Oxidative heterocoupling of lithium 2-methylpropanoate α-carbanion and secondary α-carbanions of lithium acylates

Texto integral

Введение

Известно, что окислительное сочетание карбанионов ацилатов лития приводит к различным производным (гомологам) янтарной кислоты [1–4]. В результате гетеросочетания разных по строению карбанионов ацилатов лития образуется смесь продуктов гомо- и гетеросочетания [5].

Ранее нами было показано, что при взаимодействии пар α-карбанионов ацилатов лития 2-метилпропановой, бутановой, пентановой, гексановой, гептановой и фенилэтановой кислот, полученных из различных СН-кислот (А-Н, В-Н) под действием диизопропиламида лития в ТГФ, с 1,2-дибромэтаном образуется смесь продуктов окислительного гомо-(2,2,3,3-тетраметил-, 2,3-диэтил-, 2,3-дипропил-, 2,3-дибутил-, 2,3-дипентил- и 2,3-дифенилянтарные кислоты) и гетеросочетания (2,2-диметил-3-этил-, 2-пропил-3-этил-, 2-бутил-3-этил-, 2-пентил-3-этил-, 2-фенил-3-этил-, 2-бутил-3-пропил-, 2-пентил-3-пропил-, 2-пропил-3-фенил-, 2-бутил-3-пентил-, 2-бутил-3-фенил- и 2-пентил-3-фенилянтарные кислоты) c суммарным выходом 83–99% [5]. Селективность образования продуктов гомо- и гетеросочетания зависит от строения взаимодействующих α-карбанионов.

В данной работе исследовано влияние строения окислителя на селективность образования продуктов гомо- и гетеросочетания на примере окислительного гетеросочетания третичного α-карбаниона 2-метилпропаноата лития и вторичных α-карбанионов ацилатов лития.

Результаты и обсуждения

Установлено, что при взаимодействии пар α-карбанионов ацилатов лития А^–Li⁺ и В^–Li⁺ 2а–е, генерированных из 2-метилпропановой (1а), бутановой (1б), пентановой (1в), гексановой (1г), гептановой (1д) и фенилэтановой (1е) кислот под действием диизопропиламида лития (LDA), с 1,2-дибромэтаном 3а в ТГФ при 20–25°С в атмосфере аргона при мольном соотношении реагентов А^–Li⁺:В^–Li⁺:LDA:3a, равном 1:1:4:1, в течение 2 ч образуется смесь продуктов окислительного гомо- (А-А, В-В) [2,2,3,3-тетраметил- (4а), 2,3-диэтил- (4б), 2,3-дипропил- (4в), 2,3-дибутил- (4г), 2,3-дипентил- (4д) и 2,3-дифенилянтарные кислоты (4е)] и гетеросочетания (А-В) [2,2-диметил-3-этил- (5а), 2,2-диметил-3-пропил- (5б), 2,2-диметил-3-бутил- (5в), 2,2-диметил-3-пентил- (5г) и 2,2-диметил-3-фенилянтарные (5д) кислоты] c суммарным выходом 84–98% (табл. 1, схема 1).

Кислоты 4a–е, 5a–д выделены из реакционной смеси экстракцией серным эфиром, разделены методом колоночной хроматографии и идентифицированы с использованием методов спектроскопии ЯМР ¹Н и ¹³С и хромато-масс-спектрометрии (ХМС). Спектральные характеристики соединений 4a–е удовлетворительно совпадают с описанными в литературе [6].

Таблица 1. Выходы продуктов гомо- и гетеросочетания в реакции^a различных по строению пар α-карбанионов ацилатов лития с 1,2-дибромэтаном.

^а 20–25°С, растворитель – ТГФ, инертная атмосфера (Ar), 2 ч, мольное соотношение А^–Li⁺:В^–Li⁺:LDA:3a = 1:1:4:1.

^б В % от теоретического.

Схема 1.

