НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ОРГАНІЧНОЇ ХІМІЇ

На правах рукопису

БОЙКО

Володимир Миколайович

УДК 547.412.92+547.544+547.569.2

СИНТЕЗ АРИЛПЕРФТОРОАЛКІЛСУЛЬФІДІВ,

АРИЛПЕРФТОРОАЛКІЛСУЛЬФОНІВ

ТА

ЇХ РЕАКЦІЇ З НУКЛЕОФІЛЬНИМИ АГЕНТАМИ

02.00.03 – Органічна хімія

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора хімічних наук

Науковий консультант

Ягупольський Лев Мусійович,

доктор хім. наук, професор

КИЇВ 2002

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті органічної хімії НАН України.

Науковий консультант доктор хімічних наук, професор, Заслужений діяч науки України Ягупольський Лев Мусійович, Інститут органічної хімії НАН України, головний науковий співробітник.

Офіційні опоненти:

Академік НАН України, доктор хімічних наук, професор Кухар Валерій Павлович, Інститут біоорганічної хімії та нафтохімії НАН України, директор Інституту.

Доктор хімічних наук, професор Ільченко Андрій Якович, Інститут органічної хімії НАН України, провідний науковий співробітник.

Доктор хімічних наук, професор Куншенко Борис Васильович, Одеський національний політехнічний університет, завідуючий кафедрою.

Провідна установа –

Київський Національний університет імені Тараса Шевченка, кафедра органічної хімії міністерства освіти і науки України.

Захист відбудеться “_19_” _вересня___2002 р.

о ____ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д.26.217.01 в Інституті органічної хімії НАН України (02094, м. Київ, вул. Мурманська, 5)

З дисертацією можна ознайомитися в науковій бібліотеці Інституту органічної хімії НАН України (02094, м. Київ, вул. Мурманська, 5)

Автореферат розісланий “_8_” __липня___2002 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

доктор хімічних наук, професор Фещенко Н.Г.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність проблеми. Хімія арилтрифторометилсульфідів і сульфонів почала розвиватися в 40-50х роках, коли були знайдені методи синтезу цих сполук. За цей час означені основні хімічні властивості арилтрифторометилсульфонів та визначені s-константи групи SO2CF3 (Л.М.Ягупольський). Показано, що в реакціях з нуклеофільними агентами вони взаємодіють швидше за однотипні нітросполуки (С.М. Шейн). Проте в 70х роках були виявлені нові факти, які не відповідали співвідношенню s-констант груп SO2CF3 та NO2. Крім того, численні невдалі спроби зафіксувати проміжні частки (аніон-радикали, s-комплекси) при нуклеофільних реакціях ароматичних сполук, що містять групи CF3, SO2CН3, SO2CF3 замість NO2, привели до хибного висновку (Блюменфельд, Шейн) про те, що стійкі аніонні s-комплекси можуть утворюватися лише нітросполуками.

Причиною такої ситуації значною мірою було те, що відомі на той час методи синтезу арилтрифторометилсульфонів не дозволяли одержувати і використовувати для досліджень сполуки відповідної будови. Тому назріла першочергова потреба розробити уні-версальний метод синтезу різноманітних за структурою сполук цього класу, необхідних для вивчення нуклеофільних реакцій.

Представлена дисертаційна робота присвячена розробленню нового методу синтезу арилперфтороалкілсульфідів - вихідних сполук для одержання відповідних сульфонів та пошуку і дослідженню особливостей останніх у реакціях з нуклеофільними агентами. В роботі виявлено, що арилперфтороалкілсульфіди можуть бути одержані із перфтороалкілгалогенідів, які до наших досліджень вважалися непридатними для цієї мети.

Вперше показано, що ароматичні сполуки, які мають лише групи SO2CF3 і не містять нітрогрупи, можуть утворювати аніонні s-комплекси з багатьма нуклеофільними реагентами. Вивчені хімічні перетворення цих адуктів, а також їхні спектральні властивості.

В дисертації вивчені конкурентні нуклеофільні реакції нітроарилтрифторометилсульфонів, що дозволило відкрити нові властивості електроноакцепторних груп, коли вони виступають в якості активаторів реакцій нуклеофільного заміщення.

Мета роботи - пошук нового методу синтезу арилперфтороалкілсульфідів та вивчення хімічних перетворень відповідних трифторометилсульфонів у їх реакціях з нуклеофільними агентами.

Завдання дослідження.

1. На основі відкритої реакції перфтороалкілгалогенідів з тіолами розробити зручний метод синтезу арилперфтороалкілсульфідів - попередників відповідних сульфонів.

2. Вивчити хімічні перетворення арилтрифторометилсульфонів у їх реакціях з нуклеофільними агентами.

3. Зўясувати можливість утворення аніонних s-комплексів арилтрифторометилсульфонами, що не містять нітрогрупи.

4. Вивчити спектральні та хімічні властивості таких комплексів.

Наукова новизна одержаних результатів. Вперше показано, що в умовах УФ опромінювання, а також і без нього перфтороалкілйодиди і броміди можуть реагувати з ароматичними, гетероциклічними та аліфатичними тіолами з утворенням відповідних перфтороалкілсульфідів. Знайдена реакція дала змогу синтезувати малодоступні раніше похідні 1,3,5-трис(SO2CF3)бензолу.

На підставі конкурентних та порівняльних реакцій нуклеофільного заміщення в арилтрифторометилсульфонах показано, що група SO2CF3, а також суперсильний електроноакцепторний замісник CF3S(O)=NSO2CF3 на відміну від NO2 утворюють в молекулі жорсткий реакційний центр, до якого прямують більш основні, слабо поляризовні реагенти. Мўякі ж нуклеофіли віддають перевагу центрові, створеному нітрогрупою.

Всупереч думці, що існувала, доведено, що ароматичні та гетероциклічні сполуки, активовані групами SO2CF3, здатні утворювати аніонні s-комплекси при взаємодії з багатьма типами нуклеофільних агентів. Знайдено, що, знаходячись на кінці хромофорного ланцюга s-адуктів, група SO2CF3 внаслідок дуже малої поляризовності значно слабше спрягається з ним. В результаті скорочується його эфективна довжина, що обумовлює більш короткохвильове поглинання CF3SO2-комплексів у порівнянні з нітро-адуктами.

