CC BY
33
УДК 542.913/547.578.6
ТИОАЦЕТАЛИ. II. ТИОФОРМАЛИ.
ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
© 2017 О. М. Демидов1, Д. А. Щербаков2, А. В. Шантроха3
1 главный научный сотрудник, канд. хим. наук e-mail: oleg.demidov@niipa.ru 2старший научный сотрудник e-mail: denis.shcherbakov@niipa.ru
ФГУП «НИИПА», Дубна
3главный научный сотрудник, докт. хим. наук, профессор e-mail: alexander@rbcmail. ru
ФГУП «Научный центр «Сигнал», Москва
Рассмотрены химические свойства и некоторые аспекты реакционной способности
тиоформалей.
Ключевые слова: тиоформаль, дисульфид, альдегид, тиол, катализ, тиоэфир,
химические свойства.
В настоящем обзоре рассмотрены основные химические свойства тиоформалей, которые могут быть учтены при планировании синтеза и оценке реакционной способности полифункциональных соединений.
Химические свойства тиоформалей определяются наличием в молекуле активных реакционных центров - геминальных атомов серы и центрального атома углерода.
Основные типы реакций тиоформалей приведены на рисунке 1.
А) Реакция окисления
Реакции окисления тиоформалей достаточно подробно изучены в работах [1-4]. В работе Делога и соавторов подробно изучено окисление тиоформалей на примере динафто[2,1-ё:1',2'-£,3]дитиепина. Показано, что в зависимости от условий проведения реакции, выбора окислителя, соотношения реагирующих компонентов возможно получение моносульфоксида, моносульфона, дисульфоксида, дисульфона и их смесей (рис. 2). В качестве окислителей в основном использовались м-хлорпербензойная кислота (m-CPBA) и перманганат калия.
Б) Реакция галогенирования
Галогенирование тиоформалей рассмотрено в основном на примере хлорирования 1,3-дитиана (рис. 3). В работе Круза и соавторов [5] изучены возможные механизмы протекания реакций хлорирования тиоформалей, приводящие к образованию 2-хлор-1,3-дитиана либо к разрушению цикла и образованию хлорированных аддуктов.
А) Окисление
О
О
о
/S4 ^ SV.. R С R Н,
>-S4 /S4 ^ ^s^
R С R + R-^Гс R
Б) Галогенирование S02C12
В) Металлирование n-BuLi
н,
/Sv /.S4 R С R + / \ H C1
R
О H2 -S
CI + R^C
Г) Восстановление (десульфуризации) Ni(H)
R С / \ H Li
R
Д) Взаимодействие с борорганическими соединениями R3B
н,
Е) Взаимодействие с органическими соединениями элементов IV группы R3Si(Sn, Ge)Cl
уS4
R С R / \ H BR3
Ж) Десульфуризация HgCl2
/Ss R С R
H Si(Sn, Ge)R3
R"
Рис. 1. Основные реакции тиоформалей
Н2
\ _ о о
( ]/~5^т-СРВА кмп04 ^Д
||\ т-СРВА ? О^ \2еЧ. О с. 9 п
£—5 т-СРВА т-СРВА
) >
Рис. 2. Окисление 1,l'-бинафтален-2,2'-дитиоформаля
Синтез 2-хлор-1,3-дитиана начинается с образования хлорсульфониевой соли, которая в результате дегирохлорирования и перегруппировки преобразуется в целевой продукт - твердое кристаллическое вещество. Дальнейшее хлорирование приводит кполихлорированным производным.
so2ci2 Cl -HCl ^
У—"VS SYS^' vs
.А. Н н н н CI
П
s s4
CI
н н
Рис. 3. Схема хлорирования 1,3-дитиана
В) Реакция металлирования
1,3-Дитианы и 1,3-дитиоланы обладают заметной кислотностью (рКд ~ 31), что определяет их способность образовывать металлоорганические соединения. Анион дитиана (тиолана) образуется при действии на дитиан (тиолан) сильных оснований, например бутиллития. Образующийся анион вступает в реакции, характерные для карбоанионов: алкилирование галогеналканами или окисью этилена, оксиалкилирование карбонильными или галогенкарбоксильными соединениями. Полученные в этих реакциях соединения далее гидролизуют в соответствующие альдегиды, гидроксиальдегиды и гидроксикетоны или а-кетокислоты (рис. 4).
