Бета-фосфорильовані алкілвінілові етери. Синтез та хімічні властивості

Размещено на http://www.allbest.ru/

УКРАЇНСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ХІМІКО-ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

УДК 547.341+547.371

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата хімічних наук

-ФОСФОРИЛЬОВАНІ АЛКІЛВІНІЛОВІ ЕТЕРИ. СИНТЕЗ ТА ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ

02.00.03 - органічна хімія

МІТРОХІН ОЛЕКСАНДР ЮРІЙОВИЧ

Дніпропетровськ - 1999

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Українському державному хіміко-технологічному університеті, м. Дніпропетровськ, Міністерство освіти України.

Науковий керівник:

Харченко Олександр Васильович, кандидат хімічних наук, доцент, Український державний хіміко-технологічний університет, доцент кафедри органічної хімії.

Офіційні опоненти:

Кас'ян Лілія Іванівна, доктор хімічних наук, заслужений діяч науки та техніки України, професор Дніпропетровський державний університет, професор кафедри органічної хімії;

Авдєєнко Анатолій Петрович, кандидат хімічних наук, професор, Донбаська державна машинобудівна академія, завідуючий кафедрою хімії та охорони праці.

Провідна установа: Інститут органічної хімії та вуглехімії ім. Л.М. Литвиненка, НАН України, м. Донецьк.

Захист дисертації відбудеться "24" червня 1999р. о 13.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 08.078.03. при Українському державному хіміко-технологічному університеті за адресою: 320005, м. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна, 8.

З дисертацією можна ознайомитись в науковій бібліотеці УДХТУ.

Автореферат розісланий 21 травня 1999 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради В.Х. Шапка.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Інтенсивний розвиток хімії фосфорорганічних сполук (ФОС) обумовлений деякими причинами. По-перше, багато які фосфоровмісні реагенти є зручними об'єктами для дослідження загальних проблем сучасної органічної хімії. По-друге, важливим стимулом вивчення методів синтезу різноманітних ФОС служить їх висока практична цінність. Методи синтезу більшості ФОС у цей час достатньо добре розроблені і здійснюються, в основному, прямим фосфорилюванням вихідних реагентів. Проте деякі з них ще залишаються малоефективними та пов'язаними з використанням металоорганічних сполук чи каталізаторів Фрiделя-Крафтса. Крім того, подальші хімічні перетворення багатьох із одержаних сполук досліджені недостатньо. Щодо механізмів таких реакцій, то їх вивчення з застосуванням сучасних засобів квантово-хiмічного розрахунку не проводилося взагалі, а припущення, які існують в літературі, подані авторами на рівні гіпотез і часто суперечать одне одному.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження за темою дисертаційної роботи проводилися в Українському державному хіміко-технологічному університеті (м. Дніпропетровськ) та Інституті органічної хімії НАН України (м. Київ) за координаційним планом Наукової ради НАН України з проблем пошуку нових біологічно-активних препаратів згідно із держбюджетними темами № 01.9.10047224 Міністерства освіти СРСР "Провести НИР по разработке синтеза новых регуляторов роста растений и пестицидов на основе серо-, азот-, фосфорсодержащих органических соединений. Провести испытания полученных продуктов" та № 0193U029062 Міністерства освіти України "Синтез нових ациклічних та гетероциклічних сірку- та азотовмісних органічних сполук для використання як ефективних пестицидів і регуляторів росту рослин."

Ступінь дослідженості тематики. ,-ненасичені третинні фосфіни з функціональними групами у подвійного зв'язку викликають зацікавленість з точки зору подальшого їх використання, а також у якості лігандів в комплексах перехідних металів. Проте синтетичний потенціал такого роду третинних фосфінів практично не вивчений у зв'язку з відсутністю зручних засобів їхнього одержання. Вперше пряме фосфорилювання алкілвінілових етерів Cl- і Br-галогенідами кислот фосфору (III) у присутності третинного аміну здійснено І.Г. Тростянською із співробітниками в 1983 році (див. Журн. общ. химии. -1983. -Т.53. -Вып.5. -С. 236-237). Пізніше метод прямого фосфорилювання було поширено на ряд гетероциклічних та гетероароматичних азотвмісних сполук (див. Журн. общ. химии. -1992. -Т.62. -Вып.1. -С. 465-467; Журн. общ. химии. -1990. - Т.60. -Вып.7. -С. 1668-1669). Проте в зв'язку з тим, що алкокси- і феноксигрупи мають значно менший -донорний ефект у порівнянні з аміногрупами, із кисеньвмісних гетероциклів, які можна розглядати як циклічні і ароматичні алкілвінілові етери, у даній реакції вивчалися тільки фурани, а дані про пряме фосфорилювання сполук із фрагментами арилвінілових етерів, у тому числі що надходять до складу гетероциклічних і гетероароматичних систем, у літературі до наших робіт взагалі були відсутні.

Мета роботи полягає, таким чином, у розробці нових зручних методів одержання та вивченні подальших хімічних перетворень -фосфорильованих алкілвінілових етерів з одночасним дослідженням можливих механізмів реакцій, а також у поширенні реакції прямого фосфорилювання на ряд кисеньвмісних гетероциклічних та гетероароматичних сполук.

