В-нитроэтенилфосфонаты и –карбоксилаты в реакциях диенового синтеза

Полная исследовательская публикация ____________________ Анисимова Н.А. и Кужаева А.А.

Размещено на http://www.allbest.ru/

80 _______________ http://butlerov.com/ ______________ ©--Butlerov Communications. 2012. Vol.30. No.5. P.73-80.

[Введите текст]

г. Казань. Республика Татарстан. Россия. __________ ©--Бутлеровские сообщения. 2012. Т.30. №5. _________ 73

Статья по теме:

-Нитроэтенилфосфонаты и -карбоксилаты в реакциях диенового синтеза

Анисимова Надежда Александровна и Кужаева Алёна Алексеевна

Впервые проведено систематическое исследование химического поведения -нитроэтенил-фосфонатов(карбоксилатов) и их -бромсодержащих аналогов с циклопентадиеном, дана оценка их реакционной способности, выявлены основные закономерности взаимодействия указанных бромсо-держащих нитроалкенов с циклопентадиеном, исследован механизм реакции нитроалкенов с цикло-пентадиеном, синтезирована серия новых замещённых карбоциклических соединений (норборнены) с нитро- и фосфонатной (карбоксилатной) функциями.

Введение

Химия сопряжённых нитроалкенов, успешно применяющихся в качестве синтонов и строительных блоков, относится к интенсивно развивающимся фундаментальным направле-ниям современного органического синтеза [1, 2]. Особого внимания заслуживают нитроалкены, содержащие в в-положении электроноакцепторные заместители, значительно повышающие электрофильность кратной связи, что делает их перспективными диено- и диполярофилами в реакциях циклоприсоединения.

Исследуемые в-нитро- и в-галоген-в-нитроэтенилфосфонаты(карбоксилаты) можно использовать в качестве удобных реагентов для конструирования новых типов поли-функциональных карбо- и гетероциклических систем, содержащих NO2, P(O)(OR)2, CO2R группы, легко модифицируемые в амино-, фосфоновую и карбоксильную функции.

Это особенно существенно, если учесть возможность получения на их основе труднодоступных циклических в-аминофосфоновых и в-аминокарбоновых кислот [3, 4], которые могут рассматриваться как потенциально биологически активные вещества. Целесообразность исследований в этой области обусловлена богатыми перспективами, заложенными в структуре функционализированных нитроалкенов, что исключительно важно для направленного синтеза практически значимых замещённых карбо- и гетеро-циклов.

Результаты и их обсуждение

Циклопентадиен (ЦПД) в силу жесткой фиксации s-цисконформации и оптимального расстояния между атомами С1 и С4 диеновой системы (наиболее благоприятных для связывания с диенофилом) является более реакционноспособным по сравнению с ациклическими диенами. Действительно, исследованные нами -нитроэтенилфосфонат I и -карбо-ксилат II вступали в реакцию с циклопентадиеном уже при комнатной температуре и давали соответствующие эндо(NO2)- и экзо(NO2)-нитробицикло[2.2.1]гептен-2-илфосфонаты 7а,б и -карбоксилаты 8а,б и 9а,б [5, 6].

Cхема 1

Нитроалкены Ш, IV, содержащие вместо хлорэтокси- более объемную изопропокси-фосфорильную группу и метильный заместитель в -положении (соед. III), как и следовало ожидать (по стерическим причинам), реагировали только при кипячении в бензоле (3-6 ч) и давали соответствующие нитронорборнены 10а,б, 11а,б с гораздо меньшим выходом (52 и 34% соответственно).

Аналогичное влияние метильного заместителя на снижение выхода производных норборнена и эндо-селективности показано на примере -метилакрилата и акрилонитрила в работах [7, 8], что авторы связывают с пространственным фактором и образованием несимметричного переходного состояния.

