Закономерности присоединения гидрофосфорильных соединений по кратным связям Α-енонов тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.08 ВАК РФ

КАЗАНСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени В. И. УЛЬЯНОВА-ЛЕНИНА

На правах рукописи

ХАЛИЛЬ АЛЬ КУРДИ ИБН ИБРАГИМ

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ПРИСОЕДИНЕНИЯ ГИДРОФОСФОРИЛЬНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ПО КРАТНЫМ СВЯЗЯМ оС-ЕНОНОВ

02. 00. 08 - химия элементоорганических соединений

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

КАЗАНЬ - 1990

Работа выполнена на кафедре высокомолекулярных и элемен-тоорганических соединений Казанского ордена Ленина и ордена Трудового Красного Знамени государственного университета имени В.И.Ульянова-Ленина.

Научные руководители: доктор химических наук,

профессор Черкасов P.A., кандидат химических наук, старший науч. сотр. Галкин В.И.

Официальные оппоненты: доктор химических наук

Киселев В.Д.

доктор химических наук Гареев Р.Д.

Ведущая организация: Институт органической химии

АН УССР

Защита состоится 25 октября 1990 года в 14 часов на заседании специализированного Совета К 053.29.02 по химическим наукам в Казанском государственном университете имени В.И.Ульянова-Ленина по адресу: ул. Ленина, 18, химический факультет, Бутлеровская аудитория.

• С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Казанского государственного университета.

Отзывы на автореферат просим присылать по адресу: 420008, г. Казань, ул.Ленина, 18, КГУ, Научная часть.

Автореферат разослан ¿990 года

Ученый секретарь специализированного Совета,'

кандидат химических наук ¿гъ^^^^Н.Р. Федотова

0БП1АЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОШ

Актуальность работы. Реакции Пудовика и Абрамова, состоящие в присоединении гидрофосфорильных соединений (ГФС) по электрофильным связям С=С и С=0 в условиях основного катализа, являются крайне важными и интересными в химии фос -фора как в теоретическом, так и в практическом отношении. Вместе с тем, количественного кинетического изучения этих реакций до недавнего времени практически не проводилось. Особенно много сложного и неясного оставалось в тех случаях, когда непредельный реагент содержит не один, а сразу оба реакционных центра. Такой особый класс непредельных соедине -ний составляют ©¿-еноны, благодаря наличию в их молекулах одновременно С=С и С=0 связей. Конкурентное, либо последовательное вовлечение этих связей во взаимодействие с ГФС позволяет получать продукты как реакции Пудовика, так и реак -ции Абрамова, лежащих в основе синтеза многих биологически активных препаратов и других фосфорорганических соединений (ФОС) с практически полезными свойствами. В этой связи изучение синтетических и кинетических закономерностей данных реакций и их механизмов является весьма важным и актуальным, поскольку помимо обычных проблем кинетики и реакционной способности оно тесно связано с такой ключевой проблемой, как локоселективность процесса присоединения и зависимость последней от строения реагентов, природы растворителя и катализатора, условий проведения реакций и т.д. Следует также отметить, что на сегодняшний день остаются совершенно не изученными феномен некатализируемого присоединения фосфинистых кислот по кратным связям, а также взаимодействие ГФС с оС -енонами, координированными в комплексах с металлами. Выяснению этих и некоторых других аспектов реакций Пудовика и Абрамова в ряду -непредельных соединений и их ближайших аналогов и посвящена настоящая работа.

Целью настоящего исследования является:

- изучение тонких кинетических закономерностей и выяснение характерных кинетических особенностей присоединения ГФС по С=0 и С=С связям «¿-енонов;

- исследование влияния заместителей из различных положений

сопряженной системы на реакционную способность Ы. -енонов в реакциях Пудовика и Абрамова;

- изучение влияния природы щелочного катализатора на кинетику и механизм присоединения диалкилфосфитов (ДАФ) по С=0 и С=С связям;

- изучение механизма некатализируемого присоединения фосфи-нистых кислот по кратным связям С=0 и С=С;

- исследование взаимодействия ДАФ с железокарбонильными комплексами оС -енонов.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- впервые проведено систематическое исследование характерных кинетических особенностей присоединения ГФС по кратным связям оС-енонов;