Розроблені реакції окиснення s-комплексів дозволили здійснити нові методи синтезу похідних 1,3,5-трис(SO2CF3)бензолу, недоступних раніше.

На прикладі взаємодії 1-NO2-3,5-(SO2CF3)2 бензолу з тіофенолятами доведено, що реакції нуклеофільного мета-заміщення проходять за міжмолекулярним механізмом, незважаючи на попереднє приєднання нуклеофілу в положення 2,4,6.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблені нами методи перфтороалкілювання аліфатичних, ароматичних та гетероциклічних тіолів дозволяють одержувати перфтороалкілсульфіди різноманітної будови, що знаходить відбиток у багатьох патен-тах медикобіологічних та агрохімічних фірм. Знайдені закономірності нуклеофільних реакцій арилтрифторометилсульфонів та їхні відмінності від поведінки нітроаренів дозволяють цілеспрямовано направляти процеси заміщення і одержувати сполуки із заданою структурою. Показана можливість утворення трифторометилсульфоніларенами аніонних s-комплексів. Установлено, що їхні подальші перетворення відкривають новий шлях для синтезу недоступних раніше препаратів.

Селективні реакції CF3SO2-динітробензолу з нуклеофільними реагентами, утворення аніонних s-комплексів 1,3,5-трис(SO2CF3)бензолом та їх окиснення знайшли відображення у новому підручнику з органічної хімії О.А.Реутова, А.Л.Курца, К.П.Бутіна с.594, 600, 602 видання 1999 року.

Апробація. Основні результати роботи були подані на III, IV і V Всесоюзних конференціях з хімії фтороорганічних сполук (Одеса,1978; Ташкент,1982; Звенігород, 1986); Всесоюзних конференціях ”Ароматичне нуклеофільне заміщення” (Новосибірск, 1982, 1989); 11 та 13 Міжнародних симпозіумах з хімії фтору (Берлін, 1985, Бохум, Німеччина, 1991); Всесоюзній конференції “Механізми нуклеофільного заміщення” (Донецьк,1991); I Всесоюзній нараді з препаративної органічної фотохімії (Єреван, 1983); V Всесоюзній конференції з хімії азотовмісних гетероциклічних сполук (Чорноголовка, 1991), XIV и XV Українських конференціях з органічної хімії (Одеса, 1982 і Ужгород, 1986).

Публікації. Результати роботи викладено в 51 науковій публікації. Серед них 37 статей, 2 оглядові статті, 3 авторські свідотства, 1 патент України та 8 тез доповідей на конференціях.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота вміщує 5 розділів експериментальних досліджень автора. Кожний із них починається з аналізу літературних публікацій, що існували. У першому розділі описаний синтез ароматичних перфтороалкілсульфідів і сульфонів, у всіх наступних - викладені дані, одержані при вивченні реакцій останніх з нуклеофільними агентами і подальших перетворень. Обсяг роботи становить 262 сторінки, 42 таблиці, 11 малюнків. Список літератури налічує 271назву.

Особистий внесок дисертанта. Автор поставив мету, окреслив завдання дослідження, інтерпретував та узагальнив отримані результати, сформулював наукові висновки. Експериментальна робота виконана за його безпосередньою участю. Автор вдячний своєму вчителю, доктору хімічних наук, професору Ягупольському Леву Мусійовичу.

Основний зміст роботи

Розділ I. Синтез арилперфтороалкілсульфідів і сульфонів

I.1. Перфторалкілювання тіолів

До початку наших робіт вважалося, що перфтороалкілйодиди не виявляють алкілюючих властивостей. Ця думка базувалася на тому, що CF3I при взаємодії з лугом утворює фтороформ та гіпойодид калію (Хасзельдін, 1951). Такий результат пояснювався протилежною до водневих аналогів поляризацією перфтороалкілйодидів:

CF3d -- Id+.

Взаємодія поліфтороалкілйодидів з CH3SNa при 110°С, яка приводить до CH3SRF, теж тлумачилась як попереднє утворення метилсульфенілйодиду, який у наступній стадії реагує з аніоном RF- (Хасзельдін, 1976). Однак за цих умов можливе гомолітичне розщеплення RF-I і у випадку реакції ароматичних сполук утворюється суміш заміщених бензотрифторидів (Хайзер, 1964).

Ми припустили, що перфтороалкілйодиди, незважаючи на протилежну поляризацію їх молекул, можуть реагувати з тіолят-аніонами за механізмом SRN1, аналогічно ароматичним йодидам. Дійсно, УФ опромінювання розчинів RFI з ароматичними, аліфатичними та гетероциклічними тіолами або селенофенолами у рідкому амоніаку викликає утворення відповідних перфтороалкілсульфідів (селенідів) з високими виходами :

R = C6H4R1 (R1 = H, п-Cl, п-CH3, п-OH, п-OCH3, п-COOCH3, o- і п-NH2, o-SO2CHF2,

п-SO2CF3), CH2COOR2 (R2=H, Et), бензоімідазоліл-2, бензотіазоліл-2, заміщені піридини, піримідини, азаурацили,

RF = CF3, C2F5, n-C3F7, і-C3F7, C6F13

Реакція проходить легко при температурі -70 ё -30°С протягом 5-30 хв опромінювання у скляному посуді. Однак її можна здійснювати не тільки у рідкому амоніаку, але й в органічних розчинниках: спиртах, ацетоні, ацетонітрилі, ДМФ, ДМСО, в присутності основи, а також в умовах міжфазного каталізу. Будова як тіолів, так і перфтороалкілйодидів не має важливого значення, але існують і деякі обмеження. Наприклад, при використанні третинного C4F9I тіофеноли кількісно перетворюються у дисульфіди. п-Нітротіофенол, а також 2-меркапто-4-оксипіримідини не реагують з CF3I у рідкому NH3 при звичайних умовах. Для здійснення цих взаємодій необхідно опромінювати амоніачні розчини реагентів у запаяних ампулах при 30-45°С.

