НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ОРГАНІЧНОЇ ХІМІЇ

Ткаченко Борислав Олександрович

УДК 547.21

КАРКАСНІ ВУГЛЕВОДНІ В РЕАКЦІЯХ З ОКИСНИКАМИ
НА ОСНОВІ ПЕРЕХІДНИХ МЕТАЛІВ

02.00.03 – Органічна хімія

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата хімічних наук

Київ – 2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі органічної хімії та технології органічних речовин Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут”.

Науковий керівник: доктор хімічних наук, професор

Фокін Андрій Артурович

Національний технічний університет України

“Київський політехнічний інститут”

Офіційні опоненти: член-кореспондент НАН України,

доктор хімічних наук, професор

Кошечко В’ячеслав Григорович

заступник директора Інституту фізичної хімії

НАН України ім. Л. В. Писаржевського

доктор хімічних наук, професор

Сергучов Юрій Олексійович

Інститут органічної хімії НАН України

Провідна установа: Інститут біоорганічної хімії та нафтохімії НАН України, Київ

Захист відбудеться “10” липня 2003 р. о 10 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д .217.01 в Інституті органічної хімії НАН України за адресою: 02094, Київ-94, Мурманська 5.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Інституту органічної хімії НАН України, 02094, Київ-94, Мурманська 5.

Автореферат розісланий 6 червня 2003 року.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Фещенко Н. Г.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Алкани є одним із найдоступніших сировинних джерел для промислової органічної хімії, але в той же час вони являють собою один з найменш реакційноздатних класів органічних сполук. Хімічна інертність та низька селективність С–Н заміщення в насичених вуглеводнях стримує розвиток нових областей їх застосування в органічному синтезі. Останнім часом опублікована значна кількість робіт, присвячених селективній функціоналізації алканів у присутності важких металів, таких як платина і ртуть, або через окиснювальне приєднання комплексів перехідних металів. Незважаючи на високу селективність, ці процеси поки що далекі від застосування в препаративному органічному синтезі.

Ясна річ, природа більш досконала, ніж лабораторна хімія, і багато ензимів селективно окиснюють алкани (наприклад, цитохром Р450, метаномонооксигенази й інші). Зазвичай за стадію С–Н активації відповідальні високовалентні метал-оксо фрагменти ензимів. Значну увагу теоретики та експери-мен-татори приділяють дорогим і складним ензимоподібним системам, однак дотепер ензиматична хімія алканів не відтворена лабораторно. Насправді не зовсім ясно, який саме механізм (радикальний, полярний чи концертний) реалізується; нещодавно запропо-но-вана Шаіком модель “двох станів” вдало пояснює більшість експериментальних спостережень. Проте, моделювання ензиматичних перетворень у каталітичних системах, які базуються на металах, усе ще залишається проблематичним.

Механізми реакцій алканів з електронодефіцитними частками мають спільні риси, які проявляються в утворенні катіон-радикальних перехідних станів чи інтермедіатів. Нещодавно запропонована модель Н-зв’язаного переносу електрона добре узгоджується з експериментальними особливостями галогенування і може бути перенесена на широкий діапазон перетворень алканів – від реакцій з незарядженими метал-оксо частками і, можливо, пероксикислотами до активації зарядженими електрофілами. Селективності реакцій із зарядженими електрофілами контролюються переносом заряду від вуглеводню до електрофілу через фрагмент C–H–E у перехідних станах. Дослідженню синтетичних особливостей і механізмів реакцій алканів з незарядженими електрофілами (метал-оксо-реагенти та діоксирани) присвячена дана робота.

Актуальність теми. Останнім часом особлива увага приділяється дослідженню механізмів активації алканів незарядженими електрофілами, які відіграють ключову роль в природних процесах (металоензими та перекисні сполуки). Перебіг реакцій функціоналізації алканів незарядженими електрофілами відбувається високоселективно в м’яких умовах та може бути використаний навіть для малореакційноздатних алканів. Розробка нових окиснювальних систем та встановлення механізмів їх дії дозволить значно розширити діапазон їх синтетичного використання – для функціоналізації як інертних, так і напружених вуглеводневих структур.

Зв’язок з науковими планами та темами. Робота виконувалася згідно з планами наукових досліджень кафедри органічної хімії та технології органічних речовин Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут” та в рамках спільних з університетами Геттінгену (Німеччина) та Джорджії (США) досліджень за підтримки наукового фонду Фольксвагена (1999-2003, грант І/74614, керівник Фокін А. А.) та грантів Фонду фундаментальних досліджень України:

1. Енантіоселективна функціоналізація насичених вуглеводнів в умовах міжфазнокаталі-тич-ного галогенування, реєстраційний номер 0103U000392, відповідальний виконавець – Фокін А. А., здобувач – виконавець;

2. Стереохімія і механізми активації алканів азотовмісними електрофілами, реєстраційний номер 03.04/67, керівник – Фокін А. А., здобувач – виконавець;

3. Експериментальне дослідження та квантово-хімічне моделювання механізмів селективних перетворень вуглеводнів, реєстраційний номер 03.07/029, керівник – Фокін А. А., здобувач – виконавець.

Мета та задачі роботи. Метою даної роботи було дослідження синтетичних особливостей і механізмів реакцій метал-оксо-сполук із С–С та С–Н зв’язками модельних вуглеводнів, а також з’ясування причин селективності процесів, що спостерігаються. Для цього потрібно було вирішити наступні задачі:

· експериментально дослідити реакції різних класів насичених вуглеводнів (напружених та малонапружених) з окисниками на основі перехідних металів;

· виявити фактори, які визначають селективність функціоналізації каркасних вуглеводнів з різними енергіями зв’язків С–Н та С–С незарядженими електрофільними реагентами-окисниками, які містять метал-оксо-фрагмент, а також з діоксиранами;

· дослідити механізми С–Н та С–С активації незарядженими електрофілами, у тому числі з використанням сучасних квантово-хімічних методів.