Из анализа относительных выходов (мольных долей) продуктов гомо- и гетеросочетания (по данным ГЖХ), образующихся в результате взаимодействия различных пар α-карбанионов ацилатов лития с 1,2-дибромэтаном, следует, что селективность образования продуктов гомо- и гетеросочетания зависит от строения сочетающихся третичного α-карбаниона 2а и вторичных α-карбанионов 2б–е (табл. 1). Так, при сочетании α-карбаниона 2-метилпропаноата 2a со вторичными α-карбанионами ацилатов лития 2б–д (оп. № 1–4) с увеличением длины углеводородной цепи α-карбаниона выходы продуктов гомосочетания вторичных α-карбанионов имеют тенденцию к возрастанию, а продукта 4а гомосочетания третичного α-карбаниона 2а – к снижению (табл. 1). При этом селективность образования продуктов гетеросочетания остается практически неизменной. Однако гетеросочетание карбаниона 2а с α-карбанионом фенилацетата 2е (оп. № 5), напротив, дает продукт гетеросочетания с высокой селективностью.

Можно предположить, что аномально высокая селективность образования 2,2-диметил-3-фенилянтарной кислоты 5д при сочетании α-карбаниона фенилацетата с α-карбанионом 2-метилпропаноата связана с наибольшей разницей в содержании енольных форм этих карбанионов, а также с их стабильностью и, соответственно, реакционной способностью образующихся из них свободных радикалов [7, 8].

Если предположить, что одноэлектронное окисление третичного α-карбаниона 2-метилпропаноата лития протекает менее эффективно, чем α-карбаниона фенилацетата, так как в последнем случае образуется более стабильный бензильный радикал [7, 8], то образующиеся из α-карбаниона 2-метилпропаноата менее стабильные, но более реакционноспособные радикалы 6а в значительной степени успевают присоединиться к α-карбанионам фенилацетата 2е, концентрация енольной формы которых существенно выше, чем у α-карбаниона 2-метилпропаноата, что характерно для типичных СН-кислот (например, β-дикетонов, β-кетоэфиров [9–12]), содержащих алкильные или фенильные заместители у енольной группировки (схема 2). Этими же факторами обусловлено снижение селективности образования продукта гомосочетания 4а.

Схема 2.

Следует отметить, что при сочетании вторичных α-карбанионов с α-карбанионом фенилацетата [5] наблюдается обратная картина (селективность продуктов гетеросочетания резко снижается). Это, по-видимому, связано с тем, что окисление вторичного карбаниона фенилацетата протекает существенно легче, чем других вторичных α-карбанионов, принимающих участие в гетеросочетании, так как приводит к радикалу с неспаренным электроном в бензильном положении [7, 8]. При этом разница в концентрациях енольных форм енолят-анионов в этом случае [5] должна быть заметно меньше, чем при окислительном гетеросочетании третичного α-карбаниона 2-метилпропаноата и вторичного фенилацетата [9–18].

Схема 3.

Таблица 2. Выходы продуктов окислительного сочетания^а α-карбанионов бутаноата (2a) и 2-метилпропаноата лития (2б) под действием различных окислительных реагентов.

^а 20–25°С, растворитель – ТГФ, инертная атмосфера (Ar), 2 ч, мольное соотношение 2a:2б:LDA:3(7) = 1:1:4:1, 2a:2б:LDA:8(9) = 1:1:4:2.

^б В % от теоретического.

Возможно, при окислительном сочетании третичного α-карбаниона 2-метилпропаноата со вторичным анионом фенилацетата их гомосочетания ограничены полярными и стерическими факторами енолят-анионов и анион-радикалов, образующихся из них, что увеличивает долю их гетеросочетания.

Также нами изучено влияние природы окислительного реагента на протекание реакции на примере сочетания α-карбанионов 2-метилпропаноата и бутаноата лития. В аналогичных условиях проведено гетеросочетание α-карбанионов 2-метилпропаноата (2а) и бутаноата (2б) лития под действием различных окислительных реагентов ([O]): 1,2-дибром- (3a), 1,2-дииодэтана (3б), тетрахлор- (7а), тетрабромметана (7б), N,N-диэтил-N-хлор- (8a), N,N-диэтил-N-бромаминa (8б) и иода (9) (схема 3).

