МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
имени М.В. Ломоносова
Химический факультет
На правах рукописи
ТАРАНОВА Марина Александровна
Смешанные фосфониево-йодониевые илиды в синтезе новых
гетероциклических систем
02.00.03 – органическая химия
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук
Москва - 2013 2
Работа выполнена в Государственном учебно-научном учреждении Химический факультет Московского государственного университета имени М.В.Ломоносова
Научный руководитель: доктор химических наук, доцент, Матвеева Елена Дмитриевна
Официальные оппоненты: Пржевальский Николай Михайлович, доктор химических наук, профессор, Российский государственный аграрный университет - МСХА им. К.А. Тимирязева, профессор кафедры органической химии факультета почвоведения, агрохимии и экологии Козлов Владимир Андреевич, доктор химических наук, старший научный сотрудник, Институт элементоорганических соединений им. А.Н.Несмеянова Российской академии наук, старший научный сотрудник
Ведущая организация: Институт органической химии имени Н.Д. Зелинского Российской академии наук
Защита состоится «18» декабря 2013 г. в 11 часов на заседании диссертационного совета Д 501.001.69, созданного на базе Химического факультета Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова, по адресу: 119991, г. Москва, Ленинские Горы, д. 1, стр. 3, Химический факультет, ауд. 446.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова.
Автореферат разослан «15» ноября 2013 г.
Ученый секретарь диссертационного совета доктор химических наук, профессор Магдесиева Т.В.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы Соединения поливалентного йода благодаря их уникальным свойствам широко используются в качестве реагентов в органическом синтезе. Среди этих соединений малоизученным классом являются стабилизированные смешанные фосфониево-йодониевые илиды. Синтетический дизайн илидов, объединяющих в одной молекуле атомы фосфора и йода, осуществленный в настоящей работе, позволяет расширить круг структурных типов смешанных илидов и создать новые реагенты для органического синтеза.
В последнее время показана возможность использования фосфониево-йодониевых илидов – соединений с несколькими реакционными центрами в молекуле, в фотохимических процессах образования конденсированных гетероциклических систем - 5-фосфинолинов аналогов хинолинов, содержащих пятивалентный атом фосфора.
В литературе практически отсутствуют методы синтеза такого рода гетероциклических систем. Расширение арсенала методов синтеза неизвестных ранее гетероциклов открывает возможности для дальнейших исследований как фундаментальной проблемы ароматичности, так и изучения свойств и применения этих гетероциклов в органическом синтезе.
Настоящая работа и посвящена изучению новых горизонтов фотохимических процессов смешанных фосфониево-йодониевых илидов, приводящих к образованию целого ряда новых фосфор содержащих гетероциклических систем.
Целью работы является: во-первых, создание новых стабилизированных смешанных фосфониево-йодониевых илидов как с различными углерод, сера и фосфор содержащими акцепторными заместителями у илидного атома углерода, так и с гетероароматическими заместителями у атома фосфора; во-вторых, изучение синтетического применения этих реагентов для создания новых фосфорсодержащих гетероциклических систем.
Научная новизна Впервые синтезированы неизвестные ранее смешанные фосфониево-йодониевые илиды с тремя гетероатомными заместителями у илидного атома углерода и с различными ароматическими и гетероциклическими заместителями в фосфониевой группе.
Показано, что фотохимическое взаимодействие илидов с ацетиленами приводит к образованию как новых гетероциклических систем с конденсированным шестичленным фосфорсодержащим циклом, так и новых типов фосфониевых солей.
Установлено, что процесс образования фосфорсодержащего шестичленного кольца носит электрофильный характер. Участие гетероароматического заместителя у атома фосфора в электрофильном процессе циклизации открывает пути к новым фосфининотиофена и 5-фосфининофурана.
Проведенное систематическое исследование реакций смешанных илидов с алифатическими, ароматическими и гетероароматическими ацетиленами позволило установить зависимость направления гетероциклизации как от заместителей при илидном атоме углерода, так и от заместителей в ацетиленах. Установлены пути хемоселективного протекания этих процессов с образованием либо конденсированных гетероциклических систем, либо неизвестных ранее гетарилдифенилфурилзамещенных фосфониевых солей.
Теоретическая и практическая ценность работы Разработан общий метод получения новых реагентов для органического синтеза. Эти реагенты представляют собой малоизученный класс стабилизированных фосфониевойодониевых илидов с различными заместителями как у илидного атома углерода, так и у атома фосфора.
Открыты пути синтеза новых фосфорсодержащих гетероциклических систем, позволяющие исследовать фундаментальную проблему ароматичности гетероциклических соединений.