Наукова новизна роботи. Вперше показано, що найпростіші вінілові етери кислот фосфору здатні до перегрупувань, аналогічних перегрупуванню Арбузова. Синтезовано широкий набір невідомих раніше похідних -алкоксивiнілдигалогенфосфінів. На підставі хімічних властивостей синтезованих сполук за допомогою одержаних спектральних даних та проведених квантово-хімічних розрахунків зроблено припущення, що термічне перегрупування -алкоксивiнілгалоген- і -алкоксивінілдигалогенфосфонійгалогенідів відбувається за бімолекулярним чотиристадійним механізмом.

Перегрупування -алкоксивiнілалкiл(арил)фосфонійгалогенідів, які не містять рухомих атомів галогену біля атому фосфору, відбувається за мономолекулярним механізмом з утворенням простих алкіл(арил)фосфонатів, які не містять у своїй структурі кратних C=С зв'язків.

Вперше знайдено, що взаємодія -фосфорильованих алкілвінілових етерів з первинними амінами та аміаком приводить до -фосфорильованих єнамінів. Показана можливість використання у вінілових етерах алкільного захисту для одержання раніше недоступних із застосуванням традиційних методів фосфорильованих єнамінів, які не містять замісників біля атомів азоту і вуглецю. Розроблено зручний препаративний засіб одержання широкого ряду сполук такого типу.

Вперше реакція прямого фосфорилювання поширена на цілу низку циклічних та ароматичних алкіл(арил)вінілових етерів. Розроблені препаративні методи синтезу широкого ряду нових похідних -алкоксивінілдигалогенфосфінів, а так само фосфінів і фосфонатів, які містять у своєму складі фрагменти арилвінілових етерів.

Практична значимість роботи полягає в розробці препаративних методів синтезу невідомих раніше галогенфосфінів із фрагментами алкілвінілових і арилвінілових етерів, які входять до складу гетероциклічних і гетероароматичних сполук. Розроблено зручний метод синтезу широкого ряду фосфоровмісних єнамінів із -алкоксивінілфосфонатів, що дозволяє отримувати в тому числі і невідомі раніше фосфоровмісні єнаміни без замісників біля атомів азоту і вуглецю. Показано перспективність такого методу синтезу в порівнянні з традиційними.

Конкретний особистий внесок дисертанта полягає в самостійному виконанні експериментальної частини роботи, аналізі спектральних даних, встановленні будови одержаних сполук, узагальненні та аналізі квантово-хімічних розрахунків і обґрунтуванні механізмів вивчених реакцій.

Апробація роботи. Основні результати досліджень доповідалися на XVII Українській конференції з органічної хімії (м. Харків, 1995р.) та на регіональній конференції молодих вчених та студентів з актуальних питань хімії (м. Дніпропетровськ, 1999р.).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано чотири статті в наукових журналах за фахом і тези двох доповідей.

Обсяг і структура роботи. Дисертаційна робота викладена на 174 машинописних сторінках і складається зі вступу, п'яти розділів, висновків, списку літератури, що включає 174 найменування, і двох додатків. Робота містить 11 таблиць і 4 малюнки. Перший розділ є узагальненням і аналізом відомих раніше робіт з основних методів одержання -алкоксивінілфосфінів та їх циклічних аналогів. У другому розділі розглянуті деякі хімічні властивості -фосфорильованих алкилвінілових етерів і вивчено ряд перегрупувань -алкоксивінілгалоген- і -алкоксивінілдигалогенфосфонійгалогенідів з встановленням механізму протікання досліджуваних реакцій. У третьому розділі розглянуто амоноліз -галоген, -алкоксивінілфосфонатів і -алкоксивінілфосфонійгалогенідів і запропоновано новий засіб одержання ряду фосфоровмісних єнамінів, у тому числі і раніше невідомих. У четвертому розділі запропоновані методи одержання невідомих раніше дигалогенфосфінів із фрагментами арилвінілових етерів, які входять до складу гетероциклічних і гетероароматичних сполук, а також вивчені деякі хімічні властивості отриманих сполук. Експериментальна частина приведена в п'ятому розділі дисертаційної роботи. Додаток містить повні таблиці проведених квантово-хімічних розрахунків досліджуваних реакцій, а також акти виробничих випробувань ряду синтезованих сполук у якості модифікуючих добавок до гумових сумішей.

Методи дослідження. Для доказу будови багатьох складних фосфоровмісних органічних сполук широко використовувалися синтетичні методи, а також дані ЯМР ¹H, ¹³C, ³¹Р спектроскопії і елементного аналізу. Для встановлення можливих механізмів протікання реакцій застосовувався напівемпіричний квантово-хімічний метод PM3.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ РОБОТИ

Фосфіноксидні перегрупування -алкоксивінілфосфонійгалогенідів.

