|
ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
ИСТИНА ЦЭМИ РАН |
||
Синтез (Z)-3-бромо-4-(2-метоксифенил)оксетан-2-она и изучение его распадакурсовая работа (Специалист)
- Научный руководитель: Сазонов П.К.
- Автор: Тимофеев Григорий Михайлович
- Тип: Специалист
- Организация, в которой проходила защита: МГУ имени М.В. Ломоносова
- Кафедра: Кафедра органической химии
- Год защиты: 2021
- Курс: 3
- Аннотация: Электрофильное галогенирование непредельных карбоновых кислот известно, прежде всего, как метод иод- и бромлактонизации – сопряженного присоединения катиона галогена и карбоксилат-аниона по двойной связи. Однако замещённые коричные кислоты вместо циклизации в α-бром-β-лактоны, под действием NBS/LiOAc декарбоксилируются и образуют транс-β-бромстиролы. Бромдекарбоксилирование коричных кислот, доступных транс-изомеров, происходит и под действием ряда других галогенирующих агентов и оснований. Только в нескольких случаях зафиксировано образование небольших количеств соответствующих β-лактонов, всегда транс-конфигурации. Однако в единственном примере реакции цис-коричной кислоты с NBS/LiOAc получен цис-β-3-бром-4-фенилоксетан-2-он, причём, в отличие от реакций транс-коричных кислот, в заметном количестве (30%, при 40% β-бромстирола). Альтернативный путь превращения коричных кислот в β-бромстиролы включает последовательное присоединение Br2 по двойной связи и декарбоксилирующее элиминирование в дибромиде под действием основания. Проведение элиминирования в диполярных апротонных растворителях (ДМФА, ДМСО) приводит к цис-β-бромстиролам (из эритро-дибромидов), однако в реакционной смеси можно наблюдать 1-10% соответствующих α-галоген-β-арил-β-лактонов, имеющих уже цис-конфигурацию. Проведение элиминирования под действием AgOAc в AcOH приводит к транс-β-бромстиролам, хотя в случае пара-СO2Me-производного в реакционной смеси также зафиксирован соответствующий транс-β-лактон (22%). Во всех этих реакциях прослеживается чёткая корреляция между конфигурацией образующего β-бромстирола и “сопутствующего” ему β-лактона, а также между конфигурацией β-лактона и исходной коричной кислоты. Как минимум, это указывает на образование β-лактона и β-бромстирола из общего интермедиата в результате его стереоспецифического превращения. В зависимости от условий реакции, это может быть α,β-дибромид, α-лактон, бромониевый ион или открытый карбокатион . Если дополнительно учесть, что α-галоген-β-арил-β-лактоны быстро распадаются с отщеплением CO2 и этот распад обычно приводит к β-бромстиролу той же конфигурации, то β-лактоны могут быть и интермедиатами в процессе образования β-бромстиролов из коричных кислот и их дибромидов. Прежде всего, вопрос касается образования транс-β-бромстиролов, поскольку транс-изомеры β-арил-β-лактонов распадаются быстрее, чем цис- и практически никогда не наблюдаются в реакционных смесях. В данной работе исследовано промежуточное образование β-лактонов в реакциях цис- и транс-изомеров о-метоксикоричной кислоты с NBS в присутствии основания. Реакция с цис-о-метоксикоричной кислотой изучена более подробно с целью разработки метода выделения соответствующего цис- β-лактона. цис-о-Метоксикоричная кислота получена по известной методике из доступного природного соединения – кумарина. Реакции коричных кислот с NBS проводили в присутствии 40 мол% Bu4NOAc в CH3CN при 0+5оС, взяв за основу описанные в литературе условия бромдекарбоксилирования – 20 мол% LiOAc в смеси CH3CN – вода (4.6:0.4). Условия модифицировали для уменьшения скорости распада β-лактонов, отказавшись от нагревания и добавок воды и, чтобы компенсировать снижение скорости реакции, увеличили количество и активность основного катализатора. Состав реакционных смесей анализировали методами ИК (начиная со 2-3 мин) и ЯМР 1H спектроскопии (начиная с 15-20 мин). В реакции транс-2-метоксикоричной кислоты зафиксировано образование β-лактона: в ИК спектре его полоса (1840 см-1) первоначально (2 мин) намного сильнее полосы СO2 (2341 см-1) и соответствует 25% выходу