Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор литературы 6
1.1, Образование винилхалькогенидов в результате присоединения тиолов и селенолов к алкинам 6
1.1.1. Получение винилсульфидов 7
1.1.1.1. Радикальное присоединение 7
1.1.1.2. Нуклеофильное присоединение 12
1.1.2. Получение винилселенидов 20
1.1.2.1. Радикальное присоединение 20
1.1.2.2. Нуклеофильное присоединение 24
1.1.3. Образование винилхалькогенидов из алкинов и алленов при участии комплексов металлов 30
1.1.3.1. Реакции образования винилсульфидов при участии соединений непереходных металлов 30
1.1.3.2. Катализируемое комплексами переходных металлов взаимодействие тиолов с алкинами и алленами 31
1.1.3.3. Исследование механизма образования винилхалькогенидов, катализируемого комплексами переходных металлов 37
1.2. Образование 1,2-дихалькогензамещенных алкенов при взаимодействии диалкил- и диарилдихалькогенидов с алкинами 41
1.2.1. Реакции радикального и нуклеофильного присоединения молекул со связью Е-Е (Е = S, Se) к алкинам 41
1.2.2. Катализируемое комплексами переходных металлов присоединение молекул со связями Е-Е (Е - S, Se) к алкинам 45
1.2.3. Изучение механизма образования 1,2-бисхалькогензамещенных алкенов на комплексах переходных металлов 48
2. Обсуждение результатов 53
2.1. Катализируемое комплексами никеля присоединение фенилселенола к терминальным и интернальным алкинам 54
2.2. Катализируемое комплексами никеля присоединение арилтиолов к терминальным алкинам 59
2.3. Изучение механизма каталитического присоединения АгЕН (Е= S, Se) к алкинам 67
2.4. Присоединение алкилтиолов к терминальным алкинам, катализируемое комплексами палладия 75
2.5. Получение 1,2-бисхалькогензамещенных алкенов в условиях микроволнового нагрева 78
2.6. Взаимодействие диарилдихалькогенидов с фосфинами и фосфитами 81
2.7. Изучение механизма образования фосфинселенидов на комплексах палладия 82
2.8. Получение функционализированных диенов в каталитической реакции диарилдихалькогенидов с алкинами 94
3. Экспериментальная часть 98
3.1. Общие сведения 98
3.2. Постановка ЯМР экспериментов 98
3.3. Синтетические методики 99
3.4. Исследование механизмов каталитических реакций 118
3.5. Методика квантово-химического расчета 123
Выводы 125
Благодарность 126
Список Литературы 127
- Образование винилхалькогенидов из алкинов и алленов при участии комплексов металлов
- Образование 1,2-дихалькогензамещенных алкенов при взаимодействии диалкил- и диарилдихалькогенидов с алкинами
- Катализируемое комплексами никеля присоединение арилтиолов к терминальным алкинам
- Получение функционализированных диенов в каталитической реакции диарилдихалькогенидов с алкинами
Введение к работе
Введение элементсодержащих функциональных групп в молекулы органических веществ является одной из важнейших задач современной химии. Одним из наиболее простых и эффективных способов гетерофункционализации органических соединений является катализируемое комплексами переходных металлов присоединение молекул со связями элемент-элемент и элемент-водород к алкинам. Основным преимуществом данных реакций является 100%-ная "атомная эффективность" (все атомы исходных соединений входят в состав продукта). Применение катализа позволяет осуществлять данные процессы с высокой регио- и стереоселективности. К числу таких реакций относится присоединение диарилдисульфидов, диарилдиселенидов, алкил- и арилтиолов и арилселенолов к алкинам, приводящее к винилхалькогенидным производным. В зависимости от типа используемого металла, лигандного окружения и условий реакции можно селективно получать разообразные продукты (моно- и дихалькогензамещенные алкены) из одних и тех же реагентов. Другие способы проведения процессов в рамках реакций свободнорадикального или нуклеофильного присоединения часто приводят к смеси продуктов различного строения или дают продукты с другой регио- и стереоселективностью. Проведение реакций без растворителя, с использованием эквимолярных количеств реагентов и каталитических количеств комплексов металлов наилучшим образом удовлетворяет требованиям современной "зеленой химии".
Халькогенсодержащие соединения находят все большее применение в химии, медицине, материаловедении, электронной промышленности и других областях, поэтому актуальным является поиск новых эффективных путей их селективного получения.
