проведенных нами ранее с использованием суперкислот

РК Р11

РК р|1 ниву, р/ циклогексан

МеОСеНЦ

130 °С, 6-50 ч МеОСбН4

и

1

о

гА

Л

О 80%

в тех же условиях ОН

ОСг

20%

РК-

о о

МеОСбН4

МеОСеНд

И

О

X

РК-

N ОН

осх

н

15%

70 - 95%

МН2

Подводя итоги этого раздела, можно заключить, что для инициирования суперэлектрофильной (дикатионной) активации органических соединений среди

апробированных нами твердых кислот наиболее приемлемы Н-цеолиты и сернокисчый оксид циркония, взятые в достаточном избытке Продуцируемые на твердой кислоте "дикатионы", несмотря на значительную сольватацию анионной поверхностью, остаются достаточно электрофильны и реагируют с аренами (включая о-дихлоробензоч) и алканами (циклогексан) в строгой аналогии со сходными реакциями, протекающими в суперкислых средах Реакции имеют место лишь при температуре не ниже 120 °С (аналогия с температурным скачком НЯ) обмена в бензоле), что в ряде случаев накладывает некоторые ограничения, обусчовченные обратимостью реакций В отличие от использования гомогенных суперкислот, перспектива успешной разработки каталитического варианта суперэлектрофильной активации на твердых кислотах (например, на специально приготовленных цеочитах с ограниченной емкостью полостей), по-видимому, не имеет принципиальных ограничений

11 Реакции бензяльдегида с аренами и циклогексаном в суперкислотах и на цеолитах

При изучении суперэлектрофильной активации нередко возникает проблема неоднозначной интерпретации экспериментальных данных, когда постулируемая "дикатионная активация" предшественника в суперкисютах может быть поставлена под сомнение Ярким примером такого рода является (многократно цитируемая в обзорах!) интерпретация реакционной способности бензальдегида по отношению к ароматическим соединениям, а также интерпретация результатов некоторых похожих реакций

Классическая реакция бензальдегида с бензолом (гидроксиалкилирование) в присутствии избытка А1СЬ известна с 1886 г Первоначально образующийся дифенил метано ч быстро реагирует с другой мочекулой бензола, что приводит к основному продукту - трифенилметану Недавно эта же реакция была проведена в суперкислоте СРзБОзН (Н„ = -14 1), что привлекло значктечьное внимание исследователей благодаря предложенному авторами механизму, в котором ключевая роль отведена суперэлектрофильным интермедиагам А-С (01аЬ, РгаказЬ, 8Ьи(1о, ОЬ\уа(1а) Поскольку О-монопротонированный бензальдегид может быть получен уже при кислотности среды Н„ = -10, постепенное линейное повышение скорости реакции с дальнейшим ростом кислотности до Н0 = -18 (смеси СР3803Н с СРзСОгН, БЬРз и В(050зСТз)з) было объяснено генерированием и повышением концентрации дикатионов А-С Расчеты показали, что дикатионы А и В на 20 6 ккал/моль более стабильны, чем 0,0-дипротонированная форма

н*, С6Н6 Ph2CHOH -»- Pt^CH

С (Olah, Prakash) Тем не менее, отсутствие H/D обмена между ароматическими протонами бензальдегида и CF3SO3D побудили других авторов отвергнуть возможность участия в реакции 0,С-дипротонированных форм А и В и предложить дикатион С в качестве единственно возможного реакционноспособного ингермедиата (Shudo, Ohwada)

Мы заново изучили реакцию бензальдегида и ацетофенона с бензолом, а также с хлорбензолом, о-дихлорбензолом и циклогексаном, используя CF3SO3H, AICI3 и HUSY (20 - 150 °С) и выдвинули следующие аргуме1гты против участия дикатионов А-С в реакции с бензолом, в пользу ключевой роли О-монопротонированной формы предшественника.

1) Превращение бензальдегида в трифенилметан имеет место в присутствии HUSY-цеолита, кислотность которого, как уже упоминалось выше, оценивается всего лишь значением Н0 ~ -6 Поэтому генерирование О.О-дипротонированной формы С вряд ли возможно при использовании HUSY как по причине относительно низкой

• кислотности, так и вследствие строгой локализации отдельных кислотных центров на поверхности цеолита. Последнее не допускает двойного протонирования одного и того же атома

2) Даже при использовании сильнейших суперкислот, например HSCbF-SbFs, не было зафиксировано генерирования дикатионов С (так же, как впрочем, А и В) 0,0-Дипротонирование карбонильной группы требует преодоления значительного отталкивания одноименных зарядов и до сих пор не было зафиксировано в растворах суперкислот (в отличие, например, от 0,С-дипротонирования енонов)

+ + ОНО НС=ОН НС-°Н

ABC

3) Для таких потенциально сильных электрофитов как А-С можно ожидать легкую реакцию с о-дихлорбензолом или, по крайней мере, с хлорбензолом Однако, нами показано, что бензальдегид совсем не реагирует с о-дихлорбензолом, а с хлорбензолом реагирует только при температуре выше 100 °С в среде CF3SO3H или выше 150 "С на цеолите В отличие от этого, его изоэлектронный аналог - 3-пиридинкарбоксальдегид легко реагирует с этими же аренами и даже с шггробешолом в СГзБОзН через М,0-дипротонированную форму (Klumpp)

4) Ацетофенон, который должен заведомо легче подвергаться дипротонированию в тех же условиях, что и бензальдегид, согласно нашим данным, не реагирует ни с бензолом, ни с толуолом даже в 100-кратном мольном избытке CF3SO3H при температуре от 20 до 130 °С в течение нескольких часов

Наиболее вероятно, рост кислотности всего лишь содействует реакции относительно слабого (но все-таки реакционноспособного по отношению к бензоту) электрофила - О-протонированного бензальдегида - за счет протонирования интермедиата D

Следовательно, предварите чьного образования дикатионов А-С совсем не требуется для объяснения эффекта кислотности

Нами показано также, что бензальдегид и его изоэтектронный аналог - 3-пиридинкарбоксальдегид реагируют с циклогексаном Результаты реакций интерпретированы участием в качестве ключевых интермедиатов О-чоно- и N,0-дипротонированных форм соответственно

+Н

ОН

циклогексан, А)С13, ВО °С, или НиЭУ, 130 "С

циклогексан, СР3503Н-5ЬР6

А1С!3, 90 "С,

СН3

циклогексан

СН2ОН

СН20Н N ^

СН3

К

(СН3)1.3

СНз N

Предполагаемые ключевые интермедиаты

нс=о-х

нс-о-х

СвНц

-СеНц*

н2с-о-х

н+

Н2С-ОГ

-нох

X = Н или А1ПС13,

н,с

С6Н12 -СбН11+

СНз

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1 Разработана стратегия активации полифункциональных соединений (нафтолы, нафталицдиолы, хинолинолы, изохинолинолы, хинолин, изохинолин, а,р-непредельные кетоны, амиды и имиды) переводом в дикатионную форму путем протонирования или координации с кислотой Льюиса (суперэлектрофильная активация) для взаимодействия с аренами и алканами

2 Методом спектроскопии ЯМР 'Н и 13С показано, что в сильнейших суперкислотах, таких как НР-БЬРз-ЗСЪСП"', СРзЗОзН-ЗЬР} и др, нафтолы, гидрокси(изо)хинолины и а,р-еноны подвергаются дипротонированию с образованием "долгоживущих" С,С-, N,0- и 0,С-дипротонированных форм соответственно

3 Установлено, что ключевыми интермедиатами большинства изученных реакций (конденсации с аренами, внутримолекулярные циклизации и селективное ионное гидрирование алканами) являются соответствующие С,С-, 0,С-, N,0- или 0,042

дипротонированные формы исходных соединений или их аналоги - протонированные комплексы с кислотами Льюиса.

4 Выявлено соответствие региоселективности взаимодействия подвергаемых суперэтектрофильной активации соединений с аренами и алканами рассчитанному (ОРТ, \1ND0 и др) распределению положительного заряда и соотношению значений с,2 НВМО в дикатионных формах Тем самым заложена теоретическая основа предсказания реакционной способности широкого круга соединений в условиях их суперэтектрофильной активации

5 Разработан и введен в синтетическую практику основанный на суперэлектрофилыюй

активации метод ионного гидрирования нафточов, нафталиндиотов, хинолинотов, изохинолинолов, хинолина, изохинолина, а,р-непредельных кетонов, амидов и имидов алканами Метод характеризуется исключ!гтельной селективностью, а в случае использования галогенидов алюминия - прост в реализации, что открыло чегкий доступ к ряду труднодоступных иными путями важных для тонкого органического синтеза базовых соединений - (гидрокси)тетралонов, 5,6,7,8-тетрагидро(изо)хинолинов, фталимидина и др

6 Впервые осуществлены конденсации нафталиндиолов, хинолинолов, изохинолинолов, хинолина, изохинолина, а,Р-непредельных амидов и имидов с аренами, позволяющие получать ценные для органического синтеза интермедиаты, среди которых наибольший интерес представляют арил(гидрокси)тетралоны, арил(изо)хинолиноны, р-аричпропионамиды и 3-арилсукцинимиды

7 Продемонстрирована эффективность и универсальность замены традиционно применяемых для суперэлектрофильной активации протонных суперкислот избытком хлорида или бромида алюминия, что, благодаря доступности этих кислот Льюиса и простоте их использования, потенциально расширяет область применения разрабатываемого метода.

