CC BY
13
УДК 547.99
Пиргач Д.А., Мулина О.М., Терентьев А.О.
ПРОЦЕССЫ ОКИСЛИТЕЛЬНОГО C-S КРОСС-СОЧЕТАНИЯ, КАТАЛИЗИРУЕМЫЕ СОЛЯМИ МЕТАЛЛОВ ПЕРЕМЕННОЙ ВАЛЕНТНОСТИ
Пиргач Дмитрий Андреевич, студент 2 курса факультета химико-фармацевтических технологий и биомедицинских препаратов, Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, 125047, Миусская пл., 9, Москва, Россия, e-mail: dimapirgach@yandex.ru
Мулина Ольга Михайловна, аспирант, Институт органической химии им. Н.Д. Зелинского РАН, 119991, Ленинский просп., 47, Москва, Россия
Терентьев Александр Олегович, д.х.н., член-корр. РАН, заведующий лабораторией Института органической химии им. Н.Д. Зелинского РАН, 119991, Ленинский пр., 47 Москва, Россия
В результате работы были предложены новые методы окислительного C-S сочетания с участием S-центированных сульфонил радикалов. Источниками радикалов служили доступные соли сульфиновых кислот и сульфонил гидразиды. В качестве C-реагентов в этих превращениях выступали различные ненасыщенные соединения. Системы на основе солей меди и железа показали наилучшие результаты как окислители. В результате проведенных исследований был получен широкий ряд серосодержащих органических соединений с выходами от умеренных до высоких.
Ключевые слова: окисление, радикалы, сульфонилирование, сульфинаты, сульфонил гидразиды, ненасыщенные соединения.
OXIDATIVE C-S COUPLING PROCESSES CATALYZED BY TRANSITION METAL SALTS
Pirgach D.A., Mulina O.M.*, Terent'ev A.O.*
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
*N. D. Zelinskiy Institute of Organic Chemistry, Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia
New methods of the oxidative C-S coupling involving S-centered sulfonyl radicals were proposed. Available salts of sulfinic acids and sulfonyl hydrazides were used as radicals precursors. Various unsaturated compounds were applied as C-reagents in these transformations. Systems on the basis of copper and iron salts showed the best results as oxidants. As a result of the studies, a wide range of sulfur-containing organic compounds were obtained with yields from moderate to high.
Keywords: oxidation, radicals, sulfonylation, sulfinates, sulfonyl hydrazides, unsaturated compounds.
Одним из наиболее перспективных из современных подходов в органическом синтезе является кросс-сочетание. В настоящее время термин "кросс-сочетание" объединяет в себе большую группу реакций, в результате протекания которых две органические молекулы сочетаются между собой, образуя более сложную структуру. Реакции кросс-сочетания стали мощным инструментом современных химиков в поиске новых регио- и стереоселективных методов образования новых химических связей. По причине большого разнообразия способов сочетания, эти реакции нашли широкое применение в фармацевтической, агрохимической и пищевой промышленности [1]. Результатом развития методологии кросс-сочетания стала разработка процессов окислительного сочетания. В этих процессах реакционноспособные частицы генерируются in situ под действием окислителя, а их основными.преимуществами по сравнению с традиционным кросс-сочетанием являются высокая атомная эффективность, а также отсутствие необходимости предварительной функционализации исходных соединений [2,3].
Одним из вариантов проведения процессов окислительного сочетания является использование
свободных радикалов в качестве
реакционноспособных интермедиатов. Радикальные реакции привлекают внимание исследователей более ста лет, что связано с необычными механизмами их протекания и как следствие неожиданными и интересными продуктами, которые могут быть получены. Однако возможность протекания большого количества процессов фрагментации и рекомбинации свободных радикалов и как результат зачастую низкая селективность этих превращений существенно ограничивают область применения радикальных реакций в современном органическом синтезе. Именно поэтому разработка селективных и эффективных превращений, протекающих через образование свободных радикалов, является важной и одновременно сложной задачей [4].
Сульфоны применяются в различных сферах человеческой деятельности. В текстильной и бумажной промышленности соединения,
содержащие сульфоновый фрагмент, используют в качестве красителей для окраски целлюлозных волокон [5], в медицинской химии они применяются, как антилепрозные [6,7] противоопухолевые [8,9] и антибактериальные препараты [10], в органическом синтезе многие сульфоны представляют собой важные интермедиаты и структурные фрагменты
[11]. Поэтому разработка эффективных и универсальных методов синтеза сульфонов различного строения является актуальной задачей современной органической химии.
