авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 |
-- [ Страница 1 ] --

КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Химический институт им. А.М.Бутлерова

Кафедра высокомолекулярных и элементоорганических соединений

На правах рукописи

УДК. 547.26` 118

МАЛЬЦЕВ ДМИТРИЙ БОРИСОВИЧ

КИНЕТИКА И МЕХАНИЗМ РЕАКЦИЙ ОБРАЗОВАНИЯ ФОСФАБЕТАИ-

НОВ И РЕАКЦИЙ С ИХ УЧАСТИЕМ

Диссертация на соискание учёной степени кандидата химических наук

02.00.08 – химия элементоорганических соединений

Научный руководитель:

д.х.н., профессор Галкин В.И.

Научный консультант:

к.х.н., с.н.с. Бахтиярова Ю.В.

Казань-2007 г.

СОДЕРЖАНИЕ Введение Глава 1. СИНТЕЗ, СТРОЕНИЕ И ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ОРГА НИЧЕСКИХ И ЭЛЕМЕНТООРГАНИЧЕСКИХ БЕТАИНОВ (Литературный обзор) 1.1. Органические и элементоорганические карбоксилатные бетаины 1.1.1. Азотсодержащие карбоксилатные бетаины 1.1.1.1. Карбоксилатные азотсодержащие бетаины в природных объек тах 1.1.1.2. Синтез и строение азотсодержащих карбоксилатных бетаинов 1.1.1.3. Реакционная способность азотсодержащих карбоксилатных бе таинов 1.1.2. Карбоксилатные арсенобетаины 1.1.2.1. Карбоксилатные мышьяксодержащие бетаинов в природных объектах 1.1.2.2. Методы синтеза мышьяксодержащих карбоксилатных бетаинов 1.1.3. Серосодержащие карбоксилатные бетаины 1.1.4. Иодониевые карбоксилатные бетаины 1.2. Синтез, строение и реакционная способность фосфабетаиновых структур 1.2.1. Реакции третичных фосфинов с гетерокумуленами 1.2.2. Синтез, строение и реакционная способность карбоксилатных фосфабетаинов 1.2.3. Фосфабетаины на основе цианакрилатов Реакции элементоорганических бетаинов с изо- и изотиоциана 1.3.

тами Глава 2. КИНЕТИКА И МЕХАНИЗМ ОБРАЗОВАНИЯ ФОСФАБЕТАИ НОВ И РЕАКЦИЙ С ИХ УЧАСТИЕМ (Обсуждение результа тов) 2.1. Кинетика и механизм образования карбоксилатных фосфабетаи нов в реакции третичных фосфинов с непредельными карбоно выми кислотами 2.2. CN Миграция оксогрупп в реакциях арил- и фосфоний – за мещенных карбанионов с арилизоцианатами. Кинетика и меха низм реакций Глава 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 3.1. Используемые реагенты 3.2. Очистка растворителей 3.3. Кинетические исследования 3.3.1. Кинетика реакций третичных фосфинов с акриловой кислотой 3.3.2. Кинетические исследования реакций карбанионов с арилизо цианатами 3.3.3. Кинетическое исследование реакции методом «остановленной струи» 3.4. Дополнительные спектральные исследования. Основные результаты и выводы Список литературы ВВЕДЕНИЕ Актуальность работы Химия элементоорганических бетаинов – это относительно молодая и быстро развивающаяся область химии элементоорганических соединений.

Большой интерес к этой области знаний обусловлен, прежде всего, широким разнообразием практически полезных свойств бетаинов и их удивительно ши роким спектром биологической активности. От мышьяксодержащего бетаина (арсенобетаин уксусной кислоты), выступающего в качестве детоксиканта морской биоты с очень низкой токсичностью (LD50 10 г/кг), до курареподоб ных ядов в случае, казалось бы, безобидного бутиробетаина (бетаин амино масляной кислоты).

Эти уникальные соединения представляют собой внутренние ониевые соли, в которых катионный ониевый и анионный центры соединены между собой не только ионной, но и системой ковалентных связей.

Элементоорганические бетаины широко используются в медицине в качестве лекарственных препаратов – например, ацидол (хлорид глицинбе таина) как заменитель соляной кислоты для повышения кислотности желу дочного сока. Аддукты бетаинов и различных карбоновых кислот предложе но использовать для лечения заболеваний печени, дерматозов, ревматизма, диспепсии и других недугов человека. Среди бетаиновых производных най дены эффективные антидиабетические, гиполипидемические, гепато- и кар диопротекторные лекарственные средства, а также большое число космети ческих препаратов.

Необходимо отметить большое будущее за элементоорганическими (и, в частности, фосфорорганическими) бетаиновыми структурами в качестве межфазных катализаторов. В большинстве случаев каталитическая актив ность изученных бетаинов превосходит таковую у обычных межфазных ка тализаторов - аммониевых солей.

Среди производных элементоорганических бетаинов найдены соеди нения, обладающие бактерицидными и дезинфицирующими свойствами.

Таким образом, области применения элементоорганических бетаинов и их производных весьма различны – это: моющие средства, косметика, по лучение текстильных и химических волокон, отделка и переработка кожи и меха, лаки, краски, флотация, добыча нефти, металлообрабатывающая про мышленность, строительство, защита растений, катализ, пестициды и многое другое.

В то же время, приходится констатировать, что на сегодняшний день химические свойства элементоорганических бетаинов – и, в частности, ме ханизмы их образования и механизмы реакций с их участием, изучены явно недостаточно.

Особенно это касается фосфорорганических бетаинов, интерес к кото рым в последние годы проявляется во многих ведущих фосфорорганических лабораториях мира. Это обусловлено, прежде всего, тем, что очень часто по добные структуры возникают в качестве интермедиатов во многих важней ших фосфорорганических реакциях, хотя известно относительно небольшое число и стабильных фосфабетаинов. Если же учесть, что фосфабетаины кроме всего прочего являются и своеобразными аналогами органических аминокислот с широким спектром потенциальных химических и биологиче ских свойств, то резко возрастающий в последнее время теоретический и практический интерес к этому классу соединений становится вполне понят ным.

Настоящая диссертационная работа является продолжением проводи мых в Казанском государственном университете систематических исследова ний в области синтеза, изучения строения и реакционной способности карбок силатных фосфабетаинов, получаемых в реакциях третичных фосфинов с не предельными карбоновыми кислотами. Следует отметить, что к началу данно го исследования в нашей исследовательской группе уже были достигнуты оп ределенные успехи в области химии карбоксилатных фосфабетаинов и сфор мулированы некоторые основополагающие принципы их стабильности и ре акционной способности. В то же время, механизмы реакций их образования и реакций с их участием (подчас, принципиально новые и совершенно неожи данные) до настоящего времени практически не изучены вовсе. Хотя совер шенно очевидно, что только через установление механизма подобных реакций можно эффективно управлять направленным синтезом и реакционной способ ностью этих своеобразных и в чем-то совершенно уникальных соединений.

Установлению основных кинетических закономерностей и механизма образования карбоксилатных фосфабетаинов в реакции третичных фосфинов с непредельными карбоновыми кислотами (в частности, акриловой кислотой) и новой необычной реакции цианоакрилатных фосфабетаинов с арилизоциа натами и посвящена настоящая диссертационная работа.

Цель работы Целью настоящей диссертационной работы являлось систематическое исследование основных кинетических закономерностей и механизма реакций образования карбоксилатных фосфабетаинов на основе третичных фосфинов и непредельных карбоновых кислот, а также принципиально новых, не из вестных ранее, реакций фосфабетаинов акрилатного ряда и их органических аналогов с арилизоцианатами.

Научная новизна работы и выносимые на защиту положения состоят в следующем:

Впервые проведено систематическое теоретическое (квантовохимиче ское) и экспериментальное (кинетическое) исследование механизма образова ния карбоксилатных фосфабетаинов в реакции третичных фосфинов (трифе нилфосфин и метилдифенилфосфин) с непредельными карбоновыми кислота ми (на примере акриловой кислоты).

Показано, что реакция протекает через промежуточное образование комплекса между третичным фосфином и С=С связью непредельной карбоно вой кислоты. Проведенный в рамках уравнения Коппеля-Пальма анализ влия ния растворителей позволил сделать выводы о структуре переходного состоя ния и предложить механизм реакции, хорошо согласующийся со всей сово купностью полученных экспериментальных и расчетных данных.

Спектрофотометрическим методом изучены кинетика и механизм ново го типа CN миграции сложноэфирной и ацетильной групп в реакциях кар бометокси(фенил)цианометил-натрия и 1-фенил-1-трибутилфосфоний-2,2 диацетилэтана с арилизоцианатами.

Установлено, что реакции протекают с образованием предреакционного комплекса по согласованному механизму, в рамках которого нуклеофильная атака карбанионного центра на углерод изоцианатной группы и нуклеофиль ная атака атома азота на атом углерода сложноэфирной или ацетильной груп пы, приводящая к разрыву связи С-С, протекают относительно синхронно в рамках одного переходного состояния.

Практическая значимость исследования состоит в установлении ко личественных закономерностей и механизмов реакций образования фосфабе таинов и реакций с их участием, открывающих путь к разработке новых эф фективных методов направленного синтеза фосфабетаинов и их производных с потенциально широким спектром биологической активности и других прак тически полезных свойств.

Кроме того, полученные в результате исследования новые данные вклю чены в читаемый в Казанском университете лекционный курс «Химия фосфорорганических соединений».

Апробация работы и публикации Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсу ждались на следующих конференциях: республиканском конкурсе научных работ среди студентов и аспирантов на соискание премии им. Н.И. Лобачев ского (Казань, 2002 г., 2003 г.), на студенческих научных конференциях хи мического факультета Казанского университета (2002 г., 2003 г.), на XVII Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (Казань, 2003 г.), на XIV Международной конференции по химии соединений фосфора (ICCPC XIV, Казань, Россия, 2005 г.), на ежегодных научных конференциях НОЦ КГУ (Казань, 2003-2006 гг.), на международной конференции «От Бутлерова и Бельштейна до современности» (Санкт-Петербург, 2006 г.) По материалам диссертации опубликованы 2 статьи: в журнале «Извес тия Российской Академии Наук. Серия химическая» (включен в перечень ВАК) и журнале «Ученые записки Казанского государственного университе та. Естественные науки», а также тезисы 8 докладов на международных, все российских и региональных конференциях.

Опубликованные работы написаны в соавторстве с научным руководи телем д.х.н. профессором В.И. Галкиным и научным консультантом к.х.н.