Відомо, що алкілвінілові етери фосфорилюються в бензольному розчині тригалогенідами фосфору з утворенням дигалогенфосфінів із невисокими виходами (див. ЖОХ-1983. -Т.53. -Вып.5. -С. 236-237). Нами вперше знайдено, що використання методу прямого фосфорилювання, який був удосконалений Кормачовим із співробітниками і успішно застосовується останнім часом для синтезу широкого ряду фосфоровмісних похідних, дозволяє одержувати -алкоксивінілдигалогенфосфіни (1) кількісно:

R = C₂H₅, C₄H₉; X = Cl, Br

Як розчинник нами використовувався піридин, а як додатковий акцептор галогеноводню - триетиламін. Взаємодія алкоксиетиленів із галогеноангідридами кислот фосфору (III) відбувається регіоселективно, причому місце фосфорилювання у всіх випадках збігається зі звичайним місцем електрофільної атаки. Реакція може проходити як через стадію приєднання-елімінування, так і як пряме електрофільне заміщення з утворенням інтермедіату карбоній-іонного типу, який стабілізується відщепленням протона. При проведенні реакції в бензолі утворюється винятково Е-ізомер із транс-розташуванням алкоксильного та фосфоровмісного угрупувань. Нами ж вперше виявлено, що проведення реакції в піридині приводить до утворення суміші Е- і Z-ізомерів. Порівняння інтегральних інтенсивностей сигналів у спектрах ЯМР ³¹Р та ¹Н показує, що співвідношення Е- і Z-ізомерів залежить як від умов проведення реакції, так і від характеру використовуваного фосфорилюючого агенту, і коливається в межах від 8-15 % у випадку дихлорфосфіну (_р 167,4 / 163,9 м.д.) до 30-40 % для дибромфосфіну (_р 174,4 / 168,6 м.д.). Такий стереохімічний результат вказує на те, що в ході реакції, ймовірно, реалізуються обидва можливих механізми, проте основним є саме пряме фосфорилювання, яке протікає без обернення конфігурації. При реалізації конкуруючого механізму в ролі фосфорилюючих агентів можуть виступати саме адукти галогенангідридів кислот фосфору (III) з основами, реакційна спроможність яких збільшується в ряду Cl<Br<I, що і приводить до збільшення долі Z-ізомеру в продуктах реакції при переході від дихлор- до дибромфосфінів.

Подальша взаємодія дигалогенфосфінів (1) із спиртами, вторинними амінами та реактивами Гриньяра приводить до одержання диалкілових етерів (2), диамідів (3) 2-бутоксивінілфосфоністої кислоти та дифенилфосфіну (4) відповідно з препаративними виходами:

R = N(CH₃)₂, N(C₂H₅)₂, N(CH₂CH₂)₂O

Аналіз спектрів ЯМР ³¹Р і ¹Н вказує на те, що при взаємодії дигалогенофосфінів (1) із вторинними амінами і фенілмагнійбромідом доля Z-ізомеру у суміші продуктів (3, 4), що утворюються, у загальному випадку знижується. Так, якщо співвідношення Z/E-ізомерів для сполук (1) у середньому дорівнює 1:4, то для продуктів реакції воно складає 1:10.

Подальше окислення отриманих фосфінів (3) і (4) сіркою, фенілазидами і киснем приводить до утворення стійких продуктів, які містять чотирикоординований атом фосфору:

R = N(CH₃)₂, N(C₂H₅)₂, N(CH₂CH₂)₂O, C₆H₅

Хлорфосфонійхлориди (9) легко реагують з аміаком з утворенням відповідних фосфонієвих солей (10), подальша обробка яких лугами приводить до утворення похідних 2-алкоксивінілімінофосфонових кислот (11) з препаративними виходами:

R = N(CH₃)₂, N(C₂H₅)₂, N(CH₂CH₂)₂O, C₆H₅

Аналіз спектрів ЯМР ³¹Р і ¹Н сполук (5-11) вказує на те, що всі вони існують виключно у вигляді Е-ізомерів. Конфігурація отриманих сполук доведена за допомогою даних спектрів ПМР. E-конфігурація встановлена на основі значень віцинальних констант КССВ ³J_HH, які знаходяться у межах 11,4-14,6 Гц. Хімічні зсуви протонів H_A, так як і для сполук (1-4), знаходяться в межах 3,98-6,06 м.д. і фіксуються в більш сильному полі у порівнянні із сигналами протонів H_B - (4,96-9,90 м.д.).

При заміні одного або двох атомів галогену біля атому фосфору на фенільні радикали реакційна здатність фосфорилюючого реагенту різко зменшується. Проте, використовуючи приведений вище метод нами вперше здійснено синтез біс(2-алкоксиетенил)фенілфосфіну (12) взаємодією фенілдибромфосфіну з двома молями етилвінілового етеру.

Аналіз спектрів ЯМР ³¹Р і ¹Н довів, що в результаті реакції утворюється лише один ізомер біс(2-етоксиетенил)фенілфосфіну (12), який, як і його похідні (13) і (14), має винятково Е,Е-конфігурацію (³J_HH 12,0 Гц), (_р -44,2 м.д.). E,Z-ізомер (_р -43,6 м.д.) у деяких випадках реєструється на рівні домішки (5 %).

