CC BY
12УДК 547.35 + 547.421.136.25
Sergei A. Klyuchinskii, Kirill V.Kuvaldin, Vladislav S. Zavgorodnii
REACTIONS OF PERFLUOROALKYL-DESTANNYLATION OF UNSATURATED ORGANOTIN COMPOUNDS
St. Petersburg State Institute of Technology (Technical University), Moskovsky Pr., 26, St Petersburg, 190013, Russia e-mail: [email protected]
Data on perfluoroalkyldestannylation reactions of trialkylstannylacetylenes with perfluoroiodalkanes (CF3I and C3F7I) are presented. Interaction proceeds both in the AIBN initiatian and in the presence of palladium complexes. The method of competing reactions is used to determine the relative reactivity of ring substituted tinarylacetylenes in reactions with perfluoroalkyl iodides. It is shown that there is a good correlation between the relative rates of reaction of tinarylacetylenes with o-Hammett constants of substituents in the ring. The constant reaction p is negative and amounts to -2.10 (AIBN) and -2.18 (Pd complexes).
Keywords: trialkyltinarylacetylenes, perfluoroalkyl iodides, perfluoroalkylacetylenes, palladium complexes.
С.А. Ключинский1, К.В. Кувалдин2, В.С. ЗавгороДний3
РЕАКЦИИ ПЕРФТОРАЛКИЛ ДЕСТАН НИЛИРОВАНИЯ НЕПРЕДЕЛЬНЫХ ОЛОВООРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ
Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет), Московский пр. 26, Санкт-Петербург, 190013, Россия e-mail: [email protected]
Представлены данные о синтетическом диапазоне реакции перфторалкилдестаннилирования триалкилоловоацетиле-нов при взаимодействии с перфторйодалканами (CF3I и C3F7I). Взаимодействие протекает как при инициировании AIBN, так и в присутствии комплексов палладия. Методом конкурирующих реакций определена относительная реакционная способность замещенных в кольце оловоарилацетиленов в реакциях с перфторйодалканами. Показано, что наблюдается хорошая корреляция относительных скоростей реакции оловоарила-цетиленов с о-константами Гаммета заместителей в кольце. Значение константы реакции р отрицательно и составляет -2.10 (AIBN) и -2.18 (комплексы Pd).
Ключевые слова: триалкилоловоацетилены, перфторй-одалканы, перфторалкилацетилены, комплексы палладия.
Введение атомов фтора и перфторалкильных групп в молекулы органических веществ существенно изменяют их физические и химические свойства. Такие частично фторированные соединения находят всё большее применение в качестве новых материалов (пластмассы или эластомеры, жидкие кристаллы, устройства для хранения и преобразования энергии, красители, поверхностно-активные вещества, теплоносители), агрохимических препаратов [1, 2]. Фторированные соединения показывают лучшую мембранную проходимость и увеличенную биологическую доступность, чем их нефторирован-ные аналоги, из-за изменения растворимости и повышенной липофильности. В целом, фторированные соединения более трудно окисляются, что приводит к их увеличенной метаболической стабильности. Это способствовало созданию множественных лекарственных препаратов на основе фторсодержащих органических веществ [3-5]. Примерно 25-30 % всех лекарств и 30-40% агрохимических препаратов содержат хотя бы один атом фтора [6].
Поэтому много внимания уделяется разработке эффективных методов прямого введения фторсодержащих групп (особенно трифторметильной) в различные классы органических молекул [7], в том числе с помощью радикального перфторалкилиро-вания [8], с использованием нуклеофильных агентов типа RзSiCFз [9, 10], электрофильных агентов [11, 12], трифторметилирование в присутствии комплексов
переходных металлов [13-15]. Создаются различные фторсодержащие "строительные" блоки, в частности, перфторалкилированные ацетилены, нашедшие применение в медицинской и агрохимии [16, 17]. Однако использование разработанных в последние годы фторсодержащих агентов сдерживается их высокой стоимостью, жесткими условиями протекания реакций и ограничениями по субстрату. По этой причине разработке новых методов применения относительно недорогих перфторалкилйодидов также уделяется достаточное внимание [18].
