ОКИСЛИТЕЛЬНАЯ ФУНКИОНАЛИЗАЦИЯ C(SP3)-H ФРАГМЕНТА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПЕРОКСИДОВ Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

УДК: 547-39

Корнеева К.О., Виль В.А., Терентьев А.О.

ОКИСЛИТЕЛЬНАЯ ФУНКИОНАЛИЗАЦИЯ C(SP3)-H ФРАГМЕНТА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПЕРОКСИДОВ

Корнеева Катерина Олеговна, магистрант 1 года кафедры химии и технологии биомедицинских препаратов Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20 e-mail: korneevacatherine@gmail.com;

Виль Вера Андреевна, к.х.н., м.н.с., Институт органической химии им. Н.Д. Зелинского РАН, 119991, Ленинский просп., 47, Москва, Россия

Терентьев Александр Олегович, д.х.н., член-корр. РАН, профессор РАН, заведующий лабораторией Института органической химии им. Н.Д. Зелинского РАН, 119991, Ленинский просп., 47, Москва, Россия

Проведен начальный этап исследований окислительной функционализации ^sp3)-H фрагмента с использованием органических пероксидов. Окислительное кросс-сочетание представляет большой интерес поскольку образование новой химической связи происходит с высокой атомной эффективностью и не требует дополнительных стадий синтеза для введения функциональных групп в молекулы. Осуществление селективного окислительного кросс-сочетания с ^sp3)-H фрагментом представляет собой сложную задачу из-за возможности образования побочных продуктов окисления других находящихся в молекуле С-Н связей.

Ключевые слова: С-H функционализация; образование C-O связи; окислительное кросс-сочетание; диацилпероксиды; малонил пероксиды.

OXIDATIVE FUNCIONALIZATION OF C(SP3) -H FRAGMENT USING PEROXIDES

Korneeva K.O., Vil' V.A.*, Terent'ev A.O.*

D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, 125047, Miusskaya sq., 9, Moscow, Russia.

*N. D. Zelinsky Institute of Organic Chemistry, Russian Academy of Sciences, 119991, Leninsky prosp., 47, Moscow,

Russia

The initial stage of investigation of the oxidative functionalization of the C (sp3)-H fragment with the use of organic peroxides was carried out. Oxidative cross-coupling is of great interest since the formation of a new chemical bond occurs with high atomic efficiency and does not require additional synthesis steps for the introduction of functional groups into molecules. The selective oxidative cross-coupling with the C (sp3) -H fragment is challenge because of the possibility of formation of oxidation by-products of other C-H bonds present in the molecule.

Keywords: C-H functionalization; C-O bond formation; cross-dehydrogenative coupling; oxidative cross-coupling; diacyl peroxides; malonyl peroxides.

Окислительное кросс-сочетание

Разработка методов окислительного кросс-сочетания (oxidative cross-coupling или cross-dehydrogenative coupling (CDC)) является актуальным направлением современной

органической химии.

Формально реакции окислительного кросс-сочетания можно представить как соединение двух разных молекул новой связью при воздействии окислителя, протекающее с отщеплением атома водорода от каждой молекулы (схема 1) [1]. Также термин «реакции окислительного кросс-сочетания» применяют для описания родственных процессов при участии окислителей: например, окисление сразу нескольких C-H связей, отщепление от исходного реагента не только атома водорода, но и других фрагментов, присоединение по кратным C-C связям и т.п.

Окислительное кросс-сочетание может быть использовано для образования новой связи с высокой атомной эффективностью и не требует дополнительных стадий синтеза для введения функциональных групп (например, таких как -Hal, -BR2, -SiR3, -MgHal, -ZnHal) в молекулы, которые часто необходимы в других реакциях кросс-сочетания. Исходя из этого, окислительное сочетание является перспективным подходом для минимизации образования побочных продуктов и сокращения числа стадий синтеза [2,3].

Среди реакций окислительного кросс-сочетания наиболее изучены реакции С-С сочетания, в меньшей степени изучено C-O сочетание (схема 2). Исходное соединение, предоставляющее атом углерода для новой связи C-O, называется CH-реагентом или C-реагентом, а соединение, предоставляющее атом кислорода — OH-реагентом или O-реагентом [2].