Як нами запропоновано, а іншими дослідниками підтверджено, перфтороалкілювання тіолів проходить за механізмом SRN1 :

Особлива поведінка п-нітротіофенолу та 4-окси-2-меркаптопіримідину зумовлена, певно, тим, що ці сполуки утворюють стабільні радикали за рахунок локалізації спінової

густини на атомах кисню нітро- та карбонільної груп, що виводить їх із реакції. Ізомерне розташування меркапто- та та окси-груп (наприклад в 2-SH-5-оксипіримідині) позбавляє молекулу цих властивостей, і така

сполука утворює CF3S-похідні у звичайних умовах (рідкий NH3, -30°С).

У реакцію перфтороалкілювання можна вводити і діарилдисульфіди. Однак, якщо безпосереднє опромінювання їх амоніачних розчинів у кварцевій ампулі дає середній результат (виходи арилтрифторометилсульфідів у середньому складають 45 %), то попереднє розщеплення дисульфідного звўязку натрієм у рідкому NH3 дає можливість одержувати відповідні перфтороалкілсульфіди з високим виходом. Якщо ж застосовувати більш глибоке відновлення (Li, рідкий NH3 /CH30H), то з промисловодоступних динітро-дифенілдисульфідів легко утворюються перфтороалкілтіоаніліни :

Одержані перфтороалкілсульфіди були окиснені у відповідні перфтороалкілсульфони. Останні вдалося отримати і шляхом перфтороалкілювання арилсульфінових кислот або їхніх солей.

Для перевірки іон-радикального механізму реакції перфтороалкілювання A.Фейрінг витримував розчини тіолятів з перфтороалкілйодидами протягом 17 годин без опромінювання в присутності пасток радикалів. Виявилося, що вихід перфтороалкілсульфідів знижується (з норборненом), або навіть доходить до 0 (із стиролом), а серед продуктів реакції знайдено RF-похідні олефінів, що свідчить про участь RF-радикалів у реакції.

Ми детально вивчили таку безопромінювальну взаємодію реагентів і знайшли, що багато тіофенолятів у середовищі ацетонітрилу або ДМФ здатні реагувати з C3F7I при кімнатній температурі за значно коротший проміжок часу (від 10-15 хв. до 2-3 годин). При цьому ArSC3F7 утворюються з виходами 60-90 %. Виняток складають лише тіоли з сильними електроноакцепторними групами.

Крім того, зўясувалось, що самостійний перебіг реакції на відміну від фотохімічного варіанту залежить від багатьох факторів. Затемнення реакційного розчину, зниження йо-го температури до 0-5°С, використання менш полярних розчинників, наявність у складі тіофенолу помірних електронегативних замісників (Cl, COOCH3), а також, як не дивно, заміна C3F7I на CF3I призводить до уповільнення процесу та зниженню виходів продуктів перфтороалкілювання на 10-70%. У той же самий час все перераховане зовсім інакше впливає на утворення побічного продукту - діарилдисульфідів. Їх вихід або не залежить від цих факторів, або навіть трохи збільшується (з 3-4 до 12-13%). Одержані нами експериментальні дані змушують припустити, що лімітуючою стадією процесу є, певно, остання на схемі 1, тобто передача електрона з аніон-радикала [ArSRF] * – на RFI. Усі виявлені фактори можуть впливати на цю стадію, і коли вона уповільнюється, ланцюговий процес призупиняється, відбувається накопичення радикалів ArS* і, як наслідок, - збільшення виходу діарилдисульфіду.

Мабуть, з причини того, що перфтороалкілброміди є слабкішими окисниками, ніж йодиди, вони значно важче вступають в реакцію з тіолятами. У звичайних умовах опро-мінювання RFBr перфтороалкілюють тільки тіоли з донорними замісниками (п-CH3C6H4SH або C4H9SH). п-Хлоротіофенол дає відповідний сульфід з виходом лише 3-5%. Для здійснення такої взаємодії C.Ваксельман застосував тиск бромотрифторометану (без опромінювання). Однак і за цих умов багато заміщених тіофенолів дають посередні результати.

Для більш ефективного виконання цієї реакції ми опромінювали реакційну суміш, що знаходиться під тиском CF3Br. Виявилося, що сумісний вплив двох факторів (тиску і опромінювання) дає змогу одержувати арилтрифторометилсульфіди з виходом 70-80%. Порівняння запропонованих нами умов з такими, що використовують тільки тиск (Ваксельман), наведено в таблиці 1.

Таблиця 1. Порівняння виходів RC6H4SCF3, одержаних під тиском CF3Br в умовах УФ опромінювання (ДМФ, р=3-5 атм, t=10-20°С) і без нього

Час Вихід RC6H4SCF3, %

R опромінювання, (годин) в цій роботі без опромінювання*

п-CH3 1.5 82 75

м-NH2 2.2 4 56 72.5 23

п-NHCOCH3 2.7 69 9

п-Cl 1.2 48 34

* За даними роботи С.Ваксельмана (ДМФ, р=2-3 атм, 3 год.,t=20°С)

Таким чином, приведене вище демонструє синтетичні можливості реакції перфтороалкілювання тіолів та деякі її закономірності. Далі описані приклади синтезу цільових речовин, необхідних для вивчення реакцій з нуклеофільними агентами.

I.2. Синтез арилтрифторометилсульфонів, необхідних для вивчення

нуклеофільних реакцій

Як було сказано у вступі, в 70х роках були знайдені деякі несподівані реакції арилтрифторометилсульфонів з нуклеофільними агентами. Так, наприклад, нами було встановлено, що при взаємодії 2,4-динітрофенілтрифторометилсульфону з CH3ONa відбувається заміщення не SO2CF3 групи, як очікувалося, а переважно групи NO2 в 4-положенні кільця. Виявилося, що п-CF3SO2галогенобензоли реагують з тіофенолятом натрію повільніше за відповідні нітросполуки, а при взаємодії п-CF3SO2нітробензолу з PhSNa заміщується група SO2CF3, а не NO2, як це відбувається з багатьма іншими нуклеофілами (Шейн). До цього ж треба додати, що на 4-моно- та 2,4-біс(SO2CF3)анізолах були проведені невдалі спроби зафіксувати s-комплекси з нуклеофільними реагентами, і це привело до хибних висновків.

Для того, щоб розібратися в цих питаннях, нами було синтезовано ряд арилтрифторометилсульфонів цільового призначення, що відображено у наступних розділах.