8 Впервые показана возможность суперэлектрофилыюй активации органических соединений регенерируемыми твердыми кислотами, в том числе Н-формами цеолитов, не явчяющимися суперкислотами, что имеет значение л-та лЯее"ет'е"'!." еоз- о;мюстл масштабирования и улучшения экологических характеристик метода На примере

таких реакций нафтолов и а,Р-енонов, как конденсация с аренами, ионное гидрирование алканами и внутримолекулярная циклизация, выявлена строгая аналогия результатов инициируемых твердыми кислотами реакций и результатов аналогичных превращений, протекающих в традиционных суперкислых средах

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ ИЗЛОЖЕНЫ В СЛЕДУЮЩИХ ПУБЛИКАЦИЯХ:

1 Репинская И Б, Шакиров М М , Колтунов К Ю, Коптюг В А Взаимодействие фенолов и их производных с ароматическими соединениями в присутствии кислотных агентов IX Моно- и дипротонирование производных 1-нафтола в сильных кислотах //ЖОрХ 1988 Т 24 Вып 9 С 1907-1916

2 Колтунов К Ю, Шакиров М М, Репинская И Б, Коптюг В А 0,С-Дипротонированные форомы а, р-непредельных кетонов // ЖОрХ 1991 Т 27 Вып 12 С 2662-2663

3 Репинская И Б , Шакиров М М, Колтунов К Ю , Коптюг В А Взаимодействие фенолов и их производных с ароматическими соединениями в присутствии кислотных агентов X Поворотная изомерия в ряду 2-метоксинафталинониевых-1-ионов //ЖОрХ 1992 Т 28 Вып 5 С 1005-1012

4 Репинская И Б, Колтунов К Ю, Шакиров М М, Коптюг В А Взаимодействие фенолов и их производных с ароматическими соединениями в присутствии кислотных агентов XI Дипротонирование производных 2-нафтола в сильных кислотах //ЖОрХ 1992 Т 28 Вып 5 С 1013-1023

5 Репинская И Б, Колтунов К Ю, Шакиров М М, Щеголева Л Н , Коптюг В А Взаимодействие фенолов и их производных с ароматическими соединениями в присутствии кислотных агентов XII О механизме конденсации производных I-нафтола с ароматическими соединениями //ЖОрХ 1993 Т 29 Вып 5 С 972-981

6 . Репинская ИБ, Колтунов КЮ Конденсация 1-нафтола с о-дихлорбензолом в

присутствии галогенидов алюминия // Изв СО РАН, отд химии 1993 Вып 3 С 7377

7 Колтунов К Ю , Репинская И Б, Шакиров М М, Щеголева Л Н Взаимодействие фенолов и их производных с ароматическими соединениями в присутствии кислотных агентов XIII Реакция производных 2-нафтола с бензолом Региоселективностьимехшшзмреакции //ЖОрХ 1994 Т 30 Вып 1 С 82-89

8 Колтунов К Ю, Репинская И Б Взаимодействие фенолов и их производных с ароматическими соединениями в присутствии кислотных агентов XIV

Протонирование а,Р-епонов в суперкислой среде HF-SbF5-S02ClF //ЖОрХ 1994 Т 30 Вып 1 С 90-93

9 Колтунов К Ю, Репинская И Б Ионное гидрирование 1-нафточа метилциклопентаном и циклогексаном в присутствии галогенидов алюминия // ЖОрХ 1995 Т 31 Вып 10 С 1579

10 Колтунов К Ю , Репинская И Б Ионное гидрирование окиси мезитила циклогексаном в присутствии хлорида алюминия //ЖОрХ 1995 Т 31 Вып 11 С 1723

11 Колтунов К Ю, Субботина Э Н, Репинская И Б Ионное гидрирование производных 1-нафтола алканами в присутствии галогенидов алюминия // ЖОрХ 1997 Т 33 Вып 5 С 750-754

12 Копунов КЮ, Шакиров ММ, Репинская И Б Региосетективность ионного гидрирования производных 1-нафтота алканами в присутствии хлорида алюминия // ЖОрХ 1998 Т 34 Вып 4 С 630-631

13 Коттунов К Ю, Осташевская Л А, Репинская И Б Ионное гидрирование 2-нафтола и 1,7-дигидроксинафталина циклогексаном в присутствии галогенидов алюминия // ЖОрХ 1998 Т 34 Вып 12 С 1870-1871

14 Колтунов К Ю, Репинская И Б Гидридное восстановление 8-гидрокснхиночина циклогексаном в кислотной системе CFsSOsH-SbFs //ЖОрХ 2000 Т 36 Вып 3 С 464-465

15 Осташевская Л А, Колтунов КЮ, Репинская И Б Реакция ионного гидрирования дигидроксинафталинов циклогексаном в присутствии бромида алюминия // ЖОрХ 2000 Т 36 Вып 10 С 1511-1514

16 Котгунов КЮ, Репинская ИБ, Бородкин Г И Ионное гидрирование а,р-енонов циклогексаном в присутствии галогенидов алюминия //ЖОрХ 2001 Т 37 Вып 11, С 1610-1617

17 Колтунов КЮ, Репинская И Б Суперэлектрофильная активация 8-гидроксихинолина в кислых средах и его взаимодействие со слабыми нуклеофилами //ЖОрХ 2002 Т 38 Вып 3 С 457-463

18 Koltunov KYu, Prakash GKS, Rasul G, Olah GA Reactions of 5-, 6-, 7-, 8-Hydroxyquinolmes and 5-Hydroxyisoquinohne with Benzene and Cyclohexane in Superacids Hi Org Chem 2002 Vol 67 № 12 P 4330-4336

19 Koltunov КYu, Prakash GKS, Rasul G, Olah GA Superacid catalyzed reactions of5-amino-l-naphthol with benzene and cyclohexane //Tetrahedron 2002 Vol 58 №27 P 5473-5426

20 Koltunov К Yu, Prakash G К S, Rasul G , Olah G A Superacidic Activation of 1- and 3-Isoquinohnols m Superacids and Their Electrophilic Reactions // J Org Chem 2002 Vol 67 №25 P 8943-8951

21 Koltunov К Yu, Prakash G К S, Rasul G , Olah G A Reactions of 2-, 3-, and 4-qumolinols with cyclohexane and benzene in superacids // Heterocycles 2004 Vol 62 P 757-772

22 Koltunov К Yu, Walspurger S , Sommer J Fnedel-Crafts alkylation of benzene with a,p-unsaturated amides // Tetrahedron Lett 2004 Vol 45 P 3547-3549

23 Koltunov К Yu, Walspurger S , Sommer J Superelectrophilic activation of polyfunctional organic compounds using zeolites and other solid acids //Chem Commun 2004 Vol 15 P 1754-1755

24 Koltunov К Yu, Walspurger S , Sommer J Superacidic activation of a,p-unsaturated amides and their electrophilic reactions II Europ J Org Chem 2004 Vol 19 P 40394047

25 Koltunov К Yu, Walspurger S , Sommer J Superacid and H-zeohte mediated reactions of benzaldehyde with aromatic compounds and cyclohexane The role of mono- and dicationic intermediates // Catal Lett 2004 Vol 98 P 89-94

26 Koltunov К Yu, Walspurger S , Sommer J Cyclization of l-Phenyl-2-propen-l-ones into 1-Indanones Using H-Zeolite and other solid acids The Role of Mono- and Dicationic Intermediates //Tetrahedron Lett 2005 Vol 46 P 8391-8394

27 Koltunov К Yu , Walspurger S , Sommer J Selective, C,C-Double Bond Reduction of a,p-Unsaturated Carbonyl Compounds with Cyclohexane Using Zeolites // J Mol Catal A 2006 Vol 245 P 231-234

28 Koltunov К Yu, Prakash G К S, Rasul G, Olah G A Superacidic Activation of Maleimide and Phthalimide and Their Reactions with Cyclohexane and Aromatic Compounds // Europ J Org Chem 2006 Vol 21 P 4861-4866

29 Koltunov К Yu, Prakash G К S, Rasul G, Olah G A Superacidic Activation of Qumolme • and Isoquinoline, Their Reactions with Cyclohexane and Benzene // J Org Chem 2007

Vol 72 № 19 P 7394-7397

30 Koltunov К Yu Superacidic and HUSY-Zeolite Activation of 1,3-Indandione Reactions with Benzene and Cyclohexane //Tetrahedron Lett 2007 Vol 48 P 5631-5634

31 Шушарина E A, Колтунов К Ю, Громилов С А, Смоленцев А И Кристаллическая

структура 6,11-дигидро-б,11-метано-5Н-бензо[5,6]циклогеггга[1,2-Ь]пиридинола-11 IIЖ струкг химии 2008 Т 49 №4 С 757-758

32 Koltunov K Yu Condensation of Naphthalenediols with Benzene in the Presence of Aluminum Bromide An Efficient Synthesis of 5-, 6-, and 7-Hydroxy-4-phenyl-l- and 2-tetralones //Tetrahedron Lett 2008 Vol 49 P 3891-3894

Публикации в сборниках тезисов конференций

33 Колтунов КЮ, Репинская И Б К вопросу о получении дикето-форм 1,4- и 1,2-

нафтогидрохинонов //Тезисы докладоз Всесоюзной конференции по химии хинонов и хиноидных соединений Новосибирск НИОХ 1991 С 226

34 Колтунов К Ю , Репинская И Б Роль дикатионных форм производных 1- и 2-нафтотов

в реакциях конденсации с ароматическими соединениями // Тезисы докладов Первой Всесоюзной конференции по теоретической органической химии Волгоград ВАТОХ 1991 С 271

35 Котгунов К Ю, Репинская И Б Ионное гидрирование 8-гидроксихинолина циклогексаном в кислотной системе CF3S03li-SbF5 // Тезисы докладов Первой Всероссийской конференции по химии гетероциклов (памяти А Н Коста) Суздаль 2000 С 225

36 Колтунов КЮ, Репинская И Б Суперэлектрофильная активация 8-оксихинолина в реакциях с алканами и аренами - новый способ модификации азотсодержащих гетероциклов // Тезисы докладов международной конференции "Химия и биологическая активность синтетических и природных соединений" в сборнике «Азотистые гетероциклы и алкалоиды» Т 2 Москва. 2001 С 154