Ранее [19] нами на отдельных примерах была показана возможность использования перфторалкилйо-дидов в реакциях перерфторалкилдестаннилирования в условиях радикального процесса (схема 1)
Me3Sn-
R+ Rf-I
R = Ph,SnMe
hv or AIBN
Rf
Rf = CF3, C3F7
Схема 1
С целью определения диапазона реакции, как способа синтеза перфторалкилированных непредельных соединений, нами было изучено влияние природы заместителей у тройной связи триметилстаннилацети-ленов на протекание взаимодействия с перфторйодал-канами как в условиях радикального инициирования, так и в присутствии комплекса Pd [8] (схема 2) :
R + Me3SnI
1 Ключинский Сергей Алексеевич, канд. хим. наук, доцент , каф. органической химии, e-mail: [email protected] Sergei A. Klyuchinskii, PhD (Chem.), Associate Professor, Department of Organic Chemistry
2 Кувалдин Кирилл Владимирович, аспирант, каф. органической химии, e-mail: [email protected] Kirill V. Kuvaldin, postgraduate student, Department of Organic Chemistry
3 Завгородний Владислав Семенович, д-р хим. наук, профессор, каф. органической химии, e-mail: [email protected] Vladislav S. Zavgorodnii, Dr.Sci(Chem.), Professor, Department of Organic Chemistry
Дата поступления - 24 июня 2016 года
Схема 2
В таблице 1 представлены выходы замещенных перфторпропилацетиленов (I), продуктов взаимодействии триметилоловоацетиленов с гептафторйодпропаном в присутствии ди(бензонитрил)палладий дихлорида (PhCN)2PdCl2 (дихлорэтан 100 °С, 1ч) и в условиях радикального процесса (азобисизобутиронитрил (А1В^, дихлорэтан, 80 °С, 6 ч)
Таблица 1. Влияние донорно-акцепторных свойств заместителей у тройной связи на выход продукта перфторалкилдестаннилирования
R Условия реакции LL ü i о ДЦ s о о 0 1 ü £ с СЛ t-Bu .c CL SMe N(Me)Ph
I II III IV V VI VII VIII
-P CT cf III 3 4* CÜQ Pd 1* 5 27* 30 65 70 80 50**
AIBN 15 27 30 35
Примечание: * 120 °С, 3 ч ; ** 50 °С, 3 мин., сильное осмоление
Как видно из данных таблицы 1 электронодонор-ные заместители способствуют протеканию реакции. Низкий выход продукта реакции изопропенилацетиле-на (столбец II ) связан, по-видимому, с полимеризацией субстрата в условиях взаимодействия. Относительно небольшой выход продукта реакции триметилстанни-ламиноацетилена (столбец VII) обьясняется сильным осмолением реакционной массы из-за неустойчивости продукта. В случае монозамещенного триметилстанни-лацетилена (схема 2б) идет типичное присоединение перфторйодалкана по тройной связи, видимо, вследствие стерической доступности незамещенного атома углерода тройной связи. Следует отметить, что реакции, в присутствии комплекса палладия протекают эффективнее примерно в 2 раза, чем инициируемые AIBN.
Недавно была опубликована работа [20] по получению замещенных в кольце перфторалкилбен-золов по катализируемой комплексами палладия реакции перфторйодалканов с производными бензола (схема 3):
"I" ChaFO-J
5 % Pdzdbas 20 % BINAP
2 экв. Cs2C03 40-100 °С, 15-24 час.