Изучены фотохимические процессы смешанных фосфониево-йодониевых илидов с различными ацетиленами. Выявлены пути хемоселективного протекания реакции в зависимости от заместителей при тройной связи ацетилена.
Апробация работы международных и российских конференциях, в том числе: на Международных научных конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов», Секция Химия, Москва, 2010, 2011, 2012 гг.; на Международной конференции XIV European Symposium on Organic Reactivity, Prague, Czech Republic, 2013 г.; на V Всероссийской конференции студентов и аспирантов «Химия в современном мире», Санкт-Петербург, 2011.
Публикации Основное содержание работы
изложено в 9 публикациях, включая 4 оригинальные статьи в российских и международных журналах, рекомендованных ВАК, и 7 тезисов докладов.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований - проект № 11-03-00641-а, Гранта Президента РФ для поддержки ведущих научных школ № НШ-65546.2010.3, 6464.2012.3, грантов фундаментальных исследований 1ОХНМ РАН, 9-ОХНМ РАН.
Структура и объем работы Материал диссертации изложен на 165 страницах: включает введение, литературный обзор, обсуждение результатов, экспериментальную часть, выводы, список цитируемой литературы, включающий 156 наименований, и приложение на 18 страницах.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Основное содержание работы изложено в разделе «Обсуждение результатов», который состоит из двух частей. Первая часть посвящена синтезу смешанных фосфониевойодониевых илидов с различными электроноакцепторными заместителями у илидного атома углерода и различными ароматическими и гетероароматическими заместителями у атома фосфора. Во второй части представлены результаты использования смешанных фосфониевойодониевых илидов как новых реагентов для создания неизвестных ранее аннелированных фосфорсодержащих гетероциклических систем.
Синтез фосфониево-йодониевых илидов Cмешанные фосфониево-йодониевые илиды 1a-o с различными заместителями как у илидного атома углерода, так и у атома фосфора были получены в результате трехстадийного синтеза на основе коммерчески доступного трифенилфосфина 2 или предварительно синтезированных арил(или гетарил)дифенилфосфинов 4-9.
Исходные арилдифенилфосфины получали двумя путями: 1) кросс-сочетанием йодзамещённого арена с триметилсилилфосфином в присутствии катализатора на основе палладия (II) (фосфины 4-7, схема 1); 2) взаимодействием литиевых производных фурана и N-пиразола с дифенилхлорфосфином (фосфины 8-9, схема 2).
Схема 1. Синтез фосфинов 4-7.
Схема 2. Синтез фосфинов 8-9.
Алкилированием трифенилфосфина были получены фосфониевые соли 10 а-е с выходами 80-90 %. Последующее депротонирование полученных солей 10 а-c, е при действии оснований приводило к получению фосфоранов 11 а-c, е, которые были выделены с высокими препаративными выходами – 80-95% (схема 3). При обработке фосфониевой соли 10 d сильным основанием образуется фосфониевый илид 11', который без выделения вводили в последующее взаимодействие с тозилфторидом. Мы использовали двойной эквивалент илида 11' – одна молекула илида в качестве нуклеофила замещает фторид-ион и образуется соль [Ph3P+CH2SO2p-Tol]F-, которая мгновенно депротонируется этим же илидом 11' с образованием целевого фосфорана 11 d (схема 3).
Схема 3. Синтез фосфоранов 11а-е на основе трифенилфосфина (2).
Неизвестные ранее фосфораны 11 f-o были получены нами впервые аналогичными методами на основе арилдифенилфосфинов с высокими препаративными выходами – 75-95% (Схема 4).
Схема 4. Синтез фосфоранов 11 f-o на основе арилдифенилфосфинов (4-9).
Структуры выделенных фосфониевых солей 10 f-o и фосфоранов 11 f-o были подтверждены методами ЯМР 1Н, 13 элементным анализом.
Смешанные фосфониево-йодониевые илиды 1 а-е с акцепторными группами у илидного атома углерода (бензоил-, карбометокси-, циано-, сульфонил- и фосфорилзамещенные) были получены в виде тетрафторборатов окислением соответствующих фосфоранов 11 а-е диацетоксийодбензолом с последующей обработкой тетрафторборной кислотой (схема 5). Выходы илидов 1 а-е представлены в таблице 1.
Схема 5. Синтез смешанных фосфониево-йодониевых илидов 1 а-е.
Таблица 1. Выходы смешанных илидов 1 а-е.
Следует отметить, что сульфонил- и фосфорилзамещенные фосфониево-йодониевые илиды 1 d,e получены впервые и представляют собой новый тип смешанных илидов с гетероатомными стабилизирующими группами.
Нами было установлено, что для трифенилфосфонийзамещенных смешанных илидов стабильность в зависимости от акцепторной группы у илидного атома углерода уменьшается в ряду: SO2p-Tol COOMe > C(O)Ph > P(O)OEt2 CN.