- изучено влияние заместителей из различных положений сопряженной системы оС -енонов на их реакционную способность в реакциях Пудовика и Абрамова. Показано, что электрофильность карбонильной группы оказывает доминирующее влияние на ско -рость присоединения;

- показано, что реагирующие частицы в спиртовом растворителе имеют характер рыхлых ионных пар;

- впервые изучен механизм некатализируемого присоединения фосфинистых кислот по кратным связям;

- впервые изучено взаимодействие ДАФ с железокарбонильными комплексами ©¿-енонов и установлено необычное поведение реагентов внутри координационной сферы, не свойственное для их свободного состояния.

Практическая значимость работы обусловлена большой практической важностью реакций Пудовика и Абрамова как уникальных' методов синтеза многих биологически активных препаратов и других соединений с Р-С связью, обладающих практически ценными свойствами. Поэтому изучение влияния на кинетику и механизм этих реакций таких факторов, как строение непредельного реагента, природа ГФС и катализатора, проведенное в ряду (¿г£-непредельных карбонильных соединений, является полезным для правильного понимания и прогнозирования реакционной способности аддендов и направления реакций. Выявленные синтетические и кинетические закономерности делают возможным выбор наиболее оптимальных условий целенаправленного прове-

дения синтезов.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы представлены на следующих конференциях: XI Международной конференции по химии фосфора (Таллинн, 1989 г.), Молодежном коллоквиуме по химии ФОС им. А.Е.Арбузова- (Ленин -град, 1990 г.), Конференции молодых ученых-химиков (Иркутск, 1988 г.), Итоговой научной конференции Казанского университета (Казань, 1988 г.).

Публикации . По теме диссертации опубликовано 3 статьи в центральных химических журналах и тезисы 2-х докладов.

Объем и структура работы. Диссертация изложена на 139 страницах, содержит 4 таблицы, 5 рисунков и библиографию, включающую 114 ссылок. Работа состоит из введения, трех глав и выводов. В первой главе рассмотрены литературные данные, посвященные вопросам кинетики и механизма присоединения ГФС по С=С и С=0 связям. Во второй главе обсуждаются результаты собственного исследования. В третьей главе представлено описание проведенных синтетических и кинетических ■ экспериментов.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

I. Кинетические закономерности присоединения диалкил-фосфитов по С=0 и С=С связям замещенных бензальаце-тонов и коричных эфиров

Для оценки характеристичности активационных параметров в реакциях присоединения по С=0 и С^С связям о^-енонов мы изучили кинетику присоединения диалкилфосфитов к замещенным производным бензальацетона и коричного эфира (таблица I). В общем случае механизм реакций можно представить схемой I. На первой равновесной стадии образуется диалкилфосфит-анион, который в зависимости от характера заместителя Б? атакует либо карбонильную группу (в случае бензальацетонов), либо С=С связь (в случае коричных эфиров) с образованием в конечном итоге гидроксифосфонатов (1У) и кетофесфонатов (У1). Скорость таких реакций в бутаноле описывается уравнением I:

и/ = кд °кат [НР] (I), где С„ и НР - концентрации катализатора и непредельно-

(Р^оьрно + ^о"

«р

(I)

«Л».^" + ^он

(П)

(Е^О^РСГ + • Х-С^-СНвСН-С-К3

о

= сн3 ¡г3 = о

кп кп

1

(^0)^=0

Х-С6Н4-СН=СН-С-К3

о-

т , ' быстро (1Г0)2Р=0

Х-С^-С^СН-С-!?3

он

(1У) (X = Вг, СН30; Б3 = СНд)

(^0)^=0

Х-С^Н.-СН-СН-С-И3 о 4 „

(Ша)

(^0)^=0

Х-С^Н^-СН-СНи-С-Е3 О

(У1) (X = СНдО; I?3 = 0С4Нд)

Схема I

? р

Таблица 2. Константы скорости Кщ (л /моль * с) реакций диалкилфосфитов с замещенными халконами Х-С^Н^-СН=СН-С(0)-С^Н^-У (бутанол, 25°С)