Следует отметить, что наличие нитрогруппы в составе исследуемых объектов V, VI способствует эндо-селективности процесса (схема 2). Более эффективное влияние нитрогруппы (по сравнению с сульфонильной и карбоксилатной функциями) на стереоселективность реакций Дильса-Альдера отмечено авторами [9, 10].

Схема 2

нитроэтенилфосфонат карбоксилат молекула

Бромсодержащий нитронорборнен с фосфорильной функцией 12а,б оказался очень устойчивым, он не подвергался процессу элиминирования бромоводорода даже при дли-тельном кипячении (30 ч) в присутствии дегидрогалогенирующего агента (пиридин). Проведение реакции в более жёстких условиях (С6Н6, 80 єС, N,N-диметиланилин, 140 ч) позволило лишь спектрально зафиксировать норборнадиен 13, который далее вследствие нестабильности легко превращался в соответствующий нитроарилфосфонат 18.

Бромсодержащие нитронорборнены с карбоксилатной функцией 14а,б, 16а,б, отщепляли НBr даже в отсутствие дегидрогалогенирующих агентов (С6Н6, 80 єС, 10 ч) и приводили к нитроарилкарбоксилатам 19, 20 через неустойчивый промежуточный норборнадиен 15, 17.

Наблюдаемые различия в поведении бромнитроциклоалкенилфосфонатов и -карбоксилатов (как отмечено в литературе) связаны, с бьльшей склонностью карбоксилатной функции к делокализации отрицательного заряда в первоначально образующемся карбанионе по сравне-нию с фосфонатным интермедиатом. Не исключено, что определённый вклад в отличие поведения фосфонатных и карбоксилатных аддуктов вносит и бьльшая протоноакцепторная способность фосфорильной группы по сравнению с карбонильной [11].

Ароматизация норборненов в условиях диеновой конденсации через неустойчивый норборнадиен наблюдалась и другими авторами [12].

Таким образом, изучаемые -нитро- и -бром--нитроэтенилфосфонаты и -карбоксилаты вступали в диеновую конденсацию с представителями 1,3-диенов c образованием диастерео-мерных функционализированных нитроцикленов (норборнены) с хорошими выходами. Присутствие нитрогруппы в исходных диенофилах способствовало большей стереонаправленности процесса; это позволило выделить в индивидуальном виде наиболее устойчивые изомеры соответствующие эндо(NO2)-норборнены.

В результате вовлечения в серию реакций Дильса-Альдера структурно- и конфигурационно однотипных пар -нитроэтенилфосфонатов и -карбоксилатов не удалось обнаружить отличий в реакционной способности диенофильных систем с фосфонатной и карбоксилатной функциями; по этой причине для их сопоставления представлялось целесообразным провести дополнительные кинетические исследования.

1. Сравнительная оценка реакционной способности -нитроэтенилфосфонатов и -карбоксилатов

С целью сравнения реакционной способности структурно однотипных -нитроэтенилфосфоната I и -карбоксилата II, соответствующих -бром--нитроалкенов V и VI в реакции Дильса-Альдера в качестве диеновой компоненты был выбран циклопентадиен.

Согласно принятому в литературе подходу (метод граничных МО) [13] и данным энергетической диаграммы реакции циклопентадиена (ЦПД) с исследуемыми диенофилами (рис. 1, 2, табл. 1), взаимодействие этого диена с модельными соединениями (винилфосфонат, акрилат) [14], по-видимому, можно условно отнести к «нейтральному» типу, т.к. адденды имеют близкое к симметричному распределение энергетических уровней (Е1~Е2).

Взаимодействие нитроалкенов I, II, V, VI с ЦПД следует отнести к процессу с «нормальным» электронным распределением, так как значение Е1 существенно превышает Е2. Следовательно определяющим взаимодействием для -нитро- и -бром--нитроалкенов I, II, V, VI в этой реакции является Е1 (ВЗМОдиен-НВМОдиенофил); оно может использоваться для оценки реакционной способности исследуемых диенофилов.