37 Колтунов КЮ 6,8-о-Бензоло-5,6,7-тригидро-8-оксихинолин // Тезисы докладов международной конференции "Химия и биологическая активность синтетических и природных соединений" в сборнике «Азотистые гетероциклы и алкалоиды» Т 2 Москва 2001 С 402

38 Колтунов К Ю , Репинская И Б Суперэлектрофильная активация а,р-ненасыщенных

кетонов в реакциях с алканами // Тезисы докладов международной конференции "Современные проблемы органической химии" Новосибирск 2001 С 56

39 Котгунов К Ю, Репинская И Б Генерирование дипротонированных форм на основе 8-гидроксихинолина в кислотной системе CF3SOiH-SbF5 и его взаимодействие с циклогексаном и бензолом // Тезисы докладов международной конференции "Современные проблемы органической химии" Новосибирск 2001 С 57

40 Репинская И Б, Колтунов К Ю Дикатионоидная активация ненасыщенных соединений как новый полхол к увеличению реакц!*о"Усй счсссбпсгп; сргапичсских соединений по отношению к слабым нуклеофилам // Тезисы докладов

международной конференции "Современные проблемы органической химии" Новосибирск 2001 С 28 41 Walspurger S , Koltunov К Yu, Somraer J Superelectrophilic activation of polyfunctional organic compounds using zeolites // 5th International Symposium on Acid Base Catalysis Maniott Casa Magna, Puerto Vallarta, Mexico 2005 P 89-90

Подписано в печать 24 06 2008 Заказ № 59 Формат 60x84/16 Уел печ лист 2 Тираж 100 экз

Типография Института катализа им Г К Борескова СО РАН 630090, г Новосибирск, проспект академика Лаврентьева, 5

ВВЕДЕНИЕ

СУПЕРЭЛЕКТРОФИЛЬНАЯ АКТИВАЦИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ В

РЕАКЦИЯХ С НУКЛЕОФИЛЬНЫМИ РЕАГЕНТАМИ (Литературная справка)

ГЛАВА 1. РЕАКЦИОННАЯ СПОСОБНОСТЬ 1-НАФТОЛОВ В СУПЕРКИСЛЫХ СРЕДАХ

§ 1. Введение---------------,

§ 2. Моно и дипротонирование производных 1-нафтола в суперкислотах

§ 3. Теоретические оценки реакционной способности (супер)электрофильных интермедиатов в ряду производных 1-нафтола

§ 4. Реакции 1-нафтола и его производных с аренами в среде протонных суперкислот и в присутствии галогенидов алюминия

§ 5. Реакции 1-нафтола и его производных с алканами в присутствии галогенидов алюминия и в среде протонных суперкислот

§ 6. Реакции с другими нуклеофилами и некоторые синтетические приложения

ГЛАВА 2. РЕАКЦИОННАЯ СПОСОБНОСТЬ 2-НАФТОЛОВ В СУПЕРКИСЛЫХ СРЕДАХ

§ 1. Введение.

§ 2. Моно и дипротонирование 2-нафтола и его производных в суперкислотах

§ 3. Теоретические оценки реакционной способности (супер)электрофильных интермедиатов в ряду производных 2-нафтола

§ 4. Реакции 2-нафтола и его производных с аренами в присутствии галогенидов алюминия и в среде протонных суперкислот

§ 5. Реакции 2-нафтола и его производных с алканами в присутствии галогенидов алюминия и в среде протонных суперкислот

ГЛАВА 3. РЕАКЦИОННАЯ СПОСОБНОСТЬ ДИГИДРОКСИНАФТАЛИНОВ В СУПЕРКИСЛЫХ СРЕДАХ

§ 1. Введение-----------------------------------------------------------------------------—

§ 2. Реакции дигидроксинафталинов с аренами в присутствии галогенидов алюминия—

§ 3. Реакции дигидроксинафталинов с циклогексаном в присутствии галогенидов алюминия.

ГЛАВА 4. РЕАКЦИОННАЯ СПОСОБНОСТЬ 5-АМИНО-1-НАФТОЛА В СУПЕРКИСЛЫХ СРЕДАХ

§1. Введение

§ 2. Дипротонирование 5-амино-1-нафтола в суперкислотах и оценка реакционной способности генерированного дикатиона

§ 3. Реакции 5-амино-1-нафтола с бензолом и циклогексаном в присутствии галогенидов алюминия

ГЛАВА 5. РЕАКЦИОННАЯ СПОСОБНОСТЬ ГИДРОКСИХИНОЛИНОВ И ГИДРОКСИИЗОХИНОЛИНОВ В СУПЕРКИСЛЫХ СРЕДАХ

§ 1. Введение

§ 2. Электрофильная активация 8-гидроксихинолина в суперкислых средах и его реакции с аренами и циклогексаном

§ 3. Суперкислотная активация 5-, 6-, 7-гидроксихинолинов и 5-гидроксиизохинолина.

Реакции с бензолом и циклогексаном

§ 4. Суперкислотная активация 1- и 3-гидроксиизохинолинов. Реакции с бензолом и циклогексаном

§ 5. Суперкислотная активация 2-, 3- и 4-гидроксихинолинов. Реакции с бензолом и циклогексаном

ГЛАВА 6. РЕАКЦИОННАЯ СПОСОБНОСТЬ ХИНОЛИНА И ИЗОХИНОЛИНА В СУПЕРКИСЛЫХ СРЕДАХ

§ 1. Введение

§ 2. Поведение хинолина и изохинолина в суперкислотах и теоретические оценки реакционной способности возможных дипротонированных форм.

§ 3. Реакции хинолина и изохинолина с бензолом и циклогексаном в суперкислых средах

ГЛАВА 7. РЕАКЦИОННАЯ СПОСОБНОСТЬ а,р-НЕНАСЫЩЕННЫХ КЕТОНОВ В СУПЕРКИСЛЫХ СРЕДАХ

§ 1. Введение

§ 2. Дипротонирование а,р-ненасыщенных кетонов в суперкислотах

§ 3. Теоретические оценки реакционной способности (супер)электрофильных интермедиатов в ряду а,Р-ненасыщенных кетонов

§ 4. Реакции а,р-ненасыщенных кетонов с алканами в присутствии галогенидов алюминия и в среде протонных суперкислот

ГЛАВА 8. РЕАКЦИОННАЯ СПОСОБНОСТЬ а,р-НЕНАСЫЩЕННЫХ АМИДОВ В СУПЕРКИСЛЫХ СРЕДАХ

§1. Введение

§ 2. Реакции а,р-ненасыщенных амидов с аренами и циклогексаном в присутствии галогенидов алюминия и в среде протонных суперкислот

§ 3. Moho и дипротонирование а,р-ненасыщенных амидов в суперкислотах

ГЛАВА 9. РЕАКЦИОННАЯ СПОСОБНОСТЬ МАЛЕИМИДА, ФТАЛИМИДА И 1,3-ИНДАНДИОНА В СУПЕРКИСЛЫХ СРЕДАХ

§ 1. Введение

§ 2. Теоретические оценки реакционной способности дипротонированных форм малеимида и фталимида

§ 3. Реакции малеинимида, фталимида и 1,3-индандиона с аренами и циклогексаном в присутствии галогенидов алюминия и в среде протонных суперкислот

ГЛАВА 10. СУПЕРЭЛЕКТРОФИЛЬНАЯ АКТИВАЦИЯ ПОЛИФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ ТВЕРДЫМИ КИСЛОТАМИ

§ 1. Введение

§ 2. Краткие сведения о некоторых твердых кислотах

§ 3. Реакции ароматического электрофильного замещения

§ 4. Циклизация 1-фенил-2-пропен-1-онов в 1-инданоны

§ 5. Ионное гидрирование циклогексаном на цеолитах

ГЛАВА 11. РЕАКЦИИ БЕНЗАЛЬДЕГИДА С АРЕНАМИ И ЦИКЛОГЕКСАНОМ В СУПЕРКИСЛОТАХ И НА ЦЕОЛИТАХ

§ 1. Введение

§ 2. Реакции с аренами -------------------------------------—

§ 3. Реакции с алканами

§ 4. Примеры аналогичных реакций

ГЛАВА 12. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Приборы

Квантово-химические расчеты

Исходные соединения

Приготовление солей ионов (общая методика)

Взаимодействие дикатионов 4г,е,и,к и 27д,ж с бензолом

Взаимодействие производных 1-нафтола с бензолом

Взаимодействие производных 1-нафтола с алканами

Взаимодействие производных 2-нафтола с бензолом

Взаимодействие 2-нафтола с циклогексаном

Реакции нафталиндиолов 38а-в,д,е с бензолом

Реакции нафталиндиолов 38а-в с o-дихлорбензолом.

Реакции нафталиндиолов 38а-в,д,е с циклогексаном в присутствии А1Вгз

Реакции нафталиндиолов 38а-в,д,е с циклогексаном в присутствии А1С1з

Реакции 5-амино-1-нафтола 44

Реакции 8-гидроксихинолина 50

Реакции хинолинолов 59-61 и изохинолинола 62

Реакции изохинолинолов 74 и 75—

Реакции хинолинолов 94-96

Реакции хинолина (118) и изохинолина (119)

Реакции а,{3-непредельных кетонов

Реакции а,(3-непредельных амидов

Реакции имидов 194,195,198 и фталимида калия (208)

Реакции 1,3-индандиона 196.

Реакции в присутствии твердых кислот

Реакции бензальдегида 226 и 3-пиридинкарбоксальдегида 234

INADEQUATE (13С - 13С корреляция) спектр цис-120

Рентгеноструктурный анализ соединения 58 и солей цис-120 и транс-121

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ РАБОТЫ -------------------------.