II ^^алконы X « н, X = Н, X = Вг, х = сн3, х = сн3о,

яг ДА5 У = н У = Вг п У = Н У = Н

1. (С^0)2РН0 2.20 5.20 3.20 *.зо 0.35

2. (С2Н50)2РН0 1.88 4.94 2.68 1.18 0.41

3. 1.62 4.97 2.28 1.10 0.63

4. (ИЗО-СдН^О)^РНО 1.95 5.35 2Л8 1.20 0.43

5. (С4Нд0)2РН0 2.17 5.47 2.33 1.25 0.32

6. (изо-С^НдО)2РН0 1.22 2.58 1.30 0.82 0.37

7. (С5НН0)2РН0 1.58 4.20 1.96 0.98 0.43

8. 4 (изо-еу^о^рно 0.93 2.30 1.41 0.61 , 0.27

В этом случае реакция в бутаноле протекает по общему третьему порядку (уравнение 2):

\У = VIIМ М'Скат (2),

причем эффективная константа скорости Кщ включает параметры обеих стадий: Кщ = КкКд. Поскольку вклад каждой коне -танты (Кк и Кд) в общую брутто-величину не известен, то заранее трудно предсказать, каким образом будет меняться величина Кщ под влиянием заместителей X и У. В то же время, понятно, что влияние этих заместителей отдельно на константы и Кд должно быть противоположным, так как им соответствуют разные по характеру стадии процесса: нуклеофиль-ная и электрофильная . Таким образом, экспериментально определенный эффект может показать, оказывает ли какая-то из стадий доминирующее влияние на течение процесса в целом и какая именно, либо их вклад в общий процесс соизмерим.

На этот же вопрос может ответить и сравнительный анализ влияния одного и того же заместителя, введенного в разные положения оС-енона: со стороны С=С связи (X) или со стороны карбонильной группы (У). Этот заместитель должен сильнее влиять на скорость реакции из положения У, если доминирующей является атака на карбонильную группу, и наоборот - большее Елияние будет из положения X, если константа Кд окажется более чувствительной к строению -енона.

Для решения этих вопросов мы изучили кинетику присое -динения ряда диалкилфосфитов к серии замещенных в разные положения халконов и сопоставили с реакционной способностью незамещенного халкона (таблица 2). Как следует из таблицы, згёдение акцепторного заместителя брома в оба положения халкона (X и У) ускоряет реакцию. Донорные же заместители (метальная и ыетоксильная группы), напротив, замедляют ее. Это однозначно свидетельствует о том, что электрофильные свойства непредельного реагента имеют большее значение для реак -ции, чем его нуклеофильные свойства, т.е. стадия атаки фосфит-аниона на карбонильную группу об -енона оказывает решающее влияние на общую скорость процесса. Это подтверждается и заметно более выраженным влиянием заместителя из положения У, чем из положения X, в изомерных бромхалконах.

3. Влияние природы катализатора на кинетику присоединения диалкилфосфитов к -

непредельным карбонильным соединениям

В продолжение кинетических исследований реакций Пудовика и Абрамова в ряду оС -енонов представлялось интересным изучить влияние на кинетику присоединения природы щелочного металла и степени разрыхленности ионных пар (ГО^РСТ/М4", поскольку ранее эти вопросы не обсуждались, а в принятой на схемах краткой ионной форме записи противоион щелочного металла вообще не рассматривался. В этой связи мы провели кинетическое изучение присоединения дибутилфосфористой кислоты к ряду «¡¿-енонов в присутствии в качестве катализатора бутилата натрия, бутилата калия, а также эквивалентной смеси бутилата калия с 18-крауно>А -6 (таблица 3).

р

Таблица 3. Константы скорости (кд-10 , л/моль-с) присоединения дибутилфосфористой кислоты к ряду непредельных реагентов типа Х-С^-СН=СН-С(0) в условиях основного катализа различными катализаторами (бутанол, 25°С)

№ X и3 к а т а л и затор

ВиОНа ВиОК ВиОК + + £8-краун-6

1. Н сн3 3.33 4.32 3.7Ь

2. осн3 СНз 3.20 4.08 3.40

3. Н С2Н5 6.16 6.88 3.00

4. Н 0С4Нд 1.42 1.06 0.94

5. осн3 ос4л9 0.4£3 0.28 0.26

Можно было ожидать, что увеличение степени диссоциации ионной пары при переходе от натрия к калию и далее при добавлении краун-зфира скажется на ее реакционной способности. При этом очевидно, что изменения будут тем больше, чем больше изменится степень диссоциации ионной пары.