Схема 3
Показано, что ловушки радикалов (гидрохинон и др.) не оказывают влияния на процесс и авторы полагают, что реакция протекает по стандартной схеме кросс-сочетания с участием комплексов палладия (схема 4):
^ РИ-Н /-м
^ - РИ
LnPd°
RfI / ■ -► LnPd +2-
XI
-HI
/Rf
LnPd +z-
Ph
Схема 4
Аналогичную схему можно предполагать и для изучаемого нами взаимодействия в присутствии комплекса палладия, т.е. как частный вариант реакции Стилле [21] (схема 5):
Ph
SnMe3
Rf
LnPd0-
Ph-
Ph
Схема 5
Одним из инструментов изучения механизма процессов кросс - сочетания (схема 6) является корреляция структура - реакционная способность с использованием уравнения Гаммета (реакция Стилле (Stille) [22, 23], реакция Негиши (Negishi) [24], реакция Хияма (Hiyama) [25].
cat. transition metal
Rr X + R2- M -
R,-R2
X=Hlg orsulphonate
Stille (M = Sn ); Negishi (M=Zn); Suzuki-Miyaura (M= B) Hiyama-Denmark (M=Si); Kumada (M=Mg) Схема 6
С целью получения механизме рассматриваемой перфторалкилдестаннилирования комплексов палладия (схема 2)
представлении о нами реакции в присутствии была определена
относительная реакционная способность замещенных в кольце триметилстаннилфенилацетиленов. Реакционная способность замещённого в кольце оловоарилацетилена сравнивалась с реакционной способностью оловофенилацетилена при взаимодействии с гептафторйодпропаном в присутствии каталитических количеств (PhCN)2PdCl2 ( схема 7) :
( 1: 1 )
SnMe,
SnMe,
(PhCN)2PdCl2 DCE
C,F7
c,f7
X = т-ОР3, т- С1, р-Вг, р-С1, р-Р, р^Ви, р-МеО, р-Ме2М Схема 7
Влияние электронных факторов на процесс оценивали с помощью распространённого метода конкурирующих реакций [26, 27]. Исследование реакции в начальном периоде при конверсии перфторйодпропана не превышающей 10 % и при десятикратном избытке каждого из оловоацетиленов позволяет рассматривать это взаимодействие как реакцию псевдопервого порядка, а соотношение продуктов как соотношение констант скоростей кх / кн соответствующих процессов. Количества перфторпропиларилацетиленов, получившихся в результате реакции, определяли методом газожидкостной хроматографии. Было обнаружено, что относительная скорость взаимодействия замещенных в кольце олово-фенилацетиленов хорошо коррелирует с ст-константами Гаммета.
Зависимость скорости реакции перфторалкилдестаннилирования от ст-констант заместителей у станнил-фенилацетиленов выглядит следующим образом:
lg кх/кн = - 2.18 ст
r = 0,997
Подробные исследования показали, что механизм реакции Стилле представляет собои
RfI
R
LnPd+2
LnPd+2
Me,SnI
X
X
C3F7 - I
сложную картину, каждая из стадий (окислительное присоединение, переметаллирование и т.д.) в зависимости от условий проведения процесса может являться скоростьопределяющей [28]. Протекание стадии переметаллирования (например, стадия 2, схемы 5) может обуславливаться различными формами Pd2+ в растворе, что определяется природой растворителя, реагента или лиганда. Так в реакции Р1лС(0)С1 с ArCH2Sn-Виз, катализируемой комплексом (PhзP)2Pd(Cl)CH2Ph, в которой самой медленной стадией является стадия переметаллирования, уравнение Гаммета имеет следующий вид:
1д кх/кн = 1,42 а.
арилоловоацетиленов с а-константами заместителей в кольце и уравнение Гаметта приобретает вид
1дкх/кн = -2,10 а (г = 0,996).