Образование винилхалькогенидов из алкинов и алленов при участии комплексов металлов
Генерируемые in situ комплексы InBr(SePh)2 [116], InI(SePh)2 [117] и Al( Bu)2SePh [118] стереоспецифично взаимодействуют с терминальными алкинами с образованием продуктов по правилу Марковникова. Комплексы индия оказались эффективны только для отдельных типов алкинов: InBr(SePh)2 легко реагировал с алкилацетиленами, но в случае фенилацетилена образовывалась смесь Z- и Е-изомеров продуктов присоединения против правила Марковникова (в результате радикального присоединения). InI(SePh)2 взаимодействовал исключительно с пропаргиловыми спиртами, приводя к продуктам присоединения по правилу Марковникова в случае терминальных алкинов и к продуктам транс- 31 присоединения для интернальных алкинов. Гидроксигруппа, по мнению авторов [117], необходима для координации селенида индия, что снижает активационный барьер реакции и обеспечивает стереоселективность, Алюмоселенид реагировал стереоспецифично с разнообразными алкинами, предположительно через промежуточное образование алкена 17, который при протонолизе избытком алкина превращался в винилселенид. Впервые каталитическое присоединение тиолов к алкинам было осуществлено группой Ньютона в 1976 г. В результате реакции тиофенола с активированным алкином на комплексе молибдена с высокой стереоселективностью получился Z-изомер [119] Аналогичная реакция в условиях радикального присоединения приводила к образованию смеси Е- и Z-изомеров и требовала жестких условий [19]. Детальное исследование применимости реакции к различным тиолам и алкинам при катализе комплексами палладия и родия, а также механизма реакции выполнено в 90-х годах группой А. Огавы и Н. Соноды [120, 121, 122] (схема 13). Использование Pd(OAc)2 позволило получать продукты по правилу Марковникова 18. В случае PdCb(PhCN)2 образующиеся продукты изомеризовались в интернальные алкены 19. Родиевые катализаторы в зависимости от лигандного окружения приводили к продуктам как по правилу Марковникова 18 [121], так и против него 20 [123].
В реакции можно использовать различные терминальные алкины, в том числе содержащие функциональные группы, продукты были выделены с выходами 55-90 % и высокой селективностью. Комплекс Вилкинсона оказался эффективным катализатором присоединения арилтиолов к интернальным алкинам, приводя исключительно к Е-изомерам [121]. Было показано, что присоединение арилтиолов к сопряженным или изолированным енинам протекало исключительно по тройной связи [121, 124]. Строение образовавшегося винилсульфида зависело от типа используемого катализатора. Среди широкого круга исследованных енинов только молекулы с интернальной тройной связью не вступали в реакцию. В работе [127] исследовали каталитическую активность ряда комплексов иридия и родия с бидентантными P,N- и NjN-лигандами (23-26, схема 14). Наибольшую активность проявили катионные комплексы 26, позволяя получить с высокими выходами продукты присоединения против правила Марковникова в мягких условиях. Низкая стереоселективность в ряде случаев объяснялась изомеризацией Z-изомера в условиях реакции. Примеров каталитического присоединения алкилтиолов к алкинам в литературе описано намного меньше. Надо сказать, что все вышеперечисленные комплексы оказались неэффективными для присоединения алкилтиолов.
Впервые присоединение алкилтиолов к активированным алкинам на биядерном рутениевом комплексе осуществил Коелле с сотр. в 1994 г. [128]. Использование в качестве катализатора электроноизбыточных комплексов родия 27 позволило осуществить присоединение алкилтиолов по правилу Марковникова к разнообразным алкинам [123]. Реакция протекает в мягких условиях с высокой региоселективностью как с терминальными, так и с интернальными алкинами. Использование данного комплекса в реакции с арилтиолами оказалось малоэффективно ввиду низкой региоселективности. Недавно было обнаружено, что схожий по строению комплекс 28 эффективно катализирует присоединение арилтиолов к алкинам по правилу Марковникова [129]. В работе [130] предложен способ получения винилсульфидов по правилу Марковникова при тиоборировании терминальных алкинов на комплексе Pd(PPh3)4 с последующим протонолизом.