с.н.с. Ю.В. Бахтияровой, а также профессором Р.А.Черкасовым, доцентом И.В.Галкиной и доцентом А.А.Собановым, принимавшими участие в обсуж дении результатов исследования. Член-корр. НАН Украины, д.х.н. проф.

Ю.Г.Гололобов и к.х.н. О.А.Линченко (ИНЭОС РАН, г. Москва) принимали участие в постановке задачи и обсуждении результатов совместной работы по изучению кинетики и механизма нового типа CN миграции сложноэфирной и ацетильной групп в реакциях карбометокси(фенил)цианометил-натрия и 1 фенил-1-трибутилфосфоний-2,2-диацетилэтана с арилизоцианатами.

Вся экспериментальная работа и основные выводы сделаны самим авто ром.

Автор выражает глубокую признательность всем принимавшим участие в настоящем исследовании за плодотворное сотрудничество.

Объем и структура работы Диссертация изложена на 116 страницах, содержит 9 таблиц, 14 рисун ков и библиографию, включающую 117 ссылок. Диссертационная работа со стоит из введения, трех глав, выводов и списка цитированной литературы.

В первой главе представлен обзор литературных данных по синтезу, строению и химическим свойствам элементоорганических бетаинов. Основ ное внимание уделялось фосфорорганическим бетаинам и имеющимся в лите ратуре данным по кинетическому изучению их реакций.

Во второй главе обсуждаются наши собственные результаты по изуче нию кинетики и механизма реакций образования фосфабетаинов и необычных реакций с их участием.

Третья глава содержит краткое описание проведенных синтетических и кинетических экспериментов.

Работа выполнена на кафедре высокомолекулярных и элементооргани ческих соединений Химического Института им. А.М. Бутлерова Казанского государственного университета.

Работа входит в планы РАН и Минобразования и науки РФ, выполнена при финансовой поддержке НТП “Университеты России” (грант № УР.

05.01.005), Научно-образовательного центра Казанского государственного университета «Материалы и технологии XXI века» (грант REC-007 совмест ной российско-американской программы «Фундаментальные исследования и высшее образование» (BRHE)) и Академии наук Татарстана (гранты 07-7.1- /2006 (Г) и 07-7.2-276 (ПЛ)/2006 (Г)).

ГЛАВА 1. СИНТЕЗ, СТРОЕНИЕ И ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ОР ГАНИЧЕСКИХ И ЭЛЕМЕНТООРГАНИЧЕСКИХ БЕТАИНОВ (Литературный обзор) Классические бетаины - внутрисолевая форма органических амино кислот, содержащих карбоксилатную группу и четвертичный аммониевый атом азота.

R3N CH COO R' Однако в последнее время к бетаинам относят все аналогичные струк туры с ковалентно-связанными анионным (не обязательно карбоксилатным) и катионным (ониевым) центрами. В качестве последних часто выступают ониевые атомы Р, As, S, O, Si, I и др., образующие большой класс элементо органических бетаинов. В этом смысле понятие «бетаин» в настоящее время стало практически тождественным понятию «цвиттер-ион», хотя ранее со ставляло лишь один из его частных случаев.

Первые природные бетаины растительного и животного происхожде ния были выделены в середине 19 века, а интенсивное их изучение и уста новление структуры началось с середины 20 века. Одним из первых биохи миков России, работавших в данном направлении, был известный советский учёный, академик В.С. Гулевич. Его основные работы [1] посвящены азоти стому обмену у животных, химии аминокислот и белков. Им впервые были выделены из мышечной ткани и изучены карнозин, карнитин (витамин ВТ) и ансерин.

В данном литературном обзоре мы кратко рассмотрим основные классы известных на сегодняшний день органических и элементоорганических бе таинов, сосредоточившись, в основном, на синтезе, строении и химических свойствах карбоксилатных бетаинов. При этом особое внимание будет уделе но вопросам синтеза, строения и реакционной способности карбоксилатных фосфабетаиновых структур и их ближайших аналогов, поскольку именно они являются основными объектами настоящего иследования.

1.1. Органические и элементоорганические карбоксилатные бетаины 1.1.1. Азотсодержащие карбоксилатные бетаины Именно азотсодержащие бетаины являются родоначальниками и наибо лее изученными представителями всего класса органических и элементоорга нических бетаинов [2], поскольку они уже давно стали классикой и истоком удивительной химии этих соединений.

1.1.1.1. Карбоксилатные азотсодержащие бетаины в природных объектах Интересно отметить, что в природе превращение аминокислот в бетаи ны путём их полного метилирования является важным процессом азотистого обмена у многих растений и животных. Бетаины широко распространены в растительном мире и содержатся в организмах беспозвоночных животных, в меньшей степени они представлены у высших животных.

В растениях, а также в животных организмах обнаружены [2] бетаины глицина (глицинбетаин), масляной кислоты (бутиробетаин), -оксимасляной кислоты (карнитин), пролина (стахидрин), триптофана (гипафорин), никоти новой кислоты (тригонеллин), бетаин гистидина (герцинин), который найден в раличных грибах, и многие другие.

Наиболее распространен в природе родоначальник всех бетаинов как класса соединений - бетаин глицина (гликокола) (производное триметилами ноуксусной кислоты), с молекулярным весом 117.15, Т пл. 293 оС, бесцветное кристаллическое вещество, хорошо растворимое в воде и плохо - в диэтило вом эфире:

(CH3)3NCH2COO Глицинбетаин содержится в большом количестве в сахарной свёкле, в мышцах беспозвоночных животных, в тканях и моче млекопитающих. Дан ный бетаин принимает участие в процессе переметилирования в животном ор ганизме и может служить донором метильных групп. В качестве донора ме тильных групп он принимает участие в метилировании гуанидинуксусной ки слоты и в обновлении метильных групп холина и метионина, как это было ус тановлено при использовании дейтерированного по метилу глицинбетаина.

Замечательными свойствами обладает бетаин -аминомасляной ки слоты, выделенный из сгнившего (трупного) мяса - бутиробетаин. Это вещество образуется в результате бактериального декарбоксилирования бе таина глутаминовой кислоты [3]:

COOH (CH3)3NCHCH2CH2COO (CH3)3NCH2CH2CH2COO CO Бутиробетаин, подобно многим другим четвертичным аммониевым основаниям, является сильным ядом, который при попадании в кровь вызыва ет моментальное расслабление мышц – паралич двигательных нервов.

Целая серия интересных работ [4] появилась с выделением бетаина кар нитина в 1905 году российскими биохимиками Гулевичем и Кримбергом:

(CH3)3NCH2CHCH2COO OH Впервые карнитин был выделен из мышц млекопитающих, где содер жание его составляет 0.02 – 0.05 %. Долгое время функция карнитина в орга низме была неясной. Но в 1948 году для личинки мучного червя Tenebrio mo litor был найден ростовой фактор, названный витамином ВТ, который оказался карнитином. В 1955 году была опубликована первая работа [3], в которой го ворится, что карнитин участвует в липидном обмене в качестве переносчика ацетильных групп.

На сегодняшний день установлено, что карнитин – витаминоподобное вещество (витамин ВТ), участвует в переносе ацетильных групп через мем браны митохондрий [5]. Таким образом, основная его функция в организме это транспорт длинноцепочечных жирных кислот, в процессе окисления кото рых выделяется энергия. Это один из основных источников энергии для мы шечной ткани.

Карнитин также усиливает антиоксидантное действие витаминов С (ас корбиновая кислота) и Е (ацетат токоферола). Он может синтезироваться в организме при наличии железа, тиамина, пиридоксина и аминокислот - лизина и метионина. Синтез карнитина осуществляется также в присутствии доста точного количества витамина С.

Простейшим пирролидиновым алкалоидом является широко распро страненный в растительном мире бетаин стахидрин [3] - N метилированная аминокислота пролин:

.HO COO N H3C CH Тригонеллин, найденный, например, в Божьей траве Trigonella foenum graecum L., горохе, злаках, а также в моче человека, является бетаином N метилникотиновой кислоты, то есть производным широко распространенной в растительном и животном мире никотиновой кислоты (N-метилпиридин- карбоновой кислоты) [3]:

COO N CH Весьма интересны работы японских авторов [6], изучавших природные бетаиновые алкалоиды. Из водного экстракта морской губки Dysidea herbacea, обитающей в акватории штата Ян Микронезии, были выделены три новых бе таина, структура и реакционная способность которых изучены физическими и химическими методами:

H H OOC COO H N N N N H CONH COOH H H H O COO dysibetaine CPa dysibetaine CPb dysibetaine PP В последнее время большой интерес ученых всего мира обращен к изу чению строения, устойчивости, химической и биологической активности природных алкалоидов бетаиновой структуры. Химиков-органиков привлека ет природная химия растений и животных суши и океанов. Необыкновенная биологическая активность структурных аналогов бетаиновых алкалоидов ни геллицина явилась основным мотивом для синтеза их немецкими учеными [7].

В 4 стадии из -дикетосоединений циклизацией с замещенными гидра зинами ими были получены изомерные пиразоловые эфиры:

R1 R R1 R OH N N 2 N N R HNNH O R O O O O OEt O OEt O OEt R1 = R2 = Me, Ph Полученные эфиры затем были разделены на силикагеле и далее под действием диметилсульфата в присутствии нитробензола были обращены в соответствующие эфиры. Омыление лучше всего протекает в разбавленной серной кислоте и приводит к образованию псевдо-кросс-коньюгированных мезомерных бетаинов:

R1 R1 R R2 R2 R N N N nitrobenzene N N N (Me)2SO4 Me Me O O O OEt OEt O R1 R1 R Me Me N N N nitrobenzene N N N (Me)2SO4 2 R R R O O O OEt OEt O R1 = R2 = Me, Ph 1.1.1.2. Синтез и строение азотсодержащих карбоксилатных бетаинов Бетаины, метилированные по атому N, получают действием на амино кислоты (CH3)2SO4 или CH3Cl c последующей реакцией образующегося гид рохлорида триметиламинокарбоновой кислоты с ВаСО3 [8]:

CH3Cl BaCO (CH3)3N(CH2)nCOOH Cl H2N(CH2)nCOOH (CH3)3N(CH2)nCOO + BaCl2 + CO2 + H2O Другой способ синтеза - взаимодействие триалкиламинов с галогенкар боновыми кислотами и -лактонами [8]:

BaCO (CH3)3N(CH2)nCOOH Br R3N + Br(CH2)nCOOH (CH3)3N(CH2)nCOO + BaBr2 + CO2 + H2O H2C CH2 R3NCH2CH2COO R3N + OCO Бетаины с пиридиновым циклом получают взаимодействием пиридина с малеиновым ангидридом [8]:

