Нуклеофільні перегрупування n-трифлюорометилсульфонілімінопохідних карбонільних сполук

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна академія наук України

Інститут органічної хімії

УДК 547.235.421+547.298+547.739.2+547.781.4

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата хімічних наук

Нуклеофільні перегрупування n_трифлюорометилсульфонілімінопохідних карбонільних сполук

02.00.03 ? органічна хімія

Соколенко Любов Валентинівна

Київ 2009

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Перегрупування органічних сполук, в яких відбувається міграція замісника зі своєю парою електронів до електронодефіцитного центру (нітрену або карбену) знаходять широке застосування в синтетичній органічній хімії для одержання амінів з амідів карбонових кислот (перегрупування Гофмана) та аренгідроксамових кислот (перегрупування Лоссена), гомологізації карбонових кислот (реакція Арндта-Ейстерта). Використання нетрадиційних агентів дає можливість проводити перетворення в м'яких умовах і на більш широкому колі об'єктів. Такий підхід дозволяє вводити в реакції чутливі до дії основ (у випадку перегрупувань Лоссена і Гофмана) та активні по відношенню до діазометану (у випадку реакції Арндта-Ейстерта) субстрати. Велике препаративне значення нуклеофільних перегрупувань карбонільних сполук вимагає розширення кола субстратів, для яких їх можна застосовувати. Також важливим є дослідження зв'язку між змінами в структурі субстрату та його реакційною здатністю.

Одним з фундаментальних завдань флюороорганічної хімії є розробка зручних та простих методів синтезу сполук, що містять сильні електроноакцепторні замісники. Введення таких угрупувань в молекули органічних сполук може істотно змінювати їх властивості. Група =NSO2CF3 є одним з надсильних електроноакцепторних замісників, проте її вплив на хімічні властивості похідних карбонових кислот майже не досліджувався. Саме тому актуальним завданням є розробка методів синтезу азааналогів похідних карбонових кислот, що містять групу =NSO2CF3 замість карбонільного атома кисню, та дослідження їх властивостей, зокрема, можливість вступати в нуклеофільні перегрупування.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана у відділі хімії фтороорганічних сполук в рамках бюджетних тем «Розробка методів синтезу поліфтороалкілювання органічних сполук по гетероатомах - кисню, сірки, азоту, фосфору та вивчення їх фізико-хімічних і біологічних властивостей» (№ держреєстрації 0102U000799); «Синтез органічних і елементоорганічних сполук з фторовмісними алкільними та алкенільними угрупованнями біля атомів вуглецю та інших елементів» (№ держреєстрації 0105U000158); «Нові принципи створення реагентів, що вводять фтороалкільні угруповання в органічні сполуки для надання їм комплексу цінних біологічних та фізико-хімічних властивостей» (№ держреєстрації 0107U000064).

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є розробка методів синтезу азааналогів карбонільних сполук (хлорангідридів та амідів карбонових кислот, аренгідроксамових кислот), в яких карбонільний атом кисню замінений на трифлюорометилсульфоніліміногрупу, дослідження нуклеофільних перегрупувань одержаних сполук (реакції Арндта-Ейстерта, перегрупувань Гофмана і Лоссена відповідно) та вивчення властивостей продуктів цих перегрупувань. Для цього необхідно було вирішити наступні задачі:

· Розробити зручні методи синтезу азааналогів карбонільних сполук (хлорангідридів та амідів карбонових кислот, аренгідроксамових кислот), в яких sp2-гібридизований атом кисню замінений на =NSO2CF3 групу.

· Дослідити можливість азааналогів аренгідроксамових кислот та амідів карбонових кислот вступати в перегрупування Лоссена та Гофмана відповідно.

· Знайти умови для здійснення реакції Арндта-Ейстерта на основі азааналогів хлорангідридів карбонових кислот.

· Дослідити властивості продуктів перегрупувань аза-Лоссена та аза-Гофмана - N_трифлюорометилсульфоніл-N'-арилкарбодиімідів.

Об'єкти дослідження ? азааналоги карбонільних сполук, які містять замість sp2_гібридизованого атома кисню групу =NSO2CF3.

Предмет дослідження ? перегрупування азааналогів похідних карбонових кислот, в яких карбонільний атом кисню замінений на групу =NSO2CF3.

Методи дослідження ? органічний синтез, колонкова хроматографія, високоефективна рідинна хроматографія, спектральні методи (ІЧ-, ЯМР-спектроскопія), мас-спектрометрія, елементний аналіз, рентгеноструктурний аналіз.

Наукова новизна одержаних результатів. Синтезовано азааналоги аренгідроксамових кислот та амідів карбонових кислот, які містять трифлюорометилсульфоніліміногрупу замість карбонільного атома кисню.

Досліджено перегрупування Лоссена трифлюорометилсульфонілімідів аренгідроксамових кислот. Встановлено, що в залежності від умов продуктами реакції є N_трифлюорометилсульфоніл-N'-арилкарбодиіміди або N_трифлюорометилсульфоніл-N'-арилхлороформамідини. Проведено порівняння реакційної здатності флюорованих та нефлюорованих азааналогів аренгідроксамових кислот по відношенню до перегрупування Лоссена і встановлено, що при збільшенні електроноакцепторності замісника, введеного замість карбонільного атома кисню, реакційна здатність сполук зменшується. Показано, що в ряду заміщених трифлюорометилсульфонілімідів аренгідроксамових кислот природа замісника в бензеновому кільці не впливає на перебіг реакції.