I.2.1. 2,4,6-(NO2-,SO2CF3)- анізоли, -феноли та –хлорбензоли

Для синтезу відомих раніше 2,6-динітро-4-SO2CF3-анізолу (1) та -хлорбензолу (2) ми використали реакцію трифторометилювання п-окситіофенолу, і в одну стадію, замість використовуваних раніше трьох, одержали п-SCF3фенол. Далі анізол (1) синтезували відомими методами, а хлорбензол (2) - нагріванням першого з PyЧHCl і наступною заміною гідроксильної групи на атом хлору:

Для одержання ізомерного 2,4-(NO2)2-6-SO2CF3-анізолу (5) трифторометилюванню піддавали о-метокситіофенол з подальшим окисненням о-метоксифенілтрифторометилсульфіду (3) до сульфоксиду (4), оскільки у відповідний сульфон він перетворюється з низькими виходами. При дії нітруючої суміші на сульфоксид (4) утворюється необхідний анізол (5) з невеликою домішкою динітросульфоксиду (6). Слід відзначити, що раніше таке окиснення арилтрифторометилсульфоксидів у сульфони при дії нітруючої суміші не спостерігалося. Нітрування сульфіду (3) дає тільки сульфоксид (6).

Синтез нітроанізолу, що містить дві групи SO2CF3 в обох орто-положеннях, вигідніше виконувати, починаючи із 2,6-дийод-4-нітроанізолу. Нагрівання його з СuSCF3 заміщує атоми йоду на групи SCF3 , проте при цому утворюється значна кількість 2,6-(SCF3)2-4-нітрофенолу (7). Тому одержану суміш продуктів обробляли диметилсульфатом, а остаточне окиснення анізолу (8) приводить до потрібного сульфону (9) :

Ізомерний анізол з двома групами SO2CF3 в положеннях -2,4 (10), а також відповідні фенол та хлорбензол (11) виготовляли із 2,4-димеркаптохлорбензолу :

I.2.2. Трифторометилсульфонілбензофуроксани

6-CF3SO2-Бензофуроксани одержували за загальною схемою:

R= H (12) R= H (16)

5-Cl (13) 5-Cl (17)

6-NO2 (14) 4-NO2 (18)

6-SO2CF3 (15) 4-SO2CF3 (19)

Нітрофенілазиди (12-14) у киплячому бензолі легко перетворюються на відповідні бензофуроксани (16-18). На відміну від них біс(сульфонільний) фенілазид (15) виявив високу термічну стійкість: кипўятіння в бензолі та в оцтовій кислоті не доводить реакцію до кінця, а у киплячому ксилолі та при УФ опромінюванні утворюється складна суміш продуктів. Одержати бензофуроксан (19) вдалося в киплячій суміші CH3COOH та CF3COOH. Проте і в цих умовах залишається невеликий домішок азиду (15), який не відокремлюється ні кристалізацією, а ні хроматографією. Очистити бензофуроксан (19) вдалося завдяки його властивості легко утворювати s-комплекси. Якщо його спочатку обробити водним розчином КНСО3, промити бензолом, а потім розчинити в метанолі та підкислити, виділяється чистий фуроксан (19).

I.2.3. 1-Заміщені 3,5-біс(трифторометилтіо)- та 3,5-

біс(трифторометилсульфоніл) бензоли

Іон-радикальне трифторометилювання 3,5-димеркаптобензойної кислоти і наступні перетворення дали змогу одержати 3,5-(SCF3)2 анілін (20), з якого була синтезована решта похідних. За реакціями Шимана та Зандмейєра анілін (20) перетворювали у фторо-, хлоро- і бромопохідні, які окиснили у відповідні галогеносульфони (21-23). Для одержання йодосульфону (25) спочатку в аніліні (20) окиснювали групи SCF3 (з попереднім захистом аміногрупи), а потім в 3,5-(SO2CF3)2 аніліні (24) замістили аміногрупу на йод. Без захисту групи NH2 шляхом одночасного окиснення NН2- і SCF3-груп було синтезвано нітросульфон (26). Нагрівання останнього з KNO2 в ДМФА приводить до одержання 3,5-(SO2CF3)2фенолу, який з (CF3SO2)2O та тозилхлоридом утворює відповідні сульфонати (27) і (28).

I.2.4. 2,6-Дихлоро- і 2,4,6-трихлоро- 3,5-біс(SCF3)- та 3,5-біс(SO2CF3)-

нітробензоли

Відомо, що при хлоруванні деяких арил- та гетарилтрифторометилсульфідів відбувається відщеплення групи SCF3. Спроба ввести атоми хлору в 3,5-(SCF3)2ацетанілід кипўятінням його з SO2Cl2 в АсОН, а також дією суміші HCl з H2O2 в АсОН або в CF3COOH давали суміш продуктів.

Нами знайдено, що при дії H2O2 на розчин аміносульфіду (20) в суміші СН3СООН і HСl при 12-13°С з високим виходом утворюється 2,4,6-трихлоро-3,5-біс(SCF3) анілін (29), і групи SCF3 не відщеплюються:

Аналогічне хлорування 3,5-біс(SO2CF3)аніліну (24) спричиняє, як і передбачалося, утворення дихлоропохідного. Проте, замість очікуванного 2,4-ізомеру з високим виходом виділено 2,6-дихлоро-3,5-біс(SO2CF3)анілін (30), що доведено наявністю єдиного синглету у його спектрі ЯМР 19F і подальшими перетвореннями.

Окиснення дихлороаніліну (30) висококонцентрованим Н2О2 у 30 % олеумі дає з високим виходом 2,6-дихлоро-3,5-(SO2CF3)2 нітробензол (31).

На відміну від дихлороаміну (30) окиснити трихлороаміносульфід (29) до цільового трихлоронітросульфону (32) в одну стадію не вдалося. Позитивних результатів досягли шляхом селективних багатоступеневих окиснень трифторометилтіо- і аміногруп. Так, обробка ацетильного похідного аміну (29) CrO3 в H2SO4 при -20 °С дає суміш сульфоксидів і сульфонів, кислотний гідроліз якої і наступна дія CF3CO3H при 5°С дає знову суміш нітрозосульфоксидів і нітрозосульфонів. Нарешті повторне використання CrO3 в конц. H2SO4 приводить до очікуваного нітросульфону (32) з високим виходом.