Полученные результаты (табл. 2) показывают, что селективность образования продуктов гомо- и гетеросочетания в целом мало зависит от природы окислительного реагента. Исключение составляют 1,2-дибром- (3a) и 1,2-дииодэтан (3б), в случае которых разница в селективности образования продуктов гомо- и гетеросочетания несколько ниже, чем в других случаях.

На примере α-карбанионов 2-метилпропаноата (2а) и бутаноата (2б) лития проведено исследование влияния соотношения сочетающихся под действием 1,2-дибромэтана 3а α-карбанионов ацилатов лития на селективность образования продуктов гомо- и гетеросочетания (табл. 3). Установлено, что выходы продуктов гомо- и гетеросочетания зависят от мольного соотношения α-карбанионов ацилатов лития, что позволяет влиять на селективность образования этих продуктов.

Выводы

Таким образом, в результате исследования реакций окислительного гетеросочетания третичного α-карбаниона 2-метилпропаноата лития и вторичных α-карбанионов ацилатов лития выявлено влияние строения окислителя (1,2-дибромэтана и других) и сочетающихся третичного и вторичных α-карбанионов, а также их соотношения, на селективность образования продуктов гомо- и гетеросочетания.

Экспериментальная часть

В работе использовали соединения с чистотой не менее 99% (Sigma-Aldrich, Merk, Fluka, Acros и др.). Спектры ЯМР записаны на спектрометрах Bruker AMХ300 [300 (¹Н), 75.47 МГц (¹³С)] и АV500 [500 (¹Н), 125.76 МГц (¹³С)] относительно ТМС, в качестве растворителя использовали смесь СDCl₃–CF₃COOH. Хроматографический анализ выполнен на программно-аппаратном комплексе Хроматэк-Кристалл 5000.2 с пламенно-ионизационным детектором, газ-носитель – гелий (1.1 мл/мин), капиллярная колонка Restek RTX-5 (30 м×0.25 мм×0.25 мкм). Использовали программированный температурный режим: 50–270°C, скорость подъема температуры 10 или 20 град/мин. Хромато-масс-спектральный анализ проведен на приборе GCMS-QP2010S Shimadzu (Япония), электронная ионизация при 70 эВ. Использовали капиллярную колонку HP-1MS (30 м×0.25 мм×0.25 мкм), температура испарителя – 280°C, температура ионизационной камеры – 200°C. Анализ проводили в режиме программирования температуры от 50 до 280°C со скоростью 10 град/мин, газ-носитель – гелий (1.1 мл/мин).

Таблица 3. Выходы продуктов окислительного сочетания^а α-карбанионов бутаноата (2a) и 2-метилпропаноата лития (2б) под действием 1,2-дибромэтана при различных соотношениях реагентов 2a:2б.

^а 20–25°С, растворитель – ТГФ, инертная атмосфера (Ar), 2 ч.

Окислительное гетеросочетание α-карбаниона 2-метилпропаноата и вторичных α-карбанионов ацилатов лития под действием 1,2-дибромэтана. В трехгорлую колбу, снабженную магнитной мешалкой, термометром и газоподводящей трубкой, в атмосфере аргона помещали 0.01 моль LDA в 30 мл абсолютного ТГФ и охлаждали до 0–5°С на ледяной бане. Затем, при перемешивании прибавляли растворы (0.0025 моль) кислот А (2a–д) и В (2б–е) в 20 мл ТГФ. Реакционную смесь нагревали до 35–40°С и перемешивали 30–40 мин. После охлаждения до 20–25°С добавляли 0.0025 моль 1,2-дибромэтана 3a и перемешивали в течение 2 ч. После завершения реакции в реакционную смесь добавляли 30–40 мл дистиллированной воды. Водный слой обрабатывали соляной кислотой до рН = 1 и экстрагировали диэтиловым эфиром (3×30 мл). Эфирные вытяжки сушили Na₂SO₄. После упаривания эфира получали смеси кристаллов дикарбоновых кислот 4a–е, 5a–д – продуктов гомо- и гетеросочетания, которые анализировали методом ГЖХ в присутствии тетрадекана в качестве внутреннего стандарта, разделяли с помощью колоночной хроматографии (элюент – гексан–этилацетат, 9:1) и идентифицировали методами спектроскопии ЯМР ¹Н и ¹³С и ХМС. Аналогично проводили опыты при соотношении реагентов 2a:2б:3a = 1:3:2, 3:1:2. Спектральные характеристики ЯМР ¹Н и ¹³С продуктов гомосочетания 4a–е и соединения 5а совпадают с описанными в литературе [5, 6].