Вивчено перегрупування Гофмана азааналогів амідів карбонових кислот, в яких карбонільний атом кисню замінений на групи =NSO2CH3, =NSO2Ph, =NSO2CF3 та =NSO2C4F9. Знайдено, що збільшення електроноакцепторності замісника, введеного замість карбонільного атома кисню, приводить до зростання реакційної здатності амідинів. З'ясовано, що для азааналогів амідів карбонових кислот з групою =NSO2CF3 електронодонорні замісники в бензеновому кільці полегшують, а електроноакцепторні ускладнюють перебіг перегрупування.

Досліджена взаємодія азааналогів хлорангідридів карбонових кислот, в яких карбонільний атом кисню замінений на групи =NSO2CH3 та =NSO2CF3, з діазометаном за типом реакції Арндта-Ейстерта. Встановлено, що реакційна здатність сполук зростає при переході від метилсульфоніліміно- до трифлюорометилсульфонілімінопохідних хлорангідридів карбонових кислот.

Показано, що N-трифлюорометилсульфоніл-N'-(4-флюорофеніл)-карбодиімід вступає в реакції 1,3-диполярного циклоприєднання з азидами та оксидами нітрилів.

Встановлено, що при реакції N-трифлюорометилсульфоніл-N'-(4-флюорофеніл)-карбодиіміду з 1,2-фенілендіаміном основним продуктом є 2_трифлюорометилсульфоніламінобензімідазол.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблено методи синтезу не відомих раніше азааналогів аренгідроксамових кислот та амідів карбонових кислот, які містять групу =NSO2CF3 замість карбонільного атома кисню, що можуть бути застосовані як реагенти в аналітичній хімії.

Синтезовано ряд нових гетероциклічних сполук, що містять трифлюорометилсульфоніліміногрупу: 1-(4-флюорофеніл)-5-трифлюорометилсульфоніламінотетразол, 3-арил-4-(4-флюорофеніл)-5-трифлюорометилсульфоніліміно-1,2,4-оксадіазоліни, 2_трифлюорометилсульфоніламінобензімідазол - потенційно біологічно активних речовин.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповідались на конференціях:

1. 15 Європейському симпозіумі з хімії флюору, Прага (Чехія), 15-20 липня 2007 року.

2. ХХІ Українській конференції з органічної хімії, Чернігів, 1-5 жовтня 2007 року.

3. Міжнародній конференції «Нові напрямки в хімії гетероциклічних сполук», Кисловодськ (Росія), 3-8 травня 2009 року.

4. Десятій Всеукраїнській конференції студентів та аспірантів «Сучасні проблеми хімії», Київ, 19-22 травня 2009 року.

5. VІІ Регіональній конференції молодих вчених та студентів з актуальних питань хімії, Дніпропетровськ, 1-4 червня 2009 року.

6. XIX Міжнародному семінарі «Спектроскопія молекул і кристалів», Берегове (Крим, Україна), 20-27 вересня 2009 року.

Публікації за темою дисертації. Результати дисертаційної роботи опубліковані в 3-х статтях та тезах 6-и доповідей.

Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, трьох розділів і списку використаних літературних джерел, що містить 205 найменувань. Робота викладена на 146 сторінках, містить 97 схем, 23 рисунки та 3 таблиці. В першому розділі систематизовано літературні дані про вибрані нуклеофільні перегрупування карбонільних сполук. Результати власних досліджень представлені в наступних розділах.

Особистий вклад здобувача полягає в розробці поставлених завдань, виконанні аналітичного огляду наукової літератури за темою дисертації, плануванні та проведенні експериментальної частини роботи, інтерпретації спектральних даних для встановлення будови синтезованих речовин, узагальненні одержаних результатів, формулюванні основних положень і висновків дисертаційної роботи. Постановка задачі дослідження та обговорення результатів проведені з науковим керівником д.х.н., професором Л.М. Ягупольським та к.х.н. І.І. Малєтіною (ІОХ НАН України, м. Київ). Трифлюорометилсульфоніліміди аренгідроксамових кислот синтезовано у співпраці з С.В. Шеляженко (ІОХ НАН України, м. Київ). Рентгеноструктурний аналіз виконаний у співробітництві з д.х.н. О.М. Чернегою, к.х.н. Е.Б. Русановим, С.А. Бутом та Ю.Г. Власенко (ІОХ НАН України, м. Київ). Аналіз ІЧ_спектрів сполук проведено за участю к.х.н. І.Ф. Цимбала (ІОХ НАН України, м. Київ).

Основний зміст роботи

1. Нуклеофільні перегрупування N-трифлюорометилсульфонілімінопохідних карбонільних сполук

1.1 Перегрупування аза-Лоссена

Для дослідження перегрупування аза-Лоссена нам було необхідно синтезувати відповідні азааналоги аренгідроксамових кислот.

Метил- та трифлюорометилсульфоніліміди аренгідроксамових кислот (1.7_1.13) одержували дією мононатрієвих солей трифлюорометансульфонаміду або метансульфонаміду на відповідні хлорангідриди аренгідроксамових кислот (1.1-1.6).

За даними спектрів ЯМР 19F та ІЧ-спектрів трифлюорометилсульфоніліміди аренгідроксамових кислот (1.7-1.12) в полярних розчинниках знаходяться у формі гідроксамової кислоти (А).