Рис. 1 - Граничные молекулярные орбитали циклопентадиена, рассчитанные квантовохимическим методом DFT, B3LYP+G*

Судя по квантовохимическим расчётам нитроэтенилфосфонаты могут уступать по активности нитроэтенилкарбоксилатам.

Табл. 1 - Результаты квантовохимических расчетов граничных МО диенофилов I, II, V, VI и энергии их взаимодействий E1, E2 (эВ) с циклопентадиеном

Примечание: Приведены соответствующие значения для а) винилфосфоната и б) акрилата

Рис. 2 = Относительное расположение граничных орбиталей ЦПД, модельных винилфосфоната, акрилата и нитроалкенов I, II, V, VI

Для подтверждения теоретического прогноза оценка сравнительной реакционной способности -нитроэтенилфосфонатов и -карбоксилатов была проведена прежде всего на качественном уровне путём осуществления конкурирующей реакции эквимолекулярной смеси соединений I и II с ЦПД; процесс протекал при комнатной температуре и завершался обра-зованием только замещенных норборненов 7а,б, 8а,б, не претерпевающих в этих условиях внутримолекулярных трансформаций.

Сигналы циклических протонов образующихся аддуктов 7а,б, 8а,б, а также исходных нитроалкенов I, II не перекрываются на всем протяжении спектра ЯМР1Н (рис. 3), что позволило использовать этот метод для наблюдения за ходом процесса. Оказалось, что исчерпывающее взаимодействие исходных реагентов I, II протекает за 5-10 мин при 18-20 єС; продукты реакции - фосфорилированный 7а, б и карбоксилированный 8а, б норборнены образуются в процентном соотношении 45:55 соответственно.

Количественную оценку активности исследуемых -нитроалкенов I, II, их бромзаме-щённых аналогов V, VI, а также модельных винилфосфоната и акрилата осуществляли исследованием кинетики реакции этих диенофилов с циклопентадиеном с использованием УФ спектроскопии (рис. 4, 5).

В табл. 2 приведены константы скоростей, значения энергии Еа, энтальпии H# и энтропии S# активации. Полученные данные иллюстрируют линейную зависимость обратной концентрации (1/C) от времени (, с) (рис. 4, 5), что свидетельствует о втором порядке реакции (n = 2).

Расчет термодинамических параметров этих реакций показал характерно низкое значение энтальпии и высокое отрицательное значение энтропии, что однозначно свидетельствует об одностадийном (согласованном) механизме этой реакции. Сопоставление констант скоростей взаимодействия циклопентадиена с исследуемыми диенофилами I, II, V, VI показывает, что -нитроалкены I и II являются более реакционноспособными, чем их -бромзамещённые аналоги V и VI.

Рис. 3 - Спектр ЯМР 1Н смеси продуктов конкурирующей реакции циклопентадиена с -нитроэтенилфосфонатом I и -нитроакрилатом II

Рис. 4 - Качественные изменения полосы в спектре поглощения при взаимодействии циклопентадиена а) с 2-нитроэтинилфосфонатом I, б) с 3-нитроакрилатом II

Анализ констант скоростей реакций циклопентадиена со структурнооднотипными парами винилфосфоната и акрилата (соответственно 2.14·10-2 и 2.86·10-2, при 50 єС), -нитроэтенилфос-фоната I и -карбоксилата II (2.87·10-2 и 5.05·10-2, при 16 єС) свидетельствует о близкой реакционной способности производных акрилатов и этенилфосфонатов, но преобладающей активности первых.

Величины констант скоростей реакций циклопентадиена с исследуемыми диенофилами I, II, V, VI (табл. 2) в целом коррелируют со значениями разницы ДЕ1 определяющего взаимодействия ВЗМОдиена-НВМОдиенофила, полученными с использованием квантово-химических расчётов граничных МО (рис. 2), что согласуется с орбитальным контролем этих реакций.