Предыстория. Систематическое изучение реакционной способности комплексов фенолов с кислотами Льюиса, предпринятое с конца 60-х годов XX столетия В.А. Коптюгом с сотрудниками, дало важные результаты. В частности было показано, что одно- и многоатомные фенолы, а также 1- и 2-нафтолы легко образуют комплексы таутомерных кето-форм с бромидом или хлоридом алюминия, которые затем гладко реагируют с аренами [1-4]. С хорошим выходом были получены разнообразные, трудно доступные другим путем продукты конденсации — арилциклогексеноны, тетралоны и др. Роль генерированных комплексов как ключевых реакционноспособных интермедиатов реакций на начальном этапе исследований не вызывала сомнений [1]. Однако позднее пришлось искать объяснение ряду непонятных в рамках таких представлений фактов: "аномальная" региоселективность реакции 1-нафтола с бензолом, необходимость использования более чем 2-х кратного избытка галогенида алюминия, значительное ускорение реакций введением в реакционную среду НС1 или НВг и, наконец, аналогичная реакционная способность фенолов в среде сильнейших протонных суперкислот, например в системе НР-8ЬР5, при полной инертности в системах несколько менее кислых, но вполне достаточных для исчерпывающего монопротонирования предшественников.

Начало исследования. К моменту "подключения" автора к данной области исследований под руководством И.Б. Репинской и В.А. Коптюга в середине 80-х годов прошлого столетия в целом уже было осознано, что ключевые интермедиаты, возможно, имеют другую природу, нежели комплексы кето-форм или их аналоги - С-монопротонированные формы предшественников [5]. Уже в первой совместной публикации нами была показана возможность генерирования в суперкислотах "долгоживущих" С,С-дипротонированных форм производных 1-нафтола [6]. Несколько позднее были генерированы дипротонированные формы а,р-непредельных кетонов [7], а также 2-нафтола и его производных [8]. Таким образом, были получены веские доводы для рассмотрения дипротонированных форм нафтолов и других предшественников в качестве более вероятных ключевых интермедиатов в реакциях с аренами.

Опыт других научных школ. В то же время, на рубеже 80-90-х, группа японских исследователей под руководством К. ЭИисЬ и Т. ОИ\уас1а на основании кинетических данных выдвинула идею об участии в суперкислотах 0,0-дипротонированных форм а,Р-непредельных карбонильных соединений в реакции с бензолом [9]. Это отчасти соответствовало и нашим представлениям о реакционной способности а,р-енонов, за исключением гипотезы о строении дикатионов, поскольку нами были генерированы 0,С-, а не 0,0-дипротонированные формы [7,10]. Одновременно во Франции под руководством J.-C. Jacquesy проводились исследования по использованию суперкислот в фармацевтической (медицинской) химии. В опубликованных им работах также неоднократно постулировалось вовлечение в реакцию дипротонированных форм предшественников, в том числе а,р-непредельных кетонов и одноатомных фенолов [11].

Таким образом, к началу 90-х стало очевидно, что некоторые реакции, протекающие в сильных кислотах или суперкислых средах, оказываются возможными лишь при условии in situ генерирования дикатионных (дипротонированных) интермедиатов. Однако последние, особенно дикатионы с высокой степенью локализации заряда (вследствие малых размеров и/или сопряженной л-системы), традиционно воспринимались лишь как с трудом генерируемые "экзотические" частицы, редко имеющие отношение к синтетической органической химии [12-16]. В 1993 г. G.A. Olah опубликовал своевременный обзор, в котором было дано определение суперэлектрофильной активации для многозарядных катионов с повышенной реакционной способностью и обоснована необходимость применения суперкислот для их генерирования [17].

В общем случае введение в молекулу каждого следующего положительного заряда осуществляется труднее, чем предыдущего [12]. Обычно дипротонированные суперэлектрофилы продуцируются лишь при условии увеличения кислотности среды на несколько порядков (понижение значения функции кислотности Гаммета Н0 на несколько единиц) по сравнению с кислотностью, необходимой для исчерпывающего монопротонирования нейтрального предшественника. Следовательно, недостаточная сила кислоты является основным фактором, сдерживающим успешную реализацию реакций, протекающих через суперэлектрофильные интермедиаты, что согласуется с многочисленными экспериментальными примерами. Типична, например, полная потеря реакционной способности субстрата даже при незначительном понижении кислотности среды в случае попадания в нее следов воды и других оснований, несмотря на предполагаемую "компенсацию" за счет увеличения времени или температуры реакции. Как следствие, другой важной особенностью реакций, инициируемых суперкислотами и протекающих через суперэлектрофильные интермедиаты, является невозможность их проведения при использовании эквимолярных и тем более каталитических количеств (супер)кислоты. В отличие от этого, активация соединений, достигаемая монопротонированием, обычно не имеет подобных ограничений и часто реализуется в каталитическом варианте.

Недавно опубликованы новые обзоры по суперэлектрофильной активации и возможности суперэлектрофильной сольватации в суперкислотах [18-19]. Следует также отметить, что благодаря деятельности ряда научных групп, главным образом под руководством таких исследователей как в.А. 01аЬ, О.К.З. РгакавЬ, Б. К1ишрр (США), 1.-С. Jacquesy, .Г.-М. Сонате! (Франция), К. Shudo и Т. 011\уас1а (Япония), метод суперэлектрофильной активации полифункциональных органических соединений приобретает широкую известность и начинает занимать достойное место в органическом синтезе.

Основные направления работы. В настоящей работе представлены результаты нашего вклада в данную область исследований. Начав с изучения реакционной способности нафтолов, активированных суперкислотами, по отношению к таким нуклеофилам, как бензол и его производные, были развиты следующие направления: а) расширен круг нуклеофильных реагентов - изучена возможность реакции с рядом таких слабых и сверхслабых нуклеофилов, как дезактивированные арены, алканы и другие соединения; б) расширен круг субстратов - в качестве соединений, способных подвергаться суперэлектрофильной активации, сначала были апробированы "другие нафтолы" -дигидроксинафталины, 5-амино-1 -нафтол, затем гидроксихинолины, гидроксиизохиноли-ны, а также родственные хинолин, изохинолин, а,р-непредельные кетоны,, амиды и имиды; в) проведен первичный мониторинг более приемлемых с практической точки зрения кислот и кислотных систем, способных заменить обычные гомогенные суперкислотные системы для инициирования суперэлектрофильной активации.

В двух первых главах изложены основные результаты систематического изучения реакционной способности 1-й 2-нафтолов и их производных по отношению к аренам, а также алканам. Последние оказались удобными восстанавливающими реагентами по отношению к дикатионным интермедиатам. Под систематичностью подразумевается изучение реакционной способности по следующей общей схеме:

1) генерирование в суперкислотах дипротонированных форм субстрата (нафтолы в данном случае) в условиях "долгой жизни" и изучение их строения методом ЯМР 1Н и 13С;

2) теоретическая оценка (квантово-химическиие расчеты и др.) реакционной способности дикатионов - их электрофильности и ожидаемой региоселективности в реакциях с нуклеофилами;

3) экспериментальное изучение реакционной способности субстрата по отношению к бензолу и ряду его производных в среде протонных суперкислот и в присутствии галогенидов алюминия;

4) изучение реакций субстрата с алканами в присутствии галогенидов алюминия, а так же в среде протонных суперкислот.

В главах 3-9 изложены результаты аналогичного исследования реакционной способности изомерных дигидроксинафталинов, 5-амино-1-нафтола, гидроксихинолинов, гидроксиизохинолинов, а также хинолина, изохинолина и а,р-непредельных кетонов, амидов и имидов. Показана универсальность и продуктивность выработанного системного подхода к изучению реакционной способности соединений, для которых возможна дикатионная (суперэлектрофильная) активация. Открыты легко реализуемые реакции на основе доступных реагентов, которые могут быть использованы для синтеза новых соединений или продуктов, обычно получаемых в результате дорогостоящих многостадийных синтезов. Показано также, что результаты относительно несложных теоретических оценок электрофильности и других свойств дикатионных интермедиатов в рамках методов МЫБО или БРТ строго соответствуют реакционной способности соответствующих субстратов, установленной экспериментально. Это позволяет надеяться на применимость подобных расчетов для теоретического прогнозирования реакционной способности широкого круга органических соединений — потенциальных предшественников дикатионов.

Как было отмечено выше, для достижения суперэлектрофильной активации полифункциональных соединений типично используются лишь протонные суперкислоты, взятые к тому же в большом избытке. Это может ограничить широкое применение таких реакций в органическом синтезе. Однако нами продемонстрирована высокая эффективность и универсальность использования с тою же целью некоторого избытка "безводного" хлорида или бромида алюминия, промотированных следами воды (источник протонной суперкислотности), что, учитывая относительную доступность галогенидов алюминия, особенно А1С1з, может способствовать практическому применению результатов нашей работы. Более того, в главе 10 нами впервые показана возможность суперэлектрофильной активации не только в суперкислых средах, но и в присутствии доступных, легко регенерируемых твердых кислот, в том числе таких, кислотные центры которых не являются суперкислотными. Показано, например, что на Н-формах цеолитов, кислотность которых сопоставима с кислотностью 70% серной кислоты (Н0 ~ -6), протекают реакции, реализуемые в гомогенных средах лишь при достижении кислотности на много порядков выше (Н0 —18).

Наконец, в 11 главе изложена новая точка зрения на механизм "классической" реакции бензальдегида с бензолом и реакционную способность некоторых других соединений в суперкислотах. Критически рассмотрена возможность дикатионной активации, как бензальдегида, так и ряда других предшественников, постулированная ранее другими исследователями и затем неоднократно цитируемая в литературе. Делается вывод о признаках, отличающих реакции, действительно протекающие через суперэлектрофильные интермедиаты (дикатионы), от кинетически похожих реакций, но реально протекающих через монокатионы и лишь ускоряемых с ростом кислотности.