Об’єктами дослідження реакційної здатності С–С зв’язку в алканах по відношенню до метал-оксо-реагентів було обрано ряд стабільних пропеланів (3,6-дегідрого-мо-адаман-тан та його похідні, [3.3.n]пропелани), 1,3- та 2,4-дегідроадамантани, а також кубан. Для дослідження реакцій С–Н зв’язків використані стійкі каркасні вуглеводні: адамантан, його ізомери – протоадамантан та твістан, а також його гомологи – гомоадамантан та діамантан. Як модельні реагенти були використані метал-оксо-сполуки на основі Cr, W, Mo та V.

Предметом дослідження були синтетичні особливості та механізми реакцій метал-оксо-сполук із С–С та С–Н зв’язками модельних вуглеводнів, а також з’ясування причин селективності процесів, що спостерігаються.

Методи дослідження. У процесі виконання роботи були використані методи хромато-мас-спек-тро-метрії, 1Н та 13С спектроскопії ЯМР, ІЧ спектрометрії, рентгеноструктурний аналіз, а також розрахунки структур перехідних станів та інтермедіатів методами теорії функціоналу густини, а також ab initio.

Наукова новизна одержаних результатів. У роботі досліджена поведінка різних класів кар-касних вуглеводнів (пропеланів, напружених і малонапружених) у реакціях з незарядженими електро-філами – високовалентними метал-оксо-реагентами та діоксиранами. Знайдено, що метал-оксо-окис-ники реагують шляхом окиснювального приєднання з міцними С–С зв’язками вуглеводнів, а зі слабкими (такими, що мають значний бірадикальний характер) – шляхом молекулярно-індуко-ва-но-го гомолізу. Встановлено, що селективність заміщення при дії метал-оксо-реагентів контролюється пере-носом заряду і визначається структурою вуглеводневого катіон-радикала. Вперше досліджена реак-ція sС–С зв’язку з діоксиранами. Виявлено принципові розбіжності в механізмах активації алканів метал-оксо-реагентами та діоксиранами, а також показано, що загальний механізм (молекулярно-індукований гомо-ліз) реалізується тільки в реакціях зі слабкими С–С зв’яз-ка-ми. З міцними s-зв’язками алканів діоксирани реагують шляхом концертного укорінення.

Практичне значення отриманих результатів. Отримані результати можуть бути використані в препаративній хімії для високоселективних функціоналізацій насичених вуглеводнів, у тому числі інертних, а також сприяти пошуку нових і розширенню асортименту існуючих окиснювачів для селективної функціоналізації вуглеводнів (особливо каркасних).

Особистий внесок здобувача. Автором самостійно проаналізовані джерела літератури за темою дисертації, проведені експериментальні та квантово-хімічні дослідження, інтер-пре-товані та узагальнені отримані результати, сформульовані наукові висновки. Планування, аналіз і обговорення результатів проводилися разом з науковим керівником.

Апробація результатів роботи. Результати роботи представлені на міжнародній конференції “Активація алканів та хімія каркасних сполук” (Київ, 1998), VII Європейському Симпозіумі з реактивності в органічній хімії (Ульм, 1999), II Регіональній конференції молодих учених і студентів з актуальних питань хімії (Дніпропетровськ, 2000), XXVI Конференції молодих учених з органічної та елементоорганічної хімії (Київ, 2000), XIX Українській конференції з органічної хімії (Львів, 2001), IX Міжнародній науковій конференції “Хімія та технологія каркасних сполук” (Волгоград, 2001).

Публікації. За темою дисертації опубліковано одинадцять робіт (чотири наукові статті та тези сімох доповідей на конференціях).

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, трьох розділів, висновків, списку використаних літературних джерел та додатків. Роботу викладено на 153 сторін-ках, вона містить 11 рисунків, 67 схем та 3 таблиці. Бібліографія включає 329 першоджерел.

СТРУКТУРА РОБОТИ

У вступі обгрунтовано вибір теми дисертаційної роботи, показана її актуальність, сформульовані мета роботи, новизна, практичне значення отриманих результатів та особистий внесок здобувача.

У першому розділі викладено огляд літератури, в якому аналізуються запропоновані базові механізми активації алканів незарядженими електрофілами. Докладно розглянуті реакції алканів з оксиген-центрованими радикальними реагентами, а також з реагентами, які їх генерують, – реактивами Фентона та GIF-системами. Особливу увагу приділено аналізу механізмів перетворень за участю незаряджених електрофілів – метал-оксо-реагентів та їх природних аналогів (біоміметичних систем на основі цитохромів та оксигеназ). Наведені дані про реактивність циклічних перекисних сполук – діоксиранів, механізми реакцій яких з алканами деякі автори порівнюють із поведінкою метал-оксо-окисників.

У другому розділі обгрунтовано вибір об’єктів дослідження та коротко описані методи їх синтезу, а також наведені результати роботи автора (див. нижче) стосовно реакцій метал-оксо-реагентів та діоксиранів з модельними вуглеводнями, включаючи порівняльний аналіз механізмів реакцій.

У третьому розділі докладно описані експериментальні методики, які були використані в роботі, а також фізико-хімічні характеристики отриманих нових сполук.

ЗМІСТ РОБОТИ

1. Вибір об’єктів дослідження

Змінювання розмірів бічних циклів дозволяє варіювати реакційну здатність центрального зв’язку 4С–4С пропеланів у широких межах – від алкеноподібної у малих пропеланах до алканоподібної у вищих. З метою з’ясування механізмів функціоналізації s-зв’яз-ків алканів незарядже-ними електрофілами-окисниками видавалося за важливе використа-ти мо-дельні вуглеводні, реак-ційна здатність яких також варіюється в широких межах. У ро-боті досліджена реактивність 3,6-де-гідро-го-мо-адамантану (1), заміщених пропеланів {4-ме-тил-3,6-дегідрогомоадамантану (2), 4,4-ди-метил-3,6-дегідрогомоадамантану (3) та 4-фе-ніл-3,6-дегідрогомоадамантану (4)}, інших пропела-нів {[3.3.2]пропелану (5), [3.3.1]про-пе-ла-ну (6) і 1,3-дегідроадамантану (7)}, а також 2,4-дегідро-ада--мантану (8) по відно-шенню до ряду окис-нювачів {хромілхлориду CrО2Cl2, -ацетату CrО2(OCOCH3)2, -трифторацетату CrО2(OCOCF3)2, -нітрату CrО2(ONO2)2, ванадилнітрату VO(ONO2)3, вольфрамілхлориду WOCl4, хлоридів воль--фраму WCl6 та моліб-дену MoCl6}, а та-кож диметилдіокси-ра-ну.