ЯНа1
ЯСН=0
Рис. 4. Схема превращений 1,3-дитиана, в реакциях металлирования
Подобные реакции представляют собой уникальный способ превращения альдегидов в непредельные карбонильные соединения и спирты. В качестве примера можно привести синтез одного из аттрактантов насекомых - 2-метил-6-метилен-4-гидрокси-2,7-октадиена (схема 1) [6].
Вг—ч ^ \ АсГГО3 , он
" (1)
+
\ I ¿.^ ИаВЩ
В ряде работ приводится общая методика «металлирования» тиоформалей в жидком аммиаке амидами натрия или калия, которые далее алкилируются с образованием высших тиоацеталей [7, 8].
Литийорганические соединения тиоформаля возможно перевести в другие металлоорганические соединения в результате проведения реакции замещения примеры протекания данной реакции приведены на схеме 2. -Б
С«
. + МХ (МХ2)
с«
+ 1ЛХ
М(МХ)
(2)
-Б " в
М = Ъп, С<1, Си; X = На1
Г) Реакция восстановления (десульфуризации)
Поскольку меркаптали гладко восстанавливаются с помощью никеля Ренея, данный метод превращения карбонильной группы в альдегидах в метиленовую (схема 3) нашел широкое практическое применение. В ряде случаев способ десульфуризации имеет определенные преимущества, так как реакцию проводят в нейтральной среде [9].
Ь^Н Я1 Я2 №(Н)
О
II
я
48'
,я
я1
сн,
(3)
я2
Д) Реакция взаимодействия с борорганическими соединениями Реакция тиоформалей с органоборанами позволяет получать с высоким выходом третичные и вторичные спирты. На первой стадии взаимодействуют триорганобораны с а-литий производными тиоформаля при температуре реакционной среды от минус 30 до минус 20 оС в зависимости от реакционной способности используемых компонентов. Образовавшуюся литиевую соль (I) разлагают хлоридом ртути при минус 78 оС. «Обессеренный» триорганоборат (II) окисляют пероксидом водорода с образованием соответствующего спирта (схема 4) [10, 11].
r
R
I
.В.
s—r
r
+ r2-c 1 \_
r1 r2 , \ _ \ .
r -в-с
s-r3 HgCl2 r| Rr2
i ,R В-С
s—r
r1
r1
r1
b-c-r1
s-r
h202
r1
S-R3
(4)
ClHg'
R
r1
ho-c-r1 r2
ii
Е) Реакция взаимодействия с органическими соединениями элементов IV группы.
В работе [12] рассматриваются вопросы взаимодействия тиоформалей с органическими соединениями IV группы Ge, Sn). В качестве исходного реагента используют 2-литий производные 1,3-дитиана, реакция протекает в среде абсолютного тетрагидрофурана при минус 78 оС с образованием 2-триметилсилильных (германий, станатных) производных 1,3-дитиана согласно схеме 5.
R,SiCl
Ос
R3SnCl
R3GeCl
Сх; О1
Сх:
SiR3 R1
SnR,
О
Л
о
Л
SiR,
SnR,
(5)
о
А
GeR,
Ж) Реакция десульфуризации
Десульфуризацию тиоформалей рассмотрим на примере 1,3-дитиана. На первой стадии образуется комплекс с хлоридом ртути, который в результате протекания реакции дегидрохлорирования приводит к раскрытию цикла и дальнейшему разложению комплекса с образованием формальдегида и сульфидов ртути (схема 6) [12].
СХ
HgCl2
оч?
S&R r
Н20 R —► ^=0 R
с
HgCI
+ 2НС1
(6)
HgCI
НёС12 НёС1_
Оценка химических свойств показывает, что из всех типов реакций, в которые вступают тио- и дитиоформали, в наибольшей степени исследователей интересуют замещение атома водорода при а-атоме углерода и их удаление при использовании в качестве защитных групп.
