Трифторацетил- и этоксиоксалилгалоген-ацетилены: синтез, реакции циклоприсоединения и методы функционализации циклоаддуктов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 02.00.03, доктор химических наук Колдобский, Андрей Борисович

• Колдобский, Андрей Борисович
• доктор химических наук
• 2011

Оглавление диссертации доктор химических наук Колдобский, Андрей Борисович

Список сокращений

I. ВВЕДЕНИЕ

П. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР. Реакции [2+2]-циклоприсоединения 16 Предисловие

ПЛ. Краткие теоретические основы

П.2. Термические реакции с участием электронодонорных и электроноакцепторных алкенов (алкинов)

П.2.1. Реакции енаминов и инаминов с электроноакцепторными алкенами

П.2.2. Реакции енаминов с электроноакцепторными алкинами

П.2.3. Реакции алкилвиниловых эфиров и алкилвинилсульфидов с электроноакцепторными алкенами и алкинами

11.2.4. Термические реакции алкенов, активированных двумя или более группами ЯО- или Я8-, с электроноакцепторными алкенами и алкинами

11.2.5. Термические реакции алкенов и алкинов, активированных арильными и алкенильными заместителями

П.2.6. Термические реакции производных норборнадиена

П.2.7. Термические реакции [2+2]-циклоприсоединения простых алкенов

И.З. Катализируемые реакции с участием электронодонорных и электроноакцепторных алкенов (алкинов)

П.3.1. Катализ [2+2]-циклоприсоедиения кислотами Льюиса или

Бренстеда

Н.3.1.1. Реакции с участием алкенов или алкинов, активированных группами ЯО- , или Я8е

II.3.1.2. Сопряженные диены, виниларены, винилацетилены и аллилсиланы

II.3.1.3. Реакции электроноакцепторных алкенов и алкинов с неактивированными алкенами

11.4. Реакции [2+2]-циклоприсоединения, катализируемые комплексами переходных металлов

11.4.1. Димеризация 1,3-Диенов и некоторые внутримолекулярные реакции [2+2]-циклоприсоединения

11.4.2. Катализируемые реакции [2+2]-циклоприсоединения производных норборнена и норборнадиена

II.4.2.1. Реакции производных норборнена и норборнадиена с алкенами

II.4.2.2. Реакции норборнадиенов и норборненов с ацетиленами

11.5. Электрохимические реакции [2+2]-циклоприсоединения

11.6. Термические радикальные реакции [2+2]-циклоприсоединения

11.6.1. Полифторированные алкены

11.6.2. Акрилонитрил и алкены, содержащие донорный и акцепторный заместитель у одного атома углерода С=С-связи

11.6.3. Бициклопропилиден и винилиденциклопропаны

11.7. Реакции [2+2]-циклоприсоединения высоконапряженных и антиароматических структур

И.7.1. Дегидробензолы (бензины, арины) и циклоалкины

II.7.2. Циклобутадиены 109 ' II.7.3. Другие напряженные алкены

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Трифторацетил- и этоксиоксалилгалоген-ацетилены: синтез, реакции циклоприсоединения и методы функционализации циклоаддуктов»

Актуальность темы. Реакции циклоприсоединения относятся к наиболее универсальным методам построения самых различных карбо- и гетероциклических систем, от малых и наиболее простых, до сложных полициклов с многочисленными хиральными центрами. С момента открытия знаменитой реакции Дильса-Альдера в 1928 г. [1,2] данные процессы циклоприсоединения использовались в синтезе десятков тысяч соединений, многие из которых обладают высокой биологической активностью и находят широкое практическое применение. Необходимо отметить, что зачастую реакции циклоприсоединения являются не только наиболее простым, но и единственно возможным методом синтеза конкретных органических структур. Наиболее универсальными и важными особенностями большинства этих превращений являются: 1. Одностадийность сборки цикла. 2. Высокая стереоселективность, что особенно важно в синтезе соединений, обладающих асимметрическими центрами. 3. Высокая региоселективность присоединения при наличии в молекулах реагирующих субстратов электронодонорных или электроноакцепторных заместителей. 4. Возможность катализировать реакцию и значительно снижать температуру ее проведения, а также контролировать стерео- и региоселективность присоединения кислотами Льюиса и Бренстеда или комплексами переходных металлов.

