Тиоацетали. Iii. Номенклатура и способы получения Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

УДК 542.913/547.578.6

ТИОАЦЕТАЛИ. III. НОМЕНКЛАТУРА И СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ

© 2018 О. М. Демидов1, Д. А. Щербаков2, А. В. Шантроха

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

3

'главный научный сотрудник, доктор хим. наук e-mail: alexander a rhcmail.rii

ФГУП «Научный центр «Сигнал», Москва

Рассмотрены номенклатура и основные способы получения тиоацеталей.

Ключевые слова: тиоацеталь, дисульфид, альдегид, дитиол, тиол, катализ, тиоэфир.

В предыдущих разделах настоящего сообщения мы остановились на актуальных аспектах синтеза и реакционной способности достаточно широко распространенных представителей тиоацеталей - дитиоформалях [1; 2].

В настоящем разделе рассмотрены номенклатура и способы получения тиоацеталей - перспективных полупродуктов синтеза веществ с новыми свойствами.

Рассмотренные закономерности реакций получения тиоацеталей и их дальнейшей трансформации могут быть использованы при разработке технологических процессов синтеза труднодоступных альдегидов, спиртов и полифункциональных соединений, а также при подготовке специалистов в области тонкого органического синтеза.

К тиоацеталям относятся соединения общей формулы

В некоторых источниках монозамещенные тиоацетали именуются меркапталями, 1-алкилтиоалкилсульфидами и дитиаалканами [3].

Соединения, имеющие циклическое строение, например (II), согласно номенклатуре ШРАС, имеет название 2-метил-1,3-дитиациклогексан.

1

X-Y

/ \

(I),

н К

?

где Х = алкил, арил, остаток а-аминокислоты из состава пептида и др.;

У = алкил, арил, остаток а-аминокислоты из состава пептида и др.; X = У = -(СН2)П- (п=1-3), орто-, мета-, пара-арил и др.

Его же тривиальное название 2-метил-1,3-дитиан. Относительно недавно подобные соединения относились к производным дитиоланов и тиоланов (соединения с пятичленным циклом) [4; 5].

Таким образом, у тиоацеталей метиленовый радикал группы -S-CR2-S- имеет в качестве одного заместителя атом водорода, а в качестве второго заместителя - алкан и арил. Часто в препаративных методах используются остатки а-аминокислот.

Необходимо отметить, что соединения, содержащие алкилтио- или арилтиогруппы у метиленового радикала, в большей степени используются в органическом синтезе, чем их кислородные или азотистые аналоги.

Способы получения

В настоящее время известны 10 различных способов получения тиоацеталей, основанных на использовании в качестве исходного сырья меркаптанов, дисульфидов, тиоформалей, ортосульфидов и карбоновых кислот, замещенных в а-положении арил(алкил) тиогруппой (рис. 1).

Получение из меркаптанов

А) Ь^СЩО) / Н+ Б) К1СН2С12

_ _„ ^ В) КСЬ^ШШ1 -К-ЯН -1-К-8СН28-Я

\ Г) СН3881(СН3)3 ^^

Получение из геминальных меркаптанов

Т-Г 8 СН =СН

Д) Б^СН^О) —^-К1СН2(8Н)2 —-—► Ь^СН^Е^

Получение из тиоформалей

м + *Ч К55ч к!

Е) / и -- „У К

118 КЗ

Получение из дисульфидов

Ж) ^СШ^/ВРз

^^ 3) адШ^/Си2^^. Я-8-8-Я---> Ы-8СН28-К

Получение из ортосульфидов

К^СЩО)

И) В(8Ы)з -^ Я-З^ОК-К + В203

Получение декарбоксилированием из арил(алкил)тиокислот

явД1 - вн® кзЛ К) ад^у -- квхн

о

Рис. 1. Методы синтеза тиоацеталей

А. Реакция ацилирования меркаптанов

Синтез тиоацеталей из альдегидов и меркаптанов основан на взаимодействии указанных компонентов в условиях «кислотного» или «щелочного» катализа. Многообразие методов получения тиоацеталей с использованием указанных компонентов заключается в очередности прибавления реагирующих компонентов, среды, в которой ведется реакция, и используемых катализаторов.