Введення до атому фосфору другого електроноакцепторного замісника ще більш ускладнює протікання реакції фосфорилювання. Нами вперше встановлено, що взаємодія етилвінілового етеру з дифенілбромфосфіном відбувається лише за умови нагрівання реакційної суміші при 50-65⁰С протягом 6 діб:

При взаємодії хлорфосфонійхлориду (9) з двома молями діетиламіну замість очікуваного трис-амідо(2-алкоксиетенилфосфоній)хлориду в спектрі ЯМР ³¹Р реакційної маси зареєстрована суміш декількох продуктів, причому одним з них є відправна фосфонієвая сіль. Триразовий надлишок діетиламіну швидко і в м'яких умовах приводить до заміщення на амінний залишок не тільки атому галогену, який знаходиться біля атому фосфору, але й алкоксильного угрупування з утворенням гексаетилтриамідо(2-диетиламідоетенил)фосфонійхлориду (16):

Перегрупування Арбузова етерів кислот тривалентного фосфору, при якому під дією органічних галогенідів мігрує один з алкільних радикалів з утворенням нового фосфор-вуглецевого зв'язку, вперше описане більше сорока років тому і з того часу достатньо добре вивчене. Проте аналогічне перегрупування на прикладі простих алкілвінілових етерів кислот фосфору до наших досліджень відомо не було. Свідчення, що стосуються теоретичного вивчення даної реакції в літературі також цілком відсутні.

Нами вперше знайдено, що піроліз галоген- та дигалогенфосфонійгалогенідів (9) при 150⁰С у вакуумі з одночасним видаленням цільових продуктів реакції приводить до утворення 2-галогенетенилфосфонатів (18):

R = C₂H₅, C₃H₇-i; X = N(C₂H₅)₂, Cl

Аналіз спектрів ЯМР ³¹Р, ¹³С і ¹Н довів, що в результаті реакції відбувається часткове обернення конфігурації продукту, що утворюється. Так віцинальні КССВ ³J_HH у продуктах перегрупування мають значення 14,4 і 13,0 Гц. Порівняння інтегральних інтенсивностей сигналів вінільних протонів у спектрах ПМР дає співвідношення E/Z-изомерів 10/1. Аналіз спектрів ЯМР ³¹Р ((E-18): _р, м.д. 27,5-29,9; (Z-18): _р, м.д. 25,8-27,0) також вказує на присутність у суміші не тільки транс-, але і цис-ізомерів.

На підставі приведених різними авторами даних можна припустити, що реакція протікає через утворення хлор- і дихлорілідів (17). Запропонована раніше О.І. Колодяжним найпростіша модель досліджуваної реакції полягає в мономолекулярному перегрупуванні подібних хлорілідів фосфору з утворенням 2-хлоретенилфосфіноксидів. Реакція відбувається шляхом утворення чотиричленного перехідного стану (бетаїна) А з подальшим прямим обміном атомів кисню і хлору та регенерацією кратного C=C зв'язку:

Проте за допомогою проведених методом РМ 3 квантово-хімічних напівемпірічних розрахунків нами було встановлено, що відправним комплексом для перегрупування, що спостерігається, є не бетаїн А, а його димер В, який утворюється з двох молекул дигалогенфосфонійгалогеніду (9) із тепловим ефектом 69,91 кДж/моль відразу ж після відщеплення галогеналкілу. Димер В характеризується C₂-симетрією. Крім того, проходження реакції за мономолекулярним механізмом перешкоджає частковій ізомерізації 2-галогенетенилфосфонатів (18), що спостерігається в експерименті, через наявність у структурах перехідних станів двох високонапружених чотиричленних циклів. Проведене порівняння активаційних параметрів реакцій вказує на те, що бімолекулярне перегрупування може бути реалізоване зі значно меншими енергетичними витратами (H = 122,05 кДж/моль) в порівнянні з мономолекулярним механізмом (H = 176,27 кДж/моль):

Ентальпійні профілі реакції перегрупування дигалогенфосфоній-галогенідів (9) за мономолекулярним і бімолекулярним механізмами.

На підставі даних ЯМР-спектроскопіі, а також детального аналізу параметрів усіх можливих варіантів проходження моно- і бімолекулярного перегрупування можна зробити припущення, що термічне перегрупування -алкоксивiнілгалоген- та -алкоксивiнілдигалогенфосфонійгалогенідів протікає за бімолекулярним чотиристадійним механізмом, при якому спочатку послідовно мігрують атоми Cl, а після цього розриваються зв'язки С-О.

Виходячи з вищевикладеного, вважаємо цікавим розглянути дезалкілування фосфонійгалогенідів, які не містять біля атома фосфору легко мігруючих атомів галогену. Нами встановлено, що такі фосфонійгалогеніди, як під дією лугів, так і в умовах термолізу, перегруповуються по класичній схемі перегрупування Арбузова з утворенням відповідних фосфінооксидів і ацетилену:

R = N(CH₃)₂, N(C₂H₅)₂, N(CH₂CH₂)₂O, C₆H₅; R¹ = NH₂, CH₃, C₂H₅, CH₂C₆H₅; X = Cl, I

На підставі аналізу проведених квантово-хімічних розрахунків було зроблено припущення, що, на відміну від галоген- та дигалогенфосфонійгалогенідів (9), перегрупування сполук (10), більш ймовірно, протікає за мономолекулярним механізмом (H = 164,75 кДж/моль), тоді як для бімолекулярного перегрупування розмір ентальпії активації значно вищий (H = 475,35 кДж/моль). При цьому електроноакцепторні замісники біля атома фосфору істотно полегшують протікання даної реакції.