В нашей работе для синтеза сульфонов мы предложили использовать процессы окислительного С^ сочетания, протекающие через образование S-центрированных сульфонил радикалов. Сульфонил радикалы известны с 20-х годов прошлого века. Активно их физические и химические свойства стали изучаться, начиная со второй половины прошлого столетия [12]. Их главной химической особенностью является тот факт, что, несмотря на то, что неспаренный электрон принадлежит всей сульфо группе, сульфонил радикалы вступают в химические превращения исключительно как S-центрированные
[13]. Интерес к химии этих необычных радикалов в 20 веке был существенно ограничен из-за сложности их генерации: с этой целью чаще всего использовались сульфонил хлориды и их производные в комбинации с труднодоступными соединениями кремния и титана в жестких условиях
[14].
На рубеже веков было обнаружено, что сульфонил радикалы могут быть получены из доступных сульфиновых кислот и их солей[15], а также сульфонил гидразидов [16] под действием окислителей различной природы в мягких условиях. Это открытие дало существенный толчок для развития химии сульфонил радикалов. К настоящему времени осуществлен целый ряд процессов окислительного сочетания с использованием целого ряда окислителей, таких как пероксиды [17], системы на основе иода [18] и его производных [19], NBS [20], №0« [21].
Основной проблемой процессов с участием S-центрированных сульфонил-радикалов является тот факт, что для их успешного и селективного проведения необходим подбор таких соединений, из которых в условиях генерирования радикалов из одной молекулы, из другой происходило бы образование реакционноспособных частиц,
О
и
сн3см-н2о
r"
способных взаимодействовать с этими радикалами, формируя более сложную, стабильную в условиях реакции функционализированную структуру, при этом протекание побочных процессов переокисления, полимеризации, фрагментации и рекомбинации было бы сведено к минимуму (Схема 1).
r-so2x
Окислитель
X = Na, NHNH2
Окислитель
R'—Н
о
и
r-s
Ii
о
R' *
о
и
R-s-R'
Ii
о
Схема 1. Процессы окислительного C-S сочетания с участием S-центрированных сульфонил радикалов
В настоящей работе в качестве источников S-центрированных радикалов нами были применены соли различных ароматических и алифатических сульфиновых кислот и сульфонил гидразидов, а в качестве окислителя были использованы соли металлов переменной валентности, таких как медь и железо, что связано с их дешевизной, доступностью и удобностью в обращении. В качестве вторых компонентов процессов сочетания мы использовали такие важные и фундаментальные классы органических соединений, как алкены и карбонильные соединения различного строения.
В ходе исследований проводилась оптимизация протекания реакций окислительного С^ сочетания, основными параметрами которых являлись природа соли металла переменной валентности, соотношение реагентов и окислителя, растворитель, а также температура. Нами было обнаружено, что взаимодействие сульфонил гидразидов с алкенами под действием системы солей меди (1)/(11) и кислорода приводит к образованию Р-гидрокси и Р-кетосульфонов с преобладанием первых (Схема 2). Выход продуктов составил 32-65% и 18-36% соответственно.
ОН О
¿4
О
40°С
r'
R"
r"
Схема 2. Окислительное C-S сочетание стиролов и сульфонил-гидразидов под действием солей меди (I)
В случае реакции дикарбонильных соединений с сульфинатами наилучшие результаты были показаны с использованием солей железа (III) в качестве окислителя. Когда C-реагентами выступали кетоэфиры различного строения наблюдалось образование а-сульфонил производного, которое затем в условиях реакции могло претерпевать деацилирование с образованием
сульфонилмонокарбонильных соединений. Нами были подобраны условия селективного получения как сульфонилмоно-, так и дикарбонильных соединений. В случае использования в качестве C-
реагентов дикетонов образовывались
исключительно продукты последовательного сульфонилирования-деацилирования. Выходы
продуктов сульфонилирования в обоих случаях достигали 95%.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 18-33-00693)
Список литературы
1. Transition metals for organic synthesis: building blocks and fine chemicals: in two volumes / edited by M. Beller, C. Bolm — 2nd edition.— Wiley-VCH, 2004.
2. Lei A. C-H Oxidative Radical Couplings / A. Lei, W. Shi, Ch. Liu, W. Liu, H. Zhang.— Wiley-VCH Verlag GmbH Co. KGaA, 2016. - P. 185-223.
3. Yeung C.S., Dong V.M. Catalytic dehydrogenative cross-coupling: Forming carbon-carbon bonds by oxidizing two carbon-hydrogen bonds // Chem. Rev. - 2011. - Vol. 111. - P. 1215-1292.