На прикладі трифлюорометилсульфоніліміду фенілгідроксамової кислоти (1.7) методом рентгеноструктурного дослідження показано, що в твердому стані сполуки (1.7_1.12) існують в таутомерій формі (А).

Спроба провести перегрупування Лоссена трифлюорометилсульфонілімінопохідних аренгідроксамових кислот в класичних умовах (термічний розклад натрієвої солі О_ацильної похідної) виявилась невдалою через сильне осмолення реакційної суміші.

При використанні тозильного естеру трифлюорометилсульфоніліміду 4-хлорофенілгідроксамової кислоти, одержаного дією п-толуенсульфохлориду на сполуку (1.11), основним продуктом реакції є N_(трифлюорометилсульфоніл)-N'-(4_хлорофеніл)сечовина (1.14).

Трифлюорометилсульфоніліміди 4_флюорофенілгідроксамової кислоти (1.10) та 4_хлорофенілгідроксамової кислоти (1.11) були використані для одержання силільних похідних. О-Триметилсилільні похідні (1.15) та (1.16) без очищення піддавались термічному розкладу в толуені. Одержані карбодиіміди без очищення вводились в реакцію з морфоліном. Методом колонкової хроматографії були виділені гуанідини (1.17, 1.18), а також, як побічні продукти, відповідні сечовини (1.14, 1.19).

Таким чином, перегрупування аза-Лоссена естерів трифлюорометилсульфонілімідів аренгідроксамових кислот в лужних умовах або при підвищеній температурі відбувається з дуже низькими виходами продуктів. Це обумовлено схильністю карбодиімідів до полімеризації та деструкції в таких умовах.

Проте перегрупування трифлюорометилсульфонілімідів аренгідроксамових кислот легко відбувається при дії на них тіонілхлориду і встановлено, що природа замісника в бензеновому кільці не впливає на перебіг реакції. Продуктами перегрупування є гідролітично нестійкі N_трифлюорометилсульфоніл-N'-арилхлороформамідини (1.20-1.25), тому тільки три з них (1.20, 1.23, 1.25) вдалось охарактеризувати в індивідуальному вигляді за допомогою спектрів ЯМР та елементного аналізу. Загалом, сполуки (1.20-1.25) були охарактеризовані у вигляді гуанідинів (1.17, 1.18, 1.26-1.29).

Для порівняння реакційної здатності трифлюорометилсульфонілімідів аренгідроксамових кислот з нефлюорованими азааналогами ми провели перегрупування аза-Лоссена для метилсульфоніліміду фенілгідроксамової кислоти (1.13) під дією тіонілхлориду. Продукт реакції - хлороформамідин (1.30) - був охарактеризований у вигляді гуанідину (1.31).

Аналізуючи умови перегрупування Лоссена для різних азааналогів агенгідроксамових кислот - сполук з групами =NSO2CH3, =NSO2Ph (ЖОрХ ? 1973. ? ІХ, вып. 4. ? С. 780-783) та =NSO2CF3,- ми зробили висновок, що при зростанні електроноакцепторності замісника, введеного замість карбонільного атома кисню, реакційна здатність сполук знижується.

1.2 Перегрупування аза-Гофмана

Не відомі раніше N_трифлюорометилсульфоніларенамідини (1.37-1.41) були одержані з високими виходами дією амоніаку на N-трифлюорометилсульфоніларенкарбоксиімідоїлхлориди (1.32-1.36).

N-Метил- та N-фенілсульфонілбензамідини (1.45, 1.46), а також N_нона-флюоробутилсульфоніл-4-флюоробензамідин (1.47) були синтезовані аналогічно, виходячи з відповідних карбоксиімідоїлхлоридів (1.42-1.44).

Результати рентгеноструктурного аналізу сполук (1.37) та (1.47) показали, що вони в твердому стані існують у формі (В).

За даними спектрів ЯМР 19F та ІЧ-спектрів амідини (1.37-1.41) та (1.47) в полярних розчинниках також знаходяться у формі (В).

Провести перегрупування Гофмана сполук (1.37-1.41) в класичних умовах не вдалося. Зокрема, при дії на них гіпохлориту натрію утворюється суміш продуктів, які важко ідентифікувати, а при обробці гіпобромітом натрію з реакційної суміші практично кількісно виділяються вихідні амідини.

На прикладі сполуки (1.39) показано, що перегрупування Гофмана відбувається в окиснювальних умовах при використанні в ролі окисника 4_[ди(трифлюороацетокси)йодо]толуену в присутності органічних основ - піридину та діізопропілетиламіну (ДIEA). Карбодиімід (1.48) був охарактеризований у вигляді гуанідину (1.17).

При використанні замість 4_[ди(трифлюороацетокси)йодо]толуену більш м'якого окисника - 4_(діацетоксийодо)толуену, а як основи - суміші триетиламіну та морфоліну, виходи продуктів перегрупування значно збільшуються. Час та температура реакції варіювались в залежності від замісника в бензеновому кільці (таблиця 1.1). При додаванні до реакційної суміші морфоліну одночасно з іншими реагентами продуктами реакції є гуанідини (1.17, 1.26, 1.27, 1.49, 1.50).