Как следует из полученных данных (таблица 3), изменения в реакционной способности при варьировании природы катализатора не столь велики. Это указывает на достаточную разрыхлен-ность ионных пар в спиртовой среде уже в случае натрия. Инте-

- И -

ресно при этом, что реакции, протекающие по карбонильной группе (№№ 1-3) и С=С связи (№№ 4,5), по-разному чувствуют влияние катиона. Если в первом случае скорость реакции при переходе от натрия к к$шию несколько увеличивается, то во втором, напротив, падает. Это в целом согласуется с установившимся в литературе мнением, что присоединение по карбонильной группе является зарядово-контролируемым процессом, тогда как присоединение по С=С связи имеет орбитальный контроль. Наблюдаемое различие может служить дополнительным тестом при опре -делении направления атаки фосфит-аниона.

4. О механизме некатализируемого присоединения фосфинистых кислот по кратным связям

В продолжение исследований роли катализатора в реакциях Пудовика и Абрамова нам представлялось крайне важным и интересным изучить так называемый "некатализируемый" вариант этих реакций, который., как известно, реализуется для фосфинистых кислот. Следует отметить, что механизм такого присоединения не изучался и до настоящего времени остается неясным. Мы установили, что реакция протекает тем быстрее, чем менее тщательно очищена исходная фосфинистая кислота. И наоборот, при специальной очистке фосфинистых кислот многократной перекристаллизацией и в отсутствие нагревания реакции вообще не протекают. Анализ полученных нами результатов и литературных данных приводит к заключению о том, что собственно реакций предшествует некий отдельный Химический процесс, продукты которого способны инициировать реакцию присоединения. Таким процессом, на наш взгляд, является диспропорционирова-ние фосфинистых кислот с образованием вторичного фосфина и фосфтоювой кислоты. Этот процесс легко протекает при очистке вторичных фосфиноксидов перегонкой или просто при их нагре -вании и длительном хранении. Образующиеся при этом вторичные фойфины, как известно, способны легко присоединяться по кратным связям в отсутствие катализаторов.

Мы проверили такое предположение на примере реакции ди-бутил- и дифенилфосфинистой кислот с бензальацетоном, хорошо изученной ранее в препаративных условиях. Установлено, что добавление в реакционую смесь небольшого количества вто-

2 И2РН0 (УП)

Н2РН (УШ)

+ ЯрРООН

(IX)

РЬ-СН=СН-С-СНо I °

он

(X)

й2РН0

й2Р=0 РЬ-СН=СН-С-СН3 +

он

(XI)

К2РН

(УШ)

Й2РН + РЬ-СН=СН-С-СНз

о

РЬ-СН-СНо-С-СНо I 4 II 0

О

(ХП)

+ й2РН0

РЬ-СН-СНр-С-СНо I II й

К2Р=0 о

(ХШ)

82РН (УШ)

Схема 3

ричного фосфша приводит к быстрому завершению реакции в течение 30 минут, тогда как в контрольном эксперименте тщательно очищенные фосфинистые кислоты не вступают в реакцию с • бензальацетоном и в течение года.