4. Tang S., Liu K., Liu C., Lei A. Olefinic C-H functionalization through radical alkenylation // Chem. Soc. Rev. - 2015. - Vol. 44. - P. 1070-1082.
5. Степанов Б.И. Введение в химию и технологию органических красителей / Б.И. Степанов. — М.: Химия, 1984. — 592 с.
6. Zhu Y.I., Stiller M.J. Dapsone and sulfones in dermatology: Overview and update // J. Am. Acad. Dermatol. - 2001. - Vol. 45. - P. 420-434.
7. Leoung G.S., Mills J., Hopewell P.C., Hughes W., Wofsy C. Dapsone-trimethoprim for Pneumocystis carinii pneumonia in the acquired immunodeficiency syndrome // Ann. Intern. Med. - 1986. - Vol. 105. - P. 45-48.
8. Dole E.J., Holdsworth M.T. Nilutamide: An antiandrogen for the treatment of prostate cancer // Ann. Pharmacother. - 1997. - Vol. 31. - P. 65-75.
9. Cockshott I.D. Bicalutamide: Clinical pharmacokinetics and metabolism // Clin. Pharmacokinet. - 2004. - Vol. 43. - P. 855-878.
10. Edwards D.I. Nitroimidazole drugs-action and resistance mechanisms I. Mechanism of action // J. Antimicrob. Chemother. - 1993. - Vol. 31. - P. 9-20.
11. Julia M., Paris J.M. Syntheses a l'aide de sulfones v(+)- methode de synthese generale de doubles liaisons. // Tetrahedron Lett. - 1973. - Vol. 14. - P. 4833-4836.
12. Freeman F., Keindl M. C. Sulfinyl, a-Sulfinyl, Sulfonyl, and a-Sulfonyl Radicals // Sulfur Reports. — 2007. — Vol. 4. — P. 231-298.
13. Wei W., Wen J., Yang D., Du J., You J., Wang H. Catalyst-free direct arylsulfonylation of N-arylacrylamides with sulfinic acids: a convenient and efficient route to sulfonated oxindoles // Green Chem.
— 2014. — V. 16. — P. 2988-2991.
14. Gilbert B. C., Norman R. O. C., Sealy R. C. Electron spin resonance studies. Part XLIII. Reaction of dimethyl sulphoxide with the hydroxyl radical // J. Chem. Soc., Perkin Trans. 2. — 1975. — P. 303.
15. Lu Q., Zhang J., Peng P., Zhang G., Huang Z., Yi H., Miller J. T., Lei A. Operando X-ray absorption and EPR evidence for a single electron redox process in copper catalysis // Chem. Sci. — 2015. — V. 6. — P. 4851-4854.
16. Hao W. J., Du Y., Wang D., Jiang B., Gao Q., Tu S. J., Li G. Catalytic Diazosulfonylation of Enynals toward Diazoindenes via Oxidative Radical-Triggered 5-exo-trig Carbocyclizations // Org. Lett. — 2016. — V. 18. — P. 1884-1887.
17. Zhang L., Chen S., Gao Y., Zhang P., Wu Y., Tang G., Zhao Y. tert-Butyl Hydroperoxide Mediated Cascade Synthesis of 3-Arylsulfonylquinolines // Org. Lett. — 2016. — V. 18. — P. 1286-1289.
18. Li X., Xu X., Shi X. I2/TBHP-mediated reaction of sulfonylhydrazides with alkynes: synthesis of (E)-P-iodovinyl sulfones // Tetrahedron Lett. — 2013.
— V. 54. — P. 3071-3074.
19. Yang Z., Hao W. J., Wang S. L., Zhang J. P., Jiang B., Li G., Tu S. J. Synthesis of Allenyl Sulfones via a TBHP/TBAI-Mediated Reaction of Propargyl Alcohols with Sulfonyl Hydrazides // J. Org. Chem. — 2015. — V. 80. — P. 9224-9230.
20. Gao Y., Wu W., Huang Y., Huang K., Jiang H. NBS-promoted halosulfonylation of terminal alkynes: highly regio- and stereoselective synthesis of (E)-P-halo vinylsulfones // Org. Chem. Front. — 2014. — V. 1. — P. 361-364.
21. Keshari T., Kapoorr R., Yadav L. D. S. Silver-Catalyzed Denitrative Sulfonylation of P-Nitrostyrenes: A Convenient Approach to (E)-Vinyl Sulfones // Eur. J. Org. Chem. — 2016. — P. 2695-2699.
