REGIO- I STEREOSELEKTYWNOŚĆ [2+3] CYKLOADDYCJI α-podstawionych NITROETENÓW Z 1,3-DIPOLAMI PROPARGILO-ALLENOWEGO I ALLILOWEGO TYPU

Transkrypt

1 ADMI JASIŃSKI, MAIA MIKULSKA, JA SA, ADZEJ BAAŃSKI EGI- I STEESELEKTYWŚĆ [2] YKLADDYJI α-pdstawiy ITETEÓW Z,-DIPLAMI PPAGIL-ALLEWEG I ALLILWEG TYPU EGI-AD STEESELETIVITY F [2] YLADDITI F α-substituted ITETEES WIT,-DIPLES PPAGYL-ALLEE AD ALLYL TYPE Streszczenie Abstract W artykule przeprowadzono krytyczną analizę danych literaturowych dotyczących regioi stereoselektywności reakcji [2] cykloaddycji z udziałem α-podstawionych nitroetenów. Słowa kluczowe: [2] cykloaddycja, nitroalkeny, regioselektywność, stereoselektywność The paper is a critical review of available literature data about regio- and stereoselectivity of [2] cycloaddition reactions of α-substituted nitroethenes. Keywords: cycloaddition, nitroalkenes, regioselectivity, stereoselectivity Dr inż. adomir Jasiński, mgr inż. Maria Mikulska, inż. Jan Socha (student), prof. dr hab. inż. Andrzej Barański, prof. PK, Instytut hemii i Technologii rganicznej, Wydział Inżynierii i Technologii hemicznej, Politechnika Krakowska.

2 54. Wstęp Liczba znanych α-podstawionych analogów nitroetenu jest znacznie mniejsza niż analogów β-podstawionych oraz α,β- i β,β-dipodstawionych [,2]. Zdecydowanie słabiej poznane są także ich fizykochemiczne właściwości [ ]. Z jednej strony wynika to z faktu, że synteza α-podstawionych nitroetenów jest generalnie bardziej złożona. Z drugiej strony jest skutkiem wysokiej ich reaktywności. awet najsłabiej elektrofilowe w tej grupie α-alkilonitroeteny [4], jakkolwiek izolowane w postaci indywiduów chemicznych, łatwo ulegają izomeryzacji [5 9] i polimeryzacji [0, ]. Silnie elektrofilowe α-podstawione nitroeteny (jak np. gem-dinitroeten, α-karboetoksynitroeten czy α-fenylosulfonylo-nitroeten) w ogóle nie są znane jako trwałe połączenia [2 5]. iniejszy artykuł jest kontynuacją naszych systematycznych studiów dotyczących fizykochemii α-podstawionych nitroetenów. Poprzednio [2, 6] omówiliśmy dostępne w piśmiennictwie chemicznym metody ich syntezy. becnie postanowiliśmy przedyskutować dane dotyczące regio- i stereoselektywności reakcji α-podstawionych nitroetenów z,-dipolami. eakcje te realizują się wg schematu [2] cykloaddycji [7], która jest obecnie najbardziej uniwersalną metodą syntezy pięcioczłonowych połączeń heterocyklicznych [8 2]. iestety, nie były one jak dotąd przedmiotem studiów literaturowych. 2. eakcje [2] cykloaddycji α-podstawionych nitroetenów z,-dipolami typu propargilo-allenowego Spośród znanych,-dipoli typu propargilo-allenowego [7] jedynie niektóre testowane były w roli komponentów reakcji cykloaddycji z α-podstawionymi nitroetenami. W szczególności brak jest jakichkolwiek danych na temat tego rodzaju reakcji z udziałem nitrylimin, nitrylidów czy podtlenku azotu. biektami badań były natomiast [2] cykloaddycje α-podstawionych nitroetenów z -tlenkami nitryli, diazozwiązkami oraz azydkami. Schemat 2-6 Ar 7-2 Ar Ar 25-6 () = (2) = 2 () = 2 2 (4) =( 2 ) 2 2 (5) =( 2 ) (6) = 6 (7) Ar= 6 (8) Ar=p (9) Ar=p- 6 4 (0) Ar=p-l 6 4 () Ar=p-Br 6 4 (2) Ar=p (,25) =, Ar= 6 (4,26) = 2, Ar= 6 (5,27) = 2 2, Ar= 6 (6,28) =( 2 ) 2 2, Ar= 6 (7,29) =( 2 ), Ar= 6 (8,0) =Ar= 6 (9,) =, Ar=p- 6 4 (20,2) =, Ar=p (2,) = 6, Ar=p- 6 4 (22,4) = 6, Ar=p- 6 4 (2,5) = 6, Ar=p-l 6 4 (24,6) = 6, Ar=p-Br 6 4