Учитывая доступность упомянутых обзорных работ [17-19] и то, что совсем недавно в свет вышла книга Дж. Ола и Д. Клампа «Superelectrophiles and Their Chemistry» [20], принимая во внимание их современность и широту охвата сведений по суперэлектрофильной активации как органических, так и неорганических соединений, выделение отдельной главы, включающей аналогичные литературные данные в полном объеме, сочтено нецелесообразным. Однако в начале работы приводится литературная справка, в которой рассмотрены наиболее близкие по тематике литературные данные на момент начала работы и результаты, появившиеся параллельно с нашими исследованиями. Кроме того, там, где это необходимо, литературные сведения привлекаются при обсуждении полученных результатов.

Основная часть работы выполнена в Новосибирском государственном университете, на кафедре органической химии, а также в Новосибирском институте органической химии и Институте катализа СО РАН. Часть результатов получена в Южнокалифорнийском университете (Лос-Анджелес, США) и университете Луи Пастера (Страсбург, Франция). Автор выражает глубокую благодарность учителям и коллегам, в соавторстве с которыми проведена эта исследовательская работа - И.Б. Репинской, В.А. Коптюгу, М.М. Шакирову, Л.Н. Щеголевой, Э.Н.Субботиной, Л.А. Осташевской, Г.И. Бородкину, Д. Ола (G.A. Olah), С. Пракашу (G.K.S. Prakash), Г. Расулу (G. Rasul), Ж. Соммеру (J. Sommer), С. Вальспуржеру (S. Walspurger), а также профессорам В.Д. Штейнгарцу, Д. Клампу (D. Klumpp) и Т. Охвада (T. Ohwada) за высказанные замечания и полезные дискуссии.

СУПЕРЭЛЕКТРОФИЛЬНАЯ АКТИВАЦИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ В РЕАКЦИЯХ С НУКЛЕОФИЛЬНЫМИ РЕАГЕНТАМИ

Литературная справка)

Представленная диссертация является обобщением результатов систематического исследования суперэлектрофильной активации ряда полифункциональных соединений (нафтолы, еноны, гидрокси(изо)хинолины и др.). Очевидно, что для оценки значимости полученных результатов и их месте в ряду аналогичных исследований важно иметь цельное представление о том, в каком состоянии была эта область на момент начала работы, а также какой основной вклад внесен в нее другими исследователями параллельно с нами. Данная литературная справка призвана лишь сформировать представление об этом, и не претендует на роль всеобъемлющего литературного обзора, поскольку, как было отмечено во введении, по этой тематике уже имеется ряд современных обзорных работ [17-20].

Состояние области исследования на момент начала работы

К началу данной работы сведения, относящиеся к суперэлектрофильной активации органических соединений, были представлены в некоторых обзорах, в которых преимущественно были рассмотрены способы генерирования и обобщены результаты изучения строения (карбо)дикатионов спектральными методами [12-13]. Кроме того, в ряде обзоров были собраны данные о строении, относительной стабильности, а также результаты квантово-химических расчетов дикатионов, зафиксированных масс-спектрометрически [14-16].

Сведения о реакционной способности суперэлектрофилов были представлены в литературе в незначительном объеме и часто являлись побочными результатами исследований [12-16]. Впервые целенаправленный анализ литературных данных о реакциях суперэлектрофилов, как было сказано выше, осуществлен Д. Ола в 1993 г [17], т.е. уже после начала нашей работы.

Следует отметить, что возможность экспериментального изучения реакционной способности суперэлектрофилов существенно ограничена их нестабильностью и, как следствие, трудностью генерирования в условиях "долгой жизни". Тем не менее, большое число (карбо)дикатионов удалось генерировать химическим окислением полициклических ароматических соединений пентафторидом сурьмы или суперкислотами ЫЗОзР, НБОзР-БЬБз и НР-8ЬР5, выступающими в роли окислителей, в растворителях с низкой нуклеофильностью, таких, как БОгС^ или ЭОг в интервале температур от 0 до -120 °С. Использование более высокой температуры приводит к деструкции, полимеризации и другим побочным процессам. Анодное окисление (иногда с последующим химическим) в полярных апротонных растворителях (нитрилы, нитросоединения) также часто используется в качестве способа генерирования дикатионов. Другим важным способом, имеющим непосредственное отношение к теме настоящей работы, является дипротонирование субстрата в суперкислых средах при низких температурах.

Изучение реакционной способности суперэлектрофилов в тех случаях, когда их удается генерировать, часто ограничено агрессивностью среды по отношению к добавляемому реагенту, его низкой растворимостью или побочными превращениями. По указанным причинам имевшиеся в литературе сведения о реакциях суперэлектрофильных интермедиатов в основном относились к внутримолекулярным циклизациям, перегруппировкам или депротонированию. По тем же причинам образвание суперэлектрофилов часто лишь постулировалось для одной из стадий реакции (как правило — ключевой) на основе косвенных данных (направление, скорость реакции и т.п.).

В данный раздел не вошло рассмотрение реакционной способности дикатионов, (карбо)катионные центры которых не включены в сопряженную систему связей или разделены более, чем одним или двумя насыщенными атомами углерода, т.е. дикатионов, не проявляющих суперэлектрофильные свойства по причине слабого воздействия электрофильных центров друг на друга [21]. Не рассмотрено также депротонирование > суперэлектрофилов и превращения, протекающие через промежуточное образование дикатионных ст-комплексов (H/D обмен, нитрование и другие реакции электрофильного замещения в (гетеро)аренах),* т.е. реакционная способность дикатионов, не имеющая -прямого отношения к теме диссертации. Для удобства рассмотрения и систематизации литературных данных этот раздел разбит на отдельные части по типам реакций, в которых принимают участие суперэлектрофильные интермедиаты. Сначала рассмотрены некоторые перегруппировки суперэлектрофилов (поскольку реакции такого типа могут сопутствовать взаимодействию с нуклеофилами), затем реакции, отражающие их электрофильные свойства по отношению к таким реагентам, как спирты, карбоновые кислоты, вода, ароматические соединения, алканы, молекулярный водород и монооксид углерода.

Перегруппировки. Начиная с конца 60-х годов прошлого века для ряда катионотропных перегруппировок стали предлагать механизмы, включающие на одной из стадий участие дикатионных интермедиатов. Так, дикатион I предположительно является интермедиатом Сведения об этих реакциях можно найти в обзорах [12,13]. превращения циклогекеен-2-она в З-метилциклопентен-2-он, протекающего в кислотной системе НР-БЬРб при комнатной температуре или в Н80зР-8ЬР5 при 130 °С [22]. Это предположение хорошо согласуется с влиянием кислотности на результат реакции. Считают так же, что аналогично протекают превращения циклопентен-3-она, а также циклопентен-1-ил- и циклопентен-2-илацетонов в изомерные а,р-непредельные кетоны — через дикатионы II и III, соответственно [23]. Однако генерировать дикатионы типа 1-Ш протонированием а,р-енонов к тому времени еще не удалось (ср. Гл. 7).

О ОН 1. Перегруп

2Н+ пировка

2. -2Н СН + +

О ОН он он о

Как полагают, протекающие в суперкислотах превращения некоторых у-хлорзамещенных хлорангидридов карбоновых кислот в а,Р- и р,у-непредельные ацильные катионы включает промежуточное образование и последующую перегруппировку дикатионов. Так, дехлорирование З-хлор-2-метилбутирилхлорида дает дикатион IV, претерпевающий перегруппировку в дикатионы V и VI [24]. Обнаружить дикатионы IV-VI методом ЯМР не удалось.

О О

Для кислотно-катализируемых превращений фенолов в изомерные диеноны и обратно предложен механизм реакции, включающий промежуточное образование дикатионов и их депротонирование [25-27]. В частности, показано, что ряд производных стерона типа VII и стероидов типа VIII, а также модельные бициклические фенолы IX, X в кислотных системах НЗОзР-БЬРз и НР-8ЬР5 при низких температурах подвергались фенол-диеноновой перегруппировке. Полагают, что ключевыми интермедиатами приведенных реакций являются дикатионы типа XI, возникающие в результате С,С-дипротонирования фенольного кольца. Возможность протекания перегруппировки обусловлена несоответствием направления протонирования направлению реакции депротонирования соответствующих дикатионов. Вывод о промежуточном образовании XI сделан на основании анализа ряда косвенных фактов, так как детектировать эти дикатионы спектральными методами не удалось. О рю

1*0

IX но-^Ч/ НО-А^/ о^^У

XI к = н, сн3, СН3СО

При изучении поведения полиметилнафталинов в суперкислотах было обнаружено значительное ускорение изомеризации катиона XII в катион XIII при увеличении кислотности среды [28]. Для объяснения этого факта авторы предположили, что реакция протекает через промежуточное образование дикатиона XIV. Однако попытки генерирования последнего при использовании кислотной системы НБОзР-БЬРз-ЗОгСШ окончились неудачей. Тем не менее, используя ту же систему, удалось генерировать аналогичные дикатионы XV и XVI дипротонированием соответствующих полиметилнафталинов.

XV XVI

Согласно данным циклической вольтамперометрии превращение тиоэфиров XVII в изомерные XVIII включает стадию перегруппировки генерируемого на аноде дикатиона XIX, который необратимо превращается в дикатион XX [29]. Такое направление реакции обусловлено ослаблением кулоновского взаимодействия между положительно заряженными атомами серы благодаря возможности вращения вокруг центральной связи С-С в образующемся XX. Тот факт, что реакция включает внутримолекулярную перегруппировку, в которой согласованно мигрируют две ст-связи, послужил основанием для отнесения ее к классу перициклических [29]. п(Н2С) || (СН2)П= П(Н2С) Т (СН2)П — п(Н2С) )М( (СН2)П (н2С) >=< (СН2)П

3^3 е- е- З'+^З Б Э § 3

XVII XIX XX XVIII

Реакции со спиртами, карбоновыми кислотами и водой. Реакции (карбо)дикатионов с нуклеофилами имеют закономерности, типичные для монокарбокатионов или катион-радикалов. Однако, в случае взаимодействия с такими реагентами, как спирты, карбоновые кислоты и вода, отмечены относительно высокие скорости реакций, что свидетельствует о повышенной электрофильной активности дикатионов [30].