COO + H2O N CH CH2COOH N+ O O O Синтез бетаинов, содержащих длинноцепочечные алкильные радикалы при атоме азота, осуществляют по схеме [8]:

RN(CH3)2 + HCl RCl + (CH3)2NH RN(CH3)2 + ClCH2COOH (CH3)2NCH2COO R Весьма интересные данные опубликованы О.А. Казанцевым с сотруд никами [9]. В них описываются методы синтеза карбокси- и сульфобетаинов на основе третичных аминов и непредельных кислот:

1 CH2 CHCONHR SO3H R3N CH2CH2CONHR SO R3N R1 = CMe2CH2, CMe2CH SO 2 CH2 CHCONHR COOH R3N CH2CH2CONHR COO R3N R = CH2, (CH2) Следует отметить, что в некоторых случаях (например, при использова нии N,N – диэтил – N – метиламина, N,N – дибутил – N – метиламина) выде ленные из раствора продукты представляют собой не индивидуальные бетаи ны, а их соли с примесью исходных реагентов. Получить бетаины из солей не удалось. На основе диамина и акриловой кислоты в зависимости от условий синтеза (растворитель, соотношение реагентов) были получены монобетаин, соль бетаина и дибетаин. Структура продуктов доказана современными спек тральными методами:

N(CH2CH2)3NCH2CH2COO CH2 CHCOOH N(CH2CH2)3NCH2CH2COOH OOCCH CH N N OOCCH2CH2N(CH2CH2)3NCH2CH2COO В этой же работе проведено подробное исследование влияния строения третичных аминов на скорость их взаимодействия с акриловой кислотой:

R1R2R3N R R R NCH2CH2COO CH2 CHCOOH Полученные данные оказались неожиданными, поскольку в соответст вии с ними реакция ускоряется не донорными, а акцепторными заместителями в амине. Поскольку акцепторные заместители ослабляют нуклеофильные свойства аминов, то ускоряющее действие таких заместителей было трудно предсказуемым. Его можно объяснить, по мнению авторов, с учетом влияния побочного процесса солеобразования между амином и акриловой кислотой, в результате которого молекула акриловой кислоты в образующейся аммоние вой соли превращается в анион СН2=СНСОО-, уже не способный присоеди нять амин по С=С связи. Поэтому, чем более основным является амин, тем большая доля кислоты дезактивируется, связываясь в соль. Одновременно связывание в соль приводит к потере амином нуклеофильных свойств, выводя и его из сферы целевой реакции.

В работе [10] немецкими учеными рассмотрены синтез и свойства не обычных кросс-сопряженных мезомерных бетаиновых структур - бен зо[b][1,4]диазепинийкарбоксилатов.

COO Me Me OOC NH NH NH NH Me Me 1.1.1.3. Реакционная способность азотсодержащих карбоксилатных бетаинов В зависимости от положения атома N (Р, S, О и др.) относительно кар боксильной группы различают -, -, -, -, - и другие бетаины. Они имеют высокие температуры плавления, обычно хорошо растворимы в воде, иногда в спирте, плохо растворимы в эфире. При нагревании до 300 оС бетаины N метилированных -аминокислот превращаются в метиловые эфиры амино карбоновых кислот [8]:

(CH3)3NCH2COO (CH3)2NCH2COOCH Бетаины N-метилированных -аминокислот при перегонке дают непре дельную кислоту и третичный амин [8]:

(CH3)3NCH2CH2COO (CH3)3N CH2 CHCOOH Бетаины -аминокислот при нагревании образуют третичный амин и лактон [8]:

(CH3)3N (CH3)3NCH2CH2CH2COO + O O С солями тяжелых металлов - такими как Pb, Au, Pt и многими други ми, бетаины образуют нерастворимые в органических растворителях ком плексы, с сильными кислотами – соответствующие аммониевые соли [8].

Несмотря на то, что бетаин (CH3)3N+CH2COO- в концентрированной серной кислоте даже при 140 0С остается неизменным, он оказался весьма ре акционноспособным соединением [11]. Так, уже при 20 0С бетаин вступает в бурную реакцию с трифторуксусным ангидридом, идущую с отщеплением СО2. При этом образуется стабильный триметиламмоний-ди трифторацетилметилид [12-14]. Реакция идет через образование моноацетил метилида:

O O O F3C C _ CF COOH + R3NCHC R3NCH2C _ O + _ CO OH F3C C O O CF O CO TФА _ + R3NCH C_CF3 R3N CH _ CF3COOH CO CF В такую реакцию вступают только те бетаины, у которых атом азота оказывается в -положении к карбонильной группе и содержат подвижный кислый протон у -углеродного атома. Вполне вероятно, что в данном случае имеет место равновесие бетаин-илид, и поэтому возможен нуклеофильный за хват илидным углеродом ангидрида с одновременным отщеплением СО2 от бетаина [11].

Бетаин вступает в реакции с активными галогенидами, такими как фе нацилбромид и этиловый эфир бромуксусной кислоты [15,16];

продуктом ре акции является аммониевая соль.

O O O BrCH2_C (CH3)3NCH2COCH2CPh Br (CH3)3NCH2COO Ph + O O _ EtOH, 40 C (CH3)3NCH2COC2H5 Br PhCCH2OH + O NaHCO3, H2O, 20 C PhCCH2OH (CH3)3NCH2COO + Соединение 2 уже при 20 0С мгновенно гидролизуется водным раство ром гидрокарбоната натрия, при этом образуются фенацилметанол (51%) и исходный бетаин. Интересно, что сам бетаин 1 также может играть роль осно вания в этой реакции: он катализирует превращение эфира 2 в этанольном растворе, при этом продуктом реакции являются карбоксиметилентримети ламмонийбромид, а также фенацилметанол [17]. Таким образом, возможен прямой синтез фенацилметанола из бетаина и фенацилбромида в мольном от ношении 2:1. Аналогичным образом можно омылять аддукт бетаина и этило вого эфира бромуксусной кислоты в этиловый эфир гликолевой кислоты НОСН2СООС2Н5, причем последний получается в очень чистом виде [18].

Бетаин в состоянии катализировать в мягких условиях ряд реакций гид ролиза: например, бетаин с этиловым эфиром бром- и диброммалоновой ки слоты дает соответственно эфиры оксималоновой и лизоксаловой кислоты [16]:

BrCH(COOC2H5) HOCH(COOC2H5) _ + H2O (CH3)3NCH2COO + Br2C(COOC2H5) (OH)2C(COOC2H5) Таким образом, благодаря реакции бетаина с активными галоидными соединениями открываются новые возможности превращать галоидные со единения в эфиры гидроксикарбоновых кислот, так как гидролиз или переэте рификация промежуточного продукта протекает только по атомам галогена, не затрагивая сложноэфирную группу гидролизуемо госубстрата[17].

Синтез бетаиновых полимеров рассматривается в работе группы казах станских ученых [19]. Линейные и слабосшитые полимерные бетаины, со держащие кислотные и основные функциональные группы, представляют большой интерес, так как они наиболее близки по свойствам к природным по лимерам. Новые синтетические полиамфолиты бетаиновой структуры синте зированы по реакции Михаэля с последующей радикальной полимеризацией.

Авторы установили, что введение электрофильных мономеров, таких как ак риловая или метакриловая кислоты, приводит к разрыву внутримолекулярных водородных связей, в результате которых образуется бетаиновый мономер, вступающий в реакцию полимеризации. Таким образом, был получен ряд но вых полибетаинов на основе 3-аминокротонатов и акриловой кислоты. Полу ченные бетаины образуют хелатные структуры с ионами переходных метал лов, в частности с ионами меди.

H H H2 H C C C C CH2 CH N N NH Cu 2+ O C CH2 H2 C C C Cu2+ Cu2+ O O O O O O O CH2 H C O Методами ИК-спектроскопии показана возможность связывания дан ными полиамфолитами ионов переходных металлов, что может быть исполь зовано при водоподготовке, концентрировании редких и благородных метал лов, создании высокоэффективных катализаторов. Данные полимеры вовле кались в образование интерполимерных комплексов, которые в свою очередь, могут быть использованы в качестве антидефляционных реагентов, улучшая структуру почвы и ее физико-химические характеристики (капиллярную вла гоемкость и водопрочность), и способствуя аккумуляции радиоактивного стронция в обработанном раствором слое почвы.

1.1.2. Карбоксилатные арсенобетаины 1.1.2.1. Карбоксилатные мышьяксодержащие бетаинов в природных объектах В последнее время в литературе [20] довольно часто встречаются сооб щения о выделении органических соединений мышьяка и в частности арсено бетаинов из различных биологических объектов. Установлено, что в морских организмах мышьяк присутствует как в неорганических формах (арсенаты и арсениты), так и в виде жирорастворимых и водорастворимых органических соединений - бетаинов (первоначально названных «креветочным мышьяком»).

Дж. С. Эдмондс и К. А. Францескони [21] первыми показали, что водораство римое органическое соединение мышьяка, выделенное из хвостовых мышц лангуста Panulirus longies cygnes, является арсенобетаином:

(CH3)3AsCH2COO На сегодняшний день, данный арсенобетаин, выделен из множества морских организмов (водорослей, беспозвоночных, рыб), а также из некото рых пресноводных рыб и даже из некоторых видов грибов. В литературе от мечается, что арсенобетаин является основным органическим мышьяксодер жащим компонентом в различных биологических объектах, на его долю приходится до 95% от общего содержания органического мышьяка.

В экспериментальном плане достаточно хорошо разработаны методы выделения арсенобетаина из различных биологических объектов. Выделение включает в себя стадию экстракции водорастворимых соединений мышьяка водно-метанольным раствором;

экстракты затем пропускают через ионооб менные смолы и хроматографируют на колонках с цеолитом. В связи с не обходимостью определения содержания мышьяка в различных коммерчески ценных морских продуктах разработаны и с успехом применяются для опре деления концентраций арсенобетаина, арсенохолина и катиона тетраметилар сония различные методы жидкостной и газожидкостной хроматографии [22].

Многие исследователи отмечают, что выделенный арсенобетаин являет ся нетоксичным соединением. Изучение же острой токсичности на мышах (внутрижелудочный путь введения водного раствора арсенобетаина) показало, что величина LD50 составляет более 10 г/кг. Животные, получавшие эту дозу, по сравнению с контрольными были менее подвижны, у них отмечалось уча щенное дыхание, однако через час эти симптомы полностью проходили [23].

Исследование генотоксичности арсенобетаина показало отсутствие у него мутагенной способности [24]. Выращивание бактерий (специальные штаммы Salmonella typhimurium) на среде арсенобетаина с добавлением и без добавления активаторов генных мутаций не приводит к появлению ревертан тов.