При этом реакционную способность этих соединений рассматривают с позиций как электронного, так и молекулярного строения.
Хорошо известно, что атом серы имеет шесть внешних электронов и два неспаренных 3p-электрона, которые могут использоваться для образования ковалентных связей с соседними атомами [13].
К
О
м
ТЕ нжно
771 НИ 4 14
Он также имеет возможность использовать и вакантные 3d-орбитали с образованием гибридных do- и ¿п-связей [8; 13].
Считается, что 3d-орбитали атомов серы тиоацеталей способны образовывать общую молекулярную орбиталь, обладающую более низким уровнем энергии по сравнению с уровнем энергии орбитали каждого атома серы в отдельности. Вследствие этого на вновь образованную молекулярную орбиталь переходит один электрон от неподеленной пары атома серы (структура III) [14].
н^^з—с3н7
А.
Н3С Э-С3Н7
ш
По мнению специалистов, именно такое взаимодействие атома серы с соседней группой позволяет объяснить смещение пика максимума поглощения в УФ-спектрах аллилметилсульфида (IV) и тиоформаля (V).
Н2
Э-С -СН3
н
н
1-Г \'.*Н2 н Б-С -СНЧ
СН2
н •■ П Э-о -ОП3
Известно, что многие соединения могут проявлять себя как кислоты в классическом смысле слова [15]. В присутствии нуклеофильных частиц они способны распадаться с отрывом протона, образуя сопряженные основания (карбанионы) (схема 7).
I ^ __ I
—С-Н " ;В —С
I I
По аналогии с карбанионом карбоксильной группы, генерируемым в присутствии нуклеофилов, а-карбанион тиоформаля резонансно стабилизируется (схема 8) [7].
+ НВ
(7)
-/ НС \
Б-К
НС
Б-Р
//
Б-Р
НС
Б-Р*
(8)
5-1* б-р
Необходимо отметить, что это свойство тиоформалей относится к одному из трех вариантов сопряжения атома углерода с атомом серы в сульфидах и позволяет их
использовать в качестве нуклеофильных реагентов, алкилирования с образованием тиоацеталей (схема 9) [8].
например, при реакции
зс2н5 ючн,
н9с
зс2н5 кнз
,ЗС2Н5 СИ"
V
НС
Э ОоНс
:* ^ ч "" ЗС2Н5
^8С2Н5
V
в С2Н5
СН3Вг
БС2Н5
■Н3СНС
зс2н5
(9)
В литературе имеется множество данных, подтверждающих различное влияние кислорода и серы на стабилизацию а-карбанионов тиоформалей [8].
Облегчение отрыва протона от атома углерода и дальнейшая стабилизация образующегося а-карбаниона определяет дальнейший путь многих реакций с участием тиоформалей.
В качестве примера можно привести данные об относительных скоростях реакций обмена Н-Б, Б-Н и Т-Н, приведеные в [8; 16-19].
Результаты оценки скоростей обмена Н-Б для ряда тиоацеталей приведены в таблице 1 [18; 19].
Таблица 1
Относительная скорость реакции H-D в присутствии сильных оснований
(C2H5ÜN и трет-BuOK)
Соединение W, отн. ед.
С2Н5 S C2H5-s)-H с2н5 S 1,43 ■ 107
С2Н5 S jj C^Hs-S^Ph 8,60-104
^-S 531
GvH<—S C2H5 s 38,3
____'S |_| 19,1
rv kwS/Nc2H5 5,37
C2H5 —SV н CjHS-S^C.Hj 1,00
Ниже приведены сравнительные данные скорости обмена D-Н в присутствии оснований для ортотиоэфиров, ортоэфиров и дитиоацеталей [18-20] (табл. 2).
Реакция обмена H-T в присутствии оснований у эфиров ортокислот и ортотиокислот также является наглядным примером, демонстрирующим, в какой степени резонанс с участием 3 J-орбиталей серы приводит к повышению реакционной способности соединений.