Общая методика синтеза тиоацеталей представляет собой процесс, заключающийся в последовательном смешении меркаптанов (2,2 моля) и соответствующих альдегидов (1,0 моль) в присутствии HCl (0,1 моля) в воде либо в полярных растворителях при 0 оС. После завершения прибавления альдегида смесь нагревают в течение 5-10 мин., оставляют стоять на ночь. Реакционную массу разбавляют дистиллированной водой, органический слой экстрагируют диэтиловым эфиром. Растворитель упаривают, полученный продукт перегоняют при пониженном давлении, выход по данному методу превышает 90 отн. % [6-9]. Реакция протекает по схеме 1.

п + +

М Н Н с и с

g + sh ho.h.s^ + d1,sh-► r1' с^ r1 m

r h r1 с r1 r -h20 l (1)

i r

r ,

где R = арил, алкил;

R1 = арил, алкил, остаток а-аминокислоты.

Б. Реакция алкилирования меркаптанов в присутствии акцептора галогенводорода

Реакция алкилирования меркаптанов основана на взаимодействии меркаптанов (2,2 моля) с 1,1-замещенными дигалоидалканами (1,0 моль) в присутствии акцептора галогенводорода (2,0 моля), в среде полярного растворителя (метанол, этанол). В указанных условиях получают симметричные тиоацетали [10; 11].

Общая методика синтеза тиоацеталей, по указанному способу, представляет собой процесс, заключающийся в последовательном смешении меркаптанов и акцептора галогенводорода с 1,1-замещенными дигалогенметиленами при 0-5 оС. После завершения прибавления дигалогеналкана смесь нагревают в течение 8 ч. Реакционную массу разбавляют дистиллированной водой, органический слой экстрагируют диэтиловым эфиром. Растворитель упаривают, полученный продукт перегоняют при пониженном давлении, выход по данному методу составляет 90-96 отн.% (схема 2).

Cl Na2(C03) Cl n*2(c03) r

¿н + ^sh -^ сн + r1 r1 (2)

r cl r r s-r1 s' s ,

где R = арил, алкил;

R1 = арил, алкил, остаток а-аминокислоты.

Для получения несимметричных тиоацеталей используют а-хлордиал-килсульфиды и меркаптаны, в качестве акцептора хлористого водорода - триэтиламин либо карбонат натрия (схема 3) [8].

?' (C2H5)3N R1

r^sar1 + r2-sh -► (3)

ö K (C2H5)3N HCl & &

где R = арил, алкил остаток а-аминокислоты;

R1 = арил, алкил.

R2 = арил, алкил остаток а-аминокислоты.

Для получения а-хлорзамещенных сульфидов, основанного на реакции хлорирования сульфидов сульфурилхлоридом или хлором (схема 4), также рассматривают реакции хлор алкилирования (схема 5) и гидрохлорирования (схема 6).

м CI

н2 Н2 S02C12 "г '

-► r ^s r1 +s°2

Н2 Н2 С12 Н2 R^S^ -^ R^S'^ +HC1

(4)

где Я = арил, алкил; Я1 = алкил, арил.

Механизм образования а-хлор амещенных сульфидов основан на протекании последовательных реакций образования сульфониевой соли и дегидрохлорирования с образованием соответствующего продукта (схема 5) [12].

Н2 Н2 802С12(С12) "2 Н2 , С|

(5)

С1 к в

R'^S'^R

- S02 (HCl)

В реакциях хлоралкилирования меркаптанов используется концентрированная соляная кислота и соотвествующий альдегид (схема 6) [13].

R ^ HCl CI

-SH + L -► R У (6)

Необходимо остановиться на реакции гидрохлорирования непредельных сульфидов. Указанная реакция протекает против правила Марковникова -региоселективно, с образованием а-хлорзамещенных сульфидов (схема 7). Она достаточно подробно рассмотрена в работе, посвященной изучению производных диэтилсульфида [14].