2,2-Диметил-3-пропилянтарная кислота (5б). Спектр ЯМР ¹Н, δ, м. д.: 0.84 т (3Н, СН₃, J 7.2 Гц), 1.05 c (3Н, СН₃), 1.09 c (3Н, СН₃), 1.05–1.55 м (2Н, СН₂), 1.39–1.68 м (2Н, СН₂), 2.50 c (1Н, СН). Спектр ЯМР ¹³С, δ_С, м. д.: 13.18 (СН₃), 21.90 (СН₃), 22.35 (СН₂), 22.83 (СН₃), 30.20 (СН₂), 45.07 (С), 52.67 (СН), 182.27 (С=O), 184.84 (С=O). Масс-спектр, m/z (I_отн., %): 100 (11), 98 (42), 83 (16), 70 (17), 69 (100), 56 (35), 55 (23), 41 (62), 39 (20), 32 (8).

2,2-Диметил-3-бутилянтарная кислота (5в). Спектр ЯМР ¹Н, δ, м. д.: 0.91 т (3Н, СН₃, J 7.2 Гц), 1.29 c (3Н, СН₃), 1.30 c (3Н, СН₃), 1.22–1.67 м (4Н, СН₂), 1.55–1.99 м (2Н, СН₂), 2.63–2.80 м (1Н, СН). Спектр ЯМР ¹³С, δ_С, м. д.: 13.28 (СН₃), 21.84 (СН₃), 22.53 (СН₂), 22.89 (СН₃), 27.77 (СН₂), 30.41 (СН₂), 45.09 (С), 52.85 (СН), 182.18 (С=O), 184.75 (С=O). Масс-спектр, m/z (I_отн., %): 112 (34), 84 (15), 83 (13), 70 (24), 69 (100), 57 (23), 56 (59), 55 (33), 41 (67), 39 (19).

2,2-Диметил-3-пентилянтарная кислота (5г). Спектр ЯМР ¹Н, δ, м. д.: 0.88 т (3Н, СН₃, J 7.2 Гц), 1.27 c (3Н, СН₃), 1.29 c (3Н, СН₃), 1.16–1.54 м (6Н, СН₂), 1.55–1.76 м (2Н, СН₂), 2.67–2.73 м (1Н, СН). Спектр ЯМР ¹³С, δ_С, м. д.: 12.87 (СН₃), 21.37 (СН₃), 21.91 (СН₂), 22.33 (СН₃), 25.21 (СН₂), 28.32 (СН₂), 30.96 (СН₂), 44.68 (С), 52.59 (СН), 181.79 (С=O), 184.42 (С=O). Масс-спектр, m/z (I_отн., %): 126 (30), 84 (16), 83 (17), 70 (26), 69 (100), 57 (22), 56 (66), 55 (34), 41 (72), 39 (17).

2,2-Диметил-3-фенилянтарная кислота (5д). Спектр ЯМР ¹Н, δ, м. д.: 1.23 c (3Н, СН₃), 1.38 c (3Н, СН₃), 4.27 c (1Н, СН), 7.24–7.30 м (1Н, СН_Ar), 7.31–7.38 м (2Н, СН_Ar), 7.38–7.42 м (2Н, СН_Ar). Спектр ЯМР ¹³С, δ_С, м. д.: 19.49 (СН₃), 25.41 (СН₃), 44.94 (С), 57.28 (СН), 127.85 (2СН_Ar), 128.37 (СН_Ar), 128.95 (2СН_Ar), 136.45 (С_Ar), 181.30 (С=O), 185.06 (С=O). Масс-спектр, m/z (I_отн., %): 133 (12), 132 (100), 131 (9), 118 (10), 117 (82), 115 (22), 91 (23), 65 (13), 51 (10), 39 (14).