3 I tak autorzy prac [24 28] ustalili, że [2] cykloaddycje α-alkilonitroetenów -5 oraz α-fenylonitroetenu (6) z -tlenkiem benzonitrylu (7) przebiegają w sposób regiospecyficzny (Schemat ). W reakcjach tych tworzą się nietrwałe 2-arylo-5-nitro-5--Δ 2 -izoksazoliny (4-8), które w warunkach reakcji ulegają dehydronitrowaniu dając odpowiednie,5-dipodstawione izoksazole. egioselektywność reakcji Autorzy przytoczonych doniesień tłumaczą wpływem czynników sterycznych. W podobny sposób realizują się reakcje α-metylonitroetenu [24] oraz α-fenylonitroetenu [26] z p-podstawionymi tlenkami benzonitrylu (8-2). 2-Arylo-5-nitro-5--Δ 2 -izoksazoliny powstają także w reakcjach z α-chloro- (7) i α-bromonitroetenów (8) z -tlenkiem benzonitrylu 7 [27] (Schemat 2). W tym jednak przypadku pierwotne [2] cykloaddukty 9 i 40 ulegają spontanicznej eliminacji cząsteczki l lub Br. Schemat , ,40 2 -X (7,9) =l (8,40) =Br egiospecyficzne są również [2] cykloaddycje α-metylonitroetenu z azydkami metylu (42) i fenylu (4) [8]. Prowadzą one do --5-metylo-5-nitro-Δ -triazolin (44,45) ulegających spontanicznej aromatyzacji na drodze dehydronitrowania (Schemat ). Schemat 2 42,4 44, ,47 (42,44,46) = (4,45,47) = 6 Z kolei w reakcji gem-dinitroetenu (48) z diazometanem (49) powstają -tlenek -nitro-δ 2 -izoksazoliny (52) oraz gem-dinitrocyklopropan (5) [29] (Schemat 4). becność w masie poreakcyjnej -tlenku 52 sugeruje, że pierwotnym produktem reakcji była 5,5-dinitro-Δ -pirazolina (50). Wiadomo bowiem [2], że Δ -pirazoliny stosunkowo łatwo ulegają eliminacji cząsteczki 2. Prawdopodobnie reakcja przebiega przez zwitterionowy intermediat 5, który ulega następnie wewnątrzcząsteczkowemu -alkilowaniu do -tlenku 52 i/lub -alkilowaniu do cyklopropanu 5. Wskazują na to obliczenia BLYP/6-g(d) hiperpowierzchni energii potencjalnej reakcji [0]. egioselektywność [2] cykloaddycji 4849 jest zgodna z empiryczną regułą Auwersa [], która mówi, że przebieg reakcji diazozwiązków z alkenami powinien być zdeterminowany atakiem nukleofilowego atomu węgla fragmentu > diazoalkanu na silniej elektrofilowy atom węgla fragmentu winylowego dipolarofila.