Исследование данной реакции, а также ее отдельных стадий методами ИК, ЯМР-!Н и 31Р спектроскопии позволяет предложить следующий механизм присоединения (схема 3). На первой стадии реакции происходит диспропорционирование фосфи-нистой кислоты до вторичного фосфина и фосфиновой кислоты, что отчетливо фиксируется в ЯМР- Р спектре даже при незначительном кратковременном нагревании. Образующийся вторичный фосфин легко присоединяется по карбонильной группе бенэаль-ацетона с образованием адцукта (X). Поскольку аддукт (X) является третичным фосфином, его основность существенно выше, чем у вторичных фосфинов. По этой причине он легко и быстро дезоксидирует исходный вторичный фосфиноксад (УП) с образованием конечного продукта (XI) и вторичного фосфина (УШ), который снова возвращается в реакцию. В более жестких условиях при нагрезании реакционной смеси происходит присоединение вторичного фосфина по С=С связи бензальацетона с образованием третичного фосфина (ХП), который легко окисляется до фосфиноксида (ХШ) не только фосфинистой кислотой, но и кислородом воздуха. Каждая из стадий этого процесса промоде -лирована нами экспериментально. Все промежуточные и конечные продукты выделены и охарактеризованы.

5. Реакции диалкилфосфитов с об -енонами, координированными в 5Г -комплексах карбонилов железа

В продолжение исследований взаимодействия диалкилфосфитов с оС -енонами интересно было изучить эту реакцию в таких условиях, когда непредельный реагент был бы включен в комплекс, что могло бы самым неожиданным образом повлиять на еоо реакционную способность. С этой целью мы синтезировали карбонильные комплексы железа .с халконом, бензальацетоном и бензальпинаколином (Х1У-ХУП) и изучили их взаимодействие с диалкилфосфитами в различных условиях. д

Ге(С0)с + РЬСН=СН-С(0)-Р РЬСН=СН-С-Е -

Ре(С0)4 (Х1У):В = РЬ

РЬ-СН=СН-С-Й (ХУ): И = РЬ

(СО) .¿Го <Ш) = Ме

3 (ХУЛ):Н = Ви-£

Координированные -еноны оказались достаточно инертными по отношению к диалкилфосфитам. Лишь при взаимодействии три-карбонил(халкон)железа (ХУ) с диметилфосфитом при комнатной температуре мы наблюдали интересную реакцию лигандного обмена, когда молекула диметилфосфита- вытесняла из координационной сферы относительно слабо связанную с железом карбониль -нуга группу халкона с последующей внутрикомплексной изомеризацией диметилфосфита в форму с трехвалентным атомом фосфора:

РЬ-СН=СН-С-РЬ + (Ме0)2РН0

(С0)3Ре^0 ^9м.д.

™ О ^РН* 700 1^ о

» РЬ-СН=СН-С-РЬ РН-СН=СН-С-РЬ

——— , ---I

(С0)3Ге-0=Р(Ше)2 (С0)3Ре«-:Р(СМе)2

Н ОН

(ХУШ): §"р = 44 м.д. (XIX): = 120 м.д.

Г2рн = 700 Гц = 3200-3400 см"

За ходом реакции удобно наблюдать по ШР-^Р спектрам, последовательность появления сигналов в которых полностью согласуется с предложенной схемой. Реакция является обратимой, и при незначительном нагревании (50-60°С) система быстро возвращается к исходному состоянию.

С целью активировать присоединение диалкилфосфитов к координированным оС -енонам мы изучили эту реакцию в присутствии в качестве катализатора триэтиламина. Оказалось, что реакции не протекают в случае трикарбонильных комплексов(ХУ-ХУШ, когда оба реакционных центра сС -енойа координированы с железом. Однако, в случае тетракарбонил(халкон)железа (Х1У), где халкон имеет свободную карбонильную группу, в реакционной смеси удается наблюдать образование адцукта по карбонильной группе (XX) с = 18 м.д. и = 3400 см-1; из-за обратимости процесса содержание этого адцукта не ,превышает 15-20%, и попытки его выделения приводят к возвращению систе-

- Í5 -

мы в исходное состояние.

Таким образом, проведенное исследование позволило выявить новые закономерности в реакциях гидрофосфорильных соединений с об-енонами. Установлены характерные кинетические особенности присоединения по С=0 и С=С связям. Изучено влияние заместителей в различных положениях сопряженной системы. Исследовано влияние природы катализатора, а также механизм некатализируемого присоединения фосфиниетых кислот по кратным связям. Изучено взаимодействие диалкилфосфитов с ¿¿-ено-нами, координированными в 9Г-комплексах карбонилов железа. Установленные качественные и количественные закономерности способствуют более глубокому пониманию механизмов реакций Пудовика и Абрамова. Они дают возможность прогнозировать направление и скорость присоединения в зависимости от строения реагентов и условий проведения реакций, что может быть использовано для направленного проведения препаративных синтезов.