Рис. 5 - Графики линейной зависимости обратной концентрации (1/С) от времени (t, c) взаимодействия циклопентадиена: а) (при 16 оС) с -нитроакрилатом II и с -нитроэтенилфосфонатом I. б) (при 28 оС) с -нитро-I и с -бром--нитроэтенилфосфонатом V

Табл. 2 - Параметры активации и константы скоростей реакции исследуемых диенофилов I, II, V, VI c циклопентадиеном

На основании литературных и собственных экспериментальных данных по диеновой конденсации с участием модельных винилфосфоната, акрилата и объектов исследования I, II, V, VI можно заключить, что последние проявляют достаточно высокую активность и могут использоваться в качестве перспективных диенофилов в классическом диеновом синтезе [15, 16].

Строение полученного ряда норборненов установлено с использованием данных ИК, ЯМР 1Н и 31Р спектроскопии, а также сопоставлением их спектральных характеристик с таковыми для структурноподобных соединений, описанных в литературе 17, 18. Для одного из представителей ряда норборненов произведён рентгеноструктурный анализ, который однозначно доказывает приписываемую им структуру и пространственное расположение молекул 5.

2. Строение синтезированных (нитро)норборненов

Строение синтезированных (нитро)норборненов 7а,б-12а,б, 14а,б, 16а,б установлено методами ЯМР1Н(31Р), спектроскопии и рентгеноструктурного анализа. В спектрах ЯМР 1Н(31Р) этих соединений обнаруживается удвоение сигналов циклических протонов и протонов функциональных групп [Р(О)(OR)2, СO2R], что свидетельствует об их существовании в виде эндо- и экзодиастереомеров; конфигурационная принадлежность определялась на основании анализа их спектров ЯМР1Н (рис. 8).

При отнесении изомеров к эндо-(NO2) или экзо-(NO2) ряду в качестве аналитического критерия были использованы величины химических сдвигов нитрометиновых протонов у атома С3, как это принято в литературе [19] для структурно подобных соединений.

Рис. 6 - Спектры ЯМР 31Р и 1Н эндо-бис(2-хлорэтил)-3-нитробицикло[2.2.1]-5-гептен-2-илфосфоната 7а в CDCl3

Более полная информация о тонкой структуре фосфорилированных нитронорборненов получена при изучении строения одного из представителей ряда - вещества 12а методом рентгеноструктурного анализа. Спектры ЯМР 1Н, 31Р и пространственное строение молекулы 12а показано на рис. 9.

Бициклический фрагмент имеет обычную для норборненовых фрагментов геометрию - пятичленные циклы в нем имеют конформацию конверта, шестичленный - конформацию ванны. Объемный бис(хлорэтокси)фосфорильный заместитель при атоме С2 и атом брома при атоме С3 занимают экваториальные положения, нитрогруппа при атоме С3 - аксиальное.

Выводы

Сопоставление реакционной способности эфиров винилфосфоната и акрилата, нитр- и гембромнитроэтенилфосфонатов(карбоксилатов) показало их сравнительно близкую активность. На примере взаимодействия нитро- и гембромнитроэтенил-фосфонатов(карбоксилатов) с циклопентадиеном установлен согласованный одностадийный механизм «нормальным» электронным распределением, получен ряд новых представителей функционализированных нитронорборненов.

Литература

1. N. Ono. The Nitro Group in organic synthesis. Organic Nitro Chem. Ser. VCH. New York. 2001. 373p.

2. V.V. Perekalin, E.S. lipina, V.M. Berestovitskaya, D.A. Efremov. Nitroalkenes. Conjugated nitrocompounds. London: J. Wiley and sons. 1994. 256p.

3. Анисимова Н.А., Кужаева А.А., Беркова Г.А., Берестовицкая В.М. Синтез -аминофосфоновых кислот ряда циклогексана, норборнана, бициклооктана. ЖОХ. 2006. Т.76. Вып.12. C.2026-2031.

