Карцев В.Г. - Избранные методы синтеза и модификации гетероциклов. Том 1 (2003)(ru)
.pdfR
R N
N H :
N
N O H R
R
A
Реакции карбенов с водой изучались уже давно в экспериментах in situ. Вначале продуктами превращения считали гидроксиды азолия (гидроксиазолины) 22 (схема 4) из-за сильно щелочной реакции водных растворов [38].
Схема 4
R |
|
R |
|
|
R |
N |
H2O |
N |
|
|
NH |
|
: |
OH |
|
|
N R |
N |
|
N |
|
|
|
R |
|
R |
|
|
|
7 |
|
22 |
|
H O |
|
|
|
|
|
|
23a |
|
R |
R |
|
Ad |
|
|
|
N NH |
|||
|
N |
N |
|
||
|
+ |
O |
R |
N |
R1 |
|
N |
N |
|
||
|
|
|
|
||
|
R |
R |
|
H O |
|
24 |
|
25 |
|
||
|
|
23b |
|
Впоследствии на основании данных физических методов исследования была доказана структура N-формиламинов 23 – продуктов раскрытия азолиевого кольца промежуточных 2-гидрокси-2Н-азолинов [39, 40]. Однако, в водной среде могут быть стабилизированы и охарактеризованы ионные гидроксиды азолия, которые способны существовать при комнатной температуре по крайней мере в течение недели [41]. Известно также, что стабилизированные электроноакцепторными заместителями (СООМе), 2-гидроксибензимидазолины могут существовать в ковалентной форме [42].
На примерах превращений стабильных карбенов 3с, 7 с водой нами также подтверждено образование N-формиламинов 23а, b. Однако, если заместители при атомах азота азольного ядра – стерически громоздкие (гидролиз 1,3-ди(1-адаман- тил)бензимидазолин-2-илидена 7), гидроксиды азолия 22 становятся достаточно устойчивыми и впервые наблюдалось их равновесие с N-формиламином 23а даже в малополярных растворителях, например, хлороформе.
Избранные методы синтеза и модификации гетероциклов, том 1 |
291 |
Схема 5
HCO2− R |
R |
|
|
|
R |
N |
N |
|
|
|
N |
+ |
O |
|
|
|
|
N |
N |
H −CO2 |
N |
||
R |
R O |
|
|
|
R |
1 |
A |
|
|
|
24 |
|
|
R |
N |
|
|
|
R |
. |
|
|
|
A |
. |
N |
|
||
N |
H |
|
|||
|
|
R |
|
||
R N .. N R |
|
H |
−7 |
||
N |
O |
|
|
||
7 |
R |
O |
|
−CO2 |
|
|
|
R = Me, Bu
Таким образом, на примере реакций имидазолин-2-илиденов и бензимид- азолин-2-илидена 6, 7 и 1,2,4-триазолин-5-илиденов 3 нами показано, что С–Н внедрение является важнейшим химическим свойством ГК. Основность реагирующих карбенов при этом может быть существенно ниже, чем цианометанид-иона, так что реакции, вероятно, характерен согласованный механизм, при котором первичный отрыв протона от ацетонитрила не является обязательным.
Реакции с халькогенами. Сера считается наилучшей ловушкой для карбенов [46]. Нами изучены реакции 3a и 7 с серой и 3c с селеном. Все указанные карбены реагируют с серой и селеном очень быстро (в течение нескольких минут) с образованием тионов 26а и 27 и селенона 26b соответственно. Но в результате реакции карбена 7, кроме тиона 26а, было также выделено глубоко окрашенное (в красно-коричневый цвет) соединение 28, которое имеет состав (C27H34N2)2S7 4С6H6 и включает кристаллизационный бензол [вероятно, структура соединения типа Crb+–S–(S+=S–)3=Crb, где Crb – фрагмент карбена 7 в азолиевом виде (Crb+–) или в нейтральной форме (Crb=)]. Соединение 28 весьма нестабильно к кислороду и влаге, при растворении в хлороформе образует тион 26 (16%) и соль 1c с анионом HS3O4– (60%). Для вещества 28 не удалось записать как спектры ЯМР и ИК, так и изучить строение методом рентгеноструктурного анализа из-за легкого его превращения в полярных растворителях. Основная причина, благодаря которой удалось выделить соединение – его низкая растворимость в бензоле, из которого оно кристаллизуется в ходе образования. На основании состава, цвета и вышеуказанных особенностей химического поведения, вещество 28, вероятно, может быть отнесено к гипервалентным соединениям серы. Выходы тиона 26 значительно разнятся в избытке карбена (49%) и избытке серы (90%), что связано с возникновением соединения 28. Образование гипервалентных соединений 28 может в действительности быть причиной того, что выходы тионов уменьшаются в некоторых случаях этой реакции.