Ш- H + H— А - В

-

Схема 1: Общая схема кросс-сочетания

41

41

1 1

и2—с

С-реагент (СН-реагент)

Окислитель

О-реагент (ОН-реагент)

Схема 2: Окислительное С-О кросс-сочетание

Диацилпероксиды и их использование в реакциях кросс-сочетания

Диацилпероксиды обладают довольно высокой реакционной способностью среди органических пероксидов. Они имеют преимущество перед надкислотами, так как способны окислять субстрат, избегая при этом побочных кислотно-катализируемых процессов. Объясняется такое преимущество отсутствием кислого протона при пероксидной группе.

В 60ых годах прошлого века в поле зрения химиков появились циклические диацилпероксиды -малонил пероксиды [4]. Долгое время химики занимались синтезом различных структур пероксидов данного класса и оптимизацией методов их получения [5,6]. Однако, в последние годы малонил пероксидам уделяется огромное внимание в связи с открытием интересных процессов с их участием.

В ходе исследования химических свойств малонил пероксидов было обнаружено, что они являются эффективными окислителями для син- и анти-дигидроксилирования алкенов.

Наиболее распространённым методом

дигидроксилирования алкенов является реакция, катализируемая тетраоксидом осмия, разработанная Шарплессом и его коллегами в 1994 году [7]. Несмотря на широкое применение этой реакции, токсичность осмия и высокий уровень неорганических отходов являются весомыми ограничениями, которые препятствуют использованию этой реакции в промышленных масштабах [2]. По этим причинам разработка методов дигидроксилирования без использования металлических катализаторов стала довольно привлекательной целью.

Было обнаружено, что циклопропил малоноилпероксид 1 способен селективно проводить син-дигидроксилирование алкенов без использования металлического катализатора (схема 3) [8].

Добавление 1 (1,2 экв.) к стиролу в присутствии 1 экв. воды приводит к образованию двух промежуточных эфиров 2 и 3 в соотношении примерно 1:1. Удаление растворителя с последующим щелочным гидролизом реакционной смеси приводит к диолу 5 (89%) и дикислоту 5 (87%).

(1.2 экв.)

H2O (1 экв.)

ОО2Н

РЬ]

ОО2Н

OH

4 (89%) ^ОО2Н

5

(87%)

дигидроксилирования алкенов (схема 4). Реакция алкена и пероксида 1 в присутствии безводной уксусной кислоты при 40 °С с последующим щелочным гидролизом приводит к

соответствующему диолу 6 (35-92%) с соотношением син и анти-изомеров до 13:1 [9].

R2

1. АсОН (2 экв.) ОН2С12

40°С, 24 ч. -*

2. 1 М водн. ЫаОН 60°С, 18 ч.

ОН

1Д— ОН

6

Схема 4. Лнти-дигидроксилирование алкенов малонил пероксидами

В 2016 году была открыта реакция С-0 сочетания 1,3-дикетонов с малонил пероксидами при катализе солями лантанидов (схема 5) [10].

О О

О-О

эЛЛс

катализатор растворитель

ОО

О^ОН

О

Схема 5. С-О сочетание 1,3-дикетонов с малонил пероксидами

Была получена многочисленная библиотека примеров различных продуктов такого сочетания; реакции проводили в присутствии катализатора -ЬаС13-7Н20 и этанола в качестве растворителя. Однако, для некоторых субстратов выходы продукта сочетания составили больше 90 процентов и без использования катализатора. Особенность этой реакции заключается в необычном поведении пероксида: атом кислорода пероксидной связи выступает связующим звеном двух молекул для образования продукта.

Также процесс окислительного С-0 сочетания малонил пероксидов была разработан с использованием в качестве субстратов различных производных пяти- и шестичленных К-содержащих гетероциклических соединений: 3Н-пиразол-3-онов, изоксазол-5(2Н)-онов, пиразолидин-3,5-дионов и барбитуровых кислот (схема 6) [11]. Ранее окисление таких субстратов ограничивалось преимущественно гидроксилированием и

образованием карбонильного фрагмента. Данная реакция позволила селективно получить продукты моно- и ди-сочетания со средними и высокими выходами (42-93%).