Для дослідже-н-ня активації С–Н зв’яз--ків алканів, а також для виявлення випадків, коли ак-ти-вація С–Н зв’яз-ків може конкурувати з С–С активацією, у коло досліджуваних об’єктів були включені, окрім пропеланів, інші насичені каркасні вуглеводні: кубан (9), адамантан (10), прото-адамантан (11), ді-а-мантан (12), гомо-ада-мантан (13) і твістан (14). Напруга каркасу цих вуглеводнів варіюється в широких межах – від найбільш напруженого відомого по-лі-едрану кубану (9) та помірно напруженого 8 до найбільш термодинамічно стабільного каркасного вуглеводню – адамантану (10). Включення в ряд досліджуваних об’єктів таких вуглеводнів як протоадамантан (11), діамантан (12) та гомоадамантан (13) дозволяє також виявити розбіжності в реакційній здатності нееквівалентних 3 С–Н зв’язків.

2. Реакції С–С зв’язків пропеланів з метал-оксо-реагентами

2.1. 3,6-Дегідрогомоадамантан та його похідні. В результаті реакції пропелана 1 із хлоридом хромілу були виділені три продукти (схема 1): 3,6-дихло-ргомоадамантан15), 3-хлор-6-гід-рок--сигомоадамантан (16) та 7-спіро-цикло-пропіл-біцик-ло[3.3.1]нонан-3-он (17). Ана-ло-гіч-на реакція проходила з аце-та-том та трифтор-аце-татом хро--мі-лу, при цьо-му в усіх ви-пад-ках одними з основних були виділені про-дук-ти приєднання двох нуклеофільних частин реагенту за центральним С–С зв’язком (18 і 20). Появу останніх не можна пояснити в рамках електрофільного чи радикального механізмів. Тому для пояснення утворення цих продуктів був запропонований механізм з утворенням катіон-радикального стану А на першій стадії (схема ), який далі рекомбінує в інтермедіат В, що потім перехоплюється реагентом. Рекомбінація А за киснем приводить до радикала С, який легко фрагментується в спірокетон 17, структура якого була доведена зустрічним синтезом. Утворення радикальних інтермедіатів В та С було доведене фіксацією продуктів їх перехоплення (гідрокси- та хлорбромідів, на схемі не показані) пасткою радикалів CBrCl3.

Реакція вуглеводню 1 з хлористим хромілом у сильнополярному розчиннику – сульфолані – показала поступове зменшення кількості гідроксихлориду 16 при витримці реакційної суміші. Реакція, очевидно, спочатку відбувається аналогічно неполярним середовищам, а збільшення в суль-фо-лані кількості дихлориду 15 можна пояснити гетеролізом зв’язку С–ОCrOCl2 із заміною на хлор.

Уявлялося за важливе ви--в----чи-ти можли-ві-сть пе-ре-хо-п-ле-н-ня ін-тер-ме-діату А сто--рон-нім ну-кле-офі-лом, напри-к-лад, ацето-ніт-ри-лом. Його ре--ак-ція з А призводить до ут-во-рен-ня в основно-му ацетамідів 22 та 23 (схема ). Важливо, що в чистому аце-то-ні-т--ри--лі кетон 17 пра-к-тично не ут-ворюєть-ся, а це означає, що до розгалуження реак-ції на шляхи А та В відбувається перехо-п-лення саме катіоноїдного інтермедіату (ацетонітрил не пере-хоплює радикали).

При дії окисників, що містять інші перехідні метали М(VI), на 1 реакція також відбувається як динуклеофільне приєднання. Для W та Mo характерна підвищена стійкість їх похідних у ступе-нях окиснення (V), тому слід чекати, що реакції окиснення W(VI) та Mo(VI) не будуть доходити до утворення М(IV) та відповідних ке-тонів, як спостерігалось у випадку окиснення хром-оксо-реагентами. Рекомбінація про-міжних радикалів з киснем метал-оксо-групи також, вірогідно, не буде відбуватись, оскільки конкуру-ючий відрив атома хлору з утворенням стійких M(V)-інтермедіатів більш вигідний для похідних вольфраму та молібдену. Це і підтверджується реакціями 1 із сполуками шестивалентно-го вольфраму (WCl6 та WOCl4), а також із гексахлоридом молібдену, які проходять з утворенням чо-тирьох основних продуктів (схема 2): 1-хлор-метил-3-хлор-ада-ман-тану (24), 1-метил-хлор-ада-ман-та--ну (25), 1-хлор-ме-тил--адамантану (26), а також в меншій кіль-кос-ті 1-метил-ада-ман-та-ну27). Вольфраміл-хлорид реагує з 3,6-дегідро-гомо-ада--мантаном (1) з утворенням радикальної пари А, яка має більший час життя через підвищену стійкість п’яти-ва-лентного стану вольфраму. Вуглеводневий катіон-радикал при цьому перегруповується в більш стій-ку адамантанову структуру. Ще однією особливістю реакції вольфрамілхлориду є проміжне утво-рення металоорганічних сполук, які після гідролізу приводять до відновлених продуктів.

Схема 2. Реакція пропелану 1 із сполуками вольфраму та молібдену.