Избранные методы синтеза и модификации гетероциклов, том 1 |
293 |
сульфидом и дисульфидом [24, 44]. При этом образуются глубоко окрашенные (от красно-фиолетового до красно-оранжевого цвета) гидролитически неустойчивые гипервалентные соединения серы 30 [X = S(C6H4NO2)2, S2(C6H4NO2)2, для комплекса карбена 7 с сульфидом λ 490 нм]. Отсутствие взаимодействия указанных карбенов с родственным 4,4'-динитродифенилоксидом позволяет предположить, что связь С-S в указанных гипервалентных соединениях образуется за счет π–d взаимодействия.
Продукты реакции ГК с серой могут быть использованы для синтеза различных гетероциклических соединений. Так, нами показано применение тионирования карбенов для получения производных тииранов [50]. Соответственно, при взаимодействии азолов 31 (имидазолов, бензимидазолов, бензотиазола) с эпихлоргидрином и серой получаются N-тииранометильные производные азолонов 32 через промежуточные N-(2,3-эпоксипропил)азолиевые соли 33, соответствующие N-глицидилазолтионы и цвиттер-ионы 34.
Y X |
Y X |
|
Y X |
A |
Y |
X |
A |
A |
O |
A + |
+ |
||
N |
N |
|
N |
N |
S |
|
|
|
S |
W |
O |
|
|
|
|
|
|
|
||
31 |
32 |
|
33 |
O− |
34 |
|
|
|
|
X = NMe, S; Y, A = (CH)4; Y = A = CH
W = Cl, ClO4
Карбеноидная реакция N-аллилзамещенных бензимидазолиевых солей 35 применена для получения тииранилметилазолонов 32 путем тионирования солей серой в присутствии оснований, галогенциклизации промежуточных тионов 36 и рециклизации образовавшихся 2-галогенметилазолотиазолиевых 37 и 3-гало- геназоло-1,3-тиазиниевых солей 38 под действием щелочей [51].
N + N R |
N N R |
|
N + N R |
N + N R |
W |
S |
|
S |
S W |
X |
W Br |
|||
35 |
36 |
|
37 |
38 |
R = Me, CH2Ph; X = Br, I; W = ClO4, Br, I
Реакции гетероароматических карбенов с двойными связями. Алкилирование ГК с помощью активированных кратных связей протекает необычно. При этом азолиевая структура, характерная продуктам реакции карбенов с алкилгало-
Избранные методы синтеза и модификации гетероциклов, том 1 |
295 |
R |
|
R |
R |
X |
|
N |
N |
R2 N N+ R1 R N N+ |
R R2 N N+ R1 R2 N N+ R1 |
||
HCO− |
O O |
O |
|
3 |
|
O |
ClO4− O |
|
|
||
|
|
O |
|
42 |
43 |
44 |
45 |
Однако, в случае более основных и стерически менее экранированных карбенов, имидазолин-2-илиденов, удалось получить гетероциклические бетаины типа 43 [53]. Вероятно, подобное превращение возможно также для гидрированных аналогов имидазолин-2-илиденов и ациклических карбенов.
Фталевый ангидрид реагирует с триазолинилиденом 3с весьма легко с образованием ацилтриазолиевого цвиттер-иона 44 [44]. Последний характеризуется исключительно высокой лабильностью к влаге и, по-видимому, аналогичен N-ацилпиридиниевым солям.
Реакции с органическими оксидами, в частности, оксиранами интересны не только с точки зрения синтеза на их основе спиро-гетероциклических соединений, но и с позиции получения производных малых циклов с гетероциклическими ионными фрагментами, когда используется свойство оксирановых циклов к рециклизации, подобно описанным в работе [54]. В частности, реакцией карбена 3b, с с эпихлоргидрином в присутствии перхлората натрия впервые получены С-глицидилазолиевые соли на примере 3-глицидил-1,2,4-триазолиевых солей 45. Интересно, что спироциклических структур здесь не зафиксировано, однако, они образуются в превращениях оксиранов, не содержащих в молекуле легко уходящих групп (например, с бутилглицидиловым эфиром). Характерной чертой спектров ПМР солей 45 является проявление сигнала протонов группы CH2C, присоединенной к азолиевому ядру, в более сильном поле (2.8 м.д.), чем для известных N-глицидилазолиевых солей (4.0–4.9 м.д.). Возможно, что причиной такого смещения является не только более низкие акцепторные свойства триазолиевого катиона в положении 5, по сравнению с атомом азота N+, но и экранирование протонов со стороны σ-связей C–H адамантильной группы.