Амоноліз -галоген-, -алкоксиетенилфосфонатів і -алкоксиетенилфосфонійгалогенідів. Висока рухливість алкоксигруп у -карбоніл- і -нітрилзаміщених алкілвінілових етерах обумовлює їх значні синтетичні можливості. Проте подібна активність алкоксигруп у -фосфорильованих алкілвінілових етерах до теперішнього часу залишається малодослідженою, а відомості, що стосуються теоретичного вивчення таких перетворень, у літературі взагалі відсутні.

Проведені дослідження хімічних властивостей отриманих -галогеноетенілфосфонатів (18) показали, що при взаємодії з вторинними амінами атом галогену, пов'язаний із вуглецевим атомом, вступає в реакцію так само легко, як і атом галогену біля фосфору, і тому провести селективну заміну останнього на амідні угрупування не вдається:

R = N(C₂H₅)₂, N(CH₂CH₂)₂O; R¹ = C₂H₅, C₃H₅-i; R² = N(C₂H₅)₂, N(CH₂CH₂)₂O; X = Cl, Br

Нами знайдено, що кип'ятіння -фосфорильованих алкілвінілових етерів з вторинними амінами приводить до утворення -фосфорильованих єнамінів (20) з високим виходом:

R = C₂H₅, C₄H₉; R¹ = P(X)(N(C₂H₅)₂)₂, P⁺(R)(N(C₂H₅)₂)₂Hlg^-, P(X)(C₆H₅)₂, P⁺(R)(C₆H₅)₂Hlg^-, P(X)(N(CH₂CH₂)₂O)₂, P⁺(R)(N(CH₂CH₂)₂O)₂Hlg^- (X = S, O, NH; R = CH₃, C₂H₅, CH₂C₆H₅, NH₂; Hlg = Cl, I); R² = NH₂, N(CH₂CH₂)₂O, N(CH₂CH₂)₂CH₂

Приведений метод дозволив вперше одержати фосфоровмісні єнаміни, що не містять замісників біля атомів азоту і вуглецю. Заміна алкоксигрупи на аміногрупу відбувається тільки при витримуванні вихідних сполук у рідкому аміаку при 20⁰С в автоклаві протягом 7 діб. Фосфонієві солі (10) у цьому випадку виявилися значно більш реакційноздатними, ніж фосфонати, проте при спробі ввести їх у реакцію з аміаком при -33⁰С (t⁰ кіп. NH₃) сигнал цільового продукту в спектрі ЯМР ³¹Р зафіксований не був.

Здійснений квантово-хімічний розрахунок довів, що механізм досліджуваної реакції залежить як від характеру замісника у фосфоровмісних вінілових етерах, так і від структури атакуючого аміну. Так, реакція аміаку з фосфонійхлоридами (11) протікає за механізмом Ad_NE (приєднання-елімінування), тоді як взаємодія аміаку з фосфонатами (4, 10) і морфоліна з усіма вивченими сполуками протікає по механізму S_N2. Аналіз граничних молекулярних орбіталей перехідних станів виявив залежність механізму вінілового заміщення від різниці енергій ^*-орбіталі етерів і ППЕ нуклеофілу (E₁).

-Електронодонорний ефект аміногрупи є значно вищий, ніж алкоксигрупи. При спробі повторного фосфорилювання єнамінів (20) PBr₃ у спектрі ЯМР ³¹Р уже через 1 годину після змішування реагентів зареєстровані два інтенсивних дублети від атомів фосфору, що входять до двох різноманітних угрупувань: -P(S)(N(CH₂CH₂)₂O)₂ (_Р, м.д. 57,74) і -PBr₂ (_Р, м.д. 141,35) із близькими константами один на одному 69,66 Гц і 70,14 Гц відповідно із співвідношенням інтегральних інтенсивностей 1:1. При цьому сигнали ³¹Р вихідного фосфонату (20) (_Р, м.д. 81,65), PBr₃ (_Р, м.д. 220,62) або будь-яких фосфоровмісних полімерів у реакційній суміші цілком відсутні. Проте як спроби виділення самого бісфосфорильованого продукту, так і його похідних щоразу приводили до полімеризації продуктів реакції або одержання вихідного монофосфорильованого єнаміну.