Таблица 2
Сравнительные данные скорости обмена Б-Н в присутствии оснований для ортотиоэфиров, ортоэфиров и дитиоацеталей
D 1 ^OC2H5 С2Н50-СГ oc2H5 D 1 „OC2H5 C6H5-C^ oc2H5 О—CH2 \ D—С V9-CH3 \ H2/ 0-сн2
Нет обмена. (0,24) Нет обмена
D 1 ^SC2H5 С \ sc2H5 D l^sc2H5 с6н5-с^ SC2H5 S-CH2 D-C^ H2C-C-CH3 S-CH2
(1,48-104) (1,38-105) (1,78-107)
У эфиров ортотиокислот такой обмен происходит в несколько миллионов раз
быстрее, чем у соответствующих кислородных соединений [21].
В работе [17] приведено обобщение результатов оценки относительных скоростей обмена Н-О и Н-Т для тиафцеталей и их кислородных аналогов (табл. 3).
Таблица 3
Влияние структуры и качественного состава ортоэфиров, ортотиоэфиров и тиоформалей на скорость изотопного обмена [17]
НзС-^^Б^-Н С2Н5 Б С2Н5-8)-Н С2Н5 Б Б /—в О» ^—Б
(1,8-10') (1,5-104) (515) (215)
>-Н С2Н5 Б .___'Э |_| С2Н5 —^ Н СаНз-в^СаНз Лун \_д/^С2Н5
(40) (20) (1,0) (0,4)
у—О НзС-Г^О^-Н '—О С2Н5-0 с2н5-о^-н С2Н5-0
(НО*) (НО)
Примечание: * нет обмена (НО) при нагревании до 110-140 °С в течение 20 ч
При исследовании реакции Т-Н обмена в присутствии основных катализаторов для таких соединений, как этиловый и тиоэтиловый эфиры ортомуравьиной кислоты, установлено, что их относительные скорости отличаются между собой на величину порядка 106 или 107 [22]. При введении в молекулу одной дополнительной алкилтиогруппы скорость реакции заметно возрастает, а при переходе к бициклическому соединению она увеличивается примерно в 10 раз. Характерное для соединений двухвалентной серы отсутствие угловой зависимости резонанса 3ё-орбиталей приводит к сильному увеличению реакционной способности бициклических соединений, которые не могут принять плоскую структуру.
Эти данные позволяют получить следующий ряд активности:
«циклические» ортотритиоэфиры > «линейные» орто-тритиоэфиры > «Циклические» дитиоформали > «линейные» дитиоформали > «циклические» дитиоацетали > «линейные» >>> «циклические» орто-эфиры и «линейные» орто-эфиры.
Необходимо отметить, что «кислотность» тиоформалей существенно отличается от многих СН-кислот, например, производных малоновой кислоты. Так, алкилирование метиленнового фрагмента малоновой кислоты в ее диэфире проводят при 50 °С в среде этанола в присутствии этилата натрия [23]. Для проведения аналогичной реакции с тиоформалем реакцию осуществляют в жидком аммиаке в присутствии амида калия, натрия или лития [6; 7].
Закономерности, установленные для Н-О обмена у тиоацеталей, перенесены и на реакции декарбоксилирования карбоновых кислот, замещенных в а-положении арил(алкил)тиогруппой (схема 10). Принято считать, что их декарбоксилирование также протекает через стадию образования а-карбаниона. При этом оксианалоги разлагаются менее интенсивно.
^ -СО;
Я-8-СН2 СчЧ
'2
"о Медленно
Я—в—СН2"*—я-8=сн2
вн
Быстро
Ы-8-СН3 (10)
Эффект стабилизации а-карбаннона за счет участия в резонансе 3^-орбиталей атома серы тиогруппы так же значителен, как и в случае наличия фенильного радикала в тиоацеталях, приводящего к резкому усилению скорости обмена Н-Б (табл. 1) [24]:
Оценка скорости декарбоксилирования ряда карбоновых кислот при 160 °С в присутствии триэтаноламина (соотношение карбоновая кислота : декарбоксилирующий реагент = 0,01: 0,1, моль-моль-1) приводит к следующему ряду активности (цифры в скобках - относительная скорость реакции) [25] (табл. 4).