Гашение" кислотных растворов выливанием в метанол или систему метанол - метилат натрия иногда приводит не к обычному в этом случае депротонированию дикатионов, а образованию метокси-производных [31].

-, \ РСН3 +2

СН3ОН

-95 °С

ЭСН3

Взаимодействие дикатионов с карбоновыми кислотами можно проиллюстрировать следующими примерами. Методом циклической вольтамперометрии наблюдали взаимодействие дикатиона XXI с трифторуксусной кислотой [32]. Интересно, что в аналогичных условиях катион-радикал 9,10-дифенилантрацена, а так же дикатион 9,10-дианизилантрацена (XXII) инертны по отношению к трифторуксусной кислоте. Последний реагировал лишь с более сильным нуклеофилом - трифторацетат-анионом, в отсутствие которого равновесие между катионом XXIII и дикатионом XXII смещено в сторону последнего.

СР3СОО РИ

СР3СООН

СР3СОО С6Н4ОСН3

СР3СОО"

С6Н4ОСН3 С6Н4ОСН3

XXII XXIII

В той же работе были получены данные, подтверждающие возможность взаимодействия дикатионов XXI и XXII с водой с образованием карбокатионов XXIV.

НО. Аг

Аг = РГ1, пара-С6Н4ОСН3

Взаимодействие с водой показано также на примере гетероциклического дикатиона тиоантрена (XXV) [33-37]. Последний реагировал с водой в условиях электрохимического окисления тиоантрена в ацетонитриле, в БОг при -40 °С или в растворах устойчивых солей катион-радикала тиоантрена, в которых XXV присутствовал в незначительных концентрациях. В условиях анодного окисления катион-радикал тиоантрена тоже реагирует с водой, однако, как было найдено изучением зависимости степени гидроксилирования тиоантрена от величины анодного потенциала, дикатион XXV в ~10 раз активнее сопряженного с ним катион-радикала. По этой причине катион-радикал тиоантрена оказался совершенно инертен по отношению к воде и анизолу в БОг при -40 °С, тогда как XXV реагировал с обоими субстратами.

Н +2

Н20

-2Н+

Дикатион XXVI, образующийся в условиях анодного окисления 9-амино-10-фенилантрацена в ацетонитриле, реагирует с водой с образованием катиона XXVII [38].

Н20 -Н+

НО Р1п

XXVI

XXVII

На основании ряда экспериментальных фактов полагают, что перегруппировка Валлаха (превращение азоксибензола в 4-гидроксиазобензол в серной кислоте) включает стадию взаимодействия дикатиона XXVIII с водой [39].

XXIX XXVIII

О—€>С

Возможность протекания реакции по приведенной выше схеме согласуется с результатами исследования перегруппировки Валлаха в суперкислотах [40]. Методом ЯМР было показано, что при протонировании азоксибензола в кислотной системе Н80зР-БОг образуется катион XXIX. В более сильной кислоте НЗОзР-БЬРуЗОг при -78 °С наблюдали образование дикатиона XXX, который при температуре -50 °С необратимо перешел в дикатион XXVIII. у НО Н I > 0 1>Н-0 хху|"

XXX

Сообщалось также о перегруппировке Валлаха, протекающей, предположительно, через трикатионный интермедиат XXXI [41].

0~?=МЧ~) мнО-и-^ ^^^ N=1^ ^ ОН

XXXI

Взаимодействие с ароматическими соединениями. Алкилирование ароматических соединений по Фриделю-Крафтсу является одним из важнейших методов создания новой С-С связи, в котором традиционно используют такие алкилирующие реагенты как алкилгалогениды, спирты, простые эфиры и алкены, претерпевающие активацию карбокатионного типа. Возможность дикатионной активации открывает перспективу вовлечения в реакцию с аренами в качестве нетрадиционных алкилирующих реагентов других классов органических соединений. В одних случаях реакции протекают внутримолекулярно и приводят к продуктам циклизации исходных соединений, в других случаях имеет место межмолекулярное взаимодействие суперэлектрофилов с аренами.

Тетрафенилэтилен в условиях электрохимического окисления превращается в 9,10-дифенилантрацен. Полагают, что ключевую роль в этой реакции играют дикатионы XXXII [42-45]. о ~ -2е" + • - РЬ2С=СРП2 + + 2 РЬ2С=СР112 2 РИ2С-СРЬ2---Р112С-СРЬ2

2е"

XXXII

РИ

РЬ

Дикатионы XXXII, генерированные химическим окислением тетрафенилэтилена, тоже подвергаются внутримолекулярной циклизации [46]. О ходе реакции судили по спектрам ЯМР. При этом промежуточный продукт циклизации — дифенилфенантрен - обнаружить не удалось, поскольку он быстро окислялся далее до дикатиона XXXIII.

Р|12С=СР|12

5ЬР5-302С1Р -78 °С

-40 °С

XXXII

-2 е", -2Н+

XXXIII

Замещенные дифениламины в условиях электрохимического окисления превращаются в соответствующие карбазолы [47]. Предполагаемый механизм реакции включает стадию внутримолекулярной циклизации дикатионов XXXIV.

А1к

-е

А1к~| 2

1М'

И XXXIV

-2Н+

А1к

А1к

14 1

14

Р = пара-С6Н4Х, А1к; X = А1к

Препаративное анодное окисление 5,13-диметокси(2,2)метациклофана в ацетонитриле дает с высоким выходом диметокситетрагидропирен. Предполагают, что циклизация включает промежуточное образование дикатиона XXXV [48]. Вольтамперометрическое исследование показало, что химическая стадия (циклизация) протекает настолько быстро, что скорость образования конечного продукта частично контролируется переносом электрона [49].

ОСН3

ОСН3 ~|+2

ОСН3

-2Н+

ОСН3

ОСН3 XXXV

ОСН3

Методом циклической вольтамперометрии было показано, что внутримолекулярное сочетание 3,3',4,4'-тетраметоксидибензила и 3,3'-диметоксидибензила включает стадию генерирования дикатионов XXXVI и протекает по механизму, аналогичному приведенному выше [50].

Известны примеры сочетания внутримолекулярной циклизации и межмолекулярного взаимодействия дикатионов с бензолом. Так, при нагревании раствора, содержащего трифенилметильный катион, СРзБОзН и бензол, была получена смесь 9-фенилфлуорена, трифенилметана и 9,9-дифенилфлуорена в примерно равном соотношении [51]. Поскольку указанные продукты не образуются в отсутствие трифторметансульфокислоты или образуются намного медленнее в присутствии более слабой трифторуксусной кислоты, образование 9-фенилфлуорена объяснили протонированием трифенилметильного катиона по ипсо-атому углерода и последующей циклизацией образующегося дикатиона XXXVII. Полагают, что в случае пониженной кислотности реакция идет через димерную форму трифенилметильного катиона - дикатион XXXVIII, что тоже приводит к 9-фенилфлуорену. Я И

XXXVI

И1 = ОСН3; Я2=Н,ОСН3

Образование трифенилметана объяснено отрывом трифенилметильным катионом гидрид-иона от 9-фенилфлуорена. Считают, что возникающий при этом катион XXXIX протонируется, после чего образовавшийся дикатион ХЬ реагирует с бензолом, приводя к получению третьего продукта - 9,9-дифенилфлуорена. Отдельно было показано, что сам катион XXXIX не реагирует с бензолом.

Ph3C +

Ph3CH

Н Ph

Н+ с6н6

-2Н+

Ph Ph

Циклизация дикатиона XLI, генерированного в условиях одноэлектронного анодного окисления 4,4-диметоксистильбена в смеси ацетонитрил-уксусная кислота, тоже является примером внутримолекулярной реакции электрофильного ароматического замещения [5254]. Отдельно было показано, что дикатион XLI способен реагировать с водой, что приводит к получению 2,3,4,5-тетраанизилтетрагидрофурана с высоким выходом [54].

2 Ап-СН=СН-Ап

-2е"

2 Ап-СН-СН-Ап f^+f^Y

НзСО^фу^Ап Ап

СН3СООН

Ij?

2 Ап-СН-СН-СН-+СН-Ап-XLI

ОСОСН3 Ап

Н3СО'

Ап = пара-С6Н4ОСН3

Удобными моделями для изучения внутримолекулярной циклизации в среде суперкислот оказались 1,3-диарилпропаны, одно из арильных колец которых активировано метокси группой [55]. Предполагают, что реакция включает С,С-дипротонирование этого кольца и внутримолекулярное ароматическое замещение в образующемся дикатионе. Например, соединения типа ХЫ1, растворенные в НБ-БЬРз, давали соответствующие замещенные индены. Результаты интерпретированы участием в реакции дикатионов ХЫП и ХЫУ. Однако обнаружить таковые методом ЯМР не удалось.

Таким образом, примеры внутримолекулярной циклизации суперэлектрофильных интермедиатов демонстрируют их высокую электрофильность, позволяющую преодолеть

Б* = Н, ОСН3, СООСНз, алкил неблагоприятный электростатический фактор в переходном состоянии реакции.

Межмолекулярное взаимодействие суперэлектрофилов с аренами к началу данной работы было установлено лишь на единичных примерах. Считали, например, что ключевыми интермедиатами реакции ]Ч-фенилгидроксиламина и его производных с бензолом или толуолом в трифторметансульфокислоте являются дикатионы типа ХЬУ, которые образуются в результате дипротонирования предшественников с последующей потерей молекулы воды [56-57].

К = Н, трет.-бутил; № = Н, СН3, Р11 Для реакции М,К-диметиланилин-М-оксида с бензолом была предложена аналогичная схема.