Образование 1,2-дихалькогензамещенных алкенов при взаимодействии диалкил- и диарилдихалькогенидов с алкинами
По сравнению с присоединением тиолов и селенолов к алкинам и алленам аналогичные реакции с участием дихалькогенидов исследованы в гораздо меньшей степени. Первые работы в этой области относятся ко второй половине 60-х годов прошлого века. Так, Хейба и Дессау [150] получили продукты присоединения дисульфидов к терминальным алкинам в радикальной реакции. В сообщении [151] описан первый пример получения 1,2-диселензамещенных алкенов из диселенидов и терминальных алкинов в условиях щелочного катализа алкоголятами или органическими основаниями. На основании данных ИК-спектроскопии и измерения дипольных моментов авторы предположили цис-строение образующихся продуктов. Однако об условиях реакции и выходах продуктов не сообщается. Детальные исследования данных реакций начались только в 90-х годах XX века. Было показано, что дисульфиды [152] и диселениды [153, 154, 155] взаимодействуют с разнообразными терминальными и активированными интернальными алкинами в радикальных условиях (схема 16, 17) с различными способами инициирования (химическое, термическое, фотоинициирование). В более жестких условиях (180С, PhBr, 48 ч) наблюдалась побочная реакция циклизации с образованием тиофенов (выход до 43 %). За исключением 2-метилбутенина-З и триметилсилилацетилена в реакциях наблюдалась высокая стереоселективность (E/Z 95:5). Неактивированные интервальные алкины и диалкилдиселениды реагировали в более жестких условиях и давали низкие выходы продуктов (22-37%). Однако в случае присоединения диметилдиселенида к триметилсилилацетилену был получен с высоким выходом (70 %) и стереоселективностью Z- изомер (Z/E 95:5) [156]. Авторам работы [157] удалось получить продукты присоединения диалкилдиселенидов к алкинам с высокими выходами в радикальных условиях. С увеличением объема заместителя в диселениде и интернальном алкине выходы продуктов реакции падали и возрастало количество Z- изомера в смеси.
В нуклеофильных условиях образуется смесь продуктов присоединения с преобладанием Z-изомера [97, 158]. Только в случае хлорпроизводных наблюдалось изменение стереоселективности (E/Z 75:25) [97]. Исследование механизма реакции методом спектроскопии ЯМР показало [158], что первоначально образуется алкинилселенид 35 (схема 18) в результате взаимодействия ацетиленид-аниона с диселенидом. Далее селенид-анион атакует активированную тройную связь, образуя 36. Протонолиз винил-аниона приводит к продукту реакции. Сходный Стереоспецифичность реакции объясняется анхимерным содействием ОН-группы при нуклеофильной атаке тройной связи халькогенидом лития. Протонолиз винил-аниона проходит внутримолекулярно, что подтверждено опытами и дейтериевой "меткой" (схема 19). Показано [160], что в присутствии GaCl3 дисульфиды присоединяются к терминальным алкинам с образованием Е-изомера.
Предполагаемый механизм реакции включает координацию GaCl3 к атому серы дисульфида, далее поляризованный дисульфид реагирует с алкином, образуя тиирениевый ион, который подвергается нуклеофильной атаке другой молекулы дисульфида с образованием продукта. Впервые каталитическое присоединение диарилдихалькогенидов к терминальным алкинам было осуществлено группой Огавы и Соноды [122, 161]. Они обнаружили, что использование Pd(PPh3)4 в качестве катализатора позволяет получить Z-аддукты с высокими выходами и селективностью. Интернальные алкины, а такжке диалкилдихалькогениды в реакцию не вступали. При одновременном присутствии двойной и тройной связи в молекуле присоединение шло исключительно по тройной связи. Детальные исследования данной реакции показали, что в качестве предшественника катализатора можно использовать широкий набор палладиевых комплексов и фосфорных лигандов [162-164]. Использование в качестве лигандов фосфитов [163] или фосфиновых лигандов на полимерной матрице [164] в каталитической системе на основе комплексов палладия позволило существенно упростить процедуру выделения продуктов и осуществить рециклизацию катализатора.
Катализируемое комплексами никеля присоединение арилтиолов к терминальным алкинам
Ni(acac)2 оказался наиболее активным по сравнению с другими комплексами никеля и палладия в модельной реакции присоединения тиофенола к гептину-1, что позволило селективно получить продукт 53А (схема 28, таблица 20). Интересно отметить, что в случае тиофенола, в отличие от фенилселенола, наблюдалась различная селективность присоединения при использовании Pd(OAc)2 и Ni(OAc)2 (ср. № 1 и 2 в таблице 20 и № 2 и 3 в таблице 17). Pd(acac)2 уступил по активности соответствующему никелевому коплексу, при этом почти весь продукт 53А изомеризовался в интернальный алкен 55А (таблица 20, № 5). Другие ацетилацетонаты металлов оказались неактивны в данной реакции (таблица 20, № 6-8). Важную роль играл выбор соотношения используемых реагентов, поскольку комплексы никеля склонны катализировать реакции олигомеризации. Исследование модельной реакции тиофенола с 2-метилбутин-З-олом-2 52С при 40С в течение 40 мин в отсутствие растворителя показало, что при изменении соотношения PhSH: алкин от 2:1 к 1:1 происходило заметное снижение выхода 53С и увеличение выхода побочных продуктов олигомеризации (таблица 21, № 1, 2). При соотношении PhSH:алкин =1:2 образование олигомеров было основным направлением реакции (60 %), в то время как выход 53С составил всего 40 % (таблица 21, № 3). Анализ Н ЯМР спектра реакционной смеси по окончании реакции при соотношении PhSH:52C =1:2 показал, что помимо продукта 53С в спектре присутствует большое количество сигналов в области 4.9-7.0 м.д., отвечающей винильным протонам sp2 гибридизованного атома углерода. Для установления строения продуктов реакции было выполнено их разделение с помощью флэш-хроматографии на силикагеле с последующим анализом фракций с помощью двумерных методик NOESY и COSY ЯМР спектроскопии.