Таблица 4
_Относительная скорость декарбоксилирования ряда карбоновых кислот_
CS О
И
S он
^-S t
СИ
о /
он
(1,7)
(0,81)
(0,47)
С2Н5—S С2Н5—S
и
X
ОН
(1,1)
(1,0)
Видно, что у «циклических» дитиоацеталей скорость декарбоксилирования падает с уменьшением размера цикла. «Ароматические» же дитиоацетали несколько быстрее декарбоксилируются в сравнении с «алифатическими».
Диэтилтиоформаль VI в присутствии амида лития легко образует анион XXI, который далее алкилируется в а-положение с образованием лиэтилтиоацеталя соответствующего альдегида VII [26] (схема 11).
SC2H5 LiNH,
н,с
SC2H5
СН" \
sc2H5
S"C2H5
SC2H5
HC
HC.
s-c2H5
RBr
SC2H5
RHC
sc2H5
(11)
ЗС2Н5 кнз [ ЗС2Н5 ЗС2Н5
VI VII
Различие в стабильности а-карбанионов, образующихся из тиоформалей, существенно определяет направление реакции их внутримолекулярного алкилирования. Так, например, внутримолекулярная конденсация VIII в присутствии оснований также протекает через стадию образования а-карбаниона (рис. 5).
О О
и и
3 о с с с о 3
Н2 Н2 Н2 VIII
н,с
о Н СН:
н,
О'
IX
О °С, эфир
80 °С,толуол
Н,С
0.СН3
Рис. 5. Направления внутримолекулярной циклоконденсации монотиоформалей в различных условиях
При 0 оС в незначительных количествах получают «эфир» IX, а при 80 оС с высоким выходом образуется продукт конденсации X.
Преимущественное протекание реакции, приводящей к получению XV, объясняют различиями в подвижности атомов водорода при метиленовой группе и
резонансной стабилизации образующихся а-карбанионов [27].
Таким образом, значительная часть практически важных реакций дитиоформалей обусловлена наличием атомов серы, особенности электронного строения которых обеспечивают некоторую стабилизацию промежуточно образующихся а-карбанионов. Это позволяет не только использовать дитиоформали при защите карбонильных групп полифункциональных соединений, но и получать на их основе разнообразные производные, недоступные при использовании соответствующих кислородных аналогов.
Библиографический список
1. Delogu G., Lucchi O. De, Maglioli P., Valles G. Asymmetric Reactions of Thioacetals and Their S-Oxides Derived from 1,l'-Binapht halene-2,2'-dithiol // J. Org. Chem. 1991. 56. P. 4467-4473.
2. Ghorbani-Vaghei R, Veisi H. Solvent-free oxidative deprotection of 1,3-dithianes and 1,3-dithiolanes using poly(N,N'-dibromo-N-ethylbenzene-1,3-disulfonamide), N,N,N',N'-tetrabromobenzene-1,3-disulfonamide and NBS // ARKIVOC. 2009. P. 44-51.
3. Colonna S., Gaggero N., Pasta P. and Ottolina G. Enantioselective oxidation of sulfides to sulfoxides catalysed Ьу bacterial cyclohexanone monooxygenases // Chem. Commun. 1996. P. 2303-2307.
4. Ottolina G., Pasta P., Carrea G., Colonna S., Dallavalle S. and Holland H. L. A Predictive Active Site Model for the Cyclohexanone Monooxygenase Catalyzed Oxidation of Sulfides to Chiral Sulfoxides // Tetrahedron: Asymmetry. 1995.Vol. 6. P. 1375-1386.
5. Kruse C.G., Broekhof N.L.J.M., Wijsman A., Gen A. van der. Synthetic applications of 2-chloro-1,3-dithiane preparation of ^tene dithioacetals // Tetrahedron Letters. 1977. № 10. P. 885-888.
6. Froling A., Arens J. F. Syntheses with metallated thioacetals and orthothioformates // Recueil. 1962. 81. P. 1009-1022.
7. Arens J. F., Froling M., Froling A. Activation of ^drogen atoms Ьу sulphide groups in a-positions. // Recueil. 1959. 78. P. 663.
8. Оаэ Сигэру. Химия органических соединений серы/ М.: Химия, 1975. 512 с.