β-лактона, далее наблюдается распад лактона (t½=300 c) и рост полосы CO2. Спектр ЯМР 1H показывает, что это именно транс-β-лактон (3JH-H=3.6 Гц), при этом через 15 мин в реакционной смеси его остаётся только 3%, а главным продуктом является транс-о-метокси-β-бромстирол (75%). Через 50 мин сигналы β-лактона практически исчезают (0.4%), выход транс-β-бромстирола достигает 83%, при этом доля не вступившей в реакцию транс-2-метоксикоричной кислоты уменьшается незначительно (от 15% до 11%). ИК-мониторинг реакции также показывает, что в первые минуты полоса CO2 растёт намного быстрее, чем убывает полоса лактона - в это время ещё продолжается образование β-лактона из транс-2-метоксикоричной кислоты. К концу реакции (>15 мин) скорости накопления CO2 и распада β-лактона практически совпадают (k=0.0023 c-1). Таким образом, бромдекарбоксилирование транс-2-метоксикоричной кислоты под действием NBS/Bu4NOAc в значительной степени (не менее чем наполовину) происходит через промежуточное образование транс-β-лактона. В реакции цис-2-метоксикоричной кислоты с NBS доля цис-β-лактона в реакционной смеси не превышает 15%, но уже в первых ИК-спектрах присутствует в 3-5 раз более интенсивная полоса CO2, соответствующая 65-80% его конечной концентрации. Максимум концентрации β-лактона, также как и для его транс-изомера, наблюдается уже в первом ИК-спектре (2-3 мин), однако распад цис-β-лактона происходит не так быстро (t½ 200 мин, k=6•10-5 c-1). По данным спектра ЯМР 1H через 15 мин в реакционной смеси присутствует 13% цис-β-лактона (3JH-H=5.6 Гц) и 64% цис-о-метокси-β-бромстирола. Через 1 сутки его доля в смеси увеличивается до 72%, β-лактон полностью распадается, открывая для наблюдения сигнал винильного протона транс-β-бромстирола (3.3 %). Таким образом, быстрое образование CO2 и цис-β-бромстирола при медленном распаде цис-β-лактона, показывают, что бромдекарбоксилирование цис-2-метоксикоричной кислоты в основном происходит по другому пути, без участия β-лактона. Этот путь обеспечивает достаточно высокую стереоспецифичность превращения: соотношение цис:транс изомеров образующегося β-бромстирола составляет 100 : 6. Выделения цис-β-3-бром-4-(2-метоксифенил)оксетан-2-она оказалось весьма непростой задачей, что связано с его быстрым декарбоксилированием, которое ускоряется в присутствии воды и кислотных агентов. Единственным продуктом выделяемым при хроматографировании реакционной смеси на колонке с силикагелем оказывается орто-метокси-β-бромстирол (Z:E=89 : 11). Для выделения β-лактона сначала отделяли β-бромстирол многократной экстракцией петролейным эфиром, из гелеобразного остатка β-лактон экстрагировали в Et2O и высаживали примесь сукцинимида петролейным эфиром. Предложенная методика, конечно, сопровождается потерями β-лактона и его превращением в β-бромстирол, но позволяет провести отделение от солей [Bu4N]X, сукцинимида и побочных продуктов и получить образцы, содержащие β-лактон и β-бромстирол в сравнимых количествах. Увеличить долю лактона в образце до 75% удаётся с помощью молекулярной отгонки более летучего β-бромстирола в вакууме 10-2 мм Hg при Т не выше 20°С. Примесь β-бромстирола не помешала измерению кинетики распада β лактона по его полосе поглощения в ИК-спектре (в ДМСО - 1837 см-1), а также по полосе поглощения образующегося CO2 (2336 см-1). При определении изомерного соотношения β-бромстиролов, образующихся при распаде лактона, проводили коррекцию на начальное содержание Z- и E-изомеров β-бромстирола в образце. Распад цис-β-3-бром-4-(2-метоксифенил)оксетан-2-она хорошо описывается кинетикой первого порядка, рассчитанные константы скорости увеличиваются с ростом полярности растворителя: (k1•104) CH2Cl2 (0.15) < CH3CN (0.7) < ДМСО (1.1) < CH3CN+10% H2O (2.8) < ДМСО + 16% H2O (6.8) < ДМФА +28% H2O (24). Добавка воды ускоряет распад β-лактона, но существенно не снижает его стереоселективность: соотношение Z/E-изомеров орто-метокси-β-бромстирола (9 : 1) остаётся достаточно высоким и в водном ДМСО.
- Добавил в систему: Сазонов Пётр Кириллович