После флэш-хроматографии продукт 53С был выделен с выходом 40%. Оказалось, что основную часть побочных продуктов составляют сопряженные 1,3-диены 56С, 57С и 58С (рисунок 2). В слабопольной области Н ЯМР спектра для этих соединений наблюдалось по три сигнала, отвечающих винильным протонам диенового фрагмента. Для диена 56С наблюдались только сравнительно небольшие КССВ J 2 Гц. В спектре соединения 57С присутствовали КССВ 3J(H-C=C-HTpai!C) = 16.1 Гц, а для диена 58С наблюдались КССВ 3J(H-C=C-Нтранс) = 15.6 Гц и 3J(H-C-C-H) = 10.5 Гц и дальняя КССВ 4J = 0.7 Гц (рисунок 2). Стереохимия диенов 56С-58С установлена с помощью с помощью двумерных методик NOESY спектроскопии ЯМР. Наблюдаемые контакты ЯЭО схематично представлены на рисунке 3. Ключевые контакты, использованные для отнесения сигналов метальных групп в сильнопольной части спектра: Н(а)-Ме(е), Щс)-Ме(е) и H(c)-Me(d) для 56С; Ща)-Ме(е), ЩЬ)-Ме(е) и H(c)-Me(d) для 57С; Ща)-Ме(е), Щс)-Ме(е) и H(b) Me(d) для 58С. Выходы выделенных продуктов 56С, 57С и 58С составили 15 %, 9 % и 17%, соответственно (схема 29). Кроме того, в продуктах реакции был зафиксирован триен 59С с выходом 17 % и, несколько неожиданно, 1,3,5-трис-(1-гидрокси-1-метилэтил)бензол 60С с выходом 12 %. Достоверно идентифицировать оставшуюся часть побочных продуктов реакции (-10 %) не представлялось возможным, по всей видимости в нее входят олигомеры с большей молекулярной массой.
Получение функционализированных диенов в каталитической реакции диарилдихалькогенидов с алкинами
В отличие от фосфиновых комплексов палладия использование фосфиновых комплексов никеля в реакции присоединения молекул со связью E-E (Е= S, Se) к алкинам привело к образованию нового типа продуктов, а именно диенов 106 и 107 (схема 47). Увеличение времени жизни винилникелевого интермедиата при его стабилизации фосфиновыми лигандами привело к внедрению второй молекулы алкина по связи Ni-S с получением 106 и по связи Ni-C с получением 107. При использовании в качестве лиганда PPh2Cy для селективного образования диенов 106 и 107 достаточно было даже небольшого избытка алкина (соотношение Ph2S2: алкин = 1:3 оказалось оптимальным). Для повышения стабильности гомогенного катализатора и предотвращения его перехода в неактивную полимерную форму в системе необходимо присутствие избытка фосфина. Соотношение [Ni]:PPh2Cy 1:10 оказалось достаточно для предотвращения дезактивации катализатора. В оптимизированных условиях были получены тиозамещенные диены 106 и 107 при взаимодействии различных терминальных алкинов с дифенилдисульфидом (таблица 40). Даже со стерически затрудненным трет-бутилацетиленом диены 106 и 107 образовались с умеренным выходом (таблица 40, № 4). Дифенилдиселенид также вступал в реакцию, причем в реакции с гексином-1 соответствующие 1,4-селензамещенные диены были выделены с очень хорошим выходом (таблица 40, № 6). Для обоих изученных случаев (Е= S, Se) преимущественно образовывался диен 106 по типу "голова к хвосту". С интернальными алкинами или диалкилдисульфидами реакция в используемых условиях не имела места.