Арсенобетаин является одним из продуктов метаболических превраще ний мышьяка морскими водорослями. Метаболизм мышьяка в клетках водо рослей был подробно изучен американскими и канадскими учеными [25-26].

В их работах описана цепочка превращений неорганического мышьяка в сложные органические производные.

Водоросли сорбируют неорганический мышьяк из воды. Арсенат, по павший внутрь клетки, восстанавливается в арсенит и далее подвергается биометилированию. В результате неорганические соединения мышьяка пре вращаются в органические, которые в дальнейшем включаются в более слож ные органические производные.

При низкой концентрации арсената в окружающей среде клетки водо росли могут направить весь арсенат на окислительно-восстановительное ме тилирование с последующим замещением атома азота на мышьяк. Продукта ми метаболических превращений мышьяка в клетках водорослей при этом бу дут малотоксичные триметиларсонийлактат, арсенофосфолипиды, арсенобе таин и дезоксирибоарсеносахара.

Таким образом, указанные превращения соединений мышьяка пред ставляют собой процессы детоксикации мышьяка в клетках водорослей, и обезвреженный мышьяк в малотоксичных органических формах откладывает ся в клеточных мембранах.

В ткани рыб мышьяк попадает, скорее всего, через пищеварительный тракт. Это означает, что начальные стадии метаболизма мышьяка могут вы полнять кишечные микроорганизмы. Основным мышьякоорганическим со единением, обнаруженным в рыбах, является арсенобетаин [27]. Он был обна ружен в мясе камбалы, в темной акуле Carcarhinus obscurus, в мясе серой аку лы Isurus oxirhicus и акулы мако Carcarhinus longimanus. Так как акулы - это последнее звено трофической цепи, предполагается, что арсенобетаин - ко нечный продукт превращения мышьяка, поглощаемого из воды организмами низших трофических уровней.

Подытоживая вышесказанное, необходимо отметить, что проведенные исследования метаболизма мышьяка в морских пищевых цепях показали, что, хотя обычно содержание As в морских организмах выше, чем в наземных, од нако он превращается в этих организмах в нетоксические формы - в частно сти, в арсенобетаин.

1.1.2.2. Методы синтеза мышьяксодержащих карбоксилатных бетаинов Первые сообщения о синтезе бетаинов мышьяка были сделаны в конце XIX – начале XX века. В 1894 году Михаэлис и Гимборн сообщили о синтезе «фасфабетаина» обработкой хлористого карбэтоксиэтилентрифенилфосфония влажным Ag2O [28]. Полученный «фосфабетаин» хорошо растворялся в эфире и плохо в воде и был довольно нестабильным соединением. Позже было уста новлено, что в данных условиях получаются не бетаины, а илиды [29-31].

Чуть позже, в 1902 году по аналогии с «фосфабетаином» Михаэлис син тезировал «трифенилметиларсенокетобетаин» и «тетрафениларсенокетобета ин» обработкой соответствующих «кетосолей» водным раствором бикарбона та натрия [32].

CH2 CH3 CH2 C6H и (C6H5)3As C (C6H5)3As C O OH O OH Однако, другим ученым [29-31] не удалось повторить опыты Михаэли са. При действии щелочей на растворы солей арсония не выпадает осадка.

Пропускание сухого аммиака в растворы этих солей в хлороформе не приво дит ни к бетаинам, ни к илидам.

В том же 1902 году Михаэлису удалось синтезировать первый карбок силатный арсенобетаин Ph3As+CH2COO- обработкой соответствующей галои доводородной соли спиртовым раствором едкого кали. Полученный арсенобе таин оказался стабильным соединением в отличие от упомянутых ранее «ар сенокетобетаинов», он хорошо растворялся в спирте и воде и не растворялся в диэтиловом эфире. Тогда арсенобетаину была приписана структура, в которой атом мышьяка является пентакоординированным (арсорановым) [33]. Истин ная бетаиновая структура данного соединения была установлена позднее в 1967 году методом рентгеноструктурного анализа [34].

KOH (C6H5)3AsCH2COO [(C6H5)3AsCH2COOH] Cl H2O KCl В 1981 году Эдмондсом и Францескони [21] были изучены строение и физико-химические свойства триметиларсенобетаина. Эти авторы провели также встречный синтез данного бетаина.

Синтетический триметиларсонийметилкарбоксилат и арсенобетаины, выделенные из лангустов, мяса темной акулы и мочи человека, оказались идентичными, что подтверждено спектральными данными.

Арсенобетаин представляет собой бесцветное кристаллическое вещест во, безводное соединение плавится при 202-210 оС с разложением. По данным рентгеноструктурного анализа арсенобетаин, выделенный из смеси метанола и ацетона в виде бесцветных игольчатых кристаллов, представляет собой мо ногидрат:

(CH3)3AsCH2COO. H2O Интересно отметить, что две молекулы арсенобетаина связаны водород ными связями через две молекулы воды (по данным рентгеноструктурного анализа).

Таким образом, из изложенного материала следует, что триметиларсе нобетаин является хорошо изученным соединением с точки зрения его струк туры, метаболизма и токсикологии. В то же время, приходится констатиро вать, что в литературе представлено очень ограниченное число эксперимен тальных работ по синтезу и свойствам других арсенобетаинов и их производ ных. Вполне очевидно, что среди них могут быть обнаружены соединения с высокой биологической активностью и низкой токсичностью.

Интересный цикл работ по синтезу, изучению структуры и химических свойств новых арсенобетаинов проводится казанскими химиками [20, 22, 35] под руководством В.С. Гамаюровой. В частности, были разработаны уникаль ные методы синтеза арсенобетаинов и их галоидоводородных солей – в том числе с использованием ионообменных смол;

изучена их структура, исследо ваны некоторые физические и химические свойства:

_ _ + + R3As(CH2)n COO + KHlg R3As(CH2)n COOHHlg + KOH H2O + _ _ + + R3As(CH2)n COOHCl + NaHCO3 R3As(CH2)n COO + H2O NaCl CO + + где R = Ph, Et, Pr n = 1,2.

Очень интересно отметить, что в ряду арсенобетаинов более стабиль ными являются бетаины c – расположением карбоксилатной группы относи тельно атома мышьяка [22]. В то же время, аналогичные соединения фосфора, наоборот, являются нестабильными и распадаются с декарбоксилированием [36]. – Трифениларсенобетаин оказался гидролитически нестабильным со единением;

в процессе выделения он быстро распадается в выделением три фениларсина. Однако авторам все же удалось выделить незначительное коли чество -бетаина при обработке карбоксиметилентрифениларсоний бромида (соответствующий хлорид неустойчив) спиртовым раствором едкого кали в атмосфере инертного газа. – Триалкиларсенобетаины, в отличие от фе нильного аналога, являются устойчивыми соединениями. Арсенобетаины хо рошо растворимы в воде и спиртах, плохо – в ацетоне и не растворимы в не полярных растворителях – эфире, бензоле, гексане.

Примечательным в плане нашего дальнейшего обсуждения является об наруженный авторами факт, что согласно данным рентгеноструктурного ана лиза (РСА) арсенобетаиновые структуры, впрочем как и простейший азоти стый бетаин (глицинбетаин), стабилизируются сольватными молекулами во ды. Это свойство, по-видимому, является общим для элементоорганических карбоксилатных бетаинов.

1.1.3. Серосодержащие карбоксилатные бетаины Серосодержащие карбоксилатные бетаины практически не изучены. В связи с этим следует особо отметить серию работ Витмана и Зидлера с бетаи ном, содержащим серу [37]. Тетин (СН3)2S+СН2СОО- является более реакци онноспособным соединением, чем его азотсодержащий аналог [38]. Большая реакционная способность тетина обусловлена повышенным резонансным взаимодействием иона сульфония с илидным карбанионом, в результате чего бетаин-илидное равновесие смещается в сторону образования более устойчи вого илида:

(CH3)2SCHCOOH (CH3)2SCH2COO В противоположность азабетаину тетин не вступает в реакции гидроли за и этерификации [39], и это подтверждает тот факт, что равновесие смещено в сторону илидной формы. Следует также заметить, что тетин вследствие тен денции к образованию стабильного илида реагирует не только с трифторук сусным ангидридом, но также с трихлор- и даже с монохлоруксусным ангид ридами, давая стабильные диацидилиды [40].

Совсем недавно появилась интересная работа [41] американских ученых из университета Южной Алабамы. Ими описан новый способ получения серо содержащих илидов при термическом декарбоксилировании карбоксиметил сульфониевых бетаинов в апротонных средах. Полученные таким образом илиды в присутствии альдегидов образуют соответствующие эпоксиды.

Ключевой бетаиновый реагент в приведенной ниже полной схеме хими ческих превращений легко получается из соответствующего тетинбромида по методу Раттса и Яо [42]:

O O (CH2Cl)2 CH2 R OO Ag2O OH O R CO CH3OH H3C S Br H3C S H3C S ( )7 CH ( )7 ( ) CH3 CH R = alkyl, aryl 1.1.4. Иодониевые карбоксилатные бетаины Интересный арилиодониевый карбоксилатный бетаин был получен аме риканскими учеными [43]. Моногидрат дифенилиодоний-2-карбоксилата был получен из о-йодбензойной кислоты:

COOH COO.H O H2S2O C6H I I Ph В другой работе [44] этот бетаин используется авторами для синтеза соответствующего замещенного нафталина – 1.4-бис(метоксифенил)-2.3 дифенилнафталина по следующей схеме:

Ar Ph Ar O COO Ph t.H O Ph Ar 2 _ CO 2 _ CO I Ph _ Ph PhI _ Ar H2O 1.2. Синтез, строение и реакционная способность фосфабетаиновых структур На сегодняшний день известно относительно небольшое число реакций, приводящих к образованию достаточно стабильных фосфабетаиновых струк тур [45]. Мы рассмотрим самые основные (классические) реакции, такие как:

реакции третичных фосфинов с гетерокумуленами, с соединениями содержа щими активированные кратные связи и реакции получения фосфабетаинов на основе илидов фосфора.