Таблиця 1.1 Умови перебігу перегрупування сполук R_C6H4C(=NSO2CF3)NH2

Амідин	1.37	1.38	1.39а	1.40	1.41
R	H	4-CH3O	4-F	4-CF3	3-CF3
Час (год)	0.5	0.5	1	9	3
Температура (°C)	85	25	85	45	45

На прикладі амідину (1.39) показано, що при додаванні до реакційної суміші морфоліну з інтервалом 1-2 години продуктом реакції є сечовина (1.19).

Як видно з таблиці 1.1, в ряду сполук (1.37-1.41) електронодонорні замісники в бензеновому кільці полегшують, а електроноакцепторні ускладнюють протікання аза_перегрупування Гофмана. Слід зазначити, що при введенні в реакцію амідинів з електроноакцепторними замісниками (1.40, 1.41) продукти (1.49, 1.50) виділяються з дуже низькими виходами і спостерігається деструкція вихідних сполук з утворенням морфолінієвої солі трифлюорометансульфонаміду.

Для порівняння реакційної здатності сполук (1.37-1.41) з амідами карбонових кислот та їх нефлюорованими азааналогами ми провели перегрупування Гофмана бензаміду (1.51) та його азааналогів з метил- та фенілсульфоніліміногрупами (1.45, 1.46) в аналогічних умовах.

Таблиця 1.2 Час протікання перегрупування Гофмана сполук PhC(=X)NH2 при 85°C

Сполука	1.51	1.45	1.46	1.37
X	O	NSO2CH3	NSO2Ph	NSO2CF3
Час (год)	5	4	2.5	0.5

З таблиці 1.2 видно, що при переході від бензаміду до його азааналогів з групами =NSO2CH3, =NSO2Ph та =NSO2CF3 зі збільшенням електроноакцепторності замісника в сульфоніліміногрупі час, необхідний для перегрупування, зменшується, що свідчить про збільшення реакційної здатності сполук в ряду.

Ми також провели перегрупування Гофмана амідину (1.47) з більш електроноакцепторнішою, ніж =NSO2CF3, нонафлюоробутилсульфоніліміногрупою, введеною замість карбонільного атома кисню.

Виявилось, що реакція, яка приводить до гуанідину (1.54), протікає значно легше, ніж для сполуки з групою =NSO2CF3. Амідин (1.47) перегруповується при кімнатній температурі за 24 год, а амідин (1.39) реагує в таких умовах 72 год.

1.3 Аза-реакція Арндта-Ейстерта

Для дослідження аза-реакції Арндта-Ейстерта ми обрали як модельну сполуку (азааналог хлорангідриду карбонової кислоти з трифлюорометилсульфоніліміногрупою замість карбонільного атома кисню) N_трифлюорометилсульфоніл-(4_флюорофеніл)-карбоксиімідоїлхлорид (1.34), оскільки атом флюору в ароматичному кільці є зручною міткою при ідентифікації продуктів методом ЯМР 19F. Як нуклеофіл використовувався морфолін, який додавався до реакційної суміші після закінчення виділення азоту.

Реакція імідоїлхлориду (1.34) з діазометаном протікає дуже активно навіть при _70°C. Продукт цієї взаємодії - азааналог діазокетону - виявився дуже нестійкою сполукою, яка при вказаній температурі вступає в подальші перетворення, що приводять до суміші чотирьох продуктів (1.57-1.60) з дуже низькими виходами. Продукт приєднання морфоліну до кетеніміну (1.56) не утворюється.

Ймовірно, частковий позитивний заряд на центральному атомі вуглецю в кетеніміні (1.55), створений стягуванням електронної густини з нього сильною електроноакцепторною групою =NSO2CF3, приводить до дестабілізації молекули (1.55).

Нами знайдено, що при додаванні до реакційної суміші сполук, здатних стабілізувати позитивний заряд, наприклад хлориду літію або фенілазиду, виходи продуктів (1.57-1.60) значно підвищуються.

Так, при використанні трьох еквівалентів фенілазиду або хлориду літію та трьох еквівалентів діазометану, загальний вихід чотирьох продуктів (1.57-1.60) зростає до 40_55%.

Сполуки (1.57-1.60) виділені в індивідуальному вигляді, їх будова встановлена методом рентгеноструктурного аналізу (рисунки 1.4-1.7). Вихід та співвідношення продуктів (1.57-1.60) залежать від того, який реагент використовується для стабілізації позитивного заряду в сполуці (1.55) (таблиця 1.3).

Таблиця 1.3 Вплив умов реакції на вихід продуктів (1.57-1.60)

Реагент	Вихід продуктів, %
	1.57б	1.58а	1.59б	1.60б	загальний
PhN3	15	10	20	10	55
LiCl	18	6	2	12	40

З таблиці 1.3 видно, що при використанні фенілазиду загальний вихід продуктів вищий. Можливо, це обумовлено кращою розчинністю фенілазиду в глімі порівняно з хлоридом літію.

Цікаво, що при використанні одного еквіваленту фенілазиду або хлориду літію в цих умовах утворюються тільки полімерні продукти невстановленого складу. Застосування двох еквівалентів діазометану в присутності двох еквівалентів фенілазиду або хлориду літію приводить до утворення лише продукту (1.58) з виходом 5-10%.

Сполука (1.57) утворюється внаслідок перетворень діазокетону без перегрупування Вольфа. Продукти (1.58-1.60) є результатом перегрупування Вольфа з наступною взаємодією кетеніміну (1.55) з діазометаном та морфоліном. Утворення таких продуктів реакції можна пояснити значною активністю проміжних сполук - діазокетону та кетеніміну, - які дуже швидко взаємодіють з наявним в розчині діазометаном.