Практически одинаковые значения Гамметовской константы реакции р при металлокомплексном катализе и в условиях радикального процесса (-2,18 против -2,10) свидетельствуют в пользу протекания радикального процесса и в первом случае. А роль комплекса палладия может сводиться к созданию перфторалкильного радикала и таким образом к инициированию цепного радикального процесса (схема 9)
Положительный знак р указывает, что стадия переметаллирования ускоряется электроноакцепторными заместителями в ароматическом кольце оловоорганического соединения и в переходном состоянии разрыв связи олово-углерод предшествует образованию связи углерод-палладий [22]. С другой стороны в реакции оловобензолов с органическими трифлатами (схема 8) уравнение Гаммета имеет вид: 1дкх/ кн = -0,84а и в переходном состоянии образование связи углерод-палладий предшествует разрыву связи углерод-олово [23].
Р^Ь^АвРИ,
-ст +
-БпВи,
-- 1-Ви-
X"
X
1_2Рс1 +Р,— |
- ((VI)
Схема 9
К,' + Г
Электрофильный характер перфторалкильных радикалов подтверждён ранее корреляцией скоростей присоединения н-C8Fl7(•) радикалов к серии пара-замещенных стиролов с а-константами Гаммета с отрицательным значением константы реакции р (-0,53) [29].
Достаточно большое значение отрицательное значение р (-2,1) в нашей реакции свидетельствует о развитии значительного положительного заряда на а-атоме углерода кратной связи в переходном состоянии.
Схема 8
Для однозначного выяснения природы изучаемой реакции перфторалкилдестаннилирования было проведено определение относительной реакционной способности замещенных в кольце станнилацетиленов как представлено на схеме 7, только в присутствии азобисизобутилонитрила (известного инициатора радикальных реакций) вместо комплекса палладия. В условиях радикального процесса наблюдается хорошая корреляция относительных скоростей реакции
По всей видимости реакция
перфторалкилдестаннилирования представляет цепной радикальный процесс, а комплекс палладия выполняет роль самовоспроизводящегося инициатора. Общий вид процесса можно представить схемой 10:
Схема 10
Левый цикл относится к образованию радикальной частицы Rf■(■) в результате одноэлектронного переноса между L2Pd и Rf I , а правый - к цепной радикальной
реакции, протекающей по схеме присоединения -отщепления и не зависящей от способа создания радикальной частицы Rf■(■) (AIBN или комплекс палладия)
Экспериментальная часть
Спектры ЯМР ^снимали на спектрометре Вгикег СХР-300 (внутренний стандарт C6F6). Ик-спектры сняты на спектрометре UR-20. Хроматографический анализ реакционных смесей осуществляли на хроматографах Цвет 102 и Хром 5 с детекторами ДТП и ДИП. Соотношение продуктов реакции определяли методами нормализации с использованием весовых поправочных коэффициентов и методом абсолютной калибровки. Исходные ацетиленовые соединения были получены по методике [30].
а). Реакции оловоорганических соединений с перфторйодалканами проводили в запаянных ампулах при нагревании 0,01 моля оловоацетилена и 0,02 моля перфторйодалкана в растворе дихлорэтана в присутствии 1-2 мол. % инициатора (А^ или (PhCN)2PdCl2) при температуре 70-100 °С в течение 6-8 ч. Физико-химические и спектральные характеристики полученных веществ представлены в таблице 2.
Таблица 2. Физико-химические и спектральные характеристики н-гептафто
рпропиларилацетиленов
X-C.H4C=CaF7 п-MeaN п-MeO п-t-Bu п-F п-Cl м-Cl м-CFs
n 20 nd 1.4580 1.4860 1.4879 1.4605 1.4801 1.4811 1.4777
Спектр 19F ЯМР, 5, м.д. 14.9, -2.3, -20.8, -48,8 -2.7,19.6,49.2 16.7, -0.8, -39.9 -3.0, -20.8, -28.1, -49.6 -1.9, -20.1 -48.6 -1.9, -20.5 -48.6 -2.3, -20.5, -48,8
ИК спектр v, см 2250 2240 2215 2245 2240 2245 2255
б). Конкурирующие реакции. К раствору, содержащему равные количества двух оловоарилацетиленов (по 0,1 моля) в дихлорэтане прибавили 0,01 моль н-CзF7l и 2 % инициатора. Смесь нагревали при 70 °С до конверсии н-CзF7l около 10 %. Соотношение перфторалкиларилацетиленов, получившихся в результате реакции, определяли методом ГЖХ. Относительные константы скорости реакции рассчитывали на основании данных конкурирующих реакций по формуле [26]:
кх/кн —
[Х-С6Н4С = C3F7] [Я-С6Я4С = C3F7]
где kx и ^ - относительные константы скорости замещенного оловоарилацетилена и оловофенилацетилена; [X-C6H4CC-CзF7] и [C6H5CC-CзF7] - количества соответствующих продуктов реакции в начальный период реакции (конверсия н-CзF7l не превышала 10 %).