В заключение следует отметить, что в обзор включены лишь результаты исследований ГК, связанные с химией бензимидазола и триазола, что далеко не исчерпывает всей химии ГК – быстро развивающейся области. Однако, даже эти результаты убеждают в том, что выделение индивидуальных карбенов предоставляет новые возможности для изучения превращений этих новейших реагентов, недоступные ранее методами эксперимента in situ. Дальнейшее развитие химии ГК должно сделать эти вещества вполне доступными для органического синтеза и катализа.
Благодарность приносится фонду Роберта А.Уэлча (США) за поддержку рентгеноструктурных исследований, фонду фундаментальных исследований и министерству образования и науки Украины за общую поддержку работы (грант № 03.07/00215).
Избранные методы синтеза и модификации гетероциклов, том 1 |
297 |
32.Левин М.Я., Скоробогатова М.С., ХГС 1967 339.
33.Швайка О.П., Коротких Н.И., Терещенко Г.Ф., Ковач Н.А., ХГС 1976 (6) 853.
34.Arduengo A.J., Dias H.V.R., Dixon D.A., et al., J. Am. Chem. Soc. 1994 116
(15)6812.
35.Arduengo A.J., Goerlich J.R., Marshall W.J., J. Am. Chem. Soc. 1995 117 11027.
36.Alder R.W., Allen P.R., Williams S.J., J. Chem. Soc. Chem. Commun. 1995
(12)1267.
37.(a) Hartzler H.D., J. Am. Chem. Soc. 1970 92 1413; (b) Pazdro K.M., Polaczkowa W., Roczn. Chem. 1971 54 1487.
38.Fischer O., Rigaud М., Ber. Bunsen-Ges. Phys. Chem. 1901 34 4203; ibid. 1902
35 1258.
39.Bunting J.V., in Advances in Heterocyclic Chemistry, New York: Academic Press, 1979, vol. 25, p. 2.
40.(a) Vorsanger H., Bull. Soc. Chim. Fr. 1964 3118; (b) Bull. Soc. Chim. Fr. 1967 551; (c) Bull. Soc. Chim. Fr. 1967 556; (d) Bull. Soc. Chim. Fr. 1967 2124.
41.Smith C.W., Rasmussen R.S., Ballard S.A., J. Am. Chem. Soc. 1949 71 (3) 1082.
42.Patchornick A., Berger A., Katchalski E., J. Am. Chem. Soc. 1957 79 7416.
43.Константинченко А.А., Морковник А.С., Пожарский А.Ф., Тертов Б.А., ХГС
1985 (12) 1694.
44.Раенко Г.Ф., Дисс. канд. хим. наук, Донецк: ИнФОУ НАН Украины, 2000.
45.Короткіх М.І., Раєнко Г.Ф., Швайка О.П., Доп. НАН України 2001 (11) 130.
46.(a) Kirmse W., The carbene chemistry, New York: Academic Press, 1964;
(b) Нефедов О.М., Иоффе А.И., Менчиков Л.Г., Химия карбенов, М.: Химия, 1990.
47.(a) Zupancic J.J., Grasse P.B., Lapin S.C., Schuster G.B., Tetrahedron 1985 41
(8)1471; (b) Griller D., Nazran A.S., Scaiano J.C., Tetrahedron 1985 41 (8) 1525;
(c) Wong P.C., Griller D., Scaiano J.C., J. Am. Chem. Soc. 1982 104 (24) 6631;
(d) Griller D., Hadel L., Nazran A.S., et al., J. Am. Chem. Soc. 1984 106 (8) 2227.
48.(a) Wanzlick H.W., Schickora E., Chem. Ber. 1961 94 2389; (b) Wanzlick H.W., Kleiner H.-J., Chem. Ber. 1963 96 3094; (c) Wanzlick H.W., Ahrens H.,
Chem. Ber. 1964 97 2447; (d) Wanzlick H.W., Ahrens H., Chem. Ber. 1966 99 1580.
49.Carmalt C.J., Cowley A.H., Adv. Inorg. Chem. 2000 50 1.
50.Швайка О.П., Коротких Н.И., Асланов А.Ф., Докл. АН УССР, Сер. Б 1990
(5)46.
51.Коротких Н.И., Раенко Г.Ф., Асланов А.Ф., Швайка О.П., ХГС 1994 (5) 706.
52.Jones W.M., Stowe M.E., Well S.E.E., Lester E.W., J. Am. Chem. Soc. 1968 90
(7)1849.
53.Kuhn N., Steimann M., Weyers G., Z. Naturforsch. B 1999 54 427.
54.Коротких Н.И., Рос. хим. журн. 1999 (1) 138.
Избранные методы синтеза и модификации гетероциклов, том 1 |
299 |