4. Кужаева А.А., Анисимова Н.А., Иванов И.И. Синтез -аминокарбоновых кислот на основе нитроциклоалкенилкарбоксилатов. Сборник тезисов Российского конгресса по катализу "Роскатализ". Москва. 2011. Т.2. C.347.

5. Берестовицкая В.М., Анисимова Н.А., Литвинов И.А., Кужаева А.А., Беркова Г.А., Губайдуллин А.Т., Дейко Л.И. Фосфорилированные нитронорборнены: синтез и строение. ЖОХ. 2004. Т.74. Вып.4. C.574-580.

6. Анисимова Н.А., Берестовицкая В.М. Функционализированные нитроалкены в реакциях диенового синтеза и 1,3-диполярного циклоприсоединения. СПб.: Астерион. 2008. 236с.

7. Y. Kobuke, T. Fueno, J. Furukawa. Interestingly, methacrolein was shown to produce exo Diels-Alder products when reacting with cyclopentadiene. J. Am. Chem. Soc. 1970. Vol.92. No.22. P.6548-6553.

8. Коновалов А.И., Камашева Г.И. О симметрии переходного состояния в реакции диенового синтеза циклопентадиена с диенофилами акрилового, метакрилового и транс-кротонового рядов. ЖОрХ. 1973. Т.9. Вып.10. С.2048-2055.

9. P.A. Wade, J.K. Murray, J.S. Shoh-Patel, P.J. Carrall. Tetrahedron Lett. 2002. Vol.43. P.2585-2588.

10. J. Michael, N. Blom, L.-A. Glintenkamp. Nitrobicyclo2.2.1. heptanes. Neighbouring-group participation by nitro groups during the reaction of endo-nitrobicyclo[2.2.1] heptenes with electrophiles. J. Chem. Soc., Per. Trans. 1. 1991. No.8. P.1855-1862.

11. Тимофеева Т.Н., Ионин Б.И., Петров А.А. ЖОХ. 1969. Vol.39. No.2. С.354-359.

12. D. Seyferth, J. Paetsch. Tetramethyl Acetylenediphoshonate and dimethyl chloroacetylenephosphonate and their reactions with cyclopenthadiene, 1,3-cycloheadiene and Diazomethane. J. Org. Chem. 1969. Vol.34. No.5. P.1483-1485.

13. Коновалов А.И. Реакционная способность аддендов в реакции диенового синтеза. Усп. хим. 1983. Вып.11. C.1852-1878.

14. Анисимова Н.А., Беркова Г.А., Берестовицкая В.М. Бис(2-хлорэтил)этенилфосфонат в реакции Дильса-Альдера. ЖОрХ. 2007. Т.77. Вып.5. C.774-776.

15. Берестовицкая В.М, Анисимова Н.А., Кужаева А.А., Беркова Г.А., Дейко Л.И. Синтез нитроалкенилфосфонатов на основе реакции Дильса-Альдера. Материалы международной конфер. Самара. 2004. С.33-34.

16. V.M. Berestovitskaya, L.I. Deiko, N.A. Anisimova. в-Nitroethenylphosphonates are perspective syntons for versatile functionalized organophosphorus compounds. Book of abstract of XIV international conference on chemistry of phosphorus compounds. Kazan. 2005. P.4

17. N. Ono, A. Kamimura, A. Kaji. Regioselective preparation of cyclohexadienes or aromatic nitro compounds by Diels-Alder reactions of в-sulfonylnitroolefins or в-sulfinylnitroethylene. J. Org. Chem. 1988. Vol.53. No.2. P.251-258.

18. N. Ono, H. Miyake, A. Kamimura, A. Kaji. Regioselective Diels-Alder reactions. The nitro group as a regiochemical control element. J. Chem. Soc., Perkin Trans. 1. 1987. No.9. P.1929-1935.

19. B.J. Barltrop, J.S. Nicholson. Synthesis in the Morphine series. Substituted hexahydrodiphenyls and related topics. J. Chem. Soc. 1951. P.2524-2529.

Размещено на Allbest.ru