Заключение
1. Установлено, что взаимодействие широкого ряда ацетиленовых оловоорганических соединений с перфторйодалканами как в присутствии комплексов палладия, так и в присутствии инициатора радикальных процессов (А1В^ протекает как реакция перфторалкил-дестаннилирования с образованием ацетиленовых соединений с перфторалкильными группами у кратной связи. Реакция в присутствии комплексов палладия дает более высокие выходы продуктов в более мягких условиях, чем при инициировании А1В^
2. Исследование реакции методом корреляционного анализа показало, что протеканию процесса способствуют электродонорные заместители в ароматическом кольце арилацетиленового фрагмента.
3. Практически одинаковые значения Гамметов-ской константы реакции р в присутствии соединений палладия и в условиях радикального процесса ( -2.18 против -2.10) свидетельствуют в пользу протекания радикального процесса и в первом случае, в котором металлоком-плексное соединение играет роль самовоспрооизводяще-
гоя инициатора.
Литература
1. Ягупольский Л.М. Ароматические и гетероциклические соединения с фторсодержащими заместителями. Киев: Наукова думка. 1988. 320 с.
2. Kirsch P. Modern Fluoroorganic Chemistry: Synthesis, Reactivity, Applications. WILEY. WILEY-VCH: Weinheim, 2004. 308 p.
3. Müller K., Faeh C., Diederich F. Fluorine in pharmaceuticals: looking beyond intuition // Science. American Association for the Advancement of Science. 2007. Vol. 317. № 5846. P. 1881-1886.
4. Purser S. [et al.]. Fluorine in medicinal chemistry // Chem. Soc. Rev. The Royal Society of Chemistry. 2008. Vol. 37. № 2. P. 320-330.
5. Wang J. [et al.]. Fluorine in pharmaceutical industry: fluorine-containing drugs introduced to the market in the last decade (2001-2011) // Chem. Rev. 2014. Vol. 114. № 4. P. 2432-2506.
6. Fluorine in Pharmaceutical and Medicinal Chemistry (World Scientific), / Edited by: V. Gouverneur, K. Müller. London, Imperial College Press, 2012. 546 p.
7. Ma J.-A., Cahard D. Strategies for nucleophil-ic, electrophilic, and radical trifluoromethylations // J. Fluor. Chem. 2007. Vol. 128. № 9. P. 975-996.
8. Barata-Vallejo S., Postigo A. Metal-mediated radical perfluoroalkylation of organic compounds // Coord. Chem. Rev. 2013. Vol. 257 № 21-22. P. 3051-3069.
9. Tomashenko O.A., Grushin V.V. Aromatic triflu-oromethylation with metal complexes // Chem. Rev. 2011. Vol. 111.№ 8. P. 4475-4521.
10. Cho E.J. [et al.]. The palladium-catalyzed triflu-oromethylation of aryl chlorides // Science. American Association for the Advancement of Science. 2010. Vol. 328. № 5986. P. 1679-1681.
11. Charpentier J., Früh N., Togni A. Electrophilic trifluoromethylation by use of hypervalent iodine reagents // Chem. Rev. 2015. Vol. 115. № 2. P. 650-682.