Неизвестные ранее смешанные илиды с различными заместителями у атома фосфора 1 f-o были получены аналогичным методом с выходами 45-95 % (Таблица 2).
Таблица 2. Выходы смешанных илидов 1 f-o.
Полученные фосфониево-йодониевые илиды с гетероароматическими заместителями по сравнению с трифенилзамещенными аналогами 1 a,b,d оказались существенно менее стабильными. Их стабильность в зависимости от заместителя у атома фосфора уменьшается в ряду: Ph > 3-тиенил 2-тиенил > пиразолил > 2-фурил >> 3-индолил > 2-карбометоксифенил.
Илиды с 3-индолильным и 2-карбометоксифенильным заместителями (1 f,g) настолько нестабильны в растворах, что использовать их в дальнейших превращениях не удалось.
Для подтверждения структуры смешанных илидов (1) была использована ЯМР 1Н, 13С, Р и ИК спектроскопия, состав был подтвержден элементным анализом или массспектроскопией высокого разрешения.
Сигналы атома фосфора в спектрах ЯМР 31Р илидов (1) находятся в области 12-32 м.д., положение которых в большей степени зависит от заместителей в фосфониевой группе.
В спектрах ЯМР 1Н и 13С илидов (1) присутствуют наборы сигналов, соответствующие фосфониевым и йодониевым фрагментам, а также стабилизирующим группам у илидного атома углерода. Сигналы илидных атомов углерода удалось зарегистрировать только для илидов 1с, d, i; они находятся в при 0.01 м.д. (1JСР = 123.9 Гц), 37.26 (1JСР = 95.8 Гц) и 88. (1JСР = 87.1 Гц) соответственно. Низкая интенсивность этих сигналов в спектрах ЯМР является следствием высокой степени экранирования илидных атомов углерода.
Ранее при изучении низкотемпературных спектров ЯМР Н, С, Р трифенилфосфонийзамещенного илида 1b с карбометоксильным заместителем у илидного атома углерода было установлено существование динамического равновесия между Z- и Еизомерами этого илида в растворе (схема 6, Ar = Ph).
Схема 6. Z, Е-Изомеры смешанных илидов 1 b,k,o карбометоксильным заместителем у илидного атома углерода.
фосфора в спектрах ЯМР Р гетарилдифенилфосфонийзамещенных илидов 1 k,o c карбометоксильными заместителями у илидного атома углерода позволяет предположить существование равновесия между Z- и Е-изомерами и для этих илидов (схема 6).
Взаимодействие смешанных илидов с ацетиленами Ранее в нашей лаборатории были открыты фотохимические реакции фосфониевойодониевых илидов с CC и CN тройными связями, приводящие к образованию крайне труднодоступных гетероциклических систем 5-фосфинолинов и фосфонийзамещенных оксазолов соответственно. В настоящей работе осуществлен синтетический дизайн фотохимического процесса взаимодействия разнообразных по структуре смешанных фосфониево-йодониевых илидов (1 а-о) с различными ацетиленами (12-19).
Мы установили, что смешанные илиды 1 а-е, h-o вступают во взаимодействие с терминальными ароматическими ацетиленами, такими как фенилацетилен, 3тиенилацетилен, 4-этиниланизол. Терминальные алифатические ацетилены так же активно взаимодействуют со смешанными илидами, однако, низкая стабильность продуктов гетероциклизации в некоторых случаях приводила к значительному снижению их выходов.
Дизамещенные ацетилены менее реакционноспособны при взаимодействии с фосфониевойодониевыми илидами, а ацетилены с акцепторными заместителями (например, ДМАД, 2-этинилпиридин, метилпропаргиловый эфир) в реакцию не вступают вовсе.
Взаимодействие илидов 1 а-е с ацетиленами Взаимодействие бензоил- и карбометоксизамещенных илидов 1 а,b с ацетиленами приводит к образованию двух различных гетероциклических систем – 5-фосфинолинов и фосфонийзамещенных фуранов, и кроме того, сопровождается образованием фосфониевых солей 10 а',b' (схема 7).
Реакции протекают с достаточно высокими суммарными выходами продуктов карбометоксизамещенного илида 1b происходит существенно медленнее (30-90 мин), чем в случае бензоилзамещенного илида 1a (5-15 мин).
Схема 7. Взаимодействие смешанных илидов 1a, b с ацетиленами.
