На правах рукописи

Бредихин Роман Андреевич

РЕАКЦИИ ПОЛИФТОРАРЕНТИОЛОВ С БРОМОМ

И ГАЛОИДАЛКАНАМИ.

ПОЛУЧЕНИЕ ПОЛИФТОРАРЕНСУЛЬФОНИЛБРОМИДОВ

И ИЗУЧЕНИЕ ИХ НЕКОТОРЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ

(02.00.03 – Органическая химия)

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата химических наук

Новосибирск – 2013 1

1.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Полифторароматические серосодержащие соединения находят применение в оптике, электронике, технике, биохимии, медицине и сельском хозяйстве. Одним из основных подходов для их получения являются превращения полифторарентиолов, которые являются доступными соединенями. Реакции полифторарентиолов с галогеналканами и галогенаренами представляют интерес для получения сульфидов, содержащих полифторароматический фрагмент. Из полифторарентиолов получают полифтораренсульфонилхлориды и далее, полифтораренсульфонамиды, некоторые представители которых обладают биологической, в частности, противоопухолевой, активностью. Однако, сведения о химических свойствах полифторарентиолов и полифтораренсульфонилхлоридов ограничены сравнительно небольшим набором отдельных превращений, тогда как полифтораренсульфонилбромиды практически неизвестны. Можно ожидать, что полифтораренсульфонилбромиды окажутся более активны, чем полифтораренсульфонилхлориды, например, в реакциях с нуклеофилами и непредельными соединениями. Перспективным подходом для получения полифтораренсульфонилбромидов представляются реакции полифторарентиолов с бромом, которые до настоящего времени не изучали.

С учетом этих обстоятельств, исследование химических свойств полифторарентиолов, направленное на выяснение их реакционной способности, а также путей их функционализации, является актуальной задачей.

Цель работы заключается в исследовании превращений полифторарентиолов под действием галоидалканов и брома для выяснения закономерностей таких процессов и разработки методов синтеза функциональных производных полифтораренов.

Научная новизна. В результате проведенного исследования выявлено, что реакции полифторарентиолов с галогенсодержащими соединениями происходят по нескольким направлениям. Превращения полифторарентиолов с активными алкилгалогенидами происходят ожидаемо с замещением атома галогена на полифторарентиильную группу. При взаимодействии полифторарентиолов с тригалогенметанами (фтордихлорметаном, трихлорметаном, трибромметаном) наряду с образованием фторхлорметилполифторарилсульфидов и трис(полифторарилтио)ортоформиатов соответственно, происходит образование гидрополифтораренов.

Действием на полифторарентиолы брома в кислой среде получены практически неизученные ранее полифтораренсульфонилбромиды, продемонстрировано влияние источника брома, кислоты и температуры на направление процесса и выход целевого продукта.

Исследованы превращения полифтораренсульфонилгалогенидов под действием нуклеофильных реагентов. В реакциях полифтораренсульфонилбромидов и -сульфонилхлоридов с галогенидами щелочных металлов в ацетонитриле обнаружена конкуренция между замещением атома галогена сульфонилгалогенидной группы и образованием галогенполифтораренов и гидрополифтораренов. При взаимодействии полифтораренсульфонилбромидов и -сульфонилхлоридов с полифторарентиолами происходит образование полифтордиарилдисульфидов.

Найдено, что в реакциях полифтораренсульфонилбромидов с алкенами и бутадиеном-1,3 реализуется радикальное присоединение к двойной углеродуглеродной связи. Показано, что полифтораренсульфонилбромиды значительно более активны, чем полифтораренсульфонилхлориды в данных превращениях.

Практическая ценность. Осуществлен синтез сульфидов, содержащих полифторароматический фрагмент, что позволяет приступить к изучению их химических превращений. Образование гидрополифтораренов в реакциях полифторарентиолов с тригалогенметанами является свидетельством в пользу реализации иных механизмов, чем описанные в литературе.