1 HCl ?' , ч

-► rvAs-r1 (7)

В. Реакция взаимодействия меркаптанов с основаниями Шиффа (иминами)

Реакция взаимодействия меркаптанов с иминами (основания Шиффа) по двойной связи углерод-азот (-C=N-) в безводных полярных растворителях, например в метаноле, при комнатной температуре в течение 2-3 ч. приводит к образованию семиацеталей с выходом 80-97 %, согласно схемы 8. Реакцию проводят при эквимольном соотношении реагентов.

xOM")v + RSH — xOi^Ov (8)

Проведение реакции при 80 оС в условиях более чем двукратного мольного избытка меркаптана, в присутствии хлористого водорода приводит к образованию тиоформаля (схема 9). В качестве растворителя используют толуол. Реакционную массу нагревают в течение 12 ч., выход тиоацеталя для о-изомера составляет 13 отн.%, да-изомера - 15 отн. %. В качестве продукта реакции наблюдается образование также соответствующей аминобензойной кислоты [3; 16; 17].

соон J соон

(9)

| | 1 g' |

.о

—СГ = О, т.

чон

СН3

Г. Реакция метилтиотриметилсилилирования альдегидов

Представляет практический интерес способ получения тиоацеталей, основанный на взаимодействии альдегидов с метилтиотриметилсиланом (схема 10) [18]. н ?Нз 0 и СН3 СН,

)=0 + 2 8 СН. -^ Н3С^Х3.СН3 + н3С "О "СН3 (10)

к сн3 3 ,

где R = C6H5C-, CHз(CH2)5C-.

Общая методика синтеза тиоацеталей по этому методу включает последовательное прибавление к охлажденному до 0 оС раствору альдегида небольшими порциями двукратного мольного избытка метилтиотриметилсилана. Через 15 мин. после смешения реагентов температуру реакционной массы доводят до комнатной и продолжают перемешивание 2 ч. Выход тиоацеталей достигает 90 отн. %.

В качестве растворителя используют бензол, ацетонитрил, хлороформ и диэтиловый эфир. В том случае, если требуется получение других тиопроизводных тиоацеталей, в качестве алкилирующего реагента используют алкилтиотриметилсилан, где алкилтиогруппа представлена либо различными алканами, либо арилами.

Д.Получение из геминальных меркаптанов

Получение тиоацеталей из геж-дитиолов можно разделить на две стадии. Первая стадия заключается в получении непосредственно геж-дитиолов (схема 9), вторая стадия - в получении соответствующих тиоацеталей, в зависимости от используемых реагентов (схема 11).

К

О

+ 2 Н28 -► НЭ-

-Н (11)

н эн

Синтез геж-дитиолов осуществляют по общей методике, заключающейся во взаимодействии соответствующего альдегида и сероводорода в автоклаве. Загрузку реагирующих компонентов осуществляют при минус 30 оС.

При использовании пропионового альдегида при температуре реакционной массы 30 оС, давлении 540-1070 атм получают 1,1-пропандитиол с выходом 21 отн.%, при температуре реакционной массы 80 оС и давлении 50 атм выход продукта составляет 16 отн. %. В случае использования бензальдегида при температуре 75 оС и давлении 50 атм фенилметилдитиол получают с выходом до 15 отн.% [19].

Полученные геж-дитиолы способны реагировать с ангидридами кислот, непредельными алканами и кетонами с образованием тиоацеталей (схема 12).

r

hs-

-Н

sh

(СН3С0)20 I RH I

2 СН2-СН2

Н3с

о

л

сня

r н

-X,

Rh3c ch3R

Д. Реакция аликилирования тиоформалей

Реализация реакции аликилирования тиоформалей позволяет получать тиоацетали заданного строения исходя из структуры исходного тиоформаля и галоидалкана (схема 13) [20].