Гетероциклічні та гетеро ароматичні арилетенілдигалогенофосфіни. Нами вперше знайдено, що 2-метилбензофуран вступає до реакції з PBr₃ у розчині піридину при кімнатній температурі. Реакційна суміш витримується у запаяній ампулі протягом двох місяців, при цьому з практично кількісним виходом утворюється дибромфосфін (21):

На основі дибромфосфіну (21) нами синтезовано широкий набір невідомих раніше похідних:

R = N(CH₃)₂, N(C₂H₅)₂, N(CH₂CH₂)₂O; R¹ = CH₃, C₂H₅; Hal = I

Значно більш реакційноздатним стосовно електрофільних реагентів виявився 2,3-дигідро-2-метилен-1,4-бензодіоксин. Нами встановлено, що його взаємодія з трибромистим фосфором у піридині протікає екзотермічно, реакція цілком закінчується протягом двох діб, і відповідний 2,3-дигідро-1,4-бензодіоксин-2-іліденметилдибромфосфін (29) був виділений із препаративним виходом:

Взаємодія 2,3-дигідро-2-метилен-1,4-бензодіоксину з трибромистим фосфором протікає нестереоспецифічно з утворенням суміші E- і Z-ізомерів. Проведений аналіз спектрів ЯМР ³¹Р, ¹Н і ¹³С показав, що суміш метиленфосфорильованих бензодіоксинів з тривалентним атомом фосфору містить понад 30 % Z-ізомеру. У спектрі ЯМР ³¹Р присутні характерні для дибромфосфінів сигнали, що виявляються у вигляді синглетів в області 146,08 м.д. і 142,5 м.д. для E- і Z-ізомерів відповідно. У спектрі ПМР зареєстрований тільки один сигнал олефінового протону, що виражається у вигляді дублету з віцинальною КССВ на атомі фосфору, яка становить 6,6 Гц для Е-ізомера і 5,4 Гц для Z-ізомера.

2,3-Дигідро-1,4-бензодіоксин-2-іліденметилдибромфосфін (29) був перетворений у відповідні аміди (30), тіофосфонати (31), фосфонійгалогеніди (32) і фосфонати (33) і (34):

R = N(C₂H₅)₂; N(CH₂CH₂)₂O, N(CH₂CH₂)₂CH₂; R¹ = CH₃, C₂H₅; R² = C₆H₅, C₆H₅CH₃-п; Hal = I

Перехід від дигалогенангідриду (29) до амідів (30) 2,3-дигідро-1,4-бензодіоксин-2-іліденметилфосфонової кислоти супроводжується деяким зменшенням частки Z-ізомеру в суміші, тоді як фосфонійгалогеніди (32) і фосфонати (31, 33, 34), що містять чотирикоординований атом фосфору, існують виключно у вигляді Е-ізомерів.

Спроби ввести до атому фосфору більш одного гетерильного залишку не досягли мети, що у обох випадках може бути пояснено суттєвим зниженням електрофільності реагенту, що утворюється, і зростаючою роллю стеричних перешкод.

Анізол, на відміну від 1-етоксинафталіну і диметилового етеру резорцину, у м'яких умовах не взаємодіє з трибромистим фосфором, а проведення реакції в більш жорстких умовах приводить переважно до продукту О-фосфорилювання. Нами вперше знайдено, що взаємодія 4-(1-циклопентен-1-іл)анізолу з трибромистим фосфором у присутності тріетиламіну швидко і у м'яких умовах приводить до утворення відповідного дибромфосфіну (35), виділеного і охарактеризованого у вигляді амідів (36), тіофосфонату (37) і фосфонійгалогеніду (38):

R = N(CH₂CH₂)₂O, N(CH₂CH₂)₂CH₂

При дослідженні спектра ЯМР ³¹Р реакційної суміші нами зненацька було зареєстровано два сигнали, порівняння інтегральних інтенсивностей яких дало значення 3:7. Це дозволило припустити, що отримана сполука спочатку існує у вигляді двох таутомерних форм: _Р 132,13 м.д. (Br₂P-C=) і _Р 153,53 м.д. (Br₂P-CH-). Подібна часткова або повна міграція подвійного зв'язку у 2-фосфорильованих 1-морфоліноциклопентенів і -циклогексенів добре відома. фосфорильований алкілвініловий етер гетероароматична

Проте, як спроби виділення дибромофосфіну, так і наступні його перетворення приводять до утворення єдиного таутомеру, що містить кратний зв'язок винятково біля атому вуглецю, сполученого з атомом фосфору (_Р 132,13 м.д.). У спектрі ПМР диморфоліду (36) третя метиленова ланка циклопентену виявляється у вигляді мультиплету в межах 1,78-1,82 м.д.; для фосфонійгалогеніду (38) - в області 2,08-2,14 м.д.; для тіооксиду (37) - в межах 1,92-1,96 м.д., причому сигнал олефінового протону, що виявляється у вихідній сполуці у вигляді мультиплету в області 6,04 м.д., у всіх трьох випадках відсутній. Проведене дослідження спектрів ЯМР ³¹Р також вказує на існування для цих сполук тільки одного таутомеру з характерними синглетами в областях _Р 82,5 м.д. (36), _Р 65,8 м.д. (37) і _Р 50,32 м.д. (38).

ВИСНОВКИ

1. Знайдено, що найпростіші вінілові етери кислот фосфору - -фосфорильовані алкiлвiнілові етери здатні до перегрупувань, які вiнiлогічні перегрупуванню Арбузова. Їх галоген, дигалоген-, алкiл- та арилгалогеніди є стійкими сполуками, які не дезалкiлюються при кімнатній температурі навіть у основних середовищах.