4-Метил-3,6-дегідро-го-мо-адамантан (2) та 4-феніл-3,6-де-гі-дрогомоадаман-тан (4) з хромілхлоридом реагують за подібним з вуглеводнем 1 ме-ханізмом з при------єд--нанням до вугле-водневої ча-стини двох нуклеофільних час--тин реагенту. При цьому го-моада-ман-та-новий каркас перегру--пову-ється в більш стійкий адамантановий. Пропелан 4 ут-во-рює винятково про----дукти перегрупування, у той час як 2 також частко-во фрагментується. Причини роз-ход--жень виявлені за допомогою ква-н-то-во-хімічних роз-рахунків (схема 3). З’ясувалося, що додавання замісників у положення “4” дегідрогомоадамантанового каркасу призводить до стабі-лізації відповідних катіон-радикалів у формі адамантанових структур 2b і 4b, при цьому у ви-падку вуглеводню 4 наявність фенільного кільця додатково збільшує стабілізацію за бензильним типом (DDE = 2.7 ккал/моль для 2 проти 17.9 ккал/моль для 4).

2.2. Інші пропелани. Щоб виявити спільність реакцій хромільних реагентів із пропеланами, нами були проведені реакції хромілхлориду з безмістковими [3.3.2]- (5) та [3.3.1]- (6) пропеланами. В результаті їх реакцій утворюється ана-ло-гіч-ний вуглеводню 1 набір про-дуктів, але головними є продукти динуклеофільного приєднан-ня (схе-ма 4). У випадку [3.3.1]пропелану (6) продукти фрагментації каркасу відсутні. Таким чином з’ясувалося, що окиснювальне приєднання ме--тал-оксо-реагентів є спільним для стабільних пропела-нів. Аналогічні ре-зультати бу-ли отримані і для інших метал-оксо-реагентів {CrO2(ONO2)2 та VO(ONO2)3}, що детально обговорюється в дисертації.

2.3. 1,3-Дегідроадамантан. Напружений і нестабільний 1,3-дегідроадамантан (7) є унікальним вуглеводнем з інвертованою геометрією четвертинних вуглецевих атомів, який надзвичайно легко вступає в ре-акції приєднан---ня за цент-раль-ним зв’яз-ком С–С. В реакції з хромільни-ми окисниками він виявляє іс-тотні відміннос-ті реакційної здатності в порівнянні із вищезазначеними стабільними пропеланами. Радикал В, що утворюється на першій стадії взаємо-дії із CrO2Cl2, може далі рекомбінувати з реагентом за оксигеном або з відривом атома хлору з утворенням відповідних дигідроксипо-хідного 33 та гідроксихлориду 34 (схема 5). Важ-ливо, що від-повідний дихлорид не ут-во-рюється. Ви-ходячи з цьо-го, вірогідним є те, що реакція сполуки 7 із хромілхлоридом протікає за схемою мо-лекулярно-ін--ду--ко-ва-ного гомолізу на відміну від окиснювального механізму, який реалізується в аналогічних умовах для більш стабільних пропеланів, коли були виявлені продукти динуклеофільного приєднання (дихлориди в реакції з CrO2Cl2).

Схема 5. Реакція пропелану 7 з хромілхлоридом та трет-бутилхроматом.

Реакція пропелану 7 із більш просторо-во-утрудненим реа-гентом ди-трет-бутилхро-ма--том протікає з фрагментацією в кетон 35 (схе-ма ) через сте-ричні переш-ко-ди на стадії рекомбінації радикалу В.

З набору отриманих про-дуктів видно, що нестабільні пропелани реагують із хромільними сполуками не за окиснювальним, а за молекулярно-індукованим гомолітичним шляхом.

2.4. 2,4-Дегідроадамантан. Важливо, що непропеланові вуглеводні також окиснюються хром-оксо-реагентами. 2,4-Дегідроадамантан (8) у реакції з хромілхлоридом реагує за окиснювальним шляхом аналогічно стабільним про-пеланам, утворюючи відповідний дихло-рид 36, продукт окиснення гідроксихло-ри-ду – кетон 37 і, неочікувано, оксасистему 38 (схема ). Найбільш суттєвою від-мін-ністю від реакцій пропеланів є утворення кетонів за рахунок окиснення похідних вторинних спиртів, а також утворення оксасистеми (сполука 38), коли продукт, який утворюється після О-рекомбінації хромілхлориду, циклізується внутрішньомолекулярно. Це якоюсь мірою може бути аналогією утворенню кетону 17 із 1 в аналогічних умовах, тому що також протікає через комплекс Cr(IV) (деталі механізму наведені в дисертації).

2.5. Кубан. Один із найнапруженіших вуглеводнів кубан (9) легко реагує з хромілхлоридом з перегрупуванням вуглеводневого каркасу. При цьому утворюється дихлорид 39, структуру якого вдалося довести тільки за даними спектра COSY, а також задовільним збігом розрахованих (GIAO-B3LYP/6-311+G**//B3LYP/6-31G*) спектрів ЯМР з тими, що спостерігаються. Перегрупування кубанового каркасу протікає у дві стадії і докладно обговорюється в дисертації. Сліди хлорокубану 40 утворюються за рахунок вільнорадикальних процесів С–Н заміщення, які конкурують з атакою реагенту на атом вуглецю кубану.

Як підсумовуючий результат даного розділу слід відмітити виявлення принципових розбіжностей в перебігу реакцій різних субстратів із метал-оксо-реагентами: для пропеланів (1, 2, 4, 5, 6), як і для напружених вуглеводнів 8 та 9, що мають міцні С–С зв’язки, реалізується окиснювальний шлях реакції з приєднанням двох нуклеофілів; для високонапруженого вуглеводню 7 з інвертованою геометрією реалізується гомолітичний механізм з атакою реагенту на інвертований 4–атом карбону.

3. Експериментальне та теоретичне дослідження механізмів С–Н активації
метал-оксо-реагентами

У реакціях приєднання до С–С зв’язку можна однозначно зробити висновок про реалізацію того чи іншого механізму за характером продуктів, що утворюються (див. вище). При С–Н-заміщенні один із фрагментів зв’язку, який розривається, (водень) переходить або до реагенту, або в середовище і це утруднює інтерпретацію механізму реакції. Нещодавно отримані розрахункові дані** Автор вдячний Шубіній Т. Є. за надані розрахункові дані. свідчать про те, що перехідні структури відриву водню сильно поляризовані і мають значний бірадикальний характер. Таким чином, вуглеводнева частина перехідної струк-тури TS1 (на прикладі адамантану 10 в реакції з реагентом CrO2X2, схема 8) має структур-ні аналогії з катіон-радикалом, і селективність заміщення повинна визначатися переносом за-ряду. З метою перевірки даного припущення ми дослідили перетворення ряду каркасних ву-глеводнів із хром-оксо-реагентами і, де можливо, порівняли з регіоселективністю заміщення в модельних окисних умовах (зовнішньосферний електронний перенос та електроокиснення).