1.2.1. Реакции третичных фосфинов с гетерокумуленами Первые представители стабильных фосфабетаинов были получены еще в прошлом веке Гофманом [45] и Михаэлисом [46] в реакциях соответственно триалкил- и триарилфосфинов с сероуглеродом:

S CS R3P R3P C + S Впоследствии эти реакции неоднократно воспроизводились другими ав торами, [47,48] причем было показано, что в реакцию удается вовлечь даже фосфины с акцепторными трифторметильными группами у атома фосфора [47]. Реакции протекают очень гладко в среде бензола или другого органиче ского растворителя с образованием окрашенных в красный цвет веществ, структура которых, однако, долгое время оставалась неясной. Впервые доста точно серьезные доводы в пользу бетаинового (амфионного) строения аддук тов фосфинов с сероуглеродом привел Йенсен [48], показавший, что при об работке этих аддуктов галоидоводородными кислотами или галоидными ал килами получаются соответствующие соли четвертичного фосфония:

S S SR1] X R1X [R3P C R3P C S R1 = H, Alk Однако аргументы Йенсена не всеми были восприняты как достаточно убедительные, и еще долгое время существовало мнение [45], согласно кото рому между атомом фосфора и атомом углерода группы C(S)S якобы не воз никает химической связи в обычном смысле этого слова.

Конец этой дискуссии был положен только в 1961 году, когда Маргулис и Темплетон выполнили рентгеноструктурный анализ аддукта триэтилфосфи на с сероуглеродом [49], показав, что валентные углы у атома фосфора полно стью соответствуют тетраэдрической структуре (108-111 о), а у атома углерода - sp2 - гибридному состоянию. Эти и другие данные, приведенные в упомяну той работе, подтверждают бетаиновую структуру рассматриваемого соедине ния, наличие которой и предполагал первоначально Йенсен [48].

Следует отметить, что в последние годы интерес к этой, ставшей уже классической, реакции вновь увеличивается. Установлено, что она имеет рав новесный характер, причем в настоящее время подробно изучаются ее тонкие механистические, термодинамические и кинетические аспекты, включая влияние на положение равновесия заместителей у атома фосфора, раствори теля и других факторов [50-52]. В частности, в работах [50, 51] определены кинетические и термодинамические параметры реакции образования трибу тилфосфонийдитиокарбоксилата в серии растворителей и в растворах перхло рата лития в диэтиловом эфире и ацетоне. При этом показано, что переходное состояние ближе к исходным малополярным реагентам, чем к цвиттер ионному аддукту. Сопоставление солевых и сольватационных эффектов в ин дуцировании химических сдвигов ЯМР Р трибутилфосфонийдитиокарбок силата позволило сделать вывод, что изменение химических сдвигов данного фосфабетаина вызвано преимущественно его донорно-акцепторными взаимо действиями с растворителем.

Аналогично сероуглероду реагируют с третичными фосфинами и изо тиоцианаты [45, 53, 54]:

S R3P C R3P + Ar NC S N Ar Однако, образующиеся фосфабетаины этого типа при нагревании разлагаются на сульфиды третичных фосфинов и изонитрилы:

S R3P C R3P S Ar N C:

+ N Ar Весьма своеобразно протекает реакция с другим изотиоцианатом.

1,2,2,2-Тетрахлорэтилизотиоцианат взаимодействует с трифенилфосфином с образованием фосфониевой соли, которая далее перегруппировывается с от щеплением HCl и замыканием гетероцикла [55].

Ph3P Cl Ph3P Cl N CCl3CHN=C=S C NH _ HCl CCl3CHN=C=S PPh + ClC CCl Ph3P Cl Cl Cl S Cl Cl S В случае обычных изоцианатов, в которых атом кислорода в отличие от серы не способен эффективно делокализовать отрицательный заряд, подобные реакции протекают только при наличии сильных акцепторов у атома азота, стабилизирующих образующуюся бетаиновую структуру [56].

O FSO2 NC P[NMe2] FSO2 NCO P[NMe2] Интересные дитиокарбоксилатные фосфабетаины были получены укра инскими ученными [57] на основе реакции 1,3,2,4 оксаазафосфатитанетидинов с сероуглеродом:

R1 R N i PrO N CS R2NP Ti(OPr i)3 P Ti(OPr i) O R2N C S S Pr i Структура продуктов обсуждается на основе спектров ЯМР 1Н, 13С, 31Р.

Поскольку настоящая диссертационная работа посвящена, в основном, экспериментальному и теоретическому изучению механизма образования карбоксилатных фосфабетаинов в реакциях третичных фосфинов с непре дельными карбоновыми кислотами, то настоящий обзор целесообразно огра ничить анализом имеющихся литературных данных по синтезу, строению и реакционной способности фосфорорганических цвиттер-ионов на основе тре тичных фосфинов и непредельных карбоновых кислот, а также их ближайших производных – нитрилов, эфиров и ацилатов.

1.2.2. Синтез, строение и реакционная способность карбоксилатных фос фабетаинов Приведенные в данном литературном обзоре сведения о различных бе таиновых структурах подтверждают актуальность их подробного изучения как в плане их получения, так и химического поведения. Большой интерес при этом представляют вопросы, связанные с особенностями строения, стабильно сти и реакционной способности подобных соединений, а также, конечно, с их уникальной биологической активностью.

До начала систематических исследований карбоксилатных фосфабе таинов, проводимых на протяжении последних 10 лет в нашей исследова тельской группе, в литературе имелись лишь эпизодические и, зачастую, весьма противоречивые сведения на эту тему.

Так, Рюйтер в 1959 г. показал [45], что трис(оксиметил)фосфин в отсут ствие минеральных кислот может вступать во взаимодействие с акриловой кислотой по следующей схеме:

O (HOCH2)3P CH2 CH COOH (HOCH2)3P (CH2)2 C O Данная работа имела сугубо прикладной характер и никаких специаль ных доказательств приведенной автором структуры не содержала.

В 1961 году Акснес [58] предпринял попытку получить подобные кар боксилат-содержащие бетаины на основе фосфониевых солей 3-5, которые он получал нагреванием трифенилфосфина с соответствующими галоидными производными карбоновых кислот и спиртов:

Ph3PCH2CH2OH Cl Ph3PCH2CH2OCOCH3 Cl Ph3PCH2COOC2H5 Cl Обработка данных солей раствором щелочи не привела к ожидаемому образованию бетаинов. В случае фосфохолинхлорида 3 получены Ph2POCH2OH и бензол, а в случае соли 4 образуется трифенилфосфин и CH2=CHOCH3. Обработка же 5 концентрированным раствором щелочи или влажным Ag2O приводит к илиду Ph3P=CHCOOC2H5.

В 1962 г. - Денни и Смит опубликовали свою работу [36], которую, по жалуй, можно считать наиболее полным и серьезным исследованием тех лет, посвященным синтезу и свойствам карбоксилат-содержащих бетаинов на ос нове производных карбоновых кислот.

Отметив крайне скудную информацию в литературе, касающуюся полу чения карбоксилат-содержащих бетаинов, данные авторы предприняли глубо кое синтетическое исследование по получению таких соединений на основе реакций -хлорзамещенных карбоновых кислот с трифенилфосфином:

[ Ph3P (CH2)n COOH ] Cl Ph3P + Cl (CH2)n COOH n = 1,2, O - HCl Ph3P (CH2) n C + HCl O n = 2, Реакция протекает через промежуточное образование достаточно ста бильных солей карбоксилфосфония, обработка которых водным раствором бикарбоната натрия приводит к получению соответствующих бетаинов. Инте ресно, что последняя реакция может протекать в обоих направлениях и реа лизуется только для производных с n 1. Фосфониевая же соль, полученная на основе хлоруксусной кислоты (n = 1), ведет себя иначе. При попытке эли минирования от нее HCl действием основания или термическим воздействи ем она отщепляет молекулу углекислого газа с образованием хлористого трифенилметилфосфония:

B, [ Ph3PCH3 ] Cl [ Ph3P CH2 COOH ] Cl - CO В этой связи следует отметить работу [59], в которой получены анало гичные фосфабетаины с n = 5,10,11, путем обработки соответствующих солей карбоксилфосфония гидридом натрия в среде диметилсульфоксида. К сожа лению, авторы не приводят никаких констант полученных соединений, говоря об их образовании в предположительной форме, что вызывает определенные сомнения в достоверности приведенных структур [59]. Тем более что ранее Кори и Маккормик [44], проведя полностью аналогичную реакцию (NaH в ДМСО) приписали продукту строение илида. Такой вывод они обосновали тем, что данный продукт легко вступает в реакцию Виттига с образованием соответствующих алкенов. Скорее всего, в данном случае более правомерно предположить существование прототропного равновесия между илидной и бетаиновой формой, которому должна способствовать высокая ионизирующая способность ДМСО.

_ NaH [Ph3P CH2CH2COOH] Cl Ph3P CH2CH2COO Ph3P=CHCH2COOH ДМСО Бетаины же, полученные на основе хлорпропионовой и хлормасляной кислот [36], представляют собой достаточно стабильные в обычных условиях кристаллические соединения, хорошо растворимые в спирте и воде и легко образующие кристаллогидраты, где на одну молекулу бетаина приходится од на молекула воды. Состав и строение их подтверждены данными элементного анализа, ИК и ЯМР спектроскопии. Химический сдвиг ядра фосфора находит ся в области 24-25 м.д., характерной для фосфониевых солей, что никак не поддерживает возможного образования альтернативной фосфорановой струк туры:

R3P CH2CH 2COO Ph3P O O Пиролиз бетаинов при 200оС приводит к разрыву Р-С связи с образова нием трифенилфосфина и соответственно - акриловой кислоты или бутиро лактона:


o 200 C + CH2=CHCOOH Ph3P Ph3PCH2CH2COO o CH2 CH 200 C Ph3P + H2C O R3P CH2CH2CH2COO O К сожалению, авторы не изучили возможность протекания обратных ре акций.

Интересно, что бромуксусная кислота в отличие от хлоруксусной ведет себя в реакции с трифенилфосфином иначе и не образует карбоксилфосфо ниевой соли. В качестве продуктов реакции в этом случае выделяются трифе нилфосфиноксид и ацетилбромид, для объяснения образования которых авто ры предлагают галогенофильный механизм реакции:

Ph3P Br + CH3COO Ph3P + BrCH2COOH + CH3C(O)Br Ph3P=O Ph3P O C(O)CH3 + Br В последние годы на кафедре ВМ и ЭОС Казанского государственного университета были проведены систематические исследования в области син теза, изучения строения и реакционной способности карбоксилатных фосфа бетаинов [60-70] на основе третичных фосфинов (трифенил-, трибутил- и ме тилдифенилфосфины) и непредельных моно- и дикарбоновых кислот.