Для порівняння реакційної здатності флюоровмісних імідоїлхлоридів з нефлюорованими аналогами ми провели реакцію між N-метилсульфонілбензкарбоксиімідоїлхлоридом (1.42) та діазометаном в присутності фенілазиду або хлориду літію та морфоліну. Реакція протікає при _15°С з утворенням сполуки (1.61) як основного продукту.

Структура молекули (1.61) встановлена за допомогою ІЧ-спектрів, хроматомас-спектрів ([М]+=287; 289), а також одновимірних та двовимірних спектрів ЯМР (ЯМР 1Н, ЯМР 13С, АРТ, HMQC, COSY та NOESY).

На відміну від імідоїлхлориду (1.34) та кетеніміну (1.55) їх нефлюоровані аналоги менш реакційноздатні, тому основним продуктом реакції N-метилсульфонілбензкарбоксиімідоїлхлориду (1.42) з діазометаном є піразолін (1.61), який утворюється при 1,3-диполярному циклоприєднанні діазометану до кетеніміну з подальшою взаємодією продукту циклізації з діазометаном та хлороводнем, що вивільняється при утворенні діазокетону.

2. Хімічні властивості N-трифлюорометилсульфоніл-N'-арилкарбодиімідів

2.1 Взаємодія N-трифлюорометилсульфоніл-N'-(4-флюорофеніл)-карбодиіміду з нуклеофільними реагентами

В ролі модельної сполуки для дослідження властивостей N-трифлюорометилсульфоніл-N'-арилкарбодиімідів ми обрали N-трифлюорометилсульфоніл-N'-(4-флюорофеніл)-карбодиімід (2.1).

Взаємодія карбодиіміду (2.1) з роданідом калію приводить до утворення сполуки (2.2) - продукту приєднання двох роданід-аніонів до однієї молекули карбодиіміду (2.1) - навіть при використанні одного еквіваленту солі. Це можна пояснити високою активністю продукту моноприєднання роданід-аніона, в якому зв'язок С=NSO2CF3 активований трьома електроноакцепторними замісниками. Побічним продуктом реакції є сполука (2.3) - продукт приєднання до карбодиіміду 4_флюороаніліну, який утворюється при деструкції (2.1) під дією роданіду калію. Будова сполуки (2.3) доведена незалежним синтезом з карбодиіміду (2.1) та 4_флюороаніліну.

При взаємодії карбодиіміду (2.1) з фенілмагнійбромідом утворюється амідин (2.4).

нуклеофільний трифлюорометилсульфонілімінопохідний карбонільний

2.2 Реакції гетероциклізації N-трифлюорометилсульфоніл-N'-(4-флюорофеніл)-карбодиіміду

При взаємодії карбодиіміду (2.1) з азид-аніоном за схемою 1,3_диполярного циклоприєднання з високим виходом утворюється тетразол (2.5).

При застосуванні як 1,3-диполів ареннітрилоксидів продуктами реакції є 3_арил-4-(4-флюорофеніл)-5-трифлюорометилсульфоніліміно-1,2,4-оксадіазоліни (2.6, 2.7).

Швидкість реакції 1,3-диполярного циклоприєднання карбодиімідів та оксидів нітрилів може зростати при використанні як каталізаторів кислот Льюїса, наприклад ефірату боротрифлюориду. Проте, нами встановлено, що застосування вказаної кислоти Льюїса як в каталітичних (5% мольних), так і в еквімолярних кількостях, не впливає на перебіг реакції: продукт (2.6) утворюється з таким самим виходом.

При взаємодії N-трифлюорометилсульфоніл-N'-(4-флюорофеніл)-карбодиіміду (2.1) з 1,2_фенілендіаміном при температурі -40°C утворюється суміш 2_трифлюорометилсульфоніламінобензімідазолу (2.8) та сполуки (2.3).

При додаванні 1,2_фенілендіаміну до розчину карбодиіміду при кімнатній температурі як домішки також утворюються 2-(4-флюорофеніламіно)-бензімідазол (2.9) та сполука (2.10).

Ймовірно, ці реакції протікають через стадію нестійкого інтермедіату А, який стабілізується відщепленням 4-флюороаніліну або трифлюорометансульфонаміду з утворенням бензімідазолів (2.8) або (2.9). В результаті приєднання до карбодиіміду (2.1) 4-флюороаніліну, який виділився, утворюється сполука (2.3). Оскільки карбодиімід (2.1) реагує з 1,2-фенілендіаміном повільно, стає можливим побічний процес - приєднання до нього 4-флюороаніліну.

Нами було встановлено, що N_трифлюорометилсульфоніл-N'-арилхлороформамідини - продукти перегрупування аза-Лоссена під дією тіонілхлориду - реагують з нуклеофілами, і зокрема з амінами, швидше, ніж карбодиіміди, внаслідок того, що атом хлору в них дуже рухливий. Тому з метою підвищення виходу бензімідазолу (2.8) та попередження утворення сполуки (2.3) ми провели реакцію N_трифлюорометилсульфоніл-N'-(4-флюорофеніл)-хлороформамідину (2.11) з 1,2_фенілендіаміном та його мононатрієвою сіллю.