Схема 8. Загальна схема функціоналізації С–Н-зв’язку хромільними окисниками
на прикладі адамантану (10).

3.1. Адамантан. Функціоналізація пропеланів зарядженими електрофілами-окис-ни-ка-ми відбувається за тими зв’язками, що подовжуються у відповідних катіон-радикалах, які досліджені детально (див., наприклад, Fokin, A. A. et al., J. Org. Chem., 1998, 63, 6494-6502). Аналогічне припущення може бути висловлене щодо реакцій із С–Н зв’язками. Адамантан (10) має два типи С–Н зв’язків, але утворює тільки одну форму катіон-радикала з подов-же-ни-ми третинними С–Н зв’яз-ка-ми (див. Fokin, A. A. et al., J. Am. Chem. Soc. 2000, 122, 7317-7326). І дійсно, при реакції з хромільними сполуками були отримані (схема ) тільки тре-тинні похідні адамантану, очевидно через силь-но поляризований перехідний стан. Ради-ка-ль-на пара А, що утворюється при цьому, може або рекомбінувати з утворенням хлоридів чи гідроксисполук, або окиснюватися в адамантильний катіон C (чи в пару В, що несуттєво), який потім перехоплюється нук-ле-о-фі-лом (схема 8). При проведенні ре-ак-ції в ацетонітрилі поряд із 1-гід-рок-си-адамантаном (42) основним про-дук-том є 1-адаман-тилацетамід.

Через те, що існує лише одна фор-ма катіон-радикала адамантану (10) з подовженим зв’язком 3 С–Н, (при одноелектронному окисненні утворюються тільки 3–похідні, що відомо з літератури) то причина виключного утворення третинних похідних адамантану в реакції з хром-оксо-реагентами стає очевидною: поляризація каркаса через положення 2 С–Н є несприятливою.

3.2. Протоадамантан. Протоадамантан має в своїй структурі чотири нееквівалентних 3 С–Н зв’язки, але реакції з хромільними реагентами протікають із заміщенням переважно біля шостого атома вуглецю (схема 10).

Схема 10. Реакція протоадамантану (11) з хромільними окисниками.

Для пояснення селективності, яка спостерігається, нами була проведена реакція вуглеводню 11 з фотозбудженим 1,2,4,5-тетраціанобензеном, у результаті чого був виділений єдиний продукт заміщення при С6 (схе-ма ). Доведено, що перебіг таких перетворень відбувається за механізмом одноелектронного переносу з ут-во-рен-ням вуглеводневого катіон-радикала на першій стадії реакції. Про те, що арильний замісник зна-хо-ди-ть-ся в положенні “6” протоадамантанового каркаса, а також що селективність є аналогічною реакції з CrO2Cl2, свідчать дані рентгеноструктурного аналізу (схема 11).

Схема 11. Реакція протоадамантану (11) із 1,2,4,5-тетраціанобензеном і структура продукту 50 за даними РСА.

3.3. Діамантан та гомоадамантан. Діамантан (12) містить два конденсовані адамантанові фрагменти і в молекулі цього вугле-вод-ня присутні 3° С–Н зв’язки двох типів. В результаті реакцій з хромільними окис-никами вуглеводень 12 утворює набір із 1- та 4-заміщених спиртів та хло-ри-дів (схе-ма ). При проведенні реакції в середовищі пастки радикалів – СBrCl3, хромато-мас аналіз показав наявність до 10% бромопохідних діамантану та зменшення кількості хлоридів (джерелом хлору у випадку хромілацетату є розчинник). Структура катіон-радикалів діаман-тану {як і гомоадамантану (13)} нами не досліджувалася, але відомо, що електроокиснення 12 призводить до заміщення як у положенні “1”, так і “4”; такі ж продукти реакції спо-стерігаються і в реакціях з хро-міль-ними окисниками.

С2-Симетричний гомоадамантан має два хімічно-нееквівалентні третинні положення в молекулі, що визначає можливість утворення продуктів заміщення як за положенням С1, так і за С3. Хромілхлорид з гомоадамантаном утво-рює продукти заміщення атомів водню на хлор в положеннях “1” і “3” (схе--ма ). Основним виявився 1-хлор-метил-адаман-тан (60) – продукт перегрупування гомоадамантанового каркасу в більш термодинамічно-стабільний адамантановий. Зазначимо, що аналогічні продукти спостерігаються в реакціях цього вуглеводня з іншими електрофілами-окисника-ми.

3.4. Твістан. Твістан (14), як і адамантан (10), має у своїй структурі 3 С–Н зв’язки одного типу, але з хромілхлоридом реагує не-се-лективно (схе-ма ). Катіон-радикал твістану (14), на відміну від ви-ще-згаданих вуглеводнів, подовжує зв’язок С–С** Автор вдячний Отрок Л. А. за надані розрахункові дані. (рис. 2), а довжина 3 С–Н зв’язків майже не змінюється. Як наслідок, атака реагенту на ці атоми не призводить до сприятливої по-ля-ри-за-ції твістанового каркасу і тому заміщення відбувається неселективно.

Таким чином, селективність С–Н функціоналізації каркасних вуглеводнів обумовлена структурою відповідного катіон-радикалу: заміщуються ті зв’язки, які подовжуються при видаленні електрону з вуглеводню. Взагалі, селективність реакцій з метал-оксо-реагентами не може бути пояснена простим порівнянням відносних стабільностей катіонів чи радикалів, що утворюються при розриві зв’язків С–Н. Наприклад, 1- і 2-адамантильні радикали мають майже однакові стабільності, а різниця у стабільності відповідних катіонів {DDG298 = 10.5 ккал/моль на рівні G2(MP2)} не пояснює 100%-ну регіоселективність реакції адамантану. Очевидно, що тільки структурний аналіз катіон-радикалів може пояснити селективність реакцій насичених вуглеводнів з метал-оксо-реагентами.