Таблица 3. Выходы полученных 5-фосфинолинов 20-30 и фосфонийзамещенных фуранов 31-36.* * Выходы фосфониевых солей 10 a',b' составляли 15-50% Как следует из таблицы 3 соотношение продуктов гетероциклизации – 5фосфинолинов и фосфонийзамещенных фуранов существенно зависит от природы заместителей у тройной связи ацетилена (Схема 7, Таблица 3). Выход 5-фосфинолинов уменьшается в ряду ацетиленов: 13>14>15>16, и в этом же ряду увеличивается выход фуранов.
Заместитель у илидного атома углерода в меньшей степени влияет на соотношение продуктов гетероциклизации. Так, при взаимодействии илида 1a с 4-этиниланизолом соотношение продуктов 5-фосфинолин : фуран составляло 4 : 3, а для илида 1b это соотношение изменилось и составило 5 : 2.
Образование конденсированной гетероциклической системы с шестичленным фосфорсодержащим циклом и фосфонийзамещенных фуранов и может быть представлено следующей схемой.
фосфонийзамещенных фуранов.
Гетеролитический разрыв связи C-I при УФ-облучении приводит к образованию электрофильной частицы А1, которая при взаимодействии с СС-связью в свою очередь образует карбокатион А2, внутримолекулярная электрофильная атака в котором по бензольному кольцу, связанному с атомом фосфора, приводит к образованию шестичленного фосфорсодержащего цикла – 5-фосфинолина (путь а), а при взаимодействии катионного центра с атомом кислорода карбонильной группы происходит образование фосфонийзамещенного фурана (путь b).
Эта схема согласуется с результатами взаимодействия смешанных илидов с ацетиленами, приведенными в таблице 4. Возможность реализации того или иного пути зависит от устойчивости образующегося карбокатиона А2, которая в свою очередь существенным образом зависит от заместителя при тройной связи в ацетилене. Чем больше эффективная электрофильность карбокатиона А2 (т.е. чем меньше заместитель участвует в стабилизации положительного заряда), тем быстрее протекает электрофильное замещение в ароматическое кольцо у атома фосфора.
Для реализации пути b карбокатиону А2 необходимо принять конформацию, при которой атом кислорода карбонильной группы и катионный центр будут сближены и замыкание фуранового цикла становится возможным. Стабилизация положительного заряда в винильном катионе А2 по ароматической системе заместителя увеличивает время жизни этого карбокатиона, и в этом случае реализуется путь b.
Однако, нельзя исключать возможность образования фуранового цикла в результате [3+2]-циклоприсоединения смешанного илида к тройной связи ацетилена.
фосфонийзамещенных фуранов при взаимодействии смешанных илидов с ацетиленами всегда сопровождается образованием фосфониевых солей [Ph3P+CH2C(O)R)]BF4- (10 a’,b’).
бензоилзамещенного илида 1а с фенилацетиленом методом стационарного фотолиза и литературные данные по фотоиндуцированному распаду йодониевых солей позволили предположить, что в процессе реакции возможны два пути фотораспада илида 1a: с образованием йодбензола и карбокатиона А1 (путь 1, приводящий к гетероциклам - схема 8) и с образованием радикала В1 и катион-радикала йодбензола (путь 2, приводящий к фосфониевой соли 10 a’ - схема 9).
Схема 9. Предполагаемая схема фотоиндуцированного распада илида 1а в присутствии дихлорметана.
Радикал В1 может отрывать атом водорода от растворителя с образованием фосфорана В2, последующее протонирование которого приводит к енолу В3, переходящему в кетонную форму фосфониевой соли 10 a’ (схема 9).
Предложенная схема образования соли подтверждена результатами облучения раствора смешанного илида 1а в дейтерированном растворителе (CD2Cl2) - образовавшаяся в этих условиях соль в метиленовой группе содержала атомы дейтерия и в спектрах ЯМР 1Н не имела характерного дублета в области 4.5-5.5 м.д. В спектрах ЭПР илида 1а при УФоблучении присутствуют сигналы сложной структуры, которые свидетельствуют о существовании относительно долгоживущих радикалов, что косвенно подтверждает предложенную схему 9.
Рис. 1. Спектры ЭПР смешанного илида 1а при УФ-облучении.
При замене карбонилсодержащих стабилизирующих групп у илидного атома углерода в фосфониево-йодониевых илидах на нитрильную, сульфонильную или фосфорильную группы исключается возможность реакции по пути b (см. схему 8) и реакция с ацетиленами должна была приводить к образованию только фосфорсодержащих шестичленных гетероциклов.
Действительно, мы показали, что в результате реакций илидов 1 c,d,e с ацетиленами альтернативы образования фуранов) (схема 10). Результаты взаимодействий илидов 1 c,d,e с ацетиленами представлены в таблице 4.
Схема 10. Взаимодействие смешанных илидов 1c, d, e с ацетиленами.
-фосфинолинов 37-53.*