Несподіване утворення нітрозо-продуктів дозволило припустити, що трифторонадоцтовою кислотою при більш низький температурі вдасться селективно окиснити тільки аміногрупу. І дійсно, при -20 °С трихлороаміносульфід (29) легко перетворюється у відповідний нітрозосульфід, який уже повністю окиснюється CrO3 у нітросульфон (32) :

Таким чином, наявність трьох атомів хлору в аміносульфіді (29) суттєво ускладнює його окиснення в порівненні з аміносульфідом (20), який легко і в одну стадію перетворюється в нітросульфон (26).

I.2.5. Похідні 1,3,5-трис(SCF3)- і трис(SO2CF3) бензолів

Реакція трифторометилювання тіолів може бути використана не тільки на моно- та димеркапто сполуках. Застосування її для похідних тримеркаптобензолу утворює відповідні речовини з трьома групами SCF3, що дає змогу синтезувати CF3SO2-аналоги сим.-тринітробензолу, пікрилхлориду та вивчити хімію цього класу сполук.

2,4,6-Тримеркаптофенол, -анілін та -толуол легко реагують з CF3I при УФ опромінюванні їх розчинів в рідкому амоніаку (рідк. NH3) з одержанням відповідних трис(SCF3)похідних (33-35):

При взаємодії 2,4,6-тримеркаптохлоробензолу з CF3I утворюється суміш сполук, склад якої не залежить від часу опромінювання:

Спеціальними дослідами було показано, що аміносполука (34) в цих умовах не утворюється з хлоро- або йодопохідних, як і остання із хлоросульфіду (36). Напевно, всі продукти цієї реакції, окрім (36), зўявилися внаслідок проміжного фотохімічного утворення 1,3,5-тримеркаптофенільного радикала.

Всі наступні синтетичні перетворення виконані, виходячи з одержаних трис-сульфідів (34-36). Під дією CrO3 в H2SO4 хлоросульфід (36) легко окиснюється в хлоросульфон (37). Для подібних перетворень (SCF3)3аніліну (34) і (SCF3)3фенолу (35) їхні аміно- і гі-

дроксигрупи необхідно попередньо захистити. При нагріванні трисульфідотолуолу (33) з CrO3 в СН3СООН окиснюються не тільки атоми сірки, але й метильна група. Однак в умовах реакції (SO2CF3)3бензойна кислота нестійка і декарбоксилюється з виділенням 1,3,5-трис(SO2CF3)бензолу (43) з високим виходом :

Трис(SO2CF3)анілін (38), b,b,b-трифторофенетол (39), фенол (40) і анізол (42) легко утворюються з хлоросульфону (37). Фенол (40) може бути одержаний при гідролізі або алкоголізі фенетолу (39) і анізолу (42). Проте, гідрохлорид піридину, який звичайно застосовується для розщеплення етерів, у випадку анізолу (42) утворює стійку піридинову сіль (41). Тобто фенол (40) проявляє властивості сильної кислоти. Недарма його рКа (за різними даними -1 і -2.5) приблизно дорівнює, або навіть перевищує кислотність азотної кислоти (рКа -1.64).

Таким чином, підводячи підсумок першому розділу, можна відзначити, що знайдена нами реакція іон-радикального перфтороалкілювання тіолів стала стимулом для розвитку багатьох напрямків фтороорганічної хімії. По-перше, вона зруйнувала застаріле уявлення про те, що перфтороалкілйодиди і броміди не можуть бути алкілюючими агентами. По-друге, вона не тільки допомогла простіше одержати необхідні арилперфтороалкілсульфіди і сульфони, але й дала змогу синтезувати сполуки, які раніше були недостуними.

Розділ II. Конкурентні реакції нуклеофільного заміщення нітро- і трифторометилсульфоніларенів

II. 1. Конкурентне заміщення NO2 і SO2CF3 груп в 2,4-динітрофенілтрифторометилсульфоні

Нами знайдено, що взаємодія 2,4-динітрофенілтрифторометилсульфону (44) з нуклеофільними агентами проходить за двома реакційними центрами. Напрямок реакції великою мірою залежить від типу обраного нуклеофілу. Одні з них (CH3ONa і C5H10NH) прямують в основному до атома С-4 і заміщують нітрогрупу, а другі - C6H5ONa та C6H5SNa - віддають перевагу положенню 1 і заміщують групу SO2CF3:

Одним із найважливіших факторів, що характеризує нуклеофільні реагенти (окрім основності), є їх поляризовність. Для ілюстрації впливу цього параметру реагента на перебіг реакцій SNAr використовують відношення констант швидкостей реакцій певного субстрату з реагентом, що вивчається, до реакції того ж субстрату з CH3ONa (який вважається еталоном жорсткості). Наприклад, в ряду 2,4-динітрогалогенобензолів відношення kPhS-/k MeOµµµµµ- збільшується майже в 300 разів при переході від (NO2)2фторобензолу до динітройодопохідного. Баннет пояснив це виконанням принципу симбіозу, тобто “мўякі” галогени (Br, I) легше заміщуються “мўяким” тіофенолятом. Подібна оцінка NO2 і SO2CF3 груп у серії п-RC6H4SO2CF3 показує більшу рухливість останньої, але всього у 3,5 рази (Шейн). На нашу думку, така мала різниця не може бути причиною докорінних змін у напрямку реакцій динітросульфону (44), а також п-NO2C6H4SO2CF3, в якому C6H5SNa в основному заміщує групу не NO2 , а SO2CF3 (Шейн).

Більше того, якщо розглянути відносну рухливість тих самих груп (NO2 і SO2CF3), але в разі активації реакції не трифторометилсульфонільною, а нітрогрупою (тобто в серії п-RC6H4NO2), співвідношення між ними залишається тим самим (3.5), однак абсолютні величини kPhS-/kMeO- збільшуються на 1-2 порядки. Тому можно було припустити, що при взаємодії похідних ArNO2 і ArSO2CF3 з PhSNa вирішальним фактором виявляється не стільки сила електроноакцепторного угруповання, скільки його сприйняття поляризуючого впливу нуклеофільного реагента.