О"

Н3С I СН3 Н3СЧ+,СН3 Н3СЧ ,сн3 н3сч ,сн3

N4. N NN

6 ¿1 ^ ф * (У*

РИ

Как оказалось, нитрозобензол и азоксибензол тоже реагируют с бензолом в растворе СРзЗОзН. Полагают, что реакции идут через дикатионные интермедиаты ХЬУ1 и XXVIII соответственно. Последний, как отмечено выше, был генерирован из азоксибензола в кислотной системе НР-БЬРб-БОг [40]. 2НГ о—о

XXVIII

Генерировать дикатионы XLV и XLVI в условиях "долгой жизни" не удалось. Тем не менее, возможность их образования в ходе реакций согласуется с генерированием дикатионов близкого строения. Так, анодным окислением некоторых диариламинов в хлористом метилене, ацетонитриле или нитрометане в присутствии HSO3F, AICI3, SbF5 были генерированы и охарактеризованы УФ спектрами дикатионы типа XLVII, а дипротонированием п-нитрозофенола в суперкислоте был получен дикатион XLVIII (данные спектров ЯМР) [58-60].

HN

-е

ОСН3

R', R" = Н, СН3, ОСН3

HS03F-SbF5-S02

-78 °С

В работах В.А. Коптюга и И.Б. Репинской было показано, что реакции конденсации многоатомных фенолов и их метиловых эфиров с бензолом и другими аренами в суперкислотах или в присутствии галогенидов алюминия приводят к получению арилциклогексенонов и 3-гидрокси(метокси)дифенилов [61-64]. В частности, было показано, что конденсация флороглюцина, резорцина, 5-метил-, 5-фенил-, 5-хлоррезорцинов и их метиловых эфиров с бензолом протекает по положениям 1, 3 или 5. Такое направление взаимодействия позволило предложить его механизм, включающий промежуточное образование дикатионов типа ХЫХ. Последние могут реагировать с

OR

2Н+

1 • С6Н6 2. Н20

XLIX

R = Н, СН3; X = Cl, CH3l Ph, OR бензолом концевыми атомами углерода енильного фрагмента (С3, С5) и карбонильным атомом углерода С1. Показано, что региоселективность реакции зависит от природы заместителя X [61]. Для доказательства предложенного механизма дикатионы ХЫХ генерированы дипротонированием ряда замещенных резорцина в суперкислотах и охарактеризованы ЯМР спектрами [61].

Известны также конденсации ряда одноатомных фенолов с аренами в системе НР-8ЬР5 [65-66]. Предполагают, что ключевыми интермедиатами этих реакций являются 0,С-дипротонированные формы фенолов.

Реакции с алканами, водородом и монооксидом углерода. Возможность взаимодействия дикатионных суперэлектрофилов с алканами была впервые продемонстрирована на примере реакций дикатионов Ь и Ы, генерированных окислением соответствующих предшественников супсркислотой Н80зР-8ЬР5 [67]. Полагают, что эти дикатионы вследствие высокой электрофильной активности легко отрывают гидрид-ион от алкана.

Л+2 алкан

H H

H+2 алкан

Ll H H

Основой метода восстановления некоторых природных гормональных соединений (производные эстрона и др.), содержащих а,р-непредельный карбонильный фрагмент LII, являются реакции их 0,С-дипротонированных форм LUI с алканами или водородом [6871]. При этом восстановление алканами различного строения или водородом при высоком давлении достигается лишь при использовании сильнейших суперкислот (HF-SbFs или HSOaF-SbFs), что и послужило основным доводом в пользу предложенного механизма. Отдельно было показано, что промежуточные монокатионы LIV не реагируют с алканами, очевидно, вследствие их относительно невысокой электрофильности. о'

LII

Н \ н+ fj^

LIV

Н+

U+ jK/

LUI

У \ алкан (Н2) H О

Исследование восстановления соединений ЬУ и ЬУ1 метилциклопентаном в растворе НР-8ЬР5 привело к аналогичным результатам [72]. Как полагают, фенол ЬУ перед стадией восстановления подвергается фенол-диеноновой перегруппировке. и^

ОН о

НР-ЗЬР5 о н

Восстановительная изомеризация эстрона ЬУП в НР-БЬРб в присутствии метилциклопептана при О °С протекает, как полагают авторы, через дикатионы ЬУШ и ЫХ [73]. В этой реакции скорость перегруппировки ЬУШ в ЫХ оказывается выше скорости ионного гидрирования последнего. О Н

НР-БЬРй 1.3-Н сдвиг

1ЛЛ1 шп

Ш\ О

Примечательно, что в рассмотренных случаях при взаимодействии суперэлектрофиль-ных интермедиатов с алканами последние выступают лишь в роли восстановителя. Конкурентного образования новой С-С связи, как это бывает в случае реакций некоторых первичных и вторичных карбокатионов с алканами [11,74], не происходит.

О взаимодействии дикатионных суперэлектрофилов с монооксидом углерода известно следующее. При взаимодействии СО с некоторыми циклическими а,р-енонами в НР-БЬРб при температуре О °С и "гашении" реакционной смеси метанолом получены соответствующие ацетаты [75]. Результаты реакций объясняют взаимодействием с метанолом ацилиевых ионов, возникших в результате перегруппировки дикатиона ЬХ и взаимодействия смеси изомерных ему дикатионов с СО.

ОСг°2Н'

2Н+ о-н

-Н

О-Н

0-Н

1-Х I со со оа^-н ОС о-н сн3он сн3он

ТСС-ХЗГ

НР-ЭЬР5

СО (1атм.) СН3ОН

Н3С02С

0°С

Обнаружено также, что метилалкилкетоны с пятью и более атомами углерода в алкильной группе реагируют с монооксидом углерода в кислотной системе Н17-8Ьр5 при температуре -20 -г- 30 °С, образуя кетокислоты [76]. Реакция, по-видимому, включает ионное расщепление связей С-Н протонированного кетона, после чего промежуточный дикатион реагирует с СО, образуя ацилиевый ион и далее - при взаимодействии с водой — кетокислоту. Инертность кетонов, имеющих менее пяти атомов углерода в алкильной группе, объясняют нестабильностью соответствующих дикатионов вследствие отталкивания положительных зарядов.

НР-ЗЬР5 А|к СО н2о

Таким образом, согласно имевшимся на начало работы литературным данным, уже можно было заключить, что дикатионные суперэлектрофилы, считавшиеся редкими и необычными частицами, в действительности могут выполнять роль интермедиатов в различных реакциях органических соединений. Специфика реакционной способности дикатионов заключается в их повышенной электрофильности. При этом С-суперэлектрофилы можно рассматривать как карбокатионы, активированные положительно заряженными группами. Об эффективности такой активации может свидетельствовать, например, сравнительно высокое значение ст+п-константы такой карбокатионной группы, как СНзС=0+Н (протонированная ацильная группа), равное 1.9 [77]. Сравнение этого значения со значениями о п-констант некоторых электроноакцепторных групп, таких как СИ, N02, СНО, СИ- А1С1з, N02- А1С1з, СНО- А1С1з и др., расположенных в интервале 0.65 -ь 1.9 [78], показывает, что активация (карбо)катионными группами может быть более эффективной, чем активация другими электроноакцепторными заместителями. Как и следовало ожидать, электрофильные свойства оказались наиболее выражены у тех дикатионов, катионные центры которых включены в единую я-систему, близко расположены друг к другу или незначительно стабилизированы электронодонорными заместителями. Высокая реакционная способность таких дикатиоиов позволяет им взаимодействовать с различными классами органических соединений, в том числе с аренами (электрофильное ароматическое замещение), алканами (перенос гидрид-иона) и другими инертными субстратами. Все вышесказанное стимулировало значительный интерес к дальнейшим исследованиям в данном направлении, что отразилось в накоплении новых данных по суперэлектрофильной активации органических соединений - потенциальных предшественников дикатионов.

Достаточно полное представление о современном состоянии рассматриваемой области химии можно получить из обзорной работы [20], в которой в наибольшей степени отражены последние достижения других исследователей, а также частично представлены результаты нашей работы. Следует отметить, что "параллельные" результаты в основном получены коллективами под руководством таких ученых, как J.C. Jacquesy, Т. Ohwada, К. Sudo, D. Klumpp, G.K.S. Prakash, G. Olah, и преимущественно относятся к различным внутри- и межмолекулярным реакциям электрофильного ароматического замещения с участием субстратов, претерпевающих дикатионную активацию в растворах протонных суперкислот (CF3SO3H, CFsSCbH-SbFs, HF-SbFs). Еще следует заметить, что в ряде последних обзоров и статей наряду с термином "суперэлектрофильная активация" часто привлекается не столь общепринятая концепция "суперэлектрофильной сольватации" [19]. Критическое рассмотрение последней см. в конце диссертации в разделе "Перспективы развития работы". К тому же, к разряду суперэлектрофилов иногда стали относить и дикатионы с дальним расположением катионных центров - т.н. "distonic superelectrophiles" [20-21] - некоторые из которых, по-видимому, вообще не стоит причислять к суперэлектрофилам, поэтому соответствующие реакции здесь не приведены. Итак, ниже, по возможности не углубляясь в детали, "перечислены" наиболее близкие к теме диссертации результаты, полученные другими исследователями в основном за период 1990-2008 гг.

Для дибензотропилиевых дикатионов типа LXI реакцию внутримолекулярной циклизации наблюдали методом ЯМР [79].