2. На підставі спектроскопії ЯМР та квантово-хімічних розрахунків зроблено припущення, що термічне перегрупування -алкоксивiнілгалоген- та -алкоксивiнілдигалогенфосфонійгалогенідів протікає за бімолекулярним чотиристадійним механізмом, при якому спочатку послідовно мігрують атоми Cl, а після цього розриваються зв'язки С-О. Внаслідок реакції утворюються -галогенвiнілфосфонати, які мають переважно транс-конфiгурацію кратного C=С зв'язку.

3. Показано, що перегрупування -алкоксивiнілалкiл(арил)фосфонійгалогенідів, які не містять рухомих атомів галогену біля атому фосфору, протікає за мономолекулярним механізмом з отриманням простих алкіл- i арилфосфонатів, які не містять у своїй структурі кратних C=С зв'язків.

4. Знайдено, що взаємодія -фосфорильованих алкілвінілових етерів з первинними амінами та аміаком приводить до -фосфорильованих єнамінів. Розроблено зручний препаративний засіб одержання широкого ряду сполук такого типу, що дозволяє одержувати в тому числі і не відомі раніше фосфоровмісні єнамiни без замісників біля атомів азоту та вуглецю.

5. На підставі ЯМР-спектроскопії та квантово-хімічних розрахунків зроблено припущення, що заміщення алкоксигрупи в -алкоксивiнілфосфонійгалогенідах та -алкоксивiнілфосфонатах на аміногрупу залежить як від характеру замісника в вінілових етерах, так і від структури аміну, що атакує.

6. Реакція прямого фосфорилювання поширена на цілу низку циклічних та ароматичних алкіл- і арилвінілових етерів. Розроблені зручні засоби синтезу та вивчені хімічні властивості не відомих раніше дигалогенфосфінів з фрагментами арилвiнілових етерів, які надходять до складу гетероциклічних та гетероароматичних сполук.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ НАУКОВИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Замещение алкоксигруппы в -алкоксивинилфосфониевых солях и фосфонатах - простой путь к -фосфорилированным енаминам / А.А. Толмачев, А.Ю. Митрохин, А.В. Харченко, А.Н. Костюк // Журнал общей химии. - 1994. - Т.64. - Вып.3. - С. 516-517.

2. Перегруппировка -алкоксивинилхлорфосфонийхлоридов в -хлорвинилфосфонаты / А.А. Толмачев, А.Ю. Митрохин, А.В. Харченко, С. П. Ивонин // Журнал общей химии. - 1995. - Т.65. - Вып.2. - С. 343-344.

3. С-Фосфорилирование 2-метилбензофурана и 2,3-дигидро-2-метилен-1,4-бензодиоксина / А.А. Толмачев, А.Ю. Митрохин, И.Г. Дзвинчук, В.В. Пироженко, А.В. Харченко // Химия гетероциклических соединений - 1995. - N3. - С. 310-316.

4. Митрохин А.Ю., Оковитый С. И., Харченко А.В. Квантовохимическое изучение перегруппировки 2-алкоксиэтенилгалогенфосфонийгалогенидов. Сообщение I. // Вопросы химии и химической технологии. - 1998. - N1. - С. 5-12.

5. Мітрохін О.Ю., Толмачов А.О., Харченко О.В., Івонін С. П. Реакції -алкоксивiнилфосфонатів // Тези доповідей XVII Української конференції з органічної хімії. - м. Харків: - 1995. - С. 228.

6. Митрохин А.Ю., Оковитый С. И., Харченко А.В. Теоретическое изучение механизма реакции аминолиза фосфорилированных алкилвиниловых эфиров // Тези доповідей Регіональної конференції молодих вчених та студентів з актуальних питань хімії. - м. Дніпропетровськ: ДДУ. - 1999. - С. 35.

АНОТАЦІЇ

Мітрохін О.Ю. -Фосфорильовані алкілвінілові етери. Синтез та хімічні властивості. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата хімічних наук за фахом 02.00.03. - органічна хімія. Український державний хіміко-технологічний університет. Дніпропетровськ, 1999.

Дисертаційна робота присвячена проблемі синтезу -фосфорильованих алкіл- і арилвінілових етерів, у тому числі, що входять до складу гетероциклічних і гетероароматичних сполук, а також вивченню подальших хімічних перетворень отриманих алкоксивініл- і гетерилгалогенфосфінів. З використанням напівемпіричних квантово-хімічних досліджень (РМ 3) визначені можливі механізми реакцій, що протікають. Вперше знайдено, що прості фосфорильовані вінілові етери спроможні до перегрупувань, які вінілогічні перегрупуванню Арбузова. Виявлена рухливість алкоксигруп у фосфорильованих вінілових етерах використана для принципово нового підходу до синтезу цілої низки фосфоровмісних єнамінів. Ця методика дозволила одержати в тому числі і невідомі раніше перші представники даного класу сполук, які не містять замісників біля атомів азоту і вуглецю. Реакція прямого фосфорилювання поширена на ряд циклічних і ароматичних алкіл- і арилвінілових етерів.

Ключові слова: алкілвінілові етери, пряме фосфорилювання, перегрупування Арбузова, єнаміни, квантово-хімічний розрахунок.

Mitrokhyn A.Y. The -phosphorylated alkylvinyl ethers. Synthesis and chemical properties. - Manuscript.