н3с

ö \

Н2С—S

сн,

NaNHn

Н3С d \ Н2С—S

\ -сн /

СН31

н3с d \

Н2С—S

снсн3

Н2С—S

(13)

н,с

н2с—э н2с э

н3с н3с

Реакцию ведут в сухом диметилформамиде. К раствору тиоформаля (0,016 моля) при температуре 0 оС прибавляют маленькими порциями амид натрия, реакционную массу перемешивают до полного перерождения амида натрия. Затем к полученному раствору прибавляют йодистый метил и перемешивают 6,5 ч. Реакционную массу выливают на лед, экстрагируют хлороформом. Продукт очищают хроматографическим методом.

Процесс получения тиоацеталя из тиоформаля можно осуществить в среде жидкого аммиака [20]. К раствору амида натрия или лития в жидком аммиаке прибавляют тиоформаль и затем маленькими порциями алкилгалогенид.

Исследователями [7] описан усовершенствованный способ получения тиоацеталей через литий органические соединения. Реакцию проводят в тетрагидрофуране, в атмосфере азота. К 10 ммолям тиоформаля при 0 оС прибавляют 10 ммолей и-бутиллития, перемешивают 7 мин. до появления желтой окраски, что свидетельствует об образовании литиевого комплекса с тиоформалем. Реакционную массу перемешивают 12 ч. при 0 оС и затем прибавляют 13 ммолей алкил бромида, доводят температуру до 25 оС и перемешивают еще 2,5 ч. В реакционную массу добавляют воду, экстрагируют эфиром, продукт перегоняют в вакууме. С выходом более 95 отн. % получают продукт в виде высококипящего масла.

Е. Алкилирование дисульфидов диазосоединениями с использованием BFз

Интересный метод синтеза тиоацеталей разработан E. Ридом [11]. Он рассмотрен на примере реакции дифенилдисульфида с этилдиазоацетатом в присутствии катализатора BF3. Выход тиоацеталя по данному способу достигает 60 % (схема 14).

О

+ n2chco2c2h5

bf3-(c2h5)o

Ж. Алкилирование дисульфидов диазосоединениями с использованием медного катализатора

Образование тиоацеталя наблюдается при действии карбена на дисульфид, схема 15 [11; 21].

"S' ^ CuS04

+ n2chco2c2h5-»

о

S.HA

с с

I

S

+ с2н5со2сн=снсо2с2н5

(15 )

Смесь этилдиазоацетата (100 ммоль), дифенилдисульфида (200 ммоль) и предварительно высушенного сульфата меди (2 ммоля) нагревают при 90 оС в течение 30 мин. Реакционную массу охлаждают и экстрагируют диэтиловым эфиром. Экстракт концентрируют, получая тиоацеталь с выходом 24 отн.%.

Основным продуктом реакции является «димер» (более 60 отн.%), образующийся при реакции «карбена» между собой. В качестве катализатора испольуют хлорид меди (i), при этом выход тиоацеталя снижается до 15 отн.%. Необходимо отметить, что в отсутствие катализатора образованиякарбена не происходит и реакция не протекает.

З. Реакция ацилирования алкил-орто-тиоборановых эфиров Взаимодействие алкил-орто-тиоборановых эфиров с альдегидами в зависимости от соотношения исходных компонентов может протекать по двум направлениям (схема 16). В зависимости от природы исходных «сульфидов» наряду с тиоацеталями образуются либо оксид бора (iii), либо борорганические соединения.

-► в2о3 + з к сн к

Б Б

R-S R \ / > В—S /

R-S

+ 3

ЧС*

I

R-S

н.

B-Ph

Y

R1

1/3 (PhBO)3 + R-

R1 I

,сн

(16)

,R

Б'

. к'

К-Э

Общая методика синтеза тиоацеталей заключается в прибавлении к охлаждённому льдом раствору алкил-орто-тиоборана в петролейном эфире альдегида. Реакцию ведут в инертной атмосфере. После смешения реагирующих компонентов реакционную массу перемешивают 2 ч. при нагревании. Образующийся оксид бора отфильтровывают. Растворитель упаривают, остаток перегоняют при пониженном давлении. В таблице приведены реагирующие компоненты и выходы тиоацеталей при реализации вышеуказанных схем [22-24].

