CC BY
11
УДК 547.316.4
Лопатьева Е. Р., Крылов И. Б., Терентьев А. О.
СН-ФУНКЦИОНАЛИЗАЦИЯ КАРБОНИЛЬНЫХ СОЕДИНЕНИЙ В БЕЗМЕТАЛЛЬНЫХ УСЛОВИЯХ
Лопатьева Елена Романовна, студентка 3 курса факультета химико-фармацевтических технологий и биомедицинских препаратов, кафедры химии и технологии органического синтеза, Elena. lopatyeva@gmail. com, Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20
Крылов Игорь Борисович, с.н.с., к.х.н. Институт органической химии им. Н. Д. Зелинского РАН, 119991, Россия, г. Москва, ул. Ленинский проспект, д. 47.
Терентьев Александр Олегович, зав. лаб., д.х.н., член-корр. РАН, Институт органической химии им. Н. Д. Зелинского РАН, 119991, Россия, г. Москва, ул. Ленинский проспект, д. 47, проф. кафедры химии и технологии органического синтеза, Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия
Одним из важных направлений в органическом синтезе является поиск одностадийных способов введения функциональных групп путем селективного расщепления C-H связи. В данной работе предложен метод CH-функционализации с использованием N-гидроксиимидов в безметалльных условиях.
Ключевые слова: CH-функционализация, N-гидроксифталимид, N-гидроксиимиды, N-оксильные радикалы, пероксиды, безметалльные условия.
CH-FUNCTIONALIZATION OF CARBONYL COMPOUNDS UNDER METAL-FREE CONDITIONS
Lopat'eva E. R. 1, Krylov I. B.2, Terent'ev A. O.1,2
1 Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
2 Zelinsky Institute of Organic Chemistry, Moscow, Russia
The development of methods for the formation of a new C-C or C-heteroatom bond through selective cleavage of C(sp3)-H bond is an important field of modern organic chemistry. Direct CH-functionalization reactions are highly demanded owing to their high step- and atom-economic efficiency, and therefore waste minimization. A new method of peroxide-mediated direct CH-functionalization with N-hydroxyimides has been developed under metal-free conditions.
Keywords: metal-free, CH-functionalization, N-hydroxyphalimide, N-hydroxyimides, N-oxyl radicals, peroxides, metal-free, oxidative coupling.
Разработка одностадийных методов формирования связи углерод-углерод и углерод-гетероатом путем селективного расщепления связи С^р3)-Н является одним из важных направлений в органическом синтезе. В последнее время реакции прямой С^р3)Н-функционализации вызывают большой интерес исследователей, поскольку они устраняют необходимость предварительного введения
специальных уходящих функциональных групп (например, галогенирование, металлирование), что ведет к минимизации стадий синтеза, снижению количества отходов, и увеличению атомной эффективности.
В последнее время широкое применение для реакции СН-функционализации нашли имид-Ы-оксильные радикалы (1ЫО). 1ЫО могут быть сгенерированы в мягких условиях, относительно стабильны к самораспаду в растворе (время жизни измеряется минутами при комнатной температуре) и обладают достаточной реакционной способностью для отщепления водорода с разрывом С-Н связи, и образованием С-центрированного радикала[1-9]. Относительная стабильность 1ЫО позволяет им быть эффективными перехватчиками С-центрированных радикалов, образуя ценные полупродукты органического синтеза, О-замещенные Ы-гидроксиимиды. Таким образом, 1ЫО могут выполнять двоякую роль - как ОН-реагента для окислительного СО сочетания с СН-реагентом, и как медиатора окисления (рис.1)[7,8]. Это открывает возможности для СН-функционализации широкого круга субстратов.
Рисунок 1. Окислительная радикальная СН-функционализация с введением в молекулу субстрата фталимид-М-окси фрагмента Основная задача состоит в нахождении удобных способов генерации имид-Ы-оксильных радикалов в условиях реакции. В литературе представлены несколько способов ее решения. Был предложен метод окислительного сочетания К-гидроксиимидов с алкиларенами и алкенами (протекает СН-функционализация бензильного или аллильного положения, соответственно), с использованием гипервалентных соединений йода и солей меди[6]. Также для генерации имид-Ы-оксильных радикалов и окислительного сочетания с их участием были использованы соли переходных металлов[7-10]. Реакции, в которых для генерации радикала не применяются переходные металлы, достаточно редки. Одним из известных безметалльных методов является использование окислительной системы
ТВА1ЛВиООН[11]. Хотя вышеперечисленные подходы обладают рядом значительных преимуществ, они не могут быть рассмотрены как удовлетворяющие всем принципам «зеленой химии», что играет немаловажную роль в современном мире. Также стоит отметить, что использование для генерации радикалов соединений переходных металлов, дорогостоящих и неэкологичных окислителей, делают их малопригодными для масштабирования синтеза. Кроме этого, указанные подходы оказываются
неэффективными при переходе к более инертным субстратам, например, алифатическим кетонам, карбоновым кислотам и сложным эфирам. Перечисленных минусов удалось избежать благодаря применению окислительной системы на основе пероксидов. С использованием этого метода удалось осуществить окислительную СН-функционализацию инертных монокарбонилных соединений с введением имид-Ы-оксильного фрагмента.
„о„
R NH,
X.
Ценные реагенты
R N---- RJ
Синтез производных гид роке ил а ми на
П родшес т вс нн ик и свободных радикалов {за счет слабой евлзи N-O)
ОН
Лмипирующий реа_енг Барана Aid rich AL DO ООО 8
„ у-—ОЕ1
-v
V //
R
HjN-
O
Я1 И2 Регуляторы роста растении
Рисунок 2. Области применения продуктов реакции.