ВЫВОДЫ

1. На примере замещенных бензальацетонов и коричных эфиров впервые изучены характерные кинетические особенности присоединения диалкилфосфитов по карбонильной группе и С=С связи аС -енонов. Показано, что активационные параметры этих процессов существенно отличаются друг от друга, что может служить критерием при определении направления атаки фосфит-аниона в тех случаях, когда оно не является очевидным.

2. В результате кинетического изучения реакций присоединения диалкилфосфитов к замещенным с различных сторон хал-конам показано, что электрофильность карбонильного атома углерода оказывает решающее влияние на реакционную способность халконов. В реакциях с последовательным вовлечением С=0 и С=С связей доминирующее значение имеет стадия присоединения гидрофосфорильных соединений по карбонильной группе л£-енона.

' 3. Впервые изучено влияние природы щелочного катализатора на кинетику реакций Абрамова и Пудовика в ряду (¿-енонов. Показано, что это влияние различно для реакций, протекающих по карбонильной группе и С=С связи. Динамика количественных изменений скорости присоединения свидетельствует о том, что реагирующие частицы имеют характер рыхлых ионных пар.

4. Впервые изучен механизм некатализируемого присоединения фосфинистых кислот по кратным связям. Показано, что в его основе лежит легкое диспропорционирование кислых фосфи-нитов с образованием вторичных фосфинов, которые промотиру-ют дальнейшее течение реакции по цепному механизму.

5. Впервые изучено взаимодействие диалкилфосфитов с же-лезокарбонильными 5Г -комплексами оС-енонов. Выявлена специфика поведения реагентов внутри- координационной сферы, нехарактерная для их свободного состояния - реакция лигандно-го обмена с внутрикомплексной стабилизацией диметйлфосфита

в форме с трехвалентным атомом фосфора, а также внутрикомп-лексная стабилизация гидроксиадцукта в катализируемой три-этиламином реакции диэтилфосфита с координированным халко -ном.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:

d. Влияние среды, строения реагентов и природы катализатора на кинетику и механизм реакции Пудовика в ряду «¿»^-непредельных карбонильных соединений/ В.И.Галкин, А.Б.Хабибулли-на, И.В.Бахтиярова, Халиль Аль Курди, Р.А.Черкасов// Тез. докл. конф. молодых ученых-химиков.-Иркутск.-1988.-С.б.

2. Влияние природы катализатора на кинетику присоединения диалкилфосфитов к ot,ß-непредельным карбонильным соединениям/ В.И.Галкин, Халиль Аль Курди, И.В.Бахтиярова, Р.А.Черкасов, А.Н.Пудовик// Докл.АН СССР.-1989.-Т.305, М.-С.872-873.

3. Кинетика и механизм реакции Пудовика/ Р.А.Черкасов, В.И. Галкин, А.Б.Хабибуллина, Халиль Аль Курди// Тез.докл.XI Международ. конф. по химии фосфора.-Таллинн.-1989.-Сб.лекций,

№ 1-2.

4. 0 механизме некатализируемого присоединения фосфинистых кислот по кратным связям/ И.В.Бахтиярова, В.И.Галкин, P.A. Черкасов, Халиль Аль Курди, А.Н.Пудовик// Докл.АН СССР.-1989.-Т.308, №5.-С.И35-3137.

5. Реакция Пудовика в ряду об »^-непредельных карбонильных соединений. Кинетические закономерности присоединения диалкилфосфитов по связям С=0 и С=С/В.И.Галкин, Халиль Аль Курди, А.Б.Хабибуллина, Р.А.Черкасов// Ш.Общ.химии.-1990.- Т. 60,вып.I.-С.92-96. ,--

Сдано в набор 15.08.90 г. Подписано в печать 16.08.90 г. Форм.бум.■60 х 84 1/16. Печ.л.1. Тирах 100. Заказ 595. Бесплатно.

Лаборатория оперативной полиграфии КГУ 420008 Казань, Ленина, 4/5