Разработка метода получения полифтораренсульфонилбромидов открывает возможность использования данных соединений в тонком органическом синтезе. Например, посредством реакции полифтораренсульфонилбромидов с непредельными соединениями можно осуществить введение полифтораренсульфонильной группы в структуру органического вещества. Показано, что взаимодействие полифтораренсульфонилбромидов с нуклеофильными реагентами может осложняться посторонними процессами, например, вследствие превращений полифтораренсульфонилбромидов под действием образующегося в реакции бромид-иона.

Публикации и апробация работы. Основной материал работы опубликован в четырех статьях («Journal of Fluorine Chemistry» (2010), электронный журнал «Fluorine Notes» (2010), «Журнал органической химии» (2011), сборник «Итоги диссертационных исследований» (2012)). Результаты работы представлены на Международной конференции “Current Topics in Organic Chemistry” (Новосибирск, 2011), Восьмом регулярном германо-российскоукраинском симпозиуме по химии фтора (Звенигород, 2010), Всероссийских конференциях «Химия фтора» (Москва, 2006; Черноголовка, 2009), «Современные проблемы органической химии» (Новосибирск, 2007), Молодёжных конференциях по органической химии (Уфа, 2007; Суздаль, 2009).

Объем и структура работы. Диссертация изложена на 144 с., содержит 101 схему, 13 таблиц и 1 рисунок. Список литературы включает наименований.

Работа состоит из введения, одной главы литературного обзора, трех глав обсуждения результатов, экспериментальной части, выводов и списка литературы. Первая глава содержит обзор литературных данных о реакциях арентиолов, содержащих два и более атома галогена в ароматическом ядре, с электрофильными реагентами. В общей части диссертации (главы 2, 3 и 4) изложены и обсуждаются результаты, полученные автором, глава 4 содержит обсуждение строения полученных соединений. Пятая глава посвящена описанию эксперимента.

2. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

2.1. Реакции полифторарентиолов с электрофильными реагентами 2.1.1. Реакции полифторарентиолов с алкилгалогенидами Показано, что полифторарентиолы 1а-д реагируют с хлористым 2 или бромистым 3 аллилом при комнатной температуре с образованием аллилполифторарилсульфидов 4а-д, и с бензилхлоридом 5 с образованием бензилполифторарилсульфидов 6а,в-д и 8 с высокими выходами (схема 1).

тетрафторбензолтиильные группы получен бис(2,3,5,6-тетрафторфенилтио)метан 10. При взаимодействии тиола 1а с пентафторбензальхлоридом 11 и пентафторбензотрихлоридом 12 основным процессом является замещение с образованием сульфидов 13 и 14 соответственно (схема 2).

При взаимодействии тиола 1а с трихлор- 15 или трибромметаном получен преимущественно трис(2,3,5,6-тетрафторфенилтио)ортоформиат 17а наряду с небольшим количеством 1,2,4,5-тетрафторбензола 18а, тогда как в реакции 4-хлор-2,3,5,6-тетрафторбензолтиола 1в с соединением 15 основным 4-трифторметил-2,3,5,6-тетрафторбензолтиола 1д с соединениями 15 или 16 –,,,2,3,5,6-гептафтортолуол 18д (схема 3).

При взаимодействии полифторарентиолов 1а,б с фтордихлорметаном в качестве основных продуктов выделены фторхлорметилполифторарилсульфиды 20а,б, тогда как в реакции тиола 1д с соединением преимущественно получен,,,2,3,5,6-гептафтортолуол 18д (схема 4).

Показано, что при нагревании в щелочной среде фторхлорметилтрифторметил-2,3,5,6-тетрафторфенил)сульфид 20д полностью превращается в тиол 1д и гидропроизводное 18д (схема 5).