Thesis for receiving the degree of the Candidate of Sciences (eq. PhD) on a speciality 02.00.03. - organic chemistry. The Ukrainian State Chemical-Technology University. Dnipropetrovsk, 1999.

The thesis is devoted to investigation of synthesis of -phosphorylated alkyl- and arylvinyl ethers. After this the research has the study of further chemical transformations of received alkoxyvinyl- and geterylhalogenphosphines as a purpose. The using of half-empirical theoretical investigation (PM3) has allowed to determine the possible mechanisms of reactions with high probability. For the first time it is revealed that the simple phosphorylated vinyl ethers are capable to regroupings which is similar to a Arbuzov regrouping. The high mobility of alkoxygroups in phosphorylated vinyl ethers which has been found was used for the essentially new approach to synthesis of a wide number of phosphorylated enamines. This technique allows to receive the unknown representatives of the given class of compounds which do not contain any radicales around the atoms of nitrogen and carbon, but protons only. The reaction of phosphorylation is widespread to a wide row of a cyclic and aromatic alkyl- and arylvinyl ethers.

Key words: alkylvinyl ethers, direct phosphorylation, Arbuzov regrouping, enamines, half-empirical theoretical investigation.

Митрохин А.Ю. -Фосфорилированные алкилвиниловые эфиры. Синтез и химические свойства. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата химических наук по специальности 02.00.03. - органическая химия. Украинский государственный химико-технологический университет. Днепропетровск, 1999.

Диссертационная работа посвящена проблеме синтеза -фосфорилированных алкил- и арилвиниловых эфиров, в том числе входящих в состав гетероциклических и гетероароматических соединений, а также изучению дальнейших химических превращений полученных -алкоксивинил-, бис(-алкоксивинил)- и гетерилгалогенфосфинов. С использованием полуэмпирических квантово-химических исследований (метод РМ 3) с высокой достоверностью определены возможные механизмы протекающих реакций. Использование алкильной защиты в -фосфорилированных алкилвиниловых эфирах дало возможность разработать принципиально новый подход к синтезу широкого ряда -фосфорилированных енаминов.

Показано, что фосфорилирование виниловых эфиров галогенидами кислот фосфора (III) в основных средах протекает по смешанному механизму, в результате чего образуется смесь E/Z-изомеров. На основании сравнения интегральных интенсивностей сигналов в спектрах ЯМР ³¹Р и ¹Н установлено, что соотношение Е- и Z-изомеров зависит как от условий проведения реакции, так и от характера используемого фосфорилирующего агента и колеблется в пределах от 8-15 % в случае алкоксивинилдихлорфосфинов до 30-40 % для алкоксивинилдибромфосфинов. Получен широкий ряд неизвестных ранее производных -алкоксивинилдигалоген- и бис(-алкоксивинил)галогенфосфинов, изучена их изомерия и дальнейшие химические превращения.

Впервые обнаружено, что простые фосфорилированные виниловые эфиры способны к перегруппировкам, винилогичным перегруппировке Арбузова. Их хлор-, дихлор-, алкил- и арилгалогениды являются устойчивыми соединениями, которые не дезалкилируются при комнатной температуре даже в основных средах. Проведен квантово-химический расчет всех возможных путей протекания реакции по моно- и бимолекулярным механизмам.. В результате анализа полученных в ходе расчета энтальпийных профилей реакций выдвинуто предположение, что в случае наличия у атома фосфора легко мигрирующих атомов галогена данная перегруппировка протекает по бимолекулярному четырехстадийному механизму, при котором первоначально последовательно мигрируют атомы Cl, а затем разрываются связи C-O. В случае отсутствия подвижных атомов галогена у атома фосфора реакция протекает по классической схеме перегруппировки Арбузова с реализацией мономолекулярного механизма, что приводит к образованию простых алкил- и арилфосфонатов, не содержащих в своей структуре кратных С=С связей. При этом электроноакцепторные заместители у атома фосфора существенно облегчают протекание данной реакции.

Обнаруженная высокая подвижность алкоксигрупп в фосфорилированных алкилвиниловых эфирах использована для нового подхода к синтезу широкого ряда фосфорсодержащих енаминов. Эта методика позволила получить в том числе и неизвестные ранее родоначальники данного класса соединений, не содержащие заместителей у атомов азота и углерода. С помощью расчетных данных установлено, что механизм реакции существенно зависит как от характера фосфорсодержащего заместителя в виниловых эфирах, так и от структуры атакующего амина. Проведенный анализ граничных молекулярных орбиталей выявил зависимость механизма винилового замещения от разности энергий ^*-орбитали эфиров и ППЭ нуклеофила (E₁).

Реакция прямого фосфорилирования распространена на ряд циклических и ароматических алкил- и арилвиниловых эфиров. Разработаны методы синтеза и изучены химические свойства не известных ранее дигалогенфосфинов с фрагментами арилвиниловых эфиров, входящих в состав гетероциклических и гетероароматических соединений. С использованием спектроскопии ЯМР исследована изомерия полученных соединений и изучены их дальнейшие химические превращения.

Ключевые слова: алкилвиниловые эфиры, прямое фосфорилирование, перегруппировка Арбузова, енамины, квантово-химический расчет.

Размещено на Allbest.ru