Вклад других исследователей параллельно с выполнением работы

CF3SO3H

-40 °С от-20 до 100°С

-НХ

ОН

LXI

X = OH, NHCH2Ph, OEt

Образование ряда производных флуорена типа ЬХП наблюдали при растворении в трифторметансульфокислоте а-карбонильных производных дифенилметанола [80]. Полагают, что реакции протекают через дикатионы ЬХШ, некоторые из которых (при Я = ОН, ОСНз) были генерированы в условиях "долгой жизни" растворением соответствующих предшественников в СРзБОзН или в СРзБОзН-ЗЬРз и охарактеризованы спектрами ЯМР 'Н и С. Генерировать дикатионы ЬХШ (Я = СНз, РЬ) в указанных кислотных системах не удалось вследствие их быстрого превращения в производные флуорена. Следует отметить, что квантово-химические расчеты дикатиона ЬХ1Х — структурного аналога дикатионов ЬХШ, выполненные неэмпирическим методом БТО-ЗО, выявили низкий энергетический уровень нижней вакантной молекулярной орбитали (енвмо = -9.28 эВ), который, как оказалось, значительно ниже такового сопряженного с ди

СР3803Н

-40 -50 °С

ЬХШ

-2Н

Н = СН3, РЬ, ОН, ОСН3

1-Х11 катионом ЬХ1Х монокатиона ЬХХ (енвмо = -3.78 эВ) и бензильного катиона (ецвмо - -5.12 эВ) [81-82]. Этот факт, по мнению авторов, свидетельствует о диенильном характере дикатиона ЬХ1Х, и, по аналогии, близких по строению дикатионов ЬХШ, что и способствует протеканию внутримолекулярной циклизации. С другой стороны, относительно низкое значение енвмо дикатиона ЬХ1Х может свидетельствовать о его высокой электрофильности, которая, как видно из сравнения приведенных значений енвмо? заметно превышает электрофильность неактивированных группой -НС=0+Н катионов бензильного типа.

ЬХ1Х 1-ХХ енвмо (эВ)= -9.28 -3.78 -5.12

За последние годы для различных субстратов, имеющих близко расположенные или сопряженные основные функциональные группы и способные относительно легко подвергаться дипротонированию в суперкислотах, были реализованы конденсации с бензолом и другими аренами. Далее представлен ряд подобных примеров.

81шс1о и 01г\уас1а показали возможность алкилирования бензола нитроолефинами в трифторметансульфокислоте и постулировали участие дипротонированной формы субстрата в качестве ключевого интермедиата [83].

СРзБОзН +

РИ

N014

РИ

РИ

Р-Нитрозамещенные кетоны и сложные эфиры (структура ЬХХ1) конденсируются с бензолом в суперкислотах [84-85]. Полагают, что реакции протекают через ди- и трипротонированные формы ЬХХП и ЬХХШ. Генерировать последний, при II = ОЕ^ растворением соответствующего предшественника в СРзЭОзН не удалось. Однако, по

1 И данным ЯМР ХН и С, в этой кислоте количественно образуется дикатион ЬХХП (И. = ОЕф. +

-ххи -н ЬХХШ ¿„

К = РИ, 0Е1

2-Кетооксимы, а также некоторые 1,2-дикетоны в свою очередь способны конденсироваться с бензолом через соответствующие дикатионы [86-87].

О ОН Н О о

Дуон ^Аон ^ н

СН3 СН3 СН2 СН3

О ОН о

О ОРзЗОзН, Д^н

И ИИ

Повышенную активность некоторых сложных эфиров в ацилировании дезактивированных аренов объясняют участием в реакции дикатионных интермедиатов [88].

0 оси, СРз30зН , с6н5мо2

82%

Реализованы конденсации с бензолом и для К-гетероциклических 1,2-дикарбонильных соединений [89]. В сходные реакции вовлечены и некоторые а-кетокарбоновые кислоты [90]. Полагают, что ключевыми интермедиатами в этих превращениях являются 0,0-дипротонированные формы дикарбонильных соединений. И О

СРзЭОзН

М 1 |

НЫ-^/ о

1МН о

СРзБОзН

К = Н, СН3, 01, н-С9Н19

Сопровождаемая перегруппировкой конденсация нингидрина с бензолом и другими аренами, реализуемая при использовании сильных кислот, тоже предположительно идет через дикатионные интермедиаты [91]. О

Ч рь С6Н6 к^Л^ОН С6Н6

V-/ поо/ О

98/0 нингидрин 96%

Давно известно, что а,р-непредельные альдегиды, кетоны, карбоновые кислоты, нитрилы, сульфоны и т.п. соединения вступают в реакцию конденсации с ароматическими соединениями в присутствии галогенидов алюминия или в среде сильных протонных кислот [74,92]. Реакции с енонами, например, приводят к образованию Р- (в некоторых случаях у- и б-) арилсодержащих альдегидов и кетонов. Раньше полагали, что ключевыми интермедиатами в этих реакциях являются О-комплексы или аналогичные О-монопротонированные формы енонов.

0-А1На|з(Н) К1. 11

И2

И3 з А1На13 (Н+)

0-А1На1з(Н)

АгН И1-" К2 О

И3

КХ=Н, А!к, Аг

Аг

Однако БЬиёо и 011\¥ас1а реализовали аналогичную реакцию с бензолом для непредельных кетонов, используя протонные суперкислоты и предложили в качестве ключевых интермедиатов реакции 0,0-дипротонированные формы кетонов типа ЬХХ1У [9]. Критическое рассмотрение такого механизма реакции и механизмов аналогичных превращений, для которых постулировано участие 0,0-дипротонированных форм альдегидов и кетонов, см. в Гл. 7, 10 и 11.

О Н + н О РЬ 9 с6н6 р\1 к -- + А ---и

РК к

ЬХХ1У

РК РК

Р = СН3, РЬ, СН=СНРЬ

Аналогичные (гетероатом-дипротонированные) дикатионы были предложены в качестве интермедиатов и для других реакций, например, для взаимодействия непредельных иминов с бензолом [9], но обнаружить дикатионы ЬХХ1У и ЬХХУ методом ЯМР не удалось.

М-Ви О ср3зо3н ^ви 1-с6н6> ьхх\/

В ряду а,Р-непредельных карбонильных соединений еще были изучены инициированные трифторметансульфокислотой внутримолекулярная циклизация фенилвинилкетонов - т.н. циклизация Назарова, для которой К. 81шс1о предложил участие 0,0-дипротонированных форм [93], и "азоциклизация Назарова" [94] (ср. Гл. 10).

О О

СРзвОзН С, СРзЗОзН Г^°;'Н"""050гСРЗ

Ы-СНз ы-сн3

I сГ II

РЬ РИ РИ

Изучена также конденсация непредельных карбоновых кислот с бензолом, иногда сопровождаемая циклизацией [95-96], и конденсация непредельных амидов с бензолом [97]. Сведения о последних реакциях появились уже после публикации нами данных об аналогичных превращениях амидов (см. Гл. 8). Для этих реакций тоже постулировано участие 0,0- или 0,а-С-дипротонированных форм исходных молекул. соон соон

СОАг

СРзБОзН

Значительная часть публикаций Клампа посвящена конденсации ряда гетероциклических альдегидов и кетонов с бензолом и некоторыми дезактивированными (к электрофильной атаке) аренами в трифторметансульфокислоте [20,98-103]. Многие из постулированных в этих работах дикатионов - 0,гетероатом-дипротонированные формы предшественников - были генерированы в системе НБОзР-ЗЬРз-БОгОР при низких температурах. Ниже приведены типичные примеры реакций. М Н

СРзЭОзН

АгН N И

ОН + н

Аг Аг О а I

Я'

СРзБОзН СбНе н +он

С§Н§ II I I

РП н + К Н и. 99% Н РИ

2 АЮк /О5"»®* 9А|С|1 76% 9й и' Р»1 +<ггкрн ^ 1

-АЮЬ АЮ13

РИ СНз СбНе РЬ"к СН3 СН3

2СР3$03~ Х

Кроме этого, в недавних работах Клампа изучены реакции непредельных аминов, аминоспиртов, аминоацеталей и т.п. соединений с аренами, протекающие, по-видимому, через соответствующие карбокатионы, активированные протонированной аминогруппой или близко расположенным протонированным Ы-гетероциклом [104-108]: О

N-H

CF3SO3H он н

СбНв 86%

N-H

Ph-^^N

Br

CF3SO3H СеНб

89%

СН3

Ph

Ph £ ОН сн3

Ph

CgH

8 6

CH3 п Ph 80%

CF^SOaH iwwsss* 'ttw.wwm

СйНЙ

Ph

OA^pn 97%

Ph

-Ph

N,

Ph

N^yOEt C6H6, r^N"YPh

OEt CF3SO3H Ph 75%

Дипротонированные формы непредельных аминов (А) предложены в качестве интермедиатов фторирования при использовании кислотной системы НР-БЬР5 [109].

60-85%

По-видимому, дикатионный интермедиат ЬХХУ1 является ключевым при алкилировании аренов хлортиодиметиловым эфиром [110]. Об этом свидетельствует как высокая скорость реакции, так и возможность наблюдения этого интермедиата методом ЯМР в "условиях долгой жизни".

СГ

-СН3

2 А!С13

•дхСНз

С6Н5С1

СГ ~ 92%

А1С,3 (15 :0 : 85 , о : т : р)

ЬХХУ!

Недавно был продемонстрирован пример циклизации Кнорра, протекающей через дикатионный интермедиат ЬХХУП, строение которого было установлено низкотемпературными съемками 1Н, 15Ы и 13С ЯМР спектров при использовании системы НЗОзР-БЬРз-БОгОР [111]. Эту реакцию, учитывая возможность кето-енольной таутомерии предшественника, можно рассматривать как частный случай внутримолекулярной циклизации непредельных амидов (ср. Гл. 8).

СР3503Н + ОН он

АЛ

1ХХУП 90%

01г\уас1а и сотр. показали синтетическую значимость суперэлектрофильной активации некоторых нитрильных соединений путем Ы,0-дипротонирования [112]: с°гМе СРззОдН

25 °С

ОМе

С02Ме И: *

Таким образом, за последнее время метод дикатионной активации полифункциональных соединений обогатился рядом примеров успешного целенаправленного использования в органическом синтезе. Реакции в основном относятся к внутри- и межмолекулярному ароматическому электрофильному замещению и реализованы при использовании протонных суперкислот, как правило, СРзЗОзН.