При взаимодействии 4-трифторметил-2,3,5-трифтор-6-хлорбензолтиола с трихлорметаном 15 получается,,,2,3,6-гексафтор-5-хлортолуол 21, в котором тиольная группа заменена на атома водорода с сохранением ортоатома хлора. Побочным продуктом является 2-трифторметил-3,6-дифторхлорфенол 22 (схема 6).

2.1.2. Реакции полифторарентиолов с бромом.

Получение полифтораренсульфонилбромидов Пентафторбензолсульфонилбромид 23б как единственный представитель полифтораренсульфонилбромидов был ранее получен последовательным действием диоксида серы и брома на пентафторфенилмагнийхлорид. В то же время нефторированные аренсульфонилбромиды получают, в том числе, окислением арентиолов бромом в уксусной кислоте. Цель нашей работы состояла в изучении влияния полифторароматического кольца на свойства тиольной группы на примере действия на полифторарентиолы брома и его источников в кислой среде.

Найдено, что действие на полифторарентиолы 1а-д и нонафтордифенилтиол 1е смеси концентрированных азотной, серной и бромоводородной кислот приводит к полифтораренсульфонилбромидам 23а-е с хорошими присутствием в ИК-спектрах соединений интенсивных полос поглощения в области 1150 см-1 и 1350 см-1. Однако при действии данной смеси реагентов на нонафториндан-5-тиол 24 удалось получить лишь смесь нонафториндансульфонилбромида 25 и соответствующего октадекафтордиинданилдисульфида 26. Показано, что полного превращения тиола 24 в сульфонилбромид 25 удается добиться при использовании смеси концентрированных азотной и серной кислот с бромом или смеси дымящей азотной кислоты с бромом. Действие данных смесей реагентов на другие полифторарентиолы также приводит к сульфонилбромидам с хорошими выходами (схема 7).

F F F F F F F F

к уменьшению выхода целевого соединения.

В качестве источника брома можно использовать бромид натрия.

В реакции пентафторбензолтиола 1б со смесью бромида натрия и дымящей азотной кислоты или смеси бромида натрия и концентрированных азотной и серной кислот также получается пентафторбензолсульфонилбромид 23б (схема 8).

Взаимодействие тиола 1б с бромом в среде концентрированной серной кислоты, ледяной уксусной кислоты или воды приводит к образованию трудноразделимых смесей сульфонилбромида 23б и декафтордифенилдисульфида 32. Образование дисульфида 32 также происходит при снижении температуры реакции тиола со смесью концентрированных азотной, серной и бромоводородной кислот (схема 9).

Найдено, что дисульфид 32 также превращается в сульфонилбромид 23б, однако в более жёстких условиях (схема 10). Следовательно, дисульфид 32, скорее всего, не является интермедиатом на пути окисления тиола 1б в сульфонилбромид 23б.

полифтордиарилдисульфида образуется полифтораренсульфенилбромид, который затем окисляется в целевой полифтораренсульфонилбромид (схема 11). Окислителем, например, выступает концентрированная азотная кислота. Ранее подобная схема была предложена для превращения полифторарентиолов в полифтораренсульфонилхлориды действием хлора в уксусной кислоте (J.С. Tatlow с соавт., 1963).

Достоинством предлагаемого способа получения полифтораренсульфонилбромидов является использование недорогих доступных реактивов общего пользования (бром, бромоводородная кислота, бромид натрия, серная и азотная кислоты), сравнительно небольшое время реакции, хорошие выходы и чистота целевых продуктов. Исходные полифторарентиолы могут быть получены из доступных полифтораренов, некоторые являются коммерчески доступными соединениями.

2.2. Химические свойства полифтораренсульфонилгалогенидов являются реакции с нуклеофильными реагентами. В нашей работе приведены полифтораренсульфонилгалогенидов с галогенидами щелочных металлов, полифторарентиолами, непредельными соединениями (гексен-1, хлористый аллил, бромистый аллил, бутадиен-1,3).

2.2.1. Реакции с галогенидами щелочных металлов Можно было ожидать, что при взаимодействии полифтораренсульфонилгалогенидов с галогенидами щелочных металлов будет происходить замещение атомов галогена сульфонилгалогенидной группы.