4 56 Schemat egiospecyficznie realizują się również [2] cykloaddycje dinitroetenu 48 do innych diazozwiązków. I tak, podobnie jak w reakcji 4849, pierwotnymi produktami [2] cykloaddycji dinitroetenu 48 z diazoketonami 54,55 i karboetoksydiazometanem (56) są odpowiednie 5,5-dinitropirazoliny (57-59) [2, ] (Schemat 5). Pirazoliny te w warunkach reakcji ulegają zarówno reakcjom eliminacji 2, jak i eliminacji cząsteczki 2, dając dinitrocyklopropany 69-7 oraz nitropirazole ależy nadmienić, że druga z wymienionych reakcji ma złożony przebieg. W pierwszym jej etapie tworzą się ---5-nitropirazole 60-62, które następnie ulegają przegrupowaniu do -pirazoli (66-68) wg mechanizmu zaproponowanego przez Van Alphena [4]. Schemat (54,57,60,6,66,69) = (55,58,6,64,67,70) = 6 (56,59,62,65,68,7) = 2 Z mas poreakcyjnych nie udaje się również wyizolować pierwotnych produktów [2] cykloaddycji dinitroetenu 48 z dipodstawionymi diazometanami [, 5, 6] (Schemat 6). We wszystkich przypadkach produktami tymi są prawdopodobnie oczekiwane 5,5-dinitropirazoliny, które w warunkach reakcji ulegają podobnym przemianom jak opisane wyżej pirazoliny 50,57-59.

5 Schemat 6 57 ' 2 87,88 = ' = 6, - ' ' ' = 2 ' =, 2 6, 2 2 ' (72,77,82,87) = = 6 (7,78,8,88) = = (74,79,84,89) =, = 2 (75,80,85,90) = 2 6, = 2 (76,8,86,9) = = 2. eakcje [2] cykloaddycji α-podstawionych nitroetenów z,-dipolami typu allilowego Zdecydowana większość znanych,-dipoli ma strukturę typu allilowego [7]. Jednak jedynie nieliczne testowano w roli komponentów reakcji z α-podstawionymi nitroetenami. I tak, w pracy [7] opisano regio- i stereoselektwność [2] cykloaddycji α-metylonitroetenu z azometynoylidem 92. eakcja ta prowadzi do mieszaniny wszystkich teoretycznie możliwych regio- i stereoizomerycznych adduktów 9-96 w stosunku :2:8:77. iestety autorzy nie podejmują próby intepretacji regioselektywności tej cykloaddycji. atomiast stereoseletywność tłumaczą skutkiem stabilizujących, wtórnych oddziaływań p z orbitali [8] na atomach grup nitrowej oraz estrowej. Z kolei autorzy pracy [9] analizowali przebieg [2] cykloaddycji nitroalkenu z,-dipolem 97 będący w swej chemicznej naturze analogiem trimetylenometanu (Schemat 8). eakcja ta przebiega w sposób periselektywny i prowadzi do mieszaniny izomerów 98 i 99, w stosunku 7:. bserwowana selektywność zdeterminowana jest najprawdopodobniej stabilizującymi oddziaływaniami p z orbitali zlokalizowanych na grupie nitrowej oraz atomie tlenu heterocyklicznego pierścienia.

6 58 Schemat Schemat ieco więcej doniesień dotyczy [2] cykloaddycji α-podstawionych nitroetenów z nitronami (Schemat 9). Autorzy prac [40,4] ustalili, że reakcja α-metylonitroetenu z -tlenkiem 00 realizuje się w sposób regio- i stereoselektywny prowadząc do mieszaniny nitroizoksazolidyn 0, 02 i 0 w stosunku 7:9:. egioselektywność reakcji autorzy objaśniają na gruncie teorii frontalnych molekularnych orbitali (FM) [42]. Jej stereoselektywność jest natomiast konsekwencją stabilizujących oddziaływań p z orbitali zlokalizowanych na atomie azotu i endocyklicznym atomie tlenu,-dipola z p z orbitalami zlokalizowanymi na atomach tlenu grupy nitrowej.