Реагенты Продукты реакции Выход, отн.%

CeFsCO + PhB(SC2Hs)2 ^^^2^)2 + (PhBO)3 45

CH3CH=CHCHO + PhB(SC2H5)2 CH3CH=CHCH(SC2H5)2 + (PhBO)3 67

C6H5CH=CHCHO + (C2H5S)3B C6H5CH=CHCH(SC2H5)2 + B2O3 59

p-CH3OC6H4CHO + (CH3S)3B p-CH3OC6H4CH(SCH3)2 + B2O3 56

p-CH3OC6H4CHO + (C2H5S)3B p-CHзOC6H4CH(SC2H5)2 + B2Oз 78

И. Реакция декарбоксилирования замещенных а-тиокарбоновых кислот Реакция декарбоксилирования замещенных а-тиокарбоновых кислот рассмотрена при изучении резонансного влияния 3d-орбиталей атомов серы,

расположенных в а-положении к карбоксильной группе в присутствии катализатора (высококипящий амин, схемы 17 и 18) [25].

Реакцию декарбоксилирования ациклических замещенных а-тиокарбоновых кислот осуществляют в диметилсульфоксиде в присутствии триэтаноламина при температуре реакционной массы 160 оС в течение 8 ч. Концентрация реагирующих компонентов в растворителе не более 0,1 моля, выход продуктов реакции составляет более 30 отн. % (схема 17).

-СО,

r—s r1 о

У-Ч

R_s' медленно

r-S

r-S

r-S

у~ r1

r-S

ВН

r-S

быстро r—s

Ь*1

(17)

где R = Et, Ph, R1 = Met, Ph.

Реакцию декарбоксилирования циклических замещенных а-тиокарбоновых кислот осуществляют в автоклаве в 50 масс.%-ном водно-спиртовом растворе, в присутствии триэтаноламина при температуре реакционной массы 160 оС. Данная реакция рассмотрена на примере 1-метил-1-карбокси-2,3-дитиана, концентрация реагирующих компонентов в растворителе не более 0,1 моля, выход 2-метил-1,3-дитиана по данной реакции составляет около 80 отн. % (схема 18).

-СО,

scy _

\_g/ \QH медленно

CS /—S

<5 >-S

ВН

быстро

CS

)—СНЭ

R

(18)

Физико-химические свойства образующихся продуктов реакции в данной публикации не приводятся.

Таким образом, нами рассмотрены основные методы получения тиоацеталей, основанные главным образом на использовании доступного сырья и технологического оформления процессов, которые реализуемы в лабораторных условиях.

Библиографический список

1. Демидов О.М., Щербаков Д. А., Шантроха А.В. Тиоацетали. I. Тиоформали. Номенклатура и способы получения // AUDITORIUM. Электронный научный журнал Курского государственного университета. 2017. № 1 (13). URL: auditorium.kursksu.ru/pdf/013-001.pdf (дата обращения: 12.02.2018).

2. Демидов О.М., Щербаков Д.А., Шантроха А.В. Тиоацетали. II. Тиоформали. Химические свойства // AUDITORIUM. Электронный научный журнал Курского государственного университета. 2017. № 2 (14). URL: auditorium.kursksu.ru/pdf/014-005.pdf. (дата обращения: 12.02.2018).

3. Дж. К. Баррет / Полифункциональные сульфиды // Общая органическая химия Т. 5. Соединения фосфора и серы. М.: Химия, 1983. С. 187-208.

4. Караулов Е.Н. / Реакции насыщенных циклических сульфидов // Успехи химии. 1988. Т. 57. Вып. 7. С. 1131-1169.

5. 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. Р. 44-51.