Для перевірки висловленого припущення ми, використовуючи літературні дані, розрахували відносні константи швидкості реакцій заміщених галогенобензолів з різними нуклеофільними агентами при 25 °С :

k(PhS-) k(PhO-) k(C5H10NH)

R k(MeO-) k(MeO-) k(MeO-)

4-SO2CF2 0.38 (0.015) 0.031 (0.086)

4-NO2 31.50 (0.93) (0.012) 0.15 (0.196)

2,4-(NO2)2 645.0 (67.30) 0.27 0.524 (0.425)

Одержані співвідношення показують, по-перше, що більш електроноакцепторна група SO2CF3 виявляє в 100 разів меншу активуючу здатність, ніж група NO2, при дії мўякого тіофеноляту натрію. Тобто, на відміну від останньої, група SO2CF3 виявляє жорстку активуючу властивість. По-друге, приведені дані свідчать, що не тільки атоми і групи, що заміщуються (по Баннету), але й активатор реакції чутливий до поляризуючого впливу атакуючого агента і при збігу поляризовності нуклеофілу і активуючої групи утворюються найбільш сприятливі умови для взаємодії.

Саме з цієї причини нітрогалогенобензоли реагують з C6H5SNa скоріше, ніж HlgC6H4SO2CF3, саме тому в п-NO2C6H4SO2CF3 на фрагмент SРh заміщується група SO2CF3 , а не NO2, а в динітросульфоні (44) більш основні нуклеофіли (MeO- і C5H10NH) прямують до реакційного центру С-4, утвореного жорсткою групою SO2CF3 , а мўякі PhS- і PhO- - до “мўякого” С-1.

II. 2. Співставлення двох паралельних систем: NO2-Ar- реакційний центр і CF3SO2-Ar- реакційний центр в одній молекулі

Порівняння активуючої дії двох електроноакцепторів - NO2- та SO2CF3- груп можна провести і в умовах, коли вони між собою не звўязані, але знаходяться в одній молекулі. Така можливість виникає в трихлоронітросульфоні (32), синтез якого викладений вище.

Виявилося, що піперидин, п-ацетиламіноанілін і метиловий спирт внаслідок селективної реакції заміщують атом хлору, що знаходиться в орто-положенні до нітрогрупи. В той же час, більш мўякі реагенти - фенолят-аніон і метиленова основа Фішера - прямують у пара-позицію:

Тобто, тут теж можна простежити знайдену закономірність: мўякі нуклеофільні агенти прямують переважно в пара-позицію до нітрогрупи, а більш жорсткі - у пара-положення до “жорсткої” групи SO2CF3. Безперечно, у випадку незаряджених NH- і OH- нуклеофілів має місце проявлення і орто-ефекту, але ж виявлена селективність має більш загальне тлумачення.

II. 3. Активуючі властивості надсильного замісника

CF3S(O)=NSO2CF3

Найбільш яскраво різниця в активуючих здатностях виявилася при порівнянні традиційної нітрогрупи і нового фторовмісного угруповання CF3S(O)=NSO2CF3. Його будову можна уявити, якщо в групі SO2CF3 один атом кисню замінити фрагментом =NSO2CF3. В результаті новий замісник став набагато сильнішим (sп 1.40), ніж його родич (sп 1.04), що одразу ж відбилося на реакційній здатності. Наприклад, сульфоксімід (45) при взаємодії з аніліном та CF3CH2O- з кількісним виходом утворює відповідні продукти заміщення хлору в умовах, в яких 2-NO2-4-SO2CF3 хлоробензол з ними майже не реагує.

За величинами s-констант ця сульфоксімідна група приблизно дорівнює сумарному впливу двох нітрогруп у положеннях 2 і 4. Виходячи з цього, ми порівняли нуклеофільні реакції сульфоксіміду (45) з такими ж реакціями пікрилхлориду (46) в однакових умовах:

Вихід, % Nu (NuH)____ Вихід, %

73 а) CH3O- 55

49 б) CF3CH2O- 49

23 в) N3- 48

7 г) п-O2NC6H4NH2 51

0 д) I- 66

Одержані дані показують, що, якщо з алкоголятами сульфоксімід (45) реагує однаково з пікрилхлоридом (46) і навіть трохи його перевершує, то з іншими нуклеофілами він значно поступається останньому. Тобто простежується тенденція переважної взаємодії сульфоксіміду (45) з жорсткими алкоголятами, тоді як пікрилхлориду (46) - з менш основними і мўякими реагентами.

Висловлену залежність видно значно чіткіше при порівнянні відносних ступенів перетворень обох субстратів з основністю нуклеофільних агентів (табл.2).

Таблица 2. Відносні виходи продуктів заміщення атома хлору в сульфокс

іміді (45) і пікрилхлориді (46) та параметри нуклеофільних агентів

Нуклефіл Відношення виходів 45а-д / 46а-д рКа спряженої кислоти Фактор поляризовності Р Відношення виходів 46а-д / 45а-д

CH3O- 1.32 16 0.40 0.76

CF3CH2O- 1.0 12.37 0.55 1.00

N3- 0.47 4.59 0.52 2.13

п-O2NC6H4NH2 0.13 1.02 1.00 7.80

I- 0.0 ~ -11 0.72 Ґ

Відношення (45а-д / 46а-д) знаходяться в прямій залежності з рКа спряжених кислот нуклеофілів і навіть корелюються з ними (окрім I-).У той же час зворотні відношення (46а-д / 45а-д) змінюються антибатно з величинами рКа, тоді як при співставленні з фактором поляризовності (Р) нуклеофільних агентів простежується їх паралельність. Таким чином, можна відзначити, що надсильна електроноакцепторна група СF3S(O)= NSO2CF3 так само, як і SO2CF3, та на відміну від нітрогрупи виявляє слабку поляризовність. Тому хімічні реакції, що проходять по створеному нею реакційному центрові, значною мірою підлягають зарядовому контролю, але ж не орбітальному.

У цілому при розгляданні характеру активації реакцій ароматичного нуклеофіль-ного заміщення можна прийти до висновку, що на перебіг таких процесів значною мірою впливає не тільки сила електроноакцепторних замісників, але і їх поляризовність. Так само, як реакційна здатність нуклеофільного агента складається із двох частин - основності і поляризовності (рівняння Едвардса), так і реакційний центр ароматичного субстрату, (якщо тимчасово не розглядати вплив атомів чи груп, що заміщуються), формується під дією двох факторів - електроноакцепторності активуючих груп та їх поляризовності. Тобто обидві реагуючі молекули (субстрат і нуклеофіл) мають як зарядовий (основність, кислотність), так і орбітальний (поляризовність) контроль активності, і при співпаданні типів їх реакційних здатностей утворюються найсприятливіші умови для реакції.