Строение продуктов 106 и 107 было 1 77 установлено с помощью двумерных методик NOESY и H-"Se HMQC спектроскопии ЯМР.Строение продукта 107С доказано методом РСА. В случае селензамещенных диенов наиболее информативными оказались данные, полученные при помощи методики Н- Se HMQC спектроскопии ЯМР. Анализ кросс-пиков позволил сделать полное отнесение сигналов в Н ЯМР спектре. На рисунке 14 приведена область H-77Se HMQC спектра продукта 106G. Алкины 52Е [182], 52Н [183], 52D [184], 52G [184] получали по известным методикам. Остальные реагенты (алкины, диарилдихалькогениды, арилтиолы, фенилселенол, фосфины, фосфиты) были получены из коммерческих источников (Acros, Lancaster, Aldrich, Alfa Aesar) и использованы после спектрального контроля чистоты (ЯМР Н, 13С, 31Р, 77Se). Соединения металлов получены из коммерческих источников (Acros, Lancaster, Aldrich, Alfa Aesar). Перед использованием Ni(acac)2 сушили в вакууме (0.01-0.02 мм рт. ст., 60С, 15 мин). Растворители очищали по известным методикам. Если не оговорено особо, эксперименты проводились в инертной атмосфере аргона с использованием стандартной техники Шленка. Все аналитические образцы сушили в вакууме 0.01-0.02 мм рт. ст., 30С, в течение 20-30 мин.
Для проведения реакций под действием микроволнового излучения использовалась бытовая микроволновая печь, 100% мощности которой соответствует 900 Вт. Исследования методами оптической и сканирующей электронной микроскопии, анализ объектов, определение размеров частиц и статистическая обработка были выполнены при помощи программы UTHSCSA Image Tool 3.0. Спектры ЯМР регистрировались на спектрометре Bruker DRX500 с рабочей частотой 500.1, 202.5, 125.8 и 95.4 МГц для ядер !Н, 3Р, 13С и 77Se, соответственно. Все измерения были проведены при комнатной температуре. Для спектров Н и 13С в качестве стандартов использовали сигналы растворителей. Для гетероядерных экспериментов использовали внешние стандарты 85% Н3Р04/Н20 5(31Р)=0.0 м.д., Se2Ph2/CDCl3 6(77Se)=463.0 м.д. Все двумерные спектры были зарегистрированы на спектрометре Bruker DRX500, оснащенном рабочей станцией Silicon Graphics, с использованием пакета программ XWINNMR (версия 2.0, 1998, Bruker Analytic GmbH). Двумерные спектры были зарегистрированы по описанной ранее методике [178]. Все измерения были проведены при комнатной температуре. Метод А. К алкину (1.0 х ДО 3 моль) добавили Ni(acac)2 (2.0 ДО"5 моль) и перемешали при комнатной температуре до образования однородной суспензии зеленого цвета (5-Ю мин). Смесь охладили до 5С (смесь вода/ лед) и добавили PhSeH (1.2 х 10 моль) при постоянном перемешивании. Цвет суспензии изменился на темно-фиолетовый. Реакционную массу выдержали при перемешивании при 20-60С до полной конверсии алкина (см. таблицы 18 и 19). После завершения реакции продукты очищали по стандартной методике с помощью флэш-хроматографии на силикагеле на сухой колонке [185] с градиентным элюированием смесью гексан / этилацетат. После проведения хроматографического разделения растворитель упаривали и продукты сушили в вакууме. Выходы выделенных винилселенидов приведены в таблицах 18 и 19. Стереохимия всех продуктов установлена с помощью спектроскопии ЯМР с использованием двумерной методики NOESY. Для анализа сигналов 1Н спектра использовалась двумерная ЯМР методика LR-COSY, а для анализа 13С спектров - двумерные методики Н-13С HSQC и -"С НМВС. Химические сдвиги 77Se определены с помощью двумерной ЯМР методики H-77Se HMQC. Метод Б. К алкину 46С (1.0 х ДО 2 моль) добавили Ni(acac)2 (2.0 х 10"4 моль) и перемешали при комнатной температуре до образования однородной суспензии зеленого цвета (5-10 мин). Смесь охладили до 5С (смесь вода/ лед) и добавили PhSeH (1.2 10"2 моль) при постоянном перемешивании. Цвет суспензии изменился на темно-фиолетовый. Реакционную массу выдержали при перемешивании при 40С до полной конверсии алкина.
![Реакции [3+2]циклоприсоединения C,N-дизамещенных нитрилиминов к гетероциклическим соединениям, содержащим экзоциклические C=S и C=N связи](/i/i/4439/311910.png "Реакции [3+2]циклоприсоединения C,N-дизамещенных нитрилиминов к гетероциклическим соединениям, содержащим экзоциклические C=S и C=N связи Бударина Екатерина Викторовна")