R' R3P + R'CH C COOH R3P CHCHCOO R'' 6 R'' R = Ph, Bu, (Ph)2Me R' = H, CH3, Ph, p CH3OC6H4, COOH R'' = H, CH3, CH2COOH Методами ЯМР-спектроскопии, рентгеноструктурного анализа и кван товой химии подтверждено строение полученных фосфонийэтилкарбоксила тов. Установлена существенная роль протонодонорных реагентов и раствори телей в стабилизации фосфабетаиновых структур, призванная стабилизиро вать сильно разделенные заряды. Так, например, в кристаллической решетке трифенилфосфонийэтилкарбоксилата (рис.1.) на одну молекулу фосфабетаина приходится одна молекула воды [60-62].

Рис.1. Молекулярная структура трифенилфосфонийэтилкарбоксилата (6, R’ = R’’ = H).

Как отмечалось выше, авторами были изучены также реакции с непре дельными дикарбоновыми кислотами [65,66,69,70], вторая карбоксильная группа которых могла бы выполнять роль внутреннего протонодонорного центра, и, таким образом, способствовала бы увеличению стабильности обра зующихся бетаинов. Были изучены реакции трифенил-, трибутил- и метил дифенилфосфинов с малеиновой, фумаровой и итаконовой кислотами. Пока зано, что в реакции малеиновой кислоты с трифенилфосфином образуется ди карбоксилатный бетаин, нерастворимый в органических растворителях, кото рый, является нестабильным и при нагревании, либо при хранении легко от щепляет CO2 с образованием фосфониевой соли 7, представляющей собой ра нее изученный бетаин, стабилизированный молекулой малеиновой кислоты.

O CO COOH CH CH Ph3P CH OC CO Ph3P CH2CH2COOH Ph3P H CH2 CO2 OHO CO COOH O Структура продукта 7 подтверждена методом РСА (рис.2.).

Рис.2. Молекулярная структура карбоксиэтилтрифенилфофсфониймалеината Реакция трибутил- и метилдифенилфосфина с малеиновой кислотой протекает также с первоначальным образованием дикарбоксилатного бетаина, который уже в условиях реакции легко декарбоксилируется, приводя к соот ветствующему монокарбоксилатному фосфабетаину. Анализируя устойчи вость дикарбоксилатных аддуктов, можно заметить, что фосфабетаины с расположением фосфониевого и карбоксилатного центров являются неста бильными и подвергаются декарбоксилированию с возникновением более термодинамически выгодного цвиттер-иона с -расположением его анионной и катионной частей. Это заключение, кстати, хорошо согласуется с литера турными данными, касающимися безуспешных попыток получения трифе нилфосфонийметилкарбоксилата [36]. В этом случае также имел место про цесс декарбоксилирования c образованием трифенилметилфосфонийхлорида.

И совсем другая картина наблюдается у арсабетаинов, где более термодина мически устойчивыми являются как раз – арсонийкарбоксилаты [22].

Для подтверждения этих предположений в реакции с третичными фос финами вовлекли итаконовую кислоту в надежде, что продукты этих реакций должны быть более стабильными, так как ближайшая карбоксилатная группа в образующихся бетаинах будет находиться не в -, а в -положении по от ношению к фосфониевому центру.

Реакция трифенилфосфина с итаконовой кислотой протекает с образо ванием единственного кристаллического продукта 8 с Т.пл. 58-60 оС (с разл.).

Ph3P CH2 CH Ph3P CH2 C CH2 COOH CO OC CH COOH O CO Ph3P CH2CH2CH2COO H OH HO Однако и в этом случае биполярный аддукт 8, хотя и является более стабильным по сравнению с бетаином на основе малеиновой кислоты, тем не менее, также не отличается высокой устойчивостью. При его плавлении или кипячении в среде хлороформа наблюдаются признаки разложения с выделе нием СО2. Авторы осуществили процесс декарбоксилирования и выделили продукт термического разложения – фосфабетаин 9, который легко гидрати руется влагой воздуха с образованием соответствующей фосфониевой соли.

Метилдифенилфосфин взаимодействует с итаконовой кислотой с обра зованием единственного кристаллического продукта – бетаина 10 Т.пл. 132 0С (с разл.).

R2R1P CH2 CH R2R1P + CH2 C CH2 COOH OC CH COOH O C O 10, HO R = Ph, R1 = Me (10) R, R1 = Bu (11) Согласно данным элементного анализа продукт 10 представляет собой устойчивый дикарбоксилатный фосфониевый бетаин. В аналогичной реакции трибутилфосфина с итаконовой кислотой также образуется дикарбоксилатный фосфабетаин 11 (Р 34.0 м.д.), который представляет собой масло желтоватого цвета.

Взаимодействие трифенилфосфина с диметиловым эфиром фумаровой кислоты (ДМЭФК) протекает очень интересно в соответствии со следующей схемой [67,68,70]:

MeOOC COOMe MeOOC CH CH COOMe Ph3P Ph3P CH HC CH CH COOMe MeOO C Ph3P PPh MeOOC CH CH COOMe В среде хлороформа по данным ЯМР и ИК-спектроскопии реакция про текает гладко с образованием единственного продукта с Р 29.35 м.д., который представляет собой масло интенсивно желтого цвета. При этом сигнал исход ного трифенилфосфина практически полностью исчезает, а в ЯМР-1Н спектре отчетливо фиксируются как протоны фенильных заместителей у фосфора, так и сигналы соответствующих метильных и метиновых протонов.

При этом удивительно, что и метильные и метиновые протоны прояв ляются в ПМР спектре в виде синглетов, смещенных по сравнению с соответ ствующими протонами ДМЭФК в сторону слабых полей приблизительно на 0.2 м.д. Эквивалентность метильных и метиновых протонов в продукте реак ции однозначно указывает на наличие быстрой в шкале времени ЯМР мигра ции трифенилфосфониевой группы между двумя эквивалентными углерод ными центрами с образованием таутомерных форм, полностью идентичных по своей химической природе. Наблюдаемая «вырожденная» фосфонотропия является первым примером такого рода и по своей природе, вероятно, полно стью аналогична хорошо известным в литературе явлениям «вырожденных»

ацило- силило- и прототропных процессов. Обнаруженное явление не проти воречит химической теории и не вызывает каких-либо сомнений, поскольку сам факт образования продукта (причем, единственного) в этой реакции от четливо фиксируется спектральными методами.

В связи с вышеизложенным интересно отметить результаты, получен ные авторами работы [71] при исследовании взаимодействия трифенилфос фина с ацетилендикарбоновым эфиром.

O O O O MeOC C C COMe Ph3P MeOC C C COMe Ph3P CC COOMe COOMe COOMe COOMe MeOOC Ph3P C C COOMe PPh C COOMe MeOOC MeOOC C COOMe COOMe COOMe MeOOC Ph2P C PPh2 C6H5 C COOMe C COOMe MeOOC COOMe MeOOC C Ph На первом этапе синтеза, по мнению авторов, образуется цвиттер-ион, обладающий большей нуклеофильностью, чем исходный фосфин. Далее он присоединяет вторую молекулу ацетилендикарбонового эфира, что приводит к более сложному цвиттер-иону, который в связи со структурными особенно стями не промотирует полимеризации, а циклизуется. Продукт циклизации, имеющий пентаковалентный атом фосфора, является неустойчивым соедине нием и поэтому вступает в последующие перегруппировки.

При проведении реакции в присутствии двуокиси углерода димеризация непредельного соединения не происходит. По-видимому, в этом случае пер вичный продукт присоединения превращается в стабильный бетаин, что под тверждается результатами гидролиза:

COOMe O CO2 H2O Ph3P C C COOMe Ph3P CCC COOMe O COOMe Ph3P O MeOOC CC H - CO H COOMe На кафедре ВМ и ЭОС КГУ были изучены также реакции третичных фосфинов с ближайшими производными непредельных карбоновых кислот – амидами [70]. Было показано, что амид акриловой кислоты взаимодействует с трифенилфосфином с образованием соответствующего бетаина.

O O Ph3P CH2CH CH2 CH C C Ph3P NH NH2 Однако получить пригодные для РСА кристаллы удалось только в при сутствии фумаровой кислоты. В кристаллической решетке бетаина 12 (рис.3.) также присутствует молекула воды.

Рис.3. Молекулярная структура бетаина 12 (без атомов водорода) Карбоксилатные фосфабетаины легко вступают в реакции алкилирова ния и ацилирования галоидными алкилами и ацилами с образованием соот ветствующих фосфониевых солей [62-64]:

[ Ph3P CH2CH2COOR ] Hlg Ph3P CH2CH2COO + RHlg P 25 - 27 м.д.

o M.p. 148 C P 25.16 м.д.

R = Me, Et, Pr, i-Pr, Bu, i-Bu, i-Am, CH2Br ;

Hlg = Cl, Br, I Состав и строение фосфониевых солей подтверждены данными эле ментного анализа, ИК и ЯМР 1Н и 31Р спектроскопии, а для двух соединений и прямым методом рентгеноструктурного анализа. Примечательно, что фосфо ниевые соли в отличие от самого бетаина уже не склонны включать в кри сталлическую решетку молекулы протонодонорных реагентов, что отчетливо видно, например, из рис. 4.

Рис. 4. Молекулярная структура карбэтоксиэтилтрифенилфосфонийиодида.

Изучена также реакционная способность бетаина в реакции с дигексил карбодиимидом [62]. В этой реакции карбодиимид выступает в роли основа ния, способствуя отщеплению от фосфабетаина акриловой кислоты и образуя с ней соль:

C6H11N C NC6H Ph3P [CH2 CHCOO C6H11N C NC6H11] Ph3PCH2CH2COO + H 1.2.3. Фосфабетаины на основе цианакрилатов Рассматривая реакции третичных фосфинов с производными непре дельных карбоновых кислот, отметим образование фосфабетаиновых струк тур в реакциях фосфинов с 1,2-дибензоилэтиленом и п нитробензальмалонодинитрилом [45], где возникающий карбанионный центр эффективно стабилизируется электроноакцепторными карбонильными или нитрильными группами:


Особенно полные исследования в этом направлении провел в 1955 г.

Хорнер [54,72], получивший широкую серию подобных структур с самыми различными заместителями в ароматическом кольце.

CN _ p O2NC6H4CH C(CN) Et3P Et3P CH C CN O2N C6H В 1960 году Форд и Уилсон [73] повторили данную реакцию с другим фосфином, а именно с трибутилфосфином.

PR R'3P CH C(CN)2 CH C (CN) R R R = p-Cl;

p-NO2;

2,4-di-Cl;

3,4-di-CH3O;

R' = n-C4H9;

Надо сказать, что интерес к подобным карбанионным бетаинам, стаби лизированным акцепторными сложноэфирными и нитрильными группиров ками, особенно возрос в последнее время. В этой связи следует отметить чрезвычайно интересную серию работ группы Ю.Г.Гололобова [74-76], в ко торых был разработан способ получения стабильных фосфабетаинов взаимо действием триалкил- и триаминофосфинов с эфирами 2-цианакриловой ки слоты:

R3P R3PCH2C CN CH2 C CN COOR' COOR R = Alk, Et2N;

R' = Me, Et.