Розділ III. Аніонні s-комплекси арилтрифторометилсульфонів

На початку нашої праці в літературі існувала думка, що реакції ароматичних трифторометилсульфонів із нуклеофільними агентами проходять не через s-комплекси, як це відбувається у нітросполуках, а з утворенням якихось інших проміжних часток. Такий погляд висловлювався тому, що на той час спроби одержати s-комплекси із сполук, що містять замість NO2 групи CF3, SO2CH3 і SO2CF3, були невдалими. Тому звичайний шлях реакцій SNAr приписувався виключно нітросполукам.

Ми вирішили перевірити цю тезу і, використовуючи синтезовані нами ароматичні і гетероциклічні трифторометилсульфони, зўясувати можливість утворення ними аніонних s-комплексів та вивчити їх властивості.

III. 1. s-Комплекси 1,3,5-трис(трифторометилсульфоніл)бензолу

Нами встановлено, що 1,3,5-трис(трифторометилсульфоніл)бензол (43) аналогічно 1,3,5-тринітробензолу (ТНБ) при взаємодії з широким колом нуклеофільних агентів у полярних органічних розчинниках при 20-25°С легко утворюють стійкі продукти приєднання - аніонні s-комплекси (43а-т). Сполуки (43а-м) були виділені в твердому стані. Це, здебільшого, стійкі кристалічні речовини жовтого кольору, розчинні в полярних органічних розчинниках і у воді. Решта одержані в розчинах ДМСО, ТГФ, CH3CN, рідкого NH3 і вивчалися без виділення.

Для всіх комплексів властиві характерні спектри ЯМР 1H та 19F. Окрім сигналів про-

Nu = OH(а), OCH3(б), OCH2CF3(в), СN(г), СH2COCH3(д), СH2NO2(е), СH2CHO(ж),

CH(COOEt)2(з), п-С6H4OH(і), SBu(к), SРh(л), SO3Na(м), NH2(н), NHEt(о),

NHBu(п), NEt2(р), +P(OMe)3(с), +P(OEt)3(т)

тонів нуклеофільної частки, що приєдналася, вони характеризуються двома сигналами кільцевих протонів (a і b), а також двома сигналами атомів фтору груп SO2CF3 з інтегральною інтенсивністтю 2:1, розташованими в більш сильному полі порівняно до одиничних сигналів, що має сульфон (43). Одержані спектри ЯМР 1H і 19F дозволяють однозначно стверджувати про утворення s-комплексів із структурою (43а-т).

У багатьох комплексах сигнал від п-SO2CF3 групи проявляється у більш сильному полі порівняно із сигналом о-SO2CF3 .Таке розташування підтверджує висловлений раніше висновок, що більша електронна густина s-комплексу зосереджується на електроноакцепторному угрупованні, що знаходиться в пара-положенні. Проте, далеко не всі s-комплекси відповідають цьому правилу. У деяких з них [адукти з BuSNa, PhSNa і P(OMe)3] сигнали орто- і пара-SO2CF3 груп збігаються, а в комплексах з етилмалонатом натрію, Na2SO3 і P(OEt)3 ці сигнали помінялися місцями: о-SO2CF3 в сильнішому полі, ніж п-SO2CF3.

На нашу думку, такі несподівані явища можуть відбуватися внаслідок беспосереднього електростатичного впливу угруповання, що знаходиться в позиції 1 s-комплексу, на атоми фтору орто-розташованої групи SO2CF3. Інтенсивність цього впливу залежить, певно, від обўєму приєднаної групи і наявності у неї багатих електронами гетероатомів у b- і g-положеннях відносно гемінального вуглецю. Деяким підтвердженням імовірності такої просторової взаємодії може бути F,F-щеплення (2Гц) в 2,4,6- (SO2CF3)3-b,b,b-трифторофенетолі (39) між групами OCH2CF3 і о-SO2CF3.

Напевно, таким самим внутрішньомолекулярним екрануванням кільцевих протонів s-комплексів (43а-р) атомами фтору орто- і пара-SO2CF3 груп можна пояснити і той факт, що сигнали цих протонів проявляються у більш сильному полі (~ на 1 м.д.) в порівнянні з протонами таких саме адуктів сим.-тринітробензолу (ТНБ).

s-Комплекси сульфону (43) значно стійкіші за відповідні адукти ТНБ. Так, якщо комплекс останнього з KCN розкладається вище -30°С, а його адукт з CH3ONa легко перетворюється у 3,5-(NO2)2 анізол, то аналогічні s- адукти (43б) і (43г) цілком стійкі і в розчинах, і в твердому стані. Кінетичні вимірювання показали, що константа рівноваги CH3O-комплексу (43б) більша за константу аналогічного комплексу ТНБ в 1.6 ґ 106 разів.

Однак, не всі адукти сульфону (43) є настільки стабільними сполуками. Наприклад, при взаємодії (43) з BuSNa і PhSNa спочатку утворюються s-комплекси (43к) та (43л), які з часом дають продукти заміщення однієї групи SO2CF3 - сульфіди (47) і (48). Таке перетворення відбувається і з виділеним комплексом (43к), що дало підставу для припущення про внутрішньомолекулярний механізм цієї реакції:

R = Bu (43к, 47); Ph (43л, 48)

s-Комплекси з трифтороетилатом (43в ) і з Et2NH (43р) в середовищі вологих розчинників поступово переходять в гідроксильний адукт (43а), а утворення алкіламінних комплексів (43о) і (43п) в розчині ТГФ вимагає якнайменше 100% надлишку аміну або зниження темперетури до 0°С для зміщення рівноваги (43)(43о, 43п). Аналогічна температурна залежність спостерігається і в поведінці N-[2,4,6-(SO2CF3)3феніл]-N,Nў-ди-(толіл)бензамідину (49), атоми азоту якого почергово звўязуються з кільцем сульфону (43) з частотою 21.9 с-1. Зниження температури до -10°С заморожує цю рівновагу і стабілізує один із “ізомерів”:

49а 49б

Таким чином, викладений матеріал цілком певно свідчить про утворення 1,3,5-(SO2CF3)3бензолом (43) аніонних s-комплексів, які в багатьох випадках можуть бути виділені.