Особое место в процессах циклоприсоединения занимают замещенные ацетилены, свойства которых зачастую кардинально отличаются от свойств алкенов с теми же заместителями. В синтетическом аспекте важно, что С=С-связь в алкенах в процессе присоединения уменьшает кратность и превращается в одинарную, тогда как аналогичное превращение с участием ацетиленов приводит к циклоаддуктам с С=С-связью, вступающей в многочисленные дальнейшие реакции функционализации, в том числе и циклоприсоединения. Особенно интересны ацетиленовые субстраты, активированные мощными электроноакцепторными заместителями. Это не только резко увеличивает их реакционную способность, но также открывает легкий доступ к циклоаддуктам михаэлевского типа, в которых сопряженная С=С-связь легко присоединяет различные нуклеофилы, тогда как взаимодействие с бинуклеофилами является удобным методом построения разнообразных гетероциклических соединений. Еще большие синтетические возможности открывают электроноакцепторные галогенацетилены, в молекулах которых присутствует цепь сопряжения, включающая неподеленную электронную пару галогена, С=С-связь и мезомерный акцептор. Они проявляют высокую активность в реакциях циклоприсоединения, а в реакциях с нуклеофилами часто выступают в качестве алкинилирующих, а иногда и галогенирующих реагентов. Другой важный синтетический аспект химии активированных галогенацетиленов заключается в том, что они образуют циклоаддукты, в которых атом галогена легко замещается различными нуклеофилами, что, в сочетании с возможностью дальнейшей функционализации активирующей группы (например, альдегидной, кетонной, нитрильной или сульфонильной) делает данные реагенты универсальными строительными блоками во многих областях органического синтеза. До сих пор в литературе не были описаны галогенацетилены, активированные такими мощными электроноакцепторными группами как трифторацетильная и этоксиоксалильная. Мы предполагали, что подобные соединения должны обладать не только повышенной реакционной способностью в уже известных превращениях, но и проявлять некоторые свойства вообще не характерные для замещенных ацетиленов. Следует особо отметить, что наличие в циклоаддуктах трифторацетильной группы и подвижного атома галогена в (3-положении С=С-связи открывает доступ к широкому кругу новых фторсодержащих соединений, в том числе новых фторсодержащих гетероциклов. Это особенно актуально в свете того, что многие из них проявляют высокую разноплановую биологическую активность [3-5] и в последние два-три десятилетия . являются объектами фундаментальных исследований в молекулярной биологии, биохимии, медицине и агрохимии. Этоксиоксалильная группа также интересна тем, что относится к очень сильным мезомерным акцепторам, кроме того, открывает широкие возможности для дальнейшей функционализации.

Несмотря на их значительный синтетический потенциал, галогенацетилены до сих пор остаются относительно малоизученным классом соединений, причем это касается не только общих методов синтеза многих из них, но и важнейших теоретических аспектов строения и поведения этих структур в реакциях циклоприсоединения. Так, даже в знаменитой фундаментальной работе [6] Вудварда и Хоффмана, разделяющей синхронные реакции циклоприсоединения на разрешенные и запрещенные по принципу сохранения орбитальной симметрии, не дается однозначного ответа на вопрос, разрешен ли синхронный процесс [2+2]-циклоприсоединения алкина к алкену. В более поздних теоретических исследованиях [7-9] ответ на этот вопрос также весьма неоднозначен, хотя подавляющее большинство органиков-экспериментаторов считают данное присоединение запрещенным просто на основании экспериментальных данных. Действительно, известные примеры таких превращений, протекающих по синхронному механизму в отсутствие освещения и катализатора, исключительно редки [10]. Можно было предполагать, что успешный синтез галогенацетиленов, активированных мощнейшими электроноакцепторными группами не только позволит получить новые полифункциональные аддукты, пользуясь уже известными превращениями, но и обнаружить некоторые необычные для ацетиленов процессы циклоприсоединения, а также сделать важные теоретические выводы, касающиеся данных реакций.

Таким образом, главная цель работы состояла в создании общего метода синтеза ранее неизвестных галогенацетиленов, а также некоторых других ацетиленов, активированных трифторацетильной и этоксиоксалильной группами, в препаративных количествах с последующим поиском и изучением новых реакций циклоприсоединения полученных субстратов. В случае успеха далее планировалось исследование полученных циклоаддуктов в качестве универсальных реагентов в различных реакциях функционализации и гетероциклизации.

Научная новизна и практическая ценность. Разработан простой и универсальный метод получения новых галогенацетиленов, активированных трифторацетильной и этоксиоксалильной группами, состоящий в обработке бис(триметилстаннил)ацетилена трифторуксусным ангидридом или этоксиоксалилхлоридом с последующим галогенированием образующихся моноацилированных тримети л станни л ацетиленов. Найдено также, что взаимодействие 1-три фторацетил-2-триметилстаннил ацетилена с трифторуксусной кислотой с высоким выходом приводит к ранее недоступному монозамещенному трифторацетилацетилену.

Показано, что 1-трифторацетил- и 1 -этоксиоксалил-2-галогенацетилены являются устойчивыми соединениями и очень легко вступают в реакцию [4+2]-циклоприсоединения с различными карбо- и гетероциклическими сопряженными диенами с образованием циклоаддуктов, имеющих структуру (3-галогенвинилкетонов. 1-Трифторацетил-2-триметилстаннилацетилен и трифторацетилацетилен также образуют соответствующие циклоаддукты в несколько более жестких условиях.