6. Zaidi J. H., Naeem F., Khan K. M., Iqbal Zia-Ullah R. Synthesis of Dithioacetals and Oxathioacetals with Chiral Auxiliaries // Synthetic Communications. 2004. Vol. 34. № 14. Р. 2641-2653.

7. Corei E.J., Seebach D. Phenylthiomethyllithium and Bis(phenylthio)-methyllithium // J. Org. Chem. 1966. Vol. 31. No. 12. P. 4097-4099.

8. Zaidi J. H., Naeem F., Khan K. M., Iqbal Zia-Ullah R., Perveen S. An Expeditious Approach Towards Synthesis of Oxathioacetals and Dithioacetals // J. Chem. Soc. Pak. 2004. Vol. 26. No. 3. P. 333-339.

9. Corei E.J., Seebach D. Carbanions of 1,3-Dithianes. Reagents for C-C Bond Formation by Nucleophilic Displacement and Carbonyl Addition // Angew. Chem. Int. Ed. 1965. Vol. 4. No. 12. P. 1075-1077.

10. Holsboer D. H. and Van der Veek A. P. M., Rec. RK. Von thiolformiaten mit phosphorpentachlorid und dichlormethylmethylaether, synth. von dichlormethylsulfiden, trichlormethylsulfiden und bis-(alkylmercapto) methylchloriden // Trav. chim. 1972. 91. P. 349.

11. Reid E. E. Organic Chemistry of Bivalent Sulfur. Vol. 2. N.Y.: Chem. Publishing Co., 1960. P. 125-128.

12. Böhme V.H., Gran H-J. Über die Einwirkung von Chlor auf Thioäther und Mercaptale // Lieb. Ann. Chem. 1952. Vol. 577. No. 1. P. 68-77.

13. Peer H.G., Heijden A. van der, Tjan S.B., Orden T.L. van. Synthesis of dithiohemiacetals // Synth. Comm. 1971. Vol. 1 (4). P. 277-284.

14. Bordwell F.G., Pitt B.M. The Formation of a-Chloro Sulfides from Sulfides and from Sulfoxides // J. Am. Chem. Soc. 1955. Vol. 77 (3). P. 572-577.

16. Oakes T.R., Stacy G.W. Reactions of thiols with Schiff bases in nonaqueous solvents. Addition equilibria, cleavage and reduction // J. Am. Chem. Soc. 1972.Vol. 94. №. 5. P. 1594-1600.

17. Stacy G. W., Day R.I., Morath R.J. Schiff bases and related substances. II. Reaction of thiols with N-benzylideneaniline and N-benzylideneanthranilic acid // J. Am. Chem. Soc. 1955. Vol. 77. №. 5. P. 3869-3873.

18. Evans D. A., Grimm K. G., Truesdale L. K. Methylthiotrimethylsilane. A versatile reagent for thioketalization under neutral conditions // J. of the Amer. Chem. Soc. 1975. Vol. 97. P. 3229-3230.

19. Cairns T.L., Evans G.L., Larchar A.W. and Mckusick B.C. gem-Dithiols. // J. Amer. Chem. Soc. 1952. 74. P. 3982-3989.

20. Truse W.E., Roberts F. The Metalation and Alkylation of Mercaptals // J. Org. Chem. 1963. Vol. 28. №. 4. P. 961-964.

21. Scott T.S., De Cicco G.J. Intermolecular carbon-hydrogen insertion of copper carbenoids // J. Am. Chem. Soc. 1974, Vol. 96. P. 322-323.

22. Bessette F., Brault J., Lalancette J.M. The preparation of thioacetals from ortothioboric esters // Canadian J. of Chem. 1965. Vol. 43. P. 307-309.

23. Lalancette J.M., Lachance A. Facile preparation of thioacetals in neutral medium starting from sodium borohydride // Canadian J. of Chem. 1969. Vol. 47. P. 859-860.

24. Cragg R.H., Husband J.P.N. Thioboranes: Theire use in the synthesis of thioacetals // Inorg. Nucl. Chem. Letters. 1970. Vol. 6. P. 773-774.

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. P. 5283-5291.