7 Schemat ) - 2 2) Z kolei pierwotnymi produktami [2] cykloaddycji nitroalkenu z Z-,-difenylonitronem (04) są regio- i stereoizomeryczne cykloaddukty:,4-trans-2,-difenylo-4-metylo-4-nitroizoksazolidyna (05) oraz,5-trans-2,-difenylo-5-metylo-5-nitroizoksazolidyna (06) [5] (Schemat 0). Drugi z wymienionych produktów w warunkach reakcji ulega konwersji do,5-trans-2,-difenylo-5-metylo-5-hydroksyizoksazolidyny (07). Schemat egioselektywność tej reakcji jest skutkiem konkurencji dwu czynników z jednej strony oddziaływań FM [4] (których charakter sprzyja tworzeniu się 4-nitroizoksazolidyn), z drugiej zaś efektów sterycznych (które sprzyjają tworzeniu się 5-nitroizoksazolidyn). Żaden z tych efektów zdecydowanie nie przeważa. Z kolei na stereoselektywność decydujący wpływ mają efekty steryczne. ząsteczki addentów dążą bowiem do przyjęcia takich orientacji w kompleksie przejściowym reakcji, w których grupa nitrowa i pierścień fenylowy w położeniu znajdą się po przeciwnych stronach pierścienia azolidynowego. egio- i stereoselektywność tej reakcji dobrze oddają wyniki symulacji ścieżek reakcyjnych za pomocą algorytmu BLYP/6-g(d) [44].

8 60 Tabela Warunki i wydajności reakcji α-podstawionych nitroetenów z,-dipolami itroalken,-dipol Warunki reakcji Produkt(y) (wydajność) Literatura 7 25, eter dietylowy, 2 h 25 (4 56%) [24, 27] 0, toluen, 2 h 25 (8%) [25] 8 25, eter dietylowy, 2 h (5%) [24] 2 25, eter dietylowy, 2 h 2 (72%) [24] 0, toluen, 28 h 2 (5%) [25] 42 60, benzen, 7 h 46 (b.d) [8] 4 70, benzen, 9 h 47 (b.d) [8] 92 25, eter dietylowy 9(2%), 94(0%), 95(6%), 96 (62%) [7] 97 70,,5 h 98 (59%), 99 (25%) [9] 00 40, chlorek metylenu, 4 h 0 (7%), 02 (9%), 0 (2%) [40, 4] 04 25, acetonitryl, 24 h 05 (5%), 07(2%) [5] , eter dietylowy, 2 h 26 (46%) [27] 7 25, eter dietylowy/tf 27 (b.d.) [28] , eter dietylowy/tf 28 (b.d.) [28] , eter dietylowy/tf 29 (b.d.) [28] 7 0 5, eter dietylowy, 2h (70%) [26] 8 0 5, eter dietylowy, 2 h (44%) [26] , eter dietylowy, 2 h 4 (40%) [26] 0 0 5, eter dietylowy, 2 h 5 (7%) [26] 0 5, eter dietylowy, 2 h 6 (80%) [26] , eter dietylowy, 2 h 4 (44%) [27] 04 25, toluen, 24 h 05 (%), 07 (57%) [45] , eter dietylowy, 2 h 4 (48%) [27] 49 5, benzen,,5 h 52 (2%), 5 (62%) [29] , benzen, 6 h 69 (65%) [2] 60, benzen, 6 h 66 (42%), 69 (8%) [] , benzen, 6 h 70 (76%) [2] 55 60, benzen, 6 h 67 (0%), 70 (40%) [] , benzen, 6 h 7 (47%) [2] 4, eter dietylowy, 9 h 68 (5%), 7 (4%) [] , eter dietylowy, h 87 (80%) [5] 50 55, eter naftowy, 4 h 87 (80%) [6] 8 20, eter dietylowy, 7 24 h 88 (84%) [5] 4, eter dietylowy, 6 h 88 (84%) [6] 74 4, eter dietylowy, 6 h 89 (56%) [] 75 80, benzen, 0h 90 (5%) [] 76 2, chlorobenzen, 4h 9 (5%) [] b.d. brak danych