Окислительное сочетание α-карбанионов 2-метилпропаноата и бутаноата лития под действием различных реагентов. В трехгорлую колбу, снабженную магнитной мешалкой, термометром и газоподводящей трубкой, в атмосфере аргона помещали 0.01 моль диизопропиламида лития в 30 мл тетрагидрофурана и охлаждали до 0–5°С на ледяной бане. Затем при перемешивании подавали раствор 0.0025 моль 2-метилпропановой (1а) и 0.0025 моль бутановой (1б) кислот в 20 мл абсолютного тетрагидрофурана. Реакционную смесь нагревали до 35–40°С и перемешивали 30–40 мин. После охлаждения до 20–25°С добавляли в реакционную смесь 0.0025 моль 1,2-дииодэтана 3б [или 0.0025 моль тетрахлор- (7а), тетрабромметана (7б), 0.005 моль N,N-диэтил-N-хлор- (8a), N,N-диэтил-N-бромамина (8б), иода (9)] и перемешивали в течение 2 ч. После завершения реакции в реакционную смесь добавляли 30–40 мл дистиллированной воды. Водный слой обрабатывали соляной кислотой до рН = 1 и экстрагировали диэтиловым эфиром (3×30 мл). Эфирные вытяжки сушили Na₂SO₄. После упаривания эфира получали смеси кристаллов дикарбоновых кислот 4a, 4б, 5a, которые анализировали методами ГЖХ, спектроскопии ЯМР ¹Н, ¹³С и ХМС.

Финансовая поддержка

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Sobre autores

А. Zorin

Autor responsável pela correspondência
Email: chemist.518@mail.ru
Rússia, Ufa, 450062

A. Zaynasheva

Email: chemist.518@mail.ru
Rússia, Ufa, 450062

V. Zorin

Email: chemist.518@mail.ru
Rússia, Ufa, 450062

Bibliografia

Arquivos suplementares

Arquivos suplementares

Ação

1. JATS XML

Baixar

2. Scheme 1.

Baixar (119KB)

Metadados

3. Scheme 2.

Baixar (39KB)

Metadados

4. Scheme 3.

Baixar (49KB)

Metadados

5. Table 1-1-4a

Baixar (20KB)

Metadados

6. Table 1-1-4b

Baixar (21KB)

Metadados

7. Table 1-1-5a

Baixar (20KB)

Metadados

8. Table 1-2-4a

Baixar (20KB)

Metadados

9. Table 1-2-4c

Baixar (21KB)

Metadados

10. Table 1-2-5b

Baixar (20KB)

Metadados

11. Table 1-3-4a

Baixar (20KB)

Metadados

12. Table 1-3-4g

Baixar (22KB)

Metadados

13. Table 1-3-5c

Baixar (22KB)

Metadados

14. Table 1-4-4a

Baixar (20KB)

Metadados

15. Table 1-4-4d

Baixar (24KB)

Metadados

16. Table 1-4-5g

Baixar (22KB)

Metadados

17. Table 1-5-4a

Baixar (20KB)

Metadados

18. Table 1-5-4e

Baixar (25KB)

Metadados

19. Table 1-5-5d

Baixar (23KB)

Metadados

20. Table 2-4 a

Baixar (20KB)

Metadados

21. Table 2-4 b

Baixar (20KB)

Metadados

22. Table 2-5a

Baixar (20KB)

Metadados

23. Table 3-4 a

Baixar (20KB)

Metadados

24. Table 3-4b

Baixar (20KB)

Metadados

25. Table 3-5a

Baixar (20KB)

Metadados