САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Иванов Алексей Владимирович

Реакции 2-диазо-1,3-дикарбонильных соединений

с тиокетонами и ацетиленовыми диполярофилами:

синтез S-, N- и О-содержащих гетероциклов

специальность 02.00.03 - органическая химия

А ВТОРЕФ ЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

Санкт-Петербург 2014

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет».

Научный руководитель: Николаев Валерий Александрович, доктор химических наук, профессор

Официальные оппоненты: Берестовицкая Валентина Михайловна, доктор химических наук, профессор, заведующий кафедрой органической химии, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Российский государственный педагогический университет им. А.И. Герцена Бакулев Василий Алексеевич, доктор химических наук, профессор, заведующий кафедрой технологии органического синтеза, Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт органической химии им. Н.Д. Зелинского Российской академии наук (ИОХ РАН).

Защита состоится «26» июня 2014 г. в 1500 часов на заседании совета Д 212.232.28 по защите докторских и кандидатских диссертаций при Санкт-Петербургском государственном университете по адресу: 199004, Санкт-Петербург, Средний пр., д. 41/43, химический факультет (БХА).

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке им. А. М.

Горького, СПбГУ, Университетская наб., д. 7/9 и на сайте www.spbu.ru.

Автореферат разослан " " апреля 2014 г.

Учёный секретарь /В. Н. Сорокоумов/ диссертационного совета 1.

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Алифатические диазосоединения давно привлекают внимание исследователей высокой реакционной способностью и широко используются в органическом синтезе. Многочисленные реакции 1.3-циклоприсоединения диазосоединений позволяют синтезировать самые разнообразные S-, N- и О-содержащие гетероциклические соединения, в частности - пиразолы, оксатиолы, тиофены, тиазолы и их гидрированные производные. Химия этих соединений бурно развивается в последние десятилетия в связи с их активным применением в медицине и потенциальным использованием в фармацевтической практике. Например, один из недавно предложенных методов синтеза витамина В 7 (биотина) в качестве ключевой стадии синтеза включает циклоприсоединение диазоалкана к связи C=S тиокарбонильного субстрата.

Циклоприсоединение диазоалканов и диазомонокетонов к непредельным соединениям исследовано довольно подробно, тогда как аналогичные реакции с участием 2-диазо-1,3-дикарбонильных соединений (ДДКС) изучены очень мало, а имеющиеся литературные данные в известной мере противоречивы. В то же время использование диазодикарбонильных соединений в аналогичных процессах могло бы привести к созданию разнообразных ацил- и алкоксикарбонилзамещённых гетероциклов, последующая функционализация которых позволила бы получать новые перспективные для практического использования гетероциклические структуры. В связи с этим систематическое изучение основных закономерностей и синтетических возможностей реакций 2-диазодикарбонильных соединений с различными диполярофилами представлялось актуальной и перспективной задачей данного диссертационного исследования.

Цель диссеутаиионной работы заключалась в выяснении условий и возможности циклоприсоединения сравнительно инертных в этих реакциях 2-диазо-1,3-дикарбонильных соединений к наиболее реакционноспособным диполярофилам различной природы - тиокетонам, электроноизбыточными и электронодефицитными ацетиленам, установлении закономерностей этих процессов и разработке на их основе новых методов синтеза тетразамещённых 1,3-оксатиолов, пиразолов и других S-, N- и Осодержащих гетероциклов.

Для достижения поставленной цели в работе были решены следующие задачи:

• оптимизированы методики синтеза исходных диазосубстратов и диполярофилов;

• исследованы реакции диазодикарбонильных соединений с ароматическими и карбоциклическими тиокетонами, электроноизбыточными и электронодефицитными С=С-диполярофилами;

• экспериментально и теоретически изучены механизмы этих превращений, направление электроциклизации промежуточных тиокарбонильных илидов, образующихся в ходе реакций диазосоединений с тиокетонами;

• выяснена возможность препаративного синтеза тетразамещённых 1,3оксатиолов, пиразолов и других S-, N- и О-содержащих гетероциклов с помощью циклоприсоединения 2-диазо-1,3-дикарбонильных соединений к тиокетонам и ацетиленовым диполярофилам.

Научная новизна.

• Впервые установлено, что 2-диазо-1,3-дикарбонильные соединения реагируют с ароматическими и алифатическими тиокетонами с образованием в качестве конечных продуктов циклоприсоединения оксатиолов, тииранов или алкенов.

• Разработаны новые эффективные методики синтеза тетразамещённых оксатиолов и пиразолов путём циклоприсоединения диазодикетонов, диазокетоэфиров и диазомалонатов к C=S- и С=С-диполярофилам.

• Механизмы изученных реакций интерпретированы на основе результатов квантово-химических расчётов методом DFT PBElPBE/6-31G(d).

• Впервые обнаружена и теоретически обоснована обратимость 1,5-электро­ циклизации промежуточных тиокарбонильных илидов в оксатиолы.

Практическая ценность работы. На основе циклоприсоединения диазодикарбонильных соединений к C=S- и С=С-диполярофилам разработан новый подход к синтезу пятичленных тетразамещённых S-, N- и Осодержащих гетероциклов и установлена область применения этого метода.