III. 2. s-Комплекси різних CF3SO2-вміщуючих субстратів

III. 2. 1. Трифторометилсульфонільні аналоги s-комплексу Мейзенгеймера

Заміна лише однієї нітрогрупи в 2,4,6-(NO2)3 анізолі (50) на SO2CF3 при його взаємодії з CH3ONa приводить до зростання стабільності не тільки гемінального 1,1-s-комплексу, але й проміжного 1,3-адукту. Якої будови будуть утворюватися стійкі s-комплекси при послідовній заміні всіх нітрогруп в анізолі (50) на угруповання SO2CF3, завбачити було неможливо.

Виявилося, що у всіх випадках єдиними кінцевими продуктами утворилися гемінальні s-комплекси (51а-е).

X Y Z

NO2 NO2 NO2 50 51а

NO2 SO2CF3 NO2 1 51б

NO2 NO2 SO2CF3 6 51в

SO2CF3 NO2 SO2CF3 9 51г

NO2 SO2CF3 SO2CF3 10 51д

SO2CF3 SO2CF3 SO2CF3 42 51е

В спектрах ЯМР цих адуктів, як і в класичному комплексі Мейзенгеймера (51а), сигнали кільцевих протонів, а також атомів фтору груп SO2CF3 зміщені в сильне поле порівняно з їхнім положенням в вихідних анізолах. Причому, в комплексах з однією і двома сульфонільними групами (51б-51д) найбільше зміщення фторних сигналів проявляють ті групи SO2CF3, що знаходяться в орто-положенні до гемінального вуглецю. І тільки в комплексі з трьома такими угрупованнями (51е), аналогічно багатьом адуктам сульфону (43), більшу електронну густину приймає пара-розташована група SO2CF3. Напевно, при розподілі негативного заряду s-комплексів трифторометилсульфонільна група більшою мірою проявляє індуктивний ефект, тоді як нітрогрупа активніше спрягається з p-електронною системою. Докладніше ця теза обговорюється в розділі III.3.

III. 2. 2. s-Комплекси трифторометилсульфонілбензофуроксанів

Заміна нітрогруп на SO2CF3 в такому “суперелектрофілі” як 4,6-динітробензофуроксан (52) викликає появу в нових сполуках надзвичайних властивостей. Вони легко утворюють s-комплекси не тільки з традиційними НО- та СН3О- аніонами, але й з такими слабкими, як азид- та ацетат-іонами:

________R__________ Nu________NO2_____SO2CF3___ OH 18а 19а O- 19б CH3O 18в 19в

R = NO2 (18) R = SO2CF3 (19) CH3COO 19г N3 19д

Останні при взаємодії з динітробензофуроксаном (52) тільки осмолюють реакційну масу. Гідрокси-комплекс (19а) на відміну від (18а) в розчині ДМСО дисоціює з утворенням діаніону (19б), що для динітропохідного спостерігається тільки в лужному середовищі. Реагуючи з водою, (CF3SO2)2бензофуроксан (19) виявляє кислотну властивість (рКа 2.80), яка на порядок перевищує кислотність динітроаналога (рКа (52) 3.79).

Таким чином, заміна двох нітрогруп в бензофуроксані (52) на SO2CF3 приводить до значного зростання електроноакцепторності гетероциклічної молекули.

Проте, велике значення мають і просторові ускладнення, що виникають із збільшенням кількості SO2CF3 груп. Так, якщо 4-NO2-6-SO2CF3бензофуроксан (18) при взаємодії з нафталіном утворює більш стійкий p-комплекс (К= 4.19 л/мол), ніж (NO2)2бензофуроксан (52) (К=2.6 л/мол), а при полярографічному відновленні він приєднує електрон легше за (52), (EЅ +0.23 і -0.04 відповідно), то ди-(SO2CF3)бензофуроксан (19) ледве відрізняється по EЅ від (52) - (+0.03 і -0.04), а його p-комплекс з нафталіном на порядок менш стійкий (К=1.5), ніж комплекс динітробензофуроксану (52). Тобто з накопиченням SO2CF3 груп поряд із зростанням електроноакцепторності молекули збільшуються її просторові перешкоди, які можуть домінувати, коли вимагається щільна упаковка молекул (в p-комплексах), або тісний контакт з поверхнею електрода.

III. 3. Забарвлення s-комплексів арилтрифторометилсульфонів.

Їх електронні спектри.

Мабуть, найбільш яскраво різниця між групами SO2CF3 та NO2 в якості активаторів нуклеофільних реакцій проявляється при розгляданні і співставленні електронних спектрів s-комплексів арилтрифторометилсульфонів і нітроаренів. Забарвлення останніх визначається довжиною поліметинового хромофору, обмеженого нітрогрупами, а також характером замісників, приєднаних до нього. Наприклад, довгохвильові смуги поглинання s-комплексів (53) знаходяться в межах 460-640 нм в залежності від замісника Х.

X= NO2 l макс 492 нм X= SO2CF3 l макс 465 нм 1 2 3 4 5 6 7 8 9 -O-СH=СH-СH=СH-СH=СH-СH=O 54 (l макс 455 нм)

Найсильніший електроноакцепторний замісник - група SO2CF3, знаходячись у непарному (5) положенні поліметинового ланцюга, згідно з правилом Ферстера-Дўюара-Нотта (ФДН), відомого з хімії барвників, зумовлює найвище забарвлення комплексів.

В тому випадку, коли хромофорний ланцюг закінчується трифторометилсульфонільними групами, як в s-комплексах (43а-т) та (51е), їх смуги поглинання знаходяться на 100-200 нм у більш короткохвильовій ділянці спектра (350-414 нм). Більше того, вони мають більш короткохвильове поглинання, ніж оксаніновий хромофор (54) тієї ж довжини. Це не узгоджується з правилом ФДН, яке передбачає поглиблення забарвлення при заміні метинових груп у парних положеннях хромофору (54) електронегативнішими атомами сірки. Така невідповідність примушує припустити, що делокалізація p-електронів у s-комплексах (43а-т) та (51е), не досягає