Виявилось, що при використанні мононатрієвої солі 1,2-фенілендіаміну в результаті реакції утворюється продукт заміщення (2.10), який не циклізується навіть при нагріванні в розчині диметилсульфоксиду при температурі 100°C протягом 3 год. Будова сполуки (2.10) встановлена методом рентгеноструктурного аналізу (рисунок 2.1).

При додаванні до розчину хлороформамідину (2.11) 1,2_фенілендіаміну утворюється сполука (2.12) з невеликою домішкою гуанідину (2.10). Будова продукту (2.12) встановлена методом рентгеноструктурного аналізу (рисунок 2.2).

Висновки

1. Дисертаційна робота є систематичним дослідженням впливу надсильних електроноакцепторних замісників, зокрема групи =NSO2CF3, на властивості азааналогів карбонільних сполук. Показана принципова можливість здійснення нуклеофільних перегрупувань азааналогів аренгідроксамових кислот, амідів карбонових кислот та діазокетонів, а також використання продуктів цих перетворень в синтезі гетероциклів, що містять трифлюорометилсульфоніліміногрупу.

2. Синтезовано не відомі раніше азааналоги аренгідроксамових кислот та амідів карбонових кислот, в яких карбонільний атом кисню замінений на сильну електроноакцепторну групу =NSO2CF3.

3. Показано, що продуктами перегрупування аза-Лоссена в залежності від умов реакції є N_трифлюорометилсульфоніл-N'-арилкарбодиіміди або N_трифлюорометилсульфоніл-N'-арилхлороформамідини. При порівнянні активності азааналогів аренгідроксамових кислот з групами =NSO2CH3, =NSO2Ph та =NSO2CF3 виявлено, що при збільшенні електроноакцепторності замісника, введеного замість карбонільного атома кисню, реакційна здатність сполук в реакції аза-Лоссена зменшується.

4. Встановлено, що при перегрупуванні Гофмана азааналогів амідів карбонових кислот, в яких карбонільний атом кисню замінений на групи =NSO2CH3, =NSO2Ph, =NSO2CF3 та =NSO2C4F9, збільшення електроноакцепторності замісника приводить до збільшення реакційної здатності амідинів. Продуктами реакції є N_трифлюорометилсульфоніл-N'-арилкарбодиіміди.

5. Досліджено взаємодію азааналогів хлорангідридів карбонових кислот, в яких карбонільний атом кисню замінений на групи =NSO2CH3 та =NSO2CF3, з діазометаном за типом реакції Арндта-Ейстерта. Продуктами реакції є похідні N_метилсульфонілфенілкетеніміну та N_трифлюорометилсульфоніл-4-флюорофенілкетеніміну. Показано, що реакційна здатність сполук зростає при збільшенні електроноакцепторності замісника, введеного замість карбонільного атома кисню.

6. З'ясовано, що N-трифлюорометилсульфоніл-N'-(4-флюорофеніл)-карбодиімід вступає в реакції 1,3-диполярного циклоприєднання з різними 1,3-диполями та 1,2_фенілендіаміном з утворенням не відомих раніше гетероциклічних сполук ряду тетразолу, оксадіазоліну та бензімідазолу, що містять трифлюорометилсульфоніліміногрупу.

Список публікацій за темою дисертації

1. Trifluoromethanesulfonylimides of arenehydroxamic acids and their aza Lossen rearrangement / L.M. Yagupolskii, S.V. Shelyazhenko, I.I. Maletina, L.V. Sokolenko, A.N. Chernega, E.B. Rusanov, I.F. Tsymbal // J. Fluorine Chem. - 2007. - Vol. 128, №5. - P. 515_523. (Соколенко Л.В. - літературний пошук, участь в розробці методу синтезу азааналогів аренгідроксамових кислот з трифлюорометилсульфоніліміногрупою, дослідження перегрупування синтезованих речовин в різних умовах, аналіз спектральних даних для встановлення будови одержаних сполук, підготовка первинного варіанту статті).

2. N_Perfluoroalkylsulfonylimido derivatives of arenecarboxylic acid amides and their oxidative aza Hofmann rearrangement / L.M. Yagupolskii, I.I. Maletina, L.V. Sokolenko, Y.G. Vlasenko, S.A. Buth // J. Fluorine Chem. - 2008. - Vol. 129, №6. - P. 486-492. (Соколенко Л.В. - літературний пошук, розробка методу синтезу азааналогів амідів карбонових кислот з метил-, феніл-, трифлюорометил- та нонафлюоробутилсульфоніліміногрупами, дослідження перегрупування типу Гофмана одержаних сполук в класичних та окиснювальних умовах, аналіз спектральних даних для встановлення будови одержаних сполук, підготовка первинного варіанту статті).

3. Реакции гетероциклизации N-трифторметилсульфонил-N'-арилкарбодиимидов / Л.В. Соколенко, И.И. Малетина, Ю.Г. Власенко, А.Н. Чернега, И.Ф. Цымбал, Л.М. Ягупольский // Журн. огран. фарм. химии. - 2009. - Т. 7, вип. 3(27). - С. 49_56. (Соколенко Л.В. - літературний пошук, дослідження властивостей N_трифлюорометилсульфоніл-N'-арилкарбодиімідів, аналіз спектральних даних для встановлення будови одержаних сполук, підготовка первинного варіанту статті).