Обнаружена необычная способность синтезированных галогенацетиленов в отсутствие катализатора и освещения в мягких условиях вступать в запрещенные правилами орбитальной симметрии реакции [2+2]-цикл©присоединения с простыми алкенами. Показано, что изменение полярности среды и добавление ловушек радикалов практически не меняет направление присоединения. Получены доказательства региоспецифичности присоединения 1-трифторацетил- и 1-этоксиоксалил-2-галогенацетиленов к 1,1-дизамещенным алкенам, а также аргументы в пользу синхронного характера процесса. Предложена резонансная схема строения данных галогенацетиленов, позволяющая объяснить протекание орбитально запрещенных процессов, приведены экспериментальные и теоретические подтверждения данной модели. Разработан метод катализируемого стереоселективного [2+2]-циклоприсоединения 1-этоксиоксалил-2-хлорацетилена и 1,2-дизамещенных алкенов, позволяющий снизить температуру проведения реакции более чем на 100 °С.

Установлено, что синтезированные хлорацетилены уже при 20 °С стерео- и региоспецифично образуют [2+2]-цикл оаддукты с алкилвиниловыми эфирами.

Разработаны два общих альтернативных метода [3-функционализации [4+2]- и [2+2]-циклоаддуктов 1-трифторацетил-2-бромацетилена, первый из которых заключается в их Рё-катализируемом взаимодействии с цинкорганическими соединениями, приводящем к замещению атома брома на арильный остаток (реакция Негиши). Второй метод включает количественное превращение данных циклоаддуктов в соответствующие (трифторметил)енаминокетоны с последующим их взаимодействием с литий-или магнийорганическими соединениями.

В реакциях с литийорганическими соединениями впервые обнаружены амбидентные свойства (трифторметил)енаминокетонов. Показано, что простое изменение объема диалкиламиногруппы позволяет контролировать процесс и проводить его в основном как 1,4- или 1,2-присоединение. Установлено, что кислотный гидролиз аддуктов 1,2-присоединения приводит к полизамещенным трифторметилциклобутанонам в виде единственного диастереомера.

Обнаружено, что [4+2]- и [2+2]-циклоаддукты 1-этоксиоксалил-2-хлорацетилена при взаимодействии с иодистым натрием с высокими выходами образуют соответствующие (3-иодвинилкетоны. Последние легко поддаются Р-функционализации в реакциях кросс-сочетания с цинкорганическими соединениями.

Разработан универсальный метод перезарядки

3-галогенвинилтрифторметилкетонов норборнадиенового и циклобутенового рядов, включающий защиту карбонильной группы и последующую генерацию литийорганического центра, изучены реакции новых литийорганических соединений с некоторыми электрофилами.

На основе циклоаддуктов 1-трифторацетил-2-галогенацетиленов разработаны новые препаративные методы синтеза ранее неизвестных

5-трифторметилфуранонов, 3-трифторметилтиофенов и 4-трифторметилпиридинов. Таким образом, показано, что [4+2]- и [2+2]-циклоаддукты 1-трифторацетил-2-галогенацетиленов являются универсальными гетероциклизующими реагентами, позволяющими синтезировать различные классы трифторметилсодержащих гетероциклов с варьируемым в широких пределах конденсированным бициклическим или циклобутеновым каркасом. Набор предложенных методологий создает основу для получения и дальнейшего исследования широкого спектра новых потенциально биологически активных фторированных гетероциклобутаренов.

Разработан общий препаративный метод синтеза диметилгидразонов акролеина, содержащих заместители различной природы в а-положении. Показано, что они являются активными электронообогащенными диенами в реакции Дильса-Альдера, приводящей к тетрагидропиридинам. Установлено, что присоединение последних к 1-трифторацетил-2триметилстаннилацетилену и 1-трифторацетилацетилену, протекающее с последующим расширением цикла, является простым методом получения трифторацилированных полизамещенных тетрагидроазоцинов.

Публикации и апробация работы. По материалам диссертации опубликовано 24 статьи (все статьи в изданиях, рекомендуемых ВАК) и 10 тезисов докладов. Результаты работы докладывались на конференциях: на

6-ом Международном Бельгийском симпозиуме по органическому синтезу (Бельгия, Гент, 1996 г.), на Международной школе-конференции

Металлоорганическая химия на грани 21-ого века» (Москва, 1999 г.), на Международной научной конференции "Органический синтез и комбинаторная химия". (Москва, Звенигород, 1999 г.), на VII Всероссийской конференции по металлоорганической химии (Москва, 1999 г.), на Школе молодых учёных "Органическая химия в XX веке". (Москва, Звенигород, 2000 г.), на Третьем Всероссийский симпозиуме по органической химии (Ярославль, 2001 г.), на Международной конференции «Современные направления в элементоорганической и полимерной химии» посвященной 50-летнему юбилею ИНЭОС РАН (Москва, 2004 г.), на Всероссийской конференции "Итоги и перспективы химии элементоорганических соединений", посвященной 110-летию со дня рождения академика А.Н.Несмеянова (Москва, 2009 г.).

Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 366 страницах машинописного текста и состоит из введения, литературного обзора, посвященного реакциям [2+2]-циклоприсоединения, обсуждения результатов, экспериментальной части, выводов, содержит 11 таблиц. В литературном обзоре и обсуждении результатов принята раздельная нумерация соединений, таблиц, схем и рисунков. Список литературы включает 270 наименований.