Устойчивые фосфабетаины 16 получаются при использовании сильных Р-нуклеофилов 14 – триалкил-, триамино-, алкиламинофосфинов, и медлен ном прибавлении разбавленного раствора акрилата 15 к третичному фосфину.

Подобного рода нуклеофилы образуют прочную Р-С связь с цианоакрилатами и в условиях недостатка последних активно выводят их из сферы реакции, смещая равновесие в сторону образования фосфабетаина 16.

20 0C BCH2C CN CH2 C CN B 80 C COOR' COOR 14 Слабые же Р-нуклеофилы, такие как Ph3P, (EtO)3P, вызывают полимери зацию 2-цианакрилата 15 как в условиях избытка, так и недостатка нуклеофи ла. Очевидно, в этих случаях равновесие настолько сдвинуто влево, что в лю бой момент времени в реакционной массе присутствует избыток мономера 15, который быстро полимеризуется.

Вследствие обратимости реакции, нагревание внутренней соли 16 при 800С приводит к исходным фосфинам 14 и полимеру 2-цианакрилата.

Следует отметить, что бетаины полученные на основе третичных фос финов и 2-цианакрилатов, являются относительно слабыми ингибиторами хо линэстераз [77].

При этом наиболее интересной в контексте нашего обсуждения являет ся реакция алкилиденфосфорана с динитрилом малоновой кислоты, приво дящая к образованию стабильного фосфабетаина, карбанионный центр кото рого стабилизирован двумя электроноакцепторными нитрильными группами [45,54, 72,73] аналогично тому, как это имело место в рассмотренных выше бетаиновых структурах, полученных в группе Гололобова:

CF3 CN Ph3P CH2 C C Ph3P=C=C(CF3)2 + CH2(CN) CN CF Фосфабетаины цианоакрилатного ряда интересны тем, что с алкили рующими реагентами они вступают в реакцию С-алкилирования с образова нием новой связи С-С [75]:

R'' R3PCH2C CN + R''X X R3PCH2C CN COOR' COOR' Однако в некоторых случаях, за счет наличия равновесия между фосфа бетаином 13 и исходными соединениями, при взаимодействии цвиттер-ионов 13 с электрофилами они реагируют не только как карбанионы, но и как фос фины, из которых были получены [78,79]. Результат взаимодействия опреде ляется сродством электрофила к карбанионному центру или трехвалентному фосфору и устойчивостью образующихся при этом продуктов. Под устойчи востью последних подразумевается возможность их превращения в более ста бильные новые производные, либо распад с регенерацией фосфабетаина 13 и электрофила Е.

R3P CH2 C CN + CH2 C CN R3P 13 COOR' COOR' E E R3P E полимер продукт R3P CH2 C CN E COOR' R = Pr, i Pr, Bu ;

R' = Me, Et ;

E = электрофил Так, MeI имеет достаточно высокую реакционную способность как в отношении цвиттер-иона 13, так и в отношении третичных фосфинов. Поэто му взаимодействие 17 с избытком MeI приводит к двум фосфониевым солям.

Основным продуктом является производное 18, а минорным – тризопро пил(метил)фосфонийиодид 19.

+ CH2 C CN CH2 C CN i-Pr3P i-Pr3P COOEt COOEt 17 MeI Me Me i-Pr3P CH2 C CN i-Pr3P I COOEt I Другим примером может служить реакция фосфабетаина 17 с сулемой, образующей прочные комплексы с фосфинами. При этом происходит смеще ние равновесия в сторону образования триизопропилфосфина с последующей реакцией с HgCl2. смешивание растворов 17 и HgCl2 в МеСN приводит к бы строму выпадению кристаллического аддукта Pri3P HgCl2 (20);

образование аддукта с цвиттер-ионом 17 не наблюдается.

Очень интересная 1,3- С – С –миграция фтора в -комплексе, образо ванном 2,4,6-тринитрофторбензолом и Р-цвиттер-ионом изучена также в группе профессора Ю.Г.Гололобова [80]. Все известные превращения комплексов типа 21 включают элиминирование фторид-иона и образование новых ароматических соединений 22.

Y NO2 NO NO Y Y F F F В данном же случае реакция протекает при 3 0С в растворе СН2Сl2 коли чественно с образованием единственного фосфорфторсодержащего кристал лического соединения темно-красного цвета. По данным РСА образовавшееся соединение представляет собой цвиттер-ион 24. По-видимому, в данном слу чае цвиттер-ион 17 реагирует с 2,4,6-тринитрофторбензолом не как С нуклеофил, а как мезомермый ему N-нуклеофил. В образовавшемся комплексе 23 ион фтора мигрирует к электрофильному атому С кетениминной группы, что приводит к цвиттер-иону 24. Формирование сложной сопряжен ной системы по-видимому, является главной движущей силой столь необыч ного превращения.

NO CN CN i Pr3P CH2 C F NO i Pr3P CH2 C C(O)OEt C(O)OEt 17 NO NO NO F F O i Pr3P CH2 C CN N i Pr3P CH2 C CN NO O EtO(O)C EtO(O)C NO NO 23 Таким образом, авторами обнаружен первый случай превращения комплексов, образующихся при нуклеофильном ароматическом замещении атома фтора, при котором атом фтора не выделяется в виде фторид-аниона, а мигрирует внутримолекулярно с образованием высоко-сопряженной структу ры.

1.3. Реакции элементоорганических бетаинов с изо- и изотиоцианатами Поскольку значительная часть настоящей диссертационной работы по священа изучению кинетики и механизма уникальной реакции фосфабетаинов цианакрилатного ряда с арилизоцианатами, мы сочли целесообразным выде лить рассмотрение реакций элементоорганических бетаинов с органическими изоцианатами и их тиопроизводными в отдельный раздел данного литератур ного обзора.

Следует отметить, что сведения о реакционной способности элементо органических бетаинов в реакциях с изоцианатами носят весьма ограничен ный характер. Наиболее интересные и подробные исследования в этой облас ти на протяжении почти трех десятилетий проводились в группе австрийских ученых Хелен Уитманн и Эриха Зиглера [11-17, 37-40, 81-94]. Большинство работ этих авторов посвящено взаимодействию элементоорганических бетаи нов с изо- и изотиоцианатами. В данном разделе нашего литературного обзора мы рассмотрим большинство изученных к этому моменту реакций с участием бетаинов и изо- и изотиоцианатов.

Большой интерес вызывают реакции бетаинов с изоцианатами и их про изводными. Все эти реакции начинаются с нуклеофильной атаки анионного центра бетаина на углерод изоцианатной группы, причем дальнейшая стаби лизация образующегося интермедиата для разных бетаинов может протекать по-разному, часто сопровождаясь элиминированием углекислого газа и при водя к образованию гетероциклов.

Так, в реакции азобетаина с фенилизоцианатом образуется 1,3 дифенилимидазол-2,4-дион, строение которого подтверждено данными ИК спектроскопии [81,87]. Реакция идет при 140-160 0С, и протекает через про межуточный аддукт, который стабилизируется путем элиминирования СО2 и последующего присоединения второй молекулы фенилизоцианата.

O O + + Ph_N=C=O R3NCH2C _ + R3NCH2C O _O _N_C=O Ph _ O O + PhNCO + R3NCH2C O _ N Ph CO _R N Ph N Ph N C=O O Аналогичным образом начинается и реакция с хлорсульфонилизоциана том [84].

O + O (CH3)3NCH2C + ClSO2NCO ClSO2 _ N=C=O + R3NCH2C _ O + _ _ CO _N C O ClSO2 O N SO2Cl + (CH3)3NCH2C N SO2Cl + _ _ O (CH3)3NCH2C _ _N C CO ClSO2 N SO2Cl O Однако основным продуктом реакции в этом случае является амидил-N сульфохлоридбетаин, выделенный в виде этилпроизводного.

B oтличие от азотсодержащего бетаина, реакция серосодержащего, он же тетин, с фенилизоцианатом протекает без отщепления СО2 [37]. Тетин (СН3)2S+CH2COO- является более реакционноспособным соединением, чем его азотсодержащий аналог [38]. Большая реакционная способность тетина обусловлена повышенным резонансным взаимодействием иона сульфония с илидным карбанионом, в результате чего бетаин-илидное равновесие смеща ется в сторону образования более устойчивого илида:

(CH3)2S CHCOOH (CH3)2SCH2COO Последущая реакция тетина с фенилизоцианатом начинается с нуклео фильной атаки карбанионного центра образовавшегося илида на углерод изо цианатной группы, образующийся при этом аддукт вступает в реакцию со вто рой молекулой фенилизоцианата. Барбитуровое кольцо замыкается при эли минировании молекулы воды [37,38].

_ O O + + Ph_N=C=O (СH3)2SCH2C _ + (CH3)2S CHC OH O O O H C C + + Ph N C S(CH3)2 Ph N CS(CH3) _ _ _ OC C OH H2O OC CO N N O Ph Ph В противоположность азобетаину, тетин не вступает в реакции гидроли за и этерификации [39], это подтверждает тот факт, что равновесие смещено в сторону илидной формы. Тиолан- и тиоперанбетаины дают с фенацилброми дом в незначительных количествах сульфониевые соли, которые к тому же не разлагаются при гидролизе [39].

Следует также отметить, что тетин вследствие тенденции к образова нию стабильного илида реагирует не только с трифторуксусным ангидридом, но также с трихлор- и даже с монохлоруксусными ангидридами, давая ста бильные диацидилиды [40].

Весьма интересно протекает реакция карбоксилатного фосфабетаина с фенилизоцианатом [62,67]. Реакцию проводили при температуре 70-90 оС в смеси хлороформа и толуола. Вначале авторами была предложена схема реак ции фосфабетаина с фенилизоцианатом с образованием фосфониевой соли, представляющей собой молекулу исходного бетаина, стабилизированную мо лекулой карбаминовой кислоты.

O O + H2O Ph3P CH2CH2C OC Ph3P CH2CH2COO + PhN=C=O N Ph o M.p. 148 C P 25.16 ppm O O O Ph3P CH2CH 2COO.