4. Nucleophilic rearrangements of N-trifluoromethanesulfonylimino derivatives of carbonyl compounds: Abatracts of 15th European symposium on fluorine chemistry, July 15-20, 2007 / L.M. Yagupolskii, S.V. Shelyazhenko, I.I. Maletina, L.V. Sokolenko / Prague (Czech Republic), 2007. - C.154.

5. Нуклеофільні перегрупування N-трифторометансульфонілімінопохідних карбонільних сполук: Тези доповідей ХХІ Української конференції з органічної хімії, 1_5 жовтня 2007 р. / Л.В. Соколенко, І.І. Малєтіна, С.В. Шеляженко , Е.Б. Русанов, Л.М. Ягупольський / Інститут органічної хімії НАН України, Наукова рада з проблеми “Органічна хімія” при відділені хімії НАН України [та ін.]. - Чернігів, 2007. -- С. 61.

6. Реакции гетероциклизации N-трифторметилсульфонил-N'-арилкарбодиимидов: Тезисы докладов Международной конференции «Новые направления в химии гетероциклических соединений», 3-8 мая 2009 г. / Л.В. Соколенко, И.И. Малетина, Ю.Г. Власенко, И.Ф. Цымбал, Л.М. Ягупольский / Кисловодск (Россия), 2009. - С. С-435.

7. Нуклеофільні перегрупування N_трифлюорометансульфонілімінопохідних карбонільних сполук: Тези доповідей Десятої Всеукраїнської конференції студентів та аспірантів «Сучасні проблеми хімії», 19_22 травня 2009 р. / Л.В. Соколенко, І.І. Малєтіна, Ю.Г. Власенко, Л.М. Ягупольський / Київський національний університет імені Тараса Шевченка. - Київ, 2009. - С. 84.

8. Соколенко Л.В. Реакції N-Трифторметилсульфоніл-N'-(4-фторофеніл)хлороформамідину: Тези доповідей VІІ Всеукраїнської конференції молодих вчених та студентів з актуальних питань хімії, 1-4 червня 2009 р. / Л.В. Соколенко, Ю.Г. Власенко, І.І. Малєтіна / Дніпропетровський національний університет імені Олеся Гончара, Український державний хіміко-технологічний університет, Інститут органічної хімії НАН України. - Дніпропетровськ, 2009. - С. 59.

9. Crystal and molecular structure of new N-trifluoromethylsulfonyl-N-(4-fluorophenyl)-carboximidoyl chloride derivatives: Abstracts of XIX International school-seminar “Spectroscopy of molecules and crystals”, September 20-27, 2009 / Yu. G. Vlasenko, A.G. Vlasenko, L.V. Sokolenko, I.I. Maletina, S.G. Garasevych / Beregove (Crimea, Ukraine), 2009. - C. 93.

Анотація

Соколенко Л.В. Нуклеофільні перегрупування N_трифлюорометилсульфонілімінопохідних карбонільних сполук. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата хімічних наук за спеціальністю 02.00.03 - органічна хімія. Інститут органічної хімії НАН України, Київ, 2009.

Дисертація присвячена дослідженню нуклеофільних перегрупувань карбонільних сполук при заміні в них карбонільного атома кисню на трифлюорометилсульфоніліміногрупу. Розроблено методи синтезу нових типів азааналогів аренгідроксамових кислот та амідів карбонових кислот. Показано, що в залежності від умов реакції продуктами перегрупування Лоссена є N_трифлюорометилсульфоніл-N'-арилкарбодиіміди або N_трифлюорометилсульфоніл-N'-арилхлороформамідини. Вивчено окиснювальне перегрупування Гофмана азааналогів амідів карбонових кислот, в яких карбонільний атом кисню замінений на групи =NSO2CH3, =NSO2Ph, =NSO2CF3 та =NSO2C4F9. Показано, що збільшення електроноакцепторності замісника приводить до збільшення реакційної здатності амідинів. Встановлено, що азааналоги хлорангідридів карбонових кислот, які містять групи =NSO2CH3 та =NSO2CF3, реагують з діазометаном за типом реакції Арндта-Ейстерта. Досліджено можливість N-трифлюорометилсульфоніл-N'-(4_флюорофеніл)-карбодиіміду як модельної сполуки вступати в реакції гетероциклізації з різними 1,3-диполями та 1,2_фенілендіаміном. Одержано не відомі раніше гетероциклічні сполуки, що містять трифлюорометилсульфоніліміногрупу.

Ключові слова: амідоксими, амідини, перегрупування, карбодиіміди, гетероциклізація.

Аннотация

Соколенко Л.В. Нуклеофильные перегруппировки N_трифторметилсульфонилиминопроизводных карбонильных соединений. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата химических наук по специальности 02.00.03 - органическая химия. Институт органической химии НАН Украины, Киев, 2009.

Диссертация посвящена изучению нуклеофильных перегруппировок азааналогов карбонильных соединений, в которых sp2-гибридизированный атом кислорода заменен на трифторметилсульфонилиминогруппу.