9 W podobnej reakcji α-chloronitroetenu 7 z difenylonitronem 04 powstaje mieszanina stereoizomerycznych,4-cis- i,4-trans 2,-difenylo-4-chloro-4-nitroizoksazolidyn (08 i 09) w stosunku ok. :2 [45] (Schemat 0). óżnica elektrofilowości addentów jest w tym przypadku większa niż w reakcji 04 [4]. Dlatego to właśnie czynniki elektronowe posiadają decydujący wpływ kierunek cykloprzyłączenia. Jest on zdeterminowany atakiem silnie nukleofilowego atomu tlenu fragmentu nitronu [46] na aktywowaną pozycję β nitroalkenu [47]. ddziaływania takie stymulują powstawanie 4-nitroizoksazolidyn 08 i 09. Także w tym przypadku wyniki symulacji ścieżek reakcyjnych z wykorzystaniem algorytmu BLYP/6-g(d) dają doskonałe korelacje z danymi eksperymentalnymi [45, 47]. Schemat 6 6 l l l 6 09 Tymi danymi zamykają się dostępne (wg danych na rok 202) w hemical Abstract informacje na temat [2] cykloaddycji α-podstawionych nitroetenów z,-dipolami. W tabeli przytoczono najbardziej istotne informacje dotyczące tych reakcji. 4. Wnioski Jak wynika z przedyskutowanego materiału, znacząca większość [2] cykloaddycji α--nitroetenów realizuje się w sposób wysokoselektywny. bserwowana selektywność daje się objaśnić wpływem czynników elektronowych i sterycznych. iestety, w rozlicznych przypadkach pierwotne produkty cykloaddycji nie należą do trwałych połączeń. Dotyczy to zwłaszcza tych połączeń, które w wyniku eliminacji małych cząsteczek ( 2, 2, X) mogą ulec konwersji w stabilniejsze termodynamicznie związki cykliczne. ależy nadmienić, że [2] cykloaddycje α--nitroetenów cieszą się w ostatnim czasie rosnącym zainteresowaniem chemików organików. Uwagę zwracają m.in. opublikowane niedawno kwantowochemiczne studia reakcji gem-dinitroetenu z ozonem [48] i azydkiem metylu [49]. Tak więc w najbliższych latach arsenał wiedzy dotyczący tytułowych reakcji powinien doczekać się istotnego poszerzenia.