На защиту выносятся следующие достижения проведённого исследования:

• Разработка способа получения тетразамещённых оксатиолов путём циклоприсоединения диазодикарбонильных соединений к ароматическим и алифатическим тиокетонам.

• Определение направления и условий электроциклизации промежуточных тиокарбонильных илидов.

• Выяснение условий взаимодействия диазодикарбонильных соединений с различными ацетиленовыми диполярофилами (ДМАД, терминальными и интернальными аминопропинами) и разработка на основе этих реакций общего метода синтеза тетразамещённых пиразолов.

• Квантово-химическая интерпретация механизма изученных превращений, проведённая методом DFT PBElPBE/6-31G(d).

Апробация работы. Материал диссертации был представлен на всероссийских и международных конференциях. По теме диссертации опубликованы 4 статьи и тезисы 9 докладов.

Объём и структура диссертации. Работа изложена на 129 страницах и состоит из предисловия, литературного обзора, обсуждения результатов, выводов, экспериментальной части, списка цитированной литературы, включающего 130 наименований и приложений, а также списка сокращений и условных обозначений.

В литературном обзоре (глава I) рассмотрена классификация реакций 1,3-диполярного циклоприсоединения и факторы, влияющие на механизм и скорость этих превращений, взаимодействие диазодикарбонильных соединений с различными диполярофилами, химические свойства промежуточных тиокарбонильных илидов и методы их генерирования. В главе II рассмотрены и обсуждены результаты изучения реакций диазодикарбонильных соединений с ароматическими и алифатическими тиокетонами, с различными ацетиленовыми диполярофилами, приводящие к образованию оксатиолов, оксатиинонов, тииранов, алкенов и пиразолов. В экспериментальной части работы представлены методики синтеза, физические характеристики и спектральные данные полученных соединений.

Работа выполнена с использованием оборудования ресурсных центров СПбГУ «Магнито-резонансные методы исследованию!» и «Методы анализа состава вещества». Рентгеновские исследования проведены в ресурсном центре СПбГУ «Рентгено-дифракционные методы исследования». Автор благодарит сотрудников РЦ за помощь при выполнении работы, а также проф. В.И. Барановского и докторанта А. Мерещенко за помощь в квантово­ химических расчётах. Автор признателен проф. Г. Млостону за предоставленную возможность выполнить часть диссертационной работы, посвящённой алифатическим тиокетонам, в его лаборатории в университете г. Лодзь (Польша) и проф. И. Зилеру из университета Лейпцига (Германия) за серию рентгеноструктурных анализов.

Нумерация соединений, схем и таблиц в автореферате идентична использованной в диссертации.

Строение полученных в работе соединений установлено на основании анализа данных ИК, 1Н и 13 С ЯМР спектроскопии и масс-спектрометрии, а их состав подтверждён элементным анализом. Строение 15 соединений подтверждено данными рентгеноструктурного анализа.

2.1. Исходные диазосоединения и диполярофилы В качестве диазосубстратов использовали 2-диазо-1,3-дикарбонильные соединения различных типов: ациклические диазодикетоны 1а-е, диазокетоэфиры lf,h и диазомалонат lg, карбоциклические диазодикетоны li-m, а в качестве диполярофилов были взяты ароматические 2а-с и электроноизбыточные ацетилены За-f.

Диазодикарбонильные соединения la-m синтезировали с помощью реакции диазопереноса из соответствующих 1,3-дикарбонильных соединений 5а-ш и арилсульфонилазидов. Ароматические тиокетоны 2а-с получали из соответствующих кетонов и реактива Лавессона по модифицированной нами методике.

Интернальные аминопропины 3d,f получали из терминальных пропинов Зс,е, которые синтезировали в несколько стадий из пропаргилового спирта.

2.2. Изучение термической устойчивости диазосоединений la-m Взаимодействие диазодикарбонильных соединений с диполярофилами изучали при температурах от 18 до 100°С. Повышение температуры заметно ускоряет циклоприсоединение, однако при этом диазодикарбонильные соединения во многих случаях начинают разлагаться, и в результате присутствующие в реакционной среде диполярофилы могут реагировать не только с диазосоединениями, но и с продуктами их термолиза. В связи с этим одной из дополнительных задач исследования было определение термической устойчивости ряда диазодикарбонильных соединений и установление строения образующихся при этом продуктов термических превращений.

Проведённые исследования показали, что в обычных условиях (18-23°С) все исследуемые диазосоединения вполне устойчивы и не претерпевают существенного разложения в течение нескольких месяцев.

Таблица 1. Термическая устойчивость (ii/2) ациклических ДДКС la-h.

Литературные данные Однако при повышении температуры до 70-80 °С и выше ациклические 1а-е и стерически перегруженные циклические диазодикетоны 1к,1 начинают довольно быстро разлагаться. Карбоциклические диазоциклогександион li и диазодимедон lj примерно на порядок стабильнее ациклических диазодикетонов 1а-е, а диазокетоэфиры lf,h и диазоциклопентандион 1 т оказались термически наиболее устойчивыми из всех изученных нами диазосоединений la-m.

На основании полученных данных можно заключить, что наличие арильных и объёмистых заместителей в структуре ДДКС значительно снижает, а введение сложноэфирных групп в a -положении к диазогруппе повышает термическую устойчивость диазосоединений 1 (Таблица 1).