Действительно, при взаимодействии сульфонилбромида 23б и фторида калия получается пентафторбензолсульфонилфторид 33, однако при этом неожиданно образуется пентафторбензол 34, бромпентафторбензол 35 и пентафторбензолсульфинат калия 36 в значительном количестве (схема 12).

гидропроизводного и галогенполифторарена.

При взаимодействии сульфонилбромида 23б с хлоридом натрия (1:1) сульфонилбромида 23б с бромидом натрия (1:2) приводила к образованию соединений 34, 35 и 39 (схема 13). Образование соединений 34, 35, подтверждено данными спектроскопии ЯМР 1H, 19F и ГХ-МС.

При взаимодействии сульфонилбромида 23б или сульфонилхлорида с иодидом натрия (1:2) в MeCN уже через 1 мин наблюдали потемнение реакционной смеси, вызванное образованием иода. Продуктами реакции оказались преимущественно пентафторбензол 34 и иодпентафторбензол (ЯМР 19F, ГХ-МС) (схема 14).

SO2Br полифтораренсульфонилгалогенидов под действием бромид- или иодидионов (при взаимодействии сульфонилбромида 23б с фторидом калия или хлоридом натрия бромид-ион образуется в реакционной смеси в ходе процесса). Наблюдаемые превращения согласуются, с одной стороны, с известным качественным порядком реакционной способности галогенидионов в реакциях бимолекулярного нуклеофильного замещения при насыщенном атоме углерода (SN2) в апротонном растворителе (ДМФА, с возрастанием восстановительных свойств галогенид-иона в порядке хлорид < бромид < иодид.

2.2.2. Взаимодействие полифтораренсульфонилгалогенидов и полифторарентиолов Найдено, что при взаимодействии пентафторбензолсульфонилбромида 23б декафтордифенилдисульфид 32. Полное превращение 1 моля сульфонилгалогенида достигается при расходовании 5 молей тиола. В отличие от этого, реакция пентафторбензолсульфонилфторида 33 с тиолом 1б происходит с образованием 4-пентафторфенилтио-2,3,5,6-тетрафторбензолсульфонилфторида 41 (схема 15).

При взаимодействии сульфонилбромида 23б и 2,3,5,6-тетрафторбензолтиола 1а получена смесь дисульфида 32, 2,2`,3,3`,4,5,5`,6,6`-нонафтордифенилдисульфида 42 и 2,2`,3,3`,5,5`,6,6`-октафтордифенилдисульфида (схема 16).

2.2.3. Взаимодействие полифтораренсульфонилбромидов с ненасыщенными соединениями Ранее было показано, что при нагревании в жёстких условиях в присутствии рутениевого катализатора сульфонилхлорид 37 вступает в реакцию присоединения к олефинам или силиловым эфирам енолов.

Учитывая меньшую энергию связи S-Br по сравнению с таковой связи S-Cl, можно было предполагать, что полифтораренсульфонилбромиды будут легче вступать в реакции с олефинами.

Показано, что при взаимодействии полифтораренсульфонилбромидов с гексеном-1 44 или хлористым аллилом 2 получаются соответственно 1-полифтораренсульфонил-2-бромгексаны 45а,б,д и 1-полифтораренсульфонил-2-бром-3-хлорпропаны 46а-д с высокими выходами (схема 17).

Присоединение происходит как при нагревании в растворителе (гексан) или без него, так и при комнатной температуре.

В то же время, реакция сульфонилбромидов 1а-д с бромистым аллилом приводит к образованию смеси соответствующего аллилполифторарилсульфона 47а-д и 1,2,3-трибромпропана 48 (схема 18). Данное направление реакции не зависит от температуры реакции или присутствия катализатора осуществляют, промывая продукт реакции гексаном, при этом выход выделенного сульфона 47а-д составляет 60-70%.