(3

Ы-Ы'

R1J

О-О О

)п

R3

Ы-Ы'

ОН

Схема 3. Син-дигидроксилирование алкенов малонил пероксидами

При участии малонил пероксидов также были разработаны селективные методы анти-

Схема 6. Окислительное сочетание N гетероциклических производных с малонил пероксидами на примере 3^пиразол-3-она

О

1

ОН

О

О

Ph

2

ОН

О

О

3

Дальнейшие исследования направлены на разработку нового метода селективного кросс-сочетания с диацилпероксидами по следующей схеме:

О

Схема 7. Общая схема проведения исследований

На основании полученных нами результатов и литературных данных можно предположить, что малонил пероксиды могут являться походящими окислителями для решения сложной задачи селективного окисления C(sp3)-H фрагмента. Возможность внедрения новой функциональной группы путем прямого преобразования связи C-H обеспечивает очень привлекательную стратегию в органическом синтезе из-за повсеместной природы данных связей в органических молекулах. Обнаружение новых способов сборки молекул с помощью прямых трансформаций C-H связей может открыть новую главу в органическом синтезе с множеством интересных возможностей.

Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РНФ (проект №18-13-00027).

Список литературы

1. Aiwen Lei, Wei Shi, Chao Liu, Wei Liu, Hua Zhang and Chuan He. Oxidative Cross-Coupling Reactions // Wiley VCH, Weinheim, 2016 - 229 pp.

2. Igor B. Krylov, Vera A. Vil', Alexander O. Terent'ev. Cross-dehydrogenative coupling for the intermolecular C-O bond formation // Beilstein journal of organic chemistry, 2015. - Vol.11. - P. 92-146.

3. Wenjun Lu, Lihong Zhou. Oxidation of C—H Bonds // John Wiley & Sons, Inc., 2017 - 508 pp.

4. Greene F. D. Cyclic Diacyl Peroxides. I. Monomeric Phthaloyl Peroxide 1 // Journal of the

American Chemical Society. - 1956. - T. 78, № 10. - C. 2246-2250.

5. Adam W., Rucktaeschel R. Cyclic peroxides. V.alpha.-Lactone intermediate via photodecarboxylation of a monomeric malonyl peroxide // Journal of the American Chemical Society. - 1971. - T. 93, № 2. - C. 557-559.

6. Darmon M. J., Schuster G. B. Thermal chemistry of cyclopropyl-substituted malonyl peroxides. A new chemiluminescent reaction // The Journal of Organic Chemistry. - 1982. - T. 47, № 24. - C. 4658-4664.

7. Zhi-Min Wang, Kiyomi Kakiuchi, and K. Barry Sharpless. Osmium-Catalyzed Asymmetric Dihydroxylation of Cyclic Cis-Disubstituted Olefins // The Journal of Organic Chemistry. - 1994. - T. 59, № 23. - C. 6895-6897.

8. Griffith J. C., Jones K. M., Picon S., Rawling M. J., Kariuki B. M., Campbell M., Tomkinson N. C. O. Alkene Syn Dihydroxylation with Malonoyl Peroxides // Journal of the American Chemical Society. - 2010. - T. 132, № 41. - C. 14409-14411.

9.Alamillo-Ferrer C., Davidson S. C., Rawling M. J., Theodoulou N. H., Campbell M., Humphreys P. G., Kennedy A. R., Tomkinson N. C. O. Alkene anti-Dihydroxylation with Malonoyl Peroxides // Organic Letters. - 2015. - T. 17, № 20. - C. 5132-5135.

10. Alexander O. Terent'ev, Vera A. Vil', Evgenii S. Gorlov, Gennady I. Nikishin, Kasimir K. Pivnitsky, and Waldemar Adam. Lanthanide-Catalyzed Oxyfunctionalization of 1,3-Diketones, Acetoacetic Esters, And Malonates by Oxidative C-O Coupling with Malonyl Peroxides // The Journal of Organic Chemistry. - 2016. - T.81, №3. - C. 810-823.

11. Alexander O. Terent'ev, Vera A. Vil', Evgenii S. Gorlov, Olga N. Rusina, Alexander A. Korlyukov, Gennady I. Nikishin and Waldemar Adam. Selective Oxidative Coupling of 3H-Pyrazol-3-ones, Isoxazol-5(2H)-ones, Pyrazolidine-3,5-diones, and Barbituric Acids with Malonyl Peroxides: An Effective C-O Functionalization // ChemistrySelect.2017. Vol. 2. P. 3334 - 3341.