Полученные продукты являются ценными реагентами для синтеза производных гидроксиламина, потенциальными предшественниками радикалов за счет слабой связи N-O[12], среди них также известны вещества с рост-регуляторной активностью[13] (рис. 2). Большой интерес представляет применение разработанного синтетического подхода для получения аминирующего реагента Барана. Описанный в литературе метод синтеза этого соединения[14] включает три стадии, включая этерификацию и галогенирование, в то время как разработанный нами подход позволяет осуществить данное превращение в одну стадию.
Работа выполнена при поддержке гранта РНФ 17-7310405.
Список литературы
1.Recupero, F.; Punta, C. (2007) Free Radical Functionalization of Organic Compounds Catalyzed by N-Hydroxyphthalimide. Chemical Reviews, 107 (9), 3800-3842. https://doi.org/10.1021/cr040170k
2.Horn, E. J.; Rosen, B. R.; Chen, Y.; Tang, J.; Chen, K.; Eastgate, M. D.; Baran, P. S. (2016) Scalable and Sustainable Electrochemical Allylic C-H Oxidation. Nature, 533 (7601), 77-81. https://doi.org/10.1038/nature17431
3.Patil, R D.; Fuchs, B.; Taha, N.; Sasson, Y. (2016) Solvent-Free and Selective Autooxidation of Alkylbenzenes Catalyzed by Co/NHPI under Phase Transfer Conditions. ChemistrySelect, 1 (13), 3791-3796. https://doi.org/10.1002/slct.201600913
4.Zhao, Q.; Chen, K.; Zhang, W.; Yao, J.; Li, H. (2015) Efficient Metal-Free Oxidation of Ethylbenzene with Molecular Oxygen Utilizing the Synergistic Combination of NHPI Analogues. Journal of Molecular Catalysis A: Chemical, 402, 79-82. https://doi.org/ 10.1016/j.molcata.2015.03.017
5.Deng, H.; Jia, X.; Li, J.; Li, C.; Jin, T.; Li, C. (2018) NHPI- and TBAI-Co-Catalyzed Synthesis of Allylic Esters from Toluene Derivatives and Alkenes. Synlett, 29 (6), 840844. https://doi.org/ 10.1055/s-0036-1591748
6.Lee, J. M., Park, E. J., Cho, S. H., & Chang, S. (2008). Cu-Facilitated C-O Bond Formation Using N -Hydroxyphthalimide: Efficient and Selective Functionalization of Benzyl and Allylic C-H Bonds. Journal of the American
Chemical Society, 130(25), 7824-7825. https://doi.oig/10.1021/ia8031218
7.Terent'ev, A. O., Krylov, I. B., Sharipov, M. Y., Kazanskaya, Z. M., & Nikishin, G. I. (2012). Generation and cross-coupling of benzyl and phthalimide-N-oxyl radicals in a cerium(IV) ammonium nitrate/N-hydroxyphthalimide/ArCH2R system. Tetrahedron, 68(50), 10263-10271. https://doi.org/10.1016/j.tet.2012.10.018
8.Terent'ev A. O., Krylov I. B., Lipatnikov A. D. (2014). Oxidative Coupling of N-Hydroxyphthalimide with Toluene. Russ. J. Gen. Chem, 84 (11), 2084-2087. https://doi.org/10.1134/S1070363214110061
9.Terent'Ev, A. O., Krylov, I. B., Timofeev, V. P., Starikova, Z. A., Merkulova, V. M., Ilovaisky, A. I., & Nikishin, G. I. (2013). Oxidative C-O cross-coupling of 1,3-dicarbonyl compounds and their heteroanalogues with N-substituted hydroxamic acids and N-hydroxyimides. Advanced Synthesis and Catalysis, 355(11-12), 2375-2390. https://doi.org/10.1002/adsc.201300341
10.Krylov I. B., Paveliev S. A., Shelimov B. N., Lokshin B. V., Garbuzova I. A., Tafeenko V. A., Chernyshev V. V., Budnikov A. S., Nikishin G. I., Terent'ev A. O. (2017). Selective cross-dehydrogenative C-O coupling of N-hydroxy compounds with pyrazolones. Introduction of the diacetyliminoxyl radical into the practice of organic synthesis Org. Chem. Front, 2017, 4 (10), 1947-1957. https://doi.org/10.1039/C7QO00447H
11.Siddaraju, Y., & Prabhu, K. R. (2015). Biomolecular Chemistry ketones: a cross dehydrogenase coupling, 1165111656. https://doi.org/10.1039/c5ob01929i
12.Murarka, S. (2018). N -(Acyloxy)phthalimides as Redox-Active Esters in Cross-Coupling Reactions. Adv. Synth. Catal. https://doi.org/10.1002/adsc.201701615
13.Takekida, Y., Okazaki, M., & Shuto, Y. (2014). Effect of Optically Active Ethyl 2- Phthalimidooxypropionate on the Growth of Cress, Lepidium sativum, 8451(May). https://doi.org/10.1271/bbb.63.1831
13.Foo, K., Sella, E., Thome, I., Eastgate, M. D., & Baran, P. S. (2014). A mild, ferrocene-catalyzed C-H imidation of (hetero)arenes. Journal of the American Chemical Society, 136(14), 5279-5282. https://doi.org/10.1021/ia501879c