HO C OH Ph3P CH2CH 2C OC NH Ph NH Ph O PhN=C=O Ph3P CH2CH2COO. PhNH C - CO2 NH Ph M.p. 87 oC P 25.21 ppm Выполненный позднее рентгеноструктурный анализ (рис.5) показал, что конечным продуктом реакции бетаина 25 с фенилизоцианатом действительно является комплекс этого бетаина - однако, не с карбаминовой кислотой, а с дифенилмочевиной 26.

Отсюда следует, что реакция протекает дальше: карбаминовая кислота, будучи достаточно сильной, присоединяется по C=N связи фенилизоцианата с последующим элиминированием молекулы СО2 и образованием дифенилмо чевины.

Рис.5. Водородные связи в кристалле Для исключения альтернативного механизма реакции, в соответствии с которым дифенилмочевина могла бы образовываться и без непосредственного участия бетаина 25 в хорошо известной реакции фенилизоцианата с водой [62], авторы провели сопоставительное кинетическое исследование скорости реакций фенилизоцианата с гидратированным бетаином 25 и с водой в той же концентрации, но в отсутствии бетаина. Полученные кинетические данные показали, что в одних и тех же условиях скорость первой реакции не менее чем в 50 раз превышает скорость второй, что однозначно указывает на уча стие фосфабетаина в реакции.

Однако, наиболее интересные, на наш взгляд, результаты в реакциях бе таинов с изоцианатами были достигнуты в группе Ю.Г.Гололобова в ряду фосфабетаинов, полученных на основе триалкилфосфинов и 2 цианоалкилакрилатов [95-97]. В этом случае реакция протекает не по обычной схеме взаимодействия цвиттер-ионов с электрофилами, а приводит к продук там внедрения последних в анионную часть молекулы цвиттерионов с разры вом С-С связи:

R3PCH2C CN + Ph-NCO R3PCH2C CN C=O COOR' Ph N COOR' Эта принципиально новая реакция изоцианатов, не имеющая каких-либо аналогий в литературе, приводит к образованию нового бетаина, строение ко торого было надежно доказано авторами методом рентгеноструктурного ана лиза [95-97]. Интересно при этом, что метод РСА обнаружил в кристалличе ской решетке одну сольватную молекулу толуола на две молекулы бетаина.

В рамках тематики данной диссертационной работы остановимся под робнее на реакции фосфабетаинов типа 13 с алкил- и арилизоцианатами, ко торая, как уже было отмечено выше, протекает не по обычной схеме взаимо действия цвиттер-ионов с электрофилами (направление а), а приводит к про дуктам внедрения 27 последних в анионную часть молекулы цвиттер-ионов с разрывом С-С связи (направление б) [21,22].

R'OO C O R3P CC CH а N R'' CN CH2 C CN + R"N C O R3P CN COOR' б 13 R3P CH2 C CO R"=Alk, Ar 27 R'' N COOR' В качестве наиболее вероятного авторами был предложен следующий механизм реакции:

CN O R3PCH2C CN Ph NCO R3PCH2 CC N Ph 13 COOR' C O OR' A CN R3PCH2C CN CH2 C CO R3P CO OCN Ph Ph N COOR' OR' B Реакция начинается с атаки центрального атома углерода пентадного аниона фосфабетаина 13 на углерод изоцианатной группы с образованием ин термедиата А. Атом азота этого интермедиата (как более нуклеофильный) способен атаковать углерод карбоксильной группы, приводя к неустойчивому фосфорану В (участие фосфониевого атома фосфора в данном процессе авто ры назвали «электрофильным содействием»), который распадается с разры вом С-С связи, давая продукт внедрения 27.

В рамках совместной работы с группой профессора Гололобова в Казан ском университете спектрофотометрическим методом были изучены кинетика и механизм этой необычной реакции в ряду замещенных арилизоцианатов [98-100].

Установлено, что реакция протекает по общему второму порядку - пер вому по каждому из реагентов. Константы скорости и активационные пара метры представлены в таблице 1.

Таблица 1. Константы скорости и активационные параметры реакции k II R3PCH2C CN + Ar-NCO R3PCH2C CN C=O COOR' Ar N COOR' R = i-Pr (ацетонитрил, 30оС) H, -S, kII.,, * Ar л/моль.мин нм ккал/моль э.е.

С6Н5 300 0.030 9.58 41.5 0. -нафтил 330 0.034 9.15 42.2 0. p-MeOС6Н4 305 0.095 8.58 43.1 0. 3,4-Cl2С6Н4 305 0.488 7.15 44.54 1. o-O2NС6Н4 370 37.73 2.66 50.72 1. Полученные кинетические результаты - и, в частности, высокое отрица тельное значение энтропии активации - свидетельствуют о высокой упорядо ченности активированного комплекса, характерной для циклических струк тур, что, в целом, хорошо согласуется с предложенным ранее механизмом.

Вероятнее всего, нуклеофильная атака анионного центра фосфабетаина на уг лерод изоцианатной группы и нуклеофильная атака атома азота на карбэток сильную группу, приводящая к разрыву С-С связи, протекают относительно синхронно в пределах одного переходного состояния по согласованному ме ханизму.

Отличием данного механизма от предложенного Гололобовым [95-97] с сотрудниками является отсутствие предполагаемого этими авторами непо средственного участия атома фосфора - так называемого «электрофильного содействия» через образование фосфорана В. Движущей силой миграции кар бэтоксильной группы к атому азота может служить стерическая перегружен ность активированного комплекса, а также энергетический выигрыш от более эффективной делокализации анионного заряда в образующемся продукте.

Полученные на нашей кафедре результаты, и в частности вывод об от сутствии непосредственного участия атома фосфора в этой реакции, побудили московских коллег экспериментально проверить этот факт. С этой целью ими была изучена реакция арилизоцианатов с бесфосфорным карбанионом [101 104], которая дала точно такой же синтетический результат с миграцией сложноэфирной группы к атому азота, что полностью подтвердило сделанные на нашей кафедре выводы:

Ph C CN Na PhC CN Na Ar NCO CO COOMe Ar N COOMe 29 Изучая химические свойства карбаниона 30, его вовлекли в реакцию с пара- нитробензилбромидом, в результате реакции образуется соответствую щий продукт С-алкилирования 31 [78].

O NC C CN Ph O NC Ph CH p O2N C6H4 CH2 Br COOMe С CN Ph Ph COOMe Na NO В работах [107,108] Гололобов с сотр. описал еще одну подобную пере группировку: C-N миграцию ацетильной группы, протекающую аналогично описанной выше миграции сложноэфирной группы:

O O Me O Me C C C Me O RNCO Bu3PCHC Bu3PCH C C O Bu3PCH C C Me NR Ph Ph C C Me Ph C O O Me O NR Позже авторы показали, что рассматриваемые перегруппировки имеют достаточно общий характер [105]. По такой же схеме внедрения изоцианатов по С - С-связи взаимодействуют не только фосфорсодержащие 1,3-цвиттер ионы, но и свободные моно- и бис-карбанионы, а также азотистые илиды. В качестве гетерокумуленов в рассматриваемые превращения успешно вводили метилизоцианат, фенилизотиоцианат, 1-нафтилизоцианат, мета- или пара замещенные фенилизоцианаты, а также диизоцианаты.

X X R1 C R R2NCZ R C CN Y Z Y R = Ph, Py, изохинолил, Pr3PCH2, Bu3PCHPh, (Et2N)3PCH R2 = Me, Ph, m Tol, 1 нафтил, 4-ClC6H4, 3,4-Cl2C6H3, 4- O2NC6H X = CN, CO2Et;

Z = O, S Y = CO2Mt, CO2Et, C(O)Me В то же время отмечали, что 2,6-дихлорфенил- и 2,4,6 трихлорфенилизотиоцианаты реагируют с цвиттер-ионами по иной схеме с образованием аддуктов 33, очевидно, вследствие того, что два орто- распо ложенных атома хлора препятствуют образованию ожидаемых карбаматов типа 32[105].

CN CN i Pr3P CH2 C i Pr3P H2C C CO2Et CO2Et ArNCS NC S i Pr3P C NAr i Pr3P CH2 C C N Ar S C O OEt Ar = 2,6-Cl2C6H3, 2,4,6-Cl3C6H В этой же работе авторы приводят результаты систематического изуче ния превращений фосфорсодержащего цвиттер-иона 17 при взаимодействии с различными арилизоцианатами, в том числе с соединениями, в орто- положе нии фенильного кольца которых присутствуют атомы или группы, проявляю щие различные электронные и стерические эффекты.

В работе [107] описана аналогичная по сути 1,3-миграция сложноэфир ной группы, протекающая при взаимодействии илида пиридиния с фенилизо цианатом.

CO2Et CO2Et N C CO2Et 20 0C NC PhNCO C 60 0C CO2Et O N Ph CO2Et CO2Et CO2Et N CH MeSO 2OH CO2Et NC CN CN O Ph O Ph MeSO2O Реакционная способность илидов иодония 37 в отношении арилизоциа натов сопоставима с активностью илида пиридиния [107].

O O OEt C O C OEt ArNCO C(O)Et C(O)Et - PhJ :C C PhI C Ph I CCR -ArNCO C(O)R C R C R C O N Ar O O CO ArN O R(O)C C(O)R EtO C C C C C R EtO(O)C C(O)OEt Ar N O R = Me (a), OEt (b) C Ar = 2,4-Cl2C6H3 38 O Однако, взаимодействие илидов иодония с 3,4 дихлорфенилизоцианатом, протекающее при 0 0С, приводит не к продуктам внедрения молекулы изоцианата по С-С связи, а к оксазолин-2-онам 38. Кроме того, в результате реакции образуются небольшие количества «димеров» 39а и 39б.Строение образующихся продуктов установлено методом РСА.

Приведенные в литературном обзоре сведения подтверждают актуаль ность исследования как методов получения, так и химических, физических и других свойств бетаиновых структур. Интригующей остается проблема био логической активности обсуждаемых химических систем, а также изыскание новых областей их практического использования. При этом наибольший ин терес вызывают вопросы, связанные с особенностями строения и стабильно сти фосфабетаинов, роли внешних и внутренних факторов, определяющих их образование и последующую реакционную способность.

ГЛАВА 2. КИНЕТИКА И МЕХАНИЗМ ОБРАЗОВАНИЯ ФОСФАБЕ ТАИНОВ И РЕАКЦИЙ С ИХ УЧАСТИЕМ (Обсуждение результатов) Как следует из литературного обзора, фосфабетаины представляют со бой один из интереснейших классов фосфорорганических соединений, явля ясь интермедиатами важнейших фосфорорганических реакций, а также свое образными аналогами органических аминокислот с потенциально широким спектром биологической активности и других практически полезных свойств.



Pages:   || 2 | 3 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.