4. Механізми функціоналізації алканів діоксиранами

4.1. Реакції модельних вуглеводнів з диметилдіоксираном (ДМД). У літературі наводяться деякі аналогії реакцій метал-оксо-сполук і тричленних перекисних сполук – діоксиранів. Як і для метал-оксо-сполук, для діоксиранів запропоновано механізм молекулярно-індукованого гомолізу та концертного укорінення у С–Н зв’язок. Ми провели порівняльне дослідження реакцій ДМД і метал-оксо-реагентів із пропеланами (схема 15).

Схема 15. Реакції вуглеводнів 1, 4 та 7 з диметилдіоксираном.

Для стабільних пропеланів спостерігається заміщення третинного атома водню у випадку 1 та рухливого бензильного у випадку 4, а на відміну від реакцій з метал-оксо-реагентами С–С зв’язок не зачіпається. І тільки нестабільний пропелан 7 реагує з розривом центрального пропеланового зв’язку як із ДМД, так і з метал-оксо-реагентами, тобто шля-хом молекулярно-індуко-ва-но-го гомолізу. Для пояснення роз-біжностей у поведінці вуглеводнів 1 і 7 в реакціях з ДМД були проведені квантово-хімічні розрахункові дослідження.

4.2. Комп’ютерне моделювання механізмів С–Н та С–С активації алканів ДМД. Розрахунки проводились за методами B3LYP і MP2 в базисах 6-31G* та 6-311+G**. Для пропелану 1 розрив С–С зв’язку під дією ДМД хоч і вигідний термоди-намічно (схе-ма ), але йому перешкоджає високий бар’єр (TS2, 51.8 ккал/моль). Концертне укорінення оксигену за С–Н зв’язком має більш низький бар’єр (TS3, 34.8 ккал/моль) та характеризується набагато більшою екзотермікою (74.4 ккал/моль).

Протилежна ситуація спостерігається у випадку пропелану 7 (схема ) – роз-крит-тя слабкого пропеланового зв’яз-ку вигідніше (TS4, DG‡=23.9 ккал/моль), ніж гідроксилювання третинного зв’язку С–Н (TS5, DG‡=30.5 ккал/моль). Це відповідає результатам, які спостерігаються експериментально і є першим доведеним випадком молекулярно-індуко-ва-но-го гомолізу в реакціях насичених вуглеводнів з діоксиранами.

Схема 17. Два шляхи реакції 7 з ДМД (DG298, ккал/моль, B3LYP/6-31G*).

Таким чином, тільки такі високореакційноздатні субстрати, як пропелан 7 реагують з діоксиранами і метал-оксо-реагентами за подібним механізмом (молекулярно-індукований гомоліз). Стабільні пропелани реагують за різними механізмами: окиснювальне приєднання спостерігається для метал-оксо-сполук, а концертне укорінення – для діоксиранів.

Виявляється, що запропоновані в літературі аналогії (див., наприклад J. Am. Chem. Soc. 2000, 122, 7821-7822) між реактивністю діоксиранів та метал-оксо-сполук з алканами не зовсім обгрунтовані.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ТА ВИСНОВКИ

1. Досліджені перетворення різних класів каркасних вуглеводнів – пропеланів {3,6-дегідро-гомо-адамантан (1) та його 4-метил- (2), 4,4-диметил-, 4-феніл- (4) похідні, [3.3.2]про--пе-лан (5), [3.3.1]пропелан6), 1,3-дегідроадамантан (7)}, напружених {2,4-дегідроадамантан (8) та ку-бан (9)} і малонапружених {адамантан (10), протоадамантан (11), діамантан (12), гомоадамантан (13) та твістан (14)} у присутності незаряджених електрофілів: метал-оксо-реагентів (які містять хроміл-, ванадил- і вольфрамілфрагмент) та діоксиранів.

2. Виявлені принципові розбіжності в перебігу реакцій різних субстратів із окисниками, які містять хромільний фрагмент: для пропеланів (1, 2, 4, 5, 6), як і для напружених вуглеводнів 8 та 9, що мають міцні С–С зв’язки, реалізується окиснювальний шлях реакції з приєднанням двох нуклеофілів; для високонапруженого вуглеводню 7 з інвертованою геометрією 4–атомів карбону реалізується молекулярно-індукований гомолітичний механізм.

3. Показано, що регіоселективність С–Н заміщення у вуглеводнях визначається структурою вуглеводневого катіон-радикала в перехідних станах. Так, адамантан (10) і протоадамантан (11) утворюють катіон-радикали з подовженими зв’язками 3 С–Н і реагують із хром-оксо-реагентами селективно, тоді як твістан (14), що утворює катіон-радикал з подовженими 2 С–Н зв’язками, утворює набір продуктів за різними положеннями каркаса. Модельні перетворення деяких каркасних вуглеводнів у присутності зовнішньосферних окиснювачів досліджені окремо, і показано, що регіоселективності С–Н заміщення аналогічні регіоселективностям в реакціях з метал-оксо-реагентами.

4. Виявлені розбіжності в поводженні незаряджених електрофілів різної природи – метал-оксо-сполук та діоксиранів – у реакціях із С–С зв’язками вуглеводнів: у випадку стабільних пропеланів (1 та 4) з диметилдіоксираном спостерігається укорінення кисню в зв’язок С–Н, тоді як у реакціях з метал-оксо-сполуками – окиснювальне приєднання за зв’язком С–С. Показано, що загальний механізм (молекулярно-індукований гомоліз) реалізується в реакціях обох окисників тільки зі слабким С–С зв’язком пропелану 7, що є “нетиповим” алканом. Наші результати показують, що наявні в літературі аналогії між реактивністю метал-оксо-реагентів та діоксиранів з алканами не цілком обґрунтовані.