Освещение смеси сульфонилбромида 23б и соединения 3 УФ-лампой в течение 3 ч приводит к полной конверсии сульфонилбромида 23б, тогда как в параллельном опыте при освещении только рассеянным дневным светом конверсия сульфонилбромида 23б составила около 7% (19F ЯМР). К полной конверсии приводит также нагревание смеси сульфонилбромида 23б и соединения 3 в присутствии 20 мол. % иодида меди(I) при 150oC в течение и соединения 3 рассеянным дневным светом при 17-21 °C за 15 сут на свету конверсия составила 94%, тогда как за 17 сут при той же температуре гидрохинона (25 мол. %) снижало конверсию соединения 23б до 17%.

Возможна, например, следующая схема образования продуктов реакции (на примере превращения пентафторбензолсульфонилбромида 23б). Вначале сульфонилбромида 23б с образованием пентафторбензолсульфонильного с образованием конечного продукта реакции – соединений 45б или 46б.

Однако, если вторичный радикал (А) содержит в -положениии легко уходящую группу – атом брома, то, по-видимому, происходит его элиминирование с образованием аллилпентафторфенилсульфона 47б. Атом находящегося в избытке, с образованием трибромпропана 48 (схема 19).

В роли акцептора бром-радикала может выступать и образующийся аллилполифторарилсульфон 47б. Так, уменьшение мольного соотношения бромистого аллила 3 и сульфонилбромида 23б с 4 : 1 до 2.5 : 1 приводит к образованию наряду с трибромпропаном 48 незначительного количества нагревании аллилпентафторфенилсульфона 47б с бромом (схема 20).

присоединения, а к «переносу» аллильного фрагмента между реагирующими промежуточно образующегося радикала типа А (схема 21).

в 1,4-диоксане в присутствии цинковой пыли (схема 22). Цинк, по-видимому, способствует образованию аренсульфонильных радикалов, и, кроме того, подавляет образование трибромпропана 48 за счет восстановления бромрадикала в бромид-ион, который не взаимодействует с бромистым аллилом 3.

пентафторбензола 34. Другие растворители менее пригодны: в гексане реакция не идет, а в ацетонитриле доля арена 34 увеличивается.

Показано, что при взаимодействии пентафторбензолсульфонилбромида 23б с бутадиеном-1,3 50 при комнатной температуре получается продукт 1,4-присоединения – 1-пентафторбензолсульфонил-4-бромбутен- 51 с высоким выходом. По-видимому, сначала происходит образование к соединению 50. Присоединение атома брома в положение 4 приводит к аддукту 51 (схема 23).

ArFSO2Br

ВЫВОДЫ

1. Взаимодействие полифторарентиолов с алкигалогенидами приводит к алкилполифторарилсульфидам. В реакциях полифторарентиолов с тригалогенметанами направление процесса зависит от природы атома галогена тригалогенметана, природы заместителей в структуре полифторарентиола и приводит к дигалогенметил(полифторарил)сульфидам, трис(полифторарилтио)ортоформиатам, гидрополифтораренам. Образование гидрополифтораренов обнаружено впервые.

2. Разработан метод получения полифтораренсульфонилбромидов действием на полифторарентиолы смеси брома и дымящей азотной кислоты, брома концентрированных бромоводородной, азотной и серной кислот. С помощью предложенного метода синтезированы полифторбензолсульфонилбромиды, содержащие в полифторароматическом кольце атомы водорода, галогенов, трифторметильные группы, а также сульфонилбромиды ряда перфтордифенила, перфториндана, перфторпиридина.

3. Обнаружено, что реакции полифтораренсульфонилхлоридов и -бромидов к элиминированию серосодержащей группы и образованию галогенполифтораренов и гидрополифтораренов.

4. Найдено, что в реакциях полифтораренсульфонилхлоридов и -бромидов с полифторарентиолами получаются полифтордиарилдисульфиды. При взаимодействии сульфонилгалогенидов и тиолов, содержащих разные полифторарильные группы, образуется смесь полифтордиарилдисульфидов.