Разработаны методы синтеза азааналогов аренгидроксамовых кислот и амидов карбоновых кислот, а также усовершенствованы методы получения азааналогов хлорангидридов карбоновых кислот с группой =NSО2CF3 вместо карбонильного атома кислорода. Показано, что продуктами перегруппировки Лоссена в зависимости от условий реакции могут быть N_трифторметилсульфонил-N'-арилкарбодиимиды или N_трифторметилсульфонил-N'-арилхлороформамидины. Так, при проведении перегруппировки аза-Лоссена О-ацильных или О_силильных производных трифторметилсульфонилимидов аренгидроксамовых кислот продуктами реакции являются карбодиимиды. При действии на исходные амидоксимы хлористого тионила с высокими выходами образуются N_трифторметилсульфонил-N'-арилхлороформамидины. Найдено, что при переходе от метил- к арил- и трифторметилсульфонилиминопроизводным аренгидроксамовых кислот реакционная способность соединений уменьшается с увеличением электроноакцепторности сульфонилиминогруппы. Показано, что в ряду замещенных трифторметилсульфонилимидов аренгидроксамовых кислот природа заместителей в бензольном кольце не влияет на протекание реакции.

Изучена окислительная перегрупировка Гофмана азааналогов амидов карбоновых кислот, в которых карбонильный атом кислорода заменен на группы =NSO2CH3, =NSO2Ph, =NSO2CF3 и =NSO2C4F9. Показано, что увеличение электроноакцепторности заместителя, введенного вместо карбонильного атома кислорода, приводит к увеличению реакционной способности амидинов. Найдено, что в ряду замещенных в кольце N_трифторметилсульфониларенамидинов электронодонорные заместители облегчают, а электроноакцепторные затрудняют протекание реакции.

Показана возможность азааналогов хлорангидридов карбоновых кислот, содержащих метил- и трифторметилсульфонилиминогруппы, реагировать с диазометаном по типу реакции Арндта-Ейстерта. Установлено, что образующиеся в результате перегруппировки промежуточных диазокетонов кетенимины - нестабильные соединения, способные мгновенно претерпевать дальнейшие превращения с образованием сложных продуктов. Найдены условия, в которых из кетениминов с удовлетворительными выходами образуются стабильные продукты - производные пропана, а также азотсодержащих гетероциклов. Показано, что реакционная способность N_трифторметилсульфонил-(4_фторфенил)-карбоксимидоилхлорида значительно выше, чем метилсульфонилбензкарбоксимидоилхлорида.

На примере N-трифторметилсульфонил-N'-(4_фторфенил)-карбодиимида как модельного соединения исследована возможность N-трифторметилсульфонил-N'-арилкарбодиимидов вступать в реакции 1,3-диполярного циклоприсоединения с азидами и оксидами нитрилов. При этом образуются гетероциклические соединения, содержащие трифторметилсульфонилиминогруппу. Показано, что при взаимодействии N_трифторметилсульфонил-N'-(4_фторфенил)-карбодиимида с 1,2_фенилендиамином образуется 2_трифторметилсульфониламинобензимидазол в качестве основного продукта реакции. Установлено, что взаимодействие N_трифторметилсульфонил-N'-(4-фторфенил)-хлорформамидина с 1,2_фенилендиамином приводит к образованию N,N'-бис[N-(4-фторфенил)-N-трифторметилсульфониламидино]-1,2-фенилендиамина. При использовании мононатриевой соли 1,2-фенилендиамина получен продукт замещения атома хлора на остаток 1,2_фенилендиамина. Найдено, что N-трифторметилсульфонил-N'-(4_фторфенил)-карбодиимид легко вступает во взаимодействие с нуклеофильными агентами - неорганическими солями и магнийорганическими соединениями с образованием продуктов присоединения по связи C=N с высокими выходами.

Ключевые слова: амидоксимы, амидины, перегруппировки, карбодиимиды, гетероциклизация.

Summary

Sokolenko L.V. Nucleophilic rearrangements of N-trifluoromethylsulfonylimino derivatives of carbonyl compounds. - Manuscript.

Dissertation to the degree of Candidate of Chemical Sciences (Ph.D.) in the field of organic chemistry, speciality code 02.00.03. Institute of organic chemistry of NAS of Ukraine, Kyiv, 2009.

The dissertation is devoted to the investigation of nucleophilic rearrangements of carbonyl compounds derivatives bearing the strong electron-withdrawing group =NSO2СF3 instead of carbonyl oxygen atom. Such analogues of arenehydroxamic acids and carboxamides have been synthesized. It was shown that trifluoromethylsulfonylimides of arenehydroxamic acids undergo a Lossen-type rearrangement to N_trifluoromethylsulfonyl-N?-arylcarbodiimides or N-trifluoromethylsulfonyl-N?-arylchloroformamidines, depending on the reaction conditions. The oxidative aza Hofmann rearrangement of amidines containing the =NSO2CH3, =NSO2Ph, =NSO2CF3 and =NSO2C4F9 groups has been studied. It was found that rearrangement of compounds PhC(=X)NH2 proceeds the more readily, the stronger electron-withdrawing ability of the substituent Х is. It was shown that N-trifluoromethylsulfonyl-(4-fluorophenyl)-carboximidoyl chloride and N-methylsulfonylbenzcarboximidoyl chloride react with diazomethane by the type of the Arndt-Eistert reaction. N_Trifluoromethylsulfonyl-(4-fluorophenyl)-carboximidoyl chloride was found to be more reactive than its fluorine-free analog. Ability of N_trifluoromethylsulfonyl-N'-(4-fluorophenyl)-carbodiimide to react with various 1,3-dipoles and 1,2_phenylenediamine was investigated. New heterocyclic compounds containing trifluoromethylsulfonylimino group were synthesized.

Key words: amidoximes, amidines, rearrangements, carbodiimides, heterocyclization.

Размещено на Allbest.ru

...