Основні положення дисертації викладено у роботах:

1. Fokin, A. A., Gunchenko, P. A., Tkachenko, B. A., Butova, E. D., Yurchenko, A.Backside Activation of sC–C-Bonds with Cr(VI)-Reagents. // Tetrahedron Letters – 1997. – Vol. 38, – P. 639–642. (Автором досліджено склад осаду в реакціях з хроміл-хлоридом, проведені експерименти з радикальними пастками).

2. Fokin, A. A., Tkachenko, B. A., Korshunov, O. I., Gunchenko, P. A., Schreiner, P. R. Molecule-Induced Alkane Homolysis with Dioxiranes. // J. Am. Chem. Soc. – 2001. – Vol. 123, – P. 11248–11252. (Автором проведені реакції пропеланів з діоксираном та квантово-хімічні розрахунки).

3. Fokin, A. A., Tkachenko, B. A., Shubina, T. E., Gunchenko, P. A., Gusev, D. V., Vohs, J. K., Robinson, G. H., Yurchenko, A. G., Schreiner, P. R. The Protoadamantane Radical Cation // Eur. J. Org. Chem. – 2002. – P. 3844–3849. (Автором проведені реакції протоадамантану з хромільними сполуками та галогенами, виділені та ідентифіковані продукти).

4. Ткаченко Б. А., Шубина Т. Е., Гусев Д. В., Гунченко П. А., Юрченко А. Г., Шрайнер П. Р., Фокин А. А. Механизмы С–Н активации алканов хром-оксо-реаген-тами // Теор. и Эксперим. Химия. – 2003. – Т. 39, – №2. – С. 82–87. (Автором проведені реакції вуглеводнів з хромільними сполуками, виділені та ідентифіковані продукти).

5. Gunchenko P. A., Tkachenko B. A., Butova E. D., Yurchenko A. G., Fokin A. A. C–C-Bond Activation with Oxochromyl-Reagents // International Conference “Alkane Activation and Cage Compounds Chemistry” (CAGE’98): Abstracts. – 1998. – P. A-1. (Автором досліджено склад осаду в реакціях з хроміл-хлоридом, проведені експерименти з радикальними пастками).

6. Fokin A. A., Gunchenko P. A., Peleshanko S. A., Tkachenko B. A., Shubina T. E., Schleyer P. v. R., Schreiner P. R. Common Radical Cation Intermediates in Saturated Hydrocarbon Activations // ESOR, 7th European Symposium on Organic Reactivity: Book of Abstracts. – Ulm (Germany). – 1999.
– P. 180. (Автором проведені реакції метал-оксо-реагентів з алканами, виділені та ідентифіковані продукти реакцій).

7. Ткаченко Б. О. Механізми активації алканів метал-оксо реагентами // Регіональна конференція молодих вчених та студентів з актуальних питань хімії: Тези доп. – Дніпропетровськ. – 2000. – С. 10. (Автором проведені реакції метал-оксо-реагентів з алканами, виділені та ідентифіковані продукти реакцій).

8. Ткаченко Б. О., Гунченко П. О., Фокін А. А. Реакція [3.3.n]пропеланів з галогенопохід-ни-ми вольфраму (VI) і молібдену (VI) // XIX Українська конференція з органічної хімії: Тези доп. – Львів: Видавництво Національного університету “Львівська політехніка”. – 2001. – С. 188. (Автором проведені реакції пропеланів з вольфрам- та молібден-оксо-реагентами, виділені та ідентифіковані продукти реакцій).

9. Ткаченко Б. О., Гунченко П. О., Фокін А. А. Реакція [3.3.n]пропеланів з ванадилнітратом // XIX Українська конференція з органічної хімії: Тези доп. – Львів: Видавництво Національного університету “Львівська політехніка”. – 2001. – С. 189. (Автором проведені реакції пропеланів з ванадилнітратом, виділені та ідентифіковані продукти реакцій).

10. Ткаченко Б. А., Гунченко П. А., Фокин А. А. Реакция [3.3.n]пропелланов с ванадилнитратом // Химия и технология каркасных соединений: Тезисы докл. IX Между-народной научной конференции. – Волгоград: РПК “Политехник”. – 2001. – С. 151–152. (Автором проведені реакції пропеланів з ванадилнітратом, виділені та ідентифіковані продукти реакцій).

11. Ткаченко Б. А., Гунченко П. А., Фокин А. А. Реакция [3.3.n]пропелланов с галогенпроизводными вольфрама (VI) и молибдена (VI) // Химия и технология каркасных соединений: Тезисы докл. IX Международной научной конференции. – Волгоград: РПК “Политехник”. – 2001. – С. 152–153. (Автором проведені реакції пропеланів з метал-оксо-реагентами, виділені та іденти-фі-ко-вані продукти реакцій).

Ткаченко Б. О. Каркасні вуглеводні в реакціях з окисниками на основі перехідних металів. – Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата хімічних наук за спеціальністю 02.00.03 – органічна хімія. – Інститут органічної хімії НАН України, Київ, 2003.

З метою виявлення синтетичних особливостей і механізмів реакцій метал-оксо-сполук із С–С та С–Н зв’язками модельних вуглеводнів, а також з’ясування природи селективності процесів, що спостерігаються, була досліджена поведінка різних класів кар-касних вуглеводнів (пропеланів, напружених і малонапружених) у реакціях з незарядженими електро-філами – високовалентними метал-оксо-реагентами та діоксиранами. Знайдено, що метал-оксо-окис-ники реагують шляхом окиснювального приєднання із міцними С–С зв’язками вуглеводнів, а зі слабкими (такими, що мають значний бірадикальний характер) – шляхом молекулярно-індуко-ва-но-го гомолізу. Встановлено, що селективність заміщення при дії метал-оксо-реагентів контролюється пере-носом заряду та визначається структурою вуглеводневого катіон-радикала. Вперше досліджена реак-ція sС–С зв’язку з діоксиранами. Виявлені принципові розбіжності в механізмах активації алканів метал-оксо-реагентами та діоксиранами, а також показано, що загальний механізм (молекулярно-індукований гомо-ліз) реалізується тільки в реакціях зі слабкими С–С зв’язками. З міцними s-зв’язками алканів діоксирани реагують шляхом концертного укорінення.