12. Wang S.-M. [et al.]. An overview of reductive trifluoromethylation reactions using electrophilic "+CF3" reagents // Tetrahedron. 2015. Vol. 71. № 42. P. 7949-7976.
13. Liu H., Gu Z., Jiang X. Direct Trifluoromethylation of the C-H Bond // Adv. Synth. Catal. 2013. Vol. 355. № 4. P. 617-626.
14. Liang T., Neumann C.N., Ritter T. Introduction of fluorine and fluorinecontaining functional groups // Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 2013. Vol. 52. № 32. P. 8214-8264.
15. Alonso C. [et al.]. Carbon trifluoromethylation reactions of hydrocarbon derivatives and heteroarenes // Chem. Rev. 2015. Vol. 115. № 4. P. 1847-1935.
16. Shimizu M. [et al.]. New preparation and synthetic reactions of 3,3,3-trifluoropropynyllithium, -borate and -stannane: facile synthesis of trifluoromethylated allenes, arylacetylenes and enynes // Future Med. Chem. 2009. Vol. 1.№ 5. P. 921-945.
17. Chu L., Qing F.-L. Copper-mediated aerobic oxidative trifluoromethylation of terminal alkynes with Me3SiCF3 // J. Am. Chem. Soc. 2010. Vol. 132. № 21. P. 7262-7263.
18. Фурин Г.Г. Новые аспекты применения перфторалкилгалогенидов в синтезе фторсодержащих органических соединений // Успехи химии. 2000. Т. 69. № 6. С. 538-565.
19. Ключинский С.А., Завгородний В.С., Лебедев В.Б., Петров А.А. Взаимодействие триалкилстаннилацетиленов с перфторйодалканами // Журн. общей химии. 1986. Т. 55. № 7. С. 1663.
20. Loy R.N., Sanford M.S. Palladium-catalyzed C-H perfluoroalkylation of arenes // Org. Lett. 2011. Vol. 13. № 10. P. 2548-2551.
21. Stille J.K. The Palladium-Catalyzed Cross-Coupling Reactions of Organotin Reagents with Organic Elec-trophiles[New Synthetic Methods (58)] // Angew. Chemie. 1986. Vol. 25. № 6. P. 508-524.
22. Labadie J.W., Stille J.K. Mechanisms of the palladium-catalyzed couplings of acid chlorides with organotin reagents // J. Am. Chem. Soc. 1983. Vol. 105. № 19. P. 61296137.
23. Farina V. [et al.]. Palladium-catalyzed coupling of arylstannanes with organic sulfonates: a comprehensive study // J. Org. Chem. 1993. Vol. 58. № 20. P. 5434-5444.
24. Dong Z.-B. [et al.]. Structure-reactivity relationships in negishi cross-coupling reactions // Chemistry. 2010. Vol. 16. № 1. P. 248-253.
25. Shukla K.H., De Shong P. Studies on the mechanism of allylic coupling reactions: a hammett analysis of the coupling of aryl silicate derivatives // J. Org. Chem. 2008. Vol. 73. № 16. P. 6283-6291.
26. Исаакс Н. Практикум по физической органической химии. М.: Мир, 1972. 288 с.
27. Huisgen R. Kinetic Evidence for Reactive Intermediates // Angew. Chemie. 1970. Vol. 9, № 10. P. 751-762.
28. Espinet P., Echavarren A.M. The mechanisms of the Stille reaction // Angew. Chem. 2004. Vol. 43. № 36. P. 4704-4734.
29. Avila D. V. [et al.]. Absolute rate constants for some reactions of perfluoro-n-alkyl radicals in solution // J. Am. Chem. Soc. 1994. Vol. 116. № 1. P. 99-104.
30. Завгородний В.С., Ключинский С.А., Зубова Т.П., Петров А.А. Реакция сопряженного гидростаннилирования арилацетиленов // Докл. АН СССР. 1079. Т. 246. № 5. С. 1139-1143.