9. Органические реакции. Сборник 12 / пер. с англ. А.Ф. Платэ. М.: Мир, 1965.
55 с.
10. Shiono Y. М., Mukaiyama T. The reaction of trialkylboranes with the a-lithio derivatives of bis(phenylthio) methane and of 1,1-bis(phenylthio) pentane a convenient method for the preparation of aldehydes and ketones // Chem. Lett. 1973. Р. 961-962.
11. Hughes R J., Pelter А., Smith K. Preparation of secondary alcohols by reaction of trialкylboranes with bis(phenylthio)methyl-lithium // Ttetrahedron Lett. 1976. № 1. Р. 87-88.
12. Seebach D. Nucleophile acylierung mit 2-lithium-1,3-dithianen bzw. -1,3,5-trithianen // Synthesis. 1969. Р. 17-36.
13. Реакции серы с органическими соединениями / под ред. М.Г. Воронкова. Новосибирск: СО изд-ва «Наука», 1979. 369 с.
14. Jaffe H.H., Orchin M. Theory and Applications of Ultraviolet Spectroscopy // John Wiley and Sons. 1962. ch.17. Р. 474-476.
15. Сайкс П. Механизмы реакций в органической химии / пер. с англ. под ред. проф. Я.М. Варшавского. Изд. 3-е. М.: Химия, 1977. 320 с.
16. Ueki M., Ikeo T., Hokari K., Nakamura K., Saeki A., Komatsu H. А New Efficient Method for S-CH2-S Bond Formation and Its Application to а Djenkolic Acid-Containing Cyclic Enkephalin Analog // Bull. Chem. Soc. Jpn. 1999. 72. Р. 829-838.
17. Seebach D. Methods and Possibilities of Nucleophilic Acylation // Angew. Chem.,
Int. Ed. Engl., 8, 639 (1969).
18. Oae S., Tagaki W., Ohno A. 3d-Orbital resonance in divalent sulphides - IV. Acidity of hydrogen atom adjacent to mercapto groups // Tetrahedron. 1964. Vol. 20. Р. 417425.
19. Oae S., Tagaki W., Ohno A. 3d-Orbital resonance in divalent sulphides - V. Acidity of a-hydrogen atom of cyclic mercaptals // Tetrahedron. 1964. Vol. 20. Р. 427-436.
20. Oae S., Tagaki W., Ohno A. Deuterium-hydrogen exchange reactions of bridgehead a-deuterium in bicyclic trisulfide // J. Amer. Chem. Soc. 1961. 83. Р. 5036-5037.
21. Slaugh L. H., Bergman E. Factors Affecting the Ease of Carbanion Formation // J. Org. Chem. 1961. Vol. 26. Р. 3158-3162.
22. Hajipour A.R., Mallakpour S.E., Mohammadpoor-Baltork I., Adibil H. Solid state deprotection of acetals and thioacetals using benzyltriphenylphosphonium peroxymonosulfate // Molecules. 2002. 7. Р. 674-680.
23. Орнер Л., Рейхель Л. / Практикум по органической химии / под ред. акад. А.Е. Чичибабина. М.-Л.: Гос. научно-техническое изд., 1931. 239 c.
24. Habibia A., Valizadeh Y., Alizadeh A., Rudbari H.A., Nardo V.M. Regioselective synthesis of novel ketene dithioacetals // J. of Sulfur Chem. 2014. Vol. 35. №. 4. Р. 362-372.
25. Oae S., Tagaki W., Minamida I. 3d-Orbital resonance in divalent sulphides - X, The effects of a-aryl and a-alkylmercapto groups on the rate of decarboxylation of a-substituted carboxylic acids // Tetrahedron. 1968. Vol. 24. Р. 5283-5291.
26. Arens J. F., Froling M., Froling A. Activation of ^drogen atoms by sulphide groups in a-positions // Rec. trav. chim. 1959. 78. Р. 663.
27. Brehm W. J., Levenson T. The relative acidifying influence of oxygen and sulfur atoms on a-hydrogen atoms // J. Am. Chem. Soc. 1954. 76. Р. 5389-5390.