10 62 Literatura [] Perekalin V.V., Sopova A.S., epredelnye nitrosoedinenya, Moskwa 966. [2] Jasiński., Mikulska M., Barański A., hemik, 62, 54, [] Perekalin V.V., Lipina E.S., Berestovitskaya V.M., Efremov D.A., itroalkenes: onjugated itroalkenes, Wiley, ew York 994. [4] Barański A., Jasiński., holewka E., w: Postępy w inżynierii i technologii chemicznej (Ed.: Z. Kowalski), racov University of Technology 20. [5] Jasiński., Mikulska M., Barański A., Slov. him. Acta., 58, 4, 20. [6] esse G., Jäger V., Liebigs Ann. hem., 740, 79, 970. [7] esse G., Jäger V., Liebigs Ann. hem., 740, 85, 970. [8] ailleux P., Piet J.., Benhaoua., arrie., Bull. Soc. him. Belg., 05, 45, 996. [9] Lešeticky L., Fidler V., Procházka M., oll. zech. hem. ommun., 8, 459, 97. [0] Buckley G.D., Scaife.W., J. hem. Soc., 47, 947. [] Blomquist A.T., Tapp W.J., Johnson J.., J. Am. hem. Soc., 67, 59, 945. [2] Zeldin L., Shechter., J. Am. hem. Soc., 79, 4708, 957. [] Gold M.., amel E.E., Klager K., J. rg. hem., 22, 665, 957. [4] ovikov S.S., Shvekhgeimer G.A., Dudinskaya A.A., Izv. Akad. auk SSS (Khimya), 690, 96. [5] Wade P.A., Murray Jr. J.K., Shah-Patel S., Lee.T., hem. ommun., 090, [6] Mikulska M., Jasiński., Barański A., Izv. VUZ Khim. & Khim Tekhnol., 52,, [7] uisgen., in:,-dipolar ycloaddition hemistry, (Ed. A. Padwa), Wiley Interscience, ew York 984. [8] uisgen., hem. Pharm. Bull., 48, 757, [9] Frederickson M., Tetrahedron, 5, 40, 997. [20] Motorina I.A., Sviridova L.A., Khim. Geteroskl. Soed., 829, 992. [2] Barański A., Kelarev V.I., Khim. Geteroskl. Soed., 45, 992. [22] Barański A., Jasiński., Wiad. hem., 56, 829, [2] Boyer J.., itroazoles: the -itro Derivatives of - and - Five-membered eterocycles, V, Berlin 986. [24] Shvekhgeimer G.A., Barański A., Grzegożek M., Synthesis, 62, 976. [25] Barański A., Polish J. hem., 59, 605, 985. [26] Barański A., Polish J. hem., 60, 49, 986. [27] Barański A., Polish J. hem., 56, 585, 982. [28] Mühlastädt M., Schultze B., J. Prakt. hem.,, 745, 97. [29] Budynina E.M., Averina E.B., Ivanova.A., Yashin.V., Kuznetsova T.S., Zefirov.S., Synthesis, 6, 2609, [0] Jasiński., Tetrahedron, 69, 927, 20. [] Auwers K., Ungemach., Ber., 66, 205, 9. [2] Gabitov F.A., Fridman A.L., Surkov W.D., Zh. rg. Khim., 8, 2457, 972. [] Ivanova.A., Budynina E.M., Averina E.B., Kuznetsova T.S., Grishin Y.K., Zefirov.S., Synthesis,, 2009, [4] Alphen J. Van, ec. Trav. him., 62, 485, 94. [5] Gabitov F.A., Fridman A.L., ikolayeva A.D., Zh. rg. Khim., 7, 09, 97. [6] Gabitov F.A., Fridman A.L., Patent S.U , 972. [7] Felluga F., Pitacco G., Visintin., Valentin E., elv. him. Acta, 80, 457, 997.

11 [8] Ginsburg D., Tetrahedron, 9, 2095, 98. [9] Yamago S., Ejiri S., akamara M., akamara E., J. Am. hem. Soc., 5, 544, 99. [40] Kokulovsky., Dirat., Berranger T., Langlois Y., Tran-uu-Dau M.E., iche., J. rg. hem., 6, 52, 998. [4] Voituriez A., Moulinas J., Kouklovsky., Langlois Y., Synthesis, 9, 49, 200. [42] Fleming I., Frontier rbitals and rganic hemical eactions, Wiley, hichester 976. [4] Jasiński., iężkowska A., Lyubimcev A., Barański A., Khim. Geterotskl. Soed., 24, [44] Jasiński., Wąsik K., Mikulska M., Barański A., J. Phys. rg. hem., 22, 77, [45] Jasiński., Mikulska M., materiały 50 Zjazdu PThem, Toruń 2007, 2. [46] Jasiński., Koifman., Barański A., Mendeleev ommun., 2, 262, 20. [47] Socha J., Mikulska M., Michorczyk P., Jasiński., Barański A., materiały 5 Zjazdu PThem, s. 279, Gliwice 200. [48] Kharbuli A.M., Lyngdoh..D., J. Mol. Struct. (Theohem), 860, 50, [49] antillo D., Avalos M., Babiano., intas P., Jimenez J.L., Palacios J.., J. Phys. rg. hem., 25, 77,