Отримані результати можуть бути використані в препаративній хімії для високоселективних фу-нкціоналізацій насичених вуглеводнів, у тому числі інертних, а також сприяти пошуку нових і розширенню асортименту існуючих окиснювачів для селективної функціоналізації вуглеводнів (особливо каркасних).

Ключові слова: алкани, незаряджені електрофіли, метал-оксо-реагенти, механізми, катіон-радикали, пропелани.

Ткаченко Б. А. Каркасные углеводороды в реакциях с окислителями на основе переходных металлов. – Рукопись. Диссертация на соискание ученой степени кандидата химических наук по специальности 02.00.03 – органическая химия. – Институт органической химии НАН Украины, Киев, 2003.

В настоящей работе анализируются синтетические особенности и механизмы реакций металл-оксо-соединений с С–С и С–Н связями модельных углеводородов, а также при-чи-ны селективности наблюдаемых процессов. Так как роль полярных эффектов (электронного переноса) в этих превращениях высока, в работе также анализируются структура и ре-акционная способность ряда углеводородных катион-радикалов. В качестве модельных углеводородов для исследования реакционной способности С–С связи в алканах с металл-оксо-реагентами был выбран ряд стабильных пропелланов (3,6-дегидрого-мо-адаман-тан и его производные, [3.3.n]пропел-ланы) и некоторые напряженные углеводороды (1,3- и 2,4-де-гидроадамантаны, а также кубан). Для исследования реакций С–Н связей использованы стабильные каркасные углеводороды: адамантан, его изомеры – протоадамантан и твистан, а также его гомологи – гомоадамантан и диамантан. Как модельные реагенты были использованы металл-оксо-соединения (CrO2Cl2, CrO2(OAc)2, CrO2(NO3)2, VO(NO3)3, WOCl4, MoOCl4).

В работе исследовано поведение раз-личных классов каркасных углеводородов (пропелланов, напряженных и малона-пря--женных) в присутствии незаряженных электрофилов – высоковалентных металл-оксо-реагентов и диоксиранов.

Выявлены принципиальные различия в протекании реакций различных субстратов с хромилсодержащими окислителями: для стабильных пропелланов, так же как и для напряженных углеводородов, имеющих прочные С–С связи, реализуется окислительный путь реакции с присоединением двух нуклеофилов; для высоконапряженного 1,3-дегидро-ада-ман-та-на с инвертированной геометрией 4-угле-род-ных атомов реализуется молекулярно-индуци-ру--емый гомолитический механизм с атакой реагента на атом углерода.

Показано, что региоселективность С–Н замещения в углеводородах определяется структурой катион-радикала. Так, адамантан и протоадамантан образуют катион-ради-калы с удлиненными связями 3 С–Н и реагируют с хром-оксо-реагентами селективно, тогда как твистан, образующий катион-радикал с удлиненными 2 С–Н связями, образует набор продуктов по различным замещениям каркаса. Модельные превращения некоторых каркасных углеводородов в присутствии внешнесферных окислителей исследованы отдельно и показано, что региоселективности С–Н замещения аналогичны таковым в реакциях с металл-оксо-системами.

Выявлены различия в поведении незаряженых электрофилов различной природы – металл-оксо-соединений и диоксиранов в реакциях с насыщенными углеводородами: в случае стабильных пропелланов с диметилдиоксираном наблюдается концертное внедрение кислорода в связь С–Н, тогда как в реакциях с металл-оксо-соединениями – окислительное присоединение по связи С–С. Показано, что общий механизм (молекулярно-инду-ци-ру-емый гомолиз) реализуется в реакциях обоих окислителей только со слабой С–С связью 1,3-дегидроадамантана, который является нетипичным алканом. Представляется, что имеющиеся в литературе аналогии между реактивностью металл-оксо-реагентов и диоксиранов по отношению к алканам не вполне обоснованы.

Полученные данные дополняют представления о механизмах реакций алканов и могут быть ис-пользованы в препаративной химии для высокоселективных функционализаций насыщенных углево-дородов, в том числе инертных, а также способствовать поиску новых и расширению ассортимента су-ществующих окислителей для селективной функционализации углеводородов (особенно каркасных).

Ключевые слова: алканы, незаряженные электрофилы, металл-оксо-реагенты, механизмы, катион-радикалы, пропелланы.

Tkachenko B. A. Cage Hydrocarbons in the Reactions with Transition Metal Based Electrophiles. – Manuscript. Thesis seeking the Candidate of Sciences Degree in Organic Chemistry (speciality 02.00.03) – Institute of Organic Chemistry, Kiev, 2003.

The behavior of different classes of model cage hydrocarbons (propellanes, strained and less strained) in the transformations with none charged electrophiles (high valent metal-oxo-reagents and dioxiranes) was studied to reveal the synthetic peculiarities, mechanisms, and the nature of the selectivities of uncharged electrophile’s reactions with the С–С and С–Н bonds. It has been found, that metal-oxo-oxidants react with strong C–C bonds in accordance to the oxidative mechanism, and follow the molecule-induced homolytic path with weak ones (which have significant biradical nature). It has been concluded, that the selectivity of substitutions is controlled by a charge transfer from hydrocarbon to electrophile and is determined by the structure of the hydrocarbon radical-cation. The distinct differences between the mechanisms of alkane activation with metal-oxo-reagents and dioxiranes is reveled. It has been shown, that common mechanism (molecule-induced homolysis) was followed only for the reactions of weak C–C bonds. For the reactions of dioxiranes with strong s-bonds of alkanes concerted insertion is operative.

The results can be used in preparative chemistry for highly selective functionalizations of saturated hydrocarbons, including inert ones, discovering the new and widening the existing range of oxidants for selective functionaliszations of hydrocarbons (especially caged).

Keywords: alkanes, uncharged electrophiles, metal-oxo-reagents, reaction mechanisms, radical cations, propellanes.

Здобувач Ткаченко Б. О.