5. Показано, что полифтораренсульфонилбромиды вступают в реакции радикального присоединения к двойной связи алкенов с образованием полифтораренсульфонилбромалканов. Конверсия полифтораренсульфонилхлоридов в аналогичных условиях незначительна. Радикальное присоединение полифтораренсульфонилбромидов к бромистому аллилу приводит к аллилполифторарилсульфонам. Найдена обратимость реакции аллилполифторарилсульфонов с полифтораренсульфонилбромидами.

Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях 1. Vyacheslav E. Platonov, Roman A. Bredikhin, Alexander M. Maksimov, Victor polyfluoroarenesulfonyl bromides from polyfluoroarenethiols // Journal of Fluorine Chemistry – 2010 – V. 131. – P. 13-16. doi:10.1016/j.fluchem.2009.09. polyfluoroarenethiols with electrophiles. Synthesis and some transformations of allyl polyfluoroaryl sulfides and sulfones // Электронный журнал Fluorine notes.

http://notes.fluorine1.ru/contents/history/2010/6_2010/letters/letter3.html полифтораренсульфонилбромидов с бромистым аллилом. Получение аллилполифторарилсульфонов // Журнал органической химии. – 2011. – Т. 47. – Вып. 3. – с. 380-384.

4. Р.А. Бредихин, А.М. Максимов, В.Е. Платонов Полифтораренсульфонилбромиды: получение и реакции с алкенами // в сб.: «Итоги диссертационных исследований». Том 1. – Материалы IV Всероссийского конкурса молодых ученых. – М.: РАН, 2012. – 163 с. – с. 69-80.

Результаты диссертационной работы представлены на конференциях VII Всероссийская конференция «Химия фтора», Москва, 2006, P-55.

полифтораренсульфонилбромидов. Всероссийская научная конференция «Современные проблемы органической химии», Новосибирск, 2007. – Тезисы докладов, С-20, с. 70.

3. Р.А. Бредихин, А.М. Максимов, В.Е. Платонов. Синтез полифтораренсульфонилбромидов из полифторарентиолов // X Молодёжная конференция по органической химии, Уфа, 2007. – Тезисы докладов, с. 34.

4. Р.А. Бредихин, А.М. Максимов, В.Е. Платонов. Полифтораренсульфонилгалогениды. Превращения сульфонилгалогенидной функции. VIII Всероссийская конференция «Химия Фтора», Черноголовка, 2009. – Тезисы докладов, с. 46.

5. Р.А. Бредихин, А.М. Максимов, В.Е. Платонов. Взаимодействие полифтораренсульфонилбромидов с бромистым аллилом. XII Молодёжная конференция по органической химии, Суздаль, 2009. – Сборник, с. 38-39.

polyfluoroarenethiols with electrophiles. Synthesis and some transformations of allyl polyfluoroaryl sulfides and sulfones // 8th Regular German-Russian-Ukrainian Symposium on Fluorine Chemistry: Abstracts – Zvenigorod, Russia, 2010 – L-11.

7. Р.А. Бредихин. Полифтораренсульфонилбромиды в органическом синтезе.

«Химия в современном мире». Пятая всероссийская конференция студентов и аспирантов. Санкт-Петербург, 2011. – Тезисы докладов, с. 324-325.

8. Bredikhin R.A., Maksimov A.M., Platonov V.E. Some new aspects of the chemistry of polyfluoroarenesulfonyl halides // International conference “Current Topics in Organic Chemistry”: Book of abstracts – Novosibirsk, Russia, 2011. – P. 84.

Формат бумаги 60x84 1/16. Объём 1 печ.л.

Отпечатано на ротапринте Новосибирского института органической химии им. Н.Н.Ворожцова СО РАН 630090, Новосибирск, 